Dua pertiga bagian bumi dan manusia terbentuk dari zat cair yang
berada dalam senyawa air namun potensi air untuk dimanfaatkan sebagai
sumber energi masih belum optimal malah menjadi isu politis yang
menyesatkan bahwa air bisa digunakan sebagai bahan bakar pengganti
minyak bumi. Mungkinkah air bisa digunakan sebagai sumber energi
pengganti bahan bakar fosil yang selama ini dipakai oleh manusia?
Jawabnya secara tak langsung air saat ini sudah menjadi salah satu
sumber energi utama di untuk kebutuhan manusia, listrik yang sehari-hari
dikonsumsi untuk menjalankan aktivitas baik industri dan rumah tangga
salah satunya adalah karena adanya air. Pembangkit Listrik Tenaga Air
(PLTA) sendiri sudah menjadi suatu teknologi lazim yang dimiliki oleh
negara yang memiliki curahan air melimpah sebagai jenis bauran
energinya, termasuk pembangkit listrik yang memanfaatkan debit dan
aliran air yang berskala kecil sekalipun, mikro-hidro.
Namun bagaimana potensi air sebagai bahan bakar pengganti minyak? Tantangan inilah yang saat ini masih terus dipelajari oleh manusia untuk mendapatkan teknologi yang efisien guna mengambil nilai bakar dari air salah satunya adalah teknologi elektrolisis. Adalah dua peneliti asal Belanda, Jan Rudolph Deiman dan Adriaan Paets van Troostwijk pada tahun 1789 yang berhasil mengungkap fenomena munculnya gas mudah terbakar akibat dekomposisi air oleh adanya aliran elektron lalu diperjelas oleh Alessandro Volta tahun 1792 yang menggunakan aliran listrik untuk menghasilkan gas hidrogen dari air yang kemudian menjadi dasar dalam perancangan mesin elektrolisis oleh Zenobe Gramme pada tahun 1869. Sebelum membahas lebih jauh tentang proses elektrolisis maka perlu diberikan pemahaman apakah yang dimaksud dengan elektrolisis? Elektrolisis adalah proses dekomposisi suatu senyawa kimia menjadi beberapa bagian unsur atau senyawa pembentuknya dengan menggunakan aliran elektron/listrik (Trasatti, 1999). Elektrolisis air sendiri adalah memecah senyawa H2O menjadi dua unsur gas yaitu gas hidrogen dan oksigen sebagai penyusunnya untuk kemudian gas hidrogen inilah yang akan menjadi sumber bahan bakar.
Sejenak kita menengok hasil prakarya di masa sekolah dulu, elektrolisis air bisa dilakukan dengan menggunakan percobaan sederhana yaitu dengan merancang dua elektoda katoda dan anoda lalu diberikan sumber tegangan listrik sebagai aliran elektron kemudian dimasukkan ke dalam tangki atau tabung yang mengandung air. Aliran elektron akan memberikan energi pada air untuk melakukan auto-ionisasi yaitu proses pemecahan senyawa pembentuknya untuk kemudian menjadi senyawa gas hidrogen dan oksigen. Diagram sederhana alat elektrolisis air bisa dilihat di gambar berikut ini.
