Biaya pengiriman pelet rumput gajah yang diangkut dari depot ke pabrik biorefinery di Piedmont, AS

Abstrak
Wilayah tenggara AS berpotensi menjadi produsen produk berbasis bio yang signifikan; namun, penelitian diperlukan untuk menunjukkan sistem pengiriman bahan baku yang paling hemat biaya. Studi ini mempertimbangkan jaringan terdistribusi dari lima depot pelet untuk memasok bahan baku (yaitu, pelet rumput liar) untuk pengoperasian kilang hayati hipotetis yang berlokasi di dekat South Boston, VA, AS. Studi ini dibagi menjadi empat kategori utama: (1) pengiriman bahan baku dari lokasi penyimpanan satelit (SSL) ke depot pelet; (2) produksi pelet di depot; (3) penyimpanan pelet di depot, dan (4) pengiriman pelet ke kilang hayati untuk memasok operasi berkelanjutan 24 jam per hari, 7 hari per minggu, dan 48 minggu per tahun. Analisis biaya dimulai dengan bal bundar di SSL dan berakhir saat muatan pelet tiba di kilang hayati. Studi ini tidak mencakup pembayaran farmgate untuk menanam, memanen, dan menyimpan bal bundar di SSL, dan juga tidak mencakup operasi fasilitas penerimaan di kilang hayati. Biaya rata-rata tertimbang untuk pengiriman tahunan ke pabrik biorefineri dari lima depot adalah USD 129,32 per pelet Mg. Pembagian biaya ini adalah 51% pengiriman bahan baku, 38% pelet, 2% penyimpanan pelet, dan 9% pengiriman pelet. Biaya untuk depot terkecil adalah USD 145,37 per pelet Mg, dibandingkan dengan USD 115,22 per pelet Mg untuk depot terbesar. Hasil ini menunjukkan pengaruh skala ekonomi; terdapat pengurangan biaya sebesar 21% seiring dengan peningkatan ukuran depot dari 66.450 menjadi 140.430 pelet Mg per tahun.

Perkenalan
Biorefineri memerlukan kapasitas pemrosesan yang tinggi untuk mencapai skala ekonomi; namun, pengangkutan biomassa secara langsung dari area produksi sering kali tidak praktis karena biaya yang berlebihan. Oleh karena itu, Departemen Energi AS (DOE) mengusulkan jaringan depot yang memproduksi bahan baku antara, seperti pelet padat, untuk memasok biorefineri. 1 – 4

Sistem depot yang memasok biorefinery disebut sebagai sistem ‘terdistribusi’, sedangkan pengiriman biomassa mentah langsung dari penyimpanan di lahan pertanian ke biorefinery disebut sebagai sistem ‘terpusat’. 5 Jaringan depot pasokan bahan baku yang terdistribusi dapat membantu mengurangi risiko kekurangan pasokan dan mempermudah peningkatan operasi biorefinery daripada sistem yang lebih tradisional dan tersentralisasi. Dengan sistem terdistribusi, biorefinery dapat memiliki beberapa kontrak multitahun dengan depot, dibandingkan dengan banyak kontrak 1 tahun dengan petani perorangan.

Banyak penelitian telah meneliti logistik sistem terdistribusi di area bioenergi yang sudah mapan seperti wilayah Midwest di Amerika Serikat.5,6 Wilayah Tenggara Amerika Serikat , khususnya provinsi Piedmont , belum dimanfaatkan secara optimal oleh industri biorefinery nasional; namun , wilayah ini telah terbukti memiliki potensi pasokan bahan baku yang belum dimanfaatkan.7,8

Kim dan Dale 6 membandingkan sistem terpusat dengan sistem terdistribusi di mana jaringan depot di seluruh Midwest AS memasok pelet jerami jagung ke pabrik biorefineri. Dengan pendekatan berorientasi harga etanol, studi mereka menggunakan 775 depot untuk memasok sepuluh pabrik biorefineri. Rata-rata laju pemrosesan, berdasarkan volume etanol, untuk depot yang memasok sepuluh pabrik biorefineri berkisar antara 91 hingga 181 Mg kering per hari. Sebagai perbandingan, laju pemrosesan lima depot Piedmont hipotetis dalam studi ini berkisar antara 204 hingga 431 Mg kering per hari, berdasarkan hasil rata-rata yang diasumsikan dalam radius 48 km dari setiap depot, sebagaimana diperkirakan oleh Resop dan Cundiff. 8

Kim et al . 9 mengevaluasi potensi pasokan sistem biorefineri terpusat menggunakan rumput switchgrass yang ditanam di lahan marginal di Michigan, sebuah negara bagian di Midwest. Studi mereka dibatasi pada kisaran kapasitas biorefineri 700 hingga 2000 Mg kering per hari. Sebagai perbandingan, kapasitas biorefineri yang digunakan dalam studi ini, yang terletak di provinsi Piedmont, memiliki kapasitas 1400 Mg kering per hari. Hasil panen rumput switchgrass untuk enam daerah dalam studi Kim et al . 9 berkisar antara 8,86 hingga 9,0 Mg ha −1 , dengan kadar air 15% (MC). Sebagai perbandingan, hasil panen rumput switchgrass sebesar 6,7 Mg ha −1 diasumsikan dalam studi ini, perkiraan konservatif untuk lahan marginal di Piedmont. 10

Studi ini berasumsi bahwa petani akan menyimpan bahan baku di lokasi penyimpanan satelit (SSL), yang didefinisikan sebagai area penyimpanan kerikil dengan akses jalan, hingga diangkut ke fasilitas penerima di depot. 11 Model SSL telah berhasil diterapkan dalam studi pengiriman bahan baku lainnya. 12 – 18 Dalam studi ini, fasilitas penerima diasumsikan sebagai depot yang memproduksi pelet rumput gajah, yang kemudian dikirim ke pabrik biorefineri atau disimpan untuk pengiriman selanjutnya.

Diasumsikan pula bahwa petani akan memiliki fasilitas depot. 6 Mereka akan menerima keuntungan ekonomi bukan dari biomassa mentah tetapi dari produk yang diproduksi oleh depot. Ada pertanyaan tentang bagaimana pengiriman dari depot ke pabrik biorefinery akan dikelola. Apakah depot akan menyewa truk untuk melakukan pengiriman atau apakah pabrik biorefinery akan menyewa truk sehingga dapat menjadwalkan pengiriman untuk mengoptimalkan pengoperasian fasilitas penerima mereka? Studi ini berhipotesis bahwa pabrik biorefinery akan mengoperasikan armada truk untuk pengiriman pelet, beroperasi 6 hari per minggu, 24 jam per hari, 48 minggu per tahun.

