Fuel Cell Sebagai Energi Alternatif Pengganti BBM

Sel Bahan Bakar

 Dalam rangka memasuki era industrialisasi maka kebutuhan energi terus meningkat dan untuk mengatasi hal ini perlu dipikirkan penambahan energi melalui pemilihan energi alternatif yang ramah terhadap lingkungan. Salah satu energi altematif tersebut adalah pemanfaatan energi sel bahan bakar yang cukup tersedia di Indonesia. Tulisan ini akan menguraikan secara garis besar tentang kebutuhan energi dan peranan energi sel bahan bakar dalam rangka memenuhi kebutuhan energi.

Sel bahan bakar merupakan salah satu energi alternatif yang dapat menggantikan energi primer seperti : Minyak bumi, Batu bara, dan Gas bumi, konsumsi akan energi primer semakin lama semakin meningkat, untuk itu di perlukan sebuah solusi untuk menggantikan energi primer ini karena kita tahu seiring berjalannya waktu konsumsi akan energi primer terus meningkat maka sumber dari energi primer ini akan semakin menipis dan akhirnya akan habis, untuk itu di perlukan sebuah solusi dalam memecahkan tentang problem energi ini. Salah satu dari solusi yang di tawarkan adalah pemanfaatan energi alternatif yang ramah lingkungan dalam hal ini energi alternatif tersebut adalah “Energi Sel Bahan Bakar”.

            Sel bahan bakar tersedia dalam jumlah banyak versi, bentuk, dan ukuran.Inti dari sel bahan bakar itu sendiri adalah elektrolit yang memisahkan elektroda(katoda dan anoda). Elektrolit dapat berupa cairan penghantar ion, cairan kental, asam, basa, keramik atau membran. Dengan pemisahan tersebut elektrolit mencegah terjadinya reaksi kimia secara langsung.Pada anoda dislurkan bahan bakar dan pada katoda disalurkan oksidan secara terpisah dan kontinue.Pada anoda dari molekul hydrogen terbentuk electron dan proton bebas. Elektrolit berfungsi sebagai katalisator. Pada sebuah membran, tugas ini diambil alih oleh lapisan platina. Membran ini tidak dapat ditembus oleh molekul maupun elektron, tetapi dapat melewatkan proton. Pada katoda electron bebas habis digunakan. Elektron – electron bebas yang dilepaskan pada sisi anoda harus diantarkan ke katoda melalui sirkuit external agar proses elektrokimia dapat bergabung. Disini mereka dapat bergabung dengan proton yang datang melalui menbran dan oksigen yang di salurkan menjadi molekul air H2O.

            Kebanyakan sel bahan bakar mengambil oksigen dari udara panas yang dilepaskan dan air yang terbentuk selalu dikeluarkan dalam ventilator.Karena setiap sel hanya menghasilkan tegangan relatif rendah beberapa sel di bundle menjadi satu yang disebut “stack”. Gambar berikut menggambarkan proses produksi listrik pada sebuah sel bahan bakar sederhana.

 

Cara Kerja Fuel Cell

Suatu sel bahan-bakar menghasilkan listrik melalui langkah-langkah berikut ini. pertama-pertama hidrogen murni yang biasanya dihasilkan dari suatu bahan bakar seperti gas-alam—diberikan pada kutub positip(anoda), salah satu dari dua electroda pada setiap sel. Proses tersebut membuat atom hydrogen melepaskan elektron mereka, Dan merubah ion hidrogen menjadi bermuatan positif. Berikutnya, ion yang bermuatan positif menerobos suatu asam aki / elektrolit ( yang bervariasi berdasarkan tipe sel bahan-bakar) menuju electrode berikutnya, yang dikenal dengan katode . Sementara itu, elektron yang bermuatan negatif, yang adalah tidak mampu untuk melewati elektrolit tersebut bergerak menuju katode yang menuju suatu sirkuit luar.

pergerakan ini menghasilkan arus elektrik, intensitas tersebut berhubungan  dengan ukuran electroda. Di katode, elektron dikembalikan bersama-sama dengan ion mereka dan dikombinasikan dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan air. Produk lain  adalah sisa panas, yang dalam beberapa aplikasi dipakai dan digunakan kembali.

Tipe-tipe dari Fuel cell

·         Alkaline fuel cell (AFC)

Sel bahan bakar alkali pertama kali digunakan pada pesawat luar angkasa Gemini-Apollo untuk menghasilkan air minum dan suplai listrik.

Sel bahan bahan alkali secara umum menggunakan Potassium Hidroksida (secara kimiawi, KOH) didalam air sebagai elektrolitnya serta memiliki suhu operasi 160º F. Daya yang dihasilkan oleh sel bahan bakar alkali berkisar antara 300 watt sampai 5 KW.

·         Direct methanol fuel cells (DMFC)

Sel bahan bakar Direct methanol meggunakan methanol untuk menggantikan hydrogen

Effisiensi yang dimiliki sekitar 40% dan Temperatur operasi dari sel bahan bakar direct methanol memiliki cakupan yang sama dengan sel bahan bakar PEM yaitu sekitar 50 sampai 100°C (122 sampai 212°F). effisiensi yang lebih tinggi didapat pada temperature yang lebih tinggi.

Sel bahan bakar methanol sedang dikembangkan untuk peralatan portabel, industri transportasi, serta militer

·         Molten carbonate fuel cells (MCFC)

Sel bahan bakar Molten carbonate menggunakan solusi cair dari lithium, sodium, dan atau potassium karbonat yang dicampur didalam sebuah matrix.

Sistem dengan output mencapai 2 MegaWatt (MW) telah dibangun, dan desainnya dapat mencapai 100 MW. Katalisis nickel electrode dari molten carbonate tidak terlalu mahal dibandingkan penggunaan sel bahan bakar lainnya, tetapi dengan temperatur kerja tinggi menjadi masalah material serta unsur safety pada penggunaan MCFC.

Sebuah MCFC sederhana digambarkan di bawah ini

·         Phosphoric acid fuel cells (PAFC)

Sel bahan bakar phosporic acid menggunakan phosporic acid sebagai elektrolisis untuk menghasilkan energi listrik.

Effisiensi berkisar antara 40 sampai 80 persen dan temperatur operasi sekitar 150 sampai 200° C (Sekitar 300 sampai 400° F). potensi sel bahan bakar phosporic acid mencapai 200 Kw, dan contoh unit pembangkit 11 Mw telah diuji coba.

·         Proton exchange membrane fuel cells (PEM)

Sel bahan bakar PEM memiliki sebuah lapisan membran solid polimer sebagai elektrolitnya.

Sel bahan bakar PEM adalah sel bahan bakar yang paling banyak dikembangkan penggunaanya untuk transportasi. PEM bekerja pada daya 1 kW per liter volumetrik dan menghasilkan tenaga listrik pada temperatur operasi kerja dibawah 100°C (212° F). Sel bahan bakar PEM bereaksi dengan cepat dalam perubahan kebutuhan energi listrik (mampu menyuplai beban mendadak) dan tidak mudah bocor dan mengakibatkan korosi.

PEM merupakan kandidat untuk penggunaan ringan, bangunan, serta aplikasi yang lebih kecil lagi diantaranya pengganti baterai.

Sel bahan bakar PEM menggunakan bahan baku pendukung yang tidak mahal yaitu membran plastik

·         Regenerative fuel cells (RFC)

Regenerative fuel cells memisahkan air untuk menghasilkan Hidrogen dan oksigen dengan bantuan energi yang dihasilkan sel surya. Hidrogen dan oksigen dipancing pada regenerasi sel bahan bakar, menghasilkan energi listrik, panas dan air. Air yang dihasilkan kemudian disirkulasikan ulang pada elektrolisis dari sel bahan bakar regenerative dan proses berulang kembali (Proses close loop atau tertutup)

·         Solid oxide fuel cells (SOFC)

Sel bahan bakar Solid oxide fuel cells menggunakan bahan yang keras, ceramic coumpound atau logam (seperti kalsium atau zirconium) oksigen (O₂) sebagai elektrolit

Daya output dari Solid oxide fuel cells mencapai 100 kW

Gambar diagram dari SOFC

Tabel Karakteristik operasi dari teknologi sel bahan bakar

Manfaat dari fuel cell:

Dengan potensi untuk menyediakan manfaat yang luas baik dalam peralatan portabel, dan keperluan aplikatif lainnya, teknologi sel bahan-bakar telah diteliti oleh pemerintah dan industri selama lebih dari empat dekade. Secara garis besar keuntungan-keuntungan sel bahan-bakar meliputi: 1) efisiensi; 2) fleksibilitas ukuran; 3) keandalan tinggi/ pemeliharaan rendah; 4) rendah emisi; 5) dapat diterima di lingkungan masyarakat; dan 6) fleksibilitas bahan bakar. Sebagai tambahan, sel bahan-bakar juga biasanya memiliki manfaat yang  berhubungan dengan pertumbuhan ekonomi.

