Membuat Hidrogen dari CeO2? Cukup Gunakan Microwave untuk Hasil Cepat

Bahan bakar fosil merusak iklim kita. Seperti yang kita ketahui, dunia sedang beralih cepat menuju sumber energi terbarukan, berkelanjutan, dan hijau. Dalam pencarian bahan bakar ramah iklim ini, Hidrogen muncul sebagai sumber potensial untuk dekarbonisasi.

Teknologi telah memungkinkan produksi hidrogen dengan nol atau sangat sedikit emisi gas rumah kaca. Minat terhadap Hidrogen begitu tinggi sehingga Departemen Energi Amerika Serikat telah menetapkan target nasional untuk meningkatkan produksi ‘hidrogen bersih’ tahunan dari hampir nol menjadi 10 juta metrik ton pada 2030 dan menjadi 50 juta metrik ton pada 2050. 

Namun, ada kendala kritis dalam proses ini. Metode termoelektrik tradisional, yang bergantung pada oksidasi‑reduksi oksida logam, memerlukan operasi pada suhu sangat tinggi. Suhu dapat mencapai hingga 1500 derajat Celcius. 

Baru-baru ini, tim peneliti dari POSTECH, Pohang University of Science and Technology, Korea, telah menemukan cara untuk mengatasi kendala ini.

Proses ini melibatkan sumber energi yang familiar namun belum dimanfaatkan secara optimal: energi “microwave”. Ya! Anda tidak salah. Ini adalah sumber yang sama yang digunakan dalam oven microwave rumah tangga. Penelitian ini berjudul ‘Thermodynamic Assessment of Gd-doped CeO2 for microwave-assisted thermochemical reduction.¹‘ 

Pada segmen berikut, kami membahas implikasi penelitian ini. 

Teknologi Terobosan yang Mengatasi Keterbatasan Utama dalam Produksi Hidrogen Bersih Menggunakan Microwave

Tim ini terdiri dari peneliti interdisipliner yang bekerja di POSTECH dan dipimpin oleh Profesor Gunsu S. Yun. Anggotanya termasuk kandidat doktor Jaemin Yoo (Departemen Fisika, Divisi Rekayasa Nuklir Lanjutan), Profesor Hyungyu Jin, dan kandidat doktor Dongkyu Lee (Departemen Teknik Mesin). Diakui sebagai terobosan dalam upaya energi berkelanjutan, penelitian ini ditampilkan pada Sampul Depan Dalam (Inside Front Cover) dari Journal of Materials Chemistry A.

Para peneliti memulai dengan premis bahwa meskipun microwave dapat memanaskan makanan secara efisien, mereka juga dapat menggerakkan reaksi kimia. Mereka memperkenalkan gagasan ini untuk menurunkan suhu reduksi ceria yang didoping Gd (CeO2). Ceria yang didoping Gd (CeO2) merupakan material standar untuk produksi hidrogen, dan energi microwave dapat menurunkan suhu reduksi material ini lebih dari 60 persen—menjadi di bawah 600 derajat Celcius. 

Energi microwave dapat menggantikan 75 persen energi termal yang dibutuhkan untuk reaksi. Temuan ini memang merupakan terobosan bagi produksi hidrogen berkelanjutan.

Saat menjelaskan mengapa penelitian dan temuan tersebut dapat dianggap revolusioner, Profesor Hyungyu Jin mengatakan:

“Penelitian ini berpotensi merevolusi kelayakan komersial teknologi produksi hidrogen termokimia. Ini juga akan membuka jalan bagi pengembangan material baru yang dioptimalkan untuk proses kimia yang digerakkan oleh microwave.”

Profesor Gunsu Yun menyebut pengenalan mekanisme baru ini dan keberhasilannya mengatasi keterbatasan proses yang ada sebagai ‘pencapaian besar’ yang hanya dapat terwujud melalui kolaborasi interdisipliner yang erat dari tim peneliti. 

Terobosan lain yang dicapai tim ini dapat ditemukan dalam penciptaan Kekosongan Oksigen. Ini adalah cacat struktur material yang membantu memecah air menjadi hidrogen. Sementara metode tradisional mungkin memerlukan waktu berjam‑jam pada suhu sangat tinggi, tim POSTECH menunjukkan bagaimana hasil yang sama dapat dicapai dalam hitungan menit pada suhu di bawah 600°C dengan memanfaatkan teknologi microwave.

Meskipun penelitian POSTECH menawarkan terobosan signifikan, ada banyak organisasi riset lain di seluruh dunia yang aktif menghasilkan metode inovatif untuk produksi hidrogen bersih. Salah satu organisasi yang berada di garis depan penelitian tersebut adalah National Renewable Energy Laboratory, laboratorium nasional Departemen Energi Amerika Serikat, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, yang dioperasikan oleh Alliance for Sustainable Energy LLC.

Klik di sini untuk mempelajari terobosan yang membuat hidrogen lebih menarik sebagai sumber energi.

Produksi Hidrogen Biaya Rendah: Upaya Lain

Dikembangkan bekerja sama dengan Xcel Energy (XEL ), proyek demonstrasi wind-to-hydrogen (Wind2H2) NREL menghubungkan turbin angin dan array fotovoltaik (PV) ke tumpukan elektroliser, yang mengalirkan listrik yang dihasilkan melalui air untuk memecahnya menjadi hidrogen dan oksigen. Proyek ini saat ini aktif di National Wind Technology Center dekat Boulder, Colorado. Tujuan utama proyek ini adalah meningkatkan efisiensi sistem produksi hidrogen dari sumber terbarukan dalam jumlah yang cukup besar dan dengan biaya yang cukup rendah untuk bersaing dengan sumber energi tradisional seperti batu bara, minyak, dan gas alam.

Cara lain untuk memproduksi hidrogen bersih adalah menggunakan sinar matahari untuk langsung memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Industri fotovoltaik telah mengembangkan teknologi sel multijunction canggih untuk sistem penangkap cahaya fotoelektrokimia (PEC) yang menghasilkan tegangan cukup untuk memecah air dan stabil dalam lingkungan air/elektrolit. NREL memiliki sistem PEC yang telah dikembangkannya.

Sistem NREL dapat menghasilkan hidrogen dari sinar matahari tanpa biaya dan kompleksitas elektroliser, mencapai efisiensi konversi surya‑ke‑hidrogen sebesar 12,4% (nilai pemanasan rendah) menggunakan cahaya yang ditangkap. Penelitian lanjutan di NREL difokuskan pada pengembangan material dan sistem yang lebih efisien, berbiaya lebih rendah, serta tahan lama dan tahan korosi dalam lingkungan berair.

Klik di sini untuk mempelajari apa yang membuat hidrogen menjadi bahan bakar masa depan.

Hidrogen Biologis

Jalur menarik lain yang sedang dieksplorasi NREL berkaitan dengan ‘Hidrogen Biologis.’ Ilmuwan NREL mengembangkan teknologi pra‑perlakuan untuk mengubah biomassa lignoselulosa menjadi bahan baku kaya gula yang dapat langsung difermentasi untuk menghasilkan hidrogen, etanol, dan bahan kimia bernilai tinggi.

Selain itu, upaya juga sedang dilakukan untuk mengidentifikasi konsorsium Clostridium yang dapat langsung memfermentasi hemiselulosa menjadi hidrogen.

Bidang penelitian lain dalam domain Hidrogen Biologis meliputi hal berikut:

• Mencari mikroba selulolitik yang efisien, seperti Clostridium thermocellum, yang dapat memfermentasi selulosa kristalin langsung menjadi hidrogen untuk menurunkan biaya bahan baku.
• Identifikasi bakteri selulolitik model.
• Mengeksplorasi potensi bakteri selulolitik model untuk manipulasi genetik, termasuk sensitivitas terhadap antibiotik dan kemudahan transformasi genetik.
• Mengembangkan strategi untuk menghasilkan mutan yang secara selektif diblokir dari produksi asam limbah dan pelarut guna memaksimalkan hasil hidrogen.

Sementara organisasi, institut riset, dan laboratorium aktif di seluruh dunia, perusahaan swasta juga aktif. 

1. Linde 

Salah satu perusahaan yang berada di garis depan produksi hidrogen bersih selama bertahun‑tahun adalah Linde. Perusahaan mengklaim bahwa teknologi inovatifnya, termasuk kompresi efisien dan pengisian ulang hidrogen yang aman, dipadukan dengan puluhan tahun pengalaman, menjadikan infrastruktur mereka tak tertandingi. 

Operasi perusahaan, yang ditujukan untuk produksi hidrogen bersih, melibatkan beberapa metode dan strategi. Elektrolisis untuk produksi hidrogen hijau, misalnya, melibatkan elektroliser yang digerakkan dengan energi terbarukan.

Dalam elektrolisis, air dipecah menjadi hidrogen dan oksigen menggunakan listrik yang sepenuhnya dihasilkan dari sumber energi terbarukan. Proses ini terjadi di dalam unit yang disebut elektroliser. Meskipun elektroliser bervariasi dalam ukuran, kapasitas, dan teknologi, kimia dasarnya tetap sama.

Saat ini, ada dua teknologi elektrolisis utama: alkaline dan PEM (Proton Exchange Membrane)—kedua‑duanya, menurut Linde, dapat menghasilkan hidrogen berkemurnian tinggi di lokasi dan sesuai permintaan.

 Elektrolisis alkaline menggunakan dua elektroda yang dipisahkan oleh diafragma berpori dan larutan alkali cair sebagai elektrolit. Larutan elektrolit memungkinkan ion hidroksida dipindahkan antara elektroda untuk membentuk oksigen dan hidrogen, namun tidak dikonsumsi selama reaksi. Teknologi ini dapat diandalkan sekaligus efisien biaya.

Di sisi lain, elektrolisis PEM menggunakan air murni dan elektrolit polimer padat alih‑alih larutan cair untuk memungkinkan listrik memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Proton hidrogen melewati membran, bergabung dengan elektron untuk membentuk gas H2 di sisi katoda.

Linde juga menawarkan teknologi Penangkapan Karbon untuk Penggunaan dan Penyimpanan (CCUS) yang efektif untuk berbagai strategi. Mereka memiliki solusi pengiriman inovatif untuk menyuntikkan hidrogen ke dalam pipa gas alam yang ada guna melayani berbagai aplikasi akhir. 

Linde menjalankan operasi penyimpanan hidrogen yang sangat canggih, yang disimpan di dalam gua garam bawah tanah. Selain menjadi mitra berpengalaman dalam pengembangan taman energi, Linde telah mengoperasikan gua hidrogen berkemurnian tinggi komersial pertama selama lebih dari satu dekade. Mereka juga memiliki puluhan tahun pengalaman dalam membangun sistem likuidasi hidrogen untuk menghasilkan hidrogen cair demi kemudahan penyimpanan dan transportasi. 

Menurut data keuangan terbaru yang tersedia, Linde mencatat penjualan senilai US$8,356 miliar untuk kuartal yang berakhir pada 30 September 2024. 

2. Air Products

Perusahaan lain yang berkontribusi signifikan pada bidang produksi hidrogen bersih adalah Air Products. Perusahaan percaya bahwa produksi hidrogen bersih dari sumber energi terbarukan akan menjadi penting untuk dekarbonisasi proses industri yang sulit di‑elektrifikasi seperti pembuatan baja dan pemrosesan kimia.

Perusahaan telah berkomitmen US$15 miliar untuk proyek‑proyek yang akan memajukan produksi hidrogen rendah karbon dan mempercepat transisi energi. 

Aplikasi hidrogen bersih perusahaan mencakup pengisian hidrogen untuk mobil, bus, forklift, kapal, kereta api, dan truk. Transportasi darat menyumbang hampir 12% emisi global. Mengubah bus diesel menjadi bus sel bahan bakar hidrogen nol emisi dapat mengurangi emisi gas rumah kaca global dan meningkatkan kualitas udara. Air Products adalah pemimpin dalam pengisian bus hidrogen dan terlibat dalam proyek di seluruh dunia. 

NEOM Green Hydrogen Company (NGHC), joint venture produksi setara antara ACWA Power, Air Products, dan NEOM, sedang membangun fasilitas produksi amonia berbasis hidrogen hijau terbesar di dunia yang akan beroperasi dengan energi terbarukan. Pabrik ini akan menghasilkan hingga 600 ton per hari hidrogen bebas karbon dalam bentuk amonia hijau sebagai solusi biaya‑efektif untuk sektor transportasi dan industri secara global.

Kompleks energi hidrogen net‑zero baru Air Products akan menjadikan Edmonton, Alberta, pusat ekonomi hidrogen Kanada barat. Sementara konstruksi sedang berlangsung di Edmonton pada fasilitas hidrogen baru yang transformatif milik Air Products, menghubungkan fasilitas ini ke jaringan pipa perusahaan yang ada akan membantu pelanggan penyulingan dan petrokimia mengurangi intensitas karbon produk energi mereka dan meningkatkan kinerja keberlanjutan mereka. Selain itu, fasilitas likuidasi kelas terbaik akan membantu mempercepat penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar transportasi bebas emisi di seluruh Kanada barat. 

Kompleks Energi Bersih Louisiana milik Air Products akan memproduksi hidrogen rendah karbon untuk menggerakkan pasar mobilitas dan industri di wilayah Gulf Coast dan sekitarnya. Fasilitas ini diperkirakan dapat menangkap dan menyekuestrasi 95% emisi karbon dioksida (lebih dari 5 juta ton per tahun), secara permanen menyekuestrasi CO2 di ruang pori geologis yang ideal di Louisiana. 

Proyek ini merupakan investasi AS terbesar oleh Air Products, dibangun dengan tujuan membantu negara bagian Louisiana mengurangi emisi GHG‑nya menjadi net zero pada 2050. 

