Solusi Produksi Hidrogen Ramah Lingkungan

Secara umum, hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar dengan dua cara utama. Ia dapat dibakar untuk menghasilkan panas, atau dapat dimasukkan ke dalam sel bahan bakar hidrogen untuk menghasilkan listrik. Kabar baiknya adalah setelah hidrogen biru atau hijau diproduksi, ia mempunyai beragam kegunaan berbeda:
Mengangkut:Hidrogen sudah digunakan sebagai bahan bakar bus dan transportasi umum lainnya, terutama di Jepang. Bahan bakar ini juga dapat digunakan untuk menggerakkan truk pengangkut barang dan kereta api, sedangkan bahan bakar berbasis hidrogen seperti amonia dapat digunakan dalam penerbangan dan pelayaran. Penggunaan hidrogen yang lebih luas untuk menggerakkan kendaraan akan bergantung pada harga sel bahan bakar hidrogen yang semakin murah dan semakin banyaknya stasiun pengisian bahan bakar hidrogen.

Pembangkit listrik:Hidrogen dapat digunakan untuk mengubah sumber energi terbarukan menjadi bahan bakar yang kemudian dapat disimpan dan diangkut dalam jarak jauh. Hidrogen dan amonia juga dapat digunakan dalam turbin gas dan pembangkit listrik tenaga batu bara untuk mengurangi emisinya.

Bangunan pemanas:Hidrogen memiliki potensi besar untuk menggantikan gas alam untuk memanaskan bangunan domestik dan komersial melalui infrastruktur gas alam yang ada. Boiler hidrogen dan sel bahan bakar hidrogen domestik memerlukan pengembangan lebih lanjut namun dapat memainkan peran penting di masa depan.

Industri:Hidrogen saat ini digunakan dalam berbagai proses industri penting. Ini termasuk penyulingan bensin, pembuatan baja, pengolahan logam dan produksi berbagai bahan kimia.

Tidak seperti hidrogen abu-abu, hidrogen hijau sepenuhnya terbarukan baik dari bahan sumbernya maupun pasokan energinya. Sebagai bahan sumbernya, hidrogen hijau saat ini biasanya dihasilkan dari air melalui proses yang dikenal sebagai elektrolisis, yang menggunakan arus listrik untuk memecah air menjadi molekul komponen hidrogen dan oksigen. Hal ini dilakukan dengan menggunakan alat yang disebut elektroliser, yang menggunakan katoda dan anoda (elektroda bermuatan positif dan negatif). Proses ini hanya menghasilkan oksigen – atau uap – sebagai produk sampingan. Sedangkan untuk pasokan energi, untuk memenuhi syarat sebagai "hidrogen hijau", sumber listrik yang digunakan untuk elektrolisis harus berasal dari energi terbarukan, seperti energi angin atau matahari.

Ada tiga jenis utama elektroliser:Basa, membran penukar proton (PEM), dan oksida padat. Ini bervariasi berdasarkan sifat bahan elektrolit yang digunakan. Elektroliser alkali menggunakan larutan berair dengan garam seperti basa untuk menghasilkan konduktivitas listrik, sedangkan elektroliser PEM menggunakan membran polimer padat (elektrolit). Elektroliser oksida padat menggunakan bahan keramik padat sebagai elektrolitnya, yang memungkinkannya beroperasi pada efisiensi listrik yang lebih tinggi dan suhu yang jauh lebih tinggi. Hal ini memungkinkan penggunaan uap dan panas eksternal sebagai sumber energi daripada mengandalkan listrik. Dengan demikian, elektrolisis oksida padat memungkinkan biaya operasi yang jauh lebih rendah, karena panas biasanya lebih murah dan kadang-kadang dihasilkan secara alami sebagai produk sampingan dari proses industri tertentu.

Bertahun-tahun yang lalu, hidrogen dipandang hanya sebagai solusi untuk evolusi kendaraan ramah lingkungan. Ketika kendaraan listrik semakin mendapat daya tarik, hidrogen semakin dipandang sebagai solusi bagi industri lain.

Permintaan hidrogen terus meningkat seiring dengan meluasnya penggunaannya di industri dan manufaktur untuk berbagai tujuan, termasuk penyulingan minyak, pembuatan baja, dan produksi semen. Namun, seiring dengan meningkatnya popularitas hidrogen, pentingnya hidrogen ramah lingkungan tidak dapat dilebih-lebihkan. Yang mengkhawatirkan, 98% hidrogen terbuat dari bahan bakar fosil tanpa pengendalian atau peraturan emisi karbon dioksida. Namun hidrogen hijau mempunyai potensi untuk mengubah hal tersebut—untuk selamanya.

