Tentang energi hidrogen generasi berikutnya

Kami akan memperkenalkan "hidrogen", generasi energi berikutnya yang netral karbon. Hidrogen dibagi menjadi tiga jenis: "hidrogen hijau", "hidrogen biru", dan "hidrogen abu-abu", yang masing-masing memiliki metode produksi yang berbeda. Kami juga akan menjelaskan setiap metode pembuatan, sifat fisik sebagai unsur, metode penyimpanan/pengangkutan, dan metode penggunaan. Dan saya juga akan memperkenalkan mengapa ia merupakan sumber energi dominan generasi berikutnya.

Elektrolisis Air untuk Menghasilkan Hidrogen Hijau

Saat menggunakan hidrogen, penting untuk "menghasilkan hidrogen". Cara termudah adalah dengan "mengalirkan air secara elektrolisis". Mungkin Anda melakukannya di pelajaran sains sekolah dasar. Isi gelas kimia dengan air dan elektroda di dalamnya. Saat baterai dihubungkan ke elektroda dan diberi energi, reaksi berikut terjadi di dalam air dan di setiap elektroda.
Di katode, H+ dan elektron bergabung untuk menghasilkan gas hidrogen, sementara anoda menghasilkan oksigen. Meski demikian, pendekatan ini bagus untuk eksperimen sains sekolah, tetapi untuk menghasilkan hidrogen secara industri, mekanisme efisien yang sesuai untuk produksi skala besar harus disiapkan. Itulah yang disebut "elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM)".
Dalam metode ini, membran polimer semipermeabel yang memungkinkan ion hidrogen lewat diapit di antara anoda dan katoda. Saat air dituangkan ke dalam anoda perangkat, ion hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis bergerak melalui membran semipermeabel ke katoda, di mana ion tersebut menjadi molekul hidrogen. Di sisi lain, ion oksigen tidak dapat melewati membran semipermeabel dan menjadi molekul oksigen di anoda.
Dalam elektrolisis air alkali, Anda menciptakan hidrogen dan oksigen dengan memisahkan anoda dan katoda melalui pemisah yang hanya dapat dilalui ion hidroksida. Selain itu, ada metode industri seperti elektrolisis uap suhu tinggi.
Dengan melakukan proses ini dalam skala besar, hidrogen dalam jumlah besar dapat diperoleh. Dalam proses ini, sejumlah besar oksigen juga diproduksi (setengah volume hidrogen yang diproduksi), sehingga tidak akan berdampak buruk terhadap lingkungan jika dilepaskan ke atmosfer. Namun, elektrolisis membutuhkan banyak listrik, sehingga hidrogen bebas karbon dapat diproduksi 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.

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

Hidrogen Biru Terbuat dari Bahan Bakar Fosil

Jadi, apa saja cara lain untuk membuat hidrogen? Hidrogen terdapat dalam bahan bakar fosil seperti gas alam dan batu bara sebagai zat selain air. Misalnya, perhatikan metana (CH4), komponen utama gas alam. Ada empat atom hidrogen di sini. Anda bisa mendapatkan hidrogen dengan mengeluarkan hidrogen ini.
Salah satunya adalah proses yang disebut “steam methane reforming” 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 “steam reforming” dan “pirolisis” gas alam dan batu bara. “Hidrogen biru” mengacu pada hidrogen yang diproduksi dengan cara ini.
Namun, dalam kasus ini, karbon monoksida dan karbon dioksida diproduksi sebagai produk sampingan. Jadi, Anda harus mendaur ulangnya sebelum dilepaskan ke atmosfer. Karbon dioksida yang merupakan produk sampingan, jika tidak dipulihkan, akan berubah menjadi gas hidrogen, yang dikenal sebagai "hidrogen abu-abu".

Jenis Unsur Apakah Hidrogen?

Hidrogen memiliki nomor atom 1 dan merupakan unsur pertama pada 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 nukleus. Satu “deuterium” yang terikat neutron dan dua “tritium” yang terikat neutron. Keduanya juga merupakan material untuk pembangkitan daya fusi.
Di dalam bintang seperti matahari, fusi nuklir dari hidrogen menjadi helium terjadi, yang merupakan sumber energi bagi bintang untuk bersinar.
Namun, hidrogen jarang ditemukan dalam bentuk gas di Bumi. Hidrogen membentuk senyawa dengan unsur-unsur lain seperti air, metana, amonia, dan etanol. Karena hidrogen merupakan unsur yang ringan, saat suhu meningkat, kecepatan gerak molekul hidrogen meningkat, dan terlepas dari gravitasi bumi ke 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. Keduanya digabungkan, dan energi panas yang dihasilkan pada saat itu mempercepat penyuntikan molekul air yang dihasilkan, terbang ke luar angkasa. Namun, karena merupakan mesin yang secara teknis sulit, kecuali 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 melihat energi termal yang dihasilkan oleh hidrogen. Pada 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 secara 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 berbahan bakar bensin sebagai bagian dari tindakan penanggulangan pemanasan globalnya.
Secara khusus, kami melakukan prosedur sebaliknya saat memperkenalkan metode produksi "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 memerlukan platinum sebagai katalis, sehingga memerlukan biaya yang lebih besar.
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 diperkirakan akan menyebar di masa mendatang.

Apakah Penyimpanan dan Pengangkutan Hidrogen Aman?

