Produksi Listrik dan Gas Hidrogen dari Kotoran Sapi Menggunakan Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Era kendaraan listrik sudah dimulai yang ditandai dengan masifnya pembangunan infrastruktur pendukung seperti stasiun pengisian bahan bakar gas hidrogen (H2) untuk kendaraan listrik bertenaga fuel cell dan stasiun pengisian bahan bakar listrik untuk kendaraan listrik bertenaga baterai. Di Amerika Serikat, persaingan antara kendaraan listrik bertenaga baterai dengan fuel cell sangat ketat. Tesla menjadi penguasa kendaraan listrik bertenaga baterai sedangkan kendaraan listrik bertenaga fuel cell dikuasai oleh beberapa produsen raksasa otomotif seperti Toyota, Hyundai dan General Motors. Teknologi produksi hidrogen yang paling populer adalah dengan cara eletkrolisis air dan steam reforming. Pada proses steam reforming, bahan baku yang digunakan adalah gas metana (CH4) direaksikan dengan uap air pada rentang temperatur 500-700oC dengan rendemen gas H2 paling tinggi tetapi menghasilkan gas CO2. Metode steam reforming merupakan teknologi produksi hidrogen yang paling banyak digunakan secara komersial.

Disisi lain, teknologi elektrolisis air merupakan teknologi yang sudah lama dikembangkan sejak tahun 1805 oleh Isaac De Rivaz yang kemudian dikembangkan oleh Prof Yull Brown dari Sydney, Australia pada tahun 1974[1]. Proses elektrolisis adalah proses pemecahan molekul air (H2O) menjadi gas oksigen (O2) dan gas hidrogen (H2). Proses tersebut menguntungkan dari segi bahan baku karena menggunakan air yang ketersediaannya melimpah dan ramah lingkungan. Namun proses ini membutuhkan listrik dalam jumlah besar untuk memicu terjadinya reaksi sehingga untuk komersialisasi kurang menguntungkan. Proses elektrolisis bisa bersaing jika terdapat sumber listrik yang besar dengan harga yang murah. Untuk jangka panjang, pemanfaatan biomassa sebagai bahan baku untuk memproduksi hidrogen mulai dipertimbangkan. Gasifikasi merupakan proses mengkonversi biomassa menjadi gas sintetik seperti gas CO dan gas H2.

Pada tahun 2017, perusahaan raksasa otomotif Jepang, Totoya, sedang merancang pembangkit listrik yang mengubah gas metana (CH4) menjadi listrik, air dan gas hidrogen. Gas metana bukan berasal dari gas alam melainkan diproduksi dari kotoran sapi yang diproses secara fermentasi anaerobik di sebuah reaktor. Gas metana atau biogas yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerobik akan menjadi umpan bahan bakar Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). MCFC bekerja pada rentang temperatur 500 – 700oC dan efisiensi yang dihasilkan sekitar 50 – 60%[2]. Komponen-komponen yang terdapat di MCFC terdiri dari katoda, anoda dan elektrolit. Anoda terbuat dari logam nikel (Ni), katoda terbuat dari logam nikel oksida (NiO) dan elektrolitnya terbuat dari garam karbonat seperti natrium karbonat (Na2CO3) dan lithium karbonat (Li2CO3).

Di dalam MCFC, dapat dilakukan proses steam reforming (karena temperatur kerja MCFC sesuai dengan temperatur proses steam reforming) untuk memproduksi gas H2, gas CO dan gas CO2. Pada bagian katoda, gas O2 dari udara berekasi dengan gas CO2 dan elektron menghasilkan ion CO32- yang kemudian akan menuju anoda melalui elektrolit. Di bagian anoda, terjadi reaksi oksidasi antara gas hydrogen dan ion CO32- yang menghasilkan uap air, gas CO2 dan elektron yang kemudian akan menghasilkan listrik.

Gambar 1. Skema pembangkit listrik dari gas metana menjadi listrik dan gas hidrogen menggunakan MCFC[3]

Gas H2 yang terbentuk di anoda berlebih sehingga dialirkan menuju unit proses selanjutnya bersama dengan uap air (H2O), gas CO dan gas CO2. Pada unit proses selanjutnya terjadi reaksi (water-gas shift reaction) antara gas CO dengan uap air yang menghasilkan gas H2 dan gas CO2. Gas H2 yang dihasilkan dari keseluruhan proses digunakan sebagai bahan bakar kendaraan listrik bertenaga fuel cell dan listrik yang dihasilkan digunakan untuk keperluan rumah tangga serta gas CO2 yang dihasilkan digunakan kembali di MCFC untuk melangsungkan reaksi reduksi di bagian katoda.

USA today menyebutkan bahwa rancangan tersebut diberi nama “Tri-Gen Project” yang akan menjadi pembangkit listrik komersial yang diproduksi dari kotoran sapi dan sekaligus menghasilkan gas H2 sebagai bahan bakar kendaraan listrik. Pembangkit listrik tersebut akan menghasilkan listrik sebesar 2,35 MW/hari yang mampu menerangi 2,350 rumah dan menghasilkan 1,2 ton gas hidrogen/hari yang dapat mengisi bahan bakar 1,500 kendaraan listrik bertenaga fuel cell[4].

Gambar 2. Mobil listrik berbahan bakar hidrogen (Toyota Mirai)[5]

Pembangkit listrik tersebut akan dibangun pada tahun 2020 di sepanjang pantai California sekaligus sebagai stasiun pengisian bahan bakar hidrogen. Sampai saat ini, California memiliki 31 stasiun pengisian bahan bakar hidrogen untuk kendaraan listrik yang bekerja sama dengan Shell dan Honda. Beberapa tahun sebelumnya, para peneliti di Universitas California yang bekerjasama dengan Departemen Energi USA membangun pembangkit listrik yang memiliki kesamaan dengan yang akan dibangun oleh Toyota. Namun bahan baku yang digunakan untuk memproduksi gas metananya berbeda, para peneliti di Universitas California menggunakan air limbah dan lokasi pembangkit listrik tersebut berada di daerah Fountain Valley, California.

Gambar 3. Pembangkit listrik dan produksi gas hidrogen dari air limbah di Fountain Valley[3]

 

Referensi

[1] Muliawati, N. 2008. Hidrogen Sebagai Sel Bahan Bakar : Sumber Energi Masa Depan. Lampung : Universitas Lampung

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

[3] Energy Efficiency & Renewable Energy. 2013. Tri-Generation Success Story. U.S Department of Energy

[4] Caughill, P. 2017. Toyota’s New Power Plant Will Create Clean Energy from Manure. https://futurism.com/toyota-power-plant-clean-energy-manure/ (diakses pada 8 Desember 2017)

[5] Howard, P W. 2017. Toyota to Build Power Plant to Convert Cattle Manure into Electricity, Hydrogen. https://www.usatoday.com/story/money/cars/2017/11/30/toyota-cattle-manure/909405001/ (diakses pada 8 Desember 2017)

 

Baca juga : Graphene Ball : Material Baru yang Mampu Melakukan Full Charging dalam Waktu 12 Menit

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Fauzi Yusupandi

Fauzi Yusupandi

Mahasiswa S2 Teknik Kimia ITB

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar