Keberlanjutan

Hidrogen dan Air Tawar dari Air Laut? Solusi Surya Muncul

mm
Diterbitkan
Diperbarui
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Pengungkapan: Securities.io dapat menerima kompensasi saat Anda memakai tautan ke produk yang kami ulas. Hal ini tidak memengaruhi penilaian editorial kami. Kami bukan penasihat investasi terdaftar; ini bukan saran investasi. Baca pengungkapan afiliasi kami.

Menjawab Permintaan Air dan Hidrogen

Salah satu sumber daya yang paling dibutuhkan di banyak wilayah dunia dengan populasi yang terus bertambah adalah air tawar. Hal ini menjadi kekhawatiran yang meningkat, dan berpotensi menjadi faktor ketidakstabilan geopolitik, dengan, misalnya, diskusi tentang siapa yang berhak menggunakan air Sungai Nil hampir memicu perang antara Mesir dan Ethiopia.

Sementara metode desalinasi semakin umum, mereka sangat intensif energi, dan bahkan penyebaran massal panel surya sering tidak cukup.

Hal lain yang kita butuhkan adalah lebih banyak energi terbarukan dalam bentuk yang dapat disimpan dan digunakan sebagai bahan bakar untuk peralatan berat dan industri. Secara teori, hidrogen akan menjadi pilihan yang baik, tetapi hingga kini belum dapat diterapkan secara skala besar karena biaya yang terlalu tinggi.

Di sini, tenaga surya juga dapat membantu, tetapi biaya produksi hidrogen melalui elektrolisis telah membatasi penggunaannya.

Tampaknya kedua masalah tersebut dapat diatasi sekaligus dengan teknologi elektrolisis bertenaga surya baru, yang menggunakan bukan air tawar, melainkan air laut. Teknologi ini bahkan menghasilkan air tawar sebagai produk sampingan dari produksi hidrogennya.

Teknologi ini ditemukan oleh peneliti dari Johns Hopkins University, Michigan State University, Cornell University, Lehigh University, dan MIT, yang mempublikasikan hasil mereka di jurnal Energy & Environmental Science, dengan judul “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”.

Menjadikan Air Laut Berguna

Air laut mungkin merupakan sumber daya paling melimpah di Bumi, menutupi 70% permukaan planet. Air ini juga mudah diakses bagi sebagian besar populasi dunia, karena lebih dari 40% tinggal dalam jarak 100 km (62 mil) dari pantai terdekat, dan lebih dari 50% dalam jarak 200 km (124 mil).

“Itulah mengapa kami menciptakan teknologi ini. Kami berpikir, ‘OK, apa sumber daya paling melimpah di Bumi?’ Matahari dan air laut pada dasarnya adalah sumber daya tak terbatas dan juga gratis.”Lenan Zhang – Asisten profesor di Cornell Engineering

Sayangnya, air laut asin dan tidak cocok untuk konsumsi manusia maupun irigasi tanaman. Inilah mengapa pasokan air tawar alternatif di daerah kering sedang dipertimbangkan, seperti atmospheric water harvesting atau better treatment of wastewater.

Namun, desalinasi kemungkinan satu-satunya solusi berkelanjutan dalam skala besar untuk menyediakan air melimpah bagi banyak negara. Karena negara-negara tersebut sering berada di wilayah yang cerah, desalinasi bertenaga surya, baik through ion membranes atau evaporasi langsung, merupakan solusi potensial. Namun, biaya tetap dari sistem ini membuat produksi air menjadi cukup mahal.

“Air dan energi keduanya sangat dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari, tetapi biasanya, jika Anda ingin menghasilkan lebih banyak energi, Anda harus mengkonsumsi lebih banyak air.

Di sisi lain, kami membutuhkan air minum, karena dua pertiga populasi global menghadapi kelangkaan air.

Lenan Zhang – Asisten profesor di Cornell Engineering

Sebagai catatan tambahan, air laut juga tidak cocok sebagai sumber material untuk produksi hidrogen, yang memerlukan air ultra murni (distilasi).

Penggunaan Matahari yang Lebih Baik

Sejauh ini, ekonomi desalinasi menghadapi masalah bahwa Anda perlu membangun fasilitas pengumpul energi surya yang besar dan mahal sambil berusaha memproduksi air seefisien mungkin.

Apa yang dilakukan peneliti dalam studi ini adalah membuat fasilitas tersebut menghasilkan sesuatu yang lebih berharga (hidrogen) sekaligus menghasilkan air pada saat yang sama.

Sebagai aturan, instalasi fotovoltaik hanya dapat memanfaatkan sebagian output matahari, karena efisiensi 100% tidak mungkin, dan beberapa panjang gelombang terlalu pendek atau terlalu panjang untuk digunakan oleh silikon panel.

Hal ini menyebabkan banyak energi surya terbuang di fasilitas fotovoltaik. Lebih buruk lagi, energi surya tersebut menghasilkan panas, yang selanjutnya menurunkan efisiensi panel surya (sebagian besar desain bekerja paling baik di bawah 30°C (86°F).

Menyelesaikan Semua Sekaligus

Karena masalah-masalah ini tampaknya tidak dapat diselesaikan secara terpisah, setidaknya dengan cara yang kompetitif secara ekonomi, mungkin solusinya adalah pendekatan yang lebih holistik. Dengan konsep ini, para peneliti mempertimbangkan sinergi potensial jika perangkat yang sama menghasilkan secara bersamaan listrik, hidrogen, dan air tawar, hanya menggunakan matahari dan air laut.

Desain yang mereka ciptakan tampak menyelesaikan setiap masalah sekaligus, dengan menjadikan setiap keterbatasan dari sub-proses tertentu sebagai solusi untuk masalah lain:

  • Produksi hidrogen dan air tawar dilakukan dalam perangkat yang sama, untuk berbagi biaya modal dan memanfaatkan spektrum matahari secara penuh.
  • Air diambil dari air laut, menghilangkan keterbatasan sumber daya untuk produksi hidrogen.
  • Produksi air ultra murni menyerap panas, menjaga panel surya tetap dingin dan meningkatkan produksi listrik.
  • Air laut tidak pernah bersentuhan dengan elektrokatalis, yang menghasilkan hidrogen, menghilangkan masalah korosi dan reaksi kimia yang tidak diinginkan.
  • Karena listrik langsung digunakan untuk produksi hidrogen dalam perangkat yang sama, tidak diperlukan baterai, peningkatan jaringan listrik, dll.

Manufaktur Lanjutan

Meskipun terlihat sederhana secara konsep, mengelola semua operasi ini secara efisien sekaligus merupakan tantangan rekayasa yang nyata.

Penguap dan elektroliser PEM dipisahkan oleh celah udara, yang menghindari kontak langsung antara air laut dan elektrokatalis.

Beberapa fitur lain ditambahkan untuk meningkatkan desain:

  • Menggunakan sumbu kapiler yang menahan air menjadi lapisan tipis yang bersentuhan langsung dengan panel surya untuk mendinginkan panel surya melalui evaporasi.
  • Memanfaatkan efek termal untuk meningkatkan tekanan uap, yang diperlukan untuk tingkat produksi air distilasi yang lebih tinggi dan generasi hidrogen yang efisien.
  • Menggunakan energi yang dilepaskan oleh perubahan fase uap menjadi cair untuk meningkatkan efisiensi produksi hidrogen.
  • Menggunakan aliran air laut satu arah untuk menghindari akumulasi garam, yang merupakan masalah permanen bagi semua sistem desalinasi.

Pada akhir proses, air laut yang sedikit lebih asin dapat dikembalikan ke laut, dan air distilasi yang belum diubah menjadi hidrogen dapat digunakan sebagai air minum bersih.

“Desain ini menantang karena ada banyak penggabungan kompleks: desalinasi yang dipadukan dengan elektrolisis, elektrolisis yang dipadukan dengan panel surya, dan panel surya yang dipadukan dengan desalinasi melalui konversi dan transportasi energi surya, listrik, kimia, dan termal.”Lenan Zhang – Asisten profesor di Cornell Engineering

Menguji Prototipe

Saat menguji perangkat hibrida distilasi air surya-elektrolisis (HSD-WE) mereka, para peneliti menemukan bahwa sel kecil berukuran 10 cm x 10 cm dapat menghasilkan 200 mililiter hidrogen per jam, dengan efisiensi energi 12,6%, langsung dari air laut di bawah sinar matahari alami.

