Sel Bahan Bakar Hidrogen Diajukan untuk melengkapi salah satu tugas mata kuliah Kimia Anorganik I Dosen Pengampu : Setia Budi, M.Si
Disusun Oleh :
Ade Nurul Hidayat
(3315122112)
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Jakarta 2013
1. OVERVIEW
Hidrogen , unsur yang paling melimpah di alam semesta , memiliki potensi besar sebagai sumber energi . Tidak seperti minyak bumi , dapat dengan mudah dihasilkan dari sumber energi takterbarukan, dan hydrogen juga nonpolluting , dan membentuk air sebagai produk sampingan tak berbahaya saat digunakan . Satu gram gas hidrogen menempati sekitar 11 liter ( 2,9 galon ) ruang pada tekanan atmosfer , sehingga untuk kenyamanan gas harus intens bertekanan untuk beberapa ratus atmosfir dan disimpan dalam bejana tekan . Dalam bentuk cair , hidrogen hanya dapat disimpan di bawah suhu kriogenik(sangat rendah) . Solusi untuk kesulitan-kesulitan ini adalah penyimpanan hidrogen dalam bentuk hidrida . Metode ini menggunakan sebuah paduan yang dapat menyerap dan menyimpan sejumlah besar hidrogen dengan ikatan dengan hidrogen dan membentuk hidrida . Sebuah paduan penyimpanan hidrogen mampu menyerap dan melepaskan hidrogen tanpa mengorbankan struktur sendiri . gas tak berwarna dengan nyala ungu dalam keadaan plasma Lain-lain Struktur kristal Pembenahan
heksagonal diamagnetik
magnetik Konduktivitas
180,5 m W·m −1·K−1
termal Gambar 1 : Garis spektrum Hidrogen
Kecepatan
(gas, 27 °C) 1310
suara
m·s−1
1
Sifat fisika
Sifat kimia
G Panas Fusi
Fase
gas
Massa
(0 °C, 101.325 kPa)
jenis
0,08988 g/L
Energi ionisasi
0,117 kJ/mol H2 1312 kJmol
Afinitas electron 72,7711 kJ/mol
Massa jenis
0.07 (0.0763 solid)g·cm −3
cairan
Jumlah kulit
1
Biloks minimal
-1
pada t.l.
14,01 K, −259,14 °C, Titik lebur
Elektronegatifitas 2,18 (skala Pauli)
−434,45 °F onfigurasi
20,28 K, −252,87 °C, Titik didih
Kalor peleburan Kalor penguapan
1s1
elektron
−423,17 °F
(H2) 0,117 kJ·mol−1
jari-jari atom
25 pm
hcp (hexagonal close
(H2) 0,904 kJ·mol
−1
Struktur
packed)
Gas hidrogen termasuk gas yang mudah terbakar. Gas hidrogen dapat bersifat eksplosif jika membentuk campuran dengan udara dengan perbandingan volum 4%-75%, sedangkan dengan klorin perbandingan volumnya yaitu 5%-95%. Akibat dari gas hidrogen yang sangat ringan maka api yang disebabkan pembakaran oleh gas hidrogen cenderung bergerak ke atas dengan cepat sehingga dapat mengakibatan kerusakan yang sangat sedikit jika dibandingkan dengan api yang berasal dari pembakaran hidrokarbon. Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam tanah nadir dan logam transisi dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf.
2
Sumber Hidrogen di Alam
Di alam bebas sangat jarang ditemukan hidrogen dalam bentuk unsurnya yang tunggal, misalnya H saja. Pada umumnya hidrogen terdapat dalam bentuk gas diatomik yaitu H2 yang dapat keluar dari atmosfer bumi karena disebabkan berat molekulnya yang ringan. Hidrogen dalam keadaan bebas banyak ditemukan pada gas yang dikeluarkan oleh gunung berapi atau di tempat penyulingan gas alam. Akibat hidrogen adalah unsur yang reaktif maka pada umumnya hidrogen di alam ditemukan dalam bentuk senyawaanya misalnya dalam bentuk hidrokarbon seperti metana (CH4) dan air (H2O).
