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

Hidrogen dari Teknologi Nuklir

Di masa yang akan datang, hidrogen dianggap memiliki prospek yang cerah dalam bidang energi. Dengan adanya teknologi fuel cell, hidrogen lebih mudah dikonversi ke dalam bentuk energi listrik sehingga ke depannya peran minyak dan gas sebagai bahan bakar transportasi dapat digantikan oleh hidrogen dan fuel cell tanpa menghasilkan emisi karbon.

Meski hidrogen di alam sangat melimpah, jumlah hidrogen bebas (H2) yang terdapat di atmosfer masih kurang dari satu ppm (parts per million). Sebagian besar hidrogen di alam bercampur dengan beberapa elemen lain. Sebagai contoh, air merupakan kombinasi antara hidrogen dan oksigen, hidrokarbon merupakan kombinasi antara hidrogen dengan karbon pada minyak, gas, dan batubara.

Berdasarkan fakta di atas, hidrogen tidak dianggap sebagai sumber energi utama. Hidrogen diperoleh dari konversi beberapa energi yang sudah ada seperti energi fosil, energi nuklir, dan energi terbarukan lainnya. Kini yang menjadi tantangan adalah memisahkan hidrogen dari elemen lainnya secara efisien, ekonomis, dan ramah lingkungan.

Ed49-teknologi-1

Menurut laporan dari Energy Information Administration (US-EIA) tahun 2008, setiap tahunnya Amerika Serikat memproduksi 10-11 juta metrik ton hidrogen. Sebagian besar digunakan untuk memenuhi kebutuhan kilang minyak dan industri kimia. Menurut laporan penelitian dari Lisa Jeram, seorang analis senior dari Pike Research, pada tahun 2020 akan ada 5200 stasiun pengisian hidrogen untuk Fuel Cell Vehicle (FCV) di seluruh dunia, meningkat dari 200 stasiun pada 2010.

Peningkatan stasiun pengisian hidrogen ini diakibatkan oleh adanya penambahan kebutuhan hidrogen dari 775 ribu kilogram di tahun 2010 menjadi 418 ribu kilogram di tahun 2020. Berdasarkan laporan ini, permintaan akan tumbuh secara dramatis pada tahun 2015. Pertumbuhan tersebut disebabkan oleh komersialisasi FCV di tahun 2015, sedangkan pertumbuhan permintaan di tahun 2010 hingga 2014 relatif rendah.

Di Jepang, pembangunan stasiun pengisian hidrogen telah dimulai sejak Mei 2009, sedangkan komersialisasi FCV baru akan dilakukan pada tahun 2015 setelah seluruh stasiun pengisian hidrogen selesai dibangun. Menurut Ian Hore Lacy, Director for Public Communications, World Nuclear Association, Jepang menargetkan produksi lima juta unit mobil fuel cell hingga tahun 2020. Hadirnya FCV akan mengurangi ketergantungan pada minyak ataupun gas. Namun, dengan meningkatnya jumlah FCV di masa mendatang, perlu disiapkan pula unit-unit produksi hidrogen dengan skala yang lebih besar dan tentunya ekonomis.

Salah satu sumber energi utama yang dapat digunakan untuk memproduksi hidrogen adalah pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) atau reaktor nuklir. Berbeda dengan sistem produksi hidrogen lainnya, hidrogen di reaktor nuklir merupakan produk sampingan. Dengan menggunakan reaktor nuklir, proses produksi hidrogen dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu: elektrolisis, termokimia, dan hibrid. Fungsi utama reaktor nuklir sebagai pembangkit listrik juga tidak terganggu.

Listrik yang diproduksi oleh reaktor nuklir digunakan untuk memproduksi hidrogen dengan metode elektrolisis. Ada pula metode termokimia yang menggunakan panas pada pendingin reaktor nuklir. Gabungan dari kedua metode tersebut menjadi suatu metode hibrida, yaitu elektrolisis dan termokimia sekaligus.

Metode elektrolisis adalah proses pemisahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan bantuan energi listrik dan panas. Semakin tinggi energi panas yang dipakai, semakin kecil energi listrik yang dibutuhkan. Pada reaktor nuklir, metode elektrolisis dapat dibedakan menjadi dua jenis: Low Temperature Electrolysis (LTE), dan High Temperature Electrolysis (HTE). Proses pada LTE menggunakan air bersuhu antara 330oC-350oC. Reaktor nuklir yang digunakan pada metode tersebut adalah reaktor berjenis LWR (Light Water Reactor).

