Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) – Dari Mobil Listrik Berbahan Bakar Bioetanol hingga Pembangkit Listrik Skala Rumah Tangga

Mobil listrik e-Bio Fuel Cell

Pada bulan Agustus tahun 2017, pemerintah Indonesia menyoroti dengan serius perkembangan mobil listrik. Kementerian ESDM, Kementerian Perindustrian dan Kementerian Ristekdikti sedang mengkaji penerapan mobil listrik di Indonesia. Presiden Joko Widodo pun menargetkan produksi mobil listrik mencapai 20% dari total mobil yang diproduksi pada tahun 2025, dampaknya akan ada pembatasan produksi mobil berbahan bakar fosil[1]. Sumber energi listrik yang digunakan di mobil listrik umumnya menggunakan baterai sekunder (baterai yang dapat diisi ulang) seperti baterai lithium-ion polymer. Tetapi bagi negara yang tidak memiliki sumber lithium, seperti Jepang dan negara-negara Eropa, akan kesulitan dalam mengembangkan mobil listrik. Dengan demikian teknologi alternatif untuk menghasilkan energi listrik adalah sel bahan bakar (fuel cell).

Fuel cell merupakan perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara langsung dan memiliki komponen yang sama dengan baterai, seperti elektrolit, anoda, dan katoda. Elektrolit berfungsi mengalirkan ion dari anoda menuju katoda atau sebaliknya. Anoda merupakan tempat bertemunya bahan bakar dengan elektrolit sehingga terjadi reaksi oksidasi di mana terjadi pelepasan elektron. Sedangkan katoda merupakan tempat bertemunya oksigen dengan elektrolit sehingga terjadi reaksi reduksi di mana elektron yang dihasilkan dari reaksi oksidasi digunakan untuk reaksinya. Pada fuel cell, sumber bahan bakar harus dipasok secara terusmenerus (kontinyu) untuk melangsungkan reaksi kimia yang akan menghasilkan listrik. Sementara pada baterai, sumber bahan bakar sudah berada di dalam sel baterai yang tersimpan dalam bentuk energi kimia dan memiliki jangka waktu tertentu sehingga tidak perlu memasok bahan bakar secara kontinyu. Bahan bakar fuel cell yang umumnya digunakan adalah gas hidrogen (gas H2). Fuel cell sudah banyak dikembangkan dan terbagi menjadi 5 jenis fuel cell yang penamaannya berdasarkan jenis elektrolit yang digunakan. Jika menggunakan asam posfat (phosphoric acid) maka dinamakan Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC). Jenis-jenis fuel cell ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Jenis-jenis fuel cell[2] 

Fuel Cell System PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) AFC (Alkaline Fuel Cell) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Fuel H2 H2, CO, CH4  H2 H2 H2, CO, CH4
Oxidizer O2, air O2, air O2, air O2, air CO2, O2, air
Electrolyte Perfluorosulfonic Acid Membrane (Nafion) Yttria-Stabilized Zirconia Potassium Hydroxide Phosphoric Acid Lithium, Sodium and/or potassium carbonate
Ion Transferred H+ O2- OH H+ CO32-
Operating Temperature (oC) 25 – 100 600 – 1000 25 – 250 150 – 220 620 – 660
Operating Pressure (atm) 1 – 3 1 1 – 4 3 – 10 1 -10

 

Jenis fuel cell yang sedang marak dikembangkan adalah Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) karena mampu dimanfaatkan pada skala yang luas sebagai pembangkit listrik skala perumahan, industri kecil maupun besar dan mobil listrik dengan daya yang dihasilkan pada rentang 1 kW – 100 MW[3]. Prinsip kerja dan reaksi SOFC ditunjukkan oleh Gambar 1. SOFC bekerja pada suhu 600 – 1000oC dan tekanan 1 atm dengan efisiensi yang dihasilkan berkisar 65 – 80%. Bahan bakar yang digunakan pada SOFC adalah gas hidrogen yang terhindar dari kandungan sulfur karena dapat menjadi racun pada saat reaksi berlangsung. Selain gas hidrogen, gas metana (CH4) dapat menjadi bahan bakar untuk SOFC dengan syarat dilakukan proses reforming terlebih dahulu dri CH4 menjadi gas H2 dan gas CO2. Proses reforming adalah proses perubahan bentuk molekul yang dilakukan pada suhu tinggi (800–900oC) dan membutuhkan katalis untuk melangsungkan reaksinya. Material yang digunakan pada SOFC adalah berbahan keramik agar tahan pada suhu di atas 800oC. Material anoda menggunakan YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) yang dilapisi katalis logam Nikel (Ni), Material katoda menggunakan Lanthanum-Strontium-Manganite (La0,8Sr0,2MnO3/LSM), dan material elektrolit yang digunakan adalah YSZ (Yttria-stabilized Zirconia) atau tembaga yang dilapisi CeO2 (Ceria Oxide). Alur proses yang terjadi pada SOFC adalah sebagai berikut:

  1. Oksigen dari udara akan masuk di sisi katoda sehingga terjadi reaksi reduksi menghasilkan ion oksigen (O2-) yang akan mengalir melalui elektrolit menuju anoda.
  2. Pada sisi anoda, bahan bakar (gas H2) masuk sehingga terjadi reaksi oksidasi antara gas H2 dan ion oksigen menghasilkan uap air (karena suhu yang tinggi) dan elektron serta panas sebagai efek dari reaksi tersebut.
  3. Elektron bergerak melalui sirkuit eksternal yang dihubungkan dengan beban di luar yang akhirnya menuju katoda untuk melangsungkan reaksi reduksi.

