Hidrogen Air Laut

ILMUWAN telah mengembangkan sistem yang dapat menghasilkan hidrogen hijau langsung dari air laut tanpa memerlukan proses pra-perawatan seperti desalinasi. Tim di balik pengembangan ini, yang melibatkan pengenalan lapisan asam Lewis pada katalis oksida logam transisi, mengatakan bahwa metode ini menunjukkan potensi besar untuk penerapan komersial.

Lebih dari 97% air di permukaan bumi adalah air asin di lautan, 2% disimpan sebagai air tawar di lapisan es, gletser, dan pegunungan yang tertutup salju, dan hanya 1% yang tersedia untuk kebutuhan pasokan air sehari-hari.

 
Air garam dapat dibuat menjadi air minum melalui proses yang disebut desalinasi, suatu teknik yang diandalkan oleh beberapa wilayah di dunia untuk menghasilkan air segar untuk konsumsi manusia dan untuk keperluan rumah tangga dan industri. Namun desalinasi adalah proses yang membutuhkan energi, dan yang lebih buruk lagi, desalinasi sering kali menggunakan sumber energi yang tidak berkelanjutan.

Pemisahan air menjadi bagian-bagian penyusunnya juga telah dipahami dengan baik. Prosesnya – dikenal sebagai elektrolisis – menggunakan arus searah antara dua elektroda yang direndam dalam elektrolit untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen terbentuk di katoda, atau elektroda negatif, dan oksigen di elektroda positif, atau anoda.

Karena campuran gas dapat meledak, sebagian besar elektroliser memisahkan anoda dan katoda dengan lembaran plastik tebal berpori, dan katalis logam seperti nikel dan besi digunakan untuk mempercepat reaksi.

Menggabungkan kedua proses ini, yaitu desalinasi air laut, dan kemudian memisahkannya untuk menghasilkan hidrogen telah lama dipuji sebagai salah satu solusi terbaik untuk menyediakan bahan bakar energi yang bersih dan terjangkau, yang pada gilirannya dapat menggerakkan segala hal mulai dari listrik kota, hingga pembuatan gas. baja, memproduksi pupuk, dan bahkan sebagai bahan bakar pesawat terbang – daftar potensi penggunaannya sangat panjang.

Namun, salah satu alasan kita belum menggunakan bahan bakar hidrogen untuk terbang keliling dunia adalah karena air asin dan kotoran lainnya menimbulkan korosi pada elektroda sehingga memperpendek umur elektroda. Karena komponen tersebut biasanya terbuat dari logam langka seperti platinum, biaya penggantiannya terlalu mahal. Ion klorida dalam air laut juga menjadi masalah dan reaksi elektro-oksidasi klorin (Cl2OR) bersaing dengan reaksi evolusi oksigen (OER) di anoda selama elektrolisis. Reaksi ini menghasilkan pelepasan spesies klorin yang beracun dan korosif seperti hipoklorit. Hipoklorit relatif tidak stabil, dapat melepaskan gas klorin beracun bila dicampur dengan amonia atau asam dan juga dapat menggerogoti baja tahan karat.

Untuk menyiasati hal ini, air laut dapat didesalinasi dan dimurnikan sebelum diolah, namun hal ini juga tidak selalu memungkinkan secara finansial. Pilihan lainnya adalah melapisi elektroda dengan polianion untuk menekan korosi, namun hal ini juga memerlukan biaya yang mahal.

Hanya sedikit solusi iklim yang tidak menimbulkan dampak buruk. Hidrogen “hijau”, yang dibuat dengan menggunakan energi terbarukan untuk memecah molekul air, dapat menggerakkan kendaraan berat dan mendekarbonisasi industri seperti pembuatan baja tanpa mengeluarkan sedikit pun karbon dioksida. Namun karena mesin pemecah air, atau elektroliser, dirancang untuk bekerja dengan air murni, peningkatan penggunaan hidrogen ramah lingkungan dapat memperburuk kekurangan air tawar global. Saat ini, beberapa tim peneliti melaporkan kemajuan dalam produksi hidrogen langsung dari air laut, yang dapat menjadi sumber hidrogen ramah lingkungan yang tidak ada habisnya.

