Pabrik Air Laut di Shandong Manfaatkan Panas Limbah untuk Menghasilkan Air Murah dan Hidrogen Hijau

Model baru untuk air dan hidrogen

China telah mengoperasikan fasilitas ringkas tetapi ambisius di Rizhao, kota pesisir di Provinsi Shandong, yang mengubah air laut dan panas limbah industri menjadi dua sumber daya strategis: air tawar berbiaya rendah dan hidrogen hijau. Operator proyek mengatakan fasilitas itu menghasilkan air tawar dengan biaya sekitar dua yuan per meter kubik, setara dengan sekitar 28 sen AS, lebih rendah daripada tarif air ledeng kota pada umumnya di banyak kota. Fasilitas ini juga menghasilkan hidrogen dengan kemurnian tinggi sebagai produk sampingan, sekaligus memekatkan air garam kaya mineral untuk digunakan dalam industri kimia kelautan. Instalasi tersebut telah beroperasi terus-menerus selama lebih dari tiga pekan, sebuah tonggak penting untuk membuktikan keandalan jenis baru sistem air dan energi terpadu.

Konsepnya mudah dijelaskan, tetapi sulit diwujudkan. Satu bahan baku, air laut, menghasilkan tiga jenis produk. Untuk setiap 800 ton air laut yang diolah setiap tahun, pabrik menghasilkan sekitar 450 meter kubik air ultrapurni yang cocok untuk pendinginan industri atau kebutuhan rumah tangga, sekitar 192.000 meter kubik standar hidrogen hijau, serta kira-kira 350 ton air garam yang dapat dijual kepada produsen bahan kimia. Hidrogen tersebut dilaporkan membutuhkan sekitar 4,2 kilowatt jam listrik per meter kubik standar, sehingga kinerjanya sebanding dengan elektroliser modern. Keunggulan Rizhao terletak pada cara fasilitas itu menekan biaya air dengan memanfaatkan panas bersuhu rendah dari pabrik baja dan petrokimia di dekatnya, yang biasanya terbuang ke udara atau laut.

Cara kerja sistem Rizhao

Pabrik ini menempatkan produksi air tawar tepat di samping industri intensif energi yang menghasilkan aliran panas bersuhu rendah secara stabil. Panas tersebut menggerakkan tahap pemisahan yang mengubah air laut menjadi air sangat bersih pada ambang suhu yang relatif rendah. Teknik yang sesuai untuk kondisi ini antara lain distilasi membran dan humidifikasi-dehumidifikasi, yang bekerja efektif dengan panas bersuhu rendah. Sebagian air tawar disalurkan kepada pengguna, sementara sebagian lainnya memasok elektroliser yang memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Air garam pekat yang tersisa dapat menjadi bahan baku produk seperti bromin, garam magnesium, dan garam industri, sehingga mengurangi kebutuhan untuk membuang air garam pekat kembali ke laut.

Mengapa panas bersuhu rendah penting

Industri berat membuang panas bersuhu menengah dan rendah dalam jumlah sangat besar. Pabrik baja dan kilang minyak merupakan contoh utamanya. Menangkap dan memanfaatkan panas itu untuk menghasilkan air menghindari konsumsi listrik tambahan untuk desalinasi. Di kawasan industri pesisir, air laut dan panas limbah tersedia melimpah, sementara kebutuhan pendinginan berlangsung terus-menerus. Menggabungkan desalinasi dan elektrolisis dengan sumber panas besar menekan biaya operasional sekaligus intensitas karbon. Cara ini juga mengalihkan penggunaan air dari pasokan kota, sehingga mengurangi tekanan terhadap akuifer dan sungai setempat.

