FUEL CELL HYDROGEN

Hidrogen Sebagai Sel Bahan Bakar : Sumber Energi Masa Depan

Latar Belakang

Energi menjadi komponen penting bagi kelangsungan hidup manusia karena hampir semua aktivitas kehidupan manusia sangat tergantung pada ketersediaan energi yang cukup. Dewasa ini dan beberapa tahun ke depan, manusia masih akan tergantung pada sumber energi fosil karena sumber energi fosil inilah yang mampu memenuhi kebutuhan energi manusia dalam skala besar. Sedangkan sumber energi alternatif / terbarukan belum  dapat  memenuhi kebutuhan energi  manusia  dalam  skala  besar karena fluktuasi potensi dan tingkat keekonomian yang belum bisa bersaing dengan energi konvensional.

Di lain pihak, manusia dihadapkan pada situasi menipisnya cadangan sumber energi fosil  dan  meningkatnya  kerusakan  lingkungan  akibat  penggunaan  energi  fosil. Melihat kondisi tersebut maka saat ini sangat diperlukan penelitian yang intensif untuk mencari, mengoptimalkan dan menggunakan sumber energi alternatif / terbarukan. Hasil penelitian tersebut diharapkan mampu mengatasi beberapa permasalahan yang berkaitan dengan penggunaan energi fosil.

Salah satu bentuk energi terbarukan yang dewasa ini menjadi perhatian besar pada banyak negara, terutama di negara maju adalah hidrogen. Hidrogen diproyeksikan oleh banyak negara akan menjadi bahan bakar masa depan yang lebih ramah lingkungan dan lebih efisien. Dimana suplai energi yang dihasilkan sangat bersih karena hanya menghasilkan uap air sebagai emisi selama berlangsungnya proses.

Daya hidrogen terutama dalan bentuk sel bahan bakar hidrogen (hydrogen fuel cells) menjanjikan penggunaan bahan bakar yang tidak terbatas dan tidak polusi, sehingga menyebabkan ketertarikan banyak perusahaan energi terkemuka di dunia, industri otomotif maupun pemerintahan. Teknologi sel bahan bakar ini dengan begitu banyak keuntungan yang dijanjikan menimbulkan gagasan "hydrogen economy" dimana hidrogen dijadikan sebagai bentuk energi utama yang dikembangkan. 

Hidrogen

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.

Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi, dan biasanya dihasilkan secara industri dari berbagai senyawa hidrokarbon seperti metana. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam.

Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya  hanya  mempunyai  proton  tunggal  dan  tanpa  neutron.  Senyawa  ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam basa yang mana banyak rekasi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya       atom    netral   yang    persamaan Schrödingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan mekanika kuantum.

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)

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.

Hidrogen adalah unsur yang paling melimpah di alam semesta ini dengan persentase

75% dari barion berdasarkan massa dan lebih dari 90% berdasarkan jumlah atom. Unsur ini ditemukan dalam kelimpahan yang besar di bintang-bintang dan planet- planet  gas  raksasa.  Awan  molekul  dari  H2   diasosiasikan  dengan  pembentukan bintang. Hidrogen memainkan peran penting dalam pemberian energi bintang melalui reaksi proton-proton dan fusi nuklir daur CNO.

Di seluruh alam semesta ini, hidrogen kebanyakan ditemukan dalam keadaan atomik dan  plasma  yang  sifatnya  berbeda  dengan  molekul  hidrogen.  Sebagai  plasma, elektron  hidrogen  dan  proton  terikat  bersama,  dan  menghasilkan  konduktivitas elektrik yang sangat tinggi dan daya pancar yang tinggi (menghasilkan cahaya dari matahari dan bintang lain). Partikel yang bermuatan dipengaruhi oleh medan magnet dan   medan   listrik.   Sebagai   contoh,   dalam   angin   surya,   partikel-partikel   ini berinteraksi dengan magnetosfer bumi dan mengakibatkan arus Birkeland dan fenomena Aurora. Hidrogen ditemukan dalam keadaan atom netral di medium antarbintang. Sejumlah besar atom hidrogen netral yang ditemukan di sistem Lyman-

alpha teredam diperkirakan mendominasi rapatan barionik alam semesta sampai dengan pergeseran merah z=4.

