Mesin Pembakaran Hidrogen Semakin Terlihat Layak di Tengah Perubahan Sektor Transportasi

Dengan regulasi yang membatasi emisi CO2 meningkat secara global, pencarian transportasi berkelanjutan telah mengarahkan kita ke hidrogen sebagai bahan bakar alternatif. 

Hidrogen (H) muncul sebagai opsi yang menjanjikan berkat kemampuannya terbakar tanpa menghasilkan gas rumah kaca. Unsur yang dapat terbakar ini tidak berwarna, tidak berasa, tidak berbau, dan memiliki kepadatan energi yang relatif tinggi, yang berarti hidrogen mengandung banyak energi per satuan volume, menjadikannya sumber bahan bakar yang sangat baik untuk kendaraan. 

Unsur paling ringan ini telah menerima minat yang signifikan dari sektor transportasi untuk memberi tenaga pada kendaraan listrik melalui sel bahan bakar. Namun, mesin pembakaran internal hidrogen (HICE) kini sedang dieksplorasi untuk mencapai nol emisi. Tapi apa sebenarnya hal ini? 

Apa Itu Pembakaran Hidrogen?

Hidrogen adalah unsur kimia, dan pembakaran adalah proses kimia yang melepaskan energi dari campuran bahan bakar dan udara. Pembakaran hidrogen, baik dalam bentuk cair maupun gas, menghasilkan gaya. 

Karena rentang mudah terbakar yang luas, hidrogen sangat cocok untuk pembakaran. Ia memberikan efisiensi bahan bakar yang luar biasa dan memiliki suhu auto‑ignisi yang tinggi, memungkinkan rasio kompresi lebih tinggi yang mengurangi kehilangan energi selama pembakaran. Selain itu, suhu pembakaran akhir yang lebih rendah meminimalkan jumlah polutan yang dilepaskan melalui knalpot.

Bagaimana Mesin Pembakaran Bersih Ini Sebenarnya Bekerja di Kendaraan? 

Hidrogen, tidak seperti bensin cair, adalah gas yang memerlukan sistem pasokan bahan bakar khusus. Untuk tujuan ini, tangki penyimpanan bertekanan tinggi menampung gas hidrogen, memastikan penyimpanan bahan bakar yang cukup untuk memenuhi kebutuhan perjalanan. 

Sementara itu, katup kontrol mengatur aliran gas ke dalam manifold intake mesin, memastikan campuran udara‑bahan bakar yang optimal untuk pembakaran yang efisien. Selama proses intake, bahan bakar dicampur dengan udara dan diperkenalkan ke dalam silinder.

Untuk mencapai pembakaran yang bersih dan efisien, diperlukan campuran udara‑bahan bakar yang tepat. Mesin pembakaran hidrogen menggunakan sistem injeksi bahan bakar canggih untuk meminimalkan emisi berbahaya dan mengoptimalkan output daya.

Piston memampatkan campuran bahan bakar dan udara yang tepat, dan busi berenergi tinggi kemudian menyalakannya, menghasilkan pembakaran. Karena hidrogen terbakar dengan cepat dan melepaskan panas yang signifikan, gas pembakaran mengembang dengan cepat.

Gas yang mengembang ini mendorong piston, yang gerakannya diubah menjadi tenaga rotasi melalui poros engkol. Gaya ini kemudian mendorong roda, menggerakkan kendaraan ke depan. 

Proses ini menggambarkan pengalaman mengemudi yang lebih bersih dan lebih kuat yang dapat diberikan mesin pembakaran hidrogen, menjanjikan masa depan transportasi yang lebih berkelanjutan. Namun, kecepatan tinggi dan suhu tinggi pada mesin pembakaran internal hidrogen (HICE) dicapai melalui material yang ramah hidrogen, desain mesin canggih, dan teknologi injeksi bahan bakar inovatif.

Bagaimana Perbedaannya dengan Sel Bahan Bakar Hidrogen? 

Hidrogen digunakan dalam sektor transportasi dengan dua cara berbeda: melalui sel bahan bakar dan mesin pembakaran. Meskipun kedua proses menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar tanpa karbon, mereka memanfaatkan hidrogen dengan cara yang berbeda untuk menggerakkan kendaraan.

Seperti disebutkan di atas, mesin pembakaran hidrogen menghasilkan tenaga dengan membakar hidrogen, mirip dengan mesin tradisional. Di sini, hidrogen dicampur dengan udara untuk menciptakan ledakan terkontrol, menghasilkan energi mekanik untuk menggerakkan kendaraan. 

Sel bahan bakar dan kendaraan hidrogen, di sisi lain, mengubah hidrogen menjadi listrik melalui proses kimia. Dalam proses ini, perangkat elektrokimia mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik, panas, dan uap air. Lebih khusus lagi, ia menghasilkan listrik dengan memisahkan hidrogen menjadi proton dan elektron. Listrik ini kemudian menggerakkan motor listrik yang menggerakkan kendaraan.  

Kendaraan sel bahan bakar (FCEV) lebih efisien pada beban rendah, sementara mesin pembakaran hidrogen tampil lebih baik pada beban berat. Hal ini menjadikan HICE pilihan yang lebih baik untuk truk berat yang mengangkut beban besar sebagian besar waktu. Sebaliknya, mobil, bus, dan truk derek mungkin lebih diuntungkan oleh sel bahan bakar, karena biasanya beroperasi pada beban yang jauh lebih rendah. 

Namun, mengingat keduanya memanfaatkan hidrogen, mereka menghasilkan emisi yang serupa. Kendaraan sel bahan bakar tidak menghasilkan emisi, sementara mesin pembakaran hidrogen memancarkan jejak CO2 yang hampir nol, meskipun dapat menghasilkan NOx atau nitrogen oksida. Selain itu, mesin hidrogen dapat beroperasi dengan hidrogen berkualitas lebih rendah, yang memungkinkan kasus penggunaan tertentu.

Mesin pembakaran internal hidrogen telah digunakan selama beberapa dekade dan tidak memerlukan perubahan infrastruktur. Jadi, bagi produsen kendaraan, beralih ke mesin hidrogen kurang menantang karena menggunakan teknologi yang sudah ada. Sel bahan bakar, di sisi lain, lebih ringan, lebih senyap, dan dikenal karena efisiensinya yang tinggi. Mereka mengubah hingga 60% energi yang tersimpan dalam hidrogen menjadi daya listrik.

Karena beroperasi pada suhu yang lebih rendah dibandingkan mesin pembakaran, sel bahan bakar juga memiliki risiko kebakaran atau ledakan yang lebih rendah. Namun, karena merupakan teknologi yang relatif baru, sel bahan bakar merupakan opsi yang lebih mahal dibandingkan mesin pembakaran hidrogen.

Ini tidak berarti mereka bersaing satu sama lain, melainkan HICE dan FCEV saling melengkapi. Bagaimanapun, keduanya melibatkan produksi, penyimpanan, transportasi, dan distribusi hidrogen yang sama serta merupakan bagian dari upaya mengurangi emisi transportasi menuju nol.

Menimbang Pro & Kontra Pembakaran Hidrogen

Jadi, penggunaan hidrogen jelas memiliki keunggulan signifikan, tetapi bagaimana dengan pembakaran hidrogen secara khusus? Seperti yang kami sebutkan di atas, manfaat utama adalah dampak lingkungan dari HICE. 

Mesin ini dikenal menghasilkan produk sampingan yang bersih, terutama uap air, memberikan keunggulan signifikan dibandingkan mesin bensin tradisional. Selain berkontribusi pada penurunan emisi gas rumah kaca, mesin pembakaran hidrogen memiliki efisiensi termal yang jauh lebih tinggi sekitar 45% dibandingkan mesin diesel yang di bawah 40%, dan mesin bensin yang di bawah 30%.

Manfaat besar lainnya dari HICE adalah bahwa mereka dapat dibangun menggunakan teknologi mesin pembakaran internal yang sudah ada, sehingga tidak memerlukan infrastruktur tambahan atau pelatihan ulang tenaga kerja. Lebih lagi, unsur itu sendiri dapat diproduksi dari berbagai sumber seperti biomassa, elektrolisis air, dan gas alam, sehingga mampu memenuhi permintaan energi bersih yang terus meningkat. 

Kasus hidrogen sebagai bahan bakar memang kuat, tetapi itu tidak berarti tidak ada masalah yang terlibat. Faktanya, mesin pembakaran hidrogen menghadapi beberapa tantangan yang perlu diatasi. 

Untuk memulainya, kita membutuhkan ruang penyimpanan yang besar untuk tangki hidrogen, yang menambah berat signifikan pada kendaraan. Hal ini tentu meningkatkan risiko keausan, sehingga mengurangi umur kendaraan. Bahan bakar juga mudah terbakar, yang berarti ada bahaya pada komponen mesin. Memanfaatkan hidrogen tidak mudah pula. Prosesnya memakan waktu dan energi yang intens.

Sementara itu, kepadatan energi nya lebih rendah, artinya daya yang dihasilkan relatif lebih sedikit dibandingkan mesin pembakaran konvensional. Dibandingkan dengan bahan bakar lain seperti bensin, yang memerlukan rasio kompresi 8:1, mesin pembakaran hidrogen memerlukan 40:1, yang menimbulkan masalah lain. Belum lagi, produksi massal mesin ini merupakan tugas yang mahal.

