Cara Energi Hidrogen Digunakan dalam Produksi Listrik

Pembangkitan listrik menggunakan hidrogen terjadi terutama melalui dua metode: sel bahan bakar dan turbin pembakaran yang telah dimodifikasi untuk penggunaan hidrogen. Teknologi sel bahan bakar bekerja dengan menghasilkan daya melalui proses elektrokimia, dan ketika dipasangkan dengan sistem pemulihan panas, efisiensinya dapat mencapai sekitar 60%. Banyak turbin pembakaran yang awalnya dibangun untuk operasi gas alam kini dapat menangani campuran hidrogen atau bahkan hidrogen murni, yang memberikan fleksibilitas sangat dibutuhkan bagi operator jaringan dalam menjaga pasokan listrik yang stabil. Produksi hidrogen hijau melibatkan pemisahan molekul air menggunakan sumber energi terbarukan seperti tenaga angin dan surya melalui proses yang disebut elektrolisis. Hidrogen hijau ini disimpan hingga terjadi penurunan ketersediaan energi terbarukan, saat itulah hidrogen dapat dikonversi kembali menjadi listrik. Ambil contoh Jerman, di mana beberapa instalasi angin lepas pantai telah mulai menghasilkan hidrogen hijau. Proyek-proyek ini berhasil mengurangi ketergantungan pada pembangkit batu bara sekitar 40% di beberapa area uji coba tertentu, meskipun hasilnya bervariasi tergantung pada kondisi lokal dan spesifikasi penerapan.

Integrasi Hidrogen ke dalam Jaringan Listrik yang Sudah Ada

Hidrogen membantu membuat jaringan listrik lebih bersih sekaligus menjaga stabilitasnya. Ketika terdapat kelebihan energi terbarukan, hidrogen menyimpan energi tersebut dan melepaskannya kembali saat permintaan melonjak. Ambil contoh Denmark, proyek percontohannya menemukan bahwa penyimpanan hidrogen di gua garam mengurangi energi yang terbuang antara 15 hingga bahkan 20 persen setiap tahun. Kita mulai melihat munculnya sistem hibrida semacam ini, di mana pertanian surya beroperasi bersama dengan peralatan elektrolisis, meskipun mengintegrasikan semua komponen secara mulus membutuhkan manajemen energi yang cukup canggih karena aliran energi terjadi bolak-balik dalam sistem. Lihat apa yang dilakukan California dengan proyek Renewable Hydrogen Backbone mereka—mereka benar-benar menggunakan hidrogen untuk menjaga kelangsungan operasi jaringan listrik selama gelombang panas ekstrem yang akhir-akhir ini sangat mengganggu operasi normal.

Studi Kasus: Pembangkit Berbasis Hidrogen di Jerman dan Jepang

Energiepark Mainz di Jerman menggabungkan elektroliser 6 megawatt dengan sumber energi angin untuk menghasilkan sekitar 200 ton hidrogen setiap tahun. Instalasi ini bahkan dapat memasok listrik ke sekitar 2.000 rumah tangga saat terjadi pemadaman listrik melalui sistem sel bahan bakar 1,4 MW-nya. Di seberang Samudra Pasifik, Jepang telah mengembangkan proyek yang lebih besar bernama Fukushima Hydrogen Energy Research Field, atau disingkat FH2R. Dengan kapasitas 10 MW, fasilitas ini menjadi pabrik hidrogen hijau terbesar di dunia. Fasilitas ini tidak hanya membantu menyuplai listrik ke sebagian Tokyo, tetapi juga digunakan para peneliti untuk melakukan eksperimen pengiriman hidrogen melintasi lautan. Yang membuat proyek-proyek ini menonjol adalah tingkat efisiensinya yang mengesankan, sekitar 95%. Mereka mampu mencapai kinerja tinggi ini karena menyesuaikan jumlah produksi hidrogen berdasarkan kebutuhan jaringan listrik pada setiap momen tertentu.

Tantangan dalam Mengembangkan Hidrogen untuk Pembangkit Listrik Dasar

Tiga hambatan utama membatasi peran hidrogen dalam pembangkit listrik dasar:

• Biaya : Biaya modal elektroliser tetap sekitar tiga kali lebih tinggi dibandingkan turbin gas alam.
• Kerugian efisiensi : Proses bolak-balik mengubah listrik menjadi hidrogen dan kembali lagi mengakibatkan kehilangan energi sebesar 30–35%.
• Infrastruktur : Kurang dari 15% jalur pipa gas global yang dapat mengalirkan campuran hidrogen di atas 20% secara aman.

Sebuah tinjauan industri tahun 2021 menyoroti daya tahan sel bahan bakar dan kerapuhan pipa sebagai prioritas utama penelitian dan pengembangan, dengan memperkirakan diperlukan peningkatan infrastruktur senilai 1,2 triliun dolar AS hingga tahun 2040. Meskipun hidrogen melengkapi energi terbarukan, saat ini biayanya belum setara untuk penerapan beban dasar skala besar.

Hidrogen untuk Pemanasan: Mendekarbonisasi Sistem Industri dan Perumahan

Peran energi hidrogen dalam mendekarbonisasi sistem pemanas

Sekitar 40 persen dari semua emisi CO2 dari konsumsi energi di seluruh dunia berasal dari pemanasan menurut data IEA tahun lalu, karena itulah banyak pakar melihat hidrogen sebagai perubahan besar yang nyata untuk menggantikan bahan bakar fosil baik dalam tungku industri maupun boiler rumah tangga. Fakta bahwa hidrogen terbakar pada suhu hampir mencapai 2800 derajat Celsius membuatnya sangat cocok untuk industri berat seperti produksi baja. Beberapa uji coba dengan sistem sel bahan bakar mikro combined heat and power juga menunjukkan hasil yang mengesankan, mencapai efisiensi sekitar 90 persen ketika digunakan untuk jaringan pemanas distrik. Yang menarik adalah hidrogen sebenarnya bekerja cukup baik dalam sekitar 20 persen pipa gas saat ini tanpa memerlukan perubahan pada infrastruktur, sesuatu yang bisa benar-benar mempercepat adopsi teknologi ini di berbagai sektor.

Pencampuran hidrogen dengan gas alam dalam pipa

Pencampuran hidrogen ke dalam jaringan gas yang ada menawarkan jalur transisi:

Uji coba di Eropa menunjukkan bahwa campuran 20% dapat mengurangi emisi sebesar 6 juta ton per tahun sambil tetap menjaga operasional yang aman. Namun, karena densitas energi volumetrik hidrogen yang lebih rendah, laju aliran harus meningkat sebesar 15–25% pada tingkat campuran yang lebih tinggi.

Proyek percontohan di Inggris dan Belanda menggunakan hidrogen untuk pemanas rumah

Program HyDeploy di Inggris berhasil mencampurkan hidrogen ke dalam pasokan gas untuk sekitar 300 rumah dengan kadar sekitar 20%, dan sebagian besar orang tampak puas—kurang lebih 8 dari 10 peserta melaporkan kepuasan mereka. Di Belanda, hal ini menjadi semakin menarik dengan eksperimen H2Stad di mana mereka benar-benar mengalihkan 1.500 rumah sepenuhnya ke boiler berbahan bakar hidrogen. Hasilnya juga sangat mengesankan karena emisi terkait pemanasan berkurang hampir 90% dibandingkan sistem gas alam konvensional. Meskipun program uji coba ini menunjukkan bahwa hidrogen dapat berfungsi dalam skala yang lebih besar, ada beberapa kekhawatiran yang perlu diperhatikan. Pengujian pada material menunjukkan bahwa jika pipa digunakan secara terus-menerus untuk mengalirkan hidrogen murni, masa pakai mereka bisa berkurang antara 12% hingga 18%. Bukan kabar baik, tetapi masih dapat dikelola dengan perencanaan yang tepat.

Kekhawatiran efisiensi dan keselamatan dalam pemanas berbasis hidrogen

Boiler hidrogen beroperasi pada efisiensi sekitar 85 hingga 90 persen, yang sebenarnya sedikit lebih rendah dibandingkan dengan gas alam yang mencapai sekitar 94%. Hal yang perlu diperhatikan mengenai hidrogen adalah bahwa ia lebih mudah terbakar karena hanya membutuhkan 0,02 mJ dibandingkan metana yang membutuhkan 0,3 mJ. Ini berarti kita memerlukan sistem deteksi kebocoran yang sangat baik untuk mendeteksi bahkan jumlah yang sangat kecil, mungkin hanya sekitar konsentrasi 1%. Menurut beberapa penelitian terbaru dari DNV pada tahun 2023, hidrogen cenderung meresap melalui pipa polietilena sekitar 30 kali lebih cepat dibandingkan gas biasa. Karena masalah ini, jaringan pipa lama kemungkinan besar akan memerlukan pelapis komposit khusus yang dipasang di suatu tempat sepanjang jalur. Dan jangan lupa juga tentang ventilasi yang memadai. Ketika bangunan direnovasi dengan benar, langkah sederhana ini saja dapat mengurangi risiko ledakan hampir sebesar 92%.

Hidrogen dalam Transportasi: Dari Sel Bahan Bakar hingga Penerbangan

Kendaraan Berbahan Bakar Sel Hidrogen sebagai Alternatif Transportasi Bersih

Kendaraan listrik sel bahan bakar bekerja dengan menghasilkan tenaga melalui reaksi kimia di dalam sel, dan pada dasarnya hanya melepaskan uap air sebagai gas buang. Keunggulan utamanya adalah pengisian bahan bakar membutuhkan waktu kurang dari lima menit, dan kendaraan ini dapat menempuh jarak lebih dari 500 kilometer sebelum perlu diisi ulang. Untuk keperluan seperti truk jarak jauh dan kapal kargo, teknologi ini lebih unggul dibanding baterai konvensional karena mampu menyimpan lebih banyak energi dalam ruang yang lebih kecil tanpa mengorbankan terlalu banyak ruang kargo. Perusahaan-perusahaan seperti Toyota dan Hyundai baru-baru ini mulai menginvestasikan dana besar dalam teknologi hidrogen untuk kebutuhan transportasi skala besar mereka.

Adopsi Bus dan Truk Hidrogen di California dan Korea Selatan

Proyek H2 Frontier di California telah mengerahkan lebih dari 50 bus berbahan bakar hidrogen di 12 distrik angkutan sejak tahun 2023, mengurangi emisi sebesar 1.200 ton per tahun. Di Korea Selatan, Pelabuhan Hidrogen Ulsan mengoperasikan 120 truk sel bahan bakar untuk transportasi kontainer, didukung oleh elektrolizer yang ditenagai oleh angin lepas pantai di dekatnya.

Kereta Berbahan Bakar Hidrogen di Jerman dan Prancis

Kereta Coradia iLint milik Jerman menyelesaikan perjalanan sejauh 220.000 kilometer tanpa emisi pada tahun 2023. Jalur TER Occitanie di Prancis menggantikan 15 unit kereta diesel dengan kereta hibrida hidrogen, yang menggunakan sel bahan bakar berbasis atap untuk memperluas jangkauan di rute non-terlistrik.

Aplikasi Baru di Sektor Maritim dan Penerbangan

Operator maritim menggunakan amonia turunan hidrogen untuk menggerakkan empat kapal kargo di Laut Utara, mengurangi emisi CO2 sebesar 85% dibandingkan minyak bakar berat. Di bidang penerbangan, pesawat regional tanpa emisi yang digerakkan oleh pembakaran hidrogen cair diperkirakan mulai beroperasi pada tahun 2035, dengan prototipe saat ini telah menyelesaikan penerbangan uji sejauh 750 km.

Tantangan Infrastruktur untuk Jaringan Pengisian Ulang Hidrogen

Secara global, terdapat kurang dari 1.000 stasiun pengisian ulang hidrogen, dengan 42% berada di Eropa dan 38% di Asia. Penyimpanan bertekanan tinggi masih mahal—mencapai $1.800 per kg pada tahun 2024—dan kegetiran material pipa menjadi tantangan dalam distribusi skala besar.