Metode HTE menggunakan uap bersuhu tinggi (650oC-1100oC) sehingga diperlukan reaktor nuklir dengan suhu pendingin yang sama. HTGR (High Temperature Gas Reactor) dianggap paling potensial selama ini. Kombinasi penggunaan antara HTE dan HTGR pertama kali diteliti oleh JAERI (Japan Atomic Energy Research Institute) -sekarang JAEA (Japan Atomic Energy Agency).

Penelitian ini kemudian mulai berkembang dan diteliti oleh seorang ilmuwan bernama Michael G. McKellar dari INL (Idaho National Laboratory). Dalam simulasinya, Ia menggunakan HTGR berdaya 600 MWt bertekanan 7 MPa serta suhu masukan dan keluaran sebesar 320oC dan 750oC. Dari hasil penelitiannya, HTGR mampu memproduksi hidrogen sebesar 1,75 kg/s untuk nilai efisiensi termal HTGR sebesar 40,4%. Untuk nilai efisiensi termal sebesar 44,4%, HTGR mampu memproduksi hidrogen sebesar 1,85 kg/s.

Skema metode High Temperature Electrolysis dan Light Water Reactor. Gambar dari Wikipedia.

Skema metode High Temperature Electrolysis dan Light Water Reactor. Gambar dari Wikipedia.

Di dalam sistem kerja reaktor nuklir, suhu pendingin berbanding lurus dengan efisiensi termal yang dihasilkan. Hal ini berpengaruh terhadap proses HTE. Semakin tinggi nilai efisiensi termal pada reaktor nuklir, keseluruhan panas yang dihasilkan juga semakin tinggi sehingga efisiensi produksi hidrogen kian meningkat.

Selain HTGR, beberapa jenis reaktor nuklir generasi IV lainnya juga tengah dikembangkan oleh para ilmuwan. Selain sistem pendinginnya yang bekerja pada suhu tinggi, faktor lingkungan juga menjadi alasan untuk menggunakan reaktor jenis tersebut. Jumlah bahan bakar sisa yang dihasilkan dari reaktor tersebut sangat sedikit jika dibandingkan dengan reaktor konvensional yang ada.

Metode HTE tentunya juga harus didukung oleh fuel cell yang dapat bertahan pada suhu tinggi. Beberapa di antaranya yang memenuhi syarat adalah MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) dan SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). MCFC terbuat dari stainless steel dan bekerja pada suhu antara 600oC-700oC. Meski cukup menjanjikan, MCFC memiliki kelemahan pada daya tahannya yang rendah dan bersifat korosif.

Bilge Yildiz, peneliti di MIT (Massachusetts Institute of Technology) mengatakan bahwa SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) adalah fuel cell yang paling tepat digunakan pada metode HTE. SOFC terbuat dari keramik dan mampu bertahan pada suhu antara 800oC-1000oC. Yildiz juga merekomendasikan untuk menggunakan reaktor nuklir generasi IV dalam metode HTE. SOFC sendiri telah berhasil diuji coba oleh Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL) pada tahun 2003.

Solid Oxide Fuel Cell. Gambar dari Wikipedia.

Solid Oxide Fuel Cell. Gambar dari Wikipedia.

Sejak tahun 2007, beberapa lembaga riset lainnya mulai mengambil peran dalam penelitian ini. Di antaranya adalah INET (Institute of Nuclear Energy Techonology) di China, KIER (Korea Institute of Energy Research) di Korea, dan Kyushu University di Jepang. Pada tahun 2008, Idaho National Laboratory (INL) melakukan percobaan dalam skala laboratorium selama 45 hari. Dari eksperimen tersebut diperoleh hasil produksi sebesar 5,65 kiloliter hidrogen per jam. Namun, metode HTE hingga saat ini masih belum dapat dilakukan pada skala industri.

Teknologi lain yang tengah dikembangkan ialah SMR (Steam Methane Reforming). Teknologi ini dinilai paling ekonomis saat ini. Bahkan teknologi ini paling banyak digunakan dalam skala industri. Proses produksi hidrogen dengan teknologi SMR dilakukan secara endotermis, yakni dengan memberikan panas secara terus-menerus pada reaksi kimia untuk melepaskan hidrogen dari metana: CH4 + H2O → CO + 3H2, endotermis (750oC-800oC).

Pada teknologi SMR yang ada saat ini, panas yang digunakan berasal dari pembakaran gas alam sehingga metode SMR ini masih menghasilkan emisi karbon, baik dari pembakaran gas alam maupun hasil reaksi kimia itu sendiri. Sejak prinsip termokimia ditemukan pada pertengahan tahun 1960-an oleh C. Funk dan asistennya, Joint Reserach Center (JRC) yang berlokasi di Ispra, Italia melakukan banyak penelitian dan pengembangan termokimia.

