PENDAHULUAN

Laju pertumbuhan penduduk dan tingkat ekonomi yang semakin meningkat, serta

perkembangan teknologi yang semakin pesat dari waktu ke waktu mengakibatkan dunia

(termasuk Indonesia) membutuhkan energy yang sangat besar. Bahan bakar fosil seperti

minyak bumi dan batu bara merupakan sumber energi utama. Permintaan akan bahan

bakar tersebut yang semakin meningkat menyebabkan terjadinya eksplorasi dan

eksploitasi sumber energi berbahan bakar fosil secara besar-besaran. Eksploitasi energi

yang berlebihan dari sumber daya alam terutama minyak bumi selama ini menyebabkan

menipisnya kandungan minyak bumi tersebut, menimbulkan kerusakan lingkungan,

perubahan iklim global, dan krisis energi di seluruh dunia (Bockris 2002).

Krisis energi dan kerusakan lingkungan ini memerlukan penanganan serius.

Usaha mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan dan pengembangan sumber

energy alternatif termasuk bioenergi terus diupayakan dan dilakukan. Bioenergi

merupakan energy terbarukan yang berasal dari biomassa (Liu & Shen 2004). Bioenergi

ini adalah salah satu bentuk energi alternatif yang prospektif untuk dikembangkan.

Pengembangan bioenergi ini tidak hanya dapat mengurangi ketergantungan terhadap

bahan bakar minyak yang harganya terus melambung, tetapi juga dapat meningkatkan

keamanan pasokan energy nasional. Perhatian masyarakat dunia yang semakin

meningkat pada penggunaan bahan bakar yang ramah lingkungan menjadikan

pengembangan bioenergi sangat strategis dan perlu direalisasikan (Sirait 2007). Oleh

karena itu, energi alternatif yang dapat diperbaharui (renewable energy) dan aman

lingkungan (green energy) sangat dibutuhkan dan sangat penting untuk diupayakan serta

dioptimalkan pengolahan dan penggunaannya.

Hidrogen merupakan salah satu pilihan energi alternatif karena mudah dikonversi

dan tidak merusak lingkungan baik dalam proses pembuatan maupun penggunaannya.

Hidrogen adalah unsur paling ringan, sangat mudah terbakar, dan paling banyak terdapat

di alam semesta. Unsur ini dikandung oleh air dan semua senyawa organik serta

makhluk hidup (Mohsin 2007).

Biohidrogen adalah hidrogen yang diproduksi melalui proses biologis atau dari

biomassa. Biohidrogen dapat dikembangkan di Indonesia karena bahan bakunya cukup

tersedia. Biohidrogen diproduksi dengan memanfaatkan organisme bakteri

melaluiproses fermentasi atau fotoproduksi untuk merombak substrat organik (limbah

atau nonlimbah) menjadi energi hidrogen (Sirait 2007).

Salah satu mikroorganisme yang mampu memproduksi hidrogen adalah bakteri

fotosintetik, seperti Rhodobium marinum dan Rhodobacter sphaeroides (Kawaguchi

2005). Bakteri fotosintetik mampu mengubah senyawa organik menjadi gas hydrogen

dengan adanya energi cahaya. Banyak tantangan teknis yang dihadapkan pada masa

transisi dari bahan bakar berbasis fosil ke bahan bakar berbasis biohidrogen ini, mulai

dari produksi dengan kuantitas memadai, penyimpanan, transmisi, dan distribusinya

(Dunn 2002). Oleh karena itu, penelitian ini menjadi salah satu bagian dari transisi

menuju penggunaan bahan bakar berbasis biohidrogen.

Krisis energi yang melanda Indonesia dikarenakan karena jumlah penduduk yang

semakin meningkat berpengaruh langsung terhadap konsumsi bahan bakar. Energi yang

berasal dari fosil termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui sehingga semakin

menipis. Di sisi lain, isu lingkungan global yang menuntut tingkat kualitas lingkungan

yang lebih baik, mendorong berbagai pakar energy untuk mengembangkan energi yang

lebih ramah lingkungan dan mendukung keamanan pasokan berkesinambungan.

Hidrogen sangat dimungkinkan menjadi alternatif bahan bakar masa depan.

Proses produksi hidrogen dapat dilakukan secara biologi maupun secara kimiawi. Secara

biologi (bioteknologi) adalah teknik pendayagunaan organisma hidup atau bagiannya

untuk membuat atau memodifikasi suatu produk dan meningkatkan/ memperbaiki sifat

organisme untuk penggunaan dan tujuan khusus seperti untuk pangan, farmasi dan

energi (Miyamoto et al. 1997). Hal ini dilakukan Woodward et al. 2002 dengan

memproduksi hidrogen menggunakan enzim melalui jalur fosfat pentosa dan enzim

hidrogenase. Produksi hidrogen melalui fermentasi biomasa kekayuan tropika, hidrolisis

gas metana, menggunakan methanol langsung (Liu et al. 2003). Proses fermentasi juga

dilakukan Susilaningsih et al. 2008 dengan menggunakan limbah biomasa kekayuan

melalui dua langkah fermentasi, yaitu dengan mengkombinasikan konversi monomer

hasil hidrolisa limbah biomasa kekayuan menjadi asam laktat melalui bakteri laktat

(Lactobacillus sp) dan konversi laktat menjadi hidrogen dengan menggunakan bakteri

fotosintetik.

Secara kimiawi dapat melalui elektrolisis seperti yang dilaporkan Salimy &

Finahari 2008 dengan melakukan perbandingan produksi hidrogen dengan energy nuklir

untuk dua buah teknologi proses produksi hidrogen yaitu proses elektrolisis dan steam

reforming. Proses elektrolisis juga dilaporkan juga oleh Domen & Maeda 2006 dengan

produksi hidrogen melalui elektrolisis air dengan reaksi fotokatalisis oksinitrida.

Produksi hidrogen lain misalnya melalui dekomposisi metanol dengan katalis Pt/Al2O3

(Brown & Gulari 2004). Produksi hydrogen melalui dekomposisi metana menggunakan

katalis berbasis Ni (Purwanto et al. 2005). Produksi hidrogen berbasis nuklir dilakukan

oleh Sriyono 2008 dan Sutarno & Malik 2004 dengan menganalisis efisiensi energi

nuklir dan energi listrik pada proses produksi hidrogen dengan elektrolis air.

Produksi hidrogen secara kimiawi yang lain adalah dengan menggunakan

alumunium beralkalin untuk dijadikan fuel cell alumunium alkalinudara. Fuel cell

alumunium alkalin-udara adalah serangkaian anoda alumunium dalam larutan beralkalin

dan gas oksigen berada di katoda yang akan menghasilkan energi listrik. Fuel cell

berbasis alumunium alkalin-udara sangat ramah lingkungan karena produk sampingnya

adalah air dan bahan kimia (aluminum oksida (Al2O3) dan aluminum hidroksida

Al(OH)3 yang dibutuhkan industry pemurnian air dan industri kertas serta alat-alat

elektronik (Kulakov & Ross 2007).

TINJAUAN PUSTAKA

1. Sejarah Produksi Hydrogen Fuel

Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes:

membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor

atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat

non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah

terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia.

Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4%

H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah - 286 kJ/mol. Hidrogen terbakar

menurut persamaan kimia:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[10]

Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak

seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. Lidah api

hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan

hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi

terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Kasus meledaknya pesawat Hindenburg

adalah salah satu contoh terkenal dari pembakaran hidrogen. Karakteristik lainnya dari

api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga

kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon.

Dalam kasus kecelakaan Hidenburg, dua pertiga dari penumpang pesawat

selamat dan kebanyakan kasus meninggal disebabkan oleh terbakarnya bahan bakar

diesel yang bocor. H2 bereaksi secara langsung dengan unsur-unsur oksidator lainnya. Ia

bereaksi dengan spontan dan hebat pada suhu kamar dengan klorin dan fluorin,

menghasilkan hidrogen halida berupa hidrogen klorida dan hidrogen fluorida.

2. Perkembangan Produksi Hydrogen Fuel

Menipisnya bahan bakar fosil dan berbagai isu global membuat manusia terdesak untuk

mencari alternatif bahan bakar untuk masa depan, salah satu jawabannya adalah

hydrogen. Hydrogen menjadi jawaban karena hanya menghasilkan air ketika direaksikan

untuk menghasilkan energy. Dengan teori kimia yang cukup dasar itu maka dibuatlah

kendaraan-kendaraan yang menggunakan bahan bakar hydrogen untuk menjawab isu

global yang beredar. Merek-merek mobil besar mulai berlomba untuk mengembangkan

mobil dengan bahan bakar ini untuk menciptakan lingkungan yang sehat di masa depan.

Hydrogen adalah elemen paling berlimpah dan paling simple di dunia. Pada suhu

dan tekanan permukaan bumi, hydrogen tidak berwarna. Bagaimanapun, hydrogen

jarang ditemukan sendiri di alam. Biasanya terikat dengan element lain. Atmosfer kita

sekarang mempunyai presentase yang kecil untk hydrogen. Hydrogen terkunci dalam

jumlah besar di air (H2O), hydrocarbon (seperti methana, CH4), dsb. Memproduksi

hydrogen untuk menjadi bahan bakar dari komponen tsb secara efisien dan ramah

lingkungan menjadi tantangan yang besar pada hari ini.

Penggunaan metode steam reforming gas alam menjadi metode yang paling

sering digunakan, karena ini merupakan metode paling umum untuk memproduksi

hydrogen. Metode ini hanya bersandar dari reaksi kimia methana (CH4) dan H2O yang

menghasilkan hydrogen. Namun, dikarenakan reaksi ini merupakan reaksi endoternik

maka perlu suplai panas dari pembakaran gas alam. Selain gas alam, penggunaan bahan

bakar fosil lain seperti batu bara dan minyak bumi sebagai suplai panas juga dapat

digunakan. Metode produksi hydrogen dengan bahan bakar fosil ini memberikan

dampak buruk bagi alam. Karena selain menghasilkan hydrogen metode ini juga

melepaskan gas CO2 ke atmosfer sebesar 0,44-0,81 Nm3 CO2 tiap Nm3 hydrogen yang

diproduksi. Dari data tahun 2007 Industri hydrogen di USA, walaupun mengahsilkan 11

juta metric ton hydrogen per tahun namun metode ini juga melepaskan 77 ton CO2 ke

atmofer per tahunnya. Dan sayangnya metode ini merupakan metode yang paling umum

dan paling handal. Dari data statistik tahun 1988 di bawah ini kita dapat melihat betapa

besarnya penggunaan bahan bakar fosil dibandingkan metode produksi yang ramah

lingkungan seperti electrolysis.

Metode electrolysis walaupun mempunyai sejarah yang cukup panjang (pertama

kali ditemukan tahun 1800) dan merupakan jawaban untuk produksi hydrogen yang

ramah lingkungan belum dapat menjadi metode idola. Ini dikarenakan metode ini belum

dapat memberikan nilai efisiensi yang tinggi dengan suhu yang rendah. Metode

electrolysis yang biasa dikenal, menggunakan KOH sebagai electrolytenya, dapat

beroperasi pada suhu 80 0C, akan tetapi hanya mempunyai efisiensi 20-30%. Efisiensi

yang tinggi dari electrolysis dapat diperoleh dengan menggunakan electrolyzer dengan

Oxygen Ion conducting Solid Electrolyte yang beroperasi di suhu 700-100 0C. Namun,

dibutuhkan energy yang besar untuk memepertahankan suhu tinggi tersebut.

Permasalahan ini dapat terjawab dengan adanya teknologi nuklir. Dengan mengambil

panas yang dihasilkan dari reaksi nuklir, High Temperature Electrolysis dapat

dilakukan . Akan tetapi, karena reactor di dunia tidak banyak maka metode electrolysis

ini belum banyak digunakan.

3. Cara memproduksi Hidrogen

Banyak cara yang dapat digunakan dalam membuat hidrogen, yang antara lain :

Skala Laboratorium

a)      Dalam skala laboratorium hydrogen biasanya dibuat dari hasil samping reaksi

tertentu misalnya mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan antara besi

dengan asam sulfat.

                Fe(s)  + H2SO4(aq) →FeSO4(aq)  + H2(g)

b)      Sejumlah kecil hydrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium

hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hydrogen yang dihasilkan

diperoleh dari air.

                CaH2(s)  + 2 H2O(l) → Ca(OH)2(aq)  + 2 H2(g)

c)      Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hydrogen dalam skala

laboratorium, arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas oksigen akan

terbentuk di anoda dan gas hydrogen akan terbentuk di katoda.

                2 H2O(l) → 2 H2(g)    +  O2(g)

Skala industry

Dalam skala industri hydrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari produksi secara

biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis, ataupun termolisis.

Produksi hydrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona disebabkan dengan

metode ini bias dihasilkan hydrogen dalam jumlah yang melimpah sehingga metode

yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan nilai ekonomi hydrogen.

Pembuatan Hidrogen dari Hidrokarbon

Hidrogen dapat dibuat dari gas alam dengan tingkat efisiensi sekitar 80% tergantung dari

jenis hidrokarbon yang dipakai. Pembuatan hydrogen dari hidrokarbon menghasilkan

gas CO2, sehingga CO2 ini dalam prosesnya dapat dipisahkan. Produksi komersial

hydrogen menggunakan proses “steam reforming” menggunakan methanol atau gas

alam dan menghasilkan apa yang disebut sebagai syngas yaitu campuran gas H2 dan

CO.

CH4  +  H2O → 3H2 + CO  + 191,7 kJ/mol

Panas yang dibutuhkan oleh reaksi diperoleh dari pembakaran beberapa bagian methane.

Penambahan hasil hydrogen dapat diperoleh dengan menambahkan uap air kedalam gas

hasil reaksi yang dialirkan dalam reactor bersuhu 130 C.

CO  + H2O → CO2  + H2  – 40,4 kJ/mol

Reaksi yang terjadi adalah pengabilan oksigen dari molekul air ke CO untuk menjadi

CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga suhu reactor.

Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis, diantaranya :

1.        Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis tekanan tinggi

Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi

yang dapat diperbaharuhi misalnya angina, hydropower, atau turbin. Dengan cara

elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses

elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang murah

dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik

elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah “elektrolisis dengan

menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk

menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik

lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis temperature tinggi” dengan teknik

ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bisa meningkatkan

efisiensi hingga 50%. Proses elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya

digabungkan dengan instalasi reactor nulklir disebabkan karena bila menggunakan

sumber panas yang lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong

cukup mahal.

2.        Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis dengan tenaga listrik

Proses ini adalah dengan memecah senyawa air yang terdiri dari 2 atom Hidrogen dan

satu atom O dengan tenaga listrik. Jika menginginkan tetap menjadi energi bersih,

sumber untuk energi listrik yang cukup potensial adalah tenaga matahari, angin dan

panas bumi. Elektrolisis air memerlukan energi listrik DC (Direct Current) arus searah

yang bisa diproduksi dari berbagai macam sumber terbarukan seperti saya sebutkan

diatas.

3.        Pembutan Hidrogen dengan Metode Elektrolisis Air Suhu Tinggi

 Metode elektrolisis air suhu tinggi atau High Temperature Electrolysis System (HTES)

adalah salah satu metode terbaik yang hingga saat ini banyak digunakan untuk

memproduksi hidrogen dan oksigen dalam skala besar. Keunggulan dari metode HTES

adalah pada proses operasinya mampu meminimalisir konsumsi energi listrik karena

pada proses elektrolisis dengan suhu operasi yang sangat tinggi konsumsi energi listrik

menjadi semakin minimal dan konsumsi energi panas menjadi semakin besar. Meskipun

demikian, proses tersebut dianggap menguntungkan mengingat biaya pembangkitan

sejumlah energi panas lebih murah bila dibandingkan dengan biaya pembangkitan

sejumlah energi listrik. Selain itu, bila ditilik dari kualitas hidrogen yang dihasilkan,

metode HTES mampu menghasilkan hidrogen dengan puritas tinggi.

Dalam prosesnya, HTES melibatkan energi listrik dan energi panas dari sumber

sumber-sumber panas yang mudah diperoleh seperti PLTN generasi IV (semisal MSR,

GCR atau VHTR) atau pembangkit geotermal. Proses yang berlangsung adalah proses

termokimia pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion-ion oksigen pada

kondisi fluida superheat.

Secara kimia, reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen

mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut.

Katoda : H2O(g) –> 2e- + H2 (g) + O2-

Anoda : O2-  –> ½O2 (g) + 2e-

Total : H2O(l) –>  H2(g) + ½O2(g)

Dengan total kebutuhan energi untuk reaksi elektrolisis di atas dirumuskan dengan

persamaan berikut.

∆H = ∆G + T∆S

Adapun ∆H adalah total kebutuhan energi untuk proses elektrolisis suhu tinggi. ∆G

adalah energi bebas Gibs yang sesungguhnya megejawantahkan kebutuhan energi listik

dan T∆S adalah kebutuhan energi panas atau energi kalor untuk proses elektrolisis.

Proses elektrolisis air suhu tinggi terjadi dalam komponen yang

dinamakan electrolyzer. Electrolyzer terdiri dari tiga bagian utama yakni elektroda

positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit plus satu komponen yang tidak

kalah pentingnya yakni interkoneksi. (perhatikan gambar di bawah). Gambar 1. dan 2.

adalah tampak atas dan tampak depan sekumpulan sel electrolyzer.

Gambar 1. 1. Tampak Atas Sekumpulan Sel Electrolyze

Gambar 2. Tampak Depan Sekumpulan Sel Electrolyzer

Untuk proses elektrolisis suhu tinggi biasanya menggunakan jenis sel electrolyzer dari

jenis Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC). Hal ini didasari atas

keunikan electrolyzer jenis SOEC yang mampu beroperasi pada suhu ekstrim bahkan

mampu beroperasi hingga suhu 1000 ºC atau lebih.

Secara sederhana konsep elektrolisis air suhu tinggi dalam sebuah

electolyzer adalah proses pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion

oksigen pada suhu tinggi dengan memanfaatkan energi listrik dan energi termal. Gambar

3. menunjukkan proses fisis dan kimia yang terjadi pada saat elektrolisis suhu tinggi

berlangsung. Proses yang berlangsung tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:

Umpan masuk pada sisi inlet electrolyzer berupa (H2+H2O) berada dalam kondisi

satu fase berupa uap. Energi listrik dan energi termal yang disuplai ke dalam sel-

sel electrolyzer selanjutnya akan digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H2O

menjadi molekul H2 dan O2-. Selanjutnya ion-ion O2- yang terbentuk akan bermigrasi

melewati membran elektrolit untuk mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisikaelectron-

hole. Setelah mencapai sisi anoda, ion-ion O2- akan melepaskan elektron dan membentuk

molekul oksigen pada sisi anoda. Adapun molekul hidrogen terbentuk pada sisi katoda.

Molekul oksigen dan hidrogen yang dihasilkan masih dalam kondisi superheatsehingga

perlu melewati suatu proses pendinginan pada komponenoxygen cooler dan hydrogen

steam cooler. Setelah mengalami cooling process atau proses pendinginan selanjutnya

hidrogen dimurnikan dalam komponen separator. Se parator merupakan komponen

yang selalu ada pada suatu instalasi produksi hidrogen dengan fungsi dasar sebagai

pemisah antara hidrogen dengan air (fraksi air biasanya dalam campuran ini (H2+H2O)

tergolong sangat kecil). Setelah melewati proses tersebut hidrogen dan oksigen

ditampung dalam tangki penyimpanan semantara sebelum akhirnya di transformasi

dalam berbagai moda untuk selanjutnya didistribusikan.

Pembuatan hydrogen melalui proses biologi

Beberapa macam alga dapat menghasilkan gas hydrogen sebagai akibat proses

metabolismenya. Produksi secara biologi ini dapat dilakukan dalam bioreactor yang

mensuplay kebutuhan alga seperti hidrokarbon dan dari hasil reaksi menghasilkan H2

dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat dipisahkan sehingga kita

hanya mendapatkan gas H2nya saja.

Hidrogen kini diusulkan sebagai energy alternative pengganti bahan bakar fosil karena

bersih, dapat dipebaharui dan menghasilkan energy tinggi. Produksi gas secara biologis

dilakukan dengan fermentasi anaerob yang ramah lingkungan dan proses hemat energy.

Asidifikasi anaerob pada limbah organic akan menghasilkan berbagai asam organic, H2,

CO2 dan senyawa intermediet lainnya. Reaksi melibatkan produksi hydrogen secara

cepat dan tidak membutuhkan radiasi matahari sehingga dapat dibuat dalam skala besar

bahan organic (Shin and Youn, 2005).

Produksi gas secara biologis dapat dilakukan dengan fermentasi anaerob yang

ramah lingkungan dan proses hemat energy. Asidifikasi anaerob pada limbah organic

akan menghasilkan berbagai asam organic, H2, CO2 dan senyawa intermediet lainnya.

Reaksi melibatkan produksi hydrogen secara cepat dan tidak membutuhkan radiasi

matahari sehingga dapat dibuat dalam skala besar bahan organic (Shin and Youn, 2005).

Mikroorganisme yang melakukan fermentasi ini diantaranya

adalahClostridium dan Thermoanaerobacterium yang mampu menghasilkan hydrogen

dari karbohidrat. Selama asidifikasi anaerob pada limbah organic, bakteri metanogenesis

dan bakteri pereduksi sulfat mengkonsumsi hydrogen yang dihasilkan oleh acidogenesis

sehingga berkontribusi negative dalam produksi bio-hidrogen. Oleh karena itu, guna

produksi gas hydrogen perlu dilakukan penghambatan terhadap prganisme

mengkonsumsi hydrogen missal dengan waktu hidraulik yang pendek atau dengan pH

rendah (Shin and Youn, 2005).

Limbah organic yang kaya karbohidrat membutuhkan waktu tinggal hidraulik

(WTH) lebih dari 3 hari untuk asidifikasi yang mana consumer hydrogen

seperti methanogenesi dapat berkembangbiak, sehingga produksi gas hydrogen hanya

sepertiganya. Namun demikian, jika consumer hydrogen dapat dikendalika selama

asidifikasi , hydrogen dapat diperoleh secara efektif dari limbah organic. Walaupun

produksi gas hidrogen dari limbah kaya karbohidrat umumnya dipublikasikan dalam

penelitian batch namun percobaan secara kontinyu juga telah dilaporkan dengan

menggunakan kondisi termofil dan bukan mesofil. Kondisi termofilik diyakaini

memiliki pengaruh penghambatan terhadap metanogensis (Shin and Youn, 2005).

Pada asidifikasi termofil, biogas yang dihasilkan mengandung hydrogen dan

karbon dioksida tetapi tidak terdetksi adanya metana pada semua laju masukan bahan

organic. Produksi Hidrogen dapat mencapai 62 %(v/v) dan meningkat dengan

meningkatnya laju aliran masukan. Namun demikian, efisiensi dekomposisi karbohidrat

dalam limbah akan berkurang dengan meningkatnya laju aliran. Asam organic utama

yang ada adalah asam butirat dan asetat masing-masing sebanyak 62 – 65% dan 22 –

25%. Asam laktat dan propionate sebgai tanda adanya coksumer hydrogen hanya ada

dalam jumlah 0,1 – 2,0% dan 1,6 – 2,2% (Shin and Youn, 2005).

Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum diketahui sebagai

mikroorganisme menghasil hydrogen yang tumbuh dengan baik pada pH 5,0 – 6,0.

Bakteri ini merupakan sakarolitik termofil yang terlibat dalam fermentasi asetat/butirat

dan mampu menghasilkan hydrogen dalam jumlah besar dari karbohidrat. Bakteri ini

memiliki isaran pH optimum 5 – 6 dengan suhu pertumbuhan optimunya 600C. produksi

hydrogen sebanyak 2,4 ml H2 / mol glukosa setara dengan kemampuan

produksi Clostridium butyricum yang menghasilkan gas hydrogen 2,4 mol H2 /mol

heksosa (Shin and Youn, 2005).

Dekomposisi air dengan gelombang radio

Dengan menggunakan gelombang radio maka kita dapat menghasilkan hydrogen dari air

laut dengan dasar proses dekomposisi. Jika air ini diekspos dengan sinar terpolarisasi

dengan frekuensi 13,56 MHz pada suhu kamar maka air laut dengan konsentrasi NaCl

antara 1-30% dapat terdekomposisi menjdi hydrogen dan oksigen.

Termokimia

Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk proses splitting atau

termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik akan tetapi hanya sumber

panas. Beberapa proses termokimia ini adalah CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl,

Fe,Cl dan lainnya. Reaski yang terjdi pada proses ini adalah:

2H2O → 2H2 + O2

Dan semua bahan yang dipergunakan dapat didaur ulang kembali menuju proses yang

baru.

Produksi hidrogen dari Biomassa.

Untuk proses pembuatan gas hidrogen dari sumber hidrokarbon, yang paling potensial

dan disarankan adalah dari hidrokarbon terbarukan seperti biomasa. Di Indonesia,

sumber biomasa yang patut diperhitungkan adalah limbah-limbah industri seperti tandan

kosong kelapa sawit, bagasse (ampas tebu), sekam dan jerami padi dan juga dapat dibuat

dari rumput gajah yang sengaja ditanam untuk sumber energi. Mengingat rumput jenis

ini sangat cepat pertumbuhannya.

Silahkan lihat skema dibawah untuk mendalami proses pembuatannya. Secara

keseluruhan, proses dibawah dinamakan proses steam reforming dimana :

Biomass + H2O --------> H2 + CO2

Gambar 3. Proses produksi hidrogen

Pertama Biomasa digasifikasi untuk menghasilkan gas CO, kemudian gas CO ini

direaksikan dengan steam (uap air) pada suhu 350 derajat Celcius untuk menghasilkan

gas hidrogen dan CO2. Proses selanjutnya adalah pemurnian dilanjutkan dengan

pemisahan gas-gas tersebut.

Pembuatan hidrogen dengan menggunakan energi matahari

Metode revolusioner menggunakan energi matahari untuk menghasilkan hidrogen

sebagai sumber energi yang bersih, aman, dan murah telah dikembangkan para ilmuwan

dari Israel, Swedia, Swiss, dan Perancis.

Teknik ini terutama ditujukan untuk mengekstrak seng murni lebih mudah, cepat, dan

ramah lingkungan guna mendorong produksi bahan bakar hidrogen, menggantikan BBM

yang semakin langka.

Hidrogen adalah salah satu kandidat sumber energi yang berpotensi sebagai

pegganti bahan bakar mesin kendaraan bermotor. Hidrogen dapat ditemukan dalam

jumlah yang sangat besar khususnya karena terkandung di air. Selain itu, hidrogen tidak

menghasilkan polusi udara saat dibakar dan menghasilkan energi yang lebih besar

daripada bahan bakar lainnya.

Salah satu alasan utama mengapa hidrogen belum dapat memasuki pasaran yang

luas adalah harga produksi dan ongkos transportasi yang masih tinggi. Meskipun bahan

baku utama untuk memproduksi hidrogen adalah air, metode elektrolisis yang paling

umum digunakan untuk menghasilkan hidrogen sekarang masih terlalu mahal.

