Hidrogen & Sumber Energi Alternatif Keahlian perekayasaan secara langsung

Secara umum, alat elektrolisis adalah perangkat yang memisahkan, mengurai, dan mengubah material atau molekul (reaksi redoks) dengan bantuan energi listrik. Pada alat elektrolisis air, molekul air (H₂O) dikonversi menjadi molekul hidrogen (H₂) dan molekul oksigen (O₂).

Reaksi aktualnya terjadi dalam sel elektrokimia pada kisaran voltase 1,4 V. Untuk alasan kepraktisan, sejumlah sel tersebut (sambungan seri listrik) disusun hingga menumpuk. Semua perlengkapan periferal yang menaungi sel elektrokimia disebut dengan istilah “Balance of Plant”.

Balance of Plant (BOP) adalah istilah yang secara umum digunakan dalam keterkaitan dengan teknologi energi. Istilah ini mengacu pada semua komponen pendukung dan sistem tambahan yang diperlukan untuk pengubahan energi – terkecuali unit pembangkit atau unit trafo itu sendiri.

Pada perangkat elektrolisis, ini termasuk pengelolaan energi (transformator, inverter, pengontrol daya, dsb.), pengelolaan fluida dan gas (pembersihan air, fase pemisahan fluida dan gas, pengeringan gas, kompresi gas) dan pengelolaan termal (sistem pendingin untuk tenaga listrik, pengeringan tumpukan dan kondensasi).

sel bahan bakar/sel tunam terdiri atas dua elektrode – anode (sisi hidrogen) dan katode (sisi udara). Kedua elektrode dipisahkan oleh elektrolisis. Dalam sel bahan bakar/sel tunam PEM, ini adalah membran semipermeabel yang hanya dapat ditembus proton.

Hidrogen diumpankan pada anode. Lalu dibelah menjadi proton dan elektron dengan bantuan katalis (biasanya platinum). Selanjutnya proton berpindah melalui membran menuju katode. Elektron mengalir menuju katode melalui perangkat listrik dan energi listrik disalurkan. Pada katode, proton dan elektrode dibaurkan dengan oksigen dari udara sekitar untuk membentuk air.

Istilah “sel elektrokimia” adalah istilah yang menaungi berbagai jenis sel seperti sel elektrolisis, sel akumulator, sel baterai, dan sel galvanis. Jenis sel tersebut terkadang dapat dibalikkan, contohnya sel akumulator. Sel ini dapat diisi dan dikosongkan – artinya, sel-sel ini dapat mengubah energi listrik menjadi energi kimia dan melepasnya kembali sebagai energi listrik. Lebih lanjut, beberapa jenis sel elektrolisis dapat difungsikan sebagai sel bahan bakar/sel tunam. Dengan kata lain, perubahan hidrogen dan oksigen menjadi air melepaskan energi listrik dan panas.

Sel elektrolisis dan sel bahan bakar/sel tunam tersusun atas pelat bipolar, elektrode, dan, tergantung teknologinya, lapisan difusi gas (GDL), dan membran. Ketika “proton / anion bertukar membran” (PEM / AEM) digunakan, sel-sel ini sering kali terhubung langsung pada elektrode dan disebut sebagai “susunan pertukaran membran” (MEA).

Susunan pertukaran membran (MEA) memiliki beberapa penafsiran. Dalam sejumlah kondisi, istilah ini dapat dimaknai bahwa membran dengan lapisan katalis yang melapisinya (pada satu sisi untuk reaksi katode; pada sisi lain untuk reaksi anode). Akan tetapi, kerap kali lapisan difusi gas terlibat, sebab lapisan ini sudah pasti bersifat menghantarkan aliran listrik.

Berdasarkan teknologinya, membran tersusun atas berbagai polimer atau keramik, masing-masing dapat mengangkut proton, anion, (misalnya anion hidroksida = OH) atau oksigen. Lapisan difusi gas berperan untuk mengangkut gas yang dihasilkan (elektrolisis) dan khususnya gas yang digunakan (sel bahan bakar/sel tunam) seragam mungkin dari atau menuju tempat reaksi (lapisan katalis). Gas-gas tersebut diangkut dari atau menuju sel elektrokimia melalui saluran pelat bipolar.