Dalam keadaan normal di bumi, unsur hidrogen berada dalam keadaan gas diatomik, H2. Namun, gas hidrogen sangatlah langka di atmosfer bumi (1 ppm berdasarkan volume) oleh karena beratnya yang ringan yang menyebabkan gas hidrogen lepas dari gravitasi bumi. Walaupun demikian, hidrogen masih merupakan unsur paling melimpah di permukaan bumi ini. Kebanyakan hidrogen bumi berada dalam keadaan bersenyawa dengan unsur lain seperti hidrokarbon dan air. Gas hidrogen dihasilkan oleh beberapa jenis bakteri dan ganggang.

2.    Fuel Cells ( Sel Bahan Bakar )

Di zaman modern seperti sekarang ini, listrik bukanlah hal yang baru lagi bagi kita. Energi multifungsi ini sangat berperan besar dalam kehidupan. Terutama untuk manusia. Bahkan mungkin, kita tak akan bisa hidup walau sehari tanpa listrik. Sebaliknya, hal itu tidak berlaku pada zaman dulu, ketika listrik belum ditemukan. Penerangan di malam hari saja, saat itu sudah cukup dengan mengandalkan api. Beruntung, kita hidup di zaman yang canggih seperti sekarang. Segala alat, sarana, dan prasarana penunjang dan pemanja hidup sudah lengkap tersedia.

Tentu  kita  masih  ingat  bagaimana  evolusi  energi  listrik  terjadi  hingga  seperti sekarang. Salah satu tahapnya adalah penggunaan accumulator atau yang biasa kita

sebut sebagai accu atau aki. Alat penghasil listrik ini dulu sering kita jumpai sebagai penghidup televisi.

Seorang berkebangsaan Inggris yang bernama Sir William Robert Grove, manusia pertama pembuat alat sederhana yang belakangan disebut sebagai fuel cell. Seorang hakim pengadilan, penemu, dan ahli fisika lahir tanggal 11 juli 1811 di Swansea, South Wales dan meninggal di London pada tanggal 1 Agustus 1896.

Setelah  menyelesaikan  pendidikan  privatnya,  Grove  masuk  Brasenose  College, Oxford hingga mendapatkan gelar B.A. di tahun 1832. Beliau juga belajar hukum pada Lincoln Inn.

Kariernya dalam bidang ilmu pengetahuan dimulai sejak dia membuat voltaic battery yang dijelaskannya pada pertemuan The British Association for the Advancement of Science di tahun 1839. Fuel cell yang dibuatnya terdiri atas elektrolit asam, keping platina serta tabung gas oksigen dan hidrogen, dan menggunakan prinsip reaksi balik terbentuknya air, di mana hidrogen dan oksigen akan bereaksi dalam larutan asam dan menghasilkan air dan listrik dengan arus sebesar 12 ampere dan tegangan 1,8 volt. Sel ini kemudian disebut sebagai Grove`s Battery atau baterai Grove atau sel Grove.

Sejak  saat  itu  sel  groove  banyak  digunakan.  Akan  tetapi,  karena  listrik  yang dihasilkan sedikit dan tidak mencukupi lagi untuk kebutuhan listrik yang semakin besar, lambat laun sel Grove mulai tergeser. Namun, sel Grove tetap menjadi dasar acuan pengembangan fuel cell selanjutnya.

Temuan-temuan fuel cell selanjutnya bermunculan. Di tahun 1889, kata fuel cell pertama kali diperkenalkan oleh Ludwig Mond dan Charles Langer yang mencoba membuat fuel cell yang dipakai untuk industri batu bara. Walaupun sumber lain ada juga yang mengatakan bahwa kata fuel cell pertama kali dipakai oleh William White Jaques. Jaques juga adalah peneliti pertama yang memakai asam fosfat sebagai elektrolit.

Di tahun 1920 penelitian fuel cell di Jerman membuka jalan bagi pembuatan siklus karbonat dan fuel cell oksida padat seperti yang ada sekarang ini.