INFORMASI Kelimpahan Hidrogen di Alam
Dalam Tabel Periodik Unsur terdapat satu unsur yang memiliki lambing huruf H. Unsur ini kemudian dikenal dengan nama Hidrogen . Nama hidrogen tersebut diberikan oleh Lavoiser pada tahun 1783 dan berasal dari bahasa Yunani yaitu “Hydro” yang artinya air dan “ Genes” yang artinya membentuk atau
mengasilkan. Jadi, hidrogen dapat diartikan sebagai unsur pembentuk air atau yang menghasilkan air. Hidrogen merupakan unsur yang paling ringan di antara unsur lainnya dalam tabel periodik dan merupakan unsur yang paling banyak terdapat di alam semesta yang kelimpahannya mencapai 75% berat atau 93% mol. Hidrogen ialah unsur ketiga yang terbanyak terdapat di bumi yaitu kadar hidrogen di alam mencapai 1400 ppm (0,14% berat) atau 2,9% mol. Hidrogen dapat berupa gas diatomik (H2). Gas ini tidak berwarna, tidak berbau, dan bersifat mudah terbakar dengan adanya oksigen. Terdapat dua bentuk molekuler yaitu orthohidrogen dan parahidrogen, kedua bentuk molekular ini berbeda dalam hal spin relatif elektron dan inti atomnya. Pada ortohidrogen spin dua protonnya adalah paralel sehingga membentuk keadaan olekular yang disebut s ebagai “triplet dengan bilangan kuantum spin 1 (1/2+1/2), sedangkan pada parahidrogen spin protonya antiparalel sehingga membentuk keadaan “singlet” dan bilangan kuantum spinnya 0 (1/2 -1/2). Pada keadaan STP
3
(Standard Temperature Pressure) gas hidrogen tersusun dari 25% bentuk para dan 75% bentuk ortho. Di alam hidrogen memiliki 3 buah isotop yaitu 1H, 2H, dan 3H. Isotop 1H adalah isotop hidrogen yang kelimpahannya mencapai 99,98% yang disebut juga dengan Protium. Isotop stabil yang lain adalah 2H ( Deuterium) dan intinya terdiri dari 1 proton dan 1 neutron. Deuterium bukanlah radioaktif dan tidak berbahaya digunakan sebagai penanda dalam sintesis senyawa organik. Deuterium dalam bentuk 2H2O sering juga digunakan sebagai pendingin dalam reaktor nuklir dan reaksi fusi. Sedangkan isotop 3H disebut sebagai Tritium mengandung 2 netron dan 1 proton dalam intinya dan bersifat radioaktif dan meluruh menjadi Helium3 dengan memancarkan sinar beta. Banyak dimanfaatkan sebagai pelacak dalam bidang geokimia dan penanda dalam eksperimen kimia maupun biologi.
Gambar 2 : Isotop Hidrogen Senyawa Hidrogen Hidrida merupakan nama yang diberikan untuk ion negatif hidrogen H−. Walaupun ion ini tidak akan ada tanpa kondisi yang khusus, istilah hidrida digunakan secara luas untuk menyebut sebuah senyawa hidrogen dengan unsur lain, terutama untuk unsur golongan 1 –16. Senyawa-senyawa yang dibentuk oleh hidrogen sangatlah banyak, melebihi senyawa yang dapat dibentuk oleh unsur lain.
Ion hidrida
Ion hidrida merupakan anion paling sederhana yang dapat terbentuk, yakni terdiri dari dua elektron dan sebuah proton. Hidrogen memiliki afinitas elektron yang cukup rendah, 72.77 kJ/mol, sehingga hidrida bersifat sangat basa
4
dan tidak akan ditemukan dalam larutan. Walaupun demikian, reaksi yang melibatkan hidrida dalam larutan tetap ada, sama seperti proton yang sangat asam sehingga tidak bisa ditemukan dalam larutan. Reaktivitas ion hidrida hipotetis didominasi oleh protonasi eksotermik, menghasilkan dihidrogen: H− + H+ → H2; ΔH = −1676 kJ/mol Oleh karena itu, ion hidrida merupakan salah satu basa paling kuat yang dikenal. Ia akan menarik proton dari hampir seluruh senyawa yang mengandung hidrogen. Afinitas elektron hidrogen yang rendah dan ikatan H –H bond (∆HBE = 436 kJ/mol) yang kuat berarti ion hidrida juga merupakan reduktor yang kuat: H2 + 2e− ⇌ 2H−; E o = −2.25 V
Hidrida ionik
Hidrida ionik atau salin, hidrogen dianggap sebagai pseudohalida. Hidrida salin tidak larut dalam pelarut konvensional, yang merefleksikan struktur nonmolekul senyawa ini. H − mempunyai konfigurasi elektron helium yang stabil dengan orbital 12 yang penih. Hidrida ionik juga mempunyai sifat logam elektropositif, biasanya logam alkali atau logam alkali tanah. Hidrida-hidrida ini disebut sebagai biner jika ia melibatkan dua unsur termasuk hidrogen. Rumus kimia untuk hidrida biner ionik umumnya adalah MH (seperti pada LiH). Semakin tinggi muatan logam meningkat, semakin kovalen ikatan M-H, seperti yang terdapat pada MgH2 dan AlH3. Hidrida ionik umumnya ditemukan sebagai reagen basa dalam sintesis organik: C6H5C(O)CH3 + KH → C6H5C(O)CH 2K + H2 Reaksi seperti ini heterogen karena KH tidak larut. Pelarut yang umumnya digunakan dalam reaksi seperti ini adalah eter. Air tidak dapat digunakan sebagai media hidrida ionik murni atau LAH karena ion hidrida merupakan basa yang
5
lebih kuat daripada hidroksida. Gas hidrogen dilepaskan pada reaksi asam-basa ini: NaH + H 2O → H2 (gas) + NaOH Δ H = −83.6 kJ/mol, ΔG = −109.0 kJ/mol Hidrida logam alkali bereaksi dengan logam halida. Litium aluminium hidrida (sering disingkat sebagai LAH) didaptakan dari reaksi LiH dengan aluminium klorida. 4 LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3 LiCl
hidrida kovalen
hidrida kovalen, hidrogen berikatan secara kovalen dengan unsur yang lebih positif, seperti pada unsur boron, aluminium, dan unsur golongan 4-7 serta berilium. Senyawa yang umumnya ditemukan meliputi hidrokarbon dan amonia. Hidrida kovalen netral yang berupa molekul biasanya mudah menguap pada suhu kamar dan tekanan atmosfer. Beberapa hidrida kovelan tidak mudah menguap karena hidrida tersebut bersifat polimerik, seperti pada hidrida aluminium dan berilium. Dengan menggantikan beberap atom hidrogen pada senyawa ini dengan ligan yang lebih besar, bisa didapatkan turunan senyawa molekuler. Sebagai contoh, diisobutilaluminium hidrida (DIBAL) terdiri dari duan pusat aluminium yang berjembatan dengan ligan hidrida. Hidrida yang larut dalam pelarut umum sering digunakan dalam sintesis organik, misalnya natrium borohidrida (NaBH4), litium aluminium hidrida, dan DIBAL.
Struktur
Jika dua atau lebih atom terikat dengan ikatan primer, baik berupa ikatan ion ataupun ikatan kovalen, mereka membentuk molekul yang diskrit. Dalam membentuk padatan kristal, ikatan yang terjadi antar molekul sub-unit ini berupa ikatan yang kurang kuat. Kristal yang terbentuk pada situasi ini adalah kristal molekul, yang sangat berbeda dari kristal unsur dan kristal ionik. Pada es (H 2O),
6
ikatan primernya adalah ikatan kovalen dan ikatan sekunder antar sub-unit adalah ikatan dipole yang lemah. Atom O [He] 2s 2 2 p4 memiliki enam elektron di kulit terluar dan akan mengikat dua atom H 1 s1 . Oleh karena itu molekul air terdiri dari satu atom oksigen dengan dua ikatan kovalen yang dipenuhi oleh dua atom hidrogen dengan sudut antara dua atom hidrogen adalah 104 o. Dalam bentuk kristal, atom-atom hidrogen mengikat molekul-molekul air dengan ikatan ionik atau ikatan dipole hidrogen. Pada tekanan rendah, molekul hidrogen padat dikenal melalui direct x-ray pengukuran difraksi menjadi dekat heksagonal isolasi dikemas padat dengan molekul bebas berputar di situs hcp. kesulitan eksperimental, terutama karena ukuran sampel makin kecil, sejauh ini mencegah penentuan langsung dari struktur kristal pada tekanan tinggi. Namun demikian, berdasarkan spektrum fonon akustik, diyakini bahwa molekul tetap berpusat pada situs kisi hcp sampai dengan dan melalui transisi fase III. pencarian untuk struktur energi terendah karenanya dapat cukup terbatas pada molekul berbeda berorientasi berpusat pada situs hcp.
Gambar : Gambar Struktur Hidrogen (Hexagonal Closed Packed)
Gambar : Setiap sphere dalam gambar adalah molekul hidrogen (H2).
7
8
Elektrolisis Elektrolisis berarti melewati sebuah arus listrik melalui air untuk memisahkan air menjadi terpisah menjadi hidrogen dan oksigen. Elektrolisis telah menjadi perhatian karena hanya menyumbang sebagian kecil dari produksi hidrogen dan air yang melimpah. Saati ini, teknik hanya digunakan pada tanaman yang relative kecil dengan biaya 2,40-3,60 $/kg hidrogen yang dihasilkan.
2 H2O(aq) → 2 H2(g) + O2(g) 6.
Fotobiologis Teknik hanya dapat dilakukan pada siang hari, yaitu ketika adanya matahari. Hal ini dikarenakan mikroba fotosintetik menggunakan energi dari sinar matahari sebagai sumber energi mereka.
7.
Teknik Fermentasi Teknik ini berlangsung pada siang (seperti Rhodopseudomonas, Rhodobacter, Anabaena, Chlamydomonas, Chromatium dan Thicapsa) maupun malam hari
(dalam
keadaan
gelap
seperti
Clostridium,
Enterobacter,
Azetobacter,
Metanobacteria dan Eschericia coli ). Hal ini tergantung pada tipe mikroba yang
digunakan dalam fermentasi. Sebagian besar bakteri aerob dan anaerob memproduksi biohidrogen dengan pendekatan fotosintesis dan fermentasi (fotofermentasi). Keunggulan dari biohidrogen antara lain :
Dapat diperbaharui (renewable energy) dan ramah lingkungan (green energy)
Hasil samping pembakarannya berupa uap air sehingga tidak menimbulkan efek rumah kaca, hujan asam, dan penipisan lapisan ozon
Proses produksi dapat berlangsung pada tekanan dan suhu normal [16]
Biaya produksi lebih rendah dibandingkan dengan cara fisik dan kimia
Dapat memanfaatkan limbah dan sampah organic sebagai substrat fermentasi
9
8.
Off-gas cleanup Beberapa industri melepaskan konsentrasi hidrogen yang begitu pekat dari aliran limbah kilang minyak, dapur tinggi, dan beberapa tanaman kimia. Dengan mengumpulkan dan memurnikan gas ini maka akan dapat menghemat biaya berkisar 80-120ȼ/kg. kebanyakan off -gas hidrogen digunakan oleh industry tersebut sehingga off-gas cleanup adalah fitur penting saat ini. Tampaknya hal itu tidak mungkin bahwa bisa diperluas untuk memenuhi peningkatan permintaan yang akan dihasilkan dari meluasnya penggunaaan hidrogen sebagai bahan bakar.
9.
Photo Process Menggunakan energi khusus dan sifat cahaya lainnya (biasanya sinar matahari) untuk menghasilkan hidrogen dari air atau biomassa. Ada tiga kategori photo process yaitu :
Photo Biological Technique Didasarkan pada siklus fotosintesis yang digunakan oleh tanaman dan beberapa bakteri dan ganggang. Efisiensi produksi hidrogen hanya mencapai 1-5% namun para peneliti berharap untuk meningkatkan hingga 10% atau lebih
Photo Chemical Process Meniru fotosinesis secara alami dengan menggunakan molekul sintetik. Efisiensi teknik ini hanya sekitar 0,1% tetapi bisa ditingkatkan.
Photo Electrochemical Teknik ini menggunakan lapisan bahan semikonduktor yang dipisahkan oleh air. Ketika terkena cahaya, lpisan semikonduktor menghasilkan tegangan listrik yang memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Efisiensi yang telah dicapai sudah sebesar 13% tetapi efisiensi maksimumnya secara teoritis bisa mencapai 35%.
10. Thermo Chemical Process
10
Proses ini menggunakan panas untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Secara konseptual, teknik ini adalah konversi termal langsung yaitu pemanasan air untuk suhu ekstrim (3400 K). karena suhu tinggi diperlukan, namun konversi termal langsung belum begitu praktis untuk dilakukan di luar laboratorium karena reaksi kimia dapat digunakan untuk mengurangi suhu yang diperlukan. Berbagai alternatif telah dipelajari dengan melibatkan proses kompleks multistep. Teknik hybrid yang menggunakan elektrolisis menjadi satu atau lebih dengan langkah-langkah yang sedang diselidiki. 11. Radiolysis Proses ini adalah pemisahan air molekul oleh tabrakan dengan partikel berenergi tinggi yang diproduksi dalam reactor nuklir. Karena hidrogen dan atom oksigen akan menyatu kembali dengan cepat sehingga menghasilkan air. Efisiensi radiolysis hanya sekitar 1%. 12. Solar Hidrogen Dalam bentuk asli dan sederhana produksi energi hidrogen, membayangkan skenario hidrogen surya memproduksi listrik dari sinar matahari dengan menggunakan sel fotovoltatik, mengelektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen lalu hidrogen ini dipakai untuk mengganti minyak dan lainnya sebagai bahan bakar fosil yang sat ini digunakan oleh umum. Sekarang istilah ini sering digunakan lebih luas untuk elektrolisis berbasis pada sumber listrik terbaharukan, seperti angin. Ide ini telah menerima banyak perhatian sebagian besar karena manfaat lingkungan menggunakan hidrogen sebagai alternatif untuk bahan bakar alternatif.
13. Partial Oxidation of Hydrocarbons Hidrogen mungkin terbentuk dari tidak adanya katalitik oksidasi parsial (yaitu gasifikasi) dari hidrokarbon seperti minyak residu. Hidrokarbon apa saja dapat dikompresi atau dipompa dalam teknologi ini. Namun, efisiensi keseluruhan proses ini adalah sekitar 50% dan diperlukan oksigen murni. Tersedia dua
11
komersial teknologi untuk konversi ini yaitu Texaco gasification process dan Shell gasification process. CnHm + n/2 O 2 → nCO + m/2 H 2
Pada saat ini, telah dikenal empat sistem penyimpanan hidrogen, yaitu pencairan hidrogen, hidrogen bertekanan, metal hidrida, dan adsorpsi pada material berpori. Teknik pencairan dan metal hidrida merupakan sistem yang dapat mengurangi volume hidrogen 600 sampai 1000 kali dari volume pada kondisi kamarnya. Walaupun begitu beberapa kekurangan dari kedua teknik ini menyebabkan kurang dapat digunakan secara komersial sebagai penyimpan hidrogen. Teknik pencairan hidrogen memerlukan energi yang besar untuk mencairkan hidrogen pada temperatur minus 253 OC dan sering terjadi boil off . Teknik penyimpanan dalam bentuk metal hidrida relatif aman, tetapi memiliki bobot yang berat dan memerlukan panas yang tinggi untuk melepaskan hidrogen dari ikatan kimia dengan logamnya.
APLIKASI Dalam bidang industry, bidang otomotif, kimia, pembangkit listrik, kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi.
Sejumlah besar H 2 diperlukan dalam industri petrokimia dan kimia. Penggunaan terbesar H 2 adalah untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam pembuatan ammonia. Konsumen utama dari H 2 di kilang petrokimia meliputi hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi, dan penghidropecahan (hydrocracking). H2 memiliki beberapa kegunaan yang penting. H 2 digunakan sebagai bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak takjenuh dan minyak nabati (ditemukan di margarin), dan dalam produksi metanol. Ia juga
12
merupakan sumber hidrogen pada pembuatan asam klorida. H2 juga digunakan sebagai reduktor pada bijih logam. Selain digunakan sebagai pereaksi, H 2 memiliki penerapan yang luas dalam bidang fisika dan teknik. Ia digunakan sebagai gas penameng di metode pengelasan seperti pengelasan hidrogen atomik. H2 digunakan sebagai pendingin rotor di generator pembangkit listrik karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi di antara semua jenis gas. H 2 cair digunakan di riset kriogenik yang meliputi kajian superkonduktivitas. Oleh karena H2 lebih ringan dari udara, hidrogen pernah digunakan secara luas sebagai gas pengangkat pada kapal udara balon. Baru-baru ini hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan nitrogen (kadangkala disebut forming gas) sebagai gas perunut untuk pendeteksian kebocoran gas yang kecil. Aplikasi ini dapat ditemukan di bidang otomotif, kimia, pembangkit listrik, kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi. Hidrogen adalah zat aditif (E949) yang diperbolehkan penggunaanya dalam ujicoba kebocoran bungkusan makanan dan sebagai antioksidan. Isotop hidrogen yang lebih langka juga memiliki aplikasi tersendiri. Deuterium (hidrogen-2) digunakan dalam reaktor CANDU sebagai moderator untuk memperlambat neutron. Senyawa deuterium juga memiliki aplikasi dalam bidang kimia dan biologi dalam kajian reaksi efek isotop. Tritium (hidrogen-3) yang
diproduksi
oleh
reaktor
nuklir
digunakan dalam produksi
bom
hidrogen,sebagai penanda isotopik dalam biosains, dan sebagai sumber radiasi di cat berpendar. Dalam bidang militer
Bom hidrogen, sejauh ini, merupakan senjata paling merusak yang pernah diciptakan manusia, bom ini merupakan jenis yang paling kuat dari bom nuklir, dengan kekuatan hingga 25.000 kali bom nuklir yang dijatuhkan di Hiroshima dan
13