Pengujian dilakukan di luar ruangan, dengan air laut nyata dan kondisi cuaca realistis, terutama dengan cuaca berawan yang mengurangi output hidrogen pada satu waktu dalam sehari.

Kelangsungan Ekonomi

Para peneliti menghitung berapa banyak hidrogen yang akan diproduksi oleh prototipe mereka di berbagai lokasi. Jika dibandingkan dengan rata-rata saat ini sebesar $10/kg untuk hidrogen hijau, jelas bahwa teknologi ini jauh lebih efisien setelah tahun pertama operasi, turun menjadi $5/kg dengan operasi tiga tahun dan $1/kg dengan operasi 15 tahun.

Hal ini karena biaya hidrogen hijau tradisional dengan cepat mencapai batas, dibatasi oleh biaya energi dan modal.

Jika dibandingkan dengan elektroliser klasik, HSD-WE sebagian besar pasif dan memperoleh energinya langsung dari matahari, tanpa biaya modal tambahan untuk koneksi, transportasi air, penyimpanan, dll.

“Kami ingin menghindari emisi karbon, menghindari polusi. Sementara itu, kami juga peduli pada biaya, karena semakin rendah biaya yang kami miliki, semakin tinggi potensi pasar untuk adopsi skala besar. Kami percaya ada potensi besar untuk instalasi di masa depan.”Lenan Zhang – Asisten profesor di Cornell Engineering

Perusahaan yang Menyelesaikan Kekurangan Air

XYL Grafik Harga

Bersama dengan Veolia dari Eropa, Xylem adalah pemimpin global dalam pemurnian air, pengolahan limbah cair, dan desalinasi. Perusahaan ini mempekerjakan lebih dari 23.000 orang (termasuk lebih dari 6.000 insinyur) dan beroperasi di 150 negara, dengan fokus pada AS, serta melayani lebih dari 35.000 pelanggan industri langsung.

Pasar utamanya adalah air minum dan limbah kota, tetapi juga menyediakan solusi khusus untuk sektor lain seperti perawatan kesehatan, energi, makanan & minuman, minyak & gas, mikroelektronik, dll.

Sumber: Xylem

Xylem dapat menyediakan peralatan paten penting untuk membersihkan atau memproduksi air seperti generator ozon, lampu UV, membran desalinasi, generator air ultra murni, dll. Namun, mereka juga menyediakan peralatan “lebih sederhana” yang sama pentingnya untuk operasi terkait air seperti turbin, pompa, pipa, injeksi, perangkat lunak, dll., serta layanan pemeliharaan, perbaikan, dan instalasi.

Sumber: Xylem

Pasar air masih sangat terfragmentasi, dengan Xylem menjadi salah satu perusahaan terbesar di sektor ini namun masih hanya memegang pangsa pasar “hanya” 10% dari pasar yang dapat dijangkau senilai $80 miliar.

Perusahaan menghabiskan sekitar 4% dari penjualannya untuk R&D. Mereka akan mendapat manfaat dari regulasi baru terkait PFAS (Per- and polyfluoroalkyl substances, atau bahan kimia abadi), dengan lebih dari 6.000 fasilitas utilitas yang membutuhkan perawatan PFAS tersebut.

Secara keseluruhan, hal ini membuat profil investasi perusahaan lebih mirip perusahaan utilitas yang tumbuh seiring ekonomi secara keseluruhan atau sedikit di atas tingkat tersebut, dibandingkan dengan perusahaan industri (yang sering siklus).

Berita Terbaru tentang Xylem Inc.

Studi yang Dirujuk:

  1. Xuanjie Wang, et al. (2025) “Over 12% efficiency solar-powered green hydrogen production from seawater”. Energy Environ. Sci., 2025, Advance Article. https://doi.org/10.1039/D4EE06203E

mm

Jonathan adalah mantan peneliti biokimia yang bekerja dalam analisis genetik dan uji klinis. Ia kini menjadi analis saham dan penulis keuangan dengan fokus pada inovasi, siklus pasar, dan geopolitik dalam publikasinya 'The Eurasian Century'.