Plasmа Seperti Petir untuk Membuat Amonia Hijau Terjangkau

Jalur Menuju Ekonomi Amonia Hijau

Amonia, atau NH₃, telah dianggap sebagai kandidat potensial yang sangat baik untuk menggantikan bahan bakar cair yang dibuat dari minyak dan bahan bakar fosil lainnya. Hal ini karena amonia diproduksi menggunakan sumber daya yang sangat melimpah, yaitu nitrogen atmosfer (N₂), dan tidak selalu memerlukan minyak atau metana untuk produksinya.

Karena amonia merupakan pupuk penting, produksinya saat ini menjadi bagian besar dari industri kimia, menjadikannya bahan kimia kedua yang paling banyak diproduksi di dunia.

Saat ini, amonia sebagian besar diproduksi melalui proses Haber-Bosch, yang menggabungkan nitrogen dengan hidrogen untuk menghasilkan amonia, menggunakan tekanan tinggi dan suhu tinggi, sehingga secara inheren memerlukan banyak energi.

Sumber: Angewandte Chemie

Namun, sumber hidrogen ini memengaruhi seberapa mencemarkan produksi amonia. Saat ini, sebagian besar hidrogen untuk produksi amonia bersumber dari bahan bakar fosil, menjadikan amonia bertanggung jawab atas 1,3% emisi karbon global.

Ideally, an ammonia economy would rely on so-called green ammonia generated from renewable energy. This distinguishes it from other types of ammonia:

• Grey/brown ammonia: diproduksi dari bahan bakar fosil.
• Blue ammonia: diproduksi dari bahan bakar fosil tetapi dengan penangkapan karbon.
• Pink ammonia (sometimes also called yellow ammonia): diproduksi dari energi nuklir.
• Turquoise ammonia: diproduksi dari pirolisis metana. Proses ini memecah metana menjadi hidrogen dan karbon padat, dengan hidrogen kemudian diubah menjadi amonia. Karbon padat dapat disimpan atau digunakan untuk aplikasi seperti serat karbon.

Selama amonia tidak sebagian besar berupa amonia hijau, menggunakannya untuk menggantikan bahan bakar fosil dalam transportasi dan industri agak tidak berguna, karena hanya mengubah titik di mana bahan bakar fosil dikonsumsi.

“Permintaan industri terhadap amonia terus meningkat. Selama satu dekade terakhir, komunitas ilmiah global, termasuk laboratorium kami, ingin menemukan cara yang lebih berkelanjutan untuk memproduksi amonia yang tidak bergantung pada bahan bakar fosil.

Pr. PJ Cullen – Profesor di University of Sydney dan Net Zero Institute

Inilah mengapa penemuan baru yang sepenuhnya mengubah cara produksi amonia, menjauh dari proses Haber-Bosch berusia satu abad, dapat menjadi pengubah permainan.

Inovasi semacam itu mungkin baru saja dibuat oleh peneliti di University of Sydney (Australia) dan Zhejiang University (China), menggunakan plasma untuk menghasilkan nitrogen dari udara. Mereka menerbitkan hasilnya di Angewandte Chemie¹ dengan judul “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Mengapa Amonia?

Jika amonia pada dasarnya adalah hidrogen yang diubah, mengapa tidak menggunakan hidrogen secara langsung?

Perbedaannya dengan hidrogen adalah amonia merupakan molekul yang jauh lebih besar daripada H₂ dan jauh lebih stabil. Hal ini membuat transportasi dan penyimpanannya jauh lebih mudah. Amonia juga hampir 50% lebih padat energi dibandingkan hidrogen cair.

Sumber: Kleinman Center For Energy Policy

Kepadatan energi ini dan kemudahan penyimpanan menjadikan amonia kandidat utama untuk digunakan dalam transportasi, terutama perjalanan jarak jauh yang membutuhkan banyak energi seperti pengiriman, sesuatu yang kami bahas secara detail dalam “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia”.

Hal ini juga menjadikan amonia kandidat yang baik untuk penyimpanan selama tahun atau bulan, sebuah masalah lama dalam menyeimbangkan jaringan energi yang bergantung pada energi hijau, dengan, misalnya, surplus energi surya di musim panas atau selama minggu berangin tinggi digunakan untuk menghasilkan amonia surplus yang akan dikonsumsi selama musim dingin atau musim berangin rendah.

Masalah dalam Produksi Amonia

Selama produksi amonia bergantung pada Haber-Bosch, peralihan ke bahan bakar yang lebih hijau mungkin memerlukan waktu.

Alasan utama adalah produksi hidrogen hijau yang kompleks dan mahal, seringkali memerlukan logam langka seperti platinum, meskipun hal ini kemungkinan akan berubah berkat kemajuan dalam nanoteknologi, seperti penggunaan nanorod nikel sebagai gantinya.

Alasan lainnya adalah bahwa memproduksi amonia dengan hidrogen berarti proses multi-tahap, di mana setiap langkah memerlukan investasi modal dan mengurangi total hasil energi dari seluruh proses produksi:

• Energi hijau harus pertama kali diproduksi dengan teknologi surya, angin, atau hidro.
• Listrik tersebut kemudian diangkut ke elektroliser yang menghasilkan hidrogen.
• Hidrogen kemudian digunakan untuk produksi amonia.

Karena energi hijau umumnya lebih intermiten dan terdesentralisasi, hal ini menimbulkan biaya tambahan untuk memerlukan produksi hidrogen dan amonia yang terpusat.

“Saat ini, menghasilkan amonia memerlukan produksi terpusat dan transportasi produk jarak jauh. Kami membutuhkan ‘amonia hijau’ yang berbiaya rendah, terdesentralisasi, dan dapat diskalakan.”

Pr. PJ Cullen – Profesor di University of Sydney dan Net Zero Institute

Bagaimana Plasma Nontermal Dapat Merevolusi Amonia Hijau

Apa Itu Plasma Nontermal?

Metode lain selain Haber-Bosch ada untuk memproduksi amonia. Ide umumnya adalah menggunakan listrik untuk mengoksidasi nitrogen, kemudian menambahkan atom hidrogen (reaksi reduksi nitrogen – eNRR).

Namun, metode ini dibatasi oleh rendahnya kelarutan nitrogen, dan reaksi lain yang tidak diinginkan dalam larutan yang mengandung air. Inilah mengapa plasma nontermal (NTP) dipertimbangkan sebagai alternatif, karena NTP lebih cocok untuk reaksi oksidasi daripada reduksi kimia.

Sumber: Angewandte Chemie

Hasil nitrat (NO₃⁻) dan nitrit (NO₂⁻) yang dihasilkan memiliki kelarutan dalam air hampir 40.000 kali lipat dibandingkan N₂.

Metode ini menjanjikan, tetapi memerlukan nitrogen dan oksigen diekstraksi dari udara dan dimurnikan, meningkatkan biaya.

Inilah mengapa pendekatan di mana udara diaktifkan secara langsung untuk menghasilkan NOx dan intermediat NOx yang dihasilkan direduksi menjadi NH₄⁺ melalui konversi elektrokimia menjadi menarik.

Katalis Tembaga-Besi

Para peneliti menggunakan nanogrid tembaga (P-Cu), di mana atmosfer plasma oksigen digunakan untuk menciptakan cacat (CuOx/Cu) dan spesies sangat reaktif seperti ion O⁻, atom O, dan molekul O₃ (ozon). Spesies oksigen reaktif ini berinteraksi dengan Cu, menyebabkan oksidasi permukaan.

Kemudian penambahan atom besi menciptakan ikatan jembatan Fe–O–Cu yang stabil pada permukaan.

Sumber: Angewandte Chemie

Dengan menggunakan spektroskopi energi-dispersif (EDS), para peneliti dapat mempelajari struktur kristal yang sangat kompleks yang terbentuk dari proses ini. Batang-batang yang sangat kecil dan struktur kompleks meningkatkan permukaan material, menjadikannya katalis yang lebih baik.

Sumber: Angewandte Chemie

Elektrokatalisis Amonia

Fe₂O₃ NPs/Cu digunakan sebagai katoda untuk produksi amonia dari nitrogen dan air, secara langsung mengendalikan baik oksidasi nitrogen maupun elektrolisis air menjadi hidrogen.

Uji menunjukkan bahwa penambahan Fe₂O₃ pada tembaga secara efektif meningkatkan aktivitas elektrokatalitik.

Sumber: Angewandte Chemie

Mereka menganalisis secara detail bagaimana produksi amonia bekerja, dan mengkonfirmasi bahwa itu sebenarnya merupakan reaksi kimia berlapis kompleks yang terjadi sangat cepat, dengan NO₂ berubah menjadi NH₃.

Sumber: Angewandte Chemie

Lebih penting lagi, reaksi tersebut memiliki efisiensi faradaik hampir 100% pada 300 mA, yang berarti sebagian besar listrik yang digunakan diubah menjadi energi kimia, menjadikannya beberapa tingkat lebih efisien dibandingkan langkah ganda elektrolisis air klasik (untuk produksi hidrogen) dan kemudian konversi nitrogen menjadi amonia.

“Pendekatan baru ini adalah proses dua langkah, yaitu menggabungkan plasma dan elektrolisis. Kami telah membuat komponen plasma menjadi layak dalam hal efisiensi energi dan skalabilitas.”

Pr. PJ Cullen – Profesor di University of Sydney dan Net Zero Institute

Melangkah ke Depan

Secara keseluruhan, metode ini menunjukkan bahwa ada jalur lain menuju produksi amonia yang mungkin sepenuhnya melewati proses Haber-Bosch, dan menghilangkan kebutuhan untuk memproduksi hidrogen hijau secara terpisah pada awalnya.

Ini juga merupakan peningkatan dibandingkan versi sebelumnya dari teknologi ini, yang harus menggunakan katalis tembaga-palisadium alih-alih besi, dengan paladium sebagai logam yang mahal.

Studi ini sebagian besar berfokus pada pengembangan katalis yang efisien untuk oksidasi nitrogen secara langsung dari udara yang tidak disaring dan dimurnikan.

Agar secara ekonomi layak, komponen elektroliser yang menghasilkan hidrogen masih perlu ditingkatkan. Untungnya, kemajuan dalam produksi hidrogen menggunakan katalis yang belum pernah digunakan sebelumnya atau bahkan katalis yang mengoptimalkan diri sendiri sedang terjadi.

Jadi kemungkinan besar, dalam jangka menengah, kita akan melihat kombinasi berbagai teknologi menjadi mesin produksi amonia komersial, seperti oksidasi nitrogen langsung dengan plasma menggunakan tembaga & besi, dan elektrolisis air menggunakan logam yang sama murahnya.

Unit-unit ini dapat dipasang langsung di lokasi produksi energi hijau, dan produksi amonia yang dihasilkan disimpan dalam tangki yang relatif murah (dibandingkan hidrogen), untuk dikirim melalui pipa, truk, atau kapal tanker.

Kemungkinan besar, perusahaan yang dapat mengintegrasikan secara vertikal pembangkitan energi hijau, produksi amonia, dan pengiriman amonia yang akan paling diuntungkan dari desain semacam itu.

Perusahaan Amonia

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon adalah anak perusahaan dari grup Aker yang berfokus pada energi hijau. Grup ini merupakan konglomerat Norwegia besar dengan fokus pada energi terbarukan serta bisnis kelautan/lepas pantai.

Sumber: Aker

Aker Horizon adalah perusahaan induk bagi beberapa anak perusahaan, termasuk hidrogen hijau, ladang angin darat dan lepas pantai, serta ladang surya. Ini mencakup Mainstream Renewable Power, sebuah perusahaan utilitas dengan 20,4 GW energi terbarukan yang sedang dikembangkan di Afrika Selatan (12,3 GW) dan negara lain (Asia, Amerika Selatan, Eropa).

Perusahaan ini secara khusus sangat aktif dalam generasi hidrogen dan amonia hijau, dengan tujuan mendekarbonisasi pengiriman di Arktik, serta minat dari pusat data.

Sumber: Aker

Aker bukan perusahaan amonia hijau murni tetapi dapat menangani seluruh integrasi vertikal amonia hijau, mulai dari turbin angin lepas pantai hingga generasi hidrogen (untuk saat ini) hingga produksi amonia hijau. Mereka juga mengerjakan proyek seperti waste-to-energy di Prancis, pembangkit biomassa di Jerman, dan penangkapan karbon di Timur Tengah (Arab Saudi dan UEA).

Pada Mei 2025, Aker sedang mempertimbangkan restrukturisasi karena harga rendah di sektor energi hijau, pada dasarnya berupaya untuk sepenuhnya mengambil kembali operasi penangkapan karbonnya, dan reintegrasi AKH Holding (Mainstream Renewable Power, dan proyek amonia hijau Narvik) ke dalam Aker Horizon setelah pencatatan terpisah sebagian sahamnya.

Sumber: Aker

Hal ini menjadikannya saham yang baik bagi investor yang mencari eksposur jangka panjang ke sektor energi hijau secara luas, dengan posisi kuat pada amonia hijau, namun juga energi hijau lainnya, serta diversifikasi geografis dari saham Amerika Utara.

Studi yang Dirujuk

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 April 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}