Hidrogen Kini Menjadi Lebih Menarik sebagai Sumber Energi Melalui Terobosan Penyimpanan

Hidrogen, unsur teringan di alam semesta, direpresentasikan oleh simbol H. Ini memiliki nomor atom 1 dan merupakan unsur paling umum. Ini adalah unsur kimia tereder, dengan hanya satu proton dan satu elektron, dan tidak berwarna, tidak beraroma, dan tidak berbau. 

Menariknya, hidrogen menyumbang sekitar 75% dari massa alam semesta. Namun, itu hanya menyusun sekitar 0,14% dari kerak bumi berdasarkan berat. Ini terjadi secara alami 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, membentuk hidrokarbon, yang ditemukan dalam minyak bumi dan batu bara. Jadi, hidrogen dapat diproduksi dari berbagai sumber, termasuk energi terbarukan seperti surya dan angin, energi nuklir, dan gas alam. 

Namun, beberapa 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 meneliti sejauh mana cadangan ini di negara-negara tersebut, serta asal-usulnya dan dampak potensial pada lingkungan sekitar jika diekstraksi.

Hidrogen sebagai Sumber Energi

Metode paling umum untuk memproduksi bahan bakar hidrogen termasuk termal, elektrolisis, elektrolisis yang digerakkan oleh fotovoltaik, surya, 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. Namun, sebagian besar (sekitar 95%) dari semua hidrogen diproduksi dari reformasi uap gas alam. 

Elektrolisis

Elektrolisis, sementara itu, termasuk memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen. Proses ini terjadi dalam elektroliser dan menciptakan hidrogen dari molekul air.

Biologis

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

Surya

Proses surya, sebagaimana namanya, menggunakan cahaya untuk reproduksi H melalui berbagai cara seperti fotoelektrokimia (menggunakan semikonduktor khusus untuk memisahkan air menjadi H dan O), fotobiologis (menggunakan aktivitas fotosintesis alami bakteri dan ganggang hijau), dan surya termokimia (menggunakan daya surya terkonsentrasi untuk menggerakkan reaksi pemisahan air).

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

Hal ini menunjukkan bahwa hidrogen adalah salah satu pilihan utama untuk menyimpan energi terbarukan dan juga digunakan dalam banyak industri. Namun, potensinya yang sebenarnya belum terwujud. Untuk itu, hidrogen perlu diproduksi secara besar-besaran dengan ekonomis. Juga, infrastruktur saat ini perlu disesuaikan dengan hidrogen, meskipun dapat diangkut melalui pipa gas.

Meskipun kita belum sepenuhnya memanfaatkan keajaiban menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, pengeluaran global untuk penelitian dan pengembangan untuk mengeksplorasi potensi penuh hidrogen sebagai sumber energi telah meningkat selama beberapa 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

Diterbitkan dalam jurnal Nature Chemistry bulan lalu, studi, “Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen,” didanai sebagian oleh National Research Foundation of Korea (NRF) dan German Research Foundation (DFG).

Sementara bahan nanopori telah menarik banyak perhatian untuk penyimpanan gas, studi tersebut mencatat bahwa mencapai kapasitas penyimpanan volumetrik yang tinggi terus menjadi tantangan. Jadi, beberapa peneliti dari universitas yang berbeda bergabung untuk menangani masalah ini.

Michael Hirscher, dari Jepang’s Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) di Tohoku University dan Jerman’s Max Planck Institute for Intelligent Systems, mengonseptualisasikan ide asli dan mengawasi proyek. Sementara itu, Hyunchul Oh dari Korea’s Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) 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 yang sangat rendah dekat dengan titik didih H2. Proses ini membentuk monolayer yang sangat padat, melebihi kepadatan hidrogen cair sebesar 3x, yang mengurangi volume menjadi hanya 5 liter per kilogram H2.

Sekarang, studi terbaru ini menyelidiki kerangka magnesium borohidrida dengan menggunakan difraksi serbuk neutron, hamburan neutron tak elastis, adsorpsi gas volumetrik, dan perhitungan prinsip pertama. Kerangka ini memiliki pori-pori kecil dan interior non-flat yang sebagian bermuatan negatif untuk hidrogen (H) dan nitrogen (N) uptake. 

Baik nitrogen dan hidrogen menduduki situs adsorpsi yang berbeda dalam pori-pori. Mereka 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 bahan penyimpanan hidrogen dengan kapasitas tinggi yang ada baik sebagai polimorf kristalin dengan struktur seperti MOF maupun sebagai polimorf yang sangat padat dengan kepadatan hidrogen volumetrik ekstrem dan kapasitas hidrogen gravimetrik yang tinggi.

Jadi, ketika datang ke hidrogen molekuler, itu dipadatkan secara ekstrem, dengan kepadatannya sekitar dua kali lipat kepadatan hidrogen cair. 

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

Studi tersebut mencatat bahwa klaster penta-dihidrogen (dihidrogen terdiri dari dua hidrogen yang dihubungkan oleh ikatan tunggal) ditemukan di mana molekul H2 dalam satu posisi memiliki kebebasan rotasi. Sebaliknya, molekul H2 dalam posisi lain memiliki orientasi yang terdefinisi dengan baik dan interaksi directional dengan kerangka. Ini menunjukkan bahwa hidrogen yang dipadatkan secara ekstrem sebenarnya dapat distabilkan dalam bahan berpori kecil di bawah tekanan atmosfer normal.

Dengan penemuan ini, tim telah berhasil menangani tantangan kapasitas penyimpanan hidrogen yang terbatas dengan menggunakan teknologi adsorpsi kepadatan tinggi. 

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

Mengaktifkan Penyimpanan Hidrogen Skala Besar

Ketika datang ke menggunakan hidrogen dalam transportasi, daya stasioner, dan daya portabel, penyimpanan memainkan peran kunci. Sementara elemen ini memiliki energi per massa tertinggi, kepadatan suhu ambient yang rendah menghasilkan energi per unit volume yang lebih rendah. Oleh karena itu, metode penyimpanan yang lebih maju diperlukan untuk mencapai kepadatan energi yang lebih tinggi.

Saat ini, teknologi penyimpanan terutama fokus pada penyimpanan molekuler hidrogen dalam bentuk cair atau gas. Namun, tentu saja, ada batasan pada teknologi saat ini dalam hal kepadatan penyimpanan volumetrik dan gravimetrik.

Menyimpan hidrogen sebagai gas memerlukan tangki bertekanan tinggi, sedangkan sebagai cairan, suhu kriogenik diperlukan. Ini juga dapat disimpan pada permukaan atau dalam padatan melalui absorpsi.

Sebagai molekul, hidrogen dapat diadsorpsi secara fisik dalam bahan yang mengandung pori-pori (rongga) oleh interaksi van der Waals yang lemah dan non-ionik melalui fisisorpsi. Ini merujuk pada proses di mana molekul gas melekat pada permukaan padat. Namun, sementara bahan berpori yang sangat tinggi menawarkan penyerapan hidrogen gravimetrik yang tinggi, perbaikan diperlukan dalam kapasitas penyimpanan volumetrik.

Inilah di mana magnesium borohidrida nanopori kubik, γ-Mg(BH4)2, menawarkan hasil yang sangat baik. Ini memiliki kepadatan ρ = 0,550 g cm−3 dan 33% volume pori bebas. Diameter pori sekitar ∼9 Å memungkinkan senyawa ini untuk mengadsorpsi molekul kecil seperti hidrogen atau nitrogen. Ini adalah melalui permukaan dalam yang sebagian bermuatan negatif dari hidrida porus ini bahwa atom hidrida terpapar ke pori-pori.