Gambar 1. Prinsip Kerja dan reaksi SOFC[4]

Pada bulan Juni 2016, Nissan Motor Co.,Ltd memperkenalkan mobil listrik dengan menggunakan teknologi SOFC berbahan bakar bioetanol atau bisa juga campuran bioetanol-air dengan perbandingan 55% air dan 45% bioetanol. Mobil listrik tersebut diberi nama e-Bio Fuel Cell yang memiliki jarak tempuh lebih jauh (lebih dari 600 km) dibanding mobil listrik lainnya yang berjarak tempuh maksimal sekitar 500 km. Kelebihan lain dari mobil listrik e-Bio Fuel Cell  ini adalah tidak perlu mengisi ulang listriknya dari sumber listrik utama seperti PLN, namun cukup mengisinya dengan bioetanol atau campuran bioetanol-air untuk menghasilkan listrik. Penggunaan bioethanol sebagai bahan bakar sudah masif dilakukan di beberapa negara seperti Brazil, USA, Jepang, China dan India. Nissan Motor akan melakukan uji coba e-Bio Fuel Cell di Brazil karena kontinuitas produksi, regulasi pemerintah, dan infrastruktur yang memadai seperti stasiun pengisian bahan bakar bioetanol. Bahan baku produksi bioetanol di Brazil berasal dari tanaman tebu dan jagung. Sistem e-Bio Fuel Cell ditunjukkan oleh Gambar 2.

Gambar 2. Sistem e-Bio Fuel Cell[5]

Bioetanol atau campuran bioetanol-air akan masuk ke proses reforming terlebih dahulu untuk mengubahnya menjadi gas H2 dan CO2. Panas yang dibutuhkan untuk proses reforming didapat dari panas hasil reaksi di SOFC. Gas CO2 yang dihasilkan jumlahnya sedikit sehingga dibuang langsung ke lingkungan yang kemudian dapat diserap oleh tanaman tebu dan jagung untuk proses pertumbuhan sehingga Nissan Motor menamai proses tersebut dengan “Carbon Neutral Cycle (Siklus penetralan Karbon)”(Gambar 3).

Selanjutnya gas H2 akan masuk ke sistem SOFC untuk menghasilkan listrik yang dapat digunakan untuk mengisi ulang baterai lithium. Selain menghasilkan listrik, e-Bio Fuel Cell menghasilkan uap air yang langsung dibuang ke lingkungan dan panas yang digunakan kembali di proses reforming serta dapat beroperasi selama 24 jam. Yang lebih menarik adalah listrik yang dihasilkan dari sistem SOFC dapat digunakan untuk kebutuhan sehari-hari seperti kebutuhan listrik rumah tangga selama 24 jam. Skema pemanfaatan listrik yang dihasilkan dari SOFC ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 3. Carbon Neutral Cycle (Siklus penetralan Karbon)[5]

 

Gambar 4. Skema pemanfaatan listrik yang dihasilkan dari SOFC[5]

Biaya pengoperasian e-Bio Fuel Cell sekitar ¥ 3,1/km (Rp 367/km). Biaya tersebut jauh lebih murah dibandingkan mobil berbahan bakar fosil yakni sekitar ¥ 9,1/km (Rp 1078/km) dan sedikit lebih mahal dari mobil listrik yang menggunakan baterai yaitu sekitar ¥ 2,9/km (Rp 343/km)[5]. Namun e-Bio Fuel Cell masih unggul daripada mobil listrik pada umumnya karena menggunakan bahan bakar terbarukan dan dapat menjadi pembangkit listrik untuk kebutuhan listrik rumah tangga sehari-hari. Nissan Motor menargetkan e-Bio Fuel Cell akan mulai dipasarkan pada tahun 2020 di Brazil dan memungkinkan untuk dipasarkan ke negara-negara yang memiliki infrastruktur yang memadai.

Simak video dibawah ini :

 

Referensi

[1] Deny, Septian. 2017. Sejauh Apa Perkembangan Mobil Listrik Karya Anak Bangsa?. Diambil dari : http://bisnis.liputan6.com/read/3077576/sejauh-apa-perkembangan-mobil-listrik-karya-anak-bangsa (4 November 2017)

[2] Spiegel, Colleen. 2007. Designing and Building Fuel Cells. New York : McGraw-Hill

[3] Singhal, Subhash C dan Kevin Kendall. 2003. High Temperature Solid Oxide Fuel Cell. New York : Elsevier Inc

[4] Karisruhe Institute of Technology. Solid Oxide Fuel Cell: Modeling and Simulation. Diambil dari: https://www.iam.kit.edu/wet/english/3014_3406.php ( 4 November 2017)

[5] Doi, Kazuhiro. Nissan Intelligent Power – e-Bio Fuel Cell System-. Nissan Motor Co., Ltd

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Fauzi Yusupandi

Fauzi Yusupandi

Mahasiswa S2 Teknik Kimia ITB

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar