Amonia Menjadi Hidrogen: Bagaimana Korea Selatan Membangun Rantai Pasok Bahan Bakar yang Lebih Bersih

Mengapa peneliti Korea Selatan mengandalkan amonia untuk membuka jalan bagi hidrogen bersih

Para ilmuwan Korea Selatan telah menunjukkan cara memproduksi hidrogen tanpa membakar bahan bakar fosil, yakni dengan memecah amonia menjadi hidrogen dan nitrogen pada suhu tinggi. Di Korea Institute of Energy Research, para insinyur melaporkan sebuah reaktor yang beroperasi pada suhu sekitar 1,112 derajat Fahrenheit (sekitar 600 C) dan menghasilkan hidrogen dengan kemurnian 99.97 persen. Hasil ini sesuai untuk sel bahan bakar yang dapat menggerakkan kendaraan atau memasok listrik ke gedung. Proyek ini bertujuan mengurangi karbon dioksida dari rantai pasok hidrogen sekaligus menggunakan material dan proses yang dapat ditingkatkan skalanya.

Hidrogen telah digunakan pada kereta api, pesawat untuk uji terbang, mobil, bus, dan kapal. Namun, sebagian besar hidrogen saat ini dibuat dari gas alam melalui steam methane reforming, yang melepaskan karbon dioksida. Metode produksi bersih terus berkembang, termasuk elektrolisis air yang ditenagai angin dan matahari. Pengangkutan hidrogen menjadi tantangan lain. Gas ini memiliki kepadatan sangat rendah sehingga harus dimampatkan atau dicairkan pada suhu amat dingin agar dapat dikirim jarak jauh. Amonia, bahan kimia yang lazim digunakan untuk pupuk, menawarkan solusi alternatif. Amonia berbentuk cair dalam kondisi moderat dan mengikat hidrogen dalam ikatan molekulnya. Jika amonia dapat dipecah di tempat tujuan menjadi hidrogen bersih dan nitrogen, bahan ini dapat menjadi penghubung praktis antara wilayah dengan pasokan energi terbarukan melimpah dan wilayah dengan permintaan besar.

Di dalam reaktor KIER: mengubah amonia menjadi hidrogen bermutu bahan bakar

Perengkahan amonia merupakan reaksi kimia yang sederhana. Molekul amonia, NH3, terurai menjadi hidrogen dan nitrogen saat dipanaskan dengan keberadaan katalis. Dalam reaksi setara, dua molekul amonia membentuk satu molekul nitrogen dan tiga molekul hidrogen. Rutenium, logam mulia yang berkaitan dengan platinum, merupakan pilihan katalis yang umum karena bekerja dengan baik pada suhu sekitar 600 C. Sistem KIER menggunakan jalur katalitik tersebut, lalu memurnikan aliran gas untuk menghasilkan hidrogen bermutu sel bahan bakar.

Saat keluar dari unit perengkah, hidrogen bercampur dengan nitrogen dan sisa amonia yang belum bereaksi. Pressure swing adsorption, tahap pemurnian standar di kilang, memisahkan gas-gas tersebut. Lapisan material berpori menangkap kontaminan pada tekanan tinggi dan melepaskan hidrogen dengan kemurnian tinggi saat tekanan diturunkan. Serangkaian lapisan bekerja bergantian dalam siklus adsorpsi dan regenerasi untuk menghasilkan keluaran yang stabil. KIER menjelaskan bahwa reaktor ditempatkan dalam rangka logam persegi yang dilengkapi pipa, selang, alat ukur, dan tabung. Sistem kendalinya mendaur ulang sebagian gas proses untuk mempertahankan suhu tinggi tanpa menyalakan pembakar hidrokarbon. Pendekatan ini menghindari emisi karbon dioksida langsung pada tahap konversi.

Mengapa amonia merupakan pembawa hidrogen yang efektif

Hidrogen sulit disimpan dan dikirim. Hidrogen cair memerlukan tangki kriogenik bersuhu sekitar minus 253 C. Kehilangan akibat penguapan harus dikendalikan, sementara pengangkutannya membutuhkan modal besar. Amonia mencair pada suhu sekitar minus 33 C atau dengan tekanan sedang. Industri kimia telah mengangkut amonia ke seluruh dunia dalam volume besar. Untuk sektor energi, artinya produsen dapat membuat amonia di lokasi dengan energi terbarukan murah, mengirimkannya dengan kapal, lalu memecahnya di dekat pengguna akhir.

Uji coba industri di Korea Selatan turut membangun kepercayaan terhadap model ini. Syzygy Plasmonics dan Lotte Chemical menguji sistem perengkahan amonia yang sepenuhnya menggunakan listrik di Ulsan. Unit tersebut mencapai efisiensi energi 81 persen, konversi 99 persen, dan menghasilkan sekitar 290 kilogram hidrogen per hari. Konsumsi energinya dilaporkan sekitar 11 kilowatt jam per kilogram hidrogen, dengan rancangan yang menargetkan 8 kWh per kilogram. Kedua mitra berencana mengembangkan pabrik komersial kecil untuk memasok kebutuhan lokal. Hasil seperti ini mengindikasikan jalur impor yang dapat melayani Korea, Jepang, dan kawasan lain dengan kebutuhan energi besar.

