Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis: Teknologi Kunci Menuju Energi Bersih
Hidrogen hijau (green hydrogen) menjadi salah satu harapan utama transisi energi global karena potensinya yang ramah lingkungan. Salah satu metode produksinya yang paling menjanjikan adalah elektrolisis air, proses pemisahan molekul air (H₂O) menjadi hidrogen (H₂) dan oksigen (O₂) menggunakan listrik dari sumber terbarukan.
Apa Itu Elektrolisis Air?
Elektrolisis air adalah proses elektrokimia yang mengubah air menjadi gas hidrogen dan oksigen dengan bantuan arus listrik. Proses ini terjadi dalam sebuah sel elektrolisis yang terdiri dari dua elektroda (anoda dan katoda) serta larutan atau membran elektrolit. Hidrogen yang dihasilkan disebut “hijau” jika listriknya berasal dari sumber terbarukan seperti matahari atau angin.
Prinsip Kerja Elektrolisis
Ketika arus listrik dialirkan ke dalam sel elektrolisis, reaksi kimia berikut terjadi:
- Katoda (Reduksi): 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
- Anoda (Oksidasi): 2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻
Gas hidrogen terkumpul di katoda, sedangkan oksigen dilepaskan di anoda. Proses ini membutuhkan input energi listrik untuk memutus ikatan H-O dalam air.
Komponen Utama Sistem Elektrolisis
- Elektroda: Biasanya terbuat dari logam tahan korosi seperti nikel, platinum, atau stainless steel.
- Elektrolit: Bisa berupa larutan alkali (KOH) atau membran polimer (PEM).
- Membran: Memisahkan gas hidrogen dan oksigen sekaligus menghantarkan ion.
- Power Supply: Sumber listrik DC dari PLTS, PLTA, atau jaringan grid.
Jenis-Jenis Teknologi Elektrolisis
a. Alkaline Electrolysis (AEL)
Menggunakan larutan elektrolit basa (KOH 20-30%) dan elektroda nikel. Cocok untuk skala industri dengan biaya rendah, tetapi kurang fleksibel terhadap fluktuasi energi terbarukan.
b. Proton Exchange Membrane (PEM)
Memanfaatkan membran polimer sebagai elektrolit. Teknologi ini lebih efisien, responsif, dan kompak, cocok untuk integrasi dengan energi surya/angin.
c. Solid Oxide Electrolysis (SOEC)
Bekerja pada suhu tinggi (700–900°C) dengan elektrolit keramik. Efisiensi lebih tinggi karena memanfaatkan panas limbah industri.
Keunggulan Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis
- Zero Emission: Tidak menghasilkan CO₂ jika menggunakan energi terbarukan.
- Kemurnian Tinggi: Hidrogen mencapai kemurnian >99,9%, ideal untuk industri elektronik dan bahan bakar sel.
- Modular: Dapat disesuaikan dari skala kecil (off-grid) hingga pabrik besar.
- Multifungsi: Hidrogen bisa disimpan, diangkut, atau digunakan langsung sebagai bahan bakar.
Tantangan dalam Elektrolisis
- Biaya Tinggi: Harga elektroliser PEM dan katalis platinum masih mahal.
- Konsumsi Energi: Membutuhkan 50–55 kWh/kg H₂, tergantung teknologi.
- Durabilitas Material: Elektroda dan membran rentan degradasi akibat kondisi operasional ekstrem.
- Ketergantungan Energi Terbarukan: Listrik hijau belum tersedia merata di semua wilayah.
Aplikasi Hidrogen Hasil Elektrolisis
- Transportasi: Bahan bakar kendaraan listrik FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle).
- Industri: Bahan baku produksi amonia, baja hijau, dan pupuk.
- Penyimpanan Energi: Konversi ke bentuk cair (liquid H₂) atau amonia untuk cadangan energi.
- Rumah Tangga: Sumber panas dan listrik melalui sistem hydrogen fuel cell.
Inovasi Terkini dalam Teknologi Elektrolisis
- Elektroliser Bebas Platinum: Pengembangan katalis berbasis besi atau nikel untuk mengurangi biaya.
- High-Temperature Electrolysis: Kombinasi SOEC dengan reaktor nuklir generasi IV.
- Hybrid Systems: Integrasi elektrolisis dengan teknologi CCS (Carbon Capture and Storage) untuk produksi hidrogen biru.
- AI untuk Optimasi: Kecerdasan buatan digunakan untuk memprediksi kinerja sel dan perawatan preventif.
Perbandingan dengan Metode Produksi Hidrogen Lain
- Steam Methane Reforming (SMR): Lebih murah tetapi menghasilkan emisi CO₂ tinggi.
- Gasifikasi Batubara: Biaya rendah namun berdampak buruk pada lingkungan.
- Elektrolisis: Ramah lingkungan tetapi masih memerlukan penurunan biaya infrastruktur.
Masa Depan Elektrolisis dalam Transisi Energi
Pemerintah dan perusahaan global mulai berinvestasi besar-besaran dalam proyek hidrogen hijau. Pada 2030, kapasitas elektroliser diproyeksikan mencapai 80 GW (International Energy Agency). Inovasi seperti electrolyser skala gigawatt dan green hydrogen hub akan mempercepat dekarbonisasi sektor industri dan transportasi.
Kesimpulan
Elektrolisis air adalah tulang punggung produksi hidrogen hijau yang berkelanjutan. Meski masih menghadapi tantangan biaya dan teknologi, perkembangan pesat dalam material dan integrasi energi terbarukan membuka jalan menuju ekonomi hidrogen yang kompetitif. Bagi industri yang berkomitmen pada net-zero emission, elektrolisis adalah solusi strategis untuk masa depan.
KONTRIBUTOR: Daris Arsyada
Sumber:
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis (diakses pada tanggal 6 Februari 2025)
https://stargatehydrogen.com/blog/basics-of-hydrogen-electrolysis/ (diakses pada tanggal 6 Februari 2025)
https://www.linde.com/clean-energy/our-h2-technology/electrolysis-for-green-hydrogen-production (diakses pada tanggal 6 Februari 2025)
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee01023b (diakses pada tanggal 6 Februari 2025)
https://h2bulletin.com/knowledge/hydrogen-production-through-electrolysis/ (diakses pada tanggal 6 Februari 2025)