Hidrogen sebagai sistem energi masa depan

Oleh: Heru Setyawan

Majalah Chemical Engineering edisi 6 Agustus 2020 menurunkan berita khusus tentang teknologi energi hidrogen di beberapa negara: Inggris, Jerman, China, Spanyol, Amerika dan Portugis. Di Inggris, National Grid Group PLC (London) yang bermitra dengan Northern Gas Network (NGN) dan Fluxys Belgium meluncurkan fasilitas uji energi hidrogen diluar jaringan jenis pertama untuk memahami bagaimana gas hidrogen dapat dipakai di masa depan untuk pemanas rumah dan mengirimkan energi ramah lingkungan ke industri (disini). Kementerian Ekonomi dan Energi Jerman telah menyetujui untuk mendanai proyek yang diusulkan oleh Orsted Group (A/S) yang bermitra dengan Westkute 100 Project senilai EUR 89 juta sebagai proyek hidrogen skala besar pertama di Jerman dalam kerangka kerja reallabor (real world laboratory) (disini).

Linde plc (Guildford, U.K.) telah menandatangani MoU dengan China National Offshore Oil Corporation’s (CNOOC) subsidiary, CNOOC Energy Technology & Services untuk bersama-sama mengembangkan industri energi hidrogen di China (disini). Iberdrola (Bilbao, Spain) dan Fertiberia (Madrid, Spain) menginvestasikan EUR 150 juta untuk membangun pabrik terbesar untuk memproduksi hidrogen ramah lingkungan untuk pemakaian industri di Eropa (disini). Power Innovations (American Fork, Utah) dan Microsoft mengumumkan terobosan dalam energi terbarukan: sel bahan bakar hidrogen berhasil digunakan untuk memasok daya sederetan data center server selama 48 jam tanpa henti (disini). Portuguese energy company Galp bersama-sama dengan EDP, Martifer, REN, Vestas and beberapa mitra lain di Eropa menaksir kelayakan proyek H₂ Sines, yang bertujuan untuk mewujudkan klaster industri untuk produksi hidrogen ramah lingkungan yang berbasis di Sines (disini).

Tampaknya banyak negara sedang berupaya untuk mengantisipasi semakin menipisnya cadangan bahan bakar fosil (minyak, gas dan batubara). Jika bahan bakar fosil semakin menipis dan menjadi tidak ekonomis lagi, era bahan bakar fosil akan berakhir. Selain masalah menipisnya bahan bakar fosil, isu pencemaran lingkungan yang disebabkan bahan bakar fosil ikut mendorong mengapa perlu dicari segera alternatif sumber energi terbarukan dan masuk ke era energi baru.

Hidrogen dipandang sebagai salah satu calon yang menjanjikan yang mampu mengambil peran pelopor dalam masa transisi ini. Tentu saja, energi yang dibutuhkan untuk mendapatkan hidrogen tidak boleh dipasok dari bahan bakar fosil. Oleh sebab itu, bahan baku juga perlu beralih ke sumber energi terbarukan yang tersedia melimpah dan menyebabkan dampak lingkungan sekecil mungkin.

Unsur kimia hidrogen

Hidrogen adalah unsur paling ringan dan paling banyak di alam semesta, dan salah satu komponen utama bintang dan gas antar bintang. Analisa astronomi yang dilakukan pada cahaya yang ditransmisikan oleh bintang terdekat, matahari, menunjukkan bahwa sekitar 75% masanya tersusun atas hidrogen. Hidrogen juga merupakan salah satu unsur yang melimpah di bumi dan dapat dijumpai dalam berbagai macam molekul organik dan anorganik seperti air, hidrokarbon, karbohidrat, asam amino, dll.

Hidrogen (simbol H, nomor atom 1 dan konfigurasi elektron 1s¹) adalah unsur kimia pertama dalam tabel periodik. Ia adalah unsur nonlogam yang masuk golongan IA dengan berat atom standar 1,00794. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun, nonlogam, gas diatom sangat mudah terbakar dengan rumus molekul H₂.

Unsur hidrogen tersusun atas 1 elektron dan 1 proton. Hidrogen memiliki dua bilangan oksdiasi (+1, -1) dengan elektronegativitas 2,20 pada skala Pauling. Satu-satunya elektron yang sangat reaktif yang mengorbit di sekitar nukleus mampu membangun ikatan kovalen dengan atom hidrogen lain untuk mencapai konfigurasi stabil molekul diatom. Jari-jari kovalen sekitar 31 +/-5 pm dan jari-jari Van der Waals adalah 120 pm. Tingkat energi keadaan dasar adalah -13,6 eV dan dan energi ionisasi 1312 kJ/mol. Hidrogen memiliki dua isotop: Deuterium dengan 1 proton dan 1 netron dan Tritium dengan 1 proton dan 2 netron.

Karena hidrogen mudah membentuk senyawa kovalen dengan sebagian besar unsur nonlogam, sebagian besar hidrogen di bumi berada dalam bentuk molekul seperti air atau senyawa organik. Hidrogen memainkan peran penting khusus dalam reaksi asam-basa karena reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut. Dalam senyawa ion, hidrogen dapat berbentuk spesies bermuatan negatif (anion) yang dikenal sebagai hidrida, atau sebagai spesies bermuatan positif (kation) H⁺.

Unsur hidrogen ditemukan oleh Henry Cavendish pada tahun 1766. Asal kata hidrogen dari bahasa Yunani hydro yang berarti “air” dan gen yang berarti “pembentuk”. Nama hidrogen diberikan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1783. Sifat fisika hidrogen disajikan pada Tabel 1.

Molekul	H2
Fase pada STP	gas
Warna	Tidak berwarna
Densitas	0,08988 g/L (STP)
Titik lebur	14,01 K
Titik didih	20,28 K
Titik tripel	13,8033 K
Titik kritis	32,97 K
Volume molar	11,42 x 10-3 m3/mol
Entalpi penguapan	0.44936 kJ/mol
Entalpi peleburan	0.05868 kJ/mol
Kapasitas panas molar	28,836 J/mol.K
Konduktivitas panas	0.1815 W/(mK)
Potensial ionisasi	13,5984 eV
Panas jenis	14,304 J/g.K
Nilai kalor rendah	110,9–10,1 (MJ/kg–MJ/Nm3)
Energi penyalaan minimum	0.02 mJ
Kecepatan nyala stoichiometri	2.37 m/s
Keadaan oksidasi	1, -1
Elektronegativitas	2,20 (skala Pauling)
Energi ionisasi	Pertama: 1312,0 kJ/mol
Jari-jari kovalen	31 +/-5 pm
Jari-jari Van der Waals	120 pm
Struktur kristal	heksagonal
Keteraturan magnetik	Diamagnetik
Konduktivitas panas	0,1805 W/m.K
Kecepatan suara (gas, 27oC)	1310 m/s
CAS registry number	1333-74-0
CAS Chemical Abstract Service	STP Standard temperature and pressure

Sumber hidrogen

Hidrogen dapat dihasilkan dari sumber yang beraneka ragam. Saat ini sebagian besar hidrogen diproduksi dari bahan bakar fosil, khususnya gas alam. Bahan bakar fosil dapat direformasi untuk melepaskan hidrogen dari molekul hidrokarbonnya. Reformasi gas alam adalah proses produksi yang sudah maju dan matang. Ini akan menjadi lintasan teknologi penting untuk produksi hidrogen dalam jangka pendek.

Untuk memproduksi hidrogen, gas alam yang mengandung metana (CH₄) diproses secara termal, mis.: reformasi steam-metana dan oksidasi parsial. Dalam reformasi steam-metana, metana bereaksi dengan steam bersuhu tinggi (700^oC-1000^oC) pada tekanan 3-25 bar dengan adanya katalis untuk menghasilkan hidrogen, karbon monoksida, dan sejumlah kecil karbon dioksida (Gambar 1). Reformasi steam adalah endotermis dimana panas harus dipasok ke proses agar reaksi berlangsung.

Selanjutnya, dalam apa yang disebut “water-gas shift reaction”, karbon monoksida dan steam direaksikan untuk menghasilkan karbon dioksida dan lebih banyak hidrogen. Dalam tahap akhir, karbon monoksida dan pengotor lain dipisahkan dari aliran gas, umumnya dengan absorpsi cair menggunakan larutan amina dan pressure swing adsorption. Reformasi steam juga dapat digunakan untuk memproduksi hidrogen dari bahan bakar lain seperti etanol, etana, dan bahkan bensin.

Dalam oksidasi parsial, metana dan hidrokarbon lain dalam gas alam bereaksi dengan oksigen dalam jumlah terbatas (biasanya dari udara) yang tidak cukup untuk mengoksidasi sempurna hidrokarbon menjadi karbon dioksida dan air. Produk utamanya adalah hidrogen dan karbon monoksida (dan nitrogen, jika reaksi dilakukan dengan udara), dan sejumlah kecil karbon dioksida dan senyawa lain. Selanjutnya, dalam reaksi water-gas shift, karbon monoksida bereaksi dengan air membentuk karbon dioksida dan lebih banyak hidrogen.

Oksidasi parsial adalah proses eksotermis, menghasilkan panas. Proses ini umumnya lebih cepat daripada reformasi steam dan membutuhkan reaktor yang lebih kecil. Seperti dapat dilihat dalam reaksinya, proses ini mula-mula menghasilkan hidrogen lebih sedikit per satuan bahan bakar masuk daripada yang dihasilkan oleh reformasi steam dengan bahan bakar yang sama.

Reaksi oksidasi parsial metana

CH₄ + 1/2 O₂ → CO + 2H₂ (+panas)

Reaksi water-gas shift

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (+sedikit panas)

Pemakaian hidrogen

Secara komersial, hidrogen dipakai untuk memproses bahan bakar fosil dan mensintesa amoniak. Hidrogen digunakan dalam pengelasan, hidrogenasi lemak dan minyak, produksi metanol, hidrodealkilasi, perengkahan hidro, dan hidrodesulfurisasi. Hidrogen dipakai untuk membuat bahan bakar roket, mengisi balon, membuat sel bahan bakar (fuel cell), membuat asam khlorida dan mereduksi biji logam.

Hidrogen adalah salah satu bahan prekursor kunci yang digunakan dalam industri kimia. Hidrogen adalah blok pembangun dasar untuk pembuatan dua senyawa kimia paling penting yang dibuat secara industri: amoniak, dan dari sini pupuk, dan metanol, yang digunakan dalam manufaktur banyak polimer. Hidrogen juga digunakan dalam pengilangan minyak, misalnya dalam reformasi, salah satu proses untuk memperoleh bensin grade tinggi, dan dalam memisahkan senyawa sulfur dari minyak, yang jika tidak, akan meracuni konverter katalitik yang dipasang di mobil.

Hidrogen sebagai sistem energi baru

Hidrogen dapat dijumpai dalam air dalam bentuk teroksidasinya. Dengan memberikan sumber energi luar, air dapat terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Dengan menggabungkan kembali hidrogen dan oksigen secara spontan, diperoleh energi dan air, dan air siap digunakan kembali untuk memulai siklus lagi. Pemecahan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan energi listrik disebut elektrolisa. Pembakaran hidrogen dan oksigen untuk memperoleh air dilakukan dalam arah yang berkebalikan dengan reaksi elektrolisa, dalam alat yang disebut sel bahan bakar (fuel cell). Sementara energi dibutuhkan untuk melakukan elektrolisa, penggabungan hidrogen dan oksigen, sebaliknya, menghasilkan energi.

