Energi Hidrogen: Awal yang Jauh

Sebelumnya, kami berbicara tentang apa moda transportasi ramah lingkungan adalah bus listrik. Namun, satu poin penting tidak disebutkan: dengan peningkatan jumlah kendaraan listrik, kota akan membutuhkan lebih banyak listrik, yang sering diperoleh dengan cara yang tidak ramah lingkungan. Untungnya, hari ini dunia telah belajar cara mendapatkan energi dengan bantuan angin, matahari, dan bahkan hidrogen. Kami memutuskan untuk mengabdikan materi baru ke sumber terakhir dan berbicara tentang fitur energi hidrogen.

Sekilas, hidrogen adalah bahan bakar yang ideal. Pertama, itu adalah unsur yang paling umum di alam semesta, dan kedua, ketika dibakar, sejumlah besar energi dilepaskan dan air terbentuk tanpa melepaskan gas berbahaya. Umat ​​manusia telah lama mengakui manfaat energi hidrogen, tetapi tidak terburu-buru menggunakannya dalam skala industri besar.

Sel bahan bakar hidrogen

Sel bahan bakar hidrogen pertama dirancang oleh ilmuwan Inggris William Grove pada 30-an abad XIX. Grove mencoba mengendapkan tembaga dari larutan tembaga sulfat pada permukaan besi dan memperhatikan bahwa di bawah pengaruh arus listrik, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Setelah penemuan ini, Grove dan Christian Schönbein, yang bekerja secara paralel dengannya, menunjukkan kemungkinan menghasilkan energi dalam sel bahan bakar hidrogen-oksigen menggunakan elektrolit asam.

Kemudian, pada tahun 1959, Francis T. Bacon dari Cambridge menambahkan membran penukar ion ke sel bahan bakar hidrogen untuk memfasilitasi transportasi ion hidroksida. Pemerintah AS dan NASA segera tertarik pada penemuan Bacon. Sel bahan bakar yang diperbarui digunakan pada pesawat ruang angkasa Apollo sebagai sumber energi utama selama penerbangan mereka.


Sel bahan bakar hidrogen dari modul layanan Apollon, yang menghasilkan listrik, panas, dan air untuk astronot. Sumber: James Humphreys / Wikimedia Commons

Sekarang sel bahan bakar hidrogen menyerupai sel galvanik tradisional dengan hanya satu perbedaan: zat untuk reaksi tidak disimpan dalam sel, tetapi terus-menerus dipasok dari luar. Merembes melalui anoda berpori, hidrogen kehilangan elektron, yang masuk ke sirkuit listrik, dan kation hidrogen melewati membran. Selanjutnya, pada katoda, oksigen menangkap proton dan elektron eksternal, akibatnya air terbentuk.


Prinsip pengoperasian sel bahan bakar hidrogen. Sumber: Geek.com

Tegangan sekitar 0,7 V dihapus dari satu sel bahan bakar, oleh karena itu, sel digabungkan menjadi sel bahan bakar besar dengan tegangan dan arus keluaran yang dapat diterima. Tegangan teoretis dari unsur hidrogen dapat mencapai 1,23 V, tetapi sebagian energi menjadi panas .

Dari sudut pandang energi hijau, sel bahan bakar hidrogen memiliki efisiensi yang sangat tinggi yaitu 60%. Sebagai perbandingan: efisiensi mesin pembakaran internal terbaik adalah 35-40%. Untuk pembangkit listrik tenaga surya, koefisiennya hanya 15-20%, tetapi sangat tergantung pada kondisi cuaca. Efisiensi ladang angin baling-baling terbaik mencapai 40%, yang sebanding dengan generator uap, tetapi turbin angin juga membutuhkan kondisi cuaca yang sesuai dan pemeliharaan yang mahal.

Seperti yang dapat kita lihat, dalam parameter ini, energi hidrogen adalah sumber energi yang paling menarik, namun demikian ada sejumlah masalah yang menghambat aplikasi massanya. Yang paling penting dari mereka adalah proses produksi hidrogen.

Masalah penambangan

Energi hidrogen ramah lingkungan, tetapi tidak otonom. Untuk operasi, sel bahan bakar membutuhkan hidrogen, yang tidak ditemukan di Bumi dalam bentuk paling murni. Hidrogen harus diperoleh, tetapi semua metode yang ada saat ini sangat mahal atau tidak efektif.

Metode yang paling efektif dalam hal jumlah hidrogen yang diterima per unit energi yang dikeluarkan adalah konversi uap dari gas alam . Metana dikombinasikan dengan uap air pada tekanan 2 MPa (sekitar 19 atmosfer, yaitu tekanan pada kedalaman sekitar 190 m) dan suhu sekitar 800 derajat, menghasilkan gas yang dikonversi dengan kandungan hidrogen 55-75%. Pabrik besar diperlukan untuk konversi uap, yang hanya dapat diterapkan dalam produksi.


