PENDAHULUAN
Laju pertumbuhan penduduk dan tingkat ekonomi yang semakin meningkat, serta perkembangan teknologi teknolo gi yang semakin pesat dari waktu ke waktu mengakibatkan dunia (termasuk Indonesia) membutuhkan energy yang sangat besar. Bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batu bara merupakan sumber energi utama. Permintaan akan bahan bakar tersebut yang semakin meningkat menyebabkan terjadinya eksplorasi dan eksploitasi sumber energi berbahan bakar fosil secara besar-besaran. Eksploitasi energi yang berlebihan dari sumber daya alam terutama minyak bumi selama ini menyebabkan menipisnya kandungan minyak bumi tersebut, menimbulkan kerusakan lingkungan, perubahan iklim global, dan krisis energi di seluruh dunia (Bockris 2002). Krisis energi dan kerusakan lingkungan ini memerlukan penanganan serius. Usaha mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan dan pengembangan sumber energy alternatif termasuk bioenergi terus diupayakan dan dilakukan. Bioenergi merupakan energy terbarukan yang berasal dari biomassa (Liu & Shen 2004). Bioenergi ini adalah salah satu bentuk energi alternatif yang prospektif untuk dikembangkan. Pengembangan bioenergi ini tidak hanya dapat mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak yang harganya terus melambung, tetapi juga dapat meningkatkan keamanan pasokan energy nasional. Perhatian masyarakat dunia yang semakin meningkat pada penggunaan bahan bakar yang ramah lingkungan menjadikan pengembangan bioenergi sangat strategis dan perlu direalisasikan (Sirait 2007). Oleh karena itu, energi alternatif yang dapat diperbaharui (renewable energy) dan aman lingkungan ( green green energy) sangat dibutuhkan dan sangat penting untuk diupayakan serta dioptimalkan pengolahan dan penggunaannya. Hidrogen merupakan salah satu pilihan energi alternatif karena mudah dikonversi dan tidak merusak lingkungan baik dalam proses pembuatan maupun penggunaannya. Hidrogen adalah unsur paling ringan, sangat mudah terbakar, dan paling banyak terdapat di alam semesta. Unsur ini dikandung oleh air dan semua senyawa organik serta makhluk hidup (Mohsin 2007).
Biohidrogen adalah hidrogen yang diproduksi melalui proses biologis atau dari biomassa. Biohidrogen dapat dikembangkan di Indonesia karena bahan bakunya cukup tersedia.
Biohidrogen
diproduksi
dengan
memanfaatkan
organisme
bakteri
melaluiproses fermentasi atau fotoproduksi untuk merombak substrat organik (limbah atau nonlimbah) menjadi energi hidrogen (Sirait 2007). Salah satu mikroorganisme yang mampu memproduksi hidrogen adalah bakteri fotosintetik, seperti Rhodobium marinum dan Rhodobacter sphaeroides (Kawaguchi 2005). Bakteri fotosintetik mampu mengubah senyawa organik menjadi gas hydrogen dengan adanya energi cahaya. Banyak tantangan teknis yang dihadapkan pada masa transisi dari bahan bakar berbasis fosil ke bahan bakar berbasis biohidrogen ini, mulai dari produksi dengan kuantitas memadai, penyimpanan, transmisi, dan distribusinya (Dunn 2002). Oleh karena itu, penelitian ini menjadi salah satu bagian dari transisi menuju penggunaan bahan bakar berbasis biohidrogen. Krisis energi yang melanda Indonesia dikarenakan karena jumlah penduduk yang semakin meningkat berpengaruh langsung terhadap konsumsi bahan bakar. Energi yang berasal dari fosil termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui sehingga semakin menipis. Di sisi lain, isu lingkungan global yang menuntut tingkat kualitas lingkungan yang lebih baik, mendorong berbagai pakar energy untuk mengembangkan energi yang lebih ramah lingkungan dan mendukung keamanan pasokan berkesinambungan. Hidrogen sangat dimungkinkan menjadi alternatif bahan bakar masa depan. Proses produksi hidrogen dapat dilakukan secara biologi maupun secara kimiawi. Secara biologi (bioteknologi) adalah teknik pendayagunaan organisma hidup atau bagiannya untuk membuat atau memodifikasi suatu produk dan meningkatkan/ memperbaiki sifat organisme untuk penggunaan dan tujuan khusus seperti untuk pangan, farmasi dan energi (Miyamoto et al. 1997). Hal ini dilakukan Woodward et al. 2002 dengan memproduksi hidrogen menggunakan enzim melalui jalur fosfat pentosa dan enzim hidrogenase. Produksi hidrogen melalui fermentasi biomasa kekayuan tropika, hidrolisis gas metana, menggunakan methanol langsung (Liu et al. 2003). Proses fermentasi juga dilakukan Susilaningsih et al. 2008 dengan menggunakan limbah biomasa kekayuan
melalui dua langkah fermentasi, yaitu dengan mengkombinasikan konversi monomer hasil hidrolisa limbah biomasa kekayuan menjadi asam laktat melalui bakteri laktat ( Lactobacillus sp) dan konversi laktat menjadi hidrogen dengan menggunakan bakteri fotosintetik. Secara kimiawi dapat melalui elektrolisis seperti yang dilaporkan Salimy &
Finahari 2008 dengan melakukan perbandingan produksi hidrogen dengan energy nuklir untuk dua buah teknologi proses produksi hidrogen yaitu proses elektrolisis dan steam reforming. Proses elektrolisis juga dilaporkan juga oleh Domen & Maeda 2006 dengan produksi hidrogen melalui elektrolisis air dengan reaksi fotokatalisis oksinitrida. Produksi hidrogen lain misalnya melalui dekomposisi metanol dengan katalis Pt/Al2O3 (Brown & Gulari 2004). Produksi hydrogen melalui dekomposisi metana menggunakan katalis berbasis Ni (Purwanto et al. 2005). Produksi hidrogen berbasis nuklir dilakukan oleh Sriyono 2008 dan Sutarno & Malik 2004 dengan menganalisis efisiensi energi nuklir dan energi listrik pada proses produksi hidrogen dengan elektrolis air. Produksi hidrogen secara kimiawi yang lain adalah dengan menggunakan alumunium beralkalin untuk dijadikan fuel cell alumunium alkalinudara. Fuel cell alumunium alkalin-udara adalah serangkaian anoda alumunium dalam larutan beralkalin dan gas oksigen berada di katoda yang akan menghasilkan energi listrik. Fuel cell berbasis alumunium alkalin-udara sangat ramah lingkungan karena produk sampingnya adalah air dan bahan kimia (aluminum oksida (Al2O3) dan aluminum hidroksida Al(OH)3 yang dibutuhkan industry pemurnian air dan industri kertas serta alat-alat elektronik (Kulakov & Ross 2007).