Gambar 1. Skema Alat Elektrolisis
Proses yang terjadi pada elektrolisis air bisa dijelaskan dalam dua
bagian besar yaitu pada katoda dan anoda. Reaksi dekomposisinya adalah
sebagai berikut:
Anoda (kutub negatif) : 2H2O(liq) → O2(gas) + 4H+(ion) + 4e-(ion)
Katoda (kutub positif) : 4H+(ion) + 4e-(ion) → 2H2(gas)
Gas hidrogen inilah yang diinginkan untuk disimpan atau langsung digunakan sebagai gas pembakaran baik terutama untuk kebutuhan transportasi. Reaksi pada katoda biasa disebut dengan reaksi reduksi atau penangkapan elektron sedangkan anoda mengalami oksidasi karena melepaskan elektron, inilah yang disebut dengan menghasilkan bahan bakar dari air. Zoulias et al. (2001) menjelaskan bahwa kendala terbesar dari elektrolisis ini adalah kemampuan air sendiri untuk melakukan ionisasi, air adalah media penghantar listrik yang cukup bagus namun tidak mudah mengalami auto-ionisasi terutama pada air murni karena membutuhkan energi aktivasi yang cukup besar. Seperti diketahui enthalpi reaksi standar (ΔH) elektrolisis adalah 285,8 kJ/mol sedangkan entropi standar gas hidrogen sebesar 130,6 J/mol K; gas oksigen sebesar 205,1 J/mol K; dan air murni sebesar 70 J/mol K. Jika ditotal menurut hukum stoikiometri reaksi adalah:
130,6+(0,5×205,1)+70= 163,14 J/mol K (total Δ°S)
Pada suhu 25°C atau 298 K besaran total entropinya adalah:
163,14 J/mol x 298 = 48,615 kJ/mol (TΔ°S)
Dan energi bebas Gibbs yang diperoleh adalah hasil pengurangan enthalpi standar dengan entropi total:
285,8 – 48,615 = 237,184 kJ/mol
Jika 1 mol air adalah 18 gram air (sesuai dengan berat molekul air) maka dalam 1 gram air dibutuhkan energy bebas Gibbs sebesar:
237,184 x 18 = 4269,31704 kJ/gram
Apabila 1 kJ adalah 0,000277778 kWh maka energi listrik yang dibutuhkan untuk mengkonversi satu gram air menjadi dua gram gas hidrogen adalah sebesar 1,18592 kWh (Merril, 2007).
Selain energi listrik yang dibutuhkan untuk menghasilkan gas hidrogen tantangan lain yang perlu dipikirkan adalah masalah keamanan yaitu berkaitan dengan sifat gas hidrogen yang flammable atau mudah terbakar. Gas hidrogen pada tekanan atmosfer dan suhu ruangan mudah sekali bereaksi dengan gas oksigen pada kisaran 4-75% volume gas bandingkan dengan gas alam atau metana yang akan terbakar jika volumenya 5,3-15%. Jika gas hidrogen hendak disimpan sebelum digunakan maka yang perlu dipersiapkan adalah tangki penampung yang cocok secara material karena hidrogen juga mudah bereaksi dengan berbagai jenis logam untuk membentuk senyawa hidro-material. Selain itu harus dipahami gas hidrogen tidak seperti bahan bakar minyak yang berbentuk cairan. Densitas energi untuk gas hidrogen adalah sembilan per seratus kali bahan bakar minyak artinya 1 liter tangki bahan bakar minyak mampu diisi sebesar 592,335 gram bahan bakar minyak berupa pertamax sedangkan 1 liter tangki gas hidrogen hanya mampu diisi 55,613 gram gas hidrogen tentu saja dibutuhkan tangki yang lebih besar untuk menampung gas hidrogen yang cukup besar kuantitasnya. Salah satu teknologi yang memungkinkan adalah mengubah gas hidrogen menjadi liquid atau zat cair dengan proses cryogenic yaitu gas hidrogen ditekan hingga mencapai tekanan 20-30 megaPascal atau 198-297 atmosfer hingga terbentuk liquidnya dan material tangki penyimpan dirancang khusus dari bahan yang anti pecah saat guncangan serta kuat pada tekanan tinggi. Hingga saat ini teknologi material yang sedang dikembangkan untuk penyimpanan hidrogen dalam bentuk cairan adalah carbon-fiber dan polimer high density yang mampu menyimpan hidrogen cair secara aman dan memiliki daya simpan dengan kapasitas hingga 100 liter (Sunde, 2006).
Sumber gambar: skema elektrolisis
Note: Entalpi=Energi yang dimiliki oleh suatu komponen untuk melakukan reaksi.