Nagasaki, tidak seperti bom atom konvensional (juga dikenal sebagai A-bombs), yang melepaskan energi dengan reaksi fisi dari inti atom berat seperti uranium dan plutonium, bom hidrogen melepaskan energi dengan menggabungkan bersama-sama inti ringan seperti deuterium atau tritium (fusi) yang mampu mengubah lebih banyak materi menjadi energi. RESET PENDAHULUAN
Banyak aplikasi dari atom hydrogen tersebut, di paper ini akan di jelaskan dengan lanjut tentang Sel Bahan Bakar Hidrogen. Fuelcell adalah alat elektrokimia yang mengkonversi energi reaksi kimia secara langsung menjadi energi listrik arus searah (Fuel Cell Handbook, 2000). Ia terdiri dari lapisan elektrolit yang berkontak dengan anoda dan katoda berpori. Berbeda dengan baterai yang sudah
lama dikenal, fuelcell
bukanlah alat penyimpan energi seperti baterai. Fuelcell mengkonversi energi reaksi elektrokimia menjadi energi listrik. Selama bahan bakar diumpankan ke dalam fuelcell maka ia akan tetap menghasilkan arus listrik. Fuelcell sebagai suatu pilihan penyedia daya masa depan menjanjikan manfaat yang tak diperoleh dari sistem penyedia energi lain. Sistem fuelcell memberikan efisiensi yang relatif tinggi karena perubahan energi kimia secara langsung menjadi listrik tanpa harus dibatasi oleh siklus Carnot. Tingkat kebisingannya jauh lebih rendah daripada yang dihasilkan teknologi penyediaan daya lainnya yang ada saat ini. Hal ini disebabkan karena tidak ada bagian fuelcell yang bergerak dalam pembangkitan listrik. Kita ketahui bahwa energi dari bahan bakar fosil seperti minyak bumi menimbulkan banyak persoalan bagi manusia yaitu polusi SO 2, NOx, dan abu dan efek rumah kaca. Emisi CO 2 dan asap knalpot kendaraan berbentuk jelaga karbon.Oleh karena itu, fuelcell merupakan suatu sistem teknologi energi
14
yang dampak negatifnya lebih kecil daripada sistem pembakaran bahan bakar fosil. Fuel cell adalah suatu sistem elektrokimia yang mengubah energi kimia
dari hidrogen dan oksigen langsung menjadi energi listrik. Keunggulan utama fuel cell dibandingkan pembangkit listrik konvensional adalah :
Mempunyai efisiensi tinggi dari 40% sampai 60%, sedangkan untuk kogenerasi dapat mencapai 80%.
Tidak menimbulkan suara bising.
Konstruksinya modular sehingga fleksibel dalam menyesuaikan dengan sumber bahan bakar yang ada.
Mampu menanggapi dengan cepat terhadap perubahan bahan bakar atau oksigen.
Fuel cell dapat mengubah hidrogen dan oksigen menjadi listrik dan air
sebagai alternatif menarik untuk mesin pembakaran bahan bakar fosil untuk efisiensi, fleksibilitas, dan ramah lingkungan. Operasi dasar dari sebuah fuel cell yang digambarkan pada gambar berikut.
15
Fuel cell menghasilkan potensi listrik dengan efisiensi 60%, listrik dapat
digunakan secara langsung atau con-dikonversi menjadi gerak, cahaya atau panas. Sebaliknya dalam mesin bensin, beroperasi dengan efisiensi ~25% dan digunakan hampir secara eksklusif untuk memproduksi gerak. Analisis hasil dari dua tahun pertama dari US Department of Energy pembelajaran fuel cell demonstrasi berdasarkan armada 77 kendaraan fuel cell menunjukkan bahwa efisiensi sel bahan bakar pada seperempat bagian yang diuji pada dinamometer mencapai 52,5-58,1%, dekat dengan efisiensi target 60%. Membran
elektrolit
primer
(PEM) fuel
cell untuk
transportasi
mengandalkan tersebarnya nanopartikel katalis Pt didukung pada substrat karbon untuk meningkatkan reaksi proton, elektron, dan molekul oksigen ke air. Meskipun Pt adalah katalis paling terkenal untuk reaksi ini, hidrogen tidak dapat memenuhi tuntutan dari ekonomi dewasa ini karena biaya tinggi dan kelangkaan relatif. Banyaknya kebutuhan meningkat dalam aktivitas katalitik yang diperlukan untuk mengurangi jumlah yang dibutuhkan, atau harus digantikan oleh katalis alternatif yang aktif, berlimpah, dan murah.