TINJAUAN PUSTAKA
1. Sejarah Produksi Hydrogen Fuel
Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah - 286 kJ/mol. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[10]
Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Kasus meledaknya pesawat Hindenburg adalah salah satu contoh terkenal dari pembakaran hidrogen. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon. Dalam kasus kecelakaan Hidenburg, dua pertiga dari penumpang pesawat selamat dan kebanyakan kasus meninggal disebabkan oleh terbakarnya bahan bakar diesel yang bocor. H2 bereaksi secara langsung dengan unsur-unsur oksidator lainnya. Ia bereaksi dengan spontan dan hebat pada suhu kamar dengan klorin dan fluorin, menghasilkan hidrogen halida berupa hidrogen klorida dan hidrogen fluorida.
2. Perkembangan Produksi Hydrogen Fuel
Menipisnya bahan bakar fosil dan berbagai isu global membuat manusia terdesak untuk mencari alternatif bahan bakar untuk masa depan, salah satu jawabannya adalah hydrogen. Hydrogen menjadi jawaban karena hanya menghasilkan air ketika direaksikan untuk menghasilkan energy. Dengan teori kimia yang cukup dasar itu maka dibuatlah kendaraan-kendaraan yang menggunakan bahan bakar hydrogen untuk menjawab isu global yang beredar. Merek-merek mobil besar mulai berlomba untuk mengembangkan mobil dengan bahan bakar ini untuk menciptakan lingkungan yang sehat di masa depan. Hydrogen adalah elemen paling berlimpah dan paling simple di dunia. Pada suhu dan tekanan permukaan bumi, hydrogen tidak berwarna. Bagaimanapun, hydrogen jarang ditemukan sendiri di alam. Biasanya terikat dengan element lain. Atmosfer kita sekarang mempunyai presentase yang kecil untk hydrogen. Hydrogen terkunci dalam jumlah besar di air (H2O), hydrocarbon (seperti methana, CH4), dsb. Memproduksi hydrogen untuk menjadi bahan bakar dari komponen tsb secara efisien dan ramah lingkungan menjadi tantangan yang besar pada hari ini. Penggunaan metode steam reforming gas alam menjadi metode yang paling sering digunakan, karena ini merupakan metode paling umum untuk memproduksi hydrogen. Metode ini hanya bersandar dari reaksi kimia methana (CH4) dan H2O yang menghasilkan hydrogen. Namun, dikarenakan reaksi ini merupakan reaksi endoternik maka perlu suplai panas dari pembakaran gas alam. Selain gas alam, penggunaan bahan bakar fosil lain seperti batu bara dan minyak bumi sebagai suplai panas juga dapat digunakan. Metode produksi hydrogen dengan bahan bakar fosil ini memberikan dampak buruk bagi alam. Karena selain menghasilkan hydrogen metode ini juga melepaskan gas CO2 ke atmosfer sebesar 0,44-0,81 Nm3 CO2 tiap Nm3 hydrogen yang diproduksi. Dari data tahun 2007 Industri hydrogen di USA, walaupun mengahsilkan 11 juta metric ton hydrogen per tahun namun metode ini juga melepaskan 77 ton CO2 ke atmofer per tahunnya. Dan sayangnya metode ini merupakan metode yang paling umum dan paling handal. Dari data statistik tahun 1988 di bawah ini kita dapat melihat betapa
besarnya penggunaan bahan bakar fosil dibandingkan metode produksi yang ramah lingkungan seperti electrolysis. Metode electrolysis walaupun mempunyai sejarah yang cukup panjang (pertama kali ditemukan tahun 1800) dan merupakan jawaban untuk produksi hydrogen yang ramah lingkungan belum dapat menjadi metode idola. Ini dikarenakan metode ini belum dapat memberikan nilai efisiensi yang tinggi dengan suhu yang rendah. Metode electrolysis yang biasa dikenal, menggunakan KOH sebagai electrolytenya, dapat beroperasi pada suhu 80 0C, akan tetapi hanya mempunyai efisiensi 20-30%. Efisiensi yang tinggi dari electrolysis dapat diperoleh dengan menggunakan electrolyzer dengan Oxygen Ion conducting Solid Electrolyte yang beroperasi di suhu 700-100 0C. Namun, dibutuhkan energy yang besar untuk memepertahankan suhu tinggi tersebut. Permasalahan ini dapat terjawab dengan adanya teknologi nuklir. Dengan mengambil panas yang dihasilkan dari reaksi nuklir, High Temperature Electrolysis dapat dilakukan . Akan tetapi, karena reactor di dunia tidak banyak maka metode electrolysis ini belum banyak digunakan. 3. Cara memproduksi Hidrogen
Banyak cara yang dapat digunakan dalam membuat hidrogen, yang antara lain : Skala Laboratorium
a)
Dalam skala laboratorium hydrogen biasanya dibuat dari hasil samping reaksi
tertentu misalnya mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan antara besi dengan asam sulfat. Fe(s) + H2SO4(aq) →FeSO4(aq) + H2(g) b)
Sejumlah kecil hydrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium
hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hydrogen yang dihasilkan diperoleh dari air. CaH2(s) + 2 H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)
c)
Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hydrogen dalam skala
laboratorium, arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas oksigen akan terbentuk di anoda dan gas hydrogen akan terbentuk di katoda. 2 H2O(l) → 2 H2(g)
+ O2(g)
Skala industry
Dalam skala industri hydrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari produksi secara biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis, ataupun termolisis. Produksi hydrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona disebabkan dengan metode ini bias dihasilkan hydrogen dalam jumlah yang melimpah sehingga metode yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan nilai ekonomi hydrogen. Pembuatan Hidrogen dari Hidrokarbon
Hidrogen dapat dibuat dari gas alam dengan tingkat efisiensi sekitar 80% tergantung dari jenis hidrokarbon yang dipakai. Pembuatan hydrogen dari hidrokarbon menghasilkan gas CO2, sehingga CO2 ini dalam prosesnya dapat dipisahkan. Produksi komersial hydrogen menggunakan proses “steam reforming” menggunakan methanol atau gas
alam dan menghasilkan apa yang disebut sebagai syngas yaitu campuran gas H2 dan CO. CH4 + H2O → 3H2 + CO + 191,7 kJ/mol Panas yang dibutuhkan oleh reaksi diperoleh dari pembakaran beberapa bagian methane. Penambahan hasil hydrogen dapat diperoleh dengan menambahkan uap air kedalam gas hasil reaksi yang dialirkan dalam reactor bersuhu 130 C. CO + H2O → CO2 + H2 – 40,4 kJ/mol Reaksi yang terjadi adalah pengabilan oksigen dari molekul air ke CO untuk menjadi CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga suhu reactor. Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis, diantaranya :
1.
Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis tekanan tinggi
Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi yang dapat diperbaharuhi misalnya angina, hydropower, atau turbin. Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang murah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah “elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk
menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis temperature tinggi” dengan teknik
ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bisa meningkatkan efisiensi hingga 50%. Proses elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya digabungkan dengan instalasi reactor nulklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal. 2.
Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis dengan tenaga listrik
Proses ini adalah dengan memecah senyawa air yang terdiri dari 2 atom Hidrogen dan satu atom O dengan tenaga listrik. Jika menginginkan tetap menjadi energi bersih, sumber untuk energi listrik yang cukup potensial adalah tenaga matahari, angin dan panas bumi. Elektrolisis air memerlukan energi listrik DC (Direct Current) arus searah yang bisa diproduksi dari berbagai macam sumber terbarukan seperti saya sebutkan diatas. 3.
Pembutan Hidrogen dengan Metode Elektrolisis Air Suhu Tinggi
Metode elektrolisis air suhu tinggi atau High Temperature Electrolysis System (HTES) adalah salah satu metode terbaik yang hingga saat ini banyak digunakan untuk memproduksi hidrogen dan oksigen dalam skala besar. Keunggulan dari metode HTES adalah pada proses operasinya mampu meminimalisir konsumsi energi listrik karena
pada proses elektrolisis dengan suhu operasi yang sangat tinggi konsumsi energi listrik menjadi semakin minimal dan konsumsi energi panas menjadi semakin besar. Meskipun demikian, proses tersebut dianggap menguntungkan mengingat biaya pembangkitan sejumlah energi panas lebih murah bila dibandingkan dengan biaya pembangkitan sejumlah energi listrik. Selain itu, bila ditilik dari kualitas hidrogen yang dihasilkan, metode HTES mampu menghasilkan hidrogen dengan puritas tinggi. Dalam prosesnya, HTES melibatkan energi listrik dan energi panas dari sumber sumber-sumber panas yang mudah diperoleh seperti PLTN generasi IV (semisal MSR, GCR atau VHTR) atau pembangkit geotermal. Proses yang berlangsung adalah proses termokimia pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion-ion oksigen pada kondisi fluida superheat . Secara kimia, reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut. Katoda : H2O(g) – > 2e- + H2 (g) + O2Anoda : O2- – > ½O2 (g) + 2eTotal : H2O(l) – > H2(g) + ½O2(g) Dengan total kebutuhan energi untuk reaksi elektrolisis di atas dirumuskan dengan persamaan berikut. ∆H = ∆G + T∆S Adapun ∆H adalah total kebutuhan energi untuk proses elektrolisis suhu tinggi. ∆G
adalah energi bebas Gibs yang sesungguhnya megejawantahkan kebutuhan energi listik dan T∆S adalah kebutuhan energi panas atau energi kalor untuk proses elektrolisis.
