Dalam menghadapi krisis iklim dan kebutuhan energi global yang terus meningkat, industri kimia menghadapi tantangan besar untuk bertransformasi menjadi lebih berkelanjutan. Salah satu titik tekanan terbesar datang dari produksi amonia—sebuah bahan kimia vital yang digunakan secara luas, terutama dalam industri pupuk. Meskipun penting, proses produksi amonia saat ini sangat intensif energi dan menyumbang emisi karbon dalam jumlah besar, sebagian besar karena ketergantungan pada metode konvensional seperti proses Haber-Bosch. Metode ini, yang telah mendominasi selama lebih dari satu abad, kini dipertanyakan efektivitas dan dampaknya terhadap lingkungan.
Dalam upaya mencari solusi, para ilmuwan kini menoleh ke dalam bumi itu sendiri—secara harfiah. Sebuah pendekatan inovatif yang memanfaatkan proses geologi alami muncul sebagai alternatif potensial untuk memproduksi amonia dengan emisi karbon yang jauh lebih rendah. Pendekatan ini dikenal sebagai amonia geologi, atau Geo-NH3, dan menawarkan paradigma baru dalam memproduksi bahan kimia penting ini: memanfaatkan panas dan tekanan bumi serta reaksi mineral alami, tanpa memerlukan energi eksternal atau bahan bakar fosil.
Amonia (NH3) merupakan salah satu bahan kimia yang paling banyak diproduksi di dunia, memainkan peran penting dalam industri seperti pertanian, di mana amonia terutama digunakan sebagai pupuk. Namun, proses produksi amonia sangat bergantung pada energi dan berkontribusi signifikan terhadap emisi karbon dioksida (CO2) global. Proses Haber-Bosch, yang merupakan metode dominan untuk produksi amonia, menyumbang sekitar 2% dari konsumsi energi dunia dan 1,3% dari emisi CO2 global. Kebutuhan akan alternatif yang lebih berkelanjutan dan efisien secara energi telah mendorong penelitian ke berbagai metode, termasuk pendekatan revolusioner yang memanfaatkan proses geologi alami Bumi untuk menghasilkan amonia, yang dapat secara dramatis mengurangi dampak lingkungan dari produksi amonia.
Apa itu Amonia Geologi?
Amonia geologi, atau Geo-NH3, diproduksi dengan memanfaatkan reaksi geologi alami yang terjadi di bawah permukaan Bumi. Proses ini melibatkan penyuntikan air yang mengandung nitrat (NO3) ke dalam formasi batuan yang kaya akan besi. Di bawah kondisi panas dan tekanan yang ditemukan di dalam Bumi, terjadi reaksi kimia di mana mineral besi (terutama besi ferrous, Fe2+) mereduksi nitrat menjadi amonia, sementara besi teroksidasi. Metode ini tidak hanya menghilangkan kebutuhan untuk input energi eksternal seperti gas hidrogen atau listrik, tetapi juga tidak menghasilkan emisi CO2 langsung, menjadikannya alternatif yang sangat berkelanjutan untuk sintesis amonia tradisional.
Teknik ini, yang dikembangkan oleh tim peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT), memodifikasi proses serpentinasi—reaksi alami antara air dan mineral tertentu yang menghasilkan hidrogen. Para peneliti telah menyesuaikan proses ini untuk menghasilkan amonia dengan memperkenalkan nitrat ke dalam reaksi, sehingga memungkinkan untuk menghasilkan NH3 langsung dari batuan seperti olivin, mineral yang kaya akan besi dan magnesium.
Proses di Balik Produksi Geo-NH3
Proses produksi Geo-NH3 bekerja melalui reaksi redoks (oksidasi-reduksi) di mana besi ferrous (Fe2+) dari batuan bereaksi dengan nitrat (NO3−) dalam air. Reaksi ini dapat terjadi dalam kondisi ambient, tetapi meningkatkan suhu dan tekanan dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi dan hasil amonia yang diproduksi. Intinya, ketika air yang mengandung nitrat disuntikkan ke dalam batuan ini, besi ferrous (Fe2+) teroksidasi menjadi Fe3+ (membentuk magnetit, Fe3O4), dan dalam proses ini, nitrat direduksi menjadi amonia (NH3).