Produksi Hidrogen Hijau: Memajukan Metode yang Berkelanjutan

Hidrogen abu-abu vs. biru vs. hijau: Pertimbangan lingkungan dan ekonomi

Ada beberapa cara berbeda untuk memproduksi hidrogen, dan masing-masing memiliki dampak lingkungan serta harga tersendiri. Hidrogen abu-abu dihasilkan dari proses reformasi metana dengan uap (SMR) dan melepaskan antara 9 hingga 12 kilogram CO2 untuk setiap kilogram hidrogen yang diproduksi. Berapa biayanya? Sekitar $1,50 hingga $2,80 per kilogram menurut Badan Energi Internasional pada tahun 2023. Selanjutnya ada hidrogen biru yang pada dasarnya menggunakan proses SMR yang sama tetapi ditambah dengan teknologi penangkapan karbon. Ini mengurangi emisi sekitar 80 hingga 90 persen, meskipun membuat biaya menjadi lebih tinggi, yaitu sekitar $2,50 hingga $4 per kilogram. Dan akhirnya ada hidrogen hijau, yang dibuat ketika listrik dari sumber terbarukan menggerakkan peralatan elektrolisis. Metode ini tidak melepaskan emisi langsung dan saat ini harganya berkisar antara $3 hingga $5 per kilogram. Harga ini sebenarnya telah turun cukup signifikan dibandingkan beberapa tahun lalu, ketika harganya berada di kisaran $4 hingga $6 per kilogram.

Kemajuan elektrolisis meningkatkan produksi energi hidrogen hijau

Elektrolizer membran pertukaran proton (PEM) kini mencapai efisiensi 75–83%, naik dari 60% pada tahun 2010. Sistem alkalin beroperasi pada efisiensi 65–70% dengan masa pakai lebih dari 60.000 jam. Elektrolizer oksida padat (SOEC), yang beroperasi pada suhu 700–900°C, telah mencapai efisiensi 85% dalam uji coba, menunjukkan potensi untuk produksi hidrogen hijau skala industri (ScienceDirect 2024).

Tren biaya dan skalabilitas produksi hidrogen berbasis energi terbarukan

Biaya produksi hidrogen melalui elektrolisis yang ditenagai oleh tenaga surya telah turun secara drastis, sekitar 62% sejak tahun 2015. Saat ini kita melihat harga berkisar antara $3 hingga $4,50 per kilogram pada tahun 2024. Di bawah sana di Australia, pertanian angin menghasilkan lebih dari 1.000 ton hidrogen hijau setiap tahun dengan harga sekitar $3,80 per kg. Sementara itu di Tiongkok, instalasi elektrolizer skala besar terus membuat produksi menjadi lebih murah setiap tahunnya, memangkas biaya sekitar 18% per tahun. Ke depan, BloombergNEF memperkirakan bahwa hidrogen hijau bisa mencapai hanya $1,50 per kg pada tahun 2030. Hal ini akan terjadi seiring sumber energi terbarukan terus berkembang pesat, yang diperkirakan akan menyumbang hampir 85% dari seluruh pembangkit listrik baru di seluruh dunia.

FAQ

Apa saja metode utama dalam membangkitkan listrik menggunakan hidrogen? Metode utamanya adalah melalui sel bahan bakar dan turbin pembakaran yang dimodifikasi untuk hidrogen.
Bagaimana hidrogen berkontribusi terhadap stabilitas jaringan listrik? Hidrogen menyimpan kelebihan energi terbarukan, melepaskannya saat lonjakan permintaan untuk memastikan stabilitas jaringan listrik.
Apa saja tantangan saat ini dalam penggunaan hidrogen untuk pasokan daya dasar? Biaya tinggi, kerugian efisiensi selama konversi energi, dan keterbatasan infrastruktur merupakan tantangan utama.
Bagaimana hidrogen digunakan dalam sistem pemanas? Hidrogen dapat menggantikan bahan bakar fosil dalam sistem pemanas industri dan perumahan, menawarkan alternatif yang berkelanjutan.
Perkembangan apa yang telah dicapai dalam produksi hidrogen hijau? Perkembangan dalam teknologi elektrolisis dan instalasi skala besar telah secara signifikan menurunkan biaya dan meningkatkan efisiensi.