Proses
elektrolisis
air
suhu
tinggi
terjadi
dalam
komponen
yang
dinamakan electrolyzer . Electrolyzer terdiri dari tiga bagian utama yakni elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit plus satu komponen yang tidak kalah pentingnya yakni interkoneksi. (perhatikan gambar di bawah). Gambar 1. dan 2. adalah tampak atas dan tampak depan sekumpulan sel electrolyzer . Gambar 1. 1. Tampak Atas Sekumpulan Sel Electrolyze
Gambar 2. Tampak Depan Sekumpulan Sel Electrolyzer Untuk proses elektrolisis suhu tinggi biasanya menggunakan jenis sel electrolyzer dari jenis Solid
Oxide
Electrolyzer
Cell (SOEC).
Hal
ini
didasari
atas
keunikan electrolyzer jenis SOEC yang mampu beroperasi pada suhu ekstrim bahkan mampu beroperasi hingga suhu 1000 ºC atau lebih. Secara
sederhana
konsep
elektrolisis
air
suhu
tinggi
dalam
sebuah
electolyzer adalah proses pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion
oksigen pada suhu tinggi dengan memanfaatkan energi listrik dan energi termal. Gambar 3. menunjukkan proses fisis dan kimia yang terjadi pada saat elektrolisis suhu tinggi berlangsung. Proses yang berlangsung tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: Umpan masuk pada sisi inlet electrolyzer berupa (H2+H2O) berada dalam kondisi satu fase berupa uap. Energi listrik dan energi termal yang disuplai ke dalam selsel electrolyzer selanjutnya akan digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H2O menjadi molekul H2 dan O2-. Selanjutnya ion-ion O2- yang terbentuk akan bermigrasi melewati membran elektrolit untuk mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisika electron2hole. Setelah mencapai sisi anoda, ion-ion O akan melepaskan elektron dan membentuk
molekul oksigen pada sisi anoda. Adapun molekul hidrogen terbentuk pada sisi katoda. Molekul oksigen dan hidrogen yang dihasilkan masih dalam kondisi superheat sehingga perlu melewati suatu proses pendinginan pada komponenoxygen cooler dan hydrogen steam cooler . Setelah mengalami cooling process atau proses pendinginan selanjutnya
hidrogen dimurnikan dalam komponen separator . Se parator merupakan komponen
yang selalu ada pada suatu instalasi produksi hidrogen dengan fungsi dasar sebagai pemisah antara hidrogen dengan air (fraksi air biasanya dalam campuran ini (H2+H2O) tergolong sangat kecil). Setelah melewati proses tersebut hidrogen dan oksigen ditampung dalam tangki penyimpanan semantara sebelum akhirnya di transformasi dalam berbagai moda untuk selanjutnya didistribusikan. Pembuatan hydrogen melalui proses biologi
Beberapa macam alga dapat menghasilkan gas hydrogen sebagai akibat proses metabolismenya. Produksi secara biologi ini dapat dilakukan dalam bioreactor yang mensuplay kebutuhan alga seperti hidrokarbon dan dari hasil reaksi menghasilkan H2 dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat dipisahkan sehingga kita hanya mendapatkan gas H2nya saja. Hidrogen kini diusulkan sebagai energy alternative pengganti bahan bakar fosil karena bersih, dapat dipebaharui dan menghasilkan energy tinggi. Produksi gas secara biologis dilakukan dengan fermentasi anaerob yang ramah lingkungan dan proses hemat energy. Asidifikasi anaerob pada limbah organic akan menghasilkan berbagai asam organic, H2, CO2 dan senyawa intermediet lainnya. Reaksi melibatkan produksi hydrogen secara cepat dan tidak membutuhkan radiasi matahari sehingga dapat dibuat dalam skala besar bahan organic (Shin and Youn, 2005). Produksi gas secara biologis dapat dilakukan dengan fermentasi anaerob yang ramah lingkungan dan proses hemat energy. Asidifikasi anaerob pada limbah organic akan menghasilkan berbagai asam organic, H2, CO2 dan senyawa intermediet lainnya. Reaksi melibatkan produksi hydrogen secara cepat dan tidak membutuhkan radiasi matahari sehingga dapat dibuat dalam skala besar bahan organic (Shin and Youn, 2005). Mikroorganisme
yang
melakukan
fermentasi
ini
diantaranya
adalahClostridium dan Thermoanaerobacterium yang mampu menghasilkan hydrogen dari karbohidrat. Selama asidifikasi anaerob pada limbah organic, bakteri metanogenesis dan bakteri pereduksi sulfat mengkonsumsi hydrogen yang dihasilkan oleh acidogenesis sehingga berkontribusi negative dalam produksi bio-hidrogen. Oleh karena itu, guna produksi
gas
hydrogen
perlu
dilakukan
penghambatan
terhadap
prganisme
mengkonsumsi hydrogen missal dengan waktu hidraulik yang pendek atau dengan pH rendah (Shin and Youn, 2005). Limbah organic yang kaya karbohidrat membutuhkan waktu tinggal hidraulik (WTH) lebih dari 3 hari untuk asidifikasi yang mana consumer hydrogen seperti methanogenesi dapat berkembangbiak, sehingga produksi gas hydrogen hanya sepertiganya. Namun demikian, jika consumer hydrogen dapat dikendalika selama asidifikasi , hydrogen dapat diperoleh secara efektif dari limbah organic. Walaupun produksi gas hidrogen dari limbah kaya karbohidrat umumnya dipublikasikan dalam penelitian batch namun percobaan secara kontinyu juga telah dilaporkan dengan menggunakan kondisi termofil dan bukan mesofil. Kondisi termofilik diyakaini memiliki pengaruh penghambatan terhadap metanogensis (Shin and Youn, 2005). Pada asidifikasi termofil, biogas yang dihasilkan mengandung hydrogen dan karbon dioksida tetapi tidak terdetksi adanya metana pada semua laju masukan bahan organic. Produksi Hidrogen dapat mencapai 62 %(v/v) dan meningkat dengan meningkatnya laju aliran masukan. Namun demikian, efisiensi dekomposisi karbohidrat dalam limbah akan berkurang dengan meningkatnya laju aliran. Asam organic utama yang ada adalah asam butirat dan asetat masing-masing sebanyak 62 – 65% dan 22 – 25%. Asam laktat dan propionate sebgai tanda adanya coksumer hydrogen hanya ada dalam jumlah 0,1 – 2,0% dan 1,6 – 2,2% (Shin and Youn, 2005). thermosaccharolyticum diketahui
Thermoanaerobacterium
sebagai
mikroorganisme menghasil hydrogen yang tumbuh dengan baik pada pH 5,0 – 6,0. Bakteri ini merupakan sakarolitik termofil yang terlibat dalam fermentasi asetat/butirat dan mampu menghasilkan hydrogen dalam jumlah besar dari karbohidrat. Bakteri ini memiliki isaran pH optimum 5 – 6 dengan suhu pertumbuhan optimunya 600C. produksi hydrogen
sebanyak
2,4
ml
H2 /
mol
glukosa
setara
dengan
kemampuan
produksi Clostridium butyricum yang menghasilkan gas hydrogen 2,4 mol H2 /mol heksosa (Shin and Youn, 2005). Dekomposisi air dengan gelombang radio
Dengan menggunakan gelombang radio maka kita dapat menghasilkan hydrogen dari air laut dengan dasar proses dekomposisi. Jika air ini diekspos dengan sinar terpolarisasi dengan frekuensi 13,56 MHz pada suhu kamar maka air laut dengan konsentrasi NaCl antara 1-30% dapat terdekomposisi menjdi hydrogen dan oksigen. Termokimia
Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk proses splitting atau termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik akan tetapi hanya sumber panas. Beberapa proses termokimia ini adalah CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl, Fe,Cl dan lainnya. Reaski yang terjdi pada proses ini adalah: 2H2O → 2H2 + O2
Dan semua bahan yang dipergunakan dapat didaur ulang kembali menuju proses yang baru. Produksi hidrogen dari Biomassa .
Untuk proses pembuatan gas hidrogen dari sumber hidrokarbon, yang paling potensial dan disarankan adalah dari hidrokarbon terbarukan seperti biomasa. Di Indonesia, sumber biomasa yang patut diperhitungkan adalah limbah-limbah industri seperti tandan kosong kelapa sawit, bagasse (ampas tebu), sekam dan jerami padi dan juga dapat dibuat dari rumput gajah yang sengaja ditanam untuk sumber energi. Mengingat rumput jenis ini sangat cepat pertumbuhannya. Silahkan lihat skema dibawah untuk mendalami proses pembuatannya. Secara keseluruhan, proses dibawah dinamakan proses steam reforming dimana : Biomass + H2O --------> H2 + CO2
Gambar 3. Proses produksi hidrogen Pertama Biomasa digasifikasi untuk menghasilkan gas CO, kemudian gas CO ini direaksikan dengan steam (uap air) pada suhu 350 derajat Celcius untuk menghasilkan gas hidrogen dan CO2. Proses selanjutnya adalah pemurnian dilanjutkan dengan pemisahan gas-gas tersebut. Pembuatan hidrogen dengan menggunakan energi matahari
Metode revolusioner menggunakan energi matahari untuk menghasilkan hidrogen sebagai sumber energi yang bersih, aman, dan murah telah dikembangkan para ilmuwan dari Israel, Swedia, Swiss, dan Perancis. Teknik ini terutama ditujukan untuk mengekstrak seng murni lebih mudah, cepat, dan ramah lingkungan guna mendorong produksi bahan bakar hidrogen, menggantikan BBM yang semakin langka. Hidrogen adalah salah satu kandidat sumber energi yang berpotensi sebagai pegganti bahan bakar mesin kendaraan bermotor. Hidrogen dapat ditemukan dalam jumlah yang sangat besar khususnya karena terkandung di air. Selain itu, hidrogen tidak menghasilkan polusi udara saat dibakar dan menghasilkan energi yang lebih besar daripada bahan bakar lainnya.
