Jalur Baru untuk Mencapai Bahan Bakar Hidrogen yang Bebas Karbon


Menggunakan kelebihan energi dari sumber daya energi terbarukan seperti matahari dan angin untuk memecah air menjadi oksigen dan hidrogen - proses yang disebut elektrolisis - bisa menjadi solusi terbaik untuk menciptakan pasokan besar bahan bakar hidrogen berkelanjutan. Terakhir dari seri tiga bagian

Menggunakan kelebihan energi dari sumber daya energi terbarukan seperti matahari dan angin untuk memecah air menjadi oksigen dan hidrogen - proses yang disebut elektrolisis - bisa menjadi solusi terbaik untuk menciptakan pasokan besar bahan bakar hidrogen berkelanjutan.

Terakhir dari seri tiga bagian. Untuk melihat dua bagian pertama, klik di sini dan di sini.

Karena penjualan kendaraan listrik plug-in terus berjalan, pembuat mobil semakin menaruh harapan mereka pada sel bahan bakar hidrogen sebagai teknologi kendaraan bersih di masa depan.

Kendaraan sel bahan bakar (FCV) menghasilkan emisi knalpot nol. Berdasarkan siklus hidup, FCV yang dijalankan dengan hidrogen yang berasal dari gas alam yang mereformasi uap — yang saat ini merupakan cara pembuatan hidrogen yang paling terjangkau — menghasilkan kurang dari setengah emisi gas rumah kaca dari mobil bertenaga bensin.

Tetapi untuk memaksimalkan manfaat iklim bahan bakar, seluruh aliran produksi hidrogen harus rendah karbon. Sektor transportasi membentuk sekitar 23 persen dari semua emisi karbon dioksida terkait energi global, di mana transportasi jalan merupakan bagian terbesar dan yang paling cepat berkembang.

Menggunakan energi berlebih dari sumber daya energi terbarukan seperti matahari dan angin untuk memecah air menjadi oksigen dan hidrogen — proses yang disebut elektrolisis — bisa menjadi solusi terbaik untuk menciptakan pasokan besar bahan bakar hidrogen berkelanjutan.

"Kami berpikir bahwa untuk mendapatkan kendaraan nol-emisi nyata, dan itu berbasis pada roda yang baik, memiliki listrik terbarukan yang menghasilkan hidrogen adalah cara yang paling ramah lingkungan dan berkelanjutan untuk menghasilkan hidrogen, " kata Steve Szymanski, direktur pemerintahan bisnis untuk produsen sistem elektrolisis Proton OnSite.

"Menggunakan gas alam untuk menghasilkan hidrogen, meskipun mungkin lebih murah saat ini, masih menghasilkan gas rumah kaca, " katanya. "Jadi, selama Anda menggunakan listrik yang terbarukan dan bukan sejenis listrik cokelat, itu benar-benar jalur langsung untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen nyata yang bebas karbon."

Tantangannya adalah untuk mengambil janji elektrolisis bertenaga energi terbarukan dari tingkat pilot ke skala komersial.

Peningkatan: proses yang berjalan lambat
Penyebaran infrastruktur hidrogen hingga saat ini masih lambat dan tetap menjadi penghalang paling kritis terhadap adopsi FCV yang meluas. Perusahaan mobil telah menunggu lebih banyak stasiun pengisian bahan bakar hidrogen sebelum meluncurkan kendaraan mereka. Pengembang stasiun, di sisi lain, telah menunggu perusahaan mobil untuk menjual lebih banyak mobil sebelum membangun lebih banyak stasiun.

Baru-baru ini, Departemen Energi meluncurkan kompetisi H-Prize H2 Pengisian Bahan Bakar senilai $ 1 juta untuk menantang insinyur dan pengusaha untuk mengembangkan sistem yang terjangkau untuk pengisian bahan bakar hidrogen skala kecil untuk membantu membawa infrastruktur kendaraan hidrogen ke arus utama.

