Mungkinkah Fotosintesis Buatan Membuka Ekonomi Hidrogen?

Mengganti Fotosintesis Alami

Secara langsung maupun tidak langsung, banyak energi yang kita gunakan berasal dari fotosintesis. Hal ini berlaku untuk makanan, juga untuk bahan bakar fosil yang menyimpan energi dari organisme purba, termasuk tumbuhan dan alga.

Karena itu, banyak penelitian berupaya meningkatkan fotosintesis alami atau memanfaatkannya untuk tujuan lain, seperti membuat bahan bakar hayati dari alga. Penerapan dalam skala besar dapat membantu pengurangan emisi, tetapi dampaknya harus dinilai sepanjang siklus hidupnya.

Bagaimana jika beberapa fungsi fotosintesis dapat ditiru tanpa organisme hidup? Fotosintesis buatan menggunakan sistem kimia untuk mengubah energi cahaya menjadi energi kimia. Tantangannya mencakup penyerapan cahaya, pemindahan elektron, katalisis, dan kestabilan bahan.

Berbeda dari fotovoltaik yang menghasilkan listrik, fotosintesis buatan berupaya menghasilkan bahan kimia secara langsung dengan bantuan cahaya. Ini bukan berarti efisiensinya otomatis lebih tinggi.

Tiga peneliti dari Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) dan Universitas Tokyo membahas rancangan hidrogel dalam artikel tinjauan di Chemical Communications berjudul “Hidrogel terinspirasi biologi: rancangan polimer menuju fotosintesis buatan¹”. Artikel ini meninjau penelitian yang ada, bukan melaporkan demonstrasi industri baru.

Bagaimana Fotosintesis Bekerja?

Secara ringkas, tumbuhan menggunakan cahaya untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat, sambil melepaskan oksigen.

Sumber: Britannica

Persamaan keseluruhannya terlihat sederhana, tetapi tidak menunjukkan banyaknya tahapan dan komponen yang diperlukan. Menirunya secara buatan tetap sulit.

Sumber: Britannica

Fotosintesis tumbuhan merupakan sistem biokimia kompleks dengan banyak reaksi perantara, komponen molekuler, dan jalur perpindahan elektron.

Penjelasan dalam Encyclopaedia Britannica menunjukkan luasnya topik ini. Peneliti menggunakan skema yang lebih terperinci untuk memahami hubungan antarproses:

Sumber: Lumen Learning

Prinsip penggunaan cahaya untuk mendorong reaksi kimia dapat diterapkan pada tujuan selain pembentukan karbohidrat, misalnya produksi hidrogen dari air melalui fotokatalisis.

Hidrogel Bioinspirasi untuk Produksi Hidrogen

Pemecahan air dalam fotosintesis menghasilkan oksigen, proton (H+), dan elektron. H+ adalah ion hidrogen atau proton, bukan atom netral. Sistem buatan dapat meniru sebagian fungsi ini untuk menghasilkan hidrogen. Artikel tersebut meninjau cara hidrogel membantu pengaturan komponen reaksi.

Sumber: Chemical Communications

Contoh sistem yang dibahas menggunakan kompleks rutenium dan nanopartikel platinum untuk membantu penyerapan cahaya serta katalisis. Penataan komponen di dalam hidrogel dapat memengaruhi perpindahan energi dan elektron.

Menurut penjelasan JAIST, pengaturan molekul dalam lingkungan hidrogel yang terstruktur dapat membantu proses konversi energi.

Reina Hagiwara — mahasiswa doktoral di JAIST

Sumber: Chemical Communications

Efisiensi yang Ditingkatkan

Jaringan hidrogel dapat membantu mencegah partikel logam menggumpal, yang bisa menurunkan luas permukaan aktif dan kinerja katalisis.

Penjelasan JAIST menyoroti pentingnya mengatur molekul agar elektron dapat berpindah dengan baik dan menggunakan jaringan polimer untuk membatasi penggumpalan.

