Apa saja cara untuk memproduksi hidrogen?
Saat ini, terdapat beberapa metode utama produksi hidrogen:
Produksi hidrogen dari bahan bakar fosil: terutama meliputi produksi hidrogen dari gas alam dan produksi hidrogen dari batu bara. Produksi hidrogen dari gas alam saat ini merupakan metode produksi hidrogen yang paling penting, terutama menggunakan metode reformasi uap metana. Meskipun biaya produksi hidrogen dari batu bara rendah, metode ini tidak ramah lingkungan.
Produksi hidrogen produk sampingan industri:Menggunakan produk sampingan yang dihasilkan dalam proses produksi industri untuk menghasilkan hidrogen, biayanya rendah. Ini terutama mencakup produksi hidrogen dari gas oven kokas dan hidrogen yang diproduksi oleh industri klor-alkali.
Produksi hidrogen dengan elektrolisis air:Hidrogen diproduksi melalui elektrolisis air. Produk ini memiliki kemurnian tinggi dan tidak mengandung polusi. Ini merupakan arah utama untuk pengembangan di masa mendatang. Akan tetapi, biaya saat ini relatif tinggi dan perlu dikurangi lebih lanjut.
Konsumsi energi rendah dan efisiensi lebih baik.
Produksi hidrogen biomassa:Menggunakan bahan biomassa untuk menghasilkan hidrogen melalui proses biologis atau termokimia, teknologinya belum sepenuhnya matang.
Fotolisis air untuk menghasilkan hidrogen:Menggunakan energi matahari untuk langsung membelah air guna menghasilkan hidrogen, teknologi ini masih dalam tahap penelitian dan pengembangan.
Dari perspektif ekonomi dan kematangan teknologi, produksi hidrogen dari gas alam dan hidrogen produk sampingan industri saat ini mendominasi. Namun dalam jangka panjang, produksi hidrogen melalui elektrolisis air dianggap sebagai arah utama untuk pengembangan di masa mendatang karena karakteristiknya yang bersih dan ramah lingkungan. Dengan kemajuan teknologi dan pengurangan biaya, produksi hidrogen dari elektrolisis air diharapkan dapat membuka peluang pengembangan penting dalam 3-5 tahun mendatang.
Apa itu hidrogen hijau, hidrogen biru, hidrogen abu-abu?
Tergantung pada metode produksi hidrogen dan tingkat emisi karbon, hidrogen dapat dibagi menjadi tiga jenis: hidrogen abu-abu, hidrogen biru, dan hidrogen hijau:
Hidrogen abu-abu:
Hidrogen abu-abu adalah hidrogen yang diproduksi dari bahan bakar fosil (seperti gas alam, batu bara, minyak bumi, dll.). Saat ini, ini merupakan metode produksi hidrogen yang paling penting, yang mencakup sekitar 95% dari produksi hidrogen global. Biaya produksi hidrogen abu-abu lebih rendah, tetapi emisi karbonnya besar dan berdampak lebih besar pada lingkungan.
Hidrogen biru:
Hidrogen biru juga diproduksi dari bahan bakar fosil (terutama gas alam), tetapi menggunakan teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon (CCS) dalam proses produksinya. Metode ini dapat mengurangi emisi karbon secara signifikan, tetapi biaya penangkapannya tinggi. Hidrogen biru dianggap sebagai produk antara dalam transisi dari hidrogen abu-abu menjadi hidrogen hijau.
Hidrogen hijau:
Hidrogen hijau adalah hidrogen yang diproduksi dengan mengelektrolisis air menggunakan sumber energi terbarukan (seperti energi matahari, energi angin, dll.). Metode ini hampir tidak menghasilkan emisi karbon selama seluruh proses produksi dan merupakan cara terbersih untuk memproduksi hidrogen. Saat ini, biaya hidrogen hijau relatif tinggi, tetapi seiring dengan penurunan biaya energi terbarukan dan kemajuan teknologi elektrolisis, keekonomiannya diperkirakan akan terus membaik.
Saat ini, terdapat beberapa cara utama untuk memproduksi hidrogen dengan elektrolisis air:
ALK adalah elektrolisis air alkali
ALK adalah elektrolisis air alkali,juga sering disebut AWE (Alkaline Water Electrolysis). Ini adalah teknologi tradisional dan matang untuk elektrolisis air guna menghasilkan hidrogen. Berikut ini adalah fitur utama ALK/AWE:
prinsip kerja:
Dalam elektrolit alkali (biasanya larutan 20%-30% KOH atau NaOH), hidrogen dihasilkan dengan mereduksi air di katode melalui arus searah, dan oksigen dihasilkan dengan mengoksidasi air di anoda.