Makna angka-angka energi

Konsumsi energi hidrogen kerap dibahas dalam satuan listrik per kilogram. Satu meter kubik standar hidrogen mengandung sekitar sepersembilan kilogram. Dengan konsumsi 4,2 kilowatt jam per meter kubik standar, angkanya setara dengan kira-kira 47 kilowatt jam per kilogram hidrogen. Nilai itu berada dalam kisaran unit alkali dan membran penukar proton modern. Inovasi di Rizhao bukanlah elektroliser yang luar biasa, melainkan cara fasilitas tersebut menekan biaya dan jejak penggunaan air dengan memasangkan elektroliser dengan saluran air laut yang beroperasi menggunakan panas limbah. Listriknya tetap harus rendah karbon agar produknya dapat disebut hidrogen hijau, tetapi sisi termalnya jauh lebih murah karena panas tersebut biasanya akan terbuang.

Bisakah hidrogen dihasilkan langsung dari laut?

Elektrolisis air laut langsung, yakni ketika elektroliser beroperasi menggunakan air laut tanpa tahap desalinasi terpisah, menjadi salah satu bidang penelitian yang aktif. Cara ini paling menarik untuk penggunaan lepas pantai, tempat ladang angin dan anjungan dapat menghasilkan hidrogen di laut lalu menyalurkan atau mengirimkannya ke darat. Tantangannya terletak pada kimia. Air laut mengandung kadar klorida, sulfat, dan bahan organik yang tinggi. Sel standar cenderung mendorong reaksi pembentukan klorin di anoda, yang menyebabkan korosi pada komponen dan menghasilkan klorin yang tidak diinginkan. Pasir, biofouling, dan pembentukan kerak juga memperpendek umur peralatan. Untuk mengatasi hal ini, tim peneliti menguji katalis baru yang tahan terhadap serangan klorida, pemisah berpori yang menghalangi ion pemicu reaksi samping, serta desain yang menjauhkan klorin dari zona reaksi. Demonstrasi terapung di lepas pantai China telah menunjukkan bahwa sistem berbasis membran dapat beroperasi di laut bergelombang dengan mengisolasi lapisan air bersih untuk elektrolisis, sembari mengambil bahan baku dari laut.

Dua jalur, satu tujuan

Ada dua cara utama untuk menggabungkan laut dengan produksi hidrogen. Jalur pertama adalah mendesalinasi air laut, lalu mengoperasikan elektroliser konvensional. Jalur kedua adalah mengadaptasi elektroliser agar dapat beroperasi menggunakan air laut atau air yang dibersihkan secukupnya secara langsung. Rizhao tampaknya menerapkan jalur pertama dalam skala kecil, tetapi dengan pendekatan berbeda. Alih-alih menggunakan pompa listrik besar dan osmosis balik bertekanan tinggi untuk mengolah air, fasilitas ini memanfaatkan panas dari kawasan di sebelahnya. Lokasi angin lepas pantai dan terpencil mungkin lebih memilih jalur kedua karena keterbatasan ruang dan pemeliharaan. Kawasan industri pesisir mungkin lebih menyukai jalur pertama karena tersedia panas limbah dan industri dapat menyerap hasil berupa air sekaligus hidrogen. Di laboratorium dan pabrik percontohan, katalis tahan korosi, membran baru, dan konsep tanpa membran terus mendorong kemajuan kedua pendekatan tersebut.

Biaya dan skala: dari proyek percontohan ke industri

Harga air tawar sebesar dua yuan per meter kubik menarik perhatian. Angka itu lebih rendah daripada tarif air ledeng di banyak kota dan mencakup tingkat pemurnian yang mungkin harus dilakukan sendiri oleh banyak pengguna industri. Biaya air yang lebih rendah membuat produksi hidrogen lebih menarik di provinsi yang mengalami tekanan air, sebab produksi hidrogen biasanya membutuhkan air sangat bersih untuk melindungi elektroliser. Produksi bersama air dan hidrogen juga membagi biaya modal ke dua produk, sementara pendapatan dari bahan kimia berbasis air garam dapat menutupi sebagian biaya operasional.

Biaya listrik untuk hidrogen bergantung pada sumber daya. Dengan konsumsi sekitar 47 kilowatt jam per kilogram, listrik seharga tiga hingga lima sen AS per kilowatt jam menghasilkan tagihan listrik sekitar 1,40 hingga 2,35 dolar per kilogram. Biaya peralatan, pemeliharaan, dan pembiayaan menambah angka tersebut, dan nilainya sangat bervariasi. Instalasi Rizhao masih kecil, tetapi menunjukkan model yang dapat diperluas di wilayah pesisir China. Negara itu memiliki koridor industri padat dengan pasokan panas limbah yang melimpah. Karena itu, lokasi seperti klaster baja di Shandong, Hebei, dan Jiangsu cocok untuk mereplikasi konsep ini dengan peralatan yang lebih besar.

Ketersediaan listrik juga meningkat. Koridor tegangan ultra tinggi kini menghubungkan ladang angin dan surya besar di provinsi-provinsi barat dengan pusat-pusat konsumsi di timur. Jalur listrik baru menghubungkan kapasitas baru di Gansu ke jaringan yang memasok Shandong. Akses ke listrik terbarukan yang stabil akan memungkinkan fasilitas Rizhao di masa depan memperbesar kapasitas elektroliser sekaligus menjaga hidrogen tetap rendah karbon pada saat panas limbah saja tidak dapat memenuhi kebutuhan.

Mengapa ini penting bagi wilayah yang mengalami tekanan air

Hidrogen membutuhkan banyak air ketika pasokannya terbatas. Produksi satu kilogram hidrogen biasanya memerlukan sekitar sembilan liter air bersih. Analis memperkirakan permintaan hidrogen baru akan membutuhkan miliaran meter kubik air tawar dalam satu dekade mendatang. Jika lonjakan permintaan terjadi di wilayah kering, pasokan air akan terbebani kecuali air laut dan air limbah ikut dimanfaatkan. Riset menunjukkan bahwa menggabungkan desalinasi dengan elektrolisis serta memulihkan panas limbah dari sel bahan bakar dan elektroliser dapat memangkas total biaya energi beberapa persen. Mengalihkan sumber air ke kawasan pesisir dan memanfaatkan panas yang biasanya terbuang akan menjaga air pedalaman untuk pertanian dan kota, sekaligus sedikit mengurangi kebutuhan energi.

Desain lingkungan tetap penting. Air garam dapat membahayakan ekosistem laut jika dibuang tanpa penanganan yang tepat. Model Rizhao mengurangi risiko ini dengan menjual air garam untuk produksi bahan kimia, sehingga membatasi pembuangan ke laut. Pengambilan air laut juga memerlukan rekayasa yang cermat agar tidak membahayakan kehidupan laut. Praktik terbaiknya adalah mengambil air dengan kecepatan aliran rendah melalui saringan halus dan menempatkan saluran pengambilan di lokasi yang hanya sedikit dihuni ikan dan larvanya. Hal-hal ini bukan pertimbangan belakangan. Semuanya penting untuk memperoleh izin dan dukungan masyarakat ketika semakin banyak kawasan industri pesisir berupaya menggabungkan desalinasi dengan elektrolisis.

China membangun ekosistem teknologi hidrogen

Di balik proyek seperti Rizhao terdapat basis manufaktur yang terus berkembang dan jaringan mitra. Di Tianjin, sebuah pabrik elektroliser besar yang kini sepenuhnya dikuasai perusahaan Eropa memasok ratusan megawatt modul alkali setiap tahun. Pabrik itu telah meningkatkan otomatisasi dan sistem mutu serta memasok peralatan untuk sejumlah proyek hidrogen terbesar yang sedang beroperasi. Kendali penuh memungkinkan penyesuaian desain yang lebih cepat, logistik yang lebih terkoordinasi, dan jaminan mutu yang lebih baik untuk pesanan global.

Jarle Dragvik, kepala eksekutif HydrogenPro, menggambarkan perubahan ini sebagai cara menyelaraskan kapasitas dengan permintaan dari proyek-proyek berskala sangat besar.