Entropi=Kuantitas energi yang dimiliki oleh suatu unsur atau senyawa dalam kondisi tertentu.
Gibbs Energi=Energi yang dibutuhkan suatu sistem untuk melakukan kerja/usaha
Referensi:
Read More ->>
Namun bagaimana potensi air sebagai bahan bakar pengganti minyak? Tantangan inilah yang saat ini masih terus dipelajari oleh manusia untuk mendapatkan teknologi yang efisien guna mengambil nilai bakar dari air salah satunya adalah teknologi elektrolisis. Adalah dua peneliti asal Belanda, Jan Rudolph Deiman dan Adriaan Paets van Troostwijk pada tahun 1789 yang berhasil mengungkap fenomena munculnya gas mudah terbakar akibat dekomposisi air oleh adanya aliran elektron lalu diperjelas oleh Alessandro Volta tahun 1792 yang menggunakan aliran listrik untuk menghasilkan gas hidrogen dari air yang kemudian menjadi dasar dalam perancangan mesin elektrolisis oleh Zenobe Gramme pada tahun 1869. Sebelum membahas lebih jauh tentang proses elektrolisis maka perlu diberikan pemahaman apakah yang dimaksud dengan elektrolisis? Elektrolisis adalah proses dekomposisi suatu senyawa kimia menjadi beberapa bagian unsur atau senyawa pembentuknya dengan menggunakan aliran elektron/listrik (Trasatti, 1999). Elektrolisis air sendiri adalah memecah senyawa H2O menjadi dua unsur gas yaitu gas hidrogen dan oksigen sebagai penyusunnya untuk kemudian gas hidrogen inilah yang akan menjadi sumber bahan bakar.
Sejenak kita menengok hasil prakarya di masa sekolah dulu, elektrolisis air bisa dilakukan dengan menggunakan percobaan sederhana yaitu dengan merancang dua elektoda katoda dan anoda lalu diberikan sumber tegangan listrik sebagai aliran elektron kemudian dimasukkan ke dalam tangki atau tabung yang mengandung air. Aliran elektron akan memberikan energi pada air untuk melakukan auto-ionisasi yaitu proses pemecahan senyawa pembentuknya untuk kemudian menjadi senyawa gas hidrogen dan oksigen. Diagram sederhana alat elektrolisis air bisa dilihat di gambar berikut ini.
Gambar 1. Skema Alat ElektrolisisAnoda (kutub negatif) : 2H2O(liq) → O2(gas) + 4H+(ion) + 4e-(ion)
Katoda (kutub positif) : 4H+(ion) + 4e-(ion) → 2H2(gas)
Gas hidrogen inilah yang diinginkan untuk disimpan atau langsung digunakan sebagai gas pembakaran baik terutama untuk kebutuhan transportasi. Reaksi pada katoda biasa disebut dengan reaksi reduksi atau penangkapan elektron sedangkan anoda mengalami oksidasi karena melepaskan elektron, inilah yang disebut dengan menghasilkan bahan bakar dari air. Zoulias et al. (2001) menjelaskan bahwa kendala terbesar dari elektrolisis ini adalah kemampuan air sendiri untuk melakukan ionisasi, air adalah media penghantar listrik yang cukup bagus namun tidak mudah mengalami auto-ionisasi terutama pada air murni karena membutuhkan energi aktivasi yang cukup besar. Seperti diketahui enthalpi reaksi standar (ΔH) elektrolisis adalah 285,8 kJ/mol sedangkan entropi standar gas hidrogen sebesar 130,6 J/mol K; gas oksigen sebesar 205,1 J/mol K; dan air murni sebesar 70 J/mol K. Jika ditotal menurut hukum stoikiometri reaksi adalah:
130,6+(0,5×205,1)+70= 163,14 J/mol K (total Δ°S)
Pada suhu 25°C atau 298 K besaran total entropinya adalah:
163,14 J/mol x 298 = 48,615 kJ/mol (TΔ°S)
Dan energi bebas Gibbs yang diperoleh adalah hasil pengurangan enthalpi standar dengan entropi total:
285,8 – 48,615 = 237,184 kJ/mol
Jika 1 mol air adalah 18 gram air (sesuai dengan berat molekul air) maka dalam 1 gram air dibutuhkan energy bebas Gibbs sebesar:
237,184 x 18 = 4269,31704 kJ/gram
Apabila 1 kJ adalah 0,000277778 kWh maka energi listrik yang dibutuhkan untuk mengkonversi satu gram air menjadi dua gram gas hidrogen adalah sebesar 1,18592 kWh (Merril, 2007).
Selain energi listrik yang dibutuhkan untuk menghasilkan gas hidrogen tantangan lain yang perlu dipikirkan adalah masalah keamanan yaitu berkaitan dengan sifat gas hidrogen yang flammable atau mudah terbakar. Gas hidrogen pada tekanan atmosfer dan suhu ruangan mudah sekali bereaksi dengan gas oksigen pada kisaran 4-75% volume gas bandingkan dengan gas alam atau metana yang akan terbakar jika volumenya 5,3-15%. Jika gas hidrogen hendak disimpan sebelum digunakan maka yang perlu dipersiapkan adalah tangki penampung yang cocok secara material karena hidrogen juga mudah bereaksi dengan berbagai jenis logam untuk membentuk senyawa hidro-material. Selain itu harus dipahami gas hidrogen tidak seperti bahan bakar minyak yang berbentuk cairan. Densitas energi untuk gas hidrogen adalah sembilan per seratus kali bahan bakar minyak artinya 1 liter tangki bahan bakar minyak mampu diisi sebesar 592,335 gram bahan bakar minyak berupa pertamax sedangkan 1 liter tangki gas hidrogen hanya mampu diisi 55,613 gram gas hidrogen tentu saja dibutuhkan tangki yang lebih besar untuk menampung gas hidrogen yang cukup besar kuantitasnya. Salah satu teknologi yang memungkinkan adalah mengubah gas hidrogen menjadi liquid atau zat cair dengan proses cryogenic yaitu gas hidrogen ditekan hingga mencapai tekanan 20-30 megaPascal atau 198-297 atmosfer hingga terbentuk liquidnya dan material tangki penyimpan dirancang khusus dari bahan yang anti pecah saat guncangan serta kuat pada tekanan tinggi. Hingga saat ini teknologi material yang sedang dikembangkan untuk penyimpanan hidrogen dalam bentuk cairan adalah carbon-fiber dan polimer high density yang mampu menyimpan hidrogen cair secara aman dan memiliki daya simpan dengan kapasitas hingga 100 liter (Sunde, 2006).
Sumber gambar: skema elektrolisis
Note: Entalpi=Energi yang dimiliki oleh suatu komponen untuk melakukan reaksi.
Entropi=Kuantitas energi yang dimiliki oleh suatu unsur atau senyawa dalam kondisi tertentu.
Gibbs Energi=Energi yang dibutuhkan suatu sistem untuk melakukan kerja/usaha
Referensi:
- Merril, D. Matthew, Water Electrolysis at Thermodynamic Limit, Doctor of Philosophy Dissertation, Florida State University: 2006.
- Sunde, Svein, Electrolysis for Hydrogen Production, Habdor Topsoe Catalysis Forum, Norwegian National Science and Technology University: 2006.
- Trasatti, S., Water Electrolysis: Who’s First?, Journal of Electroanalytical Chemistry 476: 1999, 90-91.
- Zoulias, Emanuel., Varkaraki, Elli., Lymberopoulos, Nicolaos., Christodoulou, N. Christodoulos., Karagiorgis, N. George., A Review on Water Electrolysis, European Union for Renewable Energy Projects: 2001