• Efisiensi--- mampu Untuk mengubah bahan bakar  secara langsung ke dalam energi listrik melalui reaksi elektrokimia, sel bahan-bakar dapat menghasilkan kuantitas energi yang lebih besar dibandingkan dengan teknologi pembakaran tradisional. Hal Ini membuat efisiensi bahan bakar lebih tinggi, tergantung pada jenis sel bahan-bakar dan panas berlebih digunakan kembali. Secara sekilas, energi yang dihasilkan oleh pembakaran  mengkonversi bahan bakar ke dalam panas, dan kemudian diubah ke dalam daya mekanis, yang menghasilkan gerakan atau putaran untuk menghasilkan energi. langkah- langkah yang berhubungan dengan penggunaan energi pembakaran mengakibatkan rerugi panas, friksi, dan konversi, mengakibatkan efisiensi lebih rendah. Gambar berikut melukiskan cakupan efisiensi bahan bakar pada teknologi generasi listrik yang umum digunakan.

·         Fleksibilitas Ukuran--- satu sel bahan-bakar secara khas menyediakan kurang dari satu volt potensi elektrik. Untuk menghasilkan voltase lebih besar, satu sel bahan bakar dikumpulkan dan yang dihubungkan secara seri. sehingga, sel bahan bakar dapat dibangun untuk menyediakan voltase yang sesuai dengan jumlah kebutuhannya tanpa batas aplikasi. Sebagai contoh, beberapa sel(< 1 kW) dapat dikombinasikan untuk aplikasi seperti detektor api, atau beberapa ratus sel bahan-bakar ( 1 MW lebih) dapat dikombinasikan untuk menghasilkan pembangkit tenaga listrik.

·         Keandalan tinggi/ pemeliharaan rendah system sel bahan bakar tidak memiliki komponen yang bergerak. Bahkan untuk generasi awal dari sel bahan bakar menyediakan keandalan tinggi

·         Rendah emisi --- sejak hanya air yang diproduksi pada reaksi antara hydrogen dan oksigen didalam sel bahan bakar, tidak ada polusi yang dihasilkan apabila digunakan hydrogen murni dalam prosesnya

Kerugian Fuel Cell

            Pada pemanfaatan energi fuel cell terdapat beberapa kerugian diantaranya:

- Pemisahan dan pemurnian hydrogen dari air membutuhkan proses yang cukup sulit dan energi yang cukup besar, sehingga untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut terkadang masih membutuhkan energi yang tidak terbaharukan diantaranya batubara.

-    Hidrogen merupakan molekul yang mudah bereaksi/ bersenyawa dengan molekul carbon (C) sehingga menyulitkan untuk bereaksi dengan O2  karena hydrogen membentuk ikatan hidrokarbon (CH).

-    Beberapa tipe cell bahan bakar bekerja pada temperatur kerja yang tinggi, sehingga berkaitan dengan unsur safety

Kendala dari Fuel Cell

·         Beberapa jenis dari fuel cell menggunakan membran yang membutuhkan biaya penelitian yang mahal, sehingga fuel cell masih belum optimal penggunaanya sebagai proses produksi listrik terutama untuk negara berkembang

·         Proses produksi energi listrik dari sel bahan bakar membutuhkan waktu yang cukup lama dibandingkan dengan energi alternatif dan non-alternatif lainnya seperti energi angin dan energi surya.

 

Prospek  Fuel Cell di Indonesia

            Sel bahan bakar diindonesia saat ini masih belum banyak dikembangkan walaupun ada beberapa perusahaan yang mengembangkan energi alternatif ini serta karena SDM di Indonesia masih kalah dalam pengalaman serta pengetahuannya. Selain itu dana yang dibutuhkan sangat besar.