Saat ini, hampir semua hidrogen dibuat dengan memecah metana, membakar bahan bakar fosil untuk menghasilkan panas dan tekanan yang dibutuhkan. Kedua langkah tersebut melepaskan karbon dioksida. Hidrogen hijau dapat menggantikan hidrogen kotor ini, namun saat ini harganya dua kali lipat lebih mahal, yaitu sekitar $5 per kilogram. Hal ini sebagian disebabkan oleh tingginya biaya elektroliser, yang mengandalkan katalis yang terbuat dari logam mulia. Departemen Energi AS baru-baru ini meluncurkan upaya selama satu dekade untuk meningkatkan elektroliser dan menurunkan biaya hidrogen hijau menjadi $1 per kilogram.

Jika upaya ini berhasil dan produksi hidrogen ramah lingkungan meroket, maka pasokan air tawar dunia akan semakin tertekan. Menghasilkan 1 kilogram hidrogen menggunakan elektrolisis membutuhkan sekitar 10 kilogram air. Pengoperasian truk dan industri utama yang menggunakan hidrogen ramah lingkungan memerlukan sekitar 25 miliar meter kubik air bersih per tahun, setara dengan konsumsi air di negara berpenduduk 62 juta jiwa, menurut Badan Energi Terbarukan Internasional.

Air laut hampir tidak terbatas, namun pemisahannya mempunyai masalah tersendiri. Elektroliser dibuat seperti baterai, dengan sepasang elektroda yang dikelilingi oleh elektrolit encer. Dalam satu desain, katalis di katoda memecah molekul air menjadi ion hidrogen (H+) dan hidroksil (OH-). Kelebihan elektron di katoda menjahit pasangan ion hidrogen menjadi gas hidrogen (H2), yang menggelembung keluar dari air. Sementara itu, ion OH- bergerak melalui membran antar elektroda untuk mencapai anoda, tempat katalis mengikat oksigen menjadi gas oksigen (O2) yang dilepaskan.

Namun ketika air laut digunakan, sentakan listrik yang sama yang menghasilkan O2 di anoda juga mengubah ion klorida dalam air asin menjadi gas klor yang sangat korosif, yang menggerogoti elektroda dan katalis. Hal ini biasanya menyebabkan elektroliser rusak hanya dalam beberapa jam padahal biasanya dapat beroperasi selama bertahun-tahun.

Hidrogen adalah bahan kimia serbaguna yang digunakan dalam produksi banyak produk, termasuk pupuk. Hidrogen juga merupakan komponen kunci dari teknologi sel bahan bakar, yang memanfaatkan listrik yang dihasilkan oleh sumber energi terbarukan namun bersifat periodik seperti matahari dan angin. Sebagian besar hidrogen yang diproduksi di seluruh dunia berasal dari proses di mana metana terkena panas dan uap untuk menghasilkan hidrogen.

Hidrogen juga dapat dihasilkan dari elektrolisis air, yang menggunakan listrik untuk memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen yang didukung oleh sumber terbarukan seperti tenaga surya dan angin. Tapi ada batasannya. Elektrolisis memerlukan air yang sangat bersih dan telah dideionisasi, artinya semua kotoran, mineral, dan partikel bermuatan elektronik harus dihilangkan terlebih dahulu. Proses pemurnian air konvensional memerlukan peralatan mahal dan dapat mengakibatkan hilangnya energi.

Para peneliti di Departemen Kesehatan dan Teknik Lingkungan Universitas Johns Hopkins, bekerja sama dengan Penn State University, telah menemukan cara untuk menggunakan air laut sebagai sumber langsung hidrogen, tanpa memerlukan desalinasi awal. Hasilnya muncul di Ilmu & Teknologi Lingkungan.