Fitur menarik dari proses ini adalah bahwa tidak ada gas hidrogen (H2) yang dihasilkan ketika nitrat ada. Dalam metode tradisional, hidrogen adalah komponen penting dari proses Haber-Bosch. Proses Geo-NH3 menghindari kebutuhan ini, menjadikannya jauh lebih efisien secara energi. Reaksi ini didorong oleh panas dan tekanan alami dari bawah permukaan Bumi, menjadikannya efektif biaya dan dapat diskalakan untuk produksi amonia dalam jumlah besar.
Peran Katalis dalam Meningkatkan Produksi Geo-NH3
Meskipun reaksi geologi dasar sudah efektif, penggunaan katalis dapat secara signifikan meningkatkan laju dan hasil produksi amonia. Katalis seperti tembaga (Cu2+) dan nikel (Ni2+) telah terbukti mempercepat reaksi, dengan tembaga terbukti menjadi yang paling efektif. Eksperimen menunjukkan bahwa dengan menambahkan katalis ini, jumlah amonia yang diproduksi meningkat secara substansial, menjadikan proses ini lebih efisien. Sebagai contoh, menggunakan ion tembaga menghasilkan hasil amonia 35% lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan nikel, dan proses ini dapat diselesaikan hanya dalam waktu 10 menit pada kondisi ambient.
Katalis ini bekerja dengan meningkatkan interaksi antara nitrat dan besi dalam batuan, sehingga memfasilitasi reduksi nitrat menjadi amonia. Selain itu, keberadaan alami beberapa katalis ini di beberapa formasi batuan, seperti yang ada di Costa Rica dan Oregon, dapat mengurangi lebih lanjut kebutuhan akan input kimia tambahan, menjadikan proses ini lebih berkelanjutan.
Skalabilitas dan Manfaat Lingkungan
Salah satu keuntungan terbesar dari produksi Geo-NH3 adalah skalabilitasnya. Teknologi ini dirancang untuk menggunakan sumber daya batuan melimpah seperti olivin, yang tersedia luas di kerak Bumi. Menurut perkiraan, jika teknologi ini diperkembangkan, ia dapat secara teoritis menghasilkan amonia selama lebih dari 2,4 juta tahun, mengingat cadangan mineral seperti olivin yang tersedia secara global. Selain itu, jumlah amonia yang diproduksi per ton batuan cukup besar, dengan hingga 1.752,6 gram NH3 per ton olivin pada 300°C dan di bawah tekanan, dan bahkan lebih banyak lagi pada kondisi ambient dengan katalis yang tepat.
Dari segi dampak lingkungan, produksi Geo-NH3 menawarkan pengurangan besar dalam emisi CO2 dibandingkan dengan metode tradisional. Proses Haber-Bosch, yang bergantung pada hidrogen yang diproduksi dari gas alam, menghasilkan sekitar 2,4 ton CO2 untuk setiap ton amonia yang diproduksi. Sebaliknya, produksi Geo-NH3 tidak menghasilkan emisi CO2 langsung, menjadikannya alternatif yang jauh lebih bersih.
Selain itu, proses ini dapat diintegrasikan dengan teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon (CCS), yang lebih lanjut mengurangi jejak lingkungan keseluruhan. Ini menjadikannya solusi yang menjanjikan untuk transisi energi hijau, karena sejalan dengan tujuan untuk mendekarbonsasi industri berat seperti manufaktur kimia dan pertanian.