Dari asap produksi pabrik komersial hingga asap knalpot mobil bertenaga bensin dan solar, produksi hidrogen ramah lingkungan mengurangi atau menghilangkan kebutuhan akan sumber energi bahan bakar fosil yang melepaskan karbon dioksida dalam jumlah besar ke udara. Dalam industri pusat data, seiring dengan berkembangnya sistem penyimpanan hidrogen, hidrogen dapat digunakan sebagai pengganti generator cadangan bertenaga diesel untuk memberi energi pada pusat data di masa depan. Hasilnya, banyak manfaat hidrogen ramah lingkungan yang memungkinkan pemerintah dan organisasi meningkatkan ketahanan energi nasional, menghemat bahan bakar, mengurangi emisi secara keseluruhan, dan mendiversifikasi pilihan energi transportasi mulai dari mobil hingga sistem angkutan umum yang luas.

Teknologi hidrogen ramah lingkungan diperkenalkan pada saat yang tepat. Badan Informasi Energi AS memperkirakan permintaan energi global akan meningkat sebesar 47% pada tahun 2050. Satu-satunya cara untuk mengimbangi permintaan tersebut dalam bentuk produksi energi minyak dan batubara adalah dengan mengadopsi metode yang lebih ramah lingkungan, seperti hidrogen ramah lingkungan.

Dan berkat terobosan teknologi yang pada dasarnya telah mendekarbonisasi produksi hidrogen, banyak perusahaan beralih ke penyeimbangan karbon dengan memanfaatkan hidrogen ramah lingkungan untuk mengurangi jejak karbon mereka dan memenuhi tujuan ESG yang agresif.

Proses menghasilkan hidrogen hijau memiliki keuntungan. Badan Energi Internasional (IEA) menyatakan bahwa hidrogen hijau menghemat sekitar 830 juta ton karbon dioksida yang dilepaskan setiap tahunnya dibandingkan jika gas tersebut diproduksi menggunakan metode bahan bakar fosil tradisional. Jumlah tersebut setara dengan jumlah emisi gabungan Inggris dan Indonesia selama satu tahun penuh!

Sama seperti teknologi baru lainnya, ada beberapa tantangan yang harus diatasi seiring dengan terjadinya ledakan hidrogen ramah lingkungan. Beberapa permasalahan yang perlu dipertimbangkan antara lain efisiensi proses dan biaya produksi dalam skala besar, selain membangun solusi penyimpanan bertekanan jangka panjang. Selain tantangannya, hidrogen hijau adalah teknologi baru yang menarik yang dapat membantu menyeimbangkan produksi energi ramah lingkungan dalam skala besar yang sangat dibutuhkan.

Sebagian besar peralihan dari penggunaan bahan bakar fosil melibatkan penggunaan listrik pada beberapa mesin sehari-hari yang kita gunakan yang menggunakan bahan bakar minyak dan gas – misalnya mobil dan transportasi lokal, dan pemanasan untuk rumah di beberapa negara, misalnya. Bagi sektor-sektor yang sudah menggunakan listrik, seperti komputer dan peralatan rumah tangga, listrik dari nuklir dan energi terbarukan seperti angin dan surya menggantikan batu bara.

Namun ada beberapa industri yang membutuhkan begitu banyak energi sehingga energi terbarukan tradisional tidak dapat memenuhi kebutuhannya. Hal ini menjadi masalah, karena industri-industri tersebut merupakan salah satu penghasil emisi gas rumah kaca terbesar.

Di sinilah para ahli mengatakan hidrogen hijau memiliki potensi yang sangat besar.
“Listrik dari sumber-sumber seperti tenaga angin, tenaga surya, dan nuklir sangat penting untuk mendekarbonisasi sistem energi kita – namun hal ini tidak dapat dilakukan sendirian, dan transportasi jarak jauh serta industri berat adalah rumah bagi emisi yang paling sulit dikurangi,” kata seorang analis energi di The Badan Energi Internasional.

“Hidrogen cukup serbaguna untuk mengisi beberapa kesenjangan penting ini – dalam menyediakan bahan baku penting untuk industri kimia dan baja atau bahan penting untuk bahan bakar rendah karbon untuk pesawat dan kapal,” kata Remme kepada CNN.