Pelet dipilih sebagai opsi pemadatan yang dipelajari di sini karena tiga alasan utama. Pertama, industri pelet kayu adalah model industri yang mapan; 10 juta metrik ton diekspor pada tahun 2024. 19 Secara khusus, pelet kayu yang diproduksi di AS Barat Laut dikirim melalui kereta api ke pelabuhan-pelabuhan di Pantai Timur, tempat pelet tersebut dimuat ke kapal untuk dipasarkan di Eropa. Kedua, pelet kayu menyediakan penerapan teknologi yang ada yang dikembangkan untuk industri pelet pakan (misalnya, penyimpanan, penanganan, pengiriman) untuk digunakan untuk pelet bahan baku. Ketiga, pelet kayu menyediakan peluang untuk pengiriman melalui kereta api antarwilayah. Wilayah dengan hasil panen yang berkurang karena cuaca (misalnya, kekeringan) dapat membeli bahan baku dari wilayah dengan produksi berlebih. Peluang untuk pengiriman melalui kereta api lintaswilayah dapat membuat sistem pasokan bahan baku lebih tangguh untuk industri biorefineri nasional.

Sejumlah penelitian telah mengevaluasi opsi praperlakuan sebelum pelet untuk menghasilkan pelet dengan sifat kimia tertentu. Kim dan Dale 6 menganjurkan praperlakuan ekspansi serat amonia (AFEX) sebelum pelet karena memberikan pelet peningkatan stabilitas. Lignin, perekat alami, dibawa ke permukaan partikel biomassa dengan praperlakuan AFEX dan memungkinkan pelet suhu rendah dan tekanan rendah tanpa menambahkan pengikat yang mahal. Morais et al . 20 mempelajari apakah praperlakuan harus terjadi di depot atau di biorefinery. Mereka menggunakan praperlakuan biomassa padat dengan amonia daur ulang (COBRA) dari ampas tebu untuk biorefinery di Sao Paulo, Brasil. Morais et al . 20 berasumsi pelet biomassa mentah dimasukkan langsung ke reaktor COBRA. Praperlakuan menggunakan COBRA dengan ekstraksi lignin simultan (COBRA-LE) memberikan hasil etanol yang lebih tinggi. Para penulis melaporkan hasil serupa untuk rumput abadi dan kayu keras. Di antara skenario praperlakuan, biorefineri berdasarkan praperlakuan COBRA-LE menawarkan harga jual etanol minimum rata-rata terendah. Unit operasi untuk pelet, dan dengan demikian biaya pelet, serupa untuk semua opsi.

Lamers et al . 4 mengkategorikan dua jenis fasilitas depot: depot standar dan depot berkualitas. Fungsi utama depot standar terkait dengan peningkatan kualitas bahan baku untuk transportasi dan penyimpanan; dengan demikian, operasi pemrosesan utama adalah pemadatan. Fungsi utama depot berkualitas adalah menyiapkan produk untuk penggunaan hilir tertentu (misalnya, bioenergi, bioproduk, atau pakan ternak). Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa pelet diproduksi tanpa praperlakuan di depot; dengan demikian depot akan menjadi depot ‘standar’.

Tujuan utamanya adalah untuk menyelidiki potensi kontribusi Piedmont terhadap industri biorefinery nasional; namun, tujuan khusus dari studi ini adalah untuk menentukan biaya pengiriman pelet switchgrass dari lima depot ke biorefinery hipotetis berkapasitas 472.090 Mg kering per tahun yang berlokasi di dekat South Boston, VA, AS. Analisis diasumsikan dimulai dengan bal bundar dalam penyimpanan ambien satu lapisan di SSL di lahan pertanian tempat switchgrass ditanam dan diakhiri dengan truk bermuatan pelet yang dikirim melalui gerbang di biorefinery untuk operasi 24 jam, 7 hari seminggu, dan 48 minggu setahun.

Metodologi
Daerah studi
Lokasi depot dipilih dari 34 zona produksi multikabupaten di provinsi Piedmont. 7 Tiga berada di Virginia (VA5, VA6, VA7) dan dua di Carolina Utara (NC2, NC3). 8 Sebuah lokasi biorefinery dipilih di dekat South Boston, VA, AS, berdasarkan lokasi terpusat dengan akses ke jalan utama dan rel kereta api. 8 Radius 97 km, berdasarkan kekompakan relatif dari lima kabupaten, ditetapkan di sekitar biorefinery untuk memilih depot (Gbr. 1 ). 8 Rel kereta api memungkinkan pengiriman pelet dari rantai pasokan lain ketika panen lokal tidak menyediakan operasi kapasitas penuh. 9 Ketika ada panen berlebih, rel kereta api menyediakan pengiriman pelet yang efisien ke biorefinery lain. Radius 97 km dapat dibandingkan dengan Kim dan Dale, 6 yang melaporkan radius rata-rata tertimbang 215 km untuk rantai pasokan berorientasi harga dan rata-rata tertimbang 342 km untuk rantai pasokan berorientasi permintaan.

 

Lima depot (VA5, VA6, VA7, NC2, NC3) ditempatkan di dekat pusat setiap zona di lahan terbuka dengan akses ke jalan utama. Produksi bahan baku rumput switchgrass diperkirakan dari tutupan lahan saat ini, berdasarkan Basis Data Tutupan Lahan Nasional (NLCD) 2019, dalam radius 48 km di sekitar setiap depot, 8 yang merupakan area yang sama yang digunakan oleh studi logistik SSL sebelumnya yang berpusat di Gretna, VA, AS. 13 Di setiap zona, area bahan baku potensial diidentifikasi dari kelas tutupan lahan berprioritas tinggi – semak belukar dan padang rumput – yang dianggap paling cocok untuk produksi bahan baku (Gbr. 1).