Baca juga: Simulasi Molekuler pada Campuran Amonia: Mengakselerasi Pencarian Bahan Bakar Terbarukan
Potensi Aplikasi dan Pandangan ke Depan
Implikasi dari produksi Geo-NH3 melampaui hanya menyediakan sumber amonia yang berkelanjutan. Amonia semakin diakui sebagai bahan bakar bersih untuk masa depan, khususnya untuk industri dan sektor yang sulit untuk dialiri listrik, seperti pelayaran dan penerbangan. Dengan menciptakan metode yang dapat diskalakan dan ramah lingkungan untuk produksi amonia, teknologi ini dapat memainkan peran vital dalam pergeseran global menuju solusi energi yang lebih bersih.
Lebih lanjut, integrasi teknologi ini ke dalam proses penambangan dan ekstraksi minyak yang ada dapat menawarkan manfaat tambahan. Misalnya, proses ini dapat diterapkan di daerah-daerah di mana batuan kaya olivin melimpah, memungkinkan produksi amonia lokal tanpa memerlukan infrastruktur industri berskala besar.
Tim peneliti di balik penemuan ini juga menekankan pentingnya pengembangan berkelanjutan, khususnya dalam menyempurnakan mekanisme reaksi dan mengoptimalkan kondisi untuk meningkatkan efisiensi dan hasil. Seiring teknologi ini berkembang, inovasi lebih lanjut dapat menghasilkan biaya yang lebih rendah dan tingkat produksi yang lebih tinggi, menjadikan Geo-NH3 pesaing yang layak untuk metode produksi amonia tradisional di tingkat global.
Kesimpulan
Produksi amonia geologi merupakan langkah terobosan menuju manufaktur kimia yang lebih berkelanjutan. Dengan memanfaatkan proses geologi alami Bumi, ini menawarkan alternatif untuk proses Haber-Bosch yang sangat bergantung pada energi dan menghasilkan emisi CO2. Dengan manfaat tambahan berupa skalabilitas, dampak lingkungan yang rendah, dan kebutuhan sumber daya yang minimal, produksi Geo-NH3 dapat merevolusi cara kita memproduksi amonia dan memainkan peran penting dalam mencapai tujuan keberlanjutan di berbagai industri. Seiring dengan penelitian yang berlanjut, kita mungkin segera melihat metode inovatif ini menjadi komponen utama dari transisi energi hijau.
Referensi:
[1] Gao, Y., Lei, M., Kumar, B. S., Smith, H. B., Han, S. H., Sangabattula, L., Li, J., & Abate, I. I. (2025). Geological ammonia: Stimulated NH3 production from rocks. Joule, 9(1), 101805. https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.12.006
[2] Zgonnik, V. (2020). The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review. Earth Science Reviews, 203, 103140. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103140
[3] Al-Aboosi, F. Y., El-Halwagi, M. M., Moore, M., & Nielsen, R. B. (2021). Renewable ammonia as an alternative fuel for the shipping industry. Current Opinion in Chemical Engineering, 31, 100670. https://doi.org/10.1016/j.coche.2021.100670
[4] Sekhar, J. S., Samuel, M. S., Glivin, G., Le, T., & Mathimani, T. (2024). Production and utilization of green ammonia for decarbonizing the energy sector with a discrete focus on Sustainable Development Goals and environmental impact and technical hurdles. Fuel, 360, 130626. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.130626
[5] van Langevelde, P. H., Katsounaros, I., & Koper, M. T. M. (2021). Electro-catalytic nitrate reduction for sustainable ammonia production. Joule, 5(3), 290-294. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.025
[6] Klein, F., Bach, W., Jöns, N., McCollom, T., Moskowitz, B., & Berquó, T. (2009). Iron partitioning and hydrogen generation during serpentinization of abyssal peridotites from 15°N on the Mid-Atlantic Ridge. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(24), 6868–6893. https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.08.021
[7] Osselin, F., Soulaine, C., Fauguerolles, C., Gaucher, E. C., Scaillet, B., & Pichavant, M. (2022). Orange hydrogen is the new green. Nature Geoscience, 15(11), 765–769. https://doi.org/10.1038/s41561-022-01043-9
