Hidrogen Baru Saja Menjadi Lebih Menarik Sebagai Sumber Energi Melalui Terobosan Penahanan

Hidrogen, unsur paling ringan di alam semesta, diwakili oleh simbol H. Ia memiliki nomor atom 1 dan merupakan unsur yang paling umum ditemukan. Ia adalah unsur kimia paling sederhana, dengan hanya satu proton dan satu elektron, serta tidak berwarna, tidak berasa, dan tidak berbau. 

Menariknya, hidrogen menyumbang sekitar 75% massa alam semesta. Namun, ia hanya mencakup sekitar 0,14% kerak Bumi berdasarkan berat. Ia secara alami terdapat dalam bentuk senyawa dengan unsur lain dalam padatan, cairan, dan gas. Dan ketika digabungkan dengan oksigen, zat yang mudah terbakar ini membentuk air (H2O), dan dalam kombinasi dengan karbon, ia membentuk hidrokarbon, yang ditemukan dalam minyak bumi dan batu bara. Jadi, hidrogen dapat diproduksi dari berbagai sumber, termasuk tenaga terbarukan seperti tenaga surya dan angin, tenaga nuklir, dan gas alam. 

Secara penting, banyak penemuan telah dibuat tentang kantong gas hidrogen yang terbentuk secara alami di negara‑negara seperti Australia, Selandia Baru, Kanada, Prancis, Jerman, Jepang, dan Rusia. Saat ini, para ilmuwan sedang mengeksplorasi sejauh mana cadangan ini di negara‑negara tersebut, serta asal‑usulnya dan potensi dampak terhadap lingkungan sekitar jika diekstraksi.

Hidrogen sebagai Sumber Energi

Metode paling umum untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen meliputi proses termal, elektrolisis, elektrolisis yang digerakkan oleh fotovoltaik, proses yang digerakkan oleh sinar matahari, dan proses biologis. 

Termal

Dalam proses termal, uap bereaksi dengan bahan bakar hidrokarbon seperti diesel, gas alam, batu bara yang digasifikasi, atau biomassa yang digasifikasi untuk menghasilkan H. Secara khusus, mayoritas (sekitar 95%) semua hidrogen diproduksi dari reformasi uap gas alam. 

Elektrolisis

Elektrolisis, di sisi lain, melibatkan pemisahan air menjadi oksigen dan hidrogen. Proses ini terjadi dalam sebuah elektroliser dan menghasilkan hidrogen dari molekul air.

Biologis

Proses biologis memanfaatkan mikroba yang tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, seperti bakteri, untuk menghasilkan hidrogen. 

Surya

Proses yang digerakkan oleh sinar matahari, seperti namanya, menggunakan cahaya untuk menghasilkan H melalui berbagai cara seperti fotoelektrokimia (menggunakan semikonduktor khusus untuk memisahkan air menjadi H dan O), fotobiologis (memanfaatkan aktivitas fotosintesis alami bakteri dan alga hijau), dan termokimia surya (menggunakan tenaga surya terpusat untuk menggerakkan reaksi pemisahan air).

Selain semua keunggulannya, hidrogen juga merupakan bahan bakar bersih, artinya ia hanya menghasilkan air, panas, dan listrik ketika dikonsumsi dalam sel bahan bakar. Ini menjadikannya pilihan menarik untuk pembangkit listrik dan transportasi, termasuk mobil dan roket. Zat yang padat energi dan dapat disimpan yang tidak menghasilkan gas rumah kaca sebenarnya telah digunakan untuk menggerakkan mesin pembakaran dalam lebih dari dua abad yang lalu. 

Hal ini menunjukkan bahwa hidrogen adalah salah satu opsi utama untuk menyimpan energi terbarukan dan juga sedang digunakan di banyak industri. Namun, potensi sejatinya belum terealisasi. Untuk itu, hidrogen perlu diproduksi secara skala besar dengan biaya ekonomis. Selain itu, infrastruktur saat ini perlu beradaptasi dengan hidrogen, meskipun ia dapat diangkut melalui pipa gas.

Meskipun kita belum sepenuhnya memanfaatkan keajaiban penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar, pengeluaran global untuk riset dan pengembangan guna mengeksplorasi potensi penuh hidrogen sebagai sumber energi telah meningkat selama bertahun‑tahun. Sebuah studi terbaru, sebenarnya, telah membuat terobosan besar dalam hal ini, memungkinkan penyimpanan hidrogen dengan kepadatan tinggi untuk sistem energi masa depan.

Kerangka untuk Menyimpan Hidrogen yang Dipadatkan Secara Padat

Diterbitkan dalam jurnal Nature Chemistry bulan lalu, studi tersebut, “Kerangka hidrida berpori kecil menyimpan hidrogen yang dipadatkan secara padat,” didanai sebagian oleh National Research Foundation of Korea (NRF) dan German Research Foundation (DFG).

Sementara material nanopori telah menarik banyak perhatian untuk penyimpanan gas, studi tersebut mencatat bahwa mencapai kapasitas penyimpanan volumetrik yang tinggi tetap menjadi tantangan. Jadi, beberapa peneliti dari berbagai universitas bersatu untuk mengatasi masalah ini.

Michael Hirscher, dari Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) Jepang di Universitas Tohoku dan Max Planck Institute for Intelligent Systems Jerman, merumuskan ide‑ide awal dan mengawasi proyek. Sementara itu, Hyunchul Oh dari Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) Korea memimpin proyek ini.

Menariknya, pada tahun 2022, tim ilmuwan dari Max Planck Institute for Intelligent Systems, Department of Energy’s (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Technische Universität Dresden, dan Friedrich‑Alexander‑Universität Erlangen‑Nürnberg menunjukkan bahwa hidrogen mengembun pada permukaan pada suhu sangat rendah mendekati titik didih H2. Proses ini membentuk monolayer super‑padat, melampaui kepadatan hidrogen cair sebesar 3×, yang mengurangi volume menjadi hanya 5 liter per kilogram H2.

Sekarang, studi terbaru yang dimaksud menyelidiki kerangka magnesium borohidrid dengan memanfaatkan difraksi neutron powder, penyebaran neutron inelastik, adsorpsi gas volumetrik, dan perhitungan prinsip pertama. Kerangka ini memiliki pori‑pori kecil dan interior yang sebagian bermuatan negatif tidak datar untuk penyerapan hidrogen (H) dan nitrogen (N). 

Baik nitrogen maupun hidrogen menempati situs adsorpsi yang jelas berbeda di dalam pori. Keduanya juga memiliki kapasitas batas yang sangat berbeda yaitu 0,66 N2 dan 2,33 H2 per Mg(BH4)2. Mg(BH4)2, yang pertama kali ditemukan pada tahun 1950, dikenal sebagai material penyimpanan hidrogen berkapasitas tinggi yang ada baik sebagai polimorf kristalin dengan struktur MOF‑like nanopori maupun sebagai polimorf sangat padat dengan kepadatan volumetrik hidrogen ekstrem dan kapasitas gravimetri tinggi.

Jadi, ketika berbicara tentang hidrogen molekuler, ia dipadatkan secara sangat padat, dengan kepadatannya sekitar dua kali lipat dibandingkan hidrogen cair. 

Tim kemudian menggunakan difraksi neutron powder (NPD) untuk menentukan posisi atom hidrogen dalam struktur bersama dengan situs adsorpsi molekul. 

Studi tersebut mencatat bahwa sebuah klaster penta‑dihidrogen (dihidrogen terdiri dari dua hidrogen yang terikat oleh ikatan tunggal) ditemukan di mana molekul H2 pada satu posisi memiliki kebebasan rotasi. Sebaliknya, molekul H2 pada posisi lain memiliki orientasi yang terdefinisi dengan baik dan interaksi arah dengan kerangka. Hal ini mengungkapkan bahwa hidrogen yang dipadatkan secara padat sebenarnya dapat distabilkan dalam material berpori kecil di bawah tekanan atmosfer normal.

Dengan penemuan ini, tim berhasil mengatasi tantangan kapasitas penyimpanan hidrogen yang terbatas dengan menggunakan teknologi adsorpsi berkapasitas tinggi.

Pengembangan terobosan ini dilaporkan oleh Profesor Oh di Departemen Kimia UNIST. Penelitian inovatif ini menandai kemajuan signifikan dalam sistem energi masa depan. 

Memungkinkan Penyimpanan Hidrogen Skala Besar

Ketika berbicara tentang penggunaan hidrogen dalam transportasi, tenaga listrik stasioner, dan tenaga portabel, penyimpanan memainkan peran kunci. Meskipun unsur ini memiliki energi per massa tertinggi, kepadatan suhu ambient yang rendah menghasilkan energi per volume yang lebih rendah. Oleh karena itu, metode penyimpanan canggih diperlukan untuk mencapai kepadatan energi yang lebih tinggi.

Saat ini, teknologi penyimpanan terutama berfokus pada penyimpanan hidrogen molekuler dalam bentuk cair atau gas. Namun, tentu saja, ada batasan pada teknologi saat ini dalam hal kepadatan penyimpanan volumetrik dan gravimetri (berapa banyak energi per gram atau kilogram yang dapat disimpan).

Menyimpan hidrogen sebagai gas memerlukan tangki bertekanan tinggi, sementara sebagai cairan memerlukan suhu kriogenik. Ia juga dapat disimpan di permukaan atau dalam padatan melalui absorpsi.

Sebagai molekul, hidrogen dapat diserap secara fisik dalam material yang mengandung pori (ruang kosong) melalui interaksi van der Waals lemah (yang relatif lemah dan nonionik) melalui fisik adsorpsi. Ini merujuk pada proses di mana molekul gas menempel pada permukaan padat. Namun, meskipun material berpori tinggi menawarkan penyerapan hidrogen gravimetri tinggi, perbaikan diperlukan dalam kapasitas penyimpanan volumetrik.

Di sinilah magnesium borohidrid magnesium kubik nanopori, γ‑Mg(BH4)2, menawarkan hasil yang luar biasa. Ia memiliki densitas ρ = 0,550 g cm−3 dan volume pori bebas 33%. Diameter pori sekitar 9 Å memungkinkan senyawa ini menyerap molekul kecil seperti hidrogen atau nitrogen. Melalui permukaan dalam hidrid yang sebagian bermuatan negatif ini, atom hidrida terpapar ke pori.

Dimungkinkan melalui Mid‑Career Research Program oleh NFR dan Kementerian Ilmu Pengetahuan dan ICT (MSIT), studi ini mensintesis kompleks hidrid nanopori yang terdiri dari kation magnesium (Mg+) dan magnesium hidrid, serta boron hidrid padat (BH4)2.

Material yang dihasilkan memungkinkan penyimpanan lima molekul hidrogen dalam susunan 3D, mencapai penyimpanan hidrogen berkapasitas tinggi yang luar biasa. Ia lebih lanjut menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen sebesar 144 g/L per volume pori, jauh melampaui metode tradisional. Secara mengesankan, densitas molekul hidrogen dalam material bahkan melampaui keadaan padat.

Mendeskripsikan material ini sebagai “pergeseran paradigma” dalam dunia penyimpanan hidrogen, Profesor Oh mengatakan ia menawarkan “alternatif yang menarik dibandingkan pendekatan tradisional.” 

Pengembangan ini secara signifikan meningkatkan produktivitas dan efisiensi ekonomi pemanfaatan hidrogen sebagai sumber energi. Ia juga mengatasi tantangan penyimpanan hidrogen dalam skala besar untuk penggunaan luas dalam aplikasi transportasi publik dan pribadi.

Perusahaan yang Akan Mendapat Manfaat dari Pengembangan Ini 

Jika kita membicarakan industri yang dapat memperoleh manfaat dari riset semacam ini, yang mengubah penyimpanan hidrogen, berbagai sektor muncul dalam pikiran, termasuk kimia, energi, otomotif, teknik, dan konstruksi. Jadi, mari kita lihat beberapa perusahaan yang dapat memperoleh keuntungan dari hal ini: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

Perusahaan otomotif berbasis Jepang ini telah berjanji untuk mengurangi emisi CO2 dan mengklaim menjadi salah satu perusahaan pertama yang fokus pada potensi energi hidrogen.