Kosuke Okeyoshi — profesor madya di JAIST

Pendekatan ini menawarkan cara meningkatkan kinerja sistem tertentu. Artikel tinjauan tersebut tidak membuktikan bahwa setiap hidrogel mengungguli semua teknik produksi hidrogen lainnya.

Sumber: Chemical Communications

Gel Penangkap Cahaya

Struktur gel juga dapat memengaruhi interaksi cahaya dengan bahan aktif, sehingga meningkatkan peluang cahaya digunakan dalam reaksi. Cahaya tidak benar-benar dikunci di dalam gel.

Rancangan mikrogel dengan ukuran lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak dapat membantu pengaturan lingkungan optik dan penempatan komponen berbasis platinum serta rutenium dalam jaringan polimer.

Sumber: Chemical Communications

Kunci Revolusi Hidrogen?

Hidrogen dan amonia yang dibuat darinya dapat berperan sebagai pembawa energi. Manfaat lingkungannya bergantung pada cara produksi, transportasi, dan penggunaannya.

Penyimpanan dalam bentuk kimia dapat berguna untuk jangka panjang dan beberapa aplikasi yang sulit menggunakan baterai, seperti industri tertentu atau pelayaran. Namun, konversi dan penyimpanannya juga memerlukan energi.

Elektrolisis memerlukan listrik dan memiliki rugi energi, sehingga biaya listrik sangat memengaruhi keekonomiannya. Tidak tepat menyatakan bahwa sebagian besar energi selalu terbuang dalam setiap proses elektrolisis.

Rantai produksi berbasis tenaga surya dapat meliputi cahaya -> listrik arus searah -> elektrolisis -> hidrogen. Setiap tahap memiliki biaya dan efisiensi tersendiri, yang bergantung pada rancangan sistem.

Jika listrik perlu diubah menjadi arus bolak-balik dan disalurkan melalui jaringan, ada tambahan peralatan dan rugi energi. Sebagian sistem dapat menghubungkan sumber listrik dan elektroliser dengan cara berbeda.

Fotokatalisis langsung berupaya menyederhanakan rantai menjadi cahaya -> produksi hidrogen. Namun, prosesnya tetap melibatkan tahapan molekuler dan belum otomatis lebih efisien atau lebih murah daripada elektrolisis.

Langkah Selanjutnya

Polimer yang Lebih Baik

Artikel tinjauan ini menyoroti potensi jaringan polimer yang mengatur komponen fotokatalitik. Hidrogel merupakan salah satu pendekatan penelitian, bukan bukti bahwa produksi hidrogen murah skala industri sudah tercapai.

Pengembangan selanjutnya dapat mencakup jaringan polimer yang lebih teratur, komponen katalitik yang dipasang sebagai partikel atau rantai molekuler, serta struktur supramolekul alami seperti tubulin dan mikrotubulus. Semua pilihan itu memerlukan pengujian kestabilan dan kinerja.

Lebih dari Hidrogen

Produksi hidrogen bukan satu-satunya reaksi yang dapat dibantu cahaya.

Sebagai contoh, peneliti di Osaka mengembangkan pembentukan asam fumarat dari bikarbonat dan asam piruvat yang berasal dari biomassa melalui pendekatan fotosintesis buatan lainnya.

Alternatif untuk platinum

Sebagian sistem produksi hidrogen menggunakan platinum atau logam lain seperti rutenium sebagai katalis. Penggunaan industri tersebut merupakan salah satu aspek yang dibahas dalam investasi platinum, bersama permintaan dari katalis kendaraan. Hal itu tidak menjamin kenaikan harga logam.

Harga platinum yang tinggi mendorong pencarian katalis alternatif yang lebih ekonomis.

Contohnya dibahas dalam “Kemajuan produksi hidrogen melalui elektrolisis berbasis nikel” dan “Menghasilkan hidrogen dengan pemecahan air menggunakan serpihan logam yang ditanamkan”.

Katalis alternatif mungkin dapat dipadukan dengan hidrogel dan fotokatalisis. Namun, kesesuaian bahan, umur pakai, efisiensi, dan biaya keseluruhan harus dibuktikan sebelum disebut sebagai metode produksi murah.