“Kami menemukan bahwa kami dapat menggunakan membran komposit film tipis, yang digunakan untuk memurnikan air garam, dalam elektroliser air, memecah air menjadi gas hidrogen dan oksigen, sekaligus menghindari produksi gas klorin berbahaya, seperti yang terjadi pada jenis membran lainnya.”
Dalam studi mereka, Rossi dan rekannya menguji membran komposit film tipis langsung di elektroliser – perangkat yang menggunakan listrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen – menghasilkan pemurnian air dan produksi hidrogen dalam satu langkah. Mereka menemukan bahwa struktur mikro berpori bahan hanya memungkinkan proton kecil dan ion hidroksida bermigrasi melintasi membran, menolak kotoran dan ion lain yang dapat menghasilkan reaksi yang tidak diinginkan. Para peneliti mengatakan bahwa pendekatan baru ini dapat menggantikan sistem konvensional, dimana membran penukar ion yang mahal digunakan dalam kombinasi dengan umpan air ultra murni.

“Membran desalinasi air yang murah dapat menjadi alternatif terhadap membran berbasis polimer yang lebih mahal dan dapat digunakan untuk produksi hidrogen dari sumber air bermutu rendah seperti air laut,” kata Rossi. “Hasilnya adalah proses produksi hidrogen yang efisien dari sumber energi terbarukan yang menghilangkan kebutuhan akan pemurnian air.”

Dia mencatat bahwa air laut sulit digunakan dalam elektroliser karena salinitasnya yang tinggi. Namun, ketersediaannya melimpah dan tersedia di lokasi seperti daerah pesisir, di mana listrik terbarukan seperti tenaga surya dan angin dapat dihasilkan, namun ketersediaan air bersih rendah. Di lokasi tersebut, sumber air kualitas rendah lainnya seperti air limbah berpotensi digunakan sebagai pengganti air laut dalam proses ini.

Tim yang didanai oleh US National Science Foundation mengintegrasikan teknologi pemurnian air ke dalam desain pembuktian konsep baru untuk elektroliser air laut, yang menggunakan arus listrik untuk memisahkan hidrogen dan oksigen dalam molekul air.

Metode baru untuk "pemisahan air laut" ini dapat mempermudah mengubah energi angin dan matahari menjadi bahan bakar yang dapat disimpan dan dibawa-bawa, menurut Bruce Logan, seorang insinyur lingkungan.

“Hidrogen adalah bahan bakar yang hebat, namun Anda harus membuatnya,” kata Logan. “Satu-satunya cara berkelanjutan untuk melakukan hal tersebut adalah dengan menggunakan energi terbarukan dan memproduksinya dari air. Anda juga perlu menggunakan air yang orang tidak ingin gunakan untuk hal lain, dan itu adalah air laut. Jadi, cawan suci dalam memproduksi hidrogen adalah menggabungkan air laut dan energi angin dan matahari yang ditemukan di lingkungan pesisir dan lepas pantai."

Meskipun air laut melimpah, namun tidak umum digunakan untuk pemisahan air. Kecuali jika air didesalinasi sebelum dimasukkan ke dalam elektroliser, yang merupakan langkah tambahan yang mahal, ion klorida dalam air laut akan berubah menjadi gas klorin beracun, yang akan menurunkan kualitas peralatan dan merembes ke lingkungan.

Untuk mencegah hal ini, para peneliti memasukkan membran tipis semipermeabel, yang awalnya dikembangkan untuk memurnikan air dalam proses pengolahan osmosis balik. Membran reverse osmosis menggantikan membran penukar ion yang biasa digunakan dalam elektroliser.
“Ide di balik osmosis balik adalah Anda memberikan tekanan yang sangat tinggi pada air dan mendorongnya melalui membran dan menjaga ion klorida tetap berada di dalamnya,” kata Logan.

Melalui serangkaian percobaan yang dipublikasikan di Energy & Environmental Science, para peneliti menguji dua membran reverse osmosis yang tersedia secara komersial dan dua membran penukar kation, sejenis membran penukar ion yang memungkinkan pergerakan semua ion bermuatan positif dalam sistem.

