Kendaraan Berbahan Bakar Hidrogen
 |
| cara kerja kendaraan hidrogen |
Dunia sedang berpacu mencari solusi untuk tantangan energi global dan dampak lingkungan yang ditimbulkan oleh kendaraan konvensional.
Bahan bakar minyak (BBM) telah menjadi tulang punggung transportasi selama lebih dari satu abad, namun di balik kemudahannya, tersembunyi berbagai masalah serius yang mengancam planet dan kesehatan kita.
Dalam pencarian akan alternatif yang lebih bersih dan berkelanjutan, hidrogen muncul sebagai kandidat yang menjanjikan.
Namun, seberapa jauh potensi hidrogen? Bagaimana cara kerja kendaraan bahan bakar hidrogen? Apakah hidrogen benar-benar dapat menjadi jawaban atas masalah BBM?
Artikel ini akan mengupas tuntas seluk-beluk teknologi hidrogen untuk kendaraan, dari masalah yang ditimbulkan BBM hingga perbandingan dengan kendaraan listrik, serta peran hidrogen dalam masa depan transportasi kita.
Masalah Apa yang Ditimbulkan dari Bahan Bakar Minyak (BBM)?
Sebelum kita melangkah lebih jauh ke solusi, penting untuk memahami akar masalahnya. Penggunaan bahan bakar minyak secara masif telah menimbulkan berbagai dampak negatif yang signifikan:
- Emisi Gas Rumah Kaca: Pembakaran BBM melepaskan sejumlah besar karbon dioksida , metana , dan dinitrogen oksida (ke atmosfer. Gas-gas ini adalah pemicu utama efek rumah kaca yang menyebabkan perubahan iklim, pemanasan global, dan kejadian cuaca ekstrem.
- Polusi Udara Lokal: Selain gas rumah kaca, pembakaran BBM juga menghasilkan polutan berbahaya seperti nitrogen oksida , partikulat , sulfur dioksida , dan senyawa organik volatil (VOCs). Polutan ini berkontribusi pada kabut asap, hujan asam, dan masalah pernapasan serius pada manusia, terutama di kota-kota besar.
- Ketergantungan pada Sumber Daya Fosil: Minyak bumi adalah sumber daya terbatas. Ketergantungan global pada minyak bumi menciptakan ketidakstabilan geopolitik, fluktuasi harga, dan kekhawatiran akan kelangkaan di masa depan.
- Tumpahan Minyak dan Dampak Lingkungan: Proses ekstraksi, transportasi, dan penyimpanan minyak mentah rentan terhadap kecelakaan yang dapat menyebabkan tumpahan minyak besar. Tumpahan ini menghancurkan ekosistem laut, membahayakan satwa liar, dan merusak garis pantai.
Apakah Bahan Bakar Hidrogen Dapat Menyelesaikan Masalah Bahan Bakar Minyak?
Ya, secara fundamental, bahan bakar hidrogen memiliki potensi besar untuk menyelesaikan banyak masalah yang ditimbulkan oleh BBM, terutama terkait emisi dan polusi.
Kendaraan berbahan bakar hidrogen, khususnya Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV), hanya melepaskan uap air sebagai satu-satunya emisi dari knalpot.
Namun, penting untuk dicatat bahwa dampak lingkungan hidrogen sangat bergantung pada bagaimana hidrogen itu sendiri diproduksi.
Jika hidrogen diproduksi menggunakan energi terbarukan (misalnya, dari elektrolisis air dengan tenaga surya atau angin), maka seluruh siklus hidupnya akan sangat bersih.
Jika hidrogen diproduksi dari bahan bakar fosil tanpa penangkapan karbon, maka masih akan ada jejak karbon pada tahap produksi. Akan tetapi, secara operasional pada kendaraan, hidrogen memang merupakan bahan bakar yang jauh lebih bersih dibandingkan BBM.
Apa Saja Komponen Kendaraan Berbahan Bakar Hidrogen?
Meskipun terlihat kompleks, kendaraan berbahan bakar hidrogen memiliki beberapa komponen utama yang bekerja secara sinergis:
- Tangki Penyimpanan Hidrogen: Ini adalah komponen paling krusial untuk menyimpan hidrogen. Hidrogen biasanya disimpan dalam bentuk gas terkompresi pada tekanan tinggi (700 bar atau sekitar 10.000 psi) untuk memaksimalkan kapasitas penyimpanan. Tangki ini dirancang untuk sangat kuat dan aman, biasanya terbuat dari serat karbon komposit.