Membran Elektrolit
Komponen ini mempunyai pori yang sangat kecil sehingga tidak mengijinkan atom hidrogen untuk melewati pori membran. Membran elektrolit ini bersifat proton exchange (H +) di mana dalam strukturnya akan terjadi suatu mekanisme pertukaran ion
sehingga konduktifitas proton yang diharapkan pada kondisi humidified membrane 2 x
16
10-2 S/cm (ketahanan 0,05 ohm cm 2 untuk membran dengan ketebalan 50 mikrometer). Selain itu ketahanan dan kestabilan terhadap zat kimia dan termal (300OC) sangatlah menentukan performance arus yang dihasilkan. PRODUKSI HIDROGEN
Salah satu jenis bahan bakar alternatif yang banyak dicermati saat ini adalah hidrogen.
Seperti diketahui bahwa hidrogen dapat berfungsi sebagai energi untuk
semua kegunaan sebagaimana layaknya minyak bumi dan gas alam. Hidrogen tersedia dalam air dan senyawa organik dalam bentuk senyawa hidrokarbon.
Pemotongan
ikatan-ikatan kimia di dalam air akan menghasilkan hidrogen yang dapat dipergunakan sebagai bahan bakar. Hidrogen dapat dihasilkan melalui beberapa proses seperti : elektrolisa, fotoelektrokimia, steam reforming, fotobiologi, dan lain-lain. Hidrogen dapat pula dihasilkan dengan menggandeng sumber-sumber energi terbarukan, seperti : energi air, energi surya, energi angin, dan energi panas bumi. Hidrogen yang dihasilkan dapat disimpan dalam bentuk gas atau cair, sedangkan transportasi dan distribusinya dapat dilakukan dengan berbagai cara. Karena hidrogen hanya ditemukan di alam dalam bentuk senyawa, maka hidrogen harus diproduksi melalui penggunaan energi, sebelum hidrogen tersebut tersedia sebagai sumber energi. Penerapan Fuel Cell di Sektor Transportasi
17
Gambar : Suatu mobil yang mengguakan sel bahan bakar hidrogen
Suatu alat transportasi sangat berhubungan dengan berat total kendaraan, dan bahan bakar yang digunakan merupakan suatu zat dari sistem yang mempengaruhi berat total kendaraan dan kinerjanya. Jika digunakan bahan bakar yang mempunyai nilai kalor tinggi, maka kinerja akhir kendaraan dapat dikatakan baik. Seperti diketahui, hidrogen sebagai energi alternatif merupakan senyawa bahan bakar yang pada saatnya nanti menjadi suatu sumber energi yang sangat potensial, bersih, dan efisien. Bila hidrogen digunakan sebagai bahan bakar fuel cell , maka mobil listrik akan menjadi ringan dibandingkan bahan bakar lain. Hal ini disebabkan energi per satuan beratnya lebih tinggi Pengembangan mobil listrik dengan baterai konvensional dirasakan tidak realibel karena jarak tempuhnya pendek dan waktu pengisian batere yang lama jika dibandingkan mobil konvensional.
Namun dengan adanya teknologi fuel cell dan
reformer nya, kendala jarak tempuh dan pengisian batere dapat diatasi. Pada beberapa
jenis prototipe mobil listrik selain tangki penyimpan gas hidrogen juga digunakan reformer di mana campuran metana dan air dirubah menjadi gas hidrogen. Sebagai
salah satu contoh penerapan fuel cell pada mobil listrik.
18
Gambar : Mesin mobil sel bahan bakar hydrogen KESIMPULAN •
Fuel Cell sebagai teknologi pembangkit energi prospeknya sangat baik di masa
mendatang, baik diaplikasikan pada sektor pembangkit listrik maupun di sektor transportasi.
Khusus untuk di Indonesia yang merupakan negara kepulauan,
teknologi ini merupakan salah satu teknologi alternatif yang sangat sesuai untuk penyediaan energi listrik. •
Perkembangan teknologi fuel cell yang pesat dapat meningkatkan pengoperasian produksi hidrogen dengan cara digandengkan dengan generator lain seperti penggunaan teknologi fotovoltaik. Aplikasi sistem fuel cell akan sangat menguntungkan bagi negara kita seperti : membuka lahan bisnis baru termasuk bisnis sistem pendukungnya menghemat devisa negara, dan mengurangi pencemaran udara di sektor transportasi.
•
Aplikasi sistem fuel cell untuk sektor transportasi perlu diprioritaskan, karena sarana transportasi merupakan kontributor terbesar, baik dalam penggunaan BBM secara nasional maupun pencemaran lingkungan.
19
•
Dimulainya penggunaan sistem fuel cell merupakan tantangan dalam
menghadapi masalah global seperti faktor pencemaran lingkungan akibat penggunaan energi fosil, dan terbatasnya sumber daya energi fosil serta penyimpanan energi untuk daerah terpencil
Dampak positif sel bahan bakar hidrogen yaitu : 1.
Kurang Emisi Gas Rumah Kaca
2.
Kurang Polutan Udara
3.
Mengurangi Ketergantungan Minyak
4.
Memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada mesin diesel atau gas.
5.
Menghilangkan ketergantungan ekonomi pada negara-negara politis tidak stabil untuk bahan bakar fosil.
6.
Beberapa memiliki panas rendah transmisi-ideal untuk aplikasi militer.
7.
Kebanyakan beroperasi diam-diam dibandingkan dengan mesin pembakaran internal.
8.
Pemeliharaan sederhana karena ada beberapa bagian yang bergerak dalam sistem.
9.
Waktu operasi yang lebih lama dibandingkan dengan baterai.
Dampak negatif sel bahan bakar hidrogen yaitu : 1.
Reformasi secara teknis menantang dan tidak ramah lingkungan.
2.
Produksi, transportasi, distribusi dan penyimpanan hidrogen yang sulit.
3.
Jarak tempuh mobil yang lebih pendek daripada di kendaraan tradisional.
4.
Pengisian bahan bakar dan mulai saat kendaraan sel bahan bakar yang lebih lama.
5.
Saat mahal untuk diproduksi, karena sebagian besar unit adalah buatan tangan.
6.
Sel bahan bakar umumnya sedikit lebih besar daripada baterai sebanding atau mesin.
7.
Teknologi ini belum sepenuhnya dikembangkan dan beberapa produk yang tersedia.
8.
Sebagian menggunakan bahan-bahan yang mahal.
20
Referensi
1. Hasan, Achmad. “Aplikasi Sistem Fuel cell sebagai Energi Ramah Lingkungan di Sektor Transportasi dan Pembangkit” . ISSN 1441-318X Vol.8, No.3 (September
2007): Pp.277-286.
2. Sirait LR. 2007. ‘Produksi Gas Produksi Gas Hidrogen Dari Limbah Alumunium .’ Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi UIN Syarif Hidayatullah Jakarta.
3. Habibi, Muhammad Sidiq. 2009. Produksi Biohidrogen Melalui Fermentasi Bakteri Fotosintetik Rhodobium marinum dan Isolat Sanur . Bogor. Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
4. Sirait LR. 2007. Produksi Gas Hidrogen dari Limbah Cair Tahu dengan Bakteri Fotosintetik Rhodobium marinum [tesis]. Depok: Sekolah Pascasarjana,
Universitas Indonesia..
5. Sriyono, Teknologi Proses Produksi Hidrogen Berbasis Energi Nuklir, Sigma Epsilon, ISSN 0853-9103, (2008)
6. Sutarno, Malik A, Analisis Efisiensi Efisiensi Energi dan Energi Listrik pada Proses Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis Air, Prosiding: Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses, ISSN 1411-4216, (2004)
7. Prasodjo, Prolessara. 2010. Studi Kapasitas Adsorpsi serta Dinamika Adsorpsi dan Desorpsi dari Nanotube Karbon sebagai Penyimpan Hidrogen [tesis].
Depok: Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
21
8. Anonymous. 2013. Hydrogen Energy ( online). (http://www.renewableenergyworld.com/rea/tech/hydrogen, diakses pada tanggal 13 April 2014 )
9. Anonymous. 2012. Aplikasi Hidrogen (H2 ) Dalam Dunia Industri (online). (http://www.umpgas.com/news/24/Aplikasi-Hidrogen-H2-Dalam-DuniaIndustri, diakses pada tanggal 13 April 2014)
22