Mengoperasikan pesawat terbang atau kapal besar, misalnya, memerlukan begitu banyak energi sehingga baterai apa pun yang digunakan untuk menyimpan listrik dari tenaga surya atau angin kemungkinan besar akan terlalu besar dan berat untuk kapal tersebut. Sebaliknya, hidrogen hijau bisa berbentuk cair dan lebih ringan. Menurut Airbus, yang sedang mengembangkan pesawat komersial tanpa emisi, kepadatan energi hidrogen hijau tiga kali lebih tinggi dibandingkan bahan bakar jet yang kita gunakan saat ini.

Meskipun hidrogen hijau cair tidak mengeluarkan karbon, ia memiliki beberapa keterbatasan. Ketika dibakar di atmosfer terbuka, ia melepaskan sejumlah kecil dinitrogen oksida, yang merupakan gas rumah kaca yang kuat. Namun, jika hidrogen dimasukkan melalui sel bahan bakar, ia hanya akan mengeluarkan air dan udara hangat.

Beberapa pesawat kecil telah berhasil terbang dengan sel bahan bakar berbahan bakar hidrogen, meskipun teknologinya belum dikembangkan secara komersial.

Saat ini semua pihak sedang bekerja keras untuk mencapai target iklim. Transisi energi memang memerlukan dorongan besar. Hidrogen dapat memberikan kontribusi penting dalam hal ini. Kolaborasi sangat penting agar hidrogen dapat dimanfaatkan dengan sukses, misalnya, untuk berkontribusi terhadap pengurangan CO2 di industri, bahan bakar elektronik untuk pesawat terbang, dan penggunaan di lingkungan binaan. Namun investasi diperlukan dan terdapat pertanyaan.

Apa itu hidrogen?
Hidrogen adalah unsur paling umum di alam semesta kita. Dalam keadaan normal ia berbentuk gas dan kita menyebutnya gas hidrogen (H2). Hidrogen juga merupakan gas paling ringan yang kita kenal sehingga memiliki kepadatan energi per satuan volume yang rendah (dalam m3). Per beratnya (dalam kg), hidrogen memang memiliki kepadatan energi yang tinggi yaitu 120 megajoule (MJ) per kg. Jumlah tersebut hampir tiga kali lipat dibandingkan gas alam (45 MJ per kg). Hidrogen sering kali diberi tekanan. Namun, memberi tekanan (mengompresi) gas hidrogen juga memerlukan energi yang diperlukan (sekitar 10%).

Apa itu hidrogen abu-abu dan biru?
Hampir semua hidrogen yang saat ini diproduksi di seluruh dunia disebut 'hidrogen abu-abu'. Produksi saat ini dilakukan melalui Steam Methane Reforming (SMR). Di sini uap bertekanan tinggi (H2O) bereaksi dengan gas alam (CH4) menghasilkan hidrogen (H2) dan gas rumah kaca CO2. Di Belanda, sekitar 0,8 juta ton H2 diproduksi dengan cara ini, menggunakan empat miliar meter kubik gas alam dan menghasilkan emisi CO2 sebesar 12,5 juta ton.
Istilah 'hidrogen biru' atau 'hidrogen karbon rendah' ​​digunakan ketika CO2 yang dilepaskan dalam proses produksi hidrogen abu-abu sebagian besar (80-90%) ditangkap dan disimpan. Hal ini juga disebut CCS: Penangkapan & Penyimpanan Karbon. Hal ini bisa terjadi di ladang gas kosong di bawah Laut Utara. Tidak ada tempat lain di dunia ini yang memproduksi hidrogen biru dalam skala besar.

Apa itu hidrogen hijau?
Hidrogen hijau, juga dikenal sebagai 'hidrogen terbarukan', adalah hidrogen yang diproduksi dengan energi berkelanjutan. Yang paling terkenal adalah elektrolisis, di mana air (H2O) dipecah menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2) melalui listrik ramah lingkungan. Sejumlah besar pihak di Belanda sedang bereksperimen dengan elektroliser berskala megawatt ini. Hidrogen juga dilepaskan selama gasifikasi biomassa pada suhu tinggi.

Apa itu hidrogen pirus?
Hidrogen yang dihasilkan dari gas alam menggunakan teknologi pirolisis logam cair disebut 'hidrogen pirus' atau 'hidrogen karbon rendah'. Gas alam dilewatkan melalui logam cair yang melepaskan gas hidrogen serta karbon padat. Yang terakhir ini dapat menemukan penerapan yang berguna, misalnya pada ban mobil. Teknologi ini masih dalam tahap laboratorium dan memerlukan waktu setidaknya sepuluh tahun untuk merealisasikan pabrik percontohan pertama.