Pada tahun 1983 JRC menyimpulkan bahwa metode termokimia dapat dikombinasikan dengan HTGR (High Temperature Gas Cooled Reactor). Dengan menggunakan reaktor nuklir bersuhu tinggi, diharapkan peran gas alam dapat tergantikan sehingga emisi karbon yang dihasilkan dari proses tersebut akan berkurang. Selain itu, dengan menggunakan reaktor nuklir harga gas alam yang fluktuatif tidak berpengaruh terhadap teknologi SMR. Panas yang digunakan dalam proses endotermis juga lebih tinggi sehingga efisiensi produksi hidrogen akan lebih tinggi.

Selain SMR, beberapa teknologi yang menggunakan metode termokimia adalah S-I (Sulfur Iodin), UT-3 dan Cu-Cl. Secara umum, metode termokimia adalah proses produksi hidrogen menggunakan bantuan panas yang diberikan secara terus-menerus pada reaksi kimia. Tujuannya untuk melepas hidrogen dari hidrokarbon atau air. Namun, pada metode termokimia selain SMR, hidrogen yang diambil berasal dari air sehingga ketiga metode tersebut dapat digolongkan pada thermochemical water splitting.

S-I dikembangkan pertama kali pada pertengahan tahun 1970-an oleh GA (General Atomics Inc.) di Amerika Serikat. GA juga bekerja sama dengan Sandia National Laboratories membuat prototipe skala laboratorium dan berhasil memproduksi hidrogen sebesar 1000 liter per jam. Selain itu, Korea dan JAEA juga ikut mengembangkan teknologi S-I. Korea berhasil membangun fasilitas uji coba S-I dan berhasil memproduksi hidrogen sebesar 40-100 Newton liter per jam.

Dengan menggunakan HTTR (High Temperature Test Reactor), JAEA juga berhasil memproduksi hidrogen sebesar 1000 Newton liter per jam dengan nilai efisiensi sebesar 43,6%. Untuk tahun 2020, JAEA menargetkan dapat memproduksi 60 ribu liter hidrogen per jam dalam rangka memenuhi target pemerintah Jepang, yaitu beroperasinya lima juta FCV (Fuel Cell Vehicle) pada tahun 2020 di Jepang.

Hal yang masih menjadi masalah saat ini adalah jenis material (anoda-katoda) yang digunakan untuk melakukan proses endotermis. Belum ada material yang dapat bertahan lama terhadap korosif dari garam pada suhu dan tekanan yang tinggi.

Untuk menghasilkan hidrogen dengan teknologi S-I, diperlukan tiga tahap reaksi endotermis sebagai berikut:

I2 + SO2 + 2H2O → 2HI + H2SO4 (120o C),
H2SO4 → SO2 + H2O + 1/2O2 (830o C – 900o C),
2HI → I2 + H2 (300o C – 450o C).

Beberapa tahun setelah ditemukannya teknologi S-I, tepatnya pada tahun 1978, Kameyama dan Yoshida dari Universitas Tokyo juga menemukan cara baru untuk menghasilkan hidrogen. Mereka menggunakan beberapa senyawa yang terdiri dari tiga unsur yaitu kalsium (Ca), berilium (Be) dan besi (Fe). Penemuan itu mereka beri nama UT-3. UT merupakan kependekan dari Universitas Tokyo dan 3 (tiga) berarti tiga unsur kimia tersebut.

Menurut data yang diperoleh dari Hydrogen Implementing Agreement (HIA) dan The International Energy Agency (IEA), sumber panas yang paling potensial digunakan pada UT-3 berasal dari reaktor nuklir dan sumber panas matahari. Namun, jika dibandingkan dengan sumber panas matahari, pengunaan panas dari reaktor nuklir memiliki efisiensi yang lebih tinggi, yaitu sebesar 53,2%.

Selain isu bahan (anoda-katoda) yang bersifat korosif, efisiensi yang rendah dianggap sebagai kekurangan dari metode UT-3. Titik lebur CaBr2 yang rendah (760oC) sebagai salah satu alasannya. Oleh karenanya, salah satu reaksi endotermis pada metode UT-3 hanya dapat bekerja dengan suhu maksimal 760oC.

Berikut adalah tahapan reaksi endotermis pada metode UT-3:

CaBr2 + H2O → CaO + 2HBr (7300C),
CaO + Br2 → CaBr2 + 1/2O2 (5500C),
Fe34 + 8HBr → 3FeBr2 + 4H2O + Br2 (2200C),
3FeBr2 + 4H2O → Fe3O4 + 6HBr + H2 (6500C).