Pelat bipolar yang telah terpasang pada sejumlah sel atau konfigurasi tumpukan bertanggung jawab secara fisik dan kelistrikan untuk menghubungkan anode dari suatu sel dengan katode pada sel tetangganya. Pelat bipolar pada sel bahan bakar/sel tunam turut bertanggung jawab untuk mengarahkan gas reaksi menuju zona reaksi. Untuk tujuan ini, profil aliran (bidang aliran) digiling atau ditekan pada kedua sisi pelat, sehingga hidrogen mengalir pada satu sisi dan udara dipasok dari sisi yang lain.

Pelat bipolar tersusun atas dua kutub sel bahan bakar/sel tunam tunggal: pelat anode yang membawa hidrogen (kutub negatif (-)) dan pelat katode (kutub positif (+)) untuk mengumpankan udara reaksi. Pelat ini juga mengatur pembuangan uap air dan pembuangan energi termal dan listrik. Dalam sel elektrolisis, pelat ini sering digunakan untuk mendinginkan perangkat elektrolisis, memasok gas reaksi pada sisi anode, serta membuang hidrogen dan gas yang dihasilkan saat proses reaksi.

Dalam teknologi elektrolisis dan sel bahan bakar/sel tunam, definisi tumpukan adalah sel elektrokimia yang terhubung dalam rangkaian, termasuk elemen penampung/bingkai/pengapit. Sambungan seri ini dapat meningkatkan tegangan pasokan dan mengurangi arus dengan konsumsi daya yang sama berdasarkan P=U*I. Selain itu, koneksi rangkaian pada tumpukan turut menyederhanakan desain sistem secara keseluruhan.

Hidrogen gas dapat disimpan dalam tangki setelah dikompresi pada tekanan tinggi. Ambil contoh bidang transportasi yang telah menetapkan level tekanan 350 bar untuk kendaraan komersial dan 700 bar untuk bergerak/mobilitas. Pada 700 bar, kepadatannya berkisar 40 kg/m³ (24 kg/m³ pada 350 bar). Akumulator bertekanan tinggi menawarkan solusi hemat biaya untuk penyimpanan berukuran kecil sehingga biasanya digunakan dalam aplikasi bergerak/mobilitas seperti bergerak/mobilitas dan kendaraan komersial.
Saat ini terdapat empat jenis bejana tekanan berbeda di pasaran:

• Tipe 1:Bejana tekanan hanya terbuat dari dinding metal (biasanya baja). Tekanannya berkisar di angka 200 bar.
• Tipe 2:Selain metal pada dindingnya, bejana tekanan dilengkapi jaket berbahan kaca dengan resin atau serat karbon dengan angka tekanan hingga 1000 bar.
• Tipe 3:Tangki untuk tipe ini memiliki pelapis metal (biasanya aluminium) dan jaket berbahan serat karbon di sekeliling tangkinya. Tekanannya berkisar di angka 350 atau 700 bar.
• Tipe 4:Akumulator dilapisi bahan plastik (umumnya polyamide atau polyethylene) dengan jaket berbahan serat karbon sebagaimana bejana tipe 3. Tekanannya berkisar di angka 350, 500, atau 700 bar.

Dibandingkan penyimpanan hidrogen gas, bahan bakar hidrogen cair unggul dari segi kepadatan energi (71 kg/m³). Tekanan pada tangki juga dapat dipertahankan di level rendah. Dampak positifnya pada sistem tangki adalah terkait bobot tangki penyimpanan, ruang yang diperlukan, biaya (utamanya untuk volume penyimpanan besar) dan keamanan.

Sayangnya, biaya produksi hidrogen kriogenik (-253 °C) tidak murah. Hidrogen juga bisa memanas apabila tidak didinginkan secara konstan. Akibatnya, tekanan dalam tangki meningkat. Ini dapat menyebabkan hilangnya “boil off”. Dengan kata lain, hidrogen gas dilepas ke area sekitar.

Mesin hidrogen merupakan mesin gas yang beroperasi dengan hidrogen gas alih-alih bahan bakar cair (seperti diesel dan bensin). Terdapat mesin hidrogen murni yang ditenagai dengan hidrogen murni. Ada pula mesin hidrogen campuran yang menggunakan campuran bahan bakar hidrogen dengan gas lain (seperti metana dan gas alam).

Mesin hidrogen dianggap sebagai alternatif sel bahan bakar/sel tunam, sebab mesin pembakaran yang ada saat ini dapat diubah dengan upaya teknis yang relatif mudah. Namun, studi menunjukkan bahwa keuntungan biayanya akan berkurang drastis dengan meningkatnya penggunaan sel bahan bakar/sel tunam. Lebih lanjut, mesin hidrogen mengalami efisiensi lebih rendah, tuntutan pemeliharaan lebih tinggi, dan label tidak 100% bebas emisi.

“Kendaraan listrik sel bahan bakar/sel tunam” (FCEV) hanya menggunakan motor listrik sebagaimana “kendaraan listrik baterai” (BEV).

Bedanya dengan BEV, energi listrik yang diperlukan bukan berasal dari baterai penggerak yang besar (dikenal sebagai baterai traksi). Namun, listriknya tersedia dengan mengubah energi kimia dari sumber energi alternatif yang menghasilkan energi listrik - bisa dilakukan dengan kehadiran sel bahan bakar/sel tunam.

Saat ini, sel bahan bakar/sel tunam belum dapat menandingi level pengubahan muatan secepat dan seawet mesin pembakaran. Oleh sebab itu, baterai penggerak (kecil) turut dipasang untuk diumpankan saat beban rendah dan memasok energi tambahan saat beban tinggi. Teknik ini memungkinkan sel bahan bakar/sel tunam bekerja pada beban yang relatif konstan saat FCEV dikendarakan.

Pembangkit listrik sel bahan bakar/sel tunam (FCPP), yang menggabungkan panas dan energi (CHP) serta sel bahan bakar/sel tunam yang menggabungkan panas dan pembangkit listrik (FC-CHPPP) sanggup menghasilkan efisiensi keseluruhan yang tinggi. Tergantung teknologi sel bahan bakar/sel tunam yang digunakan, efisiensi kelistrikannya berada di kisaran 30-60 %. Efisiensi keseluruhannya dapat melampaui 95 % sebab listrik dan panas dihasilkan langsung dari reaksi elektrokimia tanpa tahap konversi lanjutan.

Sejauh ini pembangkit listrik sel bahan bakar/sel tunam telah dikembangkan khusus di rentang daya 10 kw hingga 3 MW. Akan tetapi, beberapa tahun terakhir pengembangan pada rentang daya lebih rendah terus mengarah pada sel bahan bakar/sel tunam mikro dan nano yang menggabungkan panas dan pembangkit listrik dengan output listrik 0,3-1,5 kW dan output termal 0,6-2,0 kW untuk penampungan terpisah dan semiterpisah. Pada rentang daya lebih tinggi, pembangkit listrik berdaya 80 MW berhasil dicapai dan angka ini akan terus ditingkatkan beberapa tahun mendatang dengan desain modular.

Daya-ke-X (disebut juga PtX atau P2X) maksudnya adalah penggunaan surplus listrik dari berbagai energi terbarukan untuk menopang semua jenis teknologi. Contoh, surplus daya ini dapat disimpan langsung pada baterai (daya-ke-daya), diubah menjadi panas (daya-ke-panas), atau dimanfaatkan untuk menghasilkan sumber energi kimiawi (daya-ke-gas, daya-ke-cair).

Apabila kelebihan pasokan listrik digunakan untuk memproduksi sumber energi kimiawi, biasanya dilakukan diferensiasi lebih lanjut (misal, daya-ke-hidrogen, daya-ke-gas sintetik, daya-ke-amonia, daya-ke-bahan bakar).

Amonia (NH3) adalah senyawa kimia nitrogen dan hidrogen, yang hadir dalam bentuk gas dalam kondisi normal. Sejak pengembangan pupuk nitrogen oleh Justus Liebig (sekitar tahun 1840), nitrogen telah menjadi salah satu bahan kimia dasar paling penting. Namun, barulah sejak digunakannya proses Haber-Bosch di skala industri di BASF, di Ludwigshafen sekitar tahun 1913, peningkatan produksi tahunan yang signifikan dapat dicapai. Saat ini, amonia adalah salah satu bahan kimia paling rajin diproduksi (146,5 juta ton di 2021, 80 % untuk pupuk) dan menjadi dasar produksi semua senyawa nitrogen yang lain.

Dari kacamata pengembangan ekonomi hidrogen yang berkelanjutan, diperkirakan akan terjadi peningkatan produksi amonia tahunan. Alasannya: sangat ideal untuk mengangkut dan menyimpan hidrogen murni.

Karena titik didihnya yang cukup tinggi, yaitu -33°C, jauh lebih mudah dan lebih murah untuk mencairkan amonia dibandingkan hidrogen (titik didih -252°C). Nilai energi volumetrik amonia yang lebih tinggi dibanding hidrogen (3,2 kWh/l dibandingkan dengan 2,8 kWh/l) juga sangat relevan, terutama untuk logistik transportasi.