California juga telah mengambil langkah kebijakan bersama untuk mengatasi tantangan infrastruktur. Tahun lalu, Komisi Energi California (CEC) berkomitmen $ 20 juta per tahun hingga 2023 untuk membangun "Jalan Raya Hidrogen" hingga 100 stasiun. Negara juga mengamanatkan bahwa 33 persen hidrogen yang digunakan dalam keadaan berasal dari sumber terbarukan.

Menggunakan biogas yang dihasilkan oleh tempat pembuangan sampah atau pabrik pengolahan air limbah adalah salah satu cara untuk membuat hidrogen terbarukan. Beberapa perusahaan sudah menggunakan sumber gas terbarukan untuk membuat hidrogen di fasilitas reformasi uap skala besar dan pabrik produksi di tempat. Kekurangannya adalah pasokan biogas terbatas ( ClimateWire, 18 November).

Hidrogen dari elektrolisis dapat menawarkan solusi yang lebih berkelanjutan. Secara teoritis ada persediaan tanpa batas, karena banyaknya air di Bumi dan peluang untuk digunakan kembali.

Electrollyzer bekerja dengan mengalirkan arus listrik melalui air yang memecahnya menjadi oksigen dan hidrogen. Hidrogen yang terpisah dapat disimpan dalam tangki untuk digunakan nanti atau dikirim ke sel bahan bakar, di mana ia digabungkan dengan oksigen untuk memberi tenaga pada bangunan atau mendorong kendaraan. Satu-satunya produk sampingan adalah panas dan air.

DOE dan perusahaan swasta telah mengembangkan dan menguji metode produksi hidrogen terbarukan selama bertahun-tahun. Hyundai Motor Co saat ini sedang dalam proses membangun stasiun pengisian bahan bakar umum di Chino, California, dengan "kemampuan" untuk menghasilkan hidrogen dari elektrolisis menggunakan energi terbarukan yang diperkirakan akan dibuka sebelum akhir tahun.

Meskipun kemajuan ini, elektrolisis air masih terlalu mahal untuk penggunaan komersial luas. Stasiun rata-rata dipasok dengan hidrogen yang terbuat dari gas alam berbiaya rendah sekitar $ 2 juta. Stasiun yang menawarkan hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis harganya bisa dua kali lipat.

University of California, Davis, memperkirakan bahwa biaya per gram hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis air akan tetap lebih mahal daripada hidrogen yang dihasilkan dari gas alam dengan penangkapan dan penyerapan karbon hingga akhir dekade ini.

Menggunakan elektrolisis untuk menyeimbangkan grid
"Agar elektrolisis dapat bersaing dalam skala besar dengan gas alam yang direformasi, kita perlu menurunkan biaya peralatan kita, " kata Szymanski. "Kita juga harus dapat mengakses beberapa listrik murah. Itu benar-benar hal yang menjadi penggerak terbesar dalam hal biaya hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis."

Menggunakan listrik dari jaringan listrik pusat untuk menjalankan mesin elektrolisis yang intensif energi adalah mahal dan tidak efisien. Selain itu, sementara elektrolisis menggunakan bahan baku terbarukan (air), membakar bahan bakar fosil di pembangkit listrik untuk menjalankan mesin elektrolisis merusak atribut rendah karbon bahan bakar. Perusahaan dapat membeli kredit energi terbarukan untuk mengimbangi emisi dari menyalakan elektroliser, tetapi hal itu menambah biaya proyek.

Cara yang menjanjikan untuk membuat hidrogen dari elektrolisis menjadi lebih bersih dan lebih kompetitif secara ekonomi adalah bagi perusahaan untuk memanfaatkan kelebihan aset energi terbarukan.