Hidrogen, seperti listrik, adalah pembawa energi yang mampu menyimpan energi yang dikonversi dari sumber primer seperti gas alam, minyak, batubara, dan sumber energi terbarukan lainnya. Hidrogen dapat digunakan secara langsung untuk menghasilkan listrik dan panas, dan memiliki kemampuan untuk menggantikan bahan hidrokarbon dalam banyak aplikasi. Dibandingkan dengan bahan bakar tradisional, hidrogen mengandung densitas energi per satuan berat lebih tinggi, tetapi densitas energi per satuan volumenya sangat rendah. Ini yang masih menjadi tantangan teknologi saat ini yang perlu untuk diselesaikan, terutama untuk sistem penyimpanan dan transportasinya.

Ide untuk menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar sudah sangat lama, sejak ditemukannya unsur ini tahun 1766 oleh Henry Cavendish. Cecil membangun pembangkit hidrogen pada tahun 1820 dan Haldane mengelola untuk memproduksi hidrogen dengan kincir angin pada tahun 1923. Purwarupa sel bahan bakar menggunakan hidrogen pertama dibuat oleh Grove pada tahun 1839. Sementara itu, Otto menggunakan campuran 50% hidrogen dalam percobaannya untuk mesin pembakaran dalam. Untuk transportasi, hidrogen digunakan dalam balon udara dan kapal udara tetapi segera digantikan dengan helium karena sifatnya yang sangat mudah terbakar. Pada tahun 1938, Sikorski berhasil menggunakan hidrogen untuk menggerakkan baling-baling helikopter.

Aplikasi hidrogen sebagai bahan bakar sekarang ini terbatas hanya untuk pesawat luar angkasa. Di sini, O₂ dan H₂ cair digabung menghasilkan jumlah energi sangat besar yang dibutuhkan untuk pesawat luar angkasa keluar dari atmosfir dan listrik yang diperlukan untuk seluruh awak dan instrumentasi. Seperti disebutkan di atas, meskipun densitas energinya sangat tinggi, hidrogen dipandang sebagai pembawa energi atau sumber energi sekunder, yang berlawanan dengan sumber energi primer seperti kayu, minyak dan batubara yang langsung dapat dipakai sebagai energi. Hal ini karena hidrogen harus diubah terlebih dahulu menjadi bentuk molekulernya (H₂) dari senyawa yang mengandung hidrogen sebelum pemakaiannya. Jadi, hidrogen adalah kendaraan yang mampu menyimpan energi yang diubah dari sumber primer dalam bentuk kimia.

Sebagai pembawa energi, hidrogen dapat dipakai dalam pembakaran langsung, atau lebih baik, dalam sel bahan bakar yang tidak menggunakan siklus panas. Keuntungan sel bahan bakar adalah, karena tidak menggunakan siklus panas, sistem ini bebas dari pembatasan kinerja oleh hukum kedua termodinamika. Dengan beroperasi pada reaksi elektrokimia, sel bahan bakar mampu menghasilkan jumlah energi maksimum dengan efisiensi konversi sangat tinggi. Selain itu, reaksi hidrogen dengan oksigen hanya melepaskan air, tanpa CO₂ seperti dalam pembakaran bahan bakar fosil. Jadi, dari sudut pandang dampak lingkungan, hidrogen merupakan alternatif terbaik karena membantu mengurangi pelepasan gas rumah kaca dan senyawa lain (mis.: nitrogen teroksidasi, sulfur dan partikel halus) yang berbahaya bagi kesehatan manusia.

Akan tetapi, seperti disebutkan di atas, masih banyak kelemahan hidrogen yang membatasi pemakaiannya sebagai pembawa energi. Hidrogen diperoleh dengan prosedur kimia tambahan. Selain itu, belum ada sistem ekonomi yang cukup matang untuk mengoperasikan hidrogen pada skala besar meskipun hidrogen telah banyak sekali digunakan dalam industri selama beberapa dekade.

Produksi hidrogen

Seperti dijelaskan sebelumnya, molekul hidrogen H₂ harus diproduksi dari senyawa terhidrogenasi lain. Beberapa prosedur telah mencapai kematangan industri sedangkan beberapa masih dalam pengembangan:

• Teknologi terkonsolidasi: reformasi steam hidrokarbon, gasifikasi bahan bakar padat dan pemecahan air dengan elektrolisa.
• Metoda alternatif: pemisahan air dengan termokimia pada suhu tinggi, reaksi fotobiologi, konversi biomassa, dll.

