Reaktor Plasma-Elektrokimia yang Terinspirasi oleh Petir Dapat Menyelesaikan Kebutuhan Amonia Kita dengan Jejak Karbon Nol

Menemukan Jalan Menuju Ekonomi Amonia

Seiring kemajuan energi terbarukan, beberapa keterbatasan menjadi lebih jelas. Intermitensi energi terbarukan memerlukan penyimpanan energi, yang dapat berupa baterai, seperti yang kami bahas dalam artikel kami “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech.”

Namun, beberapa bentuk konsumsi energi sangat tahan terhadap elektrifikasi. Misalnya, pengiriman laut jarak jauh, atau pengiriman udara.

Untuk aplikasi ini, bahan bakar cair yang padat lebih disukai dan mungkin menjadi opsi paling mungkin untuk perjalanan udara. Jadi untuk menggantikan bahan bakar fosil, amonia telah dipertimbangkan sebagai alternatif padat. Amonia juga merupakan senyawa kunci dalam produksi pupuk dan bahan kimia seperti bahan peledak.

Saat ini, amonia bertanggung jawab atas 1,8% konsumsi energi global dan emisi karbon, dan itu belum termasuk upaya menggunakannya untuk transportasi. Saat ini amonia diproduksi dengan membakar metana, menghasilkan apa yang disebut amonia abu-abu. Alternatif yang lebih baik adalah amonia hijau, yang diproduksi dari energi terbarukan.

Masalahnya adalah, untuk saat ini, amonia hijau jauh lebih mahal dibandingkan bahan bakar berbasis minyak atau amonia abu-abu. Sebagian besar hal ini disebabkan oleh fakta bahwa amonia diproduksi dengan menggunakan hidrogen, yang sendiri mahal diproduksi melalui elektrolisis.

Alternatif seperti katalisis berbasis litium mungkin dapat menjadi pilihan dan lebih murah, tetapi mungkin masih belum cukup murah.

Namun mungkin ada alternatif untuk hidrogen, setidaknya menurut peneliti di Buffalo State University of New York dan University of Auckland (Selandia Baru). Mereka baru-baru ini menerbitkan temuan mereka tentang cara memproduksi amonia dengan plasma dalam Journal of the American Chemical Society dengan judul “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis¹”.

Berbagai Jalur Produksi Amonia

Nitrogen (N₂) sangat melimpah di Bumi, menyusun 78% atmosfer. Namun agar berguna bagi tanaman atau sebagai bahan kimia, kita memerlukannya dalam bentuk amonia (NH₃) atau nitrat (NO₃). Menambahkan atom-atom hidrogen ke atom nitrogen merupakan proses yang sangat intensif energi.

Salah satu cara melakukannya adalah melalui bakteri khusus, yang disebut bakteri pengikat nitrogen. Ini merupakan salah satu sumber nitrogen alami terbesar (100–300 Teragram nitrogen per tahun secara global), namun umumnya tidak cukup untuk pertanian intensif.

Seperti disebutkan, cara lain adalah menggunakan hidrogen (H₂), tetapi memproduksi hidrogen hijau mahal.

Namun, ada cara ketiga untuk memproduksi amonia, yang terjadi sesekali di alam. Ketika petir menyambar, intensitas arus listrik memecah N₂, menghasilkan beberapa bentuk nitrogen oksida.

Sumber: Britannica

Di alam, nitrogen oksida ini kemudian diubah menjadi amonia oleh bakteri. Ini hanyalah sebagian kecil dari produksi amonia alami, dalam kisaran 3-10 teragram. Hal ini dapat direplikasi secara buatan, menghilangkan kebutuhan akan hidrogen sepenuhnya.

Plasma Buatan Menggantikan Petir

Para peneliti menyuntikkan udara ke dalam reaktor plasma, sebuah wadah dengan elektroda dan tabung kaca. Pelepasan plasma meniru efek petir, menciptakan campuran kompleks nitrogen oksida di dalam ruang reaksi.

Sumber: ACS Publication

Gas campuran ini kemudian dikirim ke reaktor katalitik yang berisi paduan tembaga-palladium berbentuk busa. Katalis ini bertugas menyerap nitrogen oksida dari udara sisa terlebih dahulu, kemudian menggantikan bakteri yang, di alam, akan mengubah oksida menjadi amonia.

