Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

FUEL CELL: Teknologi Bersih yang Menjanjikan

Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan sel elektrokimia yang mampu mengkonversi bahan bakar (fuel) menjadi energi listrik. Sel ini dapat digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar, maupun skala kecil, misalnya untuk keperluan rumah tangga, atau biasa disebut dengan microCHP (micro Combined Heat and Power) yang mampu menyediakan kebutuhan listrik dan panas bagi rumah tangga. Fuel cell juga dapat digunakan dalam bidang otomotif. Bahkan Brazil telah melakukan uji coba prototipe bus fuel cell pada tahun 2009, yang bahan bakarnya, yaitu hydrogen, diproduksi dari elektrolisis air pada suatu stasiun produksi gas hidrogen. Pada tahun 2003, Honda juga telah meluncurkan mobil berbahan bakar hidrogen dengan menerapkan teknologi fuel (Honda FCX). DeimlerChrysler di Eropa bahkan telah meluncurkan proyek Sarana Transportasi Kota yang bersih untuk Eropa (CUTE = Clean Urban Transport for Europe) akhir tahun 2001 berupa sejumlah bus berbahan fuel cell yang beroperasi di Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxemburg, Madrid, dan Reykjavik (Islandia).

Berbeda dengan teknologi penghasil energi yang berbasis pembakaran, teknologi ini bersih, karena jika digunakan hidrogen sebagai bahan bakar, maka tidak akan dihasilkan karbon dioksida ({\rm CO}_2) sebagai hasil samping produksinya. Sedangkan jika digunakan bahan bakar hidrokarbon, yang bersumber dari bahan bakar fosil, maka karbon dioksida masih akan diproduksi, tetapi dengan kuantitas yang jauh lebih rendah dibandingkan karbon dioksida yang dihasilkan oleh mesin penghasil energi yang berbasiskan teknologi pembakaran. Berkaitan dengan fleksibilitas bahan bakar yang bisa digunakan tersebut, fuel cell juga dinyatakan sebagai teknologi yang berkelanjutan, karena selain mengandalkan gas hidrogen murni sebagai bahan bakar, teknologi ini juga tetap bisa menggunakan bahan bakar fosil, seperti gas metana, butana, etanol, metanol dan sebagainya.

Skema komponen-komponen penyusun fuel cell dan reaksi di dalamnya

Skema komponen-komponen penyusun fuel cell dan reaksi di dalamnya.

Prinsip dasar kerja fuel cell pertama kali ditemukan oleh seorang ilmuwan Jerman bernama Christian Frederic Schonbein pada tahun 1838, dan dipublikasikan dalam suatu majalah ilmiah. Sketsa pertama dari fuel cell dibuat oleh Sir William Robert Grove tahun 1842 pada majalah ilmiah Philosophical Magazine and Journal of Science. Tahun 1955, seorang ahli kimia, W Thomas Grubb, yang bekerja pada Perusahaan General Electric, memodifikasi desain fuel cell dengan mengaplikasikan membran penukar ion-polistiren tersulfonasi. Tiga tahun kemudian, modifikasi dilanjutkan oleh Leonard Niedrach, dengan mendeposisikan platinum pada membran polistiren tersebut. Platinum tersebut berfungsi sebagai katalis (pemercepat reaksi) bahan bakar. Selanjutnya perusahaan General Electric bekerjasama dengan NASA dalam Proyek Gemini, yang merupakan proyek yang pertama kali mempergunakan fuel cell secara komersial.

Tahun 1959, seorang Insinyur Inggris Francis Thomas Bacon, berhasil mengembangkan fuel cell yang mampu menghasilkan daya 5 kW. Pada tahun yang sama, Harry Ihrig dan timnya mampu membuat fuel cell berdaya 15 kW. UTC Power merupakan perusahaan yang pertama kali memproduksi secara komersial fuel cell stasioner yang digunakan sebagai pembangkit energi cadangan pada rumah sakit, universitas-universitas, maupun gedung-gedung perkantoran. Sampai akhir 2009, UTC Power telah memasarkan fuel cell dengan produksi daya mencapai 400 kW. Perusahaan ini juga tetap mensuplai fuel cell untuk NASA, selain juga mengembangkannya sebagai sumber energi dalam bidang otomotif. Perusahaan ini pula yang pertama kali mendemonstrasikan fuel cell untuk otomotif, yang menggunakan membrane PEM (proton exchange membrane) yang mampu beroperasi pada kondisi beku.

Beberapa contoh penggunaan fuel cell dalam kendaraan bermotor

Beberapa contoh penggunaan fuel cell pada kendaraan bermotor.