Reformasi steam dan oksidasi parsial hidrokarbon adalah teknologi yang sudah matang di industri dan telah diuraikan secara singkat di atas. Gasifikasi bahan bakar padat berhubungan dengan gasifikasi batubara dengan steam yang menghasilkan gas air. Reaksi lengkap yang diterapkan pada C adalah:

C + H₂O (+panas) → CO₂ + 2H₂

Gas sintesa mengandung lebih banyak polutan dan CO₂ dibandingkan dengan prosedur reformasi steam yang dilakukan pada metana.

Elektrolisa air adalah proses pemecahan hidrogen dan oksigen dari air dengan pemakaian arus listrik. Ini akan dibahas lebih dalam di bawah. Hidrogen juga dapat diperoleh dengan perengkahan termal menggunakan pembakar plasma pada sekitar 1600^oC untuk memecah hidrokarbon menjadi hidrogen dan atom karbon dengan reaksi:

CH₄ → C+2H₂

Amoniak juga dapat menjadi pembawa hidrogen yang baik karena ia dapat mengalami proses perengkahan menjadi nitrogen dan hidrogen dengan reaksi:

2NH₃ → N₂+3H₂

Sistem yang lain meliputi fotokimia, fotobiologi, semikonduktor dan kombinasinya. Dalam sistem fotokimia, sinar matahari diserap oleh molekul dalam suatu larutan dan melepaskan elektron dengan reaksi (dengan katalis):

H₂O + Energi → H₂ + 1/2 O₂

Dalam sistem fotobiologi, cahaya berinteraksi dengan khloroplast atau algae bersama-sama dengan enzim yang mampu menfasilitasi produksi hidrogen. Pada kondisi anaerobik, mikroorganisme mensintesa dan mengaktivasi enzim hidrogenase, yang memproduksi H₂ dan O₂ ketika terpapar ke cahaya dengan efisiensi cukup tinggi (~12%).

Produksi hidrogen dengan sinar matahari juga dapat diperoleh dengan fotodegradasi substrat organik. Sebagai contoh, reaksi ini menunjukkan proses yang dilakukan pada senyawa polutan

CH₃COOH(aq) + O₂ → 2CO₂ + 2H₂

yang eksoergonik dan hidrogen dihasilkan dengan oksidasi, dengan memanfaatkan peruraian senyawa yang berbahaya dan menghasilkan keuntungan ekstra dari proses.

Dalam semikonduktor, foton diserap oleh partikel semikonduktor kecil yang disuspensikan dalam cairan. Gabungan semua sistem di atas masih dalam taraf pengembangan penelitian aktif.

Pemakaian hidrogen sebagai bahan bakar

Hidrogen dapat melepaskan energi dalam sejumlah proses yang berbeda:

• pembakaran langsung
• pembakaran katalitik
• produksi steam
• operasi sel bahan bakar (fuel cell)

Dalam pembakaran langsung, hidrogen dicampur dengan oksigen dengan perbandingan tertentu dan bereaksi menghasilkan air dan panas. Pembakaran hidrogen juga mungkin dengan adanya katalis, biasanya dengan struktur berpori, untuk mengurangi suhu reaksi. Dibandingkan dengan metode tradisional, pembakaran katalitik memerlukan permukaan reaksi yang lebih besar.

Pembakaran hidrogen dan oksigen dapat menyebabkan suhu nyala sampai 3000^oC dan menghasilkan steam air. Sebagai akibatnya, steam perlu diinjeksikan untuk menjaga suhu steam yang diinginkan. Dengan demikian akan dihasilkan steam jenuh dan lewat jenuh dengan efifiensi hampir 100% tanpa kehilangan energi panas. Steam dapat digunakan untuk turbin dan aplikasi industri.

