Tentang energi generasi berikutnya, hidrogen.

Kita akan memperkenalkan “hidrogen”, generasi energi selanjutnya yang netral karbon. Hidrogen terbagi menjadi tiga jenis: “hidrogen hijau”, “hidrogen biru”, dan “hidrogen abu-abu”, yang masing-masing memiliki metode produksi yang berbeda. Kita juga akan menjelaskan setiap metode pembuatan, sifat fisik sebagai unsur, metode penyimpanan/transportasi, dan metode penggunaannya. Dan saya juga akan memperkenalkan mengapa hidrogen merupakan sumber energi dominan generasi selanjutnya.

Elektrolisis Air untuk Menghasilkan Hidrogen Hijau

Saat menggunakan hidrogen, penting untuk "menghasilkan hidrogen" terlebih dahulu. Cara termudah adalah dengan "mengelektrolisis air". Mungkin Anda pernah mempelajarinya di pelajaran sains sekolah dasar. Isi gelas kimia dengan air dan letakkan elektroda di dalam air. Ketika baterai dihubungkan ke elektroda dan diberi energi, reaksi berikut terjadi di dalam air dan di setiap elektroda.
Di katoda, H+ dan elektron bergabung menghasilkan gas hidrogen, sedangkan anoda menghasilkan oksigen. Pendekatan ini memang cocok untuk percobaan sains di sekolah, tetapi untuk menghasilkan hidrogen secara industri, mekanisme efisien yang sesuai untuk produksi skala besar harus disiapkan. Mekanisme tersebut adalah "elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM)".
Dalam metode ini, membran semipermeabel polimer yang memungkinkan lewatnya ion hidrogen diselipkan di antara anoda dan katoda. Ketika air dituangkan ke dalam anoda perangkat, ion hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis bergerak melalui membran semipermeabel ke katoda, di mana ion tersebut menjadi hidrogen molekuler. Di sisi lain, ion oksigen tidak dapat melewati membran semipermeabel dan menjadi molekul oksigen di anoda.
Dalam elektrolisis air alkali, Anda menghasilkan hidrogen dan oksigen dengan memisahkan anoda dan katoda melalui pemisah yang hanya dapat dilewati oleh ion hidroksida. Selain itu, ada metode industri seperti elektrolisis uap suhu tinggi.
Dengan melakukan proses ini dalam skala besar, sejumlah besar hidrogen dapat diperoleh. Dalam proses tersebut, sejumlah besar oksigen juga dihasilkan (setengah dari volume hidrogen yang dihasilkan), sehingga tidak akan berdampak buruk terhadap lingkungan jika dilepaskan ke atmosfer. Namun, elektrolisis membutuhkan banyak listrik, sehingga hidrogen bebas karbon dapat dihasilkan jika diproduksi dengan listrik yang tidak menggunakan bahan bakar fosil, seperti turbin angin dan panel surya.
Anda bisa mendapatkan “hidrogen hijau” dengan melakukan elektrolisis air menggunakan energi bersih.

Tersedia juga generator hidrogen untuk produksi hidrogen hijau dalam skala besar. Dengan menggunakan PEM di bagian elektroliser, hidrogen dapat diproduksi secara terus menerus.

Hidrogen Biru yang Dibuat dari Bahan Bakar Fosil

Jadi, apa cara lain untuk membuat hidrogen? Hidrogen terdapat dalam bahan bakar fosil seperti gas alam dan batu bara sebagai zat selain air. Misalnya, pertimbangkan metana (CH4), komponen utama gas alam. Ada empat atom hidrogen di sini. Anda bisa mendapatkan hidrogen dengan mengambil hidrogen ini.
Salah satu di antaranya adalah proses yang disebut "reformasi metana uap" yang menggunakan uap. Rumus kimia dari metode ini adalah sebagai berikut.
Seperti yang Anda lihat, karbon monoksida dan hidrogen dapat diekstraksi dari satu molekul metana.
Dengan cara ini, hidrogen dapat diproduksi melalui proses seperti "reformasi uap" dan "pirolisis" gas alam dan batubara. "Hidrogen biru" merujuk pada hidrogen yang diproduksi dengan cara ini.
Namun, dalam kasus ini, karbon monoksida dan karbon dioksida dihasilkan sebagai produk sampingan. Jadi, Anda harus mendaur ulangnya sebelum dilepaskan ke atmosfer. Karbon dioksida sebagai produk sampingan, jika tidak dipulihkan, akan menjadi gas hidrogen, yang dikenal sebagai "hidrogen abu-abu".