Menyempurnakan Katalisis

Langkah kedua mengubah nitrogen oksida menjadi amonia tidaklah sederhana.

“Ketika energi plasma atau sambaran petir mengaktifkan nitrogen, Anda menghasilkan sup senyawa nitrogen oksida. Untuk secara bersamaan mengubah, dalam kasus kami, hingga delapan senyawa kimia berbeda menjadi amonia sangat sulit.”

Xiaoli Ge – Peneliti pascadoktoral di University at Buffalo

Artinya bukan hanya 8 reaksi kimia yang diperlukan untuk mengubah oksida menjadi amonia, melainkan sebenarnya banyak langkah perantara lainnya, masing-masing berpotensi menyebabkan titik kemacetan dan mengurangi efisiensi keseluruhan sistem.

Ini juga menjadi masalah karena nitrogen oksida cukup mencemari, dan produksi amonia dalam skala besar dengan metode ini harus memiliki residu nitrogen oksida sekecil mungkin.

Jadi, para peneliti harus membuat serangkaian katalis bimetalik yang kemudian disempurnakan untuk menargetkan “adsorpsi optimal dan konversi perantara pembatas dalam jalur NOx-ke-NH3”.

Mereka menggunakan proses matematika yang disebut teori graf untuk memetakan semua jalur reaksi yang berbeda. Dengan cara ini, mereka dapat mengidentifikasi sejak awal di mana titik kemacetan berada dan bagaimana meningkatkan efisiensi konversi.

Dengan melakukan hal itu, mereka menemukan bahwa sebagian besar senyawa nitrogen oksida harus melewati nitrogen monoksida atau amina sebagai langkah perantara sebelum menjadi amonia. Jadi, mereka membuat katalis yang berikatan secara menguntungkan dengan kedua senyawa tersebut.

Skala Besar

Desain final menghasilkan laju produksi amonia sebesar 81,2 mg/jam/cm². Ruang plasma dan katalis tembaga-palladium tetap stabil setelah lebih dari 1.000 jam operasi dengan arus terapan 2 ampere.

Tim peneliti kini menyelidiki langkah selanjutnya untuk memperbesar skala reaktor eksperimental mereka, mempertimbangkan baik pendirian startup maupun lisensi teknologi kepada mitra industri. Universitas Buffalo juga telah mengajukan permohonan paten untuk reaktor tersebut.

Berbeda dengan produksi berbasis bahan bakar fosil saat ini, produksi amonia berbasis plasma ini akan menawarkan beberapa keunggulan utama:

• Sepenuhnya digerakkan oleh listrik untuk menghasilkan plasma, sehingga dapat ditenagai oleh energi hijau 100%.
• Dapat dimasukkan ke dalam kontainer berukuran menengah dan terhubung ke panel surya, tidak memerlukan skala besar seperti pabrik amonia saat ini.
• Kemajuan lebih lanjut dalam ilmu katalis dapat membantu menurunkan biaya sistem, serta biaya energi hijau yang terus menurun, terutama tenaga surya.

“Anda dapat membayangkan reaktor kami berada dalam sesuatu seperti kontainer pengiriman berukuran menengah dengan panel surya di atap. Ini kemudian dapat ditempatkan di mana saja di dunia dan menghasilkan amonia sesuai permintaan untuk wilayah tersebut.

Itu merupakan keuntungan yang sangat menarik dari sistem kami, dan akan memungkinkan kami memproduksi amonia untuk wilayah yang kurang berkembang dengan akses terbatas ke proses Haber-Bosch.

Chris Li – Asisten profesor kimia

Secara potensial, menyelidiki opsi lain yang tidak memerlukan palladium mahal, seperti bioreaktor yang mengandung bakteri yang tepat, juga dapat menjadi pilihan untuk pengembangan lebih lanjut, namun mungkin sulit untuk meningkatkan skala hingga volume yang diperlukan agar amonia menjadi sumber bahan bakar global.

