BAB I PENGANTAR I.1 Latar Belakang Seiring dengan meningkatnya kesadaran akan sumber daya energi yang terbarukan dan ramah lingkungan, pemanfaatan hidrogen sebagai sumber pembawa energi (energy carrier) akan semakin memegang peranan penting di masa yang akan datang. Dengan demikian, kebutuhan hidrogen secara global diperkirakan akanterus mengalami peningkatan tiap tahunnya. Hidrogen memiliki beberapa keunggulan antara lain ketersediaan bahan baku yang melimpah di alam serta hasil pembakarannya yang ramah lingkungan. Selain sebagai energy carrier, H 2 telah lama digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan beragam produk kimia, khususnya pembuatan pupuk urea dengan proses Haber-Bosch yang merupakan salah satu industri terbesar di dunia. Berdasaran data riset yang dilakukan oleh The Freedonia Group, Inc., kebutuhan hidrogen dunia saat ini mencapai 475 miliar m 3 dan diprediksi akan meningkat tiap tahunnya sebesar 3,4%. Negara-negara di Asia Pasifik adalah negara-negara yang paling dominan dalam menggunakan hidrogen. Hidrogen tersebut dimanfaatkan secara masif pada industri kilang minyak dan pupuk sebagai bahan bakar dan bahan baku proses. Berikut ini data konsumsi hidrogen dunia berdasarkan riset yang dilakukan The Freedonia Group, Inc (Freedonia, 2010). 16% 23% 28% 33% Asia/Pasific North America Wesern Europe Other Regions Gambar I.1 Data Konsumsi Hidrogen Dunia Selain di bidang industri, hidrogen dimanfaatkan juga sebagai bahan bakar pada kendaraan yang menggunakan fuel cell. Dalam sebuah fuel cell, gas H 2 yang diumpankan akan diurai menjadi ion H + dan elektron (arus listrik) pada sisi anoda menggunakan katalis platina. Selanjutnya elektron akan mengalir melalui anoda, elektron-elektron ini akan membuat jalur di luar sirkuit fuel Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 1
cell dan melakukan kerja listrik. Dengan demikian, proses konversi H 2 menjadi listrik hanya menghasilkan uap air (H 2 O) sehingga bahan bakar hidrogen disebut clean energy (LIPI, 2010). Berdasarkan Kementerian ESDM (2014), cadangan gas alam Indonesia mencapai 150 TSCF pada tahun 2014. Pemerintah sangat mendukung pemanfaatan gas alam di Indonesia kebijakan Energy Mix yang menargetkan pemanfaatan gas alam lebih dari 30% pada tahun 2025. Hal ini membuat rencana penambahan pabrik hidrogen dari gas alam menjadi hal yang menjanjikan di Indonesia. Pembuatan hidrogen dari gas alam umumnya dilakukan dengan proses steam reforming dengan memanfaatkan umpan berupa gas alam dengan komposisi terbesar metana dan steam. Proses ini dilakukan dengan bantuan katalis yang mampu mengkonversi metana dan steam menjadi gas sintesis (H 2 dan CO). Proses ini memiliki konversi yang tinggi yaitu dapat mencapai 95% (LeValley, 2014). I.2 Tinjauan Pustaka Proses pembuatan hidrogen secara komersial terdiri dari beberapa cara, yaitu proses steam reforming, oksidasi parsial (batu bara, resid), dan elektrolisis air. Hidrogen juga dihasilkan sebagai produk samping dari proses kimia pembuatan etilen, stiren, atau pembuatan bensin dengan proses catalytic reforming. Berikut ini merupakan proses produksi hidrogen dari hidrokarbon dan air. Proses Reaksi Steam reforming CH 4 + 2H 2 O CO 2 + 4H 2 Naphta reforming C n H 2n + nh 2 O nco + (2n + 1)H 2 Resid partial oxidation CH 1,8 + 0,98 H 2 O + 0,51 O 2 CO 2 + 1,88H 2 Gasifikasi Batubara CH 0,8 + 0,6 H 2 O + 0,7 O 2 CO 2 + H 2 Elektrolisis Air 2H 2 O 2H 2 + O 2 Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 2
Pemilihan proses bergantung beberapa kriteria berikut: 1. Ketersediaan dan harga bahan baku 2. Capital cost 3. Biaya operasi 4. Faktor lingkungan 5. Kegunaan lanjutan gas hidrogen Proses Steam Reforming Lebih dari 95% produks hidrogen di U.S., menggunakan proses steam reforming gas alam dengan komposisi terbesar gas metana. Kemurnian yang dihasilkan dari proses ini dapat mencapai (95-97%). Pada tahun 1980 dikembangkan teknologi Pressure Swing Absorber (PSA) untuk menghasilkan gas hidrogen dengan kemurnian sekitar 99,9%. Berikut merupakan reaksi pada proses steam reforming Reforming CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 H 298K = 206 kj/gmol (I.1) Shift Reaction CO + 2H 2 O CO 2 + H 2 H 298K = -41 kj/gmol (I.2) Overall Reaction CH 4 + 3H 2 O CO + 4H 2 (I.3) Proses steam reforming secara keseluruhan merupakan reaksi endotermis sehingga proses ini dijalankan pada suhu tinggi dan tekanan rendah. Untuk penggunaan metana sebagai bahan baku katalis yang digunakan berupa Ni. Proses ini dijalankan pada suhu 788-880 o C, tekanan1,4-3,8 MPa, dan rasio steam: karbon (2,5:4). Hal ini dimaksudkan agar kadar metana yang keluar dari reformer serendah mungkin dan jumlah hidrogen yang terbentuk maksimum. Pada proses shift reaction yang merupakan reaksi eksotermis, proses dijalankan pada suhu rendah 343-371 o C dengan jumlah steam berlebih. Katalis yang digunakan untuk proses shift reaction berupa Fe 2 O 3. Secara keseluruhan produk yang dihasilkan pada proses ini selain gas hidrogen (H 2 ) yaitu gas karbonmonoksida (CO) dan gas karbondioksida (CO 2 ). Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 3
Proses Oksidasi Parsial Proses oksidasi parsial dilakukan dengan memasukkan hidrokarbon, oksigen, dan steam yang sebelumnya telah dipanaskan kedalam sebuah reaktor dengan sistem insulasi untuk waktu tinggal tertentu. Pada proses ini digunakan oksigen dengan jumlah dibawah kebutuhan stokiometrisnya. Reaksi secara keseluruhan pada proses parsial oksidasi yaitu: C n H m + n 2 O 2 n CO + m 2 H 2 (I.4) Tiga tahap dalam proses oksidasi parsial meliputi pemanasan dan perengkahan hidrokarbon, reaksi, dan soaking. Pada tahap pemanasan, hidrokarbon yang telah dipanaskan sebelumnya berkontak dengan campuran steam-oksigen sehingga hidrokarbon akan mengalami perengkahan menjadi karbon metana dan radikal hidrokarbon. Pada tahap reaksi, oksigen akan bereaksi dengan hidrokarbon secara keseluruhan menghasilkan panas (bersifat eksotermis). C n H m + (n + m ) O 4 2 n CO 2 + m H 2 2O (I.5) Hidrokarbon yang tidak teroksidasi akan bereaksi secara endotermis dengan steam. Panas yang dibutuhkan untuk proses ini diperoleh dari reaksi sebelumnya. Berikut merupakan reaksi reforming hidrokarbon dengan steam C n H m + nh 2 O n CO + (n + m 2 ) H 2 (I.6) Kondisi operasi proses ini yaitu pada suhu 1270-1409 o C dan tekanan 2,7-8,2 MPa dengan waktu tinggal 2-5 detik. Pada tahap soaking, sejumlah karbon yang tidak bereaksi sekitar 1-3% beratakan dipisahkan dan di recycle kembali kedalam reaktor. Untuk umpan berupa gas alam kadar karbon output reaktor yang dihasilkan kurangdari 0,2% berat. Elektrolisis Air Proses elektrolisis yaitu proses pemisahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan menggunakan energi listrik. Proses ini telah dilakukan pada skala industri dengan skala yang terbatas. Proses elektrolisis sangat bersih karena tidak menghasilkan emisi, reliable, dan hidrogen yang dihasilkan memiliki kemurnian tinggi. Namun proses ini membutuhkan energi listrik 3-5 Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 4
kali lebih besar dibandingkan apabila menggunakan energi berbahan bakar fosil. Penggunaan energi terbarukan seperti penggunaan sel surya, tenaga angin ataupun tenaga air dapat menjadi salah satu solusi dalam memecahkan masalah kebutuhan energi listrik yang besar pada proses elektrolisis air. Berikut merupakan reaksi pada proses elektrolisis air: Katoda 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH (I.7) Anoda 2OH H 2 O + 1 2 O 2 + 2e (I.8) Overall H 2 O H 2 + 1 2 O 2 (I.9) Perkembangan teknologi dalam meningkatkan efesiensi prduksi hidrogen terus mengalami peningkatan. Namun, satu hal yang masih menjadi kendala adalah proses pengiriman hidrogen tersebut kepada konsumen. Menurut Billings (2000), biaya dalam pembuatan hidrogen adalah sebesar $6/GJ bandingkan dengan biaya pengiriman produk hidrogen tersebut mencapai $25-35/GJ atau lebih. Hal inilah yang mendorong inovasi terbaru di masa depan untuk memproduksi hidrogen dalam skala kecil namun letak produksinya dekat dengan konsumen. Sumber hidrogen skala kecil yang dapat diterapkan misalnya gas metana yang dihasilkan dari landfill gas, volcanic off gas dan coal bed methane, selain itu ada limbah zat organik semisal kertas, plastik, kotoran hewan juga dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen. Berikut ini beberapa teknologi inovasi untuk memproduksi hidrogen dalam jumlah kecil dengan membuat alat yang compact dan menggunakan kondisi operasi suhu dan tekanan yang rendah, sehingga material alat menjadi lebih murah. Autothermal Reforming Teknologi ini menggunakangabungan sistem steam reforming dan parsial oksidasi sekaligus. Dengan menggunakan komposisi yang sesuai antara fuel (metana), steam dan oksigen. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 5
CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CH 4 + 1 2 O 2 CO + 2H 2 (I.10) (I.11) Panas total reaksi yang dihasilkan dari kedua reaksi tersebut cukup untuk memproduksi H 2, sehingga tidak diperlukan lagi panas tambahan dari luar. Namun, dibutuhkan sistem pemurnian yang baik untuk memisahkan nitrogen dari udara yang digunakan saat reaksi oksidasi parsial. Advaced Coal Gasification Penggunaan batu bara sebagai salah satu bahan baku pembuatan hidrogen, merupakan inovasi terbaik dalam integrasi pemanfaatan batu bara. Sebab, dalam proses produksinya menghasil emisi jauh yang lebih kecil dibandingkan apabila batu bara langsung dibakar menjadi bahan bakar. Gambar I.2 Skema Proses Teknologi Zero Emission Coal (ZEC) Proses gasifikasi dilanjutkan ke proses karbonisasi guna mengambil gas hidrogen untuk bahan baku pada fuel cell. Sedangkan hasil karbonisasi berupa CaCO 3 di kalsinasi guna mendapatkan CO 2 yang murni. Berdasarkan konsep tersebut, dihasilkan CO 2 murni yang kemurniannya dapat mencapai 100%. Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 6
Proses ini memiliki efisiensi mencapai 70% dimana dua kali lipatnya apabila batu bara dimanfaatankan sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap. Siklus Termokimia Nuklir Suhu Tinggi Produksi hidrogen dengan menggunakan teknologi nuklir memberikan kelebihan dari segi lingkungan. Nuclear Energy Research Initiative (NERI) menemukan konsep yang baru dan inovatif untuk memproduksi hidrogen dengan reaktor nuklir menggunakan gas helium sebagai media pendingin reaktor. Reaktor nuklir didesain pada suhu operasi 700-950 o C untuk memproduksi hidrogen dengan siklus termokimia. Hal ini lebih effisien dibandingkan penggunaan reaktor nuklir sebagai penghasil tenaga yang digunakan untuk memproduksi hidrogen dengan metode elektrolisis air. Berikut merupakan 3 reaksi siklus termokimia Sulfur-Iodine (SI): I 2 + SO 2 + 2H 2 O 2HI + H 2 SO 4 H 2 SO 4 SO 2 + H 2 O + 1 O 2 2 2HI I 2 + H 2 Berikut merupakan reaksi siklus termokimia Calcium-Bromin (UT-3): Br 2 + CaO CaBr 2 + 1 O 2 2 3FeBr 2 + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 6 HBr + H 2 CaBr 2 + H 2 O CaO + 2 HBr Fe 3 O 4 + 8HBr Br 2 + 3FeBr 2 + 4H 2 O Reaksi overall untuk keduanya yaitu: H 2 O H 2 + 1 O 2 2 (I.12) (I.13) (I.14) (I.15) (I.16) (I.17) (I.18) (I.19) Produksi Hidrogen dengan Fotolisis Pemisahan air secara langsung, dimana input hanya berupa cahaya matahari dan air. Proses ini termasuk kedalam fotoelektrokimia dan fotobiologis menggunakan mikroorganisme, dan ini masih dikembangkan dalam tahap penelitian. Harry Rachmadi (12/329784/TK/39050) ` 7