Hidrogen termasuk unsur jenis apakah?

Hidrogen memiliki nomor atom 1 dan merupakan unsur pertama dalam tabel periodik.
Jumlah atom adalah yang terbesar di alam semesta, mencakup sekitar 90% dari semua unsur di alam semesta. Atom terkecil yang terdiri dari proton dan elektron adalah atom hidrogen.
Hidrogen memiliki dua isotop dengan neutron yang terikat pada intinya. Satu neutron terikat "deuterium" dan dua neutron terikat "tritium". Ini juga merupakan material untuk pembangkit listrik fusi.
Di dalam sebuah bintang seperti matahari, terjadi fusi nuklir dari hidrogen menjadi helium, yang merupakan sumber energi bagi bintang tersebut untuk bersinar.
Namun, hidrogen jarang terdapat dalam bentuk gas di Bumi. Hidrogen membentuk senyawa dengan unsur lain seperti air, metana, amonia, dan etanol. Karena hidrogen merupakan unsur ringan, seiring kenaikan suhu, kecepatan gerak molekul hidrogen meningkat, dan terlepas dari gravitasi bumi menuju luar angkasa.

Bagaimana Cara Menggunakan Hidrogen? Penggunaan dengan Pembakaran

Lalu, bagaimana “hidrogen”, yang telah menarik perhatian dunia sebagai sumber energi generasi mendatang, digunakan? Hidrogen digunakan dalam dua cara utama: “pembakaran” dan “sel bahan bakar”. Mari kita mulai dengan penggunaan “pembakaran”.
Ada dua jenis pembakaran utama yang digunakan.
Yang pertama adalah sebagai bahan bakar roket. Roket H-IIA Jepang menggunakan gas hidrogen “hidrogen cair” dan “oksigen cair” yang juga dalam keadaan kriogenik sebagai bahan bakar. Kedua zat ini digabungkan, dan energi panas yang dihasilkan pada saat itu mempercepat injeksi molekul air yang dihasilkan, sehingga melesat ke luar angkasa. Namun, karena ini adalah mesin yang secara teknis sulit, selain Jepang, hanya Amerika Serikat, Eropa, Rusia, Cina, dan India yang berhasil menggabungkan bahan bakar ini.
Yang kedua adalah pembangkit listrik. Pembangkit listrik turbin gas juga menggunakan metode penggabungan hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan energi. Dengan kata lain, ini adalah metode yang memanfaatkan energi termal yang dihasilkan oleh hidrogen. Di pembangkit listrik termal, panas dari pembakaran batu bara, minyak, dan gas alam menghasilkan uap yang menggerakkan turbin. Jika hidrogen digunakan sebagai sumber panas, pembangkit listrik tersebut akan netral karbon.