Salah satu alasan utama mengapa hidrogen belum dapat memasuki pasaran yang luas adalah harga produksi dan ongkos transportasi yang masih tinggi. Meskipun bahan baku utama untuk memproduksi hidrogen adalah air, metode elektrolisis yang paling umum digunakan untuk menghasilkan hidrogen sekarang masih terlalu mahal. Perlu diketahui, elektrolisis akan memecah molekul-molekul air menjadi atomatom penyusunnya yaitu hidrogen dan oksigen dengan mengalirkan arus ke dalamnya. Proses ini relatif sederhana namun membutuhkan arus yang sangat besar sehingga membutuhkan biaya yang tinggi. Cara lainnya, memecah molekul air dengan memanaskannya, kurang praktis karena membutuhkan suhu di atas 2.500 derajat Celcius. Sebenarnya, beberapa tahun yang lalu telah diketahui bahwa seng murni dapat digunakan untuk mengambil oksigen dari air sehingga lepas dari hidrogen. Proses ini dapat dilakukan pada suhu 350 derajat Celcius. Karena seng adalah logam yang berlimpah dan merupakan empat besar logam yang diproduksi - selain besi, aluminium, dan tembaga - menghasilkan hidrogen mungkin dapat dilakukan secara alami. Masalahnya, untuk memperoleh seng murni dari seng oksida yang tersedia di alam, baik dengan proses elektrolisis maupun meleburnya, hanya dapat dilakukan dengan konsumsi energi yang besar pula. Di samping itu, proses ekstraksinya menghasilkan polusi karena seringkali dilakukan dengan membakar bahan bakar fosil untuk menghasilkan panas dan listrik. Meskipun demikian para ilmuwan berhasil menggantinya dengan cara yang ramah lingkungan menggunakan deretan cermin yang memantulkan panas matahari ke satu titik. Reaktor yang dibangun di Weitzman Institute di Israel ini dapat menghasilkan panas hingga 1.200 derajat Celcius. Dengan menambahkan sedikit karbon, seng murni dapat dipisahkan pada suhu tersebut. Dengan cara ini tim ilmuwan dapat memperoleh sekitar 50 kilogram seng murni setiap jam. Pendinginan seng murni menghasilkan bubuk seng yang lebih mudah dipakai dan didistribusikan. Untuk menghasilkan hidrogen murni, bubuk seng tinggal dicampur ke dalam air dan dipanaskan pada suhu 350 derajat Celcius. Oksigen dalam air akan
berikatan dengan seng menjadi seng oksida dan sisanya adalah hidrogen mu rni yang siap disimpan ke dalam tabung bahan bakar. Produksi Hidrogen dengan proses FUKAI
Environmental Research Institute Jepang, mengumumkan suatu terobosan teknologi
baru dengan proses FUKAI, yaitu cara memperoleh hidrogen yang diklaim lebih murah dan lebih efisien dari cara-cara sebelumnya. Proses
FUKAI,
mengunakan
bahan
dasar
mineral
alam
yang
mengandung aluminium atau magnesium . Bahan proses ini merupakan bahan yang menjadi kepemilikan FUKAI, disebut sebagai “unit pembangkit air fungsional”. Saat
bahan proses ditambahkan ke dalam air baku, seperti air ledeng rumahan biasa, bahan akan mendidihkan dan merubah air baku menjadi "air fungsional", fungsi bahan yang memperlemah ikatan antara atom-atom pembentuk molekul air, sehingga mudah terurai. Perolehan penguraian adalah 2 liter gas hidrogen per gram aluminium, atau 3,3 liter gas hidrogen per gram magnesium. FUKAI juga mengklaim bahwa biaya produksi hidrogen yang cukup untuk menghasilkan daya energi sebesar 1 kWh listrik adalah sekitar US$0.18 (18 sen dolar). Biaya tersebut akan menurun apabila bahan mineral dipakai-ulang. Teknologi ini tidaklagi difasilitasi oleh bahan yang lain, seperti oleh penambahan bahan bakar berbasis petroleum, atau melaui proses yang menghasilkan gas CO2 seperti pada penguraian uap air oleh panas bahan bakar. Proses ini lebih efisien dalam hal energi
dibandingkan
elektrolisis,
serta
tidak
memerlukan
penanaman
yang
membutuhkan lahan luas seperti halnya sistem proses penguraian berbasis masa-bio. Pemanfaatan kelanjutan teknologi ini memungkinkan untuk digunakan dsebagai pengganti bahan bakar minyak dan listrik dalam penggunaan otomotif. FUKAI mendorong terus penelitian lanjutannya untuk mencapai penguraian tanpa membutuhkan biaya proses lagi, serta lebih memudahkannya untuk diproses di dalam rumah-tangga. Teknologi yang dikembangkan oleh Toshiharu FUKAI ini dipublikasikan dan didemonstasikan pada konferensi pers Senin, 25 Oktober 2010 di New York City.