Sepeti disebutkan sebelumnya, kebalikan reaksi elektrolisa air adalah reaksi penggabungan H₂ dan O₂ menghasilkan air. Proses ini melepaskan sebagian energi elektrolisa yang digunakan untuk memisahkan air menjadi komponen elementernya. Ini terjadi dalam alat yang disebut sel bahan bakar (fuel cell).

Produksi hidrogen dengan elektrolisa

Reaksi dan potensial sel

Air cair dapat terurai menjadi komponen unsurnya (hidrogen dan oksigen) menurut reaksi:

H₂O(l) → H₂(g) + 1/2 O₂

Reaksi pemecahan air adalah reaksi tak spontan tetapi dapat didorong dengan memberikan energi ke dalam sistem, misalnya, energi listrik. Ini disebut transformasi endergonik dan alat yang digunakan untuk proses ini disebut elektroliser. Sebuah elektroliser paling tidak terdiri dari sebuah sel elektrolisa yang memiliki dua elektroda yang dipasang berhadapan dan dipisahkan oleh elektrolit. Dalam sel elektolisa air, kerja listrik diberikan kepada sel untuk memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen gas. Reaksi setengah sel (dan mekanisme terkait) tergantung pada pH elektrolit. Dalam media asam, pemecahan air terjadi menurut:

anoda ∶ H₂O(l) → 1/2 O₂(g) + 2H⁺ + 2e⁻

katoda ∶ 2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g)

reaksi penuh ∶ H₂O(l) → H₂(g) + 1/2 O₂(g)

Reaksi di anoda adalah reaksi evolusi oksigen (REO) dan reaksi di katoda adalah reaksi evolusi hidrogen (REH). Dalam media air, proton terbentuk pada anoda yang melepaskan oksigen tersolvasi membentuk ion hidronium H₃O⁺. Karena medan listrik, spesies H₃O⁺ bermigrasi ke katoda melalui elektrolit dimana mereka direduksi menjadi hidrogen molekuler sedangkan molekul air tersolvasi dilepaskan. Ada konsumsi molekul air bersih pada anoda dan produksi gas pada masing-masing dua antarmuka elektrolit/elektroda.

Potensial sel elektrolisa air dapat diperkirakan dengan persamaan Nernst. Dalam media asam encer pada 298 K dengan asumsi hanya ada gas oksigen pada tekanan 1 bar, potensial reaksi setengah sel relatif terhadap potensial standar hidrogen normal (NHE) pada anoda dapat didekati dengan

E⁺ ≈ 1,23 − 0,06pH

Dengan asumsi yang sama, pada 298 K dan tekanan gas hidrogen 1 bar, potenial reaksi setengah sel pada katoda adalah

E⁻ ≈ −0,06pH

Jadi, tegangan sel yang diperlukan untuk memecah air dalam media asam adalah konstan tidak tergantung pH:

E_sel = E⁺ − E⁻ = 1,23 V

Dalam media basa, reaksi setengah sel yang terjadi adalah:

anoda (+) ∶ 2 OH⁻ → H₂O + 1/2 O₂(g) + 2 e⁻

katoda (−) ∶ 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂(g) + 2 OH⁻

reaksi penuh ∶ H₂O(l) → H₂(g) + 1/2 O₂(g)

Dari persamaan Nernts, dengan asumsi yang sama, pada suhu 298 K dan gas hidrogen pada 1 bar, pada sisi anoda

E⁺ ≈ 1,23 + pKe − 0,06pH

dan pada sisi katoda (tekanan H₂ = 1 bar):

E⁻ ≈ pKe − 0,06pH

Jadi, tegangan yang diperlukan untuk memecah air pada kondisi basa adalah:

E_sel = E⁺ − E⁻ = 1,23 V

Dengan demikian, tegangan elektrolisa yang dibutuhkan untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen tidak tergantung pH. Perbedaan antara kondisi asam dan basa hanyalah pada potensial masing-masing elektroda yang bergeser sepanjang sumbu potensial, sebagai fungsi pH elektrolit (Gambar 3).