Dibuat mungkin melalui Program Penelitian Mid-Career oleh NFR dan Kementerian Sains dan ICT (MSIT), studi ini mensintesis kompleks hidrida nanopori ini yang terdiri dari kation magnesium (Mg+) dan hidrida magnesium, serta hidrida boron padat (BH4)2.

Bahan yang dihasilkan memungkinkan penyimpanan lima molekul hidrogen dalam susunan 3D, mencapai penyimpanan hidrogen dengan kepadatan tinggi yang luar biasa. Ini juga menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen sebesar 144 g/L per volume pori, jauh melebihi metode tradisional. Mengesankan, kepadatan molekul hidrogen dalam bahan ini bahkan melebihi kepadatan fase padat.

Menggambarkan bahan ini sebagai “pergeseran paradigma” dalam dunia penyimpanan hidrogen, Profesor Oh mengatakan bahwa ini menawarkan “alternatif yang menarik untuk pendekatan tradisional.” 

Pengembangan ini secara signifikan meningkatkan produktivitas dan efisiensi ekonomi penggunaan hidrogen sebagai sumber energi. Ini juga menangani tantangan penyimpanan hidrogen skala besar untuk penggunaan yang luas dalam aplikasi transportasi umum dan pribadi.

Perusahaan yang Akan Diuntungkan dari Pengembangan Ini 

Jika kita berbicara tentang industri yang dapat diuntungkan dari penelitian ini, yang mengubah penyimpanan hidrogen, berbagai sektor datang ke pikiran, termasuk kimia, energi, otomotif, teknik, dan konstruksi. Jadi, mari kita lihat beberapa perusahaan yang dapat diuntungkan dari ini: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

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

Untuk mencapai tujuan ini, Honda Motor Company telah melakukan penelitian teknologi sel bahan bakar sejak tahun 1980-an untuk berbagai aplikasi. 

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

Dengan kapitalisasi pasar $64,85 miliar, saham perusahaan tersebut diperdagangkan pada $36,93, naik 19,22% year-to-date (YTD). Honda Motor telah memposting pendapatan (TTM) sebesar $128,49 miliar dan memiliki EPS (TTM) sebesar 7,73 dan P/E (TTM) sebesar 4,77. Perusahaan tersebut juga membayar dividen sebesar 2,77%.

#2. Dow Chemical Company

Dow Chemical Company terlibat dalam berbagai sektor, termasuk Hidrokarbon & Energi. Baru-baru ini, perusahaan tersebut bermitra dengan Linde (NYSE: LIN) untuk menyuplai hidrogen bersih dan nitrogen untuk situs penghancur etilena terintegrasi dengan emisi karbon nol di Kanada. Kesepakatan tersebut diselesaikan akhir tahun lalu untuk proyek sebesar $6,5 miliar. Sebagai bagian dari kesepakatan, perusahaan tersebut akan menerapkan teknologi pemisahan udara dan reformer termal otomatis Linde untuk mengubah gas buang penghancur menjadi hidrogen.

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

#3. McPhy Energy SA

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

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

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

Kesimpulan 

Pasar penyimpanan energi hidrogen diprediksi akan tumbuh pesat, diperkirakan akan melampaui valuasi $17,6 miliar dalam delapan tahun ke depan karena pemerintah berinvestasi besar-besaran dalam infrastruktur berbasis hidrogen, menurut Global Market Insights. Namun, segmen transportasi diperkirakan akan menggerakkan pertumbuhan yang signifikan, dengan CAGR yang diperkirakan sebesar 10%, didorong oleh peran hidrogen dalam mengurangi emisi karbon secara signifikan dalam industri tersebut. 

Mengingat potensi hidrogen sebagai sumber energi yang lebih bersih dan efisien, ini akan terus diadopsi tidak hanya dalam transportasi tetapi juga dalam industri lain. Dengan penelitian yang sedang berlangsung dan temuan baru, kita akhirnya akan dapat melihat adopsi yang jauh lebih luas, membantu kita mencapai emisi karbon nol.

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