- Fuel Cell Stack (Tumpukan Sel Bahan Bakar): Ini adalah jantung dari kendaraan hidrogen. Fuel cell adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia dari hidrogen dan oksigen menjadi energi listrik, panas, dan air. Sebuah fuel cell tunggal hanya menghasilkan sedikit listrik, sehingga beberapa fuel cell disusun dalam "tumpukan" (stack) untuk menghasilkan daya yang cukup untuk menggerakkan kendaraan. Jenis fuel cell yang paling umum digunakan dalam kendaraan adalah Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC).
- Motor Listrik: Listrik yang dihasilkan oleh fuel cell digunakan untuk menggerakkan motor listrik, mirip dengan yang ditemukan di kendaraan listrik baterai (BEV). Motor listrik ini menggerakkan roda kendaraan.
- Baterai Buffer (Opsional/Pendukung): Kebanyakan FCEV juga dilengkapi dengan baterai kecil. Baterai ini berfungsi sebagai buffer untuk menyimpan energi berlebih dari fuel cell dan menyediakan daya tambahan saat akselerasi atau saat pengereman regeneratif. Baterai ini membantu mengoptimalkan efisiensi fuel cell dan memberikan tenaga instan yang lebih baik.
- Power Control Unit (PCU): Unit ini mengatur aliran energi antara fuel cell, baterai, motor listrik, dan sistem lainnya. Ini memastikan bahwa daya yang tepat dialirkan ke komponen yang tepat pada waktu yang tepat.
- Sistem Pendingin: Fuel cell menghasilkan panas sebagai produk sampingan. Sistem pendingin diperlukan untuk menjaga suhu operasi fuel cell dalam batas optimal.
- Sistem Udara dan Pelembap: Oksigen dari udara sekitar diperlukan untuk reaksi di fuel cell. Sistem ini memasok udara ke fuel cell dan memastikan kelembapan yang tepat untuk operasi yang efisien.
Bagaimana Cara Kerja Kendaraan Berbahan Bakar Hidrogen?
Cara kerja kendaraan bahan bakar hidrogen, khususnya FCEV, dapat dijelaskan dalam beberapa langkah sederhana:
- Pengisian Hidrogen: Hidrogen gas bertekanan tinggi diisi ke dalam tangki penyimpanan khusus di kendaraan, mirip dengan mengisi bensin di SPBU, tetapi dengan nozzle khusus untuk hidrogen.
- Penyaluran Hidrogen ke Fuel Cell: Hidrogen dari tangki dialirkan ke anoda (elektroda negatif) dari fuel cell stack.
- Reaksi Elektrokimia di Fuel Cell:
- Di anoda, molekul hidrogen berinteraksi dengan katalis (biasanya platinum) dan melepaskan elektronnya, membentuk proton.
- Elektron yang dilepaskan mengalir melalui sirkuit eksternal, menghasilkan arus listrik yang kemudian digunakan untuk menggerakkan motor listrik kendaraan.
- Proton bergerak melalui membran elektrolit polimer yang selektif. Membran ini hanya memungkinkan proton melewatinya, sementara elektron ditahan.
- Di katoda (elektroda positif), oksigen dari udara sekitar bereaksi dengan proton yang melewati membran dan elektron yang kembali dari sirkuit eksternal, membentuk uap air sebagai satu-satunya produk sampingan.
- Pembangkitan Listrik dan Penggerak Motor: Listrik yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia ini langsung digunakan untuk memberi daya pada motor listrik kendaraan, yang kemudian memutar roda.
- Penyimpanan Energi Berlebih (jika ada baterai): Jika fuel cell menghasilkan lebih banyak listrik daripada yang dibutuhkan motor pada saat itu, energi berlebih dapat disimpan di baterai buffer. Sebaliknya, saat akselerasi mendadak atau saat dibutuhkan daya lebih, baterai dapat memberikan dorongan tambahan.
- Emisi Uap Air: Satu-satunya emisi dari knalpot kendaraan adalah uap air murni, menjadikannya kendaraan nol emisi pada titik penggunaan.
Kendaraan Apa Saja yang Cocok Menggunakan Teknologi Bahan Bakar Hidrogen?
Meskipun teknologi hidrogen dapat diterapkan pada berbagai jenis kendaraan, beberapa segmen pasar memiliki potensi yang lebih besar untuk adopsi:
- Kendaraan Penumpang Jarak Jauh: FCEV menawarkan jangkauan yang setara dengan kendaraan bensin dan waktu pengisian ulang yang cepat (sekitar 3-5 menit). Ini membuatnya ideal untuk perjalanan jauh, di mana pengisian ulang baterai kendaraan listrik mungkin membutuhkan waktu lebih lama.
- Truk Berat dan Bus: Sektor transportasi komersial, terutama truk jarak jauh dan bus kota, sangat diuntungkan oleh keunggulan hidrogen. Baterai besar yang dibutuhkan untuk truk listrik dapat sangat berat dan memakan ruang kargo. Hidrogen menawarkan rasio energi-per-berat yang lebih baik, memungkinkan kapasitas muatan yang lebih tinggi dan waktu pengisian yang cepat, yang krusial untuk operasi logistik.
- Kereta Api: Beberapa proyek percontohan telah menunjukkan potensi kereta api bertenaga hidrogen, terutama untuk jalur yang tidak dialiri listrik.
- Kapal dan Perahu: Sektor maritim juga mulai menjajaki hidrogen sebagai alternatif bahan bakar untuk mengurangi emisi di pelabuhan dan di laut lepas.
- Forklift dan Peralatan Gudang: Dalam lingkungan gudang, forklift bertenaga hidrogen dapat beroperasi lebih lama dengan pengisian ulang cepat, dibandingkan dengan forklift listrik baterai yang membutuhkan waktu pengisian lebih lama dan seringkali membutuhkan penggantian baterai.
- Pesawat Terbang (Jangka Panjang): Meskipun masih dalam tahap penelitian dan pengembangan awal, hidrogen memiliki potensi besar untuk menjadi bahan bakar pesawat terbang di masa depan, terutama untuk penerbangan jarak jauh.
Sumber Daya Apa yang Paling Banyak Dibutuhkan untuk Membuat Hidrogen?
Meskipun hidrogen adalah unsur paling melimpah di alam semesta, ia jarang ditemukan dalam bentuk murni di Bumi. Hidrogen selalu terikat dengan unsur lain, seperti dalam air atau hidrokarbon (misalnya, metana,. Oleh karena itu, hidrogen harus diproduksi dari senyawa-senyawa ini.
Sumber daya yang paling banyak dibutuhkan untuk membuat hidrogen adalah:
- Air : Air adalah sumber paling bersih untuk produksi hidrogen melalui proses elektrolisis. Dalam proses ini, arus listrik dilewatkan melalui air untuk memecahnya menjadi hidrogen dan oksigen. Kualitas air yang digunakan juga penting, biasanya air demineralisasi.
- Energi Listrik: Produksi hidrogen melalui elektrolisis membutuhkan sejumlah besar energi listrik. Inilah mengapa sumber energi listrik yang digunakan sangat krusial dalam menentukan "jejak karbon" dari hidrogen yang dihasilkan.
- Gas Alam: Saat ini, sebagian besar hidrogen diproduksi dari gas alam melalui proses yang disebut steam methane reforming (SMR). Proses ini membutuhkan gas alam sebagai bahan baku dan energi panas yang seringkali berasal dari pembakaran gas alam itu sendiri.
- Batu Bara/Minyak Bumi: Meskipun kurang umum dan lebih kotor, hidrogen juga dapat diproduksi dari batu bara melalui gasifikasi atau dari minyak bumi.
Oleh karena itu, sumber daya paling fundamental adalah energi listrik (terutama energi terbarukan untuk hidrogen bersih) dan air.
Apa Perbedaan Jenis-jenis Bahan Bakar Hidrogen (Contoh: Hidrogen Biru, Hidrogen Hijau, dll.)?
Klasifikasi hidrogen berdasarkan "warna" mengacu pada metode produksinya dan dampak lingkungannya:
- Hidrogen Abu-abu (Grey Hydrogen): Ini adalah jenis hidrogen yang paling umum diproduksi saat ini. Hidrogen abu-abu dihasilkan dari gas alam melalui proses steam methane reforming (SMR) tanpa penangkapan emisi karbon. Proses ini melepaskan sejumlah besar karbondioksida ke atmosfer, menjadikannya kurang berkelanjutan.