Apa perbedaan mendasar antara biru dan hijau?
Selain metode produksinya, terdapat beberapa perbedaan utama lainnya:
Hanya hidrogen ramah lingkungan yang dihasilkan melalui elektrolisis yang dapat memastikan bahwa sejumlah besar listrik berkelanjutan yang dihasilkan di laut dan darat dapat diintegrasikan dengan baik ke dalam sistem energi kita. Hanya elektrolisis yang dapat mengubah listrik menjadi hidrogen secara fleksibel (sesuai permintaan) dan kemudian menyimpannya.
Selain itu, pengembangan elektrolisis skala besar akan membantu memenuhi peningkatan permintaan listrik dan dengan demikian merangsang pertumbuhan energi berkelanjutan.
Ada juga perbedaan kualitas. Hidrogen hijau memiliki tingkat kemurnian yang lebih tinggi dan dapat langsung digunakan, misalnya pada sel bahan bakar kendaraan. Hidrogen biru memiliki tingkat kemurnian yang lebih rendah sehingga cukup untuk aplikasi industri.
Produksi hidrogen biru merupakan salah satu cara untuk 'dekarbonisasi' industri, yaitu mengurangi CO2, dalam skala besar dan dengan biaya yang relatif rendah.

Hidrogen putih dari tanah merupakan sumber energi bersih masa depan?
Kita sudah mengenal hidrogen abu-abu, biru, dan hijau, namun kini tampaknya hidrogen putih atau hidrogen alami juga tersedia. Itu berasal dari tanah, sama seperti gas alam. Ketika hidrogen dibakar dengan oksigen, hanya air yang dilepaskan. Hidrogen putih merupakan hidrogen alami dari bawah permukaan yang berpotensi menjadi sumber energi penting di masa depan jika dibuat melalui elektrolisis air dengan tenaga angin atau matahari (hijau).
Oleh karena itu, ia tidak dibuat dari abu alam atau batu bara (abu-abu), bahkan dengan menangkap CO2 terlebih dahulu (biru). Gas ini terutama digunakan untuk memanaskan proses di industri kimia dan produksi baja dan pupuk. Dalam peralihan dari energi fosil ke energi hijau, energi ini dapat berfungsi sebagai penyangga penyimpanan listrik selama periode tanpa sinar matahari dan angin.

Apa peran hidrogen dalam transisi energi?
Dalam bauran energi kita saat ini, sekitar 20% dipasok dalam bentuk listrik dan 80% dalam bentuk gas alam atau bahan bakar fosil cair (bensin, solar). Target iklim kami akan mengubah situasi ini secara signifikan dalam waktu dekat. Pangsa listrik yang dihasilkan oleh tenaga angin dan surya akan meningkat tajam. Untuk sejumlah aplikasi seperti transportasi berat, proses bersuhu tinggi di industri dan penerbangan, solusi kelistrikan yang baik masih kurang dan masih diperlukan gas yang berkelanjutan. Hidrogen dapat memainkan peran yang berguna di sini. Selain itu, hidrogen penting dalam bentuk penyimpanan skala besar pada saat tidak berangin dan berawan.

Negara mana saja yang juga mengerjakan hidrogen?
Negara-negara seperti Norwegia, Australia, Maroko, Chili, Arab Saudi, Tiongkok, dan Jepang sangat aktif menggunakan hidrogen hijau, terutama karena terdapat (potensi) ketersediaan energi terbarukan yang murah dari angin, matahari, atau tenaga air untuk menghasilkan hidrogen hijau. Namun pengecualiannya adalah Jepang, yang sangat bergantung pada impor untuk pasokan energinya dan telah mengembangkan strategi untuk mengimpor hidrogen (ramah lingkungan) dalam skala besar. Peran utamanya terletak pada pengembangan teknologi. Belanda berada dalam posisi yang baik berkat pengetahuan kita tentang teknologi gas dan elektrolisis, potensi besar energi angin di Laut Utara, dan industri padat energi yang perlu membuat komitmen kuat terhadap keberlanjutan.

Untuk apa kita menggunakan hidrogen?
Hidrogen sangat penting untuk industri proses. Sekarang ini terutama digunakan untuk produksi pupuk tetapi di masa depan juga dapat digunakan untuk proses suhu tinggi seperti produksi baja yang sekarang menggunakan gas alam atau batu bara. Selain itu, hidrogen akan berperan dalam mobilitas, misalnya pada bus antar kota yang harus menempuh jarak lebih jauh dan berkendara dengan listrik bukanlah solusi.