Dari laboratorium ke jalan raya dan laut: bagaimana teknologi ini dapat mengubah transportasi

Kendaraan sel bahan bakar memerlukan hidrogen yang sangat bersih karena katalis dalam tumpukan membran elektrolit polimer peka terhadap pengotor. Tingkat kemurnian 99.97 persen yang dilaporkan KIER sesuai dengan kebutuhan tersebut. Salah satu jalur penerapan yang mungkin adalah membangun pusat regional yang menerima amonia, memecahnya di lokasi, lalu menyalurkan hidrogen murni ke stasiun pengisian bahan bakar. Galangan kapal, pelabuhan, dan kawasan logistik merupakan lokasi alami untuk sistem awal karena tempat-tempat tersebut sudah menangani bahan berbahaya dan aliran energi dalam jumlah besar.

Mesin yang langsung menggunakan amonia

Para insinyur di Korea juga menjajaki penggunaan amonia secara langsung sebagai bahan bakar. Koalisi yang dipimpin Korea Institute of Machinery and Materials bersama Hyundai Motor dan Kia memperkenalkan mesin bertekanan tinggi yang menyuntikkan amonia murni langsung ke ruang bakar. Tim tersebut meningkatkan stabilitas dan daya dengan menyelaraskan injeksi bahan bakar bertahap dengan pengaturan waktu katup variabel serta sistem pengapian yang diperkuat. Paket pengolahan gas buang khusus mengurangi nitrogen oksida dan amonia yang tidak terbakar untuk mengatasi masalah kualitas udara. Desain ini menghilangkan kebutuhan akan reformer amonia berbentuk gas sehingga menyederhanakan sejumlah penerapan. Teknologi ini diarahkan untuk propulsi kapal, pembangkit listrik di luar jaringan, dan kendaraan berat, dengan rencana penerapan pada 2027 yang masih ditinjau.

Membangun rantai pasok: kapal, tangki, dan pabrik

Perdagangan hidrogen skala besar akan bergantung pada kapal khusus dan fasilitas penyimpanan. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering memperoleh Approval in Principle dari American Bureau of Shipping untuk tangki kapal pengangkut hidrogen yang menggunakan insulasi vakum guna mempertahankan suhu kriogenik sekitar minus 253 C. Perusahaan dan para mitranya sedang mengkaji kapal pengangkut hidrogen cair berkapasitas 80,000 meter kubik. Kemajuan pengembangan tangki hidrogen cair berjalan berdampingan dengan armada kapal pengangkut amonia yang sudah ada, yang dapat mendukung pengiriman energi secara bersamaan.

Kapasitas manufaktur di darat juga terus meningkat. Hyundai Motor mulai membangun fasilitas baru di Ulsan untuk memproduksi sel bahan bakar hidrogen generasi berikutnya dan elektroliser membran elektrolit polimer. Proyek ini merupakan investasi lebih dari 644 juta dolar. Pabrik tersebut dijadwalkan selesai pada 2027 dan akan memproduksi sekitar 30,000 unit sel bahan bakar setiap tahun. Rencananya adalah meningkatkan kinerja dan menekan biaya, sekaligus mengembangkan teknologi penting untuk produksi hidrogen di Korea.

Pernyataan para pemimpin industri

Para eksekutif HD KSOE memandang pencapaian penting pada tangki tersebut sebagai bagian dari upaya yang lebih luas untuk mendekarbonisasi pengangkutan energi.

Kami akan terus bekerja sama dengan perusahaan global terkemuka untuk mendorong transisi energi dan mencapai target net-zero.

Kombinasi tangki baru, mesin, dan manufaktur sel bahan bakar menunjukkan upaya terkoordinasi untuk mengubah proyek percontohan menjadi rantai pasok lengkap.

Produksi hidrogen bersih di Korea kian beragam

Laboratorium di Korea mengembangkan berbagai jalur produksi hidrogen bersih. Korea Institute of Machinery and Materials mengembangkan sistem elektrolisis oksida padat berkapasitas 20 kilowatt yang memproduksi hidrogen secara efisien selama lebih dari 3,000 jam. Elektrolisis oksida padat beroperasi pada suhu tinggi, sehingga dapat memanfaatkan panas dari proses industri untuk mengurangi konsumsi listrik. Pendekatan ini cocok dipadukan dengan pabrik baja dan kimia.