Teknologi elektrolisa komersial

Secara umum ada tiga jenis elektroliser komersial, yakni: elektroliser basa, elektroliser polimer padat (membran polimer) dan elektroliser suhu tinggi. Elektroliser basa mengambil bagian terbesar pasar elektroliser komersial. Alat ini dibangun dari bahan yang tahan terhadap serangan potasium hidroksida (KOH) dan dirancang untuk mencegah kebocoran elektrolit. Anoda terbuat dari nikel sedangkan katoda dari nikel berlapis platina. Suhu operasi antara 70-85^oC dan densitas arus listrik pada elektroda sekitar 6-10 kA/m² dengan nisbah efisiensi antara 75%-85%. Nisbah efisiensi didefinisikan sebagai nisbah antara energi kimia yang terkandung dalam hidrogen yang dihasilkan dan daya listrik yang dipakai dalam proses.

Dalam elektroliser polimer padat atau membran polimer, elektrolit terbuat dari polimer padat yang menyebabkan proses konstruksi dan pemeliharaan menjadi lebih sederhana dan mudah. Ketika polimer jenuh dengan air, polimer menjadi asam dan permeabel terhadap ion. Sel dengan elektrolit sangat tipis dan kepadatan membrannya mengizinkan sel berfungsi pada tekanan sampai 4 MPa dan pada suhu antara 80-150^oC. Elektroliser ini mampu menghasilkan efisiensi yang bagus dan densitas arus yang tinggi karena anoda dibuat dari karbon berpori dan katoda dari titanium berpori.

Elektroliser suhu tinggi memerlukan panas pada suhu sangat tinggi (~1000^oC) dan proses produksi mahal. Elektroliser ini menjamin kinerja tinggi dengan elektrolit padat dan nonkorosif (berbasis pada zirkonium dan yttrium oksida) yang mampu menghantarkan ion oksigen. Katoda terbuat dari nikel sedangkan anoda bisa dari nikel, nikel oksida dan lanthanum. Densitas arus pada elektroda sekitar 3-5 kA/m² dengan tegangan sel dalam rentang 1,0-1,6 V, dengan efisiensi hipotetik yang dapat dicapai hampir 95%.

Penelitian hidrogen di Teknik Kimia ITS

Tampak bahwa hidrogen dalam waktu dekat akan memainkan peran penting sebagai sumber energi baru dan terbarukan yang bersih dan ramah lingkungan. Departemen Teknik Kimia ITS ikut berupaya untuk memberikan kontribusi dalam melakukan penelitian mengenai jenis energi ini, yang meliputi produksi dan penyimpanannya.

Dibandingkan dengan reformasi steam konvensional, pemecahan air elektrolitik dipandang sebagai proses emisi “nol” karena satu-satunya produk samping hanya oksigen. Lab Elektrokimia dan Korosi berusaha untuk mengembangkan bahan elektroda yang bersifat superaerobik dengan mengontrol mikrostrukturnya yang mampu menolak gelembung gas yang terbentuk pada permukaan elektroda. Ketika gelembug yang terbentuk berhasil diusir dengan segera dari permukaan, kinerja aktivitas katalis dapat tetap dijaga dan selain itu dapat meminimalkan overpotensial konsentrasi. Selain itu, kami juga mengembangkan elektrokatalis untuk menggantikan katalis yang berbasis logam mulia yang harganya sangat mahal.

Beberapa laboratorium lain, misalnya, Lab TeknikBiokimia, mengembangkan proses enzimatik atau gabungannya untuk memproduksi hidrogen dari biomassa (sabut kelapa, dsb.).

Pustaka

1. Millet, P., Fundamentals of Water Electrolysis, in Hydrogen Production by Electrolysys edited by A. Godula-Jopek, Wiley-VCH, 2015.
2. Zini, G., P. Tartarini, Solar Hydrogen Energy Systems, Springer, 2012.
3. Zohuri, B., Hydrogen Energy: Challenges and Solutions for a Cleaner Future, Springer, 2019.