Argonne National Laboratoy’s (ANL) tidak ketinggalan. Laboratorium yang berbasis di Illinois, Amerika Serikat ini meneliti hal yang sama. Mereka menggunakan senyawa yang terdiri atas unsur Cu dan Cl untuk memproduksi hidrogen. Dengan menggunakan metoda Cu-Cl, suhu kerja maksimal dari reaksi endotermis hanya sebesar 5000C. Suhu ini lebih kecil jika dibandingkan dengan metode lainnya sehingga bahan yang bersifat korosif bukan menjadi isu dalam pengembangan metode ini.

Selain harga bahan baku material (anoda-katoda) yang murah, kelebihan lain dari metode peneliti ANL adalah sedikitnya reaksi sampingan yang terjadi pada setiap reaksi endotermis. Namun, dengan proses kerja bersuhu rendah metode Cu-Cl memiliki efisiensi yang rendah, yaitu sekitar 40-50%.

Dengan suhu kerjanya yang rendah, sebagian ilmuwan dalam penelitiannya menggabungkan metode dari ANL dengan SCWR. SCWR merupakan reaktor generasi IV yang merupakan hasil modifikasi dari reaktor berjenis LWR. Pendingin SCWR yang terbuat dari air ini memiliki suhu pendingin antara 280oC-530oC. Salah satunya adalah Z. Wang dari University of Ontario Institute of Techonology. Ia mengombinasikan metode Cu-Cl dengan SCWR yang merupakan modifikasi dari reaktor LWR berjenis CANDU (CANada Deuterium Uranium) yang dikembangkan di Kanada.

Westinghouse Bettise memiliki cara yang berbeda untuk memproduksi hidrogen. Pusat penelitian nuklir milik perusahaan raksasa Toshiba yang berbasis di Amerika Serikat ini sudah mengembangkan teknologi tersebut sejak tahun 1975. Teknologi yang diberi nama sulfuric acid hybrid cycle atau Westinghouse Sulfur Process (WSP) merupakan teknologi hibrida yang memiliki dua proses reaksi kimia. Masing-masing dari reaksi kimia tersebut mewakili tiap-tiap metode (termokimia dan elektrolisis).

H2SO4 → SO2 + H2O + 1/2O2 (8000C, termokimia).
2H2O + SO2 → H2SO4 + H2 (800C, elektrolisis).

Menurut hasil penelitian yang dilakukan oleh Westinghouse, metoda WSP temuannya memiliki nilai efisiensi sebesar 42% dengan potensi bisa mencapai 48,8%. Dalam penelitiannya, mereka menggunakan VHTR (Very High Temperature Reactor) yang bersuhu pendingin mencapai 8700C untuk menyuplai kebutuhan panas pada proses termokimia.

Very high temperature reactor. Gambar dari Wikipedia.

Very high temperature reactor. Gambar dari Wikipedia.

Dengan digunakannya reaktor nuklir pada proses produksi hidrogen, diharapkan nilai efisiensi produksi hidrogen akan meningkat. Selain itu, emisi yang dihasilkan dari proses produksi hidrogen juga dapat direduksi. Namun, penggunaan reaktor nuklir pada teknologi ini masih dalam tahap pengembangan.

Kendala lain yang dihadapi adalah kepercayaan masyarakat yang menurun terhadap penggunaan reaktor nuklir akibat bencana yang menimpa Jepang pada bulan Maret 2011 lalu sehingga saat ini para ilmuwan nuklir harus bekerja ekstra mengembangkan teknologi keselamatan reaktor nuklir yang lebih aman dan juga meningkatkan kepercayaan terhadap masyarakat dunia. IEA (International Energy Agency) sendiri dalam bukunya yang berjudul World Energy Outlook 2011 menargetkan peningkatan keselamatan reaktor nuklir.

Since energy needs will continue to increase, the new technology must be expandable
– Leanne M. Crosbie –

The Age of Coal and Oil is giving way to the Age of Hydrogen. An international expert in nuclear technology examines the necessary role of nuclear power in ushering in this new era
– Masao Hori –

Bahan bacaan:

  • S. Energy Information Administration: http://www.eia.gov/
  • The International Energy Agency: http://www.iea.org/

Penulis:
Indarta Kuncoro Aji, mahasiswa peneliti di KK Nuklir dan Biofisika, Institut Teknologi Bandung. Kontak: indartaaji(at)students.itb.ac.id.