Bagaimana Cara Menggunakan Hidrogen? Digunakan sebagai Sel Bahan Bakar

Cara lain untuk menggunakan hidrogen adalah sebagai sel bahan bakar, yang mengubah hidrogen langsung menjadi listrik. Secara khusus, Toyota telah menarik perhatian di Jepang dengan mempromosikan kendaraan berbahan bakar hidrogen sebagai pengganti kendaraan listrik (EV) sebagai alternatif kendaraan bensin sebagai bagian dari upaya penanggulangan pemanasan global.
Secara spesifik, kita melakukan prosedur kebalikan ketika memperkenalkan metode pembuatan "hidrogen hijau". Rumus kimianya adalah sebagai berikut.
Hidrogen dapat menghasilkan air (air panas atau uap) sekaligus menghasilkan listrik, dan dapat dievaluasi karena tidak membebani lingkungan. Di sisi lain, metode ini memiliki efisiensi pembangkitan daya yang relatif rendah yaitu 30-40%, dan membutuhkan platinum sebagai katalis, sehingga memerlukan biaya yang lebih tinggi.
Saat ini, kita menggunakan sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC) dan sel bahan bakar asam fosfat (PAFC). Secara khusus, kendaraan sel bahan bakar menggunakan PEFC, sehingga dapat diharapkan akan menyebar di masa depan.

Apakah Penyimpanan dan Transportasi Hidrogen Aman?

Sekarang, kami rasa Anda sudah memahami bagaimana gas hidrogen dibuat dan digunakan. Jadi, bagaimana cara menyimpan hidrogen ini? Bagaimana cara mengirimkannya ke tempat yang dibutuhkan? Bagaimana dengan keamanannya saat itu? Kami akan menjelaskannya.
Faktanya, hidrogen juga merupakan unsur yang sangat berbahaya. Pada awal abad ke-20, kita menggunakan hidrogen sebagai gas untuk menerbangkan balon, pesawat udara, dan kapal udara di langit karena sangat ringan. Namun, pada tanggal 6 Mei 1937, di New Jersey, AS, terjadi "ledakan kapal udara Hindenburg".
Sejak kecelakaan itu, telah diakui secara luas bahwa gas hidrogen berbahaya. Terutama ketika terbakar, gas ini akan meledak hebat bersama oksigen. Oleh karena itu, "jauhkan dari oksigen" atau "jauhkan dari panas" sangat penting.
Setelah mengambil langkah-langkah ini, kami menemukan metode pengiriman.
Hidrogen adalah gas pada suhu ruang, jadi meskipun masih berupa gas, ukurannya sangat besar. Metode pertama adalah dengan menerapkan tekanan tinggi dan memampatkannya seperti silinder saat membuat minuman berkarbonasi. Siapkan tangki bertekanan tinggi khusus dan simpan di bawah kondisi tekanan tinggi seperti 45 MPa.
Toyota, yang mengembangkan kendaraan sel bahan bakar (FCV), sedang mengembangkan tangki hidrogen bertekanan tinggi berbahan resin yang mampu menahan tekanan 70 MPa.
Metode lain adalah dengan mendinginkan hingga -253°C untuk membuat hidrogen cair, lalu menyimpan dan mengangkutnya dalam tangki berinsulasi panas khusus. Seperti LNG (gas alam cair) ketika gas alam diimpor dari luar negeri, hidrogen dicairkan selama pengangkutan, mengurangi volumenya menjadi 1/800 dari keadaan gasnya. Pada tahun 2020, kami menyelesaikan pengangkut hidrogen cair pertama di dunia. Namun, pendekatan ini tidak cocok untuk kendaraan sel bahan bakar karena membutuhkan banyak energi untuk pendinginan.
Ada metode penyimpanan dan pengiriman dalam tangki seperti ini, tetapi kami juga sedang mengembangkan metode penyimpanan hidrogen lainnya.
Metode penyimpanannya adalah dengan menggunakan paduan penyimpanan hidrogen. Hidrogen memiliki sifat menembus logam dan merusaknya. Ini adalah ujung tombak pengembangan yang dikembangkan di Amerika Serikat pada tahun 1960-an. JJ Reilly dkk. telah melakukan percobaan yang menunjukkan bahwa hidrogen dapat disimpan dan dilepaskan menggunakan paduan magnesium dan vanadium.
Setelah itu, ia berhasil mengembangkan suatu zat, seperti paladium, yang dapat menyerap hidrogen sebanyak 935 kali volume zat itu sendiri.
Keunggulan penggunaan paduan ini adalah dapat mencegah kecelakaan kebocoran hidrogen (terutama kecelakaan ledakan). Oleh karena itu, paduan ini dapat disimpan dan diangkut dengan aman. Namun, jika tidak hati-hati dan dibiarkan di lingkungan yang salah, paduan penyimpanan hidrogen dapat melepaskan gas hidrogen seiring waktu. Bahkan percikan api kecil pun dapat menyebabkan kecelakaan ledakan, jadi berhati-hatilah.
Selain itu, metode ini juga memiliki kelemahan yaitu penyerapan dan pelepasan hidrogen berulang menyebabkan kerapuhan dan mengurangi laju penyerapan hidrogen.
Cara lainnya adalah menggunakan pipa. Syaratnya adalah pipa tersebut harus tidak bertekanan dan bertekanan rendah untuk mencegah kerapuhan pipa, tetapi keuntungannya adalah pipa gas yang sudah ada dapat digunakan. Tokyo Gas melakukan pekerjaan konstruksi di Harumi FLAG, menggunakan jaringan pipa gas kota untuk memasok hidrogen ke sel bahan bakar.