Produksi Hidrogen dari bahan Organik Biodegradable
Para peneliti Amerika berhasil mengembangkan sebuah metode untuk memproduksi gas hidrogen dari bahan organik biodegradable yang berpotensi menyediakan bahan bakar yang melimpah dari sumber energi bersih ini. Metode
yang
digunakan
oleh
para
insinyur
dari Pennsylvania
State
University mengkombinasikan bakteri penghasil elektorn dengan pengisian listrik kecil
dalam sel bahan bakar mikrobial untuk menghasilkan gas hidrogen. Sel bahan bakar mikrobial bekerja melalui aksi bakteri yang bisa mengantarkan elektron-elektron ke suatu anoda. Elektron mengalir dari anoda melalui sebuah kawat ke katoda yang menghasilkan arus listrik. Dalam proses itu, bakteri-bakteri mengkonsumsi bahan-bahan organik dalam bahan biomassa. Getaran eksternal listrik membantu menghasilkan gas hidrogen pada katoda. Di masa lalu, proses yang dikenal dengan elektrohidrogenesis memiliki efisiensi produksi hidrogen yang sangat rendah. Para peneliti dari Pennsylvania State University berhasil mengatasi persoalan ini dengan memodifikasi unsur-unsur reaktor secara kimiawi. Dalam sejumlah percobaan di laboratorium, reaktor mereka menghasilkan hidrogen mencapai hampir 99% dari produksi maksimum teroritis dengan menggunakan asam aetik (aetic acid), produk tak berguna dari suatu fermentasi glukosa. Produksi hidrogen dengan menggunakan panas nuklir
Ada 3 metode proses produksi Hidrogen yang sangat potensial, yaitu: Advanced Electrolysis, Steam Reforming, dan Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI). Advanced Electrolysis dan Steam Reforming sudah proven. SI sangat menarik krn memproduksi Hidrogen dg efisien dan tanpa limbah CO2. Ketiga metode tersebut harus memanfaatkan panas dari reaktor nuklir krn pertimbangan efisiensi tertinggi dan paling ramah lingkungan. Alternatif lain adalah dari pembakaran batubara. 1. Advanced Electrolysis
Gambar 4. Skema kerja advance elektrolisis Electrolysis adalah metode paling umum untuk produksi Hidrogen dengan cara
memisahkan molekul air menggunakan listrik. Gambar di atas adalah skema proses elektrolisis mnggunakan panas HTR. Reaksi fundamental dari metode ini adalah sebagai Berikut: Keuntungan metode electrolysis adalah metode sederhana hanya membutuhkan air dan listrik, ramah lingkungan, teknologi sudah proven, tdk tergantung dari bahan fosil (PLTN bis sebagai alternatif). Kesederhanaan plantelectrolysis bisa menempatkan pabrik di lokasi pedalaman, krn listrik bisa diproduksi menggunakan generator listrik tapi biaya produksi akan mahal. Kerugian metode ini adalah kebutuhan listrik sangat besar (tanpa PLTN akan sangat tdk efisien dan timbul polusi). Efisiensi 25-45%. Efisiensi bisa meningkat sampai 90% kalau dicouple dengan PLTN. 2. Steam Reforming
Gambar 5. Skema kerja stem reforming
Steam reforming adalah metode produksi Hidrogen mnggunakan proses thermo-kimia
yang melibatkan gas methane dan uap air pada suhu tinggi. Proses konvensional steam reforming terjadi pada suhu 800-900 Celcius yang dihasilkan dari bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil bisa diganti dari PLTN untuk meminimalkan energi-loss dengan cara couple yang memerlukan modifikasi metode. Panas dari pembakaran methane memisahkan molekul uap air menjadi hidrogen seperti reaksi pada Table di bawah. Ada 2 reaksi kimia yang terjadi, pertama adalah reaksi reforming secara endothermic dengan katalis pada suhu tinggi. Kedua adalah reaksi shift secara exothermic.
Keuntungan metode Steam Reforming adalah metode paling efisien sampai saat ini, teknologi sudah proven, dan biaya produksi paling rendah. Kerugian metode ini tanpa menggunakan PLTN adalah ketergantungan pada bahan bakar fosil, menghasilkan CO2. Penggunaan PLTN memungkinkan dengan modifikasi metode seperti skema dibawah. Efisiensi 70%.
Gambar 6. Proses steam reforming
Status metode steam reforming menggunakan PLTN baru pada tahap experimen di Jepang, menggunakan High Temperature engineering Tested Reactor (HTTR). 3. Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI)
Gambar 7. Skema kerja Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI) SI adalah metode produksi Hidrogen dengan siklus pemisahan air secara thermo-kimia, terdiri dari 3 reaksi kimia sebagai berikut:
Sulfur acid dan hydrogen iodide dibentuk dalan reaksi H2O, SO2, dan I2 secara
eksothermik. Hidrogen diperoleh dari dekomposisi eksothermik darihydrogen iodide. Gambar dibawah memperlihatkan diagram aliran proses siklus SI.
Gambar 8. Diagram aliran proses siklus SI Status pemanfaatan siklus SI sampai saat ini masih dalam taraf eksperimen, hanya menggunakan reaktor nuklir yang dirancang co-generasi dengan generator listrik (PLTN), artinya PLTN selain memproduksi listrik, panas sisa digunakan untuk memproduksi Hidrogen. Sebenarnya teknologi SI sudah dikembangkan sejak tahun 1970 oleh General Atom (GA) dengan efisiensi 47% tahun 1978, dan meningkat menjadi 52%, tahun 1980. Berita terkini, GA bekerja sama dengan Japan Atomic Energy Agency (JAEA). Hasilnya adalah rancangan pabrik Hidrogen disebelah gedung HTTR menggunakan siklus SI seperti pada gambar di bawah. Rencana produksi masal pada tahun 2015. Disamping itu, sebuah reaktor nuklir baru Very High Temperature Reactor (VHTR) juga akan dibangun di Jepang untuk keperluan produksi Hidrogen. Keuntungan metode SI adalah efisiensi tinggi, biaya produksi rendah, ramah lingkungan, tidak tergantung pada bahan fosil krn menggunakan PLTN. Kerugian metode ini adalah penggunaan teknologi ini memerlukan PLTN yang memiliki resistansi masyarakat, tidak ada alternatif menggunakan bahan bakar fosil. Efisiensi sekitar 50%.