Berinvestasi dalam Fotosintesis Buatan & Hidrogen

Fotosintesis buatan masih merupakan bidang penelitian yang berkembang. Sejumlah perusahaan juga berinvestasi dalam teknologi hidrogen lain, meskipun keberhasilan komersialnya belum pasti.

Platinum dapat dibeli sebagai logam fisik melalui penjual logam mulia, misalnya dalam bentuk koin atau batangan. Perhiasan juga mengandung platinum, tetapi biaya pengerjaan dan harga jual kembali berbeda dari produk investasi logam.

Eksposur terhadap platinum fisik juga tersedia melalui produk seperti abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT) dan GraniteShares Platinum Trust (PLTM). Harga, biaya, dan struktur produk tetap perlu diperiksa.

Saham perusahaan terkait hidrogen dapat diakses melalui berbagai broker. Di securities.io tersedia ulasan untuk Amerika Serikat, Kanada, Australia, Britania Raya, serta berbagai negara lain.

Alternatif lain mencakup VanEck Rare Earth and Strategic Metals ETF (REMX), yang berfokus pada perusahaan logam tanah jarang dan strategis, bukan kepemilikan langsung platinum. Produk bertema hidrogen mencakup Global X Hydrogen ETF (HGEN) dan VanEck Hydrogen Economy UCITS ETF (HDRO). Diversifikasi antarperusahaan tidak menghapus risiko sektor atau kemungkinan kerugian.

Perusahaan Hidrogen

BLDP Grafik Harga

Ballard adalah produsen sel bahan bakar dan pelopor teknologi ini, dengan bus sel bahan bakar pertamanya pada 1993.

Perusahaan berfokus pada kendaraan dan aplikasi berat: bus, truk, kereta, kapal, pertambangan, konstruksi, dan pembangkit listrik. Dalam proyeksi yang tersedia pada masa artikel ini, Ballard memperkirakan truk menjadi segmen penting pada 2025, dengan Eropa menyumbang 50–60% pasar perusahaan dan Amerika Utara sekitar 25%. Itu adalah perkiraan, bukan hasil yang sudah terjadi.

Materi perusahaan memproyeksikan peluang sel bahan bakar truk sekitar 7,5 miliar dolar pada 2030, dalam potensi pasar yang lebih luas sebesar 195 miliar dolar. Angka tersebut adalah estimasi peluang pasar, bukan pendapatan yang dijamin.

Sumber: Ballard

Kebutuhan daya tinggi dan pengisian bahan bakar yang relatif cepat membuat hidrogen menarik untuk beberapa kendaraan berat. Pilihan terbaik tetap bergantung pada biaya, efisiensi, rute, dan ketersediaan infrastruktur.

Sel bahan bakar dapat menjadi pilihan bagi kereta tanpa kabel listrik atas dan angkutan jarak jauh. Kendaraan hidrogen mengisi bahan bakar, bukan mengisi ulang baterai seperti kendaraan listrik baterai.

Sumber: Ballard

Ballard juga terlibat dalam aplikasi amonia melalui kontrak yang diumumkan pada 2022 dengan Amogy. Ballard memasok sel bahan bakar untuk sistem yang menggunakan teknologi penguraian amonia sebagai sumber hidrogen.

Elektrifikasi kendaraan ringan telah berkembang, sementara beberapa kendaraan berat menghadapi tantangan berbeda dalam pengurangan emisi.

Ballard dapat memperoleh manfaat jika kebijakan dan investasi memperluas penggunaan hidrogen. Namun, persaingan, biaya, dan laju adopsi memengaruhi hasil usahanya.

Penurunan biaya hidrogen dapat membantu aplikasi sel bahan bakar, baik melalui elektrolisis maupun teknologi lain. Manfaat bagi Ballard tidak otomatis terjadi dan tidak bergantung hanya pada keberhasilan fotokatalisis atau penggunaan platinum.

Referensi Studi:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). Hidrogel Bioinspirasi: desain polimerik menuju fotosintesis buatan. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}