Tim lain mengembangkan kimia pelengkap. Para ilmuwan di KIER melaporkan katalis yang mengubah karbon dioksida menjadi karbon monoksida, bahan penting untuk bahan bakar sintetis. Kelompok akademisi telah menunjukkan metode produksi amonia hijau pada suhu ruang menggunakan sel elektrokimia. Negara-negara termasuk Jepang dan Korea menyatakan minat untuk mengimpor amonia hijau yang dihasilkan dengan dukungan proyek angin dan surya karena molekul ini lebih mudah disimpan dan dikirim daripada hidrogen.

Amonia harus bersih agar manfaat iklimnya terwujud

Ada satu catatan penting. Amonia yang dibuat dari hidrogen berbahan bakar fosil memiliki jejak karbon besar. Memecah amonia tersebut di tempat tujuan tidak menghilangkan emisi dari tahap produksinya. Para analis juga mengingatkan bahwa pembakaran bersama amonia atau hidrogen di pembangkit listrik batu bara atau gas hanya memberi manfaat iklim yang kecil setelah seluruh biaya energi dan logistik diperhitungkan. Penggunaan awal hidrogen yang paling menjanjikan adalah di sektor yang sulit dielektrifikasi, seperti baja, kimia, pelayaran laut, dan penyimpanan energi musiman. Para perencana di Korea mempertimbangkan kompromi tersebut saat menetapkan target dan standar.

Risiko, efisiensi, dan hal yang perlu dipantau

Konsumsi energi merupakan metrik utama. Uji coba unit perengkah di Ulsan melaporkan konsumsi sekitar 11 kilowatt jam per kilogram hidrogen, dengan rancangan yang menargetkan 8 kWh per kilogram. Angka yang lebih rendah akan menekan biaya. Sebagai perbandingan, nilai kalor bawah hidrogen sekitar 33 kilowatt jam per kilogram. Peningkatan katalis, integrasi panas, dan pemanasan listrik dapat mengurangi energi yang dibutuhkan untuk perengkahan.

Keselamatan dan emisi memerlukan perancangan yang cermat. Amonia beracun dan berbau tajam, sehingga operator memerlukan sistem pemantauan, ventilasi, dan rencana darurat. Saat digunakan dalam mesin, pengolahan gas buang diperlukan untuk mengendalikan nitrogen oksida. Operator akan memantau daya tahan katalis dan membran, serta jadwal perawatan kompresor dan pompa. Sejumlah perusahaan merancang sistem perengkahan yang sepenuhnya menggunakan listrik, sehingga lebih mudah ditenagai energi angin dan surya. KIER juga mengkaji sel bahan bakar hidrogen untuk gedung, yang menandakan bahwa penggunaan untuk transportasi dan pembangkit listrik stasioner dapat berkembang bersamaan.

Poin Utama

• KIER mendemonstrasikan perengkahan amonia pada suhu sekitar 600 C yang menghasilkan hidrogen dengan kemurnian 99.97 persen tanpa membakar bahan bakar fosil pada tahap konversi.
• Proses tersebut menggunakan katalis rutenium dan pressure swing adsorption untuk memurnikan hidrogen bagi sel bahan bakar.
• Syzygy dan Lotte menguji unit perengkah yang sepenuhnya menggunakan listrik di Ulsan, dengan efisiensi 81 persen, konversi 99 persen, keluaran sekitar 290 kilogram per hari, konsumsi energi sekitar 11 kWh per kilogram, dan rancangan yang menargetkan 8.
• Amonia menjadi pembawa hidrogen yang praktis karena dapat dicairkan dalam kondisi moderat dan didukung infrastruktur pengiriman global yang sudah mapan.
• KIMM, Hyundai, dan Kia memperkenalkan mesin bertekanan tinggi yang menggunakan amonia murni, dilengkapi pengolahan gas buang untuk mengurangi emisi dan ditujukan bagi penggunaan di laut, di luar jaringan, serta kendaraan berat pada 2027.
• HD KSOE memperoleh Approval in Principle untuk tangki hidrogen cair berukuran besar dan sedang mengkaji konsep kapal pengangkut berkapasitas 80,000 meter kubik.
• Hyundai sedang membangun pabrik senilai 644 juta dolar di Ulsan untuk memproduksi sel bahan bakar dan elektroliser membran elektrolit polimer, dengan target produksi 30,000 unit sel bahan bakar per tahun pada 2027.
• Korea juga mengembangkan elektrolisis oksida padat untuk hidrogen hijau dan katalis untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan dasar bahan bakar bersih.
• Para analis mengingatkan bahwa pembakaran bersama hidrogen atau amonia di pembangkit berbahan bakar fosil hanya memberi manfaat iklim terbatas setelah energi untuk rantai pasok diperhitungkan. Karena itu, sektor yang diprioritaskan mencakup baja, kimia, pelayaran, dan penyimpanan musiman.
• Hal utama yang perlu dipantau meliputi energi perengkahan per kilogram, pengendalian nitrogen oksida, praktik keselamatan dalam penanganan amonia, sumber amonia hijau, dan demonstrasi skala besar.