Untuk mencapai tujuan tersebut, Honda Motor (HMC ) Company telah meneliti teknologi sel bahan bakar sejak tahun 1980‑an untuk berbagai aplikasi.

Awal tahun ini, perusahaan mengumumkan bahwa mereka telah memulai produksi solusi tenaga sel bahan bakar hidrogen bekerja sama dengan General Motors (GM ) (GM) untuk berbagai aplikasi produk dan apa yang mereka sebut “awal era hidrogen.”

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $64,85 miliar, saham perusahaan diperdagangkan pada $36,93, naik 19,22% tahun ini (YTD). Honda Motor mencatat pendapatan (TTM) sebesar $128,49 miliar dan memiliki EPS (TTM) sebesar 7,73 serta P/E (TTM) sebesar 4,77. Perusahaan juga membayar dividen dengan hasil 2,77%.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company terlibat dalam berbagai sektor, termasuk Hidrokabon & Energi. Baru‑baru ini, perusahaan ini bermitra dengan Linde (NYSE: LIN) untuk memasok hidrogen bersih dan nitrogen bagi situs cracker etilena terintegrasi dengan emisi karbon nol bersih dan produk turunannya di Kanada. Kesepakatan tersebut diselesaikan akhir tahun lalu untuk proyek senilai $6,5 miliar. Sebagai bagian dari kesepakatan, mereka akan menerapkan teknologi pemisahan udara dan reformer auto‑thermal Linde untuk mengubah gas buang cracker situs menjadi hidrogen.

Dengan kapitalisasi pasar lebih dari $39,9 miliar, saham Dow Chemical diperdagangkan pada $56,76, naik 3,5% YTD. Dow Chemical mencatat pendapatan (TTM) sebesar $44,62 miliar, EPS (TTM) sebesar 0,81, dan P/E (TTM) sebesar 69,67. Perusahaan juga membayar dividen dengan hasil 4,93%.

#3. McPhy Energy SA

Perusahaan berbasis Prancis ini mengembangkan solusi produksi dan penyimpanan hidrogen. Tahun lalu, McPhy memperluas perjanjian komersialnya dengan Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), di mana pihak tersebut akan menyediakan proses dan peralatan terkait hidrogen untuk kompresi hidrogen dan likuidasi hidrogen.

Baru‑baru ini, perusahaan teknologi dan manufaktur elektroliser terkemuka memenangkan kontrak dari AAK AB Swedia untuk memasok elektroliser 800‑30 dengan kapasitas 4 MW dan suku cadang terkait yang memungkinkan perusahaan Swedia tersebut menggunakan hidrogen rendah karbon sebagai gas proses.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar 47,18 miliar, saham perusahaan (MCPHY-FR: Euronext Paris) diperdagangkan pada EUR 1,69, turun 49,97% YTD. Ia memiliki EPS (TTM) sebesar -0,69 dan P/E (TTM) sebesar -1. Bulan lalu, McPhy melaporkan hasil tahun keuangan 2023, di mana pendapatan tahunan tumbuh +17% menjadi €18,8 juta dan pertumbuhan lebih tinggi +25% untuk bisnis elektrolisernya. Ia juga melaporkan posisi kas sekitar €62 juta pada akhir Desember.

Kesimpulan 

Pasar penyimpanan energi hidrogen siap mengalami pertumbuhan cepat, diproyeksikan melampaui penilaian sebesar $17,6 miliar dalam delapan tahun ke depan seiring pemerintah berinvestasi besar‑besaran dalam infrastruktur berbasis hidrogen, menurut Global Market Insights. Secara khusus, segmen transportasi diperkirakan akan mendorong pertumbuhan signifikan, dengan CAGR diproyeksikan 10%, didorong oleh peran hidrogen dalam secara substansial mengurangi emisi karbon di industri tersebut. 

Mengingat potensi hidrogen sebagai sumber energi yang lebih bersih dan lebih efisien, ia akan terus diadopsi tidak hanya dalam transportasi tetapi juga di industri lain. Dengan riset yang terus berlanjut dan temuan baru, kita akhirnya akan dapat melihat adopsi yang jauh lebih luas, membantu kita mencapai emisi karbon net‑zero.

Klik di sini untuk daftar lima saham amonia hijau teratas (hidrogen lainnya).