Perlu diketahui, elektrolisis akan memecah molekul-molekul air menjadi atom-

atom penyusunnya yaitu hidrogen dan oksigen dengan mengalirkan arus ke dalamnya.

Proses ini relatif sederhana namun membutuhkan arus yang sangat besar sehingga

membutuhkan biaya yang tinggi.

Cara lainnya, memecah molekul air dengan memanaskannya, kurang praktis

karena membutuhkan suhu di atas 2.500 derajat Celcius. Sebenarnya, beberapa tahun

yang lalu telah diketahui bahwa seng murni dapat digunakan untuk mengambil oksigen

dari air sehingga lepas dari hidrogen. Proses ini dapat dilakukan pada suhu 350 derajat

Celcius.

Karena seng adalah logam yang berlimpah dan merupakan empat besar logam

yang diproduksi - selain besi, aluminium, dan tembaga - menghasilkan hidrogen

mungkin dapat dilakukan secara alami. Masalahnya, untuk memperoleh seng murni dari

seng oksida yang tersedia di alam, baik dengan proses elektrolisis maupun meleburnya,

hanya dapat dilakukan dengan konsumsi energi yang besar pula. Di samping itu, proses

ekstraksinya menghasilkan polusi karena seringkali dilakukan dengan membakar bahan

bakar fosil untuk menghasilkan panas dan listrik.

Meskipun demikian para ilmuwan berhasil menggantinya dengan cara yang

ramah lingkungan menggunakan deretan cermin yang memantulkan panas matahari ke

satu titik. Reaktor yang dibangun di Weitzman Institute di Israel ini dapat menghasilkan

panas hingga 1.200 derajat Celcius. Dengan menambahkan sedikit karbon, seng murni

dapat dipisahkan pada suhu tersebut.

Dengan cara ini tim ilmuwan dapat memperoleh sekitar 50 kilogram seng murni

setiap jam. Pendinginan seng murni menghasilkan bubuk seng yang lebih mudah dipakai

dan didistribusikan. Untuk menghasilkan hidrogen murni, bubuk seng tinggal dicampur

ke dalam air dan dipanaskan pada suhu 350 derajat Celcius. Oksigen dalam air akan

berikatan dengan seng menjadi seng oksida dan sisanya adalah hidrogen murni yang siap

disimpan ke dalam tabung bahan bakar.

Produksi Hidrogen dengan proses FUKAI

Environmental Research Institute Jepang, mengumumkan suatu terobosan teknologi

baru dengan proses FUKAI, yaitu cara memperoleh hidrogen yang diklaim lebih murah

dan lebih efisien dari cara-cara sebelumnya.

Proses FUKAI, mengunakan bahan dasar mineral alam yang

mengandung aluminium atau magnesium. Bahan proses ini merupakan bahan yang

menjadi kepemilikan FUKAI, disebut sebagai “unit pembangkit air fungsional”. Saat

bahan proses ditambahkan ke dalam air baku, seperti air ledeng rumahan biasa, bahan

akan mendidihkan dan merubah air baku menjadi "air fungsional", fungsi bahan yang

memperlemah ikatan antara atom-atom pembentuk molekul air, sehingga mudah terurai.

Perolehan penguraian adalah 2 liter gas hidrogen per gram aluminium, atau 3,3

liter gas hidrogen per gram magnesium. FUKAI juga mengklaim bahwa biaya produksi

hidrogen yang cukup untuk menghasilkan daya energi sebesar 1 kWh listrik adalah

sekitar US$0.18 (18 sen dolar). Biaya tersebut akan menurun apabila bahan mineral

dipakai-ulang.

Teknologi ini tidaklagi difasilitasi oleh bahan yang lain, seperti oleh penambahan

bahan bakar berbasis petroleum, atau melaui proses yang menghasilkan gas CO2 seperti

pada penguraian uap air oleh panas bahan bakar. Proses ini lebih efisien dalam hal

energi dibandingkan elektrolisis, serta tidak memerlukan penanaman yang

membutuhkan lahan luas seperti halnya sistem proses penguraian berbasis masa-bio.

Pemanfaatan kelanjutan teknologi ini memungkinkan untuk digunakan dsebagai

pengganti bahan bakar minyak dan listrik dalam penggunaan otomotif. FUKAI

mendorong terus penelitian lanjutannya untuk mencapai penguraian tanpa membutuhkan

biaya proses lagi, serta lebih memudahkannya untuk diproses di dalam rumah-tangga.

Teknologi yang dikembangkan oleh Toshiharu FUKAI ini dipublikasikan dan

didemonstasikan pada konferensi pers Senin, 25 Oktober 2010 diNew York City.

Produksi Hidrogen dari bahan Organik Biodegradable

Para peneliti Amerika berhasil mengembangkan sebuah metode untuk memproduksi gas

hidrogen dari bahan organik biodegradable yang berpotensi menyediakan bahan bakar

yang melimpah dari sumber energi bersih ini. 

Metode yang digunakan oleh para insinyur dari Pennsylvania State

University mengkombinasikan bakteri penghasil elektorn dengan pengisian listrik kecil

dalam sel bahan bakar mikrobial untuk menghasilkan gas hidrogen.

Sel bahan bakar mikrobial bekerja melalui aksi bakteri yang bisa mengantarkan

elektron-elektron ke suatu anoda. Elektron mengalir dari anoda melalui sebuah kawat ke

katoda yang menghasilkan arus listrik. Dalam proses itu, bakteri-bakteri mengkonsumsi

bahan-bahan organik dalam bahan biomassa. Getaran eksternal listrik membantu

menghasilkan gas hidrogen pada katoda.

Di masa lalu, proses yang dikenal dengan elektrohidrogenesis memiliki efisiensi

produksi hidrogen yang sangat rendah. Para peneliti dari Pennsylvania State University

berhasil mengatasi persoalan ini dengan memodifikasi unsur-unsur reaktor secara

kimiawi.

Dalam sejumlah percobaan di laboratorium, reaktor mereka menghasilkan

hidrogen mencapai hampir 99% dari produksi maksimum teroritis dengan menggunakan

asam aetik (aetic acid), produk tak berguna dari suatu fermentasi glukosa.

Produksi hidrogen dengan menggunakan panas nuklir

Ada 3 metode proses produksi Hidrogen yang sangat potensial, yaitu: Advanced

Electrolysis, Steam Reforming, dan Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI). Advanced

Electrolysis dan Steam Reforming sudah proven. SI sangat menarik krn memproduksi

Hidrogen dg efisien dan tanpa limbah CO2.

Ketiga metode tersebut harus memanfaatkan panas dari reaktor nuklir krn

pertimbangan efisiensi tertinggi dan paling ramah lingkungan. Alternatif lain adalah dari

pembakaran batubara.

1. Advanced Electrolysis

Gambar 4. Skema kerja advance elektrolisis

Electrolysis adalah metode paling umum untuk produksi Hidrogen dengan cara

memisahkan molekul air menggunakan listrik. Gambar di atas adalah skema proses

elektrolisis mnggunakan panas HTR. Reaksi fundamental dari metode ini adalah sebagai

Berikut:

Keuntungan metode electrolysis adalah metode sederhana hanya membutuhkan

air dan listrik, ramah lingkungan, teknologi sudah proven, tdk tergantung dari bahan

fosil (PLTN bis sebagai alternatif). Kesederhanaan plantelectrolysis bisa menempatkan

pabrik di lokasi pedalaman, krn listrik bisa diproduksi menggunakan generator listrik

tapi biaya produksi akan mahal. Kerugian metode ini adalah kebutuhan listrik sangat

besar (tanpa PLTN akan sangat tdk efisien dan timbul polusi). Efisiensi 25-45%.

Efisiensi bisa meningkat sampai 90% kalau dicouple dengan PLTN.

2. Steam Reforming

Gambar 5. Skema kerja stem reforming

Steam reforming adalah metode produksi Hidrogen mnggunakan proses thermo-kimia

yang melibatkan gas methane dan uap air pada suhu tinggi. Proses konvensional steam

reforming terjadi pada suhu 800-900 Celcius yang dihasilkan dari bahan bakar fosil.

Bahan bakar fosil bisa diganti dari PLTN untuk meminimalkan energi-loss dengan

cara couple yang memerlukan modifikasi metode. Panas dari pembakaran methane

memisahkan molekul uap air menjadi hidrogen seperti reaksi pada Table di bawah. Ada

2 reaksi kimia yang terjadi, pertama adalah reaksi reforming secara endothermic dengan

katalis pada suhu tinggi. Kedua adalah reaksi shift secara exothermic.

Keuntungan metode Steam Reforming adalah metode paling efisien sampai saat

ini, teknologi sudah proven, dan biaya produksi paling rendah. Kerugian metode ini

tanpa menggunakan PLTN adalah ketergantungan pada bahan bakar fosil, menghasilkan

CO2. Penggunaan PLTN memungkinkan dengan modifikasi metode seperti skema

dibawah. Efisiensi 70%.

Gambar 6. Proses steam reforming

Status metode steam reforming menggunakan PLTN baru pada tahap experimen di

Jepang, menggunakan High Temperature engineering Tested Reactor (HTTR).

3. Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI)

Gambar 7. Skema kerja Sulfur-Iodine water splitting cycle (SI)

SI adalah metode produksi Hidrogen dengan siklus pemisahan air secara thermo-kimia,

terdiri dari 3 reaksi kimia sebagai berikut:

Sulfur acid dan hydrogen iodide dibentuk dalan reaksi H2O, SO2, dan I2 secara

eksothermik. Hidrogen diperoleh dari dekomposisi eksothermik darihydrogen iodide.

Gambar dibawah memperlihatkan diagram aliran proses siklus SI.

Gambar 8. Diagram aliran proses siklus SI

Status pemanfaatan siklus SI sampai saat ini masih dalam taraf eksperimen, hanya

menggunakan reaktor nuklir yang dirancang co-generasi dengan generator listrik

(PLTN), artinya PLTN selain memproduksi listrik, panas sisa digunakan untuk

memproduksi Hidrogen. Sebenarnya teknologi SI sudah dikembangkan sejak tahun 1970

oleh General Atom (GA) dengan efisiensi 47% tahun 1978, dan meningkat menjadi

52%, tahun 1980. Berita terkini, GA bekerja sama dengan Japan Atomic Energy Agency

(JAEA). Hasilnya adalah rancangan pabrik Hidrogen disebelah gedung HTTR

menggunakan siklus SI seperti pada gambar di bawah. Rencana produksi masal pada

tahun 2015. Disamping itu, sebuah reaktor nuklir baru Very High Temperature Reactor

(VHTR) juga akan dibangun di Jepang untuk keperluan produksi Hidrogen.

Keuntungan metode SI adalah efisiensi tinggi, biaya produksi rendah, ramah

lingkungan, tidak tergantung pada bahan fosil krn menggunakan PLTN. Kerugian

metode ini adalah penggunaan teknologi ini memerlukan PLTN yang memiliki resistansi

masyarakat, tidak ada alternatif menggunakan bahan bakar fosil. Efisiensi sekitar 50%.

KESIMPULAN

Dewasa ini keberadaanya bahan bakar dirasa sangat peting karena mobilitas manusia

yang sangat tinggi. Namun semakin menipisnya persediaan minyak bumi sekarang mulai

dirasakan, sehingga banyak para pemerhati energy berupaya mencari bahan bakar yang

dapat digunakan sebagai alternative pengganti minyak bumi. Banyak diantaranya telah

telah ditemukan dan salah satunya adalah hydrogen fuel. Hydrogen merupakan senyawa

kimia yang terdapat di muka bumi dan sangat melimpah jumlahnya.  Pada suhu dan

tekanan permukaan bumi, hydrogen tidak berwarna. Bagaimanapun, hydrogen jarang

ditemukan sendiri di alam. Biasanya terikat dengan element lain. Atmosfer kita sekarang

mempunyai presentase yang kecil untk hydrogen. Hydrogen terkunci dalam jumlah

besar di air (H2O), hydrocarbon (seperti methana, CH4), dsb. Untuk itu, para ilmuwan

energi berlomba – lomba dalam menemukan metode yang efektif dan efisien dalam

memproduksi hidrogen. Dimulai dari elektrolisis, steam reforming, fukai, dll. Produksi

dilakukan dengan cara memodifikasi teknik produksi/ metode produksi, bahan dan alat.

DAFTAR PUSTAKA

Bockris J. 2002. The origin of ideas on a hydrogen economy andits solution to the decay

of the environment. Int J Hydrogen Energy 27: 31-40.

Dunn S. 2002. Hydrogen Futures: Toward A Sustainable Energy System. Int J Hydrogen

Energy 26: 13-28.

Domen, K., Maeda K.. 2006. Hydrogen Production from Water on Oxinitride

Photocatalysts, The International Society for Optical Engineering,1-3.

Kawaguchi Y et al. 2005. Effect of Innoculum Conditioning on Hydrogen Fermentation

and pH Effect on Bacterial Community Relevant to Hydrogen Production. Osaka:

Kumamoto.

Liu G, Shen J. 2004. Effect of Culture and Medium Condition on Hydrogen Production

of Starch Using Anaerobic Bacteria. J Bioscience and bioengineering 98: 251-

256.

Kulakov, E., Ross, A.F. .2007.Alumunium Energi for Fuel Cells: Using an Energi

Source that is Both Plentiful and Fully Recyclable Will Dramatically Enhance its

Utilization and Provide Benefits Globally., ALTEK FUEL GROUP.INC.

Liu, X.Z., Liu, C.Z., Eliasson, B. . 2003. Hidrogen Production from Methanol Using

Corona Discharges, Chinese Chemical Letters Vol. 14, No. 6, 631-633.

Miyamoto, K., Hallenbeck, P.C., Benemann, J.R. .1997 Appl Environ Microbiol. 37,

454- 458.

Purwanto, W.W., Nasikin, M., Saputra, E., Song, L. . 2005. Production Hidrogen and

Nanocarbon via Methane Decomposition using Ni-based Catalysts. Effect ao

Acidity and Catalyst Diameter, Makara, Teknologi, Vol. 9, No. 2, 48-52.

Salimy, D.H., Finahari, I.N. .2008. Perbandingan Produksi Hidrogen dengan Energi

Nuklir Proses Elektrolisis dan Steam Reforming, Prosiding: Seminar Nasional IV

SDM Teknologi Nuklir Yogyakarta, ISSN 1978-0176.

Shin, H-S and J-H. Youn. 2005. Conversion of food waste into hydrogen by thermophilic

acidogenesis. Biodegradation 16: 33–44

Sirait LR. 2007. Produksi Gas Hidrogen Dari Limbah Cair Tahu dengan Bakteri

Fotosintetik Rhodobium marinum [tesis]. Depok: Sekolah Pascasarjana,

Universitas Indonesia.

Sriyono. 2008. Teknologi Proses Produksi Hidrogen Berbasis Energi Nuklir, Sigma

Epsilon, ISSN 0853-9103.

Susilaningsih, D., Harwati, T.U., Anam, K., Yopi. 2008.Preparasi Substrat Biomassa

Kekayuan Tropika untuk Produksi Biohidrogen, Makara, Teknologi, Vol.12,

No.1, 38-42.

Sutarno, Malik A. 2004. Analisis Efisiensi Efisiensi Energi dan Energi Listrik pada

Proses Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis Air, Prosiding: Seminar Nasional

Rekayasa Kimia dan Proses, ISSN 1411-4216.

T.O.Saetre. 1997. Hydrogen Power: Theoretical and Engineering Solutions. Kluwer

Academic Publisher.

Thomas Ari Negara. 2007. Efek Recycling Hydrogen pada Electrolyzer Terhadap

Kinerja Elektrolisis Suhu Tinggi. JTF.

Woodward, J., Heyer, N.I., Getty, J.P., O’Neil, H.M., Pinkhassik, E., Evans, B.R. . 2002.

Efficient Hidrogen Production using Enzymes of the Pentose Phosphate

Pathway, Proceedings of the 2002 U.S. DOE Hidrogen Program Review

NREL/CP-610-32405.

http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1127296285 diakses tanggal 26

Mei 2013

MAKALAH MIKROBIOLOGI LINGKUNGAN

“PERKEMBANGAN PRODUKSI HIDROGEN”

PRODUKSI HIDROGEN

OLEH :

NAMA : TALITHA IKHSANIL AMALIA

BP : 1010422042

JURUSAN BIOLOGI

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS ANDALAS

PADANG, 2013