Di California, di mana energi terbarukan membentuk 20 persen dari penjualan listrik ritel, kelebihan produksi matahari dan angin di tengah hari memaksa negara untuk membuang 19 gigawatt-jam energi terbarukan yang dibeli kembali tahun lalu. Electrollyzers secara efektif dapat berfungsi sebagai penyimpanan energi dengan menggunakan kelebihan generasi tersebut untuk membuat hidrogen terbarukan.

Seperti baterai, elektrolisis dapat dikirim, yang berarti sistem dapat dengan cepat menyesuaikan aliran dayanya untuk menstabilkan permintaan dan pasokan listrik di jaringan. Menurut penelitian National Renewable Energy Laboratory, electrolyzers mampu merespons cukup cepat untuk menawarkan respons permintaan utilitas dan layanan pengaturan frekuensi.

Pendapatan dari partisipasi pasar energi hampir tidak cukup untuk memulihkan investasi awal dalam proyek hidrogen terbarukan. Namun, sistem elektrolisis yang menawarkan layanan tambahan dan menjual bahan bakar hidrogen lebih kompetitif secara ekonomi.

Keuntungan menggunakan hidrogen lebih dari baterai adalah dapat menyediakan megawatt-jam penyimpanan energi selama berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu sekaligus. Meningkatkan baterai hingga tingkat daya akan menjadi sangat mahal. Pompa air adalah teknologi penyimpanan energi berskala besar lainnya tetapi membutuhkan reservoir air di atas bukit dan persediaan air yang berlimpah.

Electlyly Exchange Membrane (PEM) electrolyzer M-series Proton Onsite dapat menghasilkan hidrogen yang cukup untuk menyimpan banyak megawatt energi terbarukan secara instan. Perusahaan berencana untuk memulai pengiriman pada tahun 2015.

Elektrolisis memiliki masa depan yang cerah, menurut Shane Stephens, kepala pengembangan dan kepala sekolah di FirstElement Fuel, sebuah startup yang berbasis di California yang diberikan $ 28 juta oleh CEC untuk membangun 19 stasiun hidrogen di seluruh negara bagian. Kemarin, Honda mengumumkan akan meminjamkan hampir $ 14 juta kepada penyedia stasiun hidrogen. Namun, tidak ada stasiun FirstElement yang akan menggunakan elektrolisis.

"Karena semakin banyak energi terbarukan yang dimasukkan ke jaringan dari waktu ke waktu, Anda akan memiliki masalah [surplus]. Jadi saya pikir jika pasar dirancang dengan cara yang benar, sebuah elektrolzer dapat menawarkan Anda manfaat ekonomi dengan mengatakan, 'Ketika ada energi terbarukan tersedia, kami akan mengambilnya; ketika tidak ada, kami akan mematikan atau mematikan electrolyzer kami, '"kata Stephens. "Electrolyzers bisa sangat dinamis seperti itu ... Tapi itu agak jauh di jalan."

Eropa memimpin dalam sistem tenaga-ke-gas
Elektrolisis cenderung lepas landas pertama di Eropa, di mana banyak negara memiliki penetrasi energi terbarukan yang tinggi, tujuan iklim yang ambisius, dan harga gas alam yang tinggi. Sementara jumlah FCV yang tersedia untuk mengimbangi hidrogen tetap rendah, negara-negara Eropa giat mengeksplorasi peluang untuk menyimpan listrik yang dihasilkan secara terbarukan sebagai hidrogen dalam pipa gas alam yang ada.

Proses tersebut, yang dikenal sebagai power-to-gas, memasukkan hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis langsung ke sistem pipa gas alam. Menggunakan elektrolisis dengan cara ini menghindari pemborosan energi terbarukan yang berharga tetapi tidak membutuhkan sel bahan bakar mobil atau sel bahan bakar stasioner untuk menggunakan hidrogen secara langsung.

Gas alam yang dicampur dengan hidrogen terbarukan juga menghasilkan lebih sedikit emisi daripada gas alam biasa ketika digunakan di pembangkit listrik atau sebagai bahan bakar transportasi. Jaringan gas alam yang ada dapat mendukung sekitar 10 persen hidrogen sebelum membutuhkan perubahan.