Energi bersih adalah prioritas utama bagi negara-negara di seluruh dunia. Meskipun energi konvensional bergantung pada bahan bakar fosil seperti batu bara, gas alam, dan minyak, energi ramah lingkungan hadir dalam berbagai bentuk seperti tenaga surya, angin, panas bumi, pembangkit listrik tenaga air, dan biomassa.

Hidrogen juga merupakan pilihan penyimpanan energi utama untuk energi terbarukan dan dapat membantu mengurangi tingginya tingkat emisi karbon.
Penelitian saat ini menunjukkan bahwa elektrolisis air asin – proses pemisahan air menjadi oksigen dan hidrogen – adalah solusi yang tepat untuk tantangan umum elektrolisis air tawar. Elektrolisis air laut dapat menghasilkan hidrogen yang berkelanjutan tanpa memperburuk kekurangan air tawar global.

Menurut Pusat Data Bahan Bakar Alternatif Departemen Energi Amerika Serikat, hidrogen murni adalah elemen melimpah di Bumi yang sangat menjanjikan dalam mendukung transisi menuju energi bersih, berkelanjutan, dan terbarukan.

Setelah hidrogen diproduksi, ia dapat menghasilkan listrik di sel bahan bakar dan hanya mengeluarkan uap air dan udara hangat. Karena hidrogen tidak melepaskan gas rumah kaca, nitrogen oksida, hidrokarbon, atau materi partikulat lainnya, maka hidrogen tidak berdampak negatif terhadap lingkungan.
Hidrogen memiliki manfaat lain yang akan membantu menciptakan perekonomian energi bersih. Ini adalah solusi energi optimal di area yang sulit melakukan dekarbonisasi. Hal ini meningkatkan keandalan dan ketahanan jaringan listrik modern. Hal ini juga dapat meningkatkan kesehatan masyarakat dan keadaan lingkungan.

Selain itu, dapat meningkatkan jumlah lapangan kerja dan ketahanan energi di industri global. Hal ini dapat membantu industri transportasi menjadi lebih berkelanjutan dan mendukung peralihan ke kendaraan listrik (EV). Dan hal ini dapat berkontribusi terhadap peningkatan pendapatan dan memperkuat perekonomian dunia.

Salah satu tantangan yang meningkatkan biaya produksi hidrogen ramah lingkungan adalah bahwa elektroliser memerlukan air ultra murni. Hal ini membuat elektrolisis air asin tradisional menjadi sulit karena banyak sumber air mengandung kontaminan.
Meskipun EPA memiliki persyaratan ketat untuk air karena adanya timbal, klorin, dan bakteri, hal ini tidak berarti semua air bebas dari kontaminan.

Elektrolisis air laut
Penelitian elektrolisis air laut muncul pada awal abad ke-19. Meskipun para ilmuwan membuat kemajuan dalam produksi hidrogen, hal ini tidak pernah mendapatkan daya tarik atau menjadi solusi energi yang layak. Pada abad ke-20, hidrogen sebagian besar diekstraksi dari gas alam dan digunakan untuk menggerakkan mobil, bus, balon udara, dan roket.

Meskipun penggunaan hidrogen ini layak dilakukan, produksinya memerlukan banyak energi dan berkontribusi terhadap emisi karbon, salah satu penyebab utama perubahan iklim. Selain itu, beberapa kota menyaring limbah padat perkotaan dengan teknologi sel bahan bakar hidrogen, yang menghasilkan hidrogen dan mencegah kontaminasi yang berasal dari limbah pada pasokan air setempat.

Berbagai peneliti dan ilmuwan sedang mengembangkan teknologi canggih menggunakan elektrolisis air laut untuk menghindari tantangan ini. Jika teknologi ini berfungsi dengan baik, maka mereka akan menghasilkan hidrogen yang berkelanjutan tanpa menggunakan sumber daya air tawar atau berkontribusi terhadap emisi karbon.

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.