Apa itu Hidrogen?

Hidrogen, dengan simbol elemen H, atau seringkali direpresentasikan menggunakan H₂, adalah salah satu zat gas yang merupakan elemen paling melimpah dan sederhana di alam semesta. Saat ini, hidrogen semakin dikenal karena potensinya sebagai pembawa energi bersih [1, 2].

Sifat kimia penting yang paling awal diketahui mengenai Hidrogen ialah kapabilitasnya untuk terbakar dengan oksigen dalam membentuk air (H₂O).

Warna-warna dari Hidrogen melambangkan metode produksinya, yang paling umum merupakan hidrogen ‘abu-abu’ (Grey), yang diproduksi menggunakan proses Steam-Methane Reformation(SMR), hidrogen ‘biru’ (Blue), yang diproduksi menggunakan proses yang sama dan ditambahkan unit penangkapan karbon (CCS / CCUS), dan hidrogen ‘hijau’ (Green) ketika diproduksi menggunakan energi terarukan, seperti melalui elektrolisis dengan listrik yang dihasilkan dari Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS).

Produksi hidrogen bisa diklasifikasikan menurut sumber energi atau bahan baku utamanya [9].

Steam-Methane Reforming (SMR)

Saat ini, 95% dari hidrogen yang diproduksi di Amerika Serikat menggunakan gas alam yang mengandung metana (CH₄); dan bisa memproduksi hidrogen melalui proses termal seperti SMR atau oksidasi parsial [13].

Proses SMR memanfaatkan uap suhu tinggi (700°C – 1,000°C) yang bereaksi dengan metana di bawah tekanan 3 – 25 bar. Hasil dari proses tersebut adalah hidrogen dan emisi gas rumah kaca (GRK) seperti karbon monoksida dan karbon dioksida.

Pada proses “water-gas shift reaction”, karbon monoksida dan uap bereaksi menggunakan katalis, yang dapat memproduksi karbon dioksida dan hidrogen tambahan. Proses terakhirnya, yang disebut “pressure-swing adsorption” menghapus karbon dioksida dan kotoran-kotoran lainnya dari aliran gas nya, sehingga meninggalkan hidrogen murni.

Reaksi SMR dan water-gas shift reaction dapat dilihat pada persamaan berikut:

Reaksi SMR

CH₄ + H_2­O (+ heat) -> CO + 3H₂

Reaksi Water-gas shift

CO + H₂O -> CO₂ + H₂ (+ small amount of heat)

Elektrolisis

Produksi hidrogen hijau umumnya merupakan produksi menggunakan energi listrik terbarukan; proses yang paling umum digunakan sekarang adalah elektrolisis. Air (H₂O), dapat dibelah menjadi dua komponen, yaitu hidrogen dan Oksigen (O₂); reaksi ini membutuhkan energi dan terjadi dengan memisahkan molekul yang bersangkutan [9].

Saat ini, elektroliser komersial dibagi berdasarkan rentang suhu, Alkaline Water Electrolysis(AWE) dan elektroliser Proton Exchange Membrane(PEM) beroperasi pada suhu di bawah 100°C; dan untuk suhu di atas 500°C, Solid Electrolyser Cell (SOEC) digunakan untuk mengatasi uap air [9].

Apa itu Amonia

Amonia (NH₃) adalah senyawa kimia dari hidrogen dan nitrogen. Sekitar 70% amonia digunakan untuk sintesis pupuk pertanian; dan sisanya digunakan untuk beragam senyawa industri, seperti untuk plastik dan bahan peledak.

Saat membahas energi terbarukan atau hidrogen ke amonia, umumnya amonia digunakan sebagai penyimpanan atau pembawa energi. Setelah proses penggabungan gas Hidrogen dengan gas Nitrogen untuk membuat amonia, sebaliknya dilakukan saat hidrogen dibutuhkan. Hidrogen dapat diekstraksi dengan memanaskan amonia sampai temperatur tinggi [10].

Sintesis Amonia

Amonia yang dihasilkan dalam skala industri telah dilakukan selama lebih dari 100 tahun, dan pengembangannya selalu dilakukan dengan fokus terhadap efisiensi, dikarenakan proses produksinya kompleks dan sangat energy intensive[3].

Amonia juga dapat ditemukan di alam, hampir secara eksklusif dalam bentuk garam amonium dan dekomposisi bahan organik. Pada tahun 1908, proses Haber-Bosch mulai dikembangkan, dan masih digunakan pada industri hingga saat ini [4].

Pada tahun 1913, siklus sintesis Haber-Bosch komersil pertama dibangun oleh BASF di Jerman, dengan kapasitas produksi 30 ton NH₃ per hari [5].

Proses Haber-Bosch

Siklus sintesis amonia yang terkenal ini saat ini digunakan di lebih dari 96% fasilitas produksi amonia di seluruh dunia, dengan semua nitrogen yang diperoleh dalam proses ini berasal dari udara, dan hidrogen dari bahan bakar fosil, menggunakan gas alam, minyak, atau batu bara sebagai bahan baku. Sumber hidrogen tidak terlalu penting karena dapat diperoleh dari sumber yang ramah lingkungan juga, dan proses ini tidak akan berubah untuk berbagai sumber hidrogen atau nitrogen. [6, 7, 8]

Umumnya, diagram produksi amonia seperti Gambar 1. Berikut:

Gambar 1: Siklus sintesis Amonia, berdasarkan [9]

Tiga langkah utama yang ditunjukkan di atas adalah kompresi, kondensasi amonia, dan reaksi.