Air Products juga berencana menginvestasikan sekitar $500 juta untuk membangun, memiliki, dan mengoperasikan fasilitas 35 ton per hari untuk memproduksi hidrogen cair hijau di lokasi greenfield di Massena, New York, serta menyiapkan operasi distribusi dan pengisian hidrogen cair. Proyek ini akan menghindari 6 juta ton CO2 selama masa hidup proyek. Proyek ini akan menggunakan tenaga hidroelektrik dari Sungai St. Lawrence untuk mendukung produksi hidrogen cair bebas karbon.

Untuk tahun fiskal yang berakhir pada 30 September 2024, perusahaan mencatat angka penjualan lebih dari US$12 miliar. 

Menuju Masa Depan dengan Hidrogen Bersih

Ada cukup dorongan bagi perusahaan dan organisasi riset untuk terus mengembangkan cara baru yang andal dan biaya‑efektif dalam produksi hidrogen. Departemen Energi AS, misalnya, memilih tujuh pemenang pada 2023 untuk pendanaan kolektif US$7 miliar yang dialokasikan oleh Undang‑Undang Infrastruktur Bipartisan guna mengaktifkan serangkaian “hidrogen hub”. Untuk memenuhi syarat, setiap hub harus secara meyakinkan menunjukkan bahwa mereka dapat “memproduksi setidaknya 50–100 metrik ton hidrogen bersih per hari dan mengurangi emisi gas rumah kaca”.

Peserta paling aktif yang disebutkan dalam hub hidrogen terpilih DOE meliputi AES Corporation (AES ), Air Liquide (AIL.DE ), Amazon (AMZN ), Bloom Energy (BE ), Chevron (CVX ), ExxonMobil (XOM ), GTI Energy, Holtec, Mitsubishi Power Americas, Plug Power (PLUG ), dan (TRP ). 

Teknologi mutakhir juga dapat terlibat dalam memajukan produksi dan distribusi hidrogen. NREL, misalnya, melakukan pengujian percepatan dan siklus selang dispensi hidrogen 700 bar di Energy Systems Integration Facility menggunakan robotika otomatis untuk mensimulasikan kondisi lapangan. Di sini, robot meniru stres berulang dari seseorang yang membengkokkan dan memutar selang untuk menyalurkan hidrogen ke dalam tangki penyimpanan kendaraan sel bahan bakar. Peneliti meneliti efisiensi stres mekanik, termal, dan tekanan pada selang dispensi hidrogen baru dan yang telah digunakan.

Hidrogen sedang berada di puncak popularitas, dan momentum ini hanya akan terus tumbuh. Menurut organisasi yang melacak pembangunan proyek hidrogen global, 680 proyek produksi hidrogen skala besar diumumkan pada 2022 saja, menghasilkan nilai $240 miliar investasi langsung. REL juga secara rutin melakukan analisis tingkat sistem pada berbagai jalur produksi dan distribusi hidrogen berkelanjutan sehingga dapat membantu menentukan perbaikan status yang dihasilkan dari kemajuan teknologi, biaya sebagai fungsi volume produksi, dan potensi pengurangan biaya.

Tidak diragukan lagi bahwa investasi hidrogen hingga 2030, sementara ekuitas swasta dan firma ventura menginvestasikan jumlah rekor dalam perusahaan hidrogen pada berbagai tahap pengembangan pada 2022, menawarkan $3,1 miliar ekuitas swasta untuk perusahaan terkait hidrogen dan $2,6 miliar investasi ventura di 192 startup di bidang ini.

Saat membicarakan pentingnya momentum ini, Adria Wilson, direktur tim Kebijakan & Advokasi AS di Breakthrough Energy, mengatakan bahwa kemenangan kebijakan terbaru berarti hidrogen bersih yang terjangkau akan menjadi alat dekarbonisasi yang kita miliki dalam dekade berikutnya, bahkan lebih cepat.

Namun, meskipun sangat optimis, kita harus ingat bahwa masih ada jalan panjang yang harus ditempuh. Menurut angka yang diberikan oleh World Resources Institute, 95% hidrogen diproduksi dari bahan bakar fosil, biasanya melalui proses yang dikenal sebagai reformasi metana uap (SMR), di mana air dipanaskan pada suhu tinggi untuk menghasilkan uap yang bereaksi dengan gas alam dan menghasilkan hidrogen serta karbon dioksida (CO2). Proses ini tetap menghasilkan emisi GHG yang signifikan, melepaskan hingga 10 kilogram CO2 ekuivalen per kilogram hidrogen (kg CO2e/kg H2) hingga 14 kg CO2e/kg H2, jumlah yang serupa dengan emisi karbon dari produksi dan pembakaran satu galon bensin.

Metode produksi hidrogen bersih harus membantu kita menghilangkan metode tersebut. Transisi harus cepat namun melalui metode yang berkelanjutan.

Klik di sini untuk daftar saham energi bersih teratas dengan fokus keberlanjutan.