Masyarakat Masa Depan yang Diciptakan oleh Energi Hidrogen

Terakhir, mari kita pertimbangkan peran yang dapat dimainkan hidrogen dalam masyarakat.
Yang lebih penting lagi, kami ingin mempromosikan masyarakat bebas karbon, kami menggunakan hidrogen untuk menghasilkan listrik, bukan sebagai energi panas.
Alih-alih pembangkit listrik tenaga termal skala besar, beberapa rumah tangga telah memperkenalkan sistem seperti ENE-FARM, yang menggunakan hidrogen yang diperoleh melalui reformasi gas alam untuk menghasilkan listrik yang dibutuhkan. Namun, pertanyaan tentang apa yang harus dilakukan dengan produk sampingan dari proses reformasi tersebut masih belum terjawab.

Di masa depan, jika sirkulasi hidrogen itu sendiri meningkat, seperti meningkatkan jumlah stasiun pengisian hidrogen, maka akan memungkinkan untuk menggunakan listrik tanpa emisi karbon dioksida. Listrik menghasilkan hidrogen hijau, tentu saja, sehingga menggunakan listrik yang dihasilkan dari sinar matahari atau angin. Daya yang digunakan untuk elektrolisis seharusnya merupakan daya untuk menekan jumlah pembangkitan daya atau untuk mengisi baterai isi ulang ketika ada surplus daya dari energi alam. Dengan kata lain, hidrogen berada pada posisi yang sama dengan baterai isi ulang. Jika ini terjadi, pada akhirnya akan memungkinkan untuk mengurangi pembangkitan daya termal. Hari ketika mesin pembakaran internal menghilang dari mobil semakin dekat.

Hidrogen juga dapat diperoleh melalui jalur lain. Bahkan, hidrogen masih merupakan produk sampingan dari produksi soda kaustik. Antara lain, hidrogen merupakan produk sampingan dari produksi kokas dalam pembuatan besi. Jika hidrogen ini dimasukkan ke dalam sistem distribusi, maka akan tersedia berbagai sumber. Gas hidrogen yang dihasilkan dengan cara ini juga disuplai oleh stasiun pengisian hidrogen.

Mari kita lihat lebih jauh ke masa depan. Jumlah energi yang hilang juga menjadi masalah dengan metode transmisi yang menggunakan kabel untuk menyalurkan daya. Oleh karena itu, di masa depan, kita akan menggunakan hidrogen yang disalurkan melalui pipa, seperti tangki asam karbonat yang digunakan dalam pembuatan minuman berkarbonasi, dan membeli tangki hidrogen di rumah untuk menghasilkan listrik bagi setiap rumah tangga. Perangkat seluler yang menggunakan baterai hidrogen semakin umum. Akan menarik untuk melihat masa depan seperti itu.