Apa arti hidrogen bagi warga negara?
Dalam jangka pendek, tidak banyak hal yang akan terlihat. Penggunaan hidrogen di rumah, misalnya, akan memakan waktu lama jika hal ini terjadi. Untuk sebagian besar rumah, jaringan pemanas kolektif atau pompa panas listrik menawarkan solusi yang lebih baik. Di bidang lalu lintas, jumlah mobil hidrogen (saat ini kurang dari seratus) dan jumlah stasiun pengisian hidrogen (pada tahun 2018: 3) perlahan akan meningkat.

Apa risikonya?
Hidrogen adalah gas yang sangat ringan, sangat mudah terbakar dan digunakan dalam mobilitas pada tekanan hingga 700 bar. Sama seperti gas lainnya, penting untuk menanganinya dengan hati-hati selama produksi, transportasi dan penggunaan, dan menyerahkannya secara eksklusif kepada perusahaan profesional. Jika hidrogen akan digunakan dalam jaringan pipa gas yang ada, penting untuk menyelidiki lebih lanjut bagaimana sebenarnya 'perilaku' hidrogen dalam praktiknya. Hidrogen lebih ringan dari gas alam dan lebih mudah keluar dari katup dan segel.

Apa yang dilakukan TNO dalam penelitian hidrogen?
TNO adalah organisasi independen yang melakukan penelitian terapan mutakhir. Penelitiannya tentang hidrogen berfokus pada produksi, infrastruktur, dan aplikasi (konversi dan penggunaan akhir). Pada tahun 2020, TNO melaksanakan lebih dari 50 proyek yang berkaitan dengan tema-tema tersebut. Tautan ke pilihan proyek-proyek ini dapat ditemukan di bawah (butir 15).

Seberapa jauh perkembangan hidrogen hijau?
Sekitar 230 proyek elektrolisis mulai beroperasi antara tahun 2000 dan 2018 dengan total kapasitas sekitar 100 MW (sumber: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Pada tahun 2020, kapasitas terpasang global adalah 200 MW dan sekitar 2.400 MW pada akhir tahun 2023. Angka-angka ini menunjukkan bahwa kita masih memulai dan perlu mengembangkan rantai pasokan yang benar-benar baru.
Kita membutuhkan perusahaan baru, pemasok baru, dan produsen baru untuk mengembangkan bahan dan komponen untuk sistem elektrolisis generasi mendatang yang lebih besar. Ini adalah peluang emas bagi industri teknologi tinggi Belanda. Sasaran Uni Eropa adalah memasang kapasitas elektrolisis sebesar 40 GW di Uni Eropa pada tahun 2030 dan 40 GW lainnya di Afrika Utara. Untuk mencapai tujuan ini kita perlu mempercepat laju inovasi teknologi dan proyek nyata.

Apa tantangan teknis terbesar yang ditimbulkan oleh elektrolisis?
Dalam hal elektrolisis air, saat ini terdapat empat teknologi yang tersedia (AEM, SOE, PEM dan Alkaline), masing-masing dengan kelebihan, kekurangan dan tingkat kematangannya masing-masing. Lihat video kami tentang produksi hidrogen menggunakan elektrolisis(terbuka di jendela atau tab baru) (merujuk ke situs web lain). Untuk keempat teknologi tersebut, tiga tantangan penelitian utama adalah:
untuk mengurangi belanja modal yang terkait dengan sistem
untuk meningkatkan efisiensi sistem
untuk mengatasi hambatan produksi skala besar sehingga kapasitas produksi elektroliser tahunan di seluruh dunia sebesar 30 GW dapat dicapai pada tahun 2030.

Produk dijual di seluruh wilayah Tiongkok dan diekspor ke negara-negara di seluruh dunia. Produk ini telah dijual di lebih dari 20 negara dan wilayah termasuk Amerika Serikat, Jerman, Maroko, Kenya, Arab Saudi, Vietnam, Aljazair, India, Tanzania, dan Taiwan. Berhasil menyediakan perusahaan terkenal seperti China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group dan perusahaan terkenal lainnya. Ada banyak stasiun hidrogenasi hidrogen hijau seperti Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, dll. yang menyediakan proyek ramah lingkungan dan pembuatan hidrogen.