Tentang energi generasi berikutnya hidrogen

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 berbeda. Kami juga akan menjelaskan masing-masing cara pembuatannya, sifat fisik sebagai unsurnya, cara penyimpanan/transportasinya, dan cara penggunaannya. Dan saya juga akan memperkenalkan mengapa ini merupakan sumber energi dominan generasi berikutnya.

Elektrolisis Air untuk Menghasilkan Hidrogen Hijau

Saat menggunakan hidrogen, penting untuk “menghasilkan hidrogen”. Cara termudah adalah dengan “mengelektrolisis air”. Mungkin Anda melakukannya di sains sekolah dasar. Isi gelas kimia dengan air dan 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 di anoda menghasilkan oksigen. Meski begitu, pendekatan ini baik untuk eksperimen sains di sekolah, namun untuk memproduksi hidrogen secara industri, mekanisme efisien yang sesuai untuk produksi skala besar harus disiapkan. Itu adalah “elektrolisis membran elektrolit polimer (PEM)”.
Dalam metode ini, membran semipermeabel polimer yang memungkinkan lewatnya ion hidrogen diapit di antara anoda dan katoda. Ketika air dituangkan ke dalam anoda perangkat, ion hidrogen yang dihasilkan melalui 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.
Juga dalam elektrolisis air alkali, Anda menghasilkan hidrogen dan oksigen dengan memisahkan anoda dan katoda melalui pemisah yang hanya dapat dilalui oleh 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 prosesnya, oksigen juga dihasilkan dalam jumlah besar (setengah volume hidrogen yang dihasilkan), sehingga tidak menimbulkan dampak 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 mengelektrolisis air menggunakan energi bersih.

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

Hidrogen Biru Terbuat dari Bahan Bakar Fosil

Jadi, apa cara lain untuk membuat hidrogen? Hidrogen ada dalam bahan bakar fosil seperti gas alam dan batu bara sebagai zat selain air. Misalnya saja 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 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 batu bara. “Hidrogen biru” mengacu 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 yang dihasilkan, jika tidak diperoleh kembali, akan menjadi gas hidrogen, yang dikenal sebagai “hidrogen abu-abu”.

Jenis Unsur Apa Hidrogen Itu?

Hidrogen memiliki nomor atom 1 dan merupakan unsur pertama dalam tabel periodik.
Jumlah atom adalah yang terbesar di alam semesta, terhitung sekitar 90% dari seluruh unsur di alam semesta. Atom terkecil yang terdiri dari proton dan elektron adalah atom hidrogen.
Hidrogen memiliki dua isotop dengan neutron yang melekat pada intinya. Satu “deuterium” terikat neutron dan dua “tritium” terikat neutron. Ini juga merupakan bahan untuk pembangkit listrik fusi.
Di dalam bintang seperti matahari, terjadi fusi nuklir dari hidrogen menjadi helium, yang merupakan sumber energi bagi bintang untuk bersinar.
Namun, hidrogen jarang ada dalam bentuk gas di Bumi. Hidrogen membentuk senyawa dengan unsur lain seperti air, metana, amonia, dan etanol. Karena hidrogen merupakan unsur yang ringan, maka seiring dengan meningkatnya suhu, kecepatan pergerakan molekul hidrogen pun meningkat, dan lepas dari gravitasi bumi menuju luar angkasa.