Meskipun hidrogen dipilih karena emisinya yang lebih rendah, mesin pembakaran tetap meninggalkan jejak karbon karena menghasilkan beberapa emisi NOx, yang meniadakan tujuan utama mesin ini. Oleh karena itu, mengelola panas dan sisa emisi melalui sistem after‑treatment sangat penting.

Klik di sini untuk mempelajari kekhawatiran keselamatan seputar kendaraan hidrogen. 

Apakah Mesin Pembakaran Hidrogen Masa Depan?

Mesin pembakaran hidrogen (HICE) telah ada selama beberapa dekade. Pesawat komersial eksperimental pertama di dunia yang beroperasi dengan hidrogen cair, Tupolev Tu-155, terbang pada tahun 1988. Hal ini menunjukkan bahwa HICE tidak sesegar yang banyak orang kira. 

Meskipun tidak mendapatkan adopsi luas selama bertahun‑tahun, HICE belakangan ini menarik minat kembali dari merek otomotif besar, termasuk Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki, dan Volvo. Bahkan sektor penerbangan telah mengeksplorasi pembakaran hidrogen. Airbus, misalnya, telah berkolaborasi dengan mitra lintas industri untuk pesawat konsep ZEROe mereka, yang dirancang untuk beroperasi dengan pembakaran hidrogen. 

Ada minat yang meningkat dalam penggunaan mesin pembakaran hidrogen di sektor transportasi, tetapi untuk saat ini, mereka menghadapi persaingan sengit dari kendaraan listrik (EV). 

Sementara HICE menghasilkan emisi hampir nol, EV bergantung pada listrik untuk tenaga dan, dengan demikian, memiliki nol emisi knalpot. EV juga memiliki efisiensi energi yang lebih tinggi dibandingkan HICE, yang kehilangan sebagian energi selama proses pembakaran.

Meskipun EV memerlukan infrastruktur baru, jumlah stasiun pengisian cepat meningkat secara signifikan. Stasiun pengisian hidrogen, di sisi lain, masih cukup sedikit, meskipun mengisi ulang mobil hidrogen lebih cepat daripada mengisi ulang mobil listrik. 

Perusahaan seperti BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo, dan banyak lainnya telah membuat kemajuan besar di bidang EV. Pasar kendaraan listrik (EV) dinilai sekitar $384 miliar pada tahun 2022, sementara pasar global untuk mesin pembakaran internal hidrogen (HICE) diproyeksikan mencapai $35 miliar pada tahun 2030.

Produsen mobil kini bereksperimen dengan teknologi pembakaran hidrogen, tetapi kemajuan relatif lambat dibandingkan kemajuan teknologi EV. Industri perlu mengatasi banyak hambatan produksi, seperti biaya, yang berarti EV akan terus mendominasi sektor transportasi untuk sementara waktu. Namun, HICE dapat menjadi bagian penting dari campuran bahan bakar transportasi dalam waktu dekat. 

Hidrogen tidak dapat diabaikan sebagai bahan bakar, dan HICE memiliki peran krusial dalam masa depan transportasi berkelanjutan. Namun, untuk mewujudkannya, dukungan pemerintah dan kemajuan teknologi diperlukan.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa hidrogen mungkin masih menjadi bahan bakar masa depan.

Perkembangan Terkini di Bidang HICE

Selama dekade terakhir, dekarbonisasi menjadi sangat penting bagi negara dan perusahaan di seluruh dunia. Sektor transportasi khususnya kritis, mengingat menghasilkan 10% emisi gas rumah kaca dunia. 

Menurut perjanjian Paris (COP21) dan Glasgow (COP26), teknologi propulsi transportasi perlu mengurangi CO2 secara cepat. Untuk itu, diperlukan solusi efektif, namun belum ada satu solusi yang dapat menjawab semua. Campuran berbagai solusi sebenarnya dapat membantu mengatasi masalah lebih efektif. Ini mencakup mesin pembakaran hidrogen, yang memerlukan perubahan minimal pada arsitektur kendaraan saat ini.

Sebagai opsi logis dan sangat efisien, HICE mendapatkan banyak perhatian dan kemajuan. Baru-baru ini, peneliti di University of Alberta mengembangkan material pelapisan baru yang tampak menjanjikan untuk mesin pembakaran hidrogen. Paduan kompleks terkonsentrasi baru, AlCrTiVNi5, memiliki sifat termomekanik superior, termasuk ekspansi rendah, stabilitas tinggi, toleransi retak, serta kemampuan menahan suhu tinggi dan tekanan tinggi.