- Hidrogen Biru (Blue Hydrogen): Mirip dengan hidrogen abu-abu, hidrogen biru juga diproduksi dari gas alam melalui SMR. Namun, perbedaannya terletak pada penangkapan dan penyimpanan karbon (Carbon Capture and Storage/CCS). Emisi karbondioksida dari proses SMR ditangkap dan disimpan secara permanen di bawah tanah, mengurangi jejak karbon secara signifikan.
- Hidrogen Hijau (Green Hydrogen): Ini adalah "emas standar" hidrogen bersih. Hidrogen hijau diproduksi melalui elektrolisis air menggunakan 100% energi terbarukan (seperti tenaga surya, angin, atau hidro). Karena sumber energi dan prosesnya tidak menghasilkan emisi karbon, hidrogen hijau dianggap nol emisi dari hulu ke hilir.
- Hidrogen Pink/Merah (Pink/Red Hydrogen): Hidrogen pink diproduksi melalui elektrolisis air menggunakan energi dari pembangkit listrik tenaga nuklir. Meskipun nuklir adalah sumber energi rendah karbon, klasifikasi ini membedakannya dari energi terbarukan karena adanya kekhawatiran tentang limbah nuklir.
- Hidrogen Turquoise: Diproduksi dari metana melalui proses pirolisis metana. Proses ini menghasilkan hidrogen padat dan karbon padat (bukan CO2 gas), yang dapat ditangkap dan disimpan dengan lebih mudah. Jika panas untuk proses pirolisis berasal dari energi terbarukan, maka hidrogen turquoise bisa menjadi sangat rendah karbon.
- Hidrogen Kuning (Yellow Hydrogen): Hidrogen kuning mengacu pada hidrogen yang diproduksi melalui elektrolisis air menggunakan energi listrik dari jaringan listrik, terlepas dari sumber energi listriknya (bisa campuran terbarukan dan fosil). Jadi, jejak karbonnya akan bervariasi tergantung pada bauran energi di jaringan listrik tersebut.
Apa Kelebihan Teknologi Bahan Bakar Hidrogen dengan Kendaraan Listrik (BEV)?
Meskipun kendaraan listrik baterai (BEV) juga merupakan solusi transportasi bersih, FCEV memiliki beberapa keunggulan unik:
- Waktu Pengisian Ulang yang Cepat: Ini adalah salah satu keunggulan terbesar FCEV. Mengisi tangki hidrogen penuh hanya membutuhkan waktu 3-5 menit, sebanding dengan mengisi bensin, sedangkan pengisian ulang baterai BEV, terutama untuk daya jangkau yang sama, bisa memakan waktu puluhan menit hingga beberapa jam, bahkan dengan teknologi fast charging.
- Jangkauan Jarak Tempuh Lebih Jauh: FCEV umumnya menawarkan jangkauan jarak tempuh yang lebih jauh per pengisian dibandingkan kebanyakan BEV, terutama untuk kendaraan penumpang berukuran besar atau kendaraan komersial.
- Bobot Kendaraan Lebih Ringan: Tangki hidrogen dan sistem fuel cell umumnya lebih ringan daripada baterai besar yang dibutuhkan untuk BEV dengan jangkauan yang sama. Ini berdampak positif pada efisiensi kendaraan dan kapasitas muatan, terutama untuk truk dan bus.
- Performa pada Suhu Dingin: Fuel cell cenderung beroperasi lebih efisien di suhu dingin dibandingkan baterai lithium-ion yang dapat mengalami penurunan performa dan jangkauan secara signifikan pada suhu rendah.
- Zero Emisi di Titik Penggunaan: Sama seperti BEV, FCEV juga menghasilkan nol emisi knalpot, hanya uap air, berkontribusi pada udara yang lebih bersih di perkotaan.
- Skalabilitas untuk Kendaraan Berat: Untuk aplikasi kendaraan berat seperti truk, bus, dan kereta api, hidrogen menawarkan solusi yang lebih praktis daripada baterai besar yang akan sangat berat dan mahal.
Apa Kekurangan Teknologi Bahan Bakar Hidrogen dengan Kendaraan Listrik (BEV)?
Meskipun banyak kelebihan, FCEV juga menghadapi tantangan signifikan dibandingkan BEV:
- Infrastruktur Pengisian yang Terbatas: Ini adalah hambatan terbesar. Jaringan stasiun pengisian hidrogen (Hydrogen Refueling Stations/HRS) masih sangat terbatas di seluruh dunia dibandingkan dengan infrastruktur pengisian listrik yang jauh lebih tersebar.