KESIMPULAN
Dewasa ini keberadaanya bahan bakar dirasa sangat peting karena mobilitas manusia yang sangat tinggi. Namun semakin menipisnya persediaan minyak bumi sekarang mulai dirasakan, sehingga banyak para pemerhati energy berupaya mencari bahan bakar yang dapat digunakan sebagai alternative pengganti minyak bumi. Banyak diantaranya telah telah ditemukan dan salah satunya adalah hydrogen fuel. Hydrogen merupakan senyawa kimia yang terdapat di muka bumi dan sangat melimpah jumlahnya. Pada suhu dan tekanan permukaan bumi, hydrogen tidak berwarna. Bagaimanapun, hydrogen jarang ditemukan sendiri di alam. Biasanya terikat dengan element lain. Atmosfer kita sekarang mempunyai presentase yang kecil untk hydrogen. Hydrogen terkunci dalam jumlah besar di air (H2O), hydrocarbon (seperti methana, CH4), dsb. Untuk itu, para ilmuwan energi berlomba – lomba dalam menemukan metode yang efektif dan efisien dalam memproduksi hidrogen. Dimulai dari elektrolisis, steam reforming, fukai, dll. Produksi dilakukan dengan cara memodifikasi teknik produksi/ metode produksi, bahan dan alat.
DAFTAR PUSTAKA
Bockris J. 2002. The origin of ideas on a hydrogen economy andits solution to the decay of the environment . Int J Hydrogen Energy 27: 31-40.
Dunn S. 2002. Hydrogen Futures: Toward A Sustainable Energy System. Int J Hydrogen Energy 26: 13-28.
Domen, K., Maeda K.. 2006. Hydrogen Production from Water on Oxinitride Photocatalysts, The International Society for Optical Engineering,1-3.
Kawaguchi Y et al . 2005. Effect of Innoculum Conditioning on Hydrogen Fermentation and pH Effect on Bacterial Community Relevant to Hydrogen Production. Osaka:
Kumamoto.
Liu G, Shen J. 2004. Effect of Culture and Medium Condition on Hydrogen Production of Starch Using Anaerobic Bacteria. J Bioscience and bioengineering 98: 251-
256. Kulakov, E., Ross, A.F. .2007. Alumunium Energi for Fuel Cells: Using an Energi Source that is Both Plentiful and Fully Recyclable Will Dramatically Enhance its Utilization and Provide Benefits Globally., ALTEK FUEL GROUP.INC.
Liu, X.Z., Liu, C.Z., Eliasson, B. . 2003. Hidrogen Production from Methanol Using Corona Discharges, Chinese Chemical Letters Vol. 14, No. 6, 631-633.
Miyamoto, K., Hallenbeck, P.C., Benemann, J.R. .1997 Appl Environ Microbiol. 37, 454- 458. Purwanto, W.W., Nasikin, M., Saputra, E., Song, L. . 2005. Production Hidrogen and Nanocarbon via Methane Decomposition using Ni-based Catalysts. Effect ao Acidity and Catalyst Diameter , Makara, Teknologi, Vol. 9, No. 2, 48-52.
Salimy, D.H., Finahari, I.N. .2008. Perbandingan Produksi Hidrogen dengan Energi Nuklir Proses Elektrolisis dan Steam Reforming , Prosiding: Seminar Nasional IV
SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta, ISSN 1978-0176. Shin, H-S and J-H. Youn. 2005. Conversion of food waste into hydrogen by thermophilic acidogenesis. Biodegradation 16: 33 – 44
Sirait LR. 2007. Produksi Gas Hidrogen Dari Limbah Cair Tahu dengan Bakteri Fotosintetik Rhodobium
marinum [tesis]. Depok: Sekolah Pascasarjana,
Universitas Indonesia. Sriyono. 2008. Teknologi Proses Produksi Hidrogen Berbasis Energi Nuklir , Sigma Epsilon, ISSN 0853-9103.
Susilaningsih, D., Harwati, T.U., Anam, K., Yopi. 2008. Preparasi Substrat Biomassa Kekayuan Tropika untuk Produksi Biohidrogen, Makara, Teknologi, Vol.12,
No.1, 38-42.
Sutarno, Malik A. 2004. Analisis Efisiensi Efisiensi Energi dan Energi Listrik pada Proses Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis Air , Prosiding: Seminar Nasional
Rekayasa Kimia dan Proses, ISSN 1411-4216.
T.O.Saetre. 1997. Hydrogen Power: Theoretical and Engineering Solutions. Kluwer Academic Publisher. Thomas Ari Negara. 2007. Efek Recycling Hydrogen pada Electrolyzer Terhadap Kinerja Elektrolisis Suhu Tinggi. JTF.
Woodward, J., Heyer, N.I., Getty, J.P., O’Neil, H.M., Pinkhassik, E., Evans, B.R. . 2002. Efficient Hidrogen Production using Enzymes of the Pentose Phosphate Pathway, Proceedings of the 2002 U.S. DOE Hidrogen Program Review
NREL/CP-610-32405. http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1127296285 diakses tanggal 26 Mei 2013
MAKALAH MIKROBIOLOGI LINGKUNGAN “PERKEMBANGAN PRODUKSI HIDROGEN”
PRODUKSI HIDROGEN
OLEH :
NAMA
:
TALITHA IKHSANIL AMALIA
BP
:
1010422042
JURUSAN BIOLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS ANDALAS PADANG, 2013