Membandingkan pelapisan baru dengan paduan komersial yang ada, peneliti menemukan AlCrTiVNi5 bertahan dalam “lingkungan korosif hingga 100 jam pada 900°C” dan “mengungguli semua yang ada di pasar saat ini,” sehingga membuka jalan bagi pengembangan ekonomi hidrogen.

Awal bulan ini, Toyota juga mengumumkan bahwa dalam upaya menjadikan pembakaran hidrogen layak, mereka menciptakan mesin pembakaran internal yang dapat berjalan pada bahan bakar sintetis, biodiesel, bensin, dan hidrogen. Untuk mewujudkannya, insinyur menggunakan mesin 1,6 liter dari mobil balap GR Corolla, yang membantu perusahaan mengatasi tantangan menyeimbangkan efisiensi termal. Mesin baru mereka 10% hingga 20% lebih kecil namun lebih bertenaga.

Menurut CEO Toyota, Koji Sato, hidrogen adalah masa depan, dan perusahaan

“Mengembangkan mesin ini sebagai bagian dari upaya mencapai netralitas karbon dan mempromosikan penggunaan hidrogen sebagai sumber energi bersih dan terbarukan.”

Perkembangan seputar hidrogen ini terjadi di seluruh dunia. Akhir tahun lalu, perusahaan otomotif terbesar di India, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), meluncurkan fasilitas R&D yang mencakup sel uji mesin untuk pengembangan HICE serta infrastruktur penyimpanan dan distribusi bahan bakar hidrogen.

Tahun ini, Tata berkolaborasi dengan raksasa AS Cummins untuk fasilitas manufaktur di India bagi HICE untuk kendaraan komersial menengah dan berat. Hal ini datang setelah joint venture yang diumumkan tahun lalu yang akan menginvestasikan $424 juta pada pabrik untuk memproduksi 4.000 mesin H2 per tahun dan 10.000 sistem baterai.

Perusahaan yang Mengembangkan Mesin Pembakaran Hidrogen

Sekarang, mari kita lihat beberapa nama besar di sektor ini: 

#1. Honda

Produsen mobil ini telah aktif terlibat dalam mesin pembakaran hidrogen melalui proyek kolaboratif bernama HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) bersama Toyota, Yamaha, Kawasaki, dan Suzuki untuk mengeksplorasi potensi HICE. Awalnya skeptis tentang kelayakan teknologi ini, Honda mengembangkan ‘HySE‑X1’, yang menampilkan mesin hidrogen 1,6 liter empat silinder. 

Honda adalah perusahaan dengan kapitalisasi pasar $56,188 miliar yang sahamnya saat ini diperdagangkan pada $31,93, naik 3,25% YTD. Pendapatan perusahaan (TTM) sebesar $130 miliar, EPS (TTM) 7,37, P/E (TTM) 4,33, dan dividen yield 4,19%.

#2. Toyota

Produsen otomotif berbasis Jepang ini telah menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar selama beberapa dekade. Kendaraan pembakaran hidrogen mereka meliputi GR Corolla H2 dan GR Yaris H2. Toyota juga berpartisipasi dalam balapan ketahanan Super Taikyu untuk mempercepat pengembangan kendaraan mereka. Baru minggu ini, Toyota menampilkan mesin baru yang dapat berjalan pada berbagai bahan bakar, termasuk hidrogen.

Toyota adalah perusahaan dengan kapitalisasi pasar $314 miliar yang sahamnya saat ini diperdagangkan pada $198,86, naik 8,53% YTD. Pendapatan perusahaan (TTM) sebesar $287 miliar, EPS (TTM) 24,18, P/E (TTM) 8,22, dan dividen yield 2,45%.

Kesimpulan

Jelas bahwa mesin pembakaran hidrogen menawarkan manfaat besar dalam hal pengurangan dampak lingkungan, pemanfaatan infrastruktur yang ada, dan efisiensi termal tinggi. Namun tentu saja, HICE saja tidak akan cukup untuk menyediakan transportasi berkelanjutan. Melalui kombinasi solusi, kita dapat mencapai lingkungan yang lebih aman. Dalam kombinasi itu, HICE dapat memainkan peran penting dan membantu transisi dari bahan bakar fosil. 

Sekarang, setelah puluhan tahun potensi yang belum terealisasi, kendaraan berbasis hidrogen mungkin akhirnya berada di sorotan berkat minat yang kembali, investasi swasta, dukungan pemerintah, dan kemajuan teknologi. 

Klik di sini untuk mempelajari apa yang membuat hidrogen lebih menarik sebagai sumber energi baru-baru ini.