Tungku tabung untuk konversi uap metana bukanlah cara yang paling ergonomis untuk menghasilkan hidrogen. Sumber: CTK-Euro

Metode yang lebih mudah dan sederhana adalah elektrolisis air. Ketika arus listrik melewati air yang diolah, serangkaian reaksi elektrokimia terjadi, akibatnya hidrogen terbentuk. Kerugian yang signifikan dari metode ini adalah konsumsi energi yang besar diperlukan untuk reaksi. Yaitu, ternyata itu situasi yang agak aneh: untuk mendapatkan energi hidrogen, Anda perlu ... energi. Untuk menghindari biaya yang tidak perlu selama elektrolisis dan untuk menghemat sumber daya yang berharga, beberapa perusahaan berusaha untuk mengembangkan sistem siklus penuh "listrik - hidrogen - listrik", di mana energi dapat diperoleh tanpa mengisi ulang eksternal. Contoh dari sistem tersebut adalah pengembangan Toshiba H2One.

Pembangkit Listrik Bergerak Toshiba H2One

Kami mengembangkan stasiun tenaga mini seluler H2One, yang mengubah air menjadi hidrogen, dan hidrogen menjadi energi. Untuk mempertahankan elektrolisis, baterai surya digunakan di dalamnya, dan kelebihan energi diakumulasikan dalam baterai dan memastikan pengoperasian sistem tanpa adanya sinar matahari. Hidrogen yang dihasilkan langsung diumpankan ke sel bahan bakar, atau dikirim untuk disimpan ke tangki terintegrasi. Dalam satu jam, electrolyzer H2One menghasilkan hingga 2 m ³ hidrogen, dan pada outputnya memberikan daya hingga 55 kW. Diperlukan hingga 2,5 m ³ air untuk produksi 1 m ³ hidrogen.

Sejauh ini, stasiun H2One tidak dapat menyediakan listrik untuk perusahaan besar atau seluruh kota, tetapi energinya akan cukup untuk memfungsikan area kecil atau organisasi. Karena mobilitasnya, dapat digunakan sebagai solusi sementara dalam kondisi bencana alam atau pemadaman listrik darurat. Selain itu, tidak seperti generator diesel, yang membutuhkan bahan bakar untuk operasi normal, pembangkit listrik hidrogen hanya membutuhkan air.

Sekarang Toshiba H2One hanya digunakan di beberapa kota di Jepang - misalnya, ia memasok listrik dan air panas ke stasiun kereta api di kota Kawasaki.


Instalasi H2One di Kawasaki

Masa depan hidrogen

Saat ini, sel bahan bakar hidrogen memberikan energi untuk bank daya portabel, bus kota dengan mobil, dan transportasi kereta api (kita akan berbicara lebih banyak tentang penggunaan hidrogen dalam industri otomotif di pos berikutnya). Sel bahan bakar hidrogen secara tak terduga ternyata menjadi solusi yang sangat baik untuk quadrocopters - dengan massa yang mirip dengan baterai, pasokan hidrogen menyediakan waktu penerbangan hingga lima kali lebih lama. Dalam hal ini, embun beku tidak mempengaruhi efisiensi dengan cara apa pun. Drone sel bahan bakar eksperimental yang diproduksi oleh perusahaan Rusia AT Energy digunakan untuk syuting di Olimpiade Sochi.

Diketahui bahwa pada Olimpiade di Tokyo yang akan datang, hidrogen akan digunakan dalam mobil, dalam produksi listrik dan panas, dan juga akan menjadi sumber energi utama untuk desa Olimpiade. Untuk ini, ditugaskan oleh Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Di kota Namie, Jepang, salah satu stasiun produksi hidrogen terbesar di dunia sedang dibangun. Stasiun akan mengkonsumsi hingga 10 MW energi yang diterima dari sumber "hijau", menghasilkan hingga 900 ton hidrogen per tahun dengan elektrolisis.

Energi hidrogen adalah "cadangan kita untuk masa depan", ketika kita harus sepenuhnya meninggalkan bahan bakar fosil, dan sumber energi terbarukan tidak akan mampu memenuhi kebutuhan umat manusia. Menurut perkiraan Pasar & Pasar, produksi hidrogen global, yang sekarang menjadi $ 115 miliar, akan tumbuh menjadi $ 154 miliar pada tahun 2022. Namun dalam waktu dekat, pengenalan massal teknologi tidak mungkin terjadi, masih diperlukan untuk menyelesaikan sejumlah masalah yang terkait dengan produksi dan pengoperasian pembangkit listrik khusus, dan mengurangi biaya mereka. . Ketika hambatan teknologi diatasi, energi hidrogen akan mencapai tingkat yang baru dan, mungkin, akan menyebar luas seperti tradisional atau tenaga air hari ini.