Area bahan baku potensial dikalikan dengan persentase yang dikonversi ke produksi switchgrass (40%) dan hasil yang diasumsikan (5,7 Mg kering ha -1 ) 10 untuk memperkirakan produksi untuk setiap depot (Tabel 1 ). Produksi tahunan berkisar dari 68.520 Mg kering (VA5) hingga 144.820 Mg (VA6), menghasilkan total produksi 472.090 Mg kering untuk biorefinery. 8 Laju pemrosesan setiap depot mengasumsikan operasi 24 jam 7 hari per minggu dan 48 minggu per tahun. Produksi ini sebanding dengan studi DOE 2011 tentang biorefinery 2000 Mg per hari (672.000 Mg per tahun). 21

Tabel 1. Produksi bahan baku dalam radius 48 km dari lima depot, diadaptasi dari Resop dan Cundiff. ⁸

Rata-rata biaya pengiriman bahan baku ke depot adalah fungsi dari kepadatan bahan baku ( F d ), jumlah bahan baku dalam radius tertentu (Tabel 1 ). Rata-rata biaya pengiriman pelet dari depot ke biorefinery bergantung pada kepadatan bahan baku secara keseluruhan. Kepadatan bahan baku untuk seluruh area produksi yang melayani biorefinery, berdasarkan bahan baku yang diproses di lima depot, adalah 15,9 Mg kering km −2 .

Target adopsi 4% dipilih sebagai tingkat partisipasi untuk industri yang matang. Area studi dicirikan oleh kepemilikan lahan yang relatif kecil. Dalam banyak kasus, pemilik lahan tidak berpartisipasi dalam pertanian komersial secara signifikan. Faktor lain adalah kepemilikan lahan secara absen, di mana pemilik lahan mewarisi sebagian lahan pertanian tetapi tidak mengelolanya. Mengingat realitas ini, kami mengakui bahwa terlalu optimis untuk mencoba mencapai tingkat adopsi 4%. Hasil switchgrass diasumsikan sebesar 6,7 Mg ha -1 (15% MC) atau 5,7 Mg ha -1 kering . 10 Dengan asumsi tingkat partisipasi 4% dari area tersebut tertarik pada produksi, maka kepadatan bahan baku ( F d ) akan menjadi:

 

Kepadatan bahan baku ini sebanding dengan kepadatan bahan baku keseluruhan sebesar 15,9 Mg km −2 kering dari Resop dan Cundiff 8 pada Tabel 1 .
Kim dan Dale 5 menggunakan tingkat partisipasi sebesar 36,8% untuk mempelajari sistem terpusat dan terdistribusi di Midwest. Untuk daerah dengan hasil panen tinggi seperti ini, hasil panen jagung diperkirakan sebesar 1,5 ton kering ac −1 (3,36 Mg kering ha −1 ). Berdasarkan hasil panen ini, kepadatan bahan baku akan menjadi:

Jika lokasi Midwest yang optimal memiliki kepadatan bahan baku sebesar 123,6 Mg kering km −2 , maka kepadatan bahan baku tersebut akan menjadi 7,8 kali kepadatan bahan baku keseluruhan sebesar 15,9 Mg kering km −2 untuk lokasi Piedmont dalam studi ini (Tabel 1 ). Jika lokasi Piedmont yang optimal menghasilkan 7,6 Mg kering ha −1 dan 5% dari area tersebut diproduksi, maka kepadatan bahan baku akan menjadi 38 Mg kering km −2 . Dalam skenario optimal ini, Midwest akan tetap menawarkan kepadatan bahan baku sebesar 3,3 kali Piedmont, yang membantu menjelaskan penekanan DOE pada wilayah tersebut untuk pengembangan biorefineri.
Biaya pengiriman bahan baku ke depot
Studi ini didasarkan pada karya Resop dan Cundiff, 8 yang menganalisis 199 SSL dalam radius 48 km dari masing-masing lima depot dan mensimulasikan pengiriman bahan baku mingguan selama setahun. Mereka menghitung produktivitas truk dan pemuatan menggunakan jumlah operasi pemuatan yang dioptimalkan per depot dan memperkirakan total biaya hingga titik di mana aliran rumput switchgrass yang ukurannya diperkecil memasuki depot.

Biaya produksi pelet di depot
Biorefinery diasumsikan menawarkan kontrak farmgate berdasarkan berat basah bahan baku mentah. Dengan demikian, Resop dan Cundiff⁸ melaporkan biaya per unit berat konsumsi tahunan , dengan asumsi kadar air bahan baku mentah (MC) sebesar 15%. Sebaliknya, studi saat ini melaporkan biaya per unit produksi pelet tahunan , yang memerlukan faktor konversi. Berdasarkan rasio massa kering sebesar 1,1:1 (yaitu, 1,1 unit bahan baku kering menghasilkan 1 unit pelet kering) dan MC pelet sebesar 6%, faktor konversi diturunkan untuk mengubah massa switchgrass menjadi massa pelet secara basah:

di mana: con fac  = faktor konversi; F mc  = kadar air bahan baku (basis basah) (persen desimal); ratio = rasio bahan baku terhadap pelet (basis kering) (persen desimal); P mc  = kadar air pelet (basis basah) (persen desimal).
Rasio ‘1,1:1’ diasumsikan untuk memperhitungkan semua kerugian selama pemrosesan biomassa mentah menjadi pelet. Kerugian untuk penyimpanan ambien satu lapis bal bundar di SSL diperkirakan rata-rata 5%. Kontrak farmgate membayar biomassa mentah yang dikirim ke depot. Dengan demikian, kerugian penyimpanan tidak dipertimbangkan dalam analisis ini. Produksi bahan baku mentah (pada 15% MC) yang digunakan oleh Resop dan Cundiff, 8 dan produksi pelet tahunan berikutnya (pada 6% MC) di setiap depot ( con fac  = 0,822), disediakan dalam Tabel 2 .

 

Tabel 2. Konsumsi bahan baku tahunan (yaitu, diterima di depot) dan produksi pelet (yaitu, kapasitas depot) di lima depot menggunakan faktor konversi ( kon _fak ) sebesar 0,822.

Studi ini mempertimbangkan operasi unit berikut untuk depot pelet: (1) pengangkutan material dengan ukuran awal yang diperkecil ke dalam depot; (2) pengeringan (untuk memastikan bahwa MC berada dalam kisaran optimal); (3) penggilingan (untuk mendapatkan distribusi ukuran partikel yang optimal); (4) pelet (termasuk kondisi bahan baku); (5) pendinginan pelet, dan (6) penyaringan pelet dan pengangkutan ke penyimpanan.

Biaya kepemilikan
Biaya pemasangan didasarkan pada data untuk pabrik pelet kayu berkapasitas 175.000 ton per tahun yang baru dibangun, yang disebut sebagai ‘pabrik referensi’. Biaya peralatan mekanis di pabrik referensi adalah USD 12.739.750. Biaya ini disesuaikan untuk menghilangkan operasi yang diperlukan untuk mengirimkan aliran serpihan kayu ke pabrik karena studi ini dimulai dengan aliran rumput switchgrass yang ukurannya diperkecil ke depot. Biaya pemasangan yang dihasilkan untuk peralatan mekanis adalah USD 4.517.050, 7.426.000, 4.976.250, 4.517.050, dan 5.630.250, masing-masing untuk depot VA5, VA6, VA7, NC2, NC3.

Biaya lain untuk pabrik referensi berjumlah total USD 11.127.000. Kontinjensi yang ditetapkan adalah 50% dari estimasi biaya karena sifat awal biaya. Pabrik pelet kayu referensi 175.000 ton setara dengan depot pelet switchgrass 158.725 Mg per tahun. Jam operasi untuk pabrik referensi adalah 7.500 jam per tahun; dengan demikian, kapasitasnya adalah 158.725 / 7.500 = 21,16 Mg pelet per jam. Depot dalam studi ini direncanakan beroperasi 24 jam per hari, 7 hari per minggu selama 48 minggu per tahun atau 8.064 jam per tahun. Faktor ukuran ( s fac ) didefinisikan dengan membagi kapasitas depot (Mg h −1 ) dengan kapasitas pabrik referensi.

Kurva skala ekonomi untuk pabrik pelet dalam kisaran kapasitas yang digunakan dalam studi ini tidak ditemukan dalam literatur. Lamers et al . 4 menemukan bahwa biaya pembuatan pelet menurun dari USD 49,67 menjadi 47,94 per Mg seiring dengan peningkatan ukuran depot dari 5 menjadi 18 Mg h −1 . Hal ini menunjukkan pengaruh skala ekonomi yang sederhana pada biaya pabrik pelet. Oleh karena itu, faktor penyesuaian ukuran diturunkan dari kurva pada Gambar 2 dan diterapkan untuk memperkirakan biaya pemasangan (ICⱼ) untuk depot ke- j :

di mana IC mech j  = estimasi biaya peralatan mekanik untuk depo ke- j (USD); IC ref  = biaya kategori biaya lain pada data pabrik acuan (USD); s fac j  = faktor ukuran untuk depo ke -j (Tabel 3 ); econ fac j  = faktor skala ekonomi untuk depo ke -j (Gbr. 2 ).

Tabel 3. Perkiraan biaya pemasangan dan kepemilikan tahunan untuk lima depot.

Biaya pemasangan yang dihasilkan untuk lima depot diberikan dalam Tabel 3. Sebagai perbandingan, Lamers et al . 4 melaporkan total biaya sebesar USD 4 727 360 untuk depot pelet dengan kapasitas 200 Mg per hari, berdasarkan tongkol jagung dengan input MC sebesar 30%. Dengan menggunakan konversi pada Persamaan ( 3 ), ini setara dengan 135,4 Mg per hari dengan biaya USD 34 900 per Mg per hari.

Biaya kepemilikan didasarkan pada umur desain 15 tahun ( n  = 15), suku bunga 6,25% ( r  = 0,0625), tarif asuransi 4% dari biaya terpasang (Tabel 3 ) per tahun ( ins  = 0,04), dan tarif pajak 1% dari biaya terpasang per tahun ( Tx  = 0,01). Biaya kepemilikan yang dihasilkan, dinyatakan sebagai USD per Mg produksi pelet tahunan, diberikan dalam Tabel 3 .

Biaya operasi
Daya listrik terpasang untuk setiap depot didasarkan pada pabrik acuan dan sebesar 1090 kW atau 0,00689 kW Mg −1 produksi pelet tahunan. Dengan menggunakan faktor skala ekonomi (Tabel 3 ), daya listrik terpasang per depot dihitung sebagai berikut:

dimana: Elec j  = daya listrik terpasang pada depo ke -j (kW); P cap j  = kapasitas tahunan depo ke -j (pelet Mg) (Tabel 2 ); econ fac j  = faktor skala ekonomi depo ke -j (Tabel 3 ).
Berdasarkan persamaan ( 5 ) maka daya listrik terpasang pada masing-masing depo dapat dilihat pada Tabel 4 .

Tabel 4. Perkiraan daya listrik terpasang untuk lima depo.

Di area studi, tarif energi listrik lebih tinggi untuk permintaan on-peak daripada off-peak, yang akan berdampak signifikan pada pabrik industri yang beroperasi 24 jam, 7 hari seminggu, sebagaimana diasumsikan untuk analisis ini. Tarif off-peak, yang diperkirakan berlaku 16 jam per hari, adalah 0,08 USD kWh −1 . Tarif on-peak, yang diperkirakan berlaku 8 jam per hari, adalah 0,32 USD kWh −1 . Biaya energi listrik harian rata-rata dihitung sebagai:

Operasional depo adalah 8064 jam per tahun, dan konsumsi energi listrik rata-rata 85% ( op fac  = 0,85) dari kapasitas terpasang, dan biaya energi listrik ( EC j ) depo ke- j didefinisikan sebagai:

dimana: EC j  = biaya energi listrik di depot ke -j (USD per pelet Mg); op fac  = faktor operasi untuk daya listrik terpasang (persen desimal); Elec j  = daya listrik terpasang di depot ke -j (kW) (Tabel 4 ); E cost  = biaya listrik harian rata-rata (USD kWh −1 ); P cap j  = kapasitas tahunan depot ke- j (pelet Mg) (Tabel 2) ).
Karena daya listrik yang sama per Mg produksi pelet digunakan untuk kelima depot, biaya energi listrik kira-kira sama untuk kelima depot (Tabel 5 ). Perbedaan kecil ini disebabkan oleh faktor skala ekonomi.

Tabel 5. Perkiraan biaya operasi (pelet USD Mg ⁻¹ ) untuk lima depot.

Parameter yang digunakan untuk biaya energi pengeringan ditetapkan sebagai berikut: (1) kebutuhan panas untuk pengeringan = 2500 kJ per kg air yang dikeluarkan (efisiensi termal 58%); (2) kadar air bahan baku yang masuk ke depot = 15% (basis basah), dan (3) kadar air setelah pengeringan = 10% (basis basah).

Dengan menggunakan parameter pengeringan ini, dan biaya gas alam sebesar USD 25,00 per MWh, biaya energi panas adalah USD 3,06 per pelet Mg. Biaya ini diasumsikan sama untuk kelima depot. Biaya aditif adalah USD 1,20 per pelet Mg 22 dan digunakan untuk kelima depot. Perbaikan dan pemeliharaan (RM) peralatan pelet merupakan komponen dominan dari biaya operasi dan ditetapkan sebesar 5% dari total biaya terpasang untuk setiap tahun operasi. Untuk total biaya operasi, pengaruh skala ekonomi cukup sederhana pada rentang ukuran depot 2:1 (Tabel 5 ).

Biaya tenaga kerja
Biaya tenaga kerja didasarkan pada operasi tahunan dengan staf ‘dasar’ yang bekerja selama 40 jam seminggu. Minggu pengangkutan adalah enam hari kerja selama 12 jam, atau 72 jam per minggu untuk operasi depo selama 48 minggu per tahun. Depo diperkirakan akan tutup selama 2 minggu pada bulan Agustus dan 2 minggu pada bulan Desember untuk pemeliharaan dan peningkatan teknologi. Operasi pelet depo beroperasi dalam tiga shift untuk operasi 24/7. Pekerja dibayar berdasarkan gaji tahunan selama 52 minggu. Staf dasar didefinisikan sebagai:

1. Seorang manajer bahan baku yang bertanggung jawab untuk menerima operasi fasilitas dalam seminggu pengangkutan 72 jam.
2. Seorang manajer bisnis yang bekerja 40 jam seminggu dan bertanggung jawab atas kontrak bahan baku (yaitu, mengumpulkan data dan menyiapkan pembayaran untuk 50+ truk bahan baku per hari).
3. Kru operasi beranggotakan tiga orang dalam tiga shift selama 7 hari seminggu (total sembilan operator).
4. Kru pemeliharaan (satu orang yang bekerja 40 jam seminggu).
5. Seorang manajer depo (satu orang yang bekerja 40 jam seminggu).

Staf dasar adalah minimum untuk depot berkapasitas terkecil (VA5 dan NC2 sekitar 66.500 Mg per tahun). Gaji tahunan untuk pabrik referensi digunakan untuk memperkirakan biaya tenaga kerja referensi ( ref LC ) sebesar USD 832.000 per tahun. Biaya tenaga kerja diperkirakan lebih tinggi untuk depot berkapasitas lebih tinggi. Kapasitas depot (Tabel 2 ) dibagi dengan 66.500 Mg per tahun untuk memperoleh ‘rasio depot’, yang kemudian dirujuk ke kurva yang ditunjukkan pada Gambar 3 untuk menentukan ‘faktor tenaga kerja’ dan digunakan untuk memperoleh biaya tenaga kerja per Mg produksi pelet tahunan.

dimana: LC ref  = biaya tenaga kerja referensi (USD); lab fac j  = faktor tenaga kerja untuk depot ke- j (Tabel 6 ); P cap j  = kapasitas tahunan depot ke -j (pelet Mg) (Tabel 2 ).

 

Tabel 6. Perkiraan biaya tenaga kerja (USD per pelet Mg) untuk lima depot.

Biaya penyimpanan pelet di depot
Biaya kepemilikan
Tempat penyimpanan model komersial yang dipilih untuk studi ini memiliki diameter 9,14 m dan tinggi 11,20 m dengan volume 620 m3 . Kapasitas terukur adalah 21.900 bu. Rencana tersebut mengasumsikan jumlah tempat penyimpanan di setiap depot adalah bilangan bulat. Tempat penyimpanan di depot adalah penyimpanan utama untuk sistem logistik biorefineri. Tempat penyimpanan tambahan diharapkan menjadi bagian dari operasi penerimaan dan penanganan di biorefineri; namun, tempat penyimpanan ini, dan peralatan lain yang terkait dengan operasi penanganan pelet di biorefineri, tidak disertakan dalam studi ini.

Instalasi untuk satu bin diperkirakan sebesar USD 7,00 per bu untuk bin dan peralatan terkait. 23 Biaya instalasi adalah 21.900 bu × USD 7,00 per bu = USD 153.300 dan daya listrik terpasang untuk mengoperasikan peralatan bongkar muat diperkirakan sebesar 45 kW. Biaya instalasi dan daya listrik terpasang di setiap depot dihitung secara proporsional. Misalnya, tiga bin ditentukan untuk depot VA5 berdasarkan laju produksi pelet (Tabel 7 ); dengan demikian, biaya pemasangan adalah 3 × USD 153.300 = USD 459.900 dan daya listrik terpasang adalah 3 × 45 kW = 135 kW. Total penyimpanan di lima depot adalah 19 bin, yang setara dengan 5,2 hari konsumsi pelet di biorefineri (Tabel 7 ). Hal ini dinilai wajar, mengingat terbatasnya potensi kondisi cuaca buruk yang dapat menunda pengiriman pelet di wilayah penelitian.

Tabel 7. Parameter penyimpanan tempat sampah dan biaya penyimpanan yang dibutuhkan untuk lima depot.

Biaya operasi
Daya listrik yang dibutuhkan untuk mengoperasikan penyimpanan di setiap depot sebanding dengan laju aliran pelet ke penyimpanan, yang sama dengan laju produksi pelet (Tabel 7 ). Faktor penggunaan daya listrik ( op fac ) untuk setiap depot diperkirakan sebagai berikut. Untuk depot berkapasitas terkecil (VA5), motor pada salah satu tempat sampah harus beroperasi terus-menerus untuk mengisi ketiga tempat sampah dalam seminggu 7 hari, sehingga op fac ditetapkan sebesar 0,33. Pengisian tempat sampah untuk depot berkapasitas lebih besar diasumsikan beroperasi pada faktor yang lebih tinggi secara proporsional (Tabel 8 ) relatif terhadap laju produksi.

Tabel 8. Faktor operasi daya listrik untuk penyimpanan di lima depo.

Biaya pengiriman pelet ke pabrik biorefinery
Jarak jalan dihitung dari setiap depot ke pabrik biorefinery dengan asumsi perjalanan hanya melalui jalan primer atau sekunder. Kapasitas trailer biji-bijian standar sepanjang 42 kaki (12,8 m) adalah 2184 kaki 3  = 61,9 m 3 . Massa jenis pelet sekitar 550 kg m −3 pada 6% MC. Jadi, muatan trailer pelet adalah 61,9 m 3  × 550 kg m −3  = 34.045 kg = 34 Mg per muatan.

Jumlah muatan yang diangkut dari depo ke j untuk operasi tahunan dihitung sebagai berikut:

dimana: P cap j  = produksi pelet depot ke -j (Mg) (Tabel 2 ).
Total jarak tempuh armada truk untuk mengangkut semua muatan dari depo ke j diestimasikan sebagai berikut:

di mana T hdj  = jarak total untuk mengangkut seluruh muatan dari depo ke -j (km); hd j  = jarak angkut dari depo ke -j ke pabrik biorefineri (km); nl j  = jumlah muatan per tahun yang diangkut dari depo ke- j .
Teknologi pemuatan dan pembongkaran tempat penyimpanan yang sama yang digunakan untuk biji-bijian digunakan untuk pelet. Di depot, truk memuat dari tempat penyimpanan menggunakan konveyor yang mengirimkan pelet ke trailer terbuka. Kemudian, trailer ditutup dan muatan dikirimkan. Waktu pemuatan yang diasumsikan ( L t ) adalah 20 menit. Di pabrik biorefineri, truk ditimbang, diambil sampelnya untuk kualitas, dibongkar, dan ditimbang. Truk membongkar muatan di atas lubang tempat pelet mengalir melalui bukaan hopper di bagian bawah trailer ke dalam lubang. Waktu pembongkaran yang diasumsikan ( U t ) adalah 20 menit. Waktu siklus truk yang ideal, dengan asumsi tidak ada penundaan dan kecepatan rata-rata 70 km h −1 , didefinisikan sebagai:

di mana: T cyc j  = waktu siklus ideal untuk mengangkut satu muatan dari depo ke-j (jam); L t  = waktu muat (menit); U t  = waktu bongkar (menit); hd j  = jarak angkut dari depo ke-j ke pabrik biorefineri (km).
Sistem logistik yang dijalankan dengan baik (yaitu, dijadwalkan untuk meminimalkan waktu tunggu) diperkirakan memiliki waktu siklus rata-rata 1,4 kali lebih lama dari waktu siklus ideal dalam operasi di dunia nyata. Dengan demikian, total waktu operasi truk ( T oh j ) untuk mengangkut semua muatan dari depo ke- j dihitung sebagai berikut:

Hasil
Biaya pengiriman bahan baku ke depot
Total biaya untuk memproduksi aliran material yang ukurannya diperkecil secara terus-menerus di masing-masing dari lima depot dihitung oleh Resop dan Cundiff, 8 yang mengasumsikan switchgrass pada 15% MC. Hasil ini dibagi dengan faktor konversi untuk mendapatkan biaya per pelet Mg pada 6% MC (Tabel 9 ). Biaya truk adalah biaya untuk mengangkut biomassa mentah dari SSL ke depot. Perbedaan dalam dua kategori biaya, biaya operasi SSL dan biaya truk, sedikit di seluruh rentang kapasitas untuk lima depot. Ini menunjukkan bahwa kedua operasi ini dapat diatur untuk logistik yang efisien pada rentang kapasitas depot yang diberikan dalam radius 48 km dari setiap depot. Resop dan Cundiff 8 menemukan bahwa operasi unit lainnya bergantung pada skala; dengan demikian, depot berkapasitas lebih besar memiliki biaya yang lebih rendah. Biaya pengiriman bahan baku rata-rata tertimbang untuk biorefinery adalah USD 65,82 per pelet Mg.

Tabel 9. Biaya pengiriman bahan baku (pelet USD Mg ⁻¹ ) ke lima depot dan biaya rata-rata tertimbang untuk biorefinery, diadaptasi dari Resop dan Cundiff. ⁸

Biaya produksi pelet di depot
Total biaya produksi dimulai dengan aliran material yang ukurannya diperkecil yang dikirim ke depot dan berakhir dengan aliran pelet ke penyimpanan depot (Tabel 10 ). Ada pengaruh skala ekonomi yang sederhana, karena depot terbesar (VA6) memiliki total biaya sebesar USD 44,27 per Mg dibandingkan dengan USD 54,73 per Mg untuk depot terkecil (VA5 dan NC2). Biaya tenaga kerja diperkirakan sebesar 20% dari total biaya untuk memproduksi pelet.

Tabel 10. Biaya produksi pelet (USD per pelet Mg) di lima depot dan biaya rata-rata tertimbang untuk biorefineri.

Biaya untuk pabrik referensi (IC = USD 21.527.520 dan Elec = 1.090 kW) dihitung menggunakan parameter yang sama dengan depot. Biaya energi panas untuk mengeringkan bahan baku dari 15 hingga 10% digunakan, bukan biaya untuk mengeringkan kayu, seperti yang dibutuhkan untuk pelet kayu. Biaya aditif yang sama digunakan. Biaya kepemilikan pabrik referensi adalah USD 20,98 per Mg, dibandingkan dengan USD 20,40 per Mg rata-rata tertimbang untuk biorefinery (Tabel 10 ). Biaya operasi pabrik referensi adalah USD 16,05 per Mg, dibandingkan dengan USD 18,69 per Mg.

Biaya pelet rata-rata tertimbang untuk biorefinery, berdasarkan kapasitas lima depot, adalah USD 49,12 per Mg pelet. Sebagai titik referensi, Lamers et al . 4 melaporkan biaya pabrik pelet berkisar antara USD 49,67 hingga 47,94 per Mg karena ukuran depot meningkat dari 5 hingga 18 Mg per jam atau 120 hingga 432 Mg per hari untuk jerami jagung pada 30% MC. Ini setara dengan kisaran USD 73,37 hingga USD 70,81 per Mg pelet pada 6% MC dan menggunakan rasio 1,1 unit bahan baku kering untuk menghasilkan 1 unit pelet kering. Biaya energi merupakan faktor signifikan dalam perhitungan biaya; dengan demikian, perbandingan langsung tidak praktis.

Biaya penyimpanan pelet di depot
Total biaya penyimpanan pelet mencakup parameter kepemilikan (Tabel 7 ) dan pengoperasian (Tabel 8 ) untuk tempat penyimpanan serta peralatan penanganan material yang diperlukan untuk memuat tempat penyimpanan dan membongkarnya untuk pengiriman (Lampiran A ). Biaya penyimpanan berkisar antara USD 2,00 hingga 3,07 per pelet Mg di lima depot (Tabel 11 ). Biaya penyimpanan pelet rata-rata tertimbang untuk biorefinery adalah USD 2,50 per pelet Mg.

Tabel 11. Biaya penyimpanan pelet (USD per pelet Mg) di lima depot dan biaya rata-rata tertimbang untuk biorefineri.

Biaya pengiriman pelet ke pabrik biorefinery
Diasumsikan bahwa kilang bio menyewa perusahaan truk untuk mengangkut pelet 24 jam per hari, 6 hari per minggu, dan 48 minggu per tahun operasi tahunan. Perkiraan biaya untuk operasi tahunan armada truk ini disajikan di sini; tidak ada upaya untuk membagi biaya ini untuk masing-masing depot. Dengan asumsi bahwa kilang bio mengendalikan pengangkutan pelet, maka armada dapat ditugaskan di lima depot sesuai kebutuhan. Operasi kontrol pusat diasumsikan, di mana manajer pengiriman kilang bio akan mengoptimalkan penugasan truk ke depot. Total waktu operasi truk adalah 65.650 jam (Tabel 12 ). Jika jadwal pengangkutan adalah 24 jam per hari, 6 hari per minggu, maka 9,5 atau sepuluh truk diperlukan untuk pengiriman pelet.

Tabel 12. Parameter transportasi dan pengangkutan untuk lima depo.

Total jarak tempuh armada truk untuk mengangkut seluruh 14.754 muatan ke pabrik biorefinery adalah 2.593.918 km. Dengan demikian, masing-masing dari sepuluh truk menempuh jarak rata-rata 259.392 km per tahun. Truk-truk tersebut dioperasikan 24 jam per hari, 6 hari per minggu, dan 48 minggu per tahun. Dalam industri truk berat saat ini, tarif sewa untuk traktor truk adalah USD 1.100 per minggu ditambah USD 0,07 per km. Dengan menggunakan angka-angka ini, biaya sewa per truk dihitung sebagai berikut:

Biaya tenaga kerja didasarkan pada gaji pokok operator sebesar USD 25 per jam dan tunjangan yang setara dengan 25% dari gaji pokok; dengan demikian, biaya tenaga kerja adalah USD 25 (1 + 0,25) = 31,25 per jam. Pengangkutan pelet dilakukan 24 jam per hari, 6 hari per minggu, 48 minggu per tahun = 6912 jam per tahun; dengan demikian, tenaga kerja truk  (total biaya tenaga kerja per truk) = USD 216.000 per tahun. Diasumsikan bahwa shift kerja akan diatur sehingga seorang operator bekerja selama 40 jam seminggu.
Rata-rata biaya bahan bakar per truk, berdasarkan konsumsi 1,7 km L −1 pada USD 1,3 per L, didefinisikan sebagai:

Harga pembelian trailer aluminium berukuran 42 kaki diperkirakan sebesar USD 60.000. Satu trailer diasumsikan untuk setiap sepuluh truk dalam armada; dengan demikian, rata-rata, setiap sepuluh trailer menempuh jarak 259.392 km per tahun. Dengan menggunakan prosedur biaya yang diterima (misalnya, harga pembelian ( PP ) = USD 60.000, n  = 3 tahun, RM  = 0,14 USD km −1 ), biaya tahunan per trailer adalah USD 57.495 (Lampiran B ).
Total biaya trailer per pelet Mg dari kapasitas biorefineri tahunan diperoleh sebagai berikut:

Total biaya truk adalah USD 10,63 + 1,26 = 11,89 per pelet Mg.

Rata-rata biaya pengiriman pelet di pabrik biorefinery
Total biaya untuk mengirimkan bahan baku dari SSL ke lima depot, memproduksi dan menyimpan pelet, dan kemudian mengirimkan pelet dari depot ke biorefinery, dihitung sebesar USD 129,32 per pelet Mg (Tabel 13 ). Biaya truk sama untuk semua depot, yang merupakan biaya rata-rata per Mg untuk armada pengangkut pelet. Total biaya tidak termasuk biaya farmgate yang dibayarkan kepada kontraktor yang menanam switchgrass, memanennya dalam bal bundar, dan menyimpan bal di SSL. Biaya penyimpanan bal bundar di SSL termasuk dalam kontrak farmgate.

Tabel 13. Biaya tahunan (USD per pelet Mg) untuk pengiriman pelet dari lima depot ke biorefineri dan biaya rata-rata tertimbang untuk biorefineri.

Untuk pembahasan ini, Kim dan Dale 5 akan disebut sebagai studi ‘Midwest’ dan ini sebagai studi ‘Piedmont’. Studi Midwest membayangkan 775 depot yang memasok sepuluh biorefineri, sedangkan studi Piedmont memanfaatkan lima depot untuk satu biorefineri. Secara umum, biorefineri lebih besar dan depot lebih kecil dalam studi Midwest (Tabel 14 ). Jari-jari biorefineri dalam studi Midwest berkisar 414 hingga 1450 km, dibandingkan dengan 97 km dalam studi Piedmont.

Tabel 14. Perbandingan Midwest (sepuluh biorefineri) ⁵ dan Piedmont (satu biorefineri).

Biaya transportasi untuk pelet dalam studi Midwest berkisar antara USD 0,07 hingga 0,21 per L etanol, yang mencakup transportasi truk dan kereta api. Menggunakan hasil 313 L per Mg kering, ini setara dengan USD 18,71 hingga 56,17 per pelet Mg. Biaya pengiriman pelet dalam studi Piedmont (Tabel 13 ) adalah USD 11,89 per pelet Mg. Jarak angkut rata-rata tertimbang dalam studi Midwest adalah 215 km di seluruh depot yang memasok sepuluh biorefineri, dibandingkan dengan rata-rata tertimbang 88 km untuk lima depot yang memasok satu biorefineri dalam studi Piedmont. Jarak angkut 2,4 kali lebih tinggi dalam studi Midwest dan ini merupakan faktor signifikan dalam perbedaan tersebut. Studi Midwest kemungkinan mencakup biaya untuk memuat dan membongkar pelet, sedangkan biaya penuh untuk operasi ini tidak diperhitungkan dalam studi Piedmont.

Faktor penting untuk perbandingan antara Midwest dan Piedmont adalah musim panen. Di Midwest, jerami harus dikumpulkan setelah panen gandum tetapi sebelum salju pertama turun. Biasanya, ada periode 5 minggu untuk memanen semua jerami untuk operasi tahunan di pabrik biorefinery. Di Piedmont, rumput switchgrass dapat dipanen 6 bulan dalam setahun. Diperkirakan 75% produksi akan dipanen pada bulan September, Oktober, dan November dan 25% sisanya akan menjadi panen yang tertunda (tanaman mengering hingga 15% MC di ladang) pada bulan Desember, Januari, dan Februari; namun, akan ada pengurangan hasil panen yang diasumsikan dengan panen yang tertunda.

Kesimpulan
Studi ini mempertimbangkan jaringan lima depot pelet untuk memasok bahan baku (yaitu, rumput gajah) untuk operasi tahunan kilang hayati yang berlokasi di dekat South Boston, VA, AS. Analisis dibagi menjadi empat kategori: (1) pengiriman bahan baku dari SSL ke depot; (2) pembuatan pelet di depot; (3) penyimpanan pelet di depot, dan (4) pengiriman pelet ke kilang hayati. Analisis biaya dimulai dengan bal bundar di SSL dan berakhir saat muatan pelet tiba di kilang hayati. Total biaya tidak termasuk pembayaran di tingkat petani untuk menanam, memanen, dan menyimpan bal bundar di SSL. Biaya tersebut juga tidak termasuk operasi fasilitas penerimaan di kilang hayati.

Kapasitas biorefineri tahunan dalam studi ini adalah 456.390 Mg pelet, yang kira-kira setengah dari ukuran biorefineri dalam studi yang sebanding. Radius pasokan bahan baku, yang mencakup kelima depot, adalah 97 km. Biaya rata-rata tertimbang untuk pengiriman tahunan ke biorefineri dari lima depot adalah USD 129,32 per Mg pelet. Pembagian biaya adalah 51% bahan baku, 38% produksi pelet, 2% penyimpanan pelet, dan 9% pengiriman pelet. Biaya untuk depot terkecil (VA5 dan NC2) adalah USD 145,37 per Mg pelet, dibandingkan dengan USD 115,22 per Mg pelet untuk depot terbesar (VA6). Ini menunjukkan pengaruh skala ekonomi, karena ada pengurangan biaya sebesar 21% ketika ukuran depot meningkat dari 66.450 menjadi 140.430 Mg pelet.

Lampiran A: Biaya Pengoperasian Penyimpanan Pelet
Biaya untuk tiga tempat penyimpanan berkapasitas 20.000 bu untuk depot VA5 dihitung di sini. Depot lainnya dihitung dengan cara yang sama. Peralatan penanganan material ditetapkan untuk: (1) memuat tempat penyimpanan dengan pelet dan (2) membongkarnya untuk pengiriman dengan truk. Parameter biaya untuk membangun tempat penyimpanan diperoleh dari Bechman dan Haynes. 23 Tenaga kerja yang dibutuhkan untuk mengoperasikan fasilitas penyimpanan dimasukkan dalam biaya tenaga kerja untuk kru yang dibutuhkan untuk mengoperasikan depot pelet.

• Biaya terpasang ( IC ) = USD 459.900.
• Umur desain: n  = 15 tahun.
• Suku bunga: 6,25%, maka r  = 0,0625.
• Tarif asuransi: 4% dari IC , jadi asuransi  = 0,04.
• Tarif pajak: 1% dari IC setiap tahun, jadi Tx  = 0,01.
• Faktor perbaikan dan pemeliharaan ( RM ): 5% dari IC setiap tahun, sehingga RM  = 0,05

Faktor pemulihan biaya ( CRF ) dihitung sebagai berikut, dimana r adalah tingkat bunga:

Peralatan penanganan material tersebut ditenagai oleh motor listrik, dengan daya total sebesar 135 kW. Biaya pemasangan infrastruktur tenaga listrik untuk motor listrik tersebut sudah termasuk dalam biaya pemasangan depot pelet (Tabel 3 ). Daya listrik terpasang yang diperlukan untuk operasi penyimpanan tidak termasuk dalam total daya listrik terpasang (Tabel 8 ). Biaya motor listrik dan peralatan lain yang diperlukan untuk operasi penyimpanan sudah termasuk dalam biaya pemasangan (IC).

Penggunaan energi tahunan, dengan asumsi faktor daya 33% untuk operasi berkelanjutan, dihitung sebagai:

Lampiran B: Biaya untuk Trailer Gandum Aluminium 42 kaki

• Harga pembelian: PP = USD 60.000.
• Desain kehidupan: n  = 3 tahun.
• Penggunaan tahunan: 24 jam per hari, 6 hari per minggu, 48 minggu per tahun = 6912 jam per tahun
• Suku bunga: 6,25%, jadi r  = 0,0625.
• Tarif asuransi: USD 0,80 per nilai USD 100 per tahun.
• Tarif pajak: 1% dari IC setiap tahun, jadi Tx  = 0,01.
• Perbaikan dan perawatan (ban): RM = USD 0,07 per km.
• Perbaikan dan pemeliharaan (garansi): Garansi RM = USD 0,07 per km.

Ada sepuluh trailer, satu untuk setiap sepuluh truk. Total jarak angkut untuk mengangkut semua muatan untuk lima depo adalah 2.593.918 km. Dengan demikian, jarak tempuh rata-rata untuk setiap set trailer adalah 259.392 km.

Persentase biaya kepemilikan dari standar American Society of Agricultural and Biological Engineers (ASABE) 24 dihitung sebagai:

Di mana:
C o  = persentase biaya kepemilikan (persen desimal);

S v  = nilai sisa (persen desimal) = 0,1;

n  = umur mesin (tahun);

r  = tingkat bunga (persen desimal);

K 2  = faktor untuk pajak dan asuransi (persen desimal) = 0,01 + 0,008 = 0,018.