Berinvestasi dalam Amonia

Kami telah membahas beberapa kemungkinan investasi amonia hijau dalam artikel sebelumnya, serta ilmu di baliknya, terutama “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” dan “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Namun, terkait munculnya proses produksi amonia berbasis plasma baru ini, saham yang lebih relevan untuk diinvestasikan mungkin adalah penambang palladium, karena produksi berskala besar akan membutuhkan volume katalis yang sangat besar yang digunakan oleh para peneliti.

Palladium sebagian besar diproduksi pada tahun 2023 oleh Rusia dan Afrika Selatan, diikuti oleh Kanada dan Zimbabwe.

Sumber: Statista

Dan, tentu saja, investasi langsung dalam palladium, berupa koin atau batangan logam, juga tersedia dari penjual bullion logam mulia.

Sumber: US State Mint

Harga palladium telah sangat volatil dalam beberapa tahun terakhir, dengan lonjakan harga besar akibat perang Ukraina dan pentingnya pasokan Rusia di pasar ini. Sejak itu harganya telah turun kembali.

Sumber: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Sebagai perusahaan yang paling fokus pada palladium & platinum, Sibanye Stillwater (SBSW ), merupakan pemimpin di industrinya. Ia juga merupakan produsen rodium terbesar di dunia.

Selain logam-logam tersebut, perusahaan ini juga memproduksi logam grup platinum lainnya, seperti iridium, dan rutenium. Sebagian besar hal ini disebabkan karena logam-logam dalam Platinum Metal Group (PGM) cenderung ditemukan dan ditambang bersama dalam bijih yang sama.

Stillwater

Pada September 2024, Sibanye Stillwater mengumumkan bahwa mereka akan merestrukturisasi tambang Montana Stillwater, mengurangi output tambang tersebut sebesar 45% untuk menurunkan biaya. Tambang ini, yang mengandung lebih banyak palladium daripada platinum, telah terdampak oleh harga palladium yang rendah.

Hal ini menyebabkan beban penurunan nilai sebesar $435 juta, membuat perusahaan mencatat kerugian pada semester pertama 2024.

Ini juga menjadikannya aset tidak aktif yang berharga jika palladium menjadi “logam energi” penting untuk memproduksi amonia secara massal dengan plasma.

Perlu juga dicatat bahwa harga saat ini nyaris cukup untuk menutupi biaya produksi di sebagian besar wilayah kaya platinum, menjadikannya plateau terendah bagi industri sebelum penutupan tambang.

Sumber: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater saat ini sedang melakukan diversifikasi dari penambang PGM murni untuk memasuki pasar emas dan logam baterai, terutama untuk proyek penambangan litium di Finlandia.

Sumber: Sibanye Stillwater

Perusahaan ini juga memiliki kehadiran dalam penambangan uranium dengan proyek uranium Beisa di Afrika Selatan. Baru-baru ini mereka menjualnya kepada Neo Energy dengan imbalan kepemilikan ekuitas 40% di Neo Energy, serta royalti atas semua uranium yang terjual, dengan pembayaran dibatasi $5 per pon, tergantung pada harga spot uranium.

“Penjualan shaft Beatrix 4 dan proyek uranium Beisa sejalan dengan strategi Sibanye-Stillwater untuk membuka nilai dari aset uranium kami.”

Neal Froneman – Chief Executive Sibanye-Stillwater

Secara keseluruhan, Sibanye-Stillwater adalah perusahaan penambangan PGM internasional terbesar di dunia, dan pemegang sahamnya akan sangat diuntungkan dari sebagian sektor energi yang beralih ke hidrogen atau amonia sebagai bahan bakar transportasi. Hal ini karena hampir semua teknologi yang memungkinkan di segmen ini memerlukan platinum, palladium, atau rodium untuk elektrolisis hidrogen, produksi amonia, atau sel bahan bakar, karena fisika dasar reaksi katalitik hidrogen memerlukan logam khusus tersebut.

Perusahaan ini juga memperluas diri dalam energi rendah karbon, dari litium hingga uranium, menjadikannya salah satu perusahaan tambang yang paling mungkin mendapat manfaat dari pergeseran menuju ekonomi hijau yang didukung oleh energi terbarukan serta hidrogen/amonia.

Referensi Studi:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Controlling the reaction pathways of mixed NOxHy reactants in plasma-electrochemical ammonia synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}