Bagaimana Cara Menggunakan Hidrogen? Gunakan dengan Pembakaran

Lalu, bagaimana “hidrogen”, yang telah menarik perhatian dunia sebagai sumber energi generasi mendatang, digunakan? Ini digunakan dalam dua cara utama: “pembakaran” dan “sel bahan bakar”. Mari kita mulai dengan penggunaan “bakar”.
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 bakarnya. Keduanya digabungkan, dan energi panas yang dihasilkan pada saat itu mempercepat injeksi molekul air yang dihasilkan, terbang ke luar angkasa. Namun karena mesinnya sulit secara teknis, kecuali Jepang, hanya Amerika Serikat, Eropa, Rusia, China, 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 panas yang dihasilkan oleh hidrogen. Di pembangkit listrik tenaga panas, panas dari pembakaran batu bara, minyak, dan gas alam menghasilkan uap yang menggerakkan turbin. Jika hidrogen digunakan sebagai sumber panas, pembangkit listrik 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 menggembar-gemborkan kendaraan berbahan bakar hidrogen dibandingkan kendaraan listrik (EV) sebagai alternatif kendaraan berbahan bakar bensin sebagai bagian dari penanggulangan pemanasan global.
Secara khusus, kami melakukan prosedur sebaliknya ketika kami memperkenalkan metode pembuatan “hidrogen hijau”. Rumus kimianya adalah sebagai berikut.
Hidrogen dapat menghasilkan air (air panas atau uap) sekaligus menghasilkan listrik, dan hal ini dapat dievaluasi karena tidak memberikan beban pada lingkungan. Di sisi lain, metode ini memiliki efisiensi pembangkitan listrik yang relatif rendah yaitu 30-40%, serta memerlukan platina sebagai katalis sehingga memerlukan peningkatan biaya.
Saat ini, kami menggunakan sel bahan bakar elektrolit polimer (PEFC) dan sel bahan bakar asam fosfat (PAFC). Secara khusus, kendaraan sel bahan bakar menggunakan PEFC, sehingga diperkirakan 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 Anda mendapatkannya di tempat yang Anda butuhkan? Bagaimana dengan keamanan saat itu? Kami akan menjelaskannya.
Faktanya, hidrogen juga merupakan unsur yang sangat berbahaya. Pada awal abad ke-20, kami menggunakan hidrogen sebagai gas untuk mengapungkan balon, balon, dan kapal udara di angkasa karena sangat ringan. Namun, pada tanggal 6 Mei 1937, di New Jersey, AS, terjadi “ledakan pesawat Hindenburg”.
Sejak kecelakaan itu, sudah diketahui secara luas bahwa gas hidrogen berbahaya. Apalagi jika terbakar, akan meledak hebat dengan oksigen. Oleh karena itu, “jauhkan dari oksigen” atau “jauhkan dari panas” sangatlah penting.
Setelah mengambil langkah-langkah ini, kami menemukan metode pengiriman.
Hidrogen berbentuk gas pada suhu kamar, jadi meskipun masih berupa gas, ia sangat besar. Cara pertama adalah dengan memberikan tekanan tinggi dan mengompres seperti silinder saat membuat minuman berkarbonasi. Siapkan tangki khusus bertekanan tinggi dan simpan dalam kondisi bertekanan tinggi seperti 45Mpa.
Toyota, yang mengembangkan kendaraan sel bahan bakar (FCV), sedang mengembangkan tangki hidrogen bertekanan tinggi resin yang mampu menahan tekanan 70 MPa.
Metode lainnya adalah dengan mendinginkan hingga -253°C untuk membuat hidrogen cair, dan menyimpan serta mengangkutnya dalam tangki khusus berinsulasi panas. Seperti LNG (gas alam cair) ketika gas alam diimpor dari luar negeri, hidrogen dicairkan selama pengangkutan, sehingga mengurangi volumenya menjadi 1/800 bentuk gasnya. Pada tahun 2020, kami menyelesaikan pembawa hidrogen cair pertama di dunia. Namun, pendekatan ini tidak cocok untuk kendaraan sel bahan bakar karena memerlukan banyak energi untuk mendinginkannya.
Ada metode penyimpanan dan pengiriman dalam tangki seperti ini, namun 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 1960an. JJ Reilly dkk. Eksperimen menunjukkan bahwa hidrogen dapat disimpan dan dilepaskan menggunakan paduan magnesium dan vanadium.
Setelah itu, ia berhasil mengembangkan zat seperti paladium yang mampu menyerap hidrogen 935 kali volumenya sendiri.
Keuntungan menggunakan paduan ini adalah dapat mencegah terjadinya kecelakaan kebocoran hidrogen (terutama kecelakaan ledakan). Oleh karena itu, dapat disimpan dan diangkut dengan aman. Namun, jika Anda tidak berhati-hati dan meninggalkannya di lingkungan yang salah, paduan penyimpan hidrogen dapat melepaskan gas hidrogen seiring berjalannya waktu. Ya, percikan api kecil pun bisa menyebabkan kecelakaan ledakan, jadi berhati-hatilah.
Kerugiannya juga adalah penyerapan dan desorpsi hidrogen yang berulang menyebabkan penggetasan dan mengurangi laju penyerapan hidrogen.
Cara lainnya adalah dengan menggunakan pipa. Ada syaratnya harus non-compressed dan bertekanan rendah untuk mencegah pipa menjadi getas, namun kelebihannya adalah pipa gas yang sudah ada bisa digunakan. Tokyo Gas melakukan pekerjaan konstruksi di FLAG Harumi, menggunakan jaringan pipa gas kota untuk memasok hidrogen ke sel bahan bakar.

Masyarakat Masa Depan Diciptakan oleh Energi Hidrogen

Terakhir, mari kita pertimbangkan peran hidrogen dalam masyarakat.
Yang lebih penting lagi, kami ingin mendorong masyarakat bebas karbon, kami menggunakan hidrogen untuk menghasilkan listrik, bukan sebagai energi panas.
Alih-alih membangun pembangkit listrik tenaga termal yang 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 mengenai apa yang harus dilakukan terhadap dampak sampingan dari proses reformasi masih tetap ada.

Di masa depan, jika sirkulasi hidrogen itu sendiri meningkat, seperti bertambahnya jumlah stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, maka penggunaan listrik dapat dilakukan tanpa mengeluarkan karbon dioksida. Listrik tentunya menghasilkan hidrogen yang ramah lingkungan sehingga menggunakan listrik yang dihasilkan dari sinar matahari atau angin. Daya yang digunakan untuk elektrolisis sebaiknya merupakan daya untuk menekan besarnya pembangkitan listrik atau untuk mengisi baterai isi ulang bila terdapat kelebihan daya dari energi alam. Dengan kata lain, posisi hidrogen sama dengan baterai isi ulang. Jika hal ini terjadi, maka pada akhirnya pembangkitan listrik termal dapat dikurangi. Hari ketika mesin pembakaran internal menghilang dari mobil semakin dekat.

Hidrogen juga dapat diperoleh melalui jalur lain. Faktanya, hidrogen masih merupakan produk sampingan dari produksi soda kaustik. Antara lain, ini merupakan produk sampingan dari produksi kokas dalam pembuatan besi. Jika Anda memasukkan hidrogen ini ke dalam distribusi, Anda akan mendapatkan banyak sumber. Gas hidrogen yang dihasilkan dengan cara ini juga disuplai oleh stasiun hidrogen.

Mari kita melihat lebih jauh ke masa depan. Besarnya energi yang hilang juga menjadi masalah pada metode transmisi yang menggunakan kabel untuk menyuplai listrik. 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 menjadi hal yang lumrah. Akan menarik untuk melihat masa depan seperti itu.