Sekarang, kami rasa Anda sudah mengerti bagaimana gas hidrogen dibuat dan digunakan. Jadi, bagaimana Anda menyimpan hidrogen ini? Bagaimana Anda mengirimkannya ke tempat yang Anda butuhkan? Bagaimana dengan keamanannya saat itu? Kami akan menjelaskannya.
Padahal, hidrogen juga merupakan unsur yang sangat berbahaya. Pada awal abad ke-20, kita menggunakan hidrogen sebagai gas untuk menerbangkan balon, balon 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, gas hidrogen sudah dikenal luas sebagai gas yang berbahaya. Terutama saat terbakar, gas ini akan meledak hebat jika terkena oksigen. Oleh karena itu, “jauhkan dari oksigen” atau “jauhkan dari panas” sangatlah penting.
Setelah mengambil langkah-langkah ini, kami menemukan metode pengiriman.
Hidrogen adalah gas pada suhu ruangan, jadi meskipun masih berupa gas, hidrogen sangat besar. Metode pertama adalah dengan memberikan tekanan tinggi dan memampatkan seperti silinder saat membuat minuman berkarbonasi. Siapkan tangki bertekanan tinggi khusus dan simpan dalam kondisi bertekanan tinggi seperti 45Mpa.
Toyota, yang mengembangkan kendaraan sel bahan bakar (FCV), sedang mengembangkan tangki hidrogen bertekanan tinggi resin yang dapat menahan tekanan 70 MPa.
Metode lain adalah mendinginkannya hingga -253°C untuk membuat hidrogen cair, lalu menyimpan dan mengangkutnya dalam tangki khusus yang diisolasi panas. Seperti LNG (gas alam cair), saat gas alam diimpor dari luar negeri, hidrogen dicairkan selama pengangkutan, sehingga volumenya berkurang hingga 1/800 dari keadaan gasnya. Pada tahun 2020, kami merampungkan pembawa hidrogen cair pertama di dunia. Namun, pendekatan ini tidak cocok untuk kendaraan sel bahan bakar karena memerlukan banyak energi untuk pendinginan.
Ada metode penyimpanan dan pengiriman dalam tangki seperti ini, tetapi kami juga mengembangkan metode penyimpanan hidrogen lainnya.
Metode penyimpanannya adalah dengan menggunakan paduan penyimpan hidrogen. Hidrogen memiliki sifat menembus logam dan merusaknya. Ini adalah tip pengembangan yang dikembangkan di Amerika Serikat pada tahun 1960-an. JJ Reilly dkk. Eksperimen telah menunjukkan bahwa hidrogen dapat disimpan dan dilepaskan menggunakan paduan magnesium dan vanadium.
Setelah itu, ia berhasil mengembangkan zat, seperti paladium, yang dapat menyerap hidrogen 935 kali volumenya 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 Anda tidak berhati-hati dan meninggalkannya di lingkungan yang salah, paduan penyimpanan hidrogen dapat melepaskan gas hidrogen seiring waktu. Nah, percikan kecil pun dapat menyebabkan kecelakaan ledakan, jadi berhati-hatilah.
Ia juga memiliki kelemahan yaitu penyerapan dan desorpsi hidrogen yang berulang-ulang menyebabkan kerapuhan dan mengurangi laju penyerapan hidrogen.
Cara lainnya adalah dengan menggunakan pipa. Ada syaratnya pipa tersebut harus tidak bertekanan dan bertekanan rendah untuk mencegah pipa menjadi getas, tetapi kelebihannya 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 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 termal besar, beberapa rumah tangga telah memperkenalkan sistem seperti ENE-FARM, yang menggunakan hidrogen yang diperoleh dengan mereformasi gas alam untuk menghasilkan listrik yang dibutuhkan. Namun, pertanyaan tentang apa yang harus dilakukan dengan produk sampingan dari proses reformasi tetap ada.

Di masa depan, jika sirkulasi hidrogen itu sendiri meningkat, seperti menambah jumlah stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, maka akan memungkinkan untuk menggunakan listrik tanpa mengeluarkan karbon dioksida. Listrik tentu saja menghasilkan hidrogen hijau, jadi ia menggunakan listrik yang dihasilkan dari sinar matahari atau angin. Daya yang digunakan untuk elektrolisis seharusnya adalah daya untuk menekan jumlah pembangkitan daya atau untuk mengisi daya baterai yang dapat diisi ulang ketika ada kelebihan daya dari energi alam. Dengan kata lain, hidrogen berada pada posisi yang sama dengan baterai yang dapat diisi 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 rute lain. Faktanya, hidrogen masih merupakan produk sampingan dari produksi soda api. Selain itu, hidrogen juga merupakan produk sampingan dari produksi kokas dalam pembuatan besi. Jika Anda memasukkan hidrogen ini ke dalam distribusi, Anda akan bisa mendapatkan banyak sumber. Gas hidrogen yang diproduksi dengan cara ini juga dipasok oleh stasiun hidrogen.

Mari kita lihat lebih jauh ke masa depan. Jumlah energi yang hilang juga menjadi masalah dengan metode transmisi yang menggunakan kabel untuk memasok daya. Oleh karena itu, di masa depan, kita akan menggunakan hidrogen yang disalurkan melalui jaringan 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 sudah menjadi hal yang lumrah. Akan menarik untuk melihat masa depan seperti itu.