Di tahun 1932, seorang insinyur Francis T. Bacon memulai penelitian penting dalam fuel cell. Dulunya fuel cell menggunakan elektroda platina dan asam sulfat sebagai elektrolit di mana platina sangat mahal dan asam sulfat sangat korosif (membuat cepat berkarat). Di sini Bacon mengembangkan katalis platina yang sangat mahal itu dengan sel oksigen dan hidrogen yang memakai elektrolit alkali yang tidak korosif serta  elektroda  yang tidak  mahal.  Penelitiannya berlangsung hingga tahun  1959. dalam pendemonstrasian model desainnya menghasilkan 5.000 watt yang dapat menghidupkan mesin pengelas. Fuel cell tersebut akhirnya disebut sebagai Bacon Cell.

Seorang insinyur Allis-Chalmers Manufacturing Company, di bulan Oktober tahun

1959 mendemonstrasikan 20 traktor bertenaga kuda yang merupakan mesin pertama menggunakan fuel cell.

Sebuah produsen alat elektronik terkenal di Amerika, selama tahun 1960-an memproduksi tenaga listrik berbasis fuel cell untuk NASA sebagai tenaga pesawat ruang angkasanya yaitu Gemini dan Apollo. Sistem fuel cell yang dipakai dalam alat ini berdasar pada sel Bacon. Sampai sekarang, tenaga yang dipakai dalam pesawat ruang angkasa tetap memakai fuel cell karena dengan fuel cell energi yang dipakai tidak terlalu ribet seperti baterai atau tenaga nuklir yang cukup riskan. Dalam hal penelitian teknologi fuel cell, NASA telah mendanai lebih dari 200 riset.

Bus yang memakai teknologi fuel cell pertama kali diluncurkan pada tahun 1993 dan untuk  mobil  biasa  di  Eropa  dan  Amerika  kini  telah  banyak  dipakai.  Sejumlah produsen      mobil  mewah       dan      produsen                  mobil    kelas       menengah           juga      mulai mengembangkan mobil yang memakai fuel cell ini, sejak tahun 1997.

Sejak saat itu bermunculan temuan-temuan yang lebih mutakhir tentang mobil yang bertenaga         fuel      cell                    ini.     Promosi       yang          dilakukan                 besar-besaran     dengan mengedepankan ramah dan amannya emisi yang dihasilkan kendaraan sehingga lingkungan yang bebas polusi dan takkan mengganggu lingkungan, kemudian juga dapat diperbaruinya bahan bakar yang akhirnya mengurangi pemakaian BBM. Ditambah lagi  bermunculannya tempat-tempat penjualan bahan bakar  ini,  seperti adanya pom-pom hidrogen.

Tak hanya itu, teknologi fuel cell yang ditemukan juga menjadi bervariasi, seperti ditemukannya fuel cell yang lebih efisien dalam menghasilkan gas hidrogen hingga jumlahnya semakin berlipat. Teknologi ini bahkan melibatkan proses fermentasi oleh mikroba yang sebelumnya sangat mustahil sekali di dalam produksi bahan bakar.

Teknologi ini berkembang sejak tahun 2.000 yang kita kenal sebagai MFC atau Microbial Fuel Cell. MFC ini selain menghasilkan hidrogen yang banyak hingga 4 kali lipat dari fuel cell biasa, substrat yang dipakai mikroba dalam berfermentasi adalah limbah rumah tangga, industri ataupun limbah pertanian yang tidak terpakai sehingga selain yang dihasilkan adalah gas hidrogen juga didapatnya produk akhir berupa air bersih yang tentu saja dapat dipakai untuk berbagai macam kebutuhan.

Dan jelas hal ini bisa mengurangi sejumlah dana yang dipakai untuk pembersihan air limbah. Walaupun memang MFC ini belum dapat dipakai di dalam menghidupkan mobil seperti fuel cell sebelumnya, sejumlah pakar peneliti merasa optimistis hal itu dapat terwujud karena penelitian ke arah itu sedang dalam pengembangan