01
Komponen inti:
Elektroda: Biasanya paduan logam seperti nikel dan molibdenum digunakan
Diafragma: Terbuat dari bahan berpori seperti asbes, keramik, nilon, dll.
Elektrolit: Larutan alkali KOH atau NaOH
02
Kondisi kerja:
Suhu elektrolisis: 70-90 derajat
Tekanan elektrolisis: 1-3 MPa
03
keuntungan:
Teknologi yang matang, yang paling awal mencapai aplikasi industri
Struktur sistemnya sederhana dan mudah dioperasikan
Persyaratan rendah pada kualitas air bahan baku
Umur peralatan yang panjang, hingga 10-20 tahun atau lebih
Biaya lebih rendah dan ekonomis
04
kekurangan:
Kepadatan arus relatif rendah
Respon dinamis yang buruk
Ada masalah lintas gas diafragma
Lye bersifat korosif
05
Elektrolisis membran pertukaran proton (PEM):
Dengan menggunakan membran elektrolit polimer padat, tidak diperlukan elektrolit cair. Di katode, proton (H+) bergabung dengan elektron untuk membentuk gas hidrogen; di anoda, air terurai untuk membentuk oksigen dan proton. PEM memiliki keunggulan berupa kepadatan arus tinggi dan pengaktifan cepat.
prinsip kerja:
Dengan menggunakan membran elektrolit polimer padat, tidak diperlukan elektrolit cair. Di katode, proton (H+) bergabung dengan elektron untuk membentuk gas hidrogen; di anoda, air terurai untuk membentuk oksigen dan proton. Proton diangkut melalui membran ke katode.
01
Komponen inti:
Elektroda: Biasanya katalis logam mulia digunakan, seperti platinum dan iridium
Membran elektrolit: membran asam perfluorosulfonat yang umum digunakan (seperti membran Nafion)
Pelat bipolar: digunakan untuk memisahkan sel satuan dan mengalirkan arus
02
Kondisi kerja:
Suhu: 50-80 derajat
Tekanan: hingga puluhan atmosfer
03
keuntungan:
Kepadatan arus tinggi, hingga 2 A/cm² atau lebih
Memulai dengan cepat dan merespons dengan cepat
Sistemnya kompak dan menempati area kecil
Kemurnian hidrogen yang dihasilkan tinggi, hingga 99,999%
Dapat beroperasi di bawah tekanan tinggi untuk mengurangi biaya kompresi berikutnya
04
kekurangan:
Biaya yang lebih tinggi, terutama katalis logam mulia dan membran pertukaran proton
Persyaratan kualitas air yang tinggi memerlukan penggunaan air ultramurni
Umurnya relatif pendek, biasanya 20.000000-50,000 jam
05
Tren perkembangan:
Fokus penelitian meliputi pengembangan katalis berbiaya rendah, peningkatan kinerja dan daya tahan membran, serta pengoptimalan desain sistem untuk mengurangi biaya.
Teknologi PEM sangat cocok untuk digunakan dengan sumber energi terbarukan dengan volatilitas tinggi karena efisiensinya yang tinggi dan responsnya yang cepat. Dengan kemajuan teknologi dan pengurangan biaya, PEM diharapkan akan lebih banyak digunakan dalam 5-10 tahun ke depan, terutama di bidang produksi hidrogen terdistribusi dan produksi hidrogen energi terbarukan.
Elektrolisis membran pertukaran anion (AEM):
Strukturnya mirip dengan PEM, tetapi menggunakan membran penukar anion. Keunggulannya adalah katalis logam non-mulia dapat digunakan, yang diharapkan dapat mengurangi biaya. Teknologi ini masih dalam tahap penelitian dan pengembangan.
prinsip kerja:
Dengan menggunakan membran penukar anion sebagai elektrolit, ion OH- diangkut dari katode melalui membran ke anoda. Di katode, air terurai untuk menghasilkan hidrogen dan OH-; di anoda, OH- dioksidasi untuk menghasilkan oksigen dan air.
01
Komponen inti:
Elektroda: katalis logam non-mulia dapat digunakan, seperti bahan berbasis nikel dan kobalt
Membran elektrolit: membran pertukaran anion, biasanya terdiri dari tulang punggung polimer dan gugus fungsi bermuatan positif
Elektrolit: air murni atau larutan basa lemah
02
Kondisi kerja:
Suhu: Biasanya dalam kisaran 50-70 derajat
Tekanan: Dapat beroperasi pada tekanan normal atau sedikit bertekanan
03
keuntungan:
Katalis logam non-mulia dapat digunakan untuk mengurangi biaya
Kepadatan arus lebih tinggi, antara AWE dan PEM
Sistem sederhana, tidak memerlukan sistem pengolahan air yang rumit
Ramah lingkungan, gunakan air murni atau larutan basa lemah
04
kekurangan:
Teknologi ini tergolong baru dan belum dikomersialkan dalam skala besar.
Stabilitas dan daya tahan membran pertukaran anion perlu ditingkatkan lebih lanjut
Konduktivitas ionik relatif rendah
05
Tren perkembangan:
Fokus penelitian meliputi pengembangan membran pertukaran anion berkinerja tinggi dan stabilitas tinggi, serta pencocokan katalis efisien.
Elektrolisis Oksida Padat Suhu Tinggi (SOE):
Melakukan elektrolisis pada suhu tinggi (700-900 derajat) dapat mengurangi energi listrik yang dibutuhkan untuk elektrolisis. Namun, teknologi ini masih dalam tahap demonstrasi dan belum mencapai komersialisasi skala besar.
prinsip kerja:
Pada suhu tinggi (700-900 derajat), uap air direduksi di katode untuk menghasilkan ion hidrogen dan oksigen. Ion oksigen diangkut melalui elektrolit oksida padat ke anoda, di mana mereka dioksidasi untuk menghasilkan oksigen.
01
Komponen inti:
Elektroda: biasanya menggunakan bahan berbasis nikel sebagai katoda dan kobalt atau lantanum strontium mangan oksida sebagai anoda.
Elektrolit: Bahan keramik oksida padat, seperti zirkonia terdoping itrium (YSZ)
Papan interkoneksi: biasanya menggunakan bahan paduan tahan suhu tinggi
02
Kondisi kerja:
Suhu: 700-900 derajat
Tekanan: Dapat beroperasi di bawah tekanan normal atau kondisi bertekanan
03
keuntungan:
Efisiensi elektrolisis tinggi, efisiensi teoritis bisa mencapai 100%
Sumber panas bersuhu tinggi seperti panas limbah industri atau energi nuklir dapat digunakan untuk mengurangi konsumsi listrik
Operasi reversibel, dapat menghasilkan hidrogen dan menghasilkan listrik (mode sel bahan bakar oksida padat)
Tidak memerlukan katalis logam mulia, sehingga mengurangi biaya
04
kekurangan:
Operasi suhu tinggi memberi tuntutan tinggi pada material, dan terdapat masalah dengan siklus termal dan tekanan termal.
Waktu mulai yang lama, tidak cocok untuk sering memulai dan berhenti
Teknologi ini belum sepenuhnya matang dan masih dalam tahap demonstrasi
05
Tren perkembangan:
Fokus penelitian meliputi pengembangan bahan elektroda dan elektrolit yang tahan suhu tinggi dan berumur panjang, serta mengoptimalkan desain sistem untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya.
Teknologi SOE dianggap sebagai teknologi produksi hidrogen yang menjanjikan karena efisiensinya yang tinggi dan pemanfaatan sumber panas bersuhu tinggi. Teknologi ini sangat cocok untuk digunakan dalam kombinasi dengan sumber panas bersuhu tinggi seperti energi nuklir dan pembangkit listrik tenaga surya. Dengan kemajuan ilmu material dan teknologi integrasi sistem, SOE diharapkan dapat mencapai aplikasi komersial dalam 10-15 tahun ke depan, yang menyediakan kemungkinan baru untuk produksi hidrogen hijau berskala besar dan berefisiensi tinggi.
Di antara metode-metode ini, AWE dan PEM saat ini merupakan dua teknologi yang paling banyak digunakan. AWE menempati posisi dominan karena biayanya yang rendah dan teknologinya yang matang, dan sangat cocok untuk produksi hidrogen dalam skala besar. PEM lebih cocok untuk digunakan dengan sumber energi terbarukan dengan volatilitas yang lebih besar karena efisiensinya yang tinggi dan responsnya yang cepat. Dengan kemajuan teknologi, PEM diharapkan akan lebih banyak digunakan dalam 5-10 tahun ke depan.
Biaya berbagai metode produksi hidrogen
Berbagai metode persiapan hidrogen hijau terutama mengacu pada penggunaan energi terbarukan untuk melakukan elektrolisis air guna menghasilkan hidrogen. Biayanya adalah sebagai berikut:
Produksi hidrogen elektroliser alkali:
Biayanya sekitar US$3-6/kg. Ini adalah teknologi produksi hidrogen elektrolisis air yang paling matang dan paling banyak digunakan saat ini.
Elektroliser membran pertukaran proton (PEM) produksi hidrogen:
Biayanya sekitar US$4-8/kg. Dibandingkan dengan elektroliser alkali, elektroliser PEM lebih efisien, tetapi biayanya juga sedikit lebih tinggi.
Produksi hidrogen elektroliser oksida padat (SOEC):
Biayanya sekitar US$5-9/kg. Teknologi SOEC masih dalam tahap pengembangan dan saat ini biayanya relatif tinggi.
Dengan kemajuan teknologi dan perluasan skala, biaya persiapan hidrogen hijau diharapkan dapat dikurangi lebih lanjut. Diharapkan biaya produksi hidrogen dari elektrolisis air energi terbarukan akan turun menjadi sekitar US$2-3/kg di masa mendatang, sehingga biayanya kompetitif dengan produksi hidrogen bahan bakar fosil.
Perlu dicatat bahwa biaya spesifik hidrogen hijau juga dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti biaya daya energi terbarukan dan pemanfaatan peralatan, dan mungkin berbeda di berbagai wilayah dan skenario aplikasi.
|
Proses persiapan hidrogen |
bahan baku |
Kematangan teknologi |
Efisiensi konversi energi (%) |
Biaya (yuan/kg) |
Emisi CO2 (per kilogram hidrogen) |
|
|
Produksi hidrogen dari energi fosil |
Gasifikasi batubara untuk menghasilkan hidrogen |
batu bara |
Dewasa |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Gasifikasi batubara + CCS |
batu bara |
Pengujian skala pilot telah selesai |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Gasifikasi air superkritis batubara |
batu bara, air |
Pengujian skala pilot telah selesai |
60 |
8 |
0 |
|
|
Reformasi uap CH4 (SMR) |
Metana |
Dewasa |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Produksi hidrogen produk sampingan industri |
produk sampingan industri |
Dewasa |
- |
10-16 |
- |
|
|
Elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen |
Elektrolisis tenaga energi tradisional air AEL |
air |
Dewasa |
sekitar 25 |
30-40 |
45 |
|
Air elektrolisis energi terbarukan AEL |
air |
Dewasa |
sekitar 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Air elektrolisis energi terbarukan PEMEL |
air |
Relatif matang dan dekat dengan industrialisasi |
sekitar 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Air elektrolisis energi terbarukan SOEL |
air |
Proyek demonstrasi |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Energi terbarukan limbah listrik elektrolisis air |
air |
Proyek demonstrasi |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Teknologi baru lainnya |
Produksi hidrogen fotolisis surya |
air |
tahap laboratorium |
<10 |
- |
0 |
|
Fermentasi biomassa untuk menghasilkan hidrogen |
Biomassa |
Proyek demonstrasi |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Konversi termokimia biomassa menjadi hidrogen |
biomass |
Dewasa |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Siklus termokimia produksi hidrogen |
air |
tahap laboratorium |
Sekitar38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
Energi hidrogen akan memainkan peran kunci dalam struktur energi masa depan. Dengan pengembangan teknologi produksi hidrogen air elektrolit dan pengurangan biaya, energi hidrogen akan dikombinasikan dengan energi terbarukan untuk meningkatkan stabilitas dan keandalan sistem energi, mendorong transformasi energi dalam transportasi, industri, pembangkit listrik, dan bidang lainnya, serta mencapai pembangunan berkelanjutan. Bagi masyarakat awam, mempopulerkan energi hidrogen tidak hanya dapat mengurangi polusi dan meningkatkan kualitas udara, tetapi juga menyediakan energi rumah tangga yang stabil dan bersih, serta mendatangkan peluang kerja baru dan titik pertumbuhan ekonomi, sehingga meningkatkan kesejahteraan masyarakat secara keseluruhan dan menciptakan masa depan dunia yang lebih baik.