- Biaya Kendaraan yang Lebih Tinggi: Harga FCEV saat ini cenderung lebih mahal daripada BEV yang setara, karena biaya produksi fuel cell dan tangki hidrogen yang masih tinggi.
- Efisiensi "Well-to-Wheel" yang Lebih Rendah: Proses produksi hidrogen, penyimpanannya, dan konversinya kembali menjadi listrik di fuel cell melibatkan beberapa langkah konversi energi. Secara keseluruhan, dari sumber energi awal hingga roda kendaraan, FCEV umumnya memiliki efisiensi "well-to-wheel" yang lebih rendah dibandingkan BEV (sekitar 30-40% untuk hidrogen vs. 70-80% untuk BEV). Ini berarti lebih banyak energi yang terbuang dalam rantai pasokan.
- Biaya Produksi Hidrogen yang Tinggi: Terutama untuk hidrogen hijau, biaya produksi masih relatif tinggi dibandingkan dengan hidrogen abu-abu atau sumber energi fosil.
- Tantangan Penyimpanan Hidrogen: Menyimpan hidrogen (gas bertekanan tinggi) membutuhkan tangki khusus yang kuat dan mahal. Meskipun aman, persepsi publik terhadap keamanan hidrogen masih menjadi tantangan.
- Ketersediaan Hidrogen Hijau: Meskipun hidrogen hijau adalah tujuan ideal, sebagian besar hidrogen yang diproduksi saat ini masih merupakan hidrogen abu-abu, yang masih memiliki jejak karbon signifikan. Transisi ke hidrogen hijau membutuhkan investasi besar dalam energi terbarukan dan elektroliser.
- Rugi Energi dalam Transportasi: Mengangkut hidrogen dalam jumlah besar dari lokasi produksi ke stasiun pengisian juga menimbulkan tantangan logistik dan potensi kerugian energi.
Kesimpulan
Kendaraan berbahan bakar hidrogen, khususnya FCEV, menawarkan alternatif yang menarik dan potensial untuk mengatasi masalah yang ditimbulkan oleh bahan bakar minyak konvensional.
Kemampuannya menghasilkan nol emisi knalpot, waktu pengisian yang cepat, dan jangkauan yang luas menjadikannya solusi yang sangat menjanjikan, terutama untuk segmen transportasi berat dan jarak jauh.
Namun, transisi menuju ekonomi hidrogen bukan tanpa tantangan. Pembangunan infrastruktur pengisian yang luas, pengurangan biaya produksi hidrogen hijau, dan peningkatan efisiensi "well-to-wheel" adalah kunci untuk adopsi massal.
Meskipun kendaraan listrik baterai saat ini memimpin pasar kendaraan penumpang, FCEV dapat memainkan peran komplementer yang krusial, terutama di area di mana baterai kurang praktis.
Masa depan transportasi yang berkelanjutan kemungkinan besar akan melibatkan bauran teknologi, di mana hidrogen akan menjadi bagian integral dari solusi, berdampingan dengan kendaraan listrik baterai dan bahkan bahan bakar sintetis.
Dengan inovasi dan investasi berkelanjutan dalam produksi hidrogen bersih dan infrastruktur, hidrogen memiliki potensi besar untuk merevolusi cara kita bergerak, membawa kita selangkah lebih dekat menuju planet yang lebih bersih dan masa depan energi yang lebih aman.
Tentang Penulis
Ardhy merupakan founder dari platform Cara Kerja Teknologi. Ardhy menempuh pendidikan S1 Teknik Industri di Universitas Sebelas Maret (UNS) Indonesia dan pendidikan S2 bidang Engineering Technology di SIIT, Thammasat University Thailand. Ardhy memiliki pengalaman kerja selama 4 tahun sebagai staf Insinyur di Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) hingga bulan September tahun 2021. Kemudian pada tahun yang sama, Ardhy dipindah tugaskan ke Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) hingga sekarang.
Protofolio Penulis: Google Scholar | ORCID | SINTA | Scopus
Komentar
Posting Komentar
Platform cara kerja memberikan kebebasan bagi pengunjung untuk memberikan saran, masukan, kritik atau komentar. Anda juga boleh memberikan link untuk backlink. :) Namun tolong pergunakan kata-kata yang baik dan sopan.