Power-to-gas menunjukkan fleksibilitas hidrogen. Ini dapat diproduksi dari bahan bakar fosil atau sumber terbarukan, dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga atau bahan bakar transportasi, dan dapat membantu untuk membersihkan pasokan gas alam.

Hydrogen adalah "vektor energi yang sangat fleksibel dan pembawa energi yang mampu berfungsi sebagai senjata melawan perubahan iklim di masa depan, sistem energi multi-sektor yang terintegrasi, " kata Mary-Rose de Valladares, manajer Perjanjian Implementasi Hidrogen Administrasi Energi Internasional, yang sedang mengembangkan peta jalan komprehensif tentang produksi dan pemanfaatan hidrogen yang akan dirilis awal tahun depan.

"Salah satu tantangan terbesar kami (dengan rencana strategis) adalah menjelaskan hubungan lintas sektoral di sini, " katanya.

Menurut Laboratorium Energi Terbarukan Nasional, Amerika Serikat, Jerman, Kanada, Spanyol, dan Inggris Raya semuanya telah membangun proyek penyimpanan hidrogen dari listrik yang terbarukan. Pada 2012, ada 41 proyek yang direalisasikan dan tujuh direncanakan.

Jerman saat ini adalah pemimpin pasar dengan 22 proyek penyimpanan hidrogen hijau dan proyek power-to-gas pada 2012. Pada bulan Juli, Kanada mengumumkan proyek power-to-gas yang akan memberikan kapasitas penyimpanan 2 megawatt untuk manajemen jaringan dan layanan regulasi.

Ada minat yang relatif lebih kecil pada power-to-gas di AS, di mana hidrogen dari elektrolisis, bahkan dengan mengambil keuntungan dari energi terbarukan berlebih yang murah, akan memiliki waktu yang sulit untuk bersaing dengan gas shale yang berlimpah dan berbiaya rendah.

Jepang juga mempertimbangkan proyek pembangkit listrik dengan menggunakan energi terbarukan berlebih — kebanyakan angin — untuk membuat hidrogen dan memadukannya dengan gas alam untuk menurunkan intensitas karbonnya. Namun, Kementerian Ekonomi, Perdagangan, dan Industri Jepang tidak membayangkan pergeseran ke hidrogen rendah karbon hingga kerangka waktu 2035-40.

Seiring waktu, seiring dengan meningkatnya jumlah dan ukuran sistem elektrolisis, biaya produksi hidrogen terbarukan menggunakan metode ini akan turun. Tetapi untuk mempercepat proses, mengingat urgensi yang diperlukan untuk mengatasi emisi transportasi dan mengurangi perubahan iklim, intervensi kebijakan mungkin diperlukan.

"Untuk benar-benar membuat hidrogen terbarukan bersaing dengan hidrogen dari bahan bakar fosil, kita harus kembali menginternalisasi eksternalitas, " kata de Valladares. "Itu mungkin akan membutuhkan penetapan harga pada karbon."

Dicetak ulang dari Climatewire dengan izin dari Environment & Energy Publishing, LLC. www.eenews.net, 202-628-6500

NASA Mempersiapkan Satelit untuk Menyelidiki Matahari - Luar dan DalamTemperatur Naik Terikat Mekar Bunga SebelumnyaNASA Mengatakan Perklorat Tidak Mengesampingkan Kehidupan di MarsKekurangan Makanan dan Air Dapat Membuktikan Risiko Utama Perubahan IklimThe Greatest Vanishing Act di Prasejarah AmerikaSponge Molecular untuk Limbah NuklirPencakar Langit Kuno - Tsunami Tinggi Meminta Khawatir tentang Risiko Saat IniSensor Sentuh Sekarang Dapat Meniru Deteksi Kulit Kita tentang Peregangan dan Memutar