Jenis-jenis fuel cell dapat dibedakan berdasarkan temperatur operasionalnya. Fuel cell yang dioperasikan pada temperatur kurang dari atau sampai 200^\circ{\rm C}, contohnya yaitu PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) dan DMFC (Direct methanol fuel cell). Kedua jenis fuel cell tersebut sudah dalam tahap komersial, tetapi risetnya masih berlanjut sampai sekarang dalam rangka meningkatkan efisiensinya. Fuel cell yang dioperasikan pada temperatur sedang, yaitu antara 600-800^\circ{\rm C}, contohnya adalah MCFC (molten carbonate fuel cell) yang mampu menghasilkan daya sampai 100 MW dan DCFC (Direct Carbon Fuel Cell). Meskipun kedua jenis ini sudah sampai pada tahap komersial, risetnya juga tetap berlangsung dalam rangka peningkatan efisiensinya. Sedangkan fuel cell yang dioperasikan pada temperatur tinggi antara 850-1100^\circ{\rm C} adalah SOFC (solid oxide fuel cell). Kelebihan dari SOFC ini adalah tidak diperlukan keberadaan katalis dalam sistemnya, sehingga biaya produksinya dapat diturunkan, karena katalis merupakan material yang cukup mahal serta mudah teracuni oleh hasil samping reaksi dalam sel, yaitu karbon monoksida atau teracuni oleh kandungan sulfur dalam bahan bakarnya.

Salah satu jenis fuel cell yang cukup menarik adalah fuel cell yang menggunakan bakteri sebagai katalis. Tepatnya, menggunakan enzim dari bakteri tersebut sebagai katalis, dikarenakan enzim dari bakteri mikroba tersebut bersifat aktif secara elektrokimia, yaitu mampu mentransfer elektron-elektron ke material lain. Pada fuel cell jenis ini, yang biasa disebut dengan microbial fuel cell, bahan bakar dioksidasi oleh mikroorganisme di anoda, menghasilkan elektron-elektron dan proton-proton. Elektron-elektron ditransfer ke katoda melalui sirkuit eksternal, sedangkan proton-proton ditransfer ke katoda melalui separator membran.

Perkembangan teknologi yang menghasilkan sumber energi yang bersih dan dapat diperbarui sangat diperlukan saat ini, dengan tujuan utama mengurangi pelepasan karbon dioksida ke dalam atmosfir bumi yang berkontribusi besar pada pemanasan global. Bahkan, pemerintah Indonesia telah menjadikan hal tersebut sebagai salah satu kebijakannya yang tertuang dalam Peraturan Pemerintah RI tahun 2006. Dalam PP tersebut ditetapkan bahwa 5% dari konsumsi energi nasional harus merupakan sumber energi baru. Dewan riset nasional, pada tahun 2006 juga sudah mencanangkan bahwa pada tahun 2025, sel bahan bakar dengan kapasitas 250 MW harus sudah dikembangkan. Dengan perkembangan pesat riset-riset fuel cell di luar negeri, bahkan teknologi ini telah memasuki tahap komersial di negara-negara maju tersebut, terutama dalam bidang otomotif. Kita berharap bangsa Indonesia mampu secara mandiri mengembangkan teknologi ini sehingga tidak hanya menjadi pangsa pasar bagi produk-produk fuel cell dari Negara lain.

Saat ini para peneliti yang tergabung dalam konsorsium Fuel Cell Indonesia (FCI) telah menghasilkan prototype skala laboratorium pembangkit listrik tenaga (PLT) Fuel Cell dengan kapasitas 500 watt untuk pemakaian di rumah tangga. Penelitian-penelitian pembuatan komponen-komponen fuel cell telah dilakukan secara parsial di berbagai lembaga penelitian seperti LIPI, BPPT, Batan, ITB, UI, Lemigas maupun PLN. Selanjutnya, prototype PLT fuel cell tersebut akan dikembangkan untuk skala industri. Cetak biru produksi PLT fuel cell telah dibuat oleh konsorsium FCI dan telah ada industri yang tertarik untuk memproduksinya, yaitu Medco Energy. Dengan bantuan kebijakan dari pemerintah baik berupa pemberian insentif maupun keringanan pajak, diharapkan dapat menurunkan biaya produksi dan pembangkitan PLT fuel cell tersebut sehingga mampu bersaing dengan pembangkit listrik konvensional yang telah ada.

PLTU, Suralaya, Cilegon, Banten

PLTU, Suralaya, Cilegon, Banten.

Pengembangan selanjutnya adalah meningkatkan kandungan lokal dalam PLT fuel cell, antara lain pada bahan baku polimer dan oksida padat yang digunakan. Sedangkan gas hidrogen, sebagai bahan bakar fuel cell, keberadaannya melimpah di Indonesia. Dari PLTU Suralaya saja, gas hidrogen dihasilkan sebagai produk samping sebanyak 150 ton per hari, sedangkan yang dimanfaatkan kembali untuk pembangkitnya hanya 20 ton per hari. Dengan ketersediaan bahan bakar, bahan baku komponen fuel cell, serta para peneliti yang kompeten, maka selayaknyalah bangsa Indonesia menyandarkan harapan pada kelompok-kelompok riset di bidang fuel cell tersebut, baik yang berasal dari universitas-universitas, maupun lembaga-lembaga penelitian di Indonesia untuk mampu mengembangkan teknologi fuel cell sebagai pembangkit energi yang bersih, secara mandiri.

Bahan bacaan:

Penulis:
Fitria Rahmawati, dosen Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta dan kandidat doktor di KK Kimia Anorganik dan Fisik Institut Teknologi Bandung. Kontak: fi_rahmawati(at)yahoo(dot)com.