Bergantung pada kemurnian bahan baku, yaitu hidrogen dan nitrogen, pembersihan terus-menerus mungkin diperlukan untuk menstabilkan tekanan karena mungkin ada penumpukan zat inert dalam siklus, yang terdiri dari metana dan argon.

Tantangan utama dalam proses ini adalah menyelaraskan proses Haber-Bosch yang berkelanjutan dengan sifat intermiten energi terbarukan [11], karena reaktor sintesis amonia memerlukan kondisi operasi yang stabil, di mana siklus tekanan dan suhu dapat menyebabkan kegagalan yang mirip dengan kelelahan, dan siklus suhu dapat merusak katalis.

JGC   telah terlibat dalam beberapa proyek untuk memproduksi amonia dari hidrogen, terutama , bekerja sama dengan Institut Nasional Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Industri Lanjutan Jepang, memanfaatkan Solar PV untuk elektrolisis air, dan sintesis amonia pada suhu dan tekanan rendah, menghasilkan 47 kW dengan turbin gas amonia. [15]

Selain itu, JGC juga sedang mengembangkan bekerja sama dengan Asahi Kasei, dengan menggunakan sistem elektrolisis air alkali. [16]

Penyimpanan dan Transportasi Amonia

Seperti yang telah kita sebutkan sebelumnya, amonia memiliki banyak kegunaan, termasuk sebagai media penyimpanan energi. Dimana kemampuan adaptasi amonia dan kemampuannya untuk menyimpan dan mengangkut hidrogen adalah potensi sebenarnya.

Kontainer yang dapat digunakan untuk menyimpan amonia berkisar dari kontainer kecil hingga tangki penyimpanan besar. Kontainer ini bisa berbentuk bola atau silinder tergantung pada kapasitas penyimpanan yang diperlukan dan persyaratan lain seperti standar atau persyaratan keselamatan.

Biasanya, penyimpanan untuk amonia di fasilitas produksi amonia dapat menampung produksi minimum 15 hari, yang membantu sebagai kapasitas penyangga untuk mengkompensasi fluktuasi produksi dan permintaan antara unit produksi dan unit hilir atau distribusi. [12]

Untuk jarak yang jauh dan jumlah amonia yang besar, pengaliran melalui pipa lebih cocok dibandingkan pengangkutan melalui tongkang atau kereta api, meskipun akan terbatas pada lokasi-lokasi tertentu yang telah memiliki jaringan pipa.

Bila sarana transportasi tidak tersedia, untuk jarak kurang dari 150 km, transportasi truk umumnya dipertimbangkan meskipun ini termasuk metode yang paling mahal. Secara umum, pilihan transportasi Amonia saat ini adalah kapal, tongkang, jaringan pipa, rel kereta api, dan truk; dengan infrastruktur, akses, dan biaya sebagai pertimbangan utama.

Referensi

[1] https://ijtech.eng.ui.ac.id/article/view/7171

[2] https://www.britannica.com/science/hydrogen

[3] F. B. Juangsa, A. R. Irhamna and M. Aziz, “Production of ammonia as potential hydrogen carrier: Review on thermochemical and electrochemical processes,” International journal o f hydrogen energy, vol. 46, pp. 14455-14477, 2021.

electrochemical processes,” International journal o f hydrogen energy, vol. 46, pp. 14455-14477, 2021.

[4] B. Wang, T. Li, F. Gong, M. H. D. Othman and R. Xiao, “Ammonia as a green energy carrier: Electrochemical synthesis and direct

ammonia fuel cell - a comprehensive review,” Fuel Processing Technology, vol. 235, 2022.

[5] V. Pattabathula and J. Richardson, “Introduction to Ammonia Production,” American Institute of Chemical Engineers (AIChE), pp. 69-75, 2016.

[6] A. K. Hill, C. Smith and L. Torrente-Murciano, “Current and future role of Haber-Bosch ammonia in a carbon-free energy landscape,” Energy Environ. Sci., 2020.

[7] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236123015132

[8] K. H. R. Rouwenhorst, P. M. Krzywda, N. E. Benes, G. Mul and L. Lefferts, “Ammonia, 4. Green Ammonia Production,” Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, pp. 1-20, 2020.

[9] https://ptx-hub.org/publication/ammonia-paper-1-ammonia-nitrogen-and-green-hydrogen-production-and-purification/

[10] https://kleinmanenergy.upenn.edu/research/publications/ammonias-role-in-a-net-zero-hydrogen-economy/#:~:text=Ammonia%20to%20the%20Rescue?,of%20this%20proposed%20storage%20solution.

[11] IRENA and AEA, “Innovation Outlook: Renewable Ammonia,” International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, Ammonia Energy Association, Brooklyn., 2022.

[12] https://ptx-hub.org/publication/ammonia-paper-2-ammonia-transport-and-storage/

[13] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming

[14] O. ELISHAV, B. M. LIS, A. VALERA-MEDINA and G. GRADER, “Storage and Distribution of Ammonia,” in Techno-Economic Challenges of Green Ammonia as an Energy Vector, 2021, pp. 85-103.

[15] https://www.jgc.com/en/business/hydrogen/#3

[16] https://www.jgc.com/en/news/2023/20230322-3.html#:~:text=3.,for%20fiscal%202027%20and%20beyond.

Artikel ini ditulis oleh :

Fauzaan Radinka Sudrajat

Sales & Marketing staff

Kembali