Ini tentang menyederhanakan operasi dan memastikan pengaturan berbiaya efisien yang siap untuk proyek berskala besar.

Perusahaan asing dan domestik memperkuat hubungan di bidang desalinasi, energi terbarukan, dan hidrogen di China. Sebuah pengembang air dan energi global telah membuka pusat inovasi di Shanghai untuk mengembangkan fotovoltaik, energi angin, penyimpanan energi, hidrogen hijau, dan desalinasi air laut bersama universitas dan laboratorium. Perusahaan China juga mengekspor keahlian. Salah satunya sedang membangun proyek hidrogen hijau di Mesir yang terhubung dengan energi angin dan surya, dengan sasaran ekspor amonia. Perusahaan lain bermitra di Arab Saudi untuk merancang pabrik hidrogen menjadi amonia raksasa. Langkah-langkah ini menunjukkan adanya rantai pasok yang mampu menyediakan peralatan, layanan, dan keahlian operasional untuk proyek di dalam maupun luar negeri.

Langkah selanjutnya

Ujian berikutnya bagi Rizhao dan pabrik serupa adalah ketahanan dalam jangka panjang. Para insinyur akan mengamati terjadinya pengotoran pada membran yang digerakkan panas, pembentukan kerak di pipa, serta stabilitas elektroliser yang mulai dan berhenti mengikuti ketersediaan panas limbah. Jam operasi yang lebih panjang akan memperjelas kebutuhan pemeliharaan sebenarnya dan rentang operasi terbaik. Dari sisi bisnis, integrasi tiga lini produk, yaitu air, hidrogen, dan bahan kimia dari air garam, dapat meredam fluktuasi pendapatan dan meningkatkan kelayakan pembiayaan.

Pilihan di antara dua jalur teknis juga akan semakin jelas. Elektrolisis air laut langsung mungkin cocok untuk penggunaan lepas pantai dengan tenaga angin dan gelombang, yang mengutamakan kesederhanaan dan peralatan ringkas. Desalinasi yang dilanjutkan dengan elektrolisis mungkin lebih unggul di lokasi dengan panas bersuhu rendah yang melimpah dan kebutuhan stabil akan air proses yang sangat bersih. Tujuan akhirnya sama: memasok hidrogen hijau dengan biaya kompetitif tanpa menggunakan sumber air tawar yang terbatas. Proyek percontohan Rizhao menunjukkan salah satu cara praktis untuk mencapainya, sekaligus memanfaatkan panas yang saat ini dibuang oleh industri.

Poin Utama

• Pabrik pesisir di Rizhao, Shandong, menghasilkan air tawar dan hidrogen hijau dari air laut dengan memanfaatkan panas limbah industri.
• Harga air yang dilaporkan sekitar dua yuan per meter kubik, sementara konsumsi energi hidrogen sekitar 4,2 kilowatt jam per meter kubik standar.
• Produksi tahunan dari setiap 800 ton air laut mencakup 450 meter kubik air ultrapurni, 192.000 meter kubik standar hidrogen, dan 350 ton air garam untuk bahan kimia kelautan.
• Pemanfaatan panas bersuhu rendah untuk desalinasi mengurangi kebutuhan listrik dan tekanan terhadap pasokan air kota.
• Elektrolisis air laut langsung terus berkembang, tetapi tantangan material masih ada sehingga banyak proyek tetap memilih desalinasi yang dilanjutkan dengan elektrolisis.
• Jaringan tegangan ultra tinggi China menyalurkan energi angin dan surya baru ke Shandong, mendukung penambahan armada elektroliser.
• Kapasitas manufaktur di Tianjin dan pusat inovasi baru di Shanghai menunjukkan berkembangnya ekosistem hidrogen dan desalinasi.
• Proyek ekspor di Mesir dan Arab Saudi menyoroti jangkauan global keahlian China di bidang hidrogen dan desalinasi.
• Desain saluran pengambilan air dan pengelolaan air garam yang cermat penting untuk melindungi kehidupan laut seiring perluasan proyek pesisir.