TINJAUAN PUSTAKA
2.6. Proses Pembuatan Hidrogen
Kriteria seleksi proses dalam pembuatan gas hidrogen difokuskan dalam beberapa faktor : kandungan hidrogen dalam umpan; hidrogen yang dihasilkan dari proses; yang meliputi biaya dari umpan; biaya modal dan operasi; energi yang dibutuhkan; pertimbangan lingkungan; penggunaan yang diharapkan dari hidrogen.
Secara mendasar, spesifikasi proses komersial untuk pabrik hidrogen
diperoleh dari steam reforming, oksidasi parsial, gasifikasi batubara, dan elektrolisa air. Di seluruh dunia, hidrogen sebagai bahan baku untuk industri kimia diperoleh sebagai berikut: 77% dari gas alam/petroleum, 18% dari batubara, 4% dari elektrolisa air, dan 1% dari proses lain.
Semua proses ini menghasilkan hidrogen dari hidrokarbon dan air. Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut :
(Othmer, 1967)
Sekarang ini hidrogen digunakan hampir secara eksklusif sebagai suatu bahan kimia industri, dimana kapasitas itu diterapkan untuk suatu penggunaan yang luas, mencakup produksi amoniak (untuk pabrik fertilizer), refineri yang digunakan untuk proses desulfurisasi dan lain-lain, serta untuk produksi methanol. Produksi tahunan dunia adalah sekitar 500 milyar Nm3. Produsen yang paling besar adalah produk udara, yang beroperasi lebih dari 50 pabrik individu, yang menghasilkan lebih dari 25 juta Nm3 per hari, dan 7 sistem perpipaan secara total lebih dari 340 juta. Produksi curah hidrogen (hampir 50%) dihasilkan oleh proses Steam Methane Reforming, yang mana proses tersebut adalah dalam skala besar merupakan rute ekonomis. (Dutton, G., 2002)
2.6.1. Steam Methane Reforming (SMR)
Proses Steam Methane Reforming (SMR) terdiri atas 4 langkah proses:
1. Pemanasan stok umpan dan pemurnian (dibutuhkan karena katalis memiliki sensitivitas yang tinggi oleh ketidakmurnian, contohnya: sulfur, mercury, dan logam lainnya)
2. Steam reformer
3. CO shift
4. PSA purification (menyerap campuran lainnya selain dari H2 untuk menghasilkan H2 mencapai 80 – 90%.
Reaksi reformer (untuk methana) :
CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2 (ΔHo = +164kJ /mol; secara umum beroperasi pada suhu 850 oC)
CH4 + H2O ↔ CO2 + 3H2 (ΔHo = +205kJ /mol ) - Beroperasi pada < 40 bar
- Sangat endotermis
- Konversi penguapan oleh steam dan suhu yang tinggi; konversi akan berkurang dengan tekanan yang tinggi.
- Sangat dibutuhkan katalis nikel aktif Reaksi CO shift :
- Menggunakan katalis CO shift : besi oksida (secara konvensional suhu tinggi 340 – 460 oC), (suhu sedang) besi + tembaga oksida (suhu tinggi dimodifikasi 310 – 370 oC), tembaga, seng, aluminium (suhu rendah 180 – 280 oC)
- Ukuran pabrik kecil dan sedang yang memiliki reactor shift suhu sedang yang tunggal
- Pabrik skala besar memiliki 2 reaktor suhu sedang atau suhu tinggi ditambah reaktor suhu sedang
Ukuran pabrik yang umum :
Kecil 500 - 3000 Nm3/jam Sedang mencapai 25,000 Nm3/jam Besar lebih dari 25,000 Nm3/jam Sangat besar over 150,000 Nm3/jam (Dutton, G., 2002)
2.6.2. Oksidasi parsial
Hidrogen juga dapat dibentuk oleh non-katalisis oksidasi parsial hidrokarbon. Banyak umpan hidrokarbon yang dapat dimampatkan atau dipompa mungkin
digunakan. Efisiensi proses secara keseluruhan adalah hanya 50% (dibandingkan SMR pada 65 – 75%). Oksigen murni diperlukan sebagai umpan.
Reaksi reformer – oksidasi parsial :
Gas alam : CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 (1350 oC) Batu bara : C + ½ O2 → CO (1350 oC)
- Proses gas sintesis
- Menggunakan banyak bahan bakar fosil dan dapat beroperasi pada tekanan tinggi (>100 bar)
Daftar sumber hidrogen terdiri atas tiga model teknologi :
1. Catalytic Steam Reforming (CSR) melibatkan reaksi bahan bakar
hidrokarbon dan steam dalam kehadiran katalis dimana dibutuhkan sumber panas eksternal. Proses ini memiliki efisiensi yang tinggi.
yang digunakan untuk menghasilkan hidrogen dibutuhkan panas untuk reaksi. Proses ini dapat digunakan pada banyak perbedaan tipe dari bahan bakar. 3. Catalytic Partial Oxidation Reforming (CPOX) adalah sama halnya seperti
auto thermal reforming (ATR) tetapi menggunakan sistem operasi yang lebih simpel dan sederhana.
(Dutton, G., 2002)
2.6.3. Integrated gasification combined cycle (IGCC)
Dalam sistem IGCC, gasifier batubara mengubah batubara yang telah di pulverisasi menjadi gas sintesis (campuran H2 dan CO) dengan penambahan steam dan oksigen. Gas sintesis ini selanjutnya dibersihkan dari kotorannya dan digunakan untuk menghasilkan energi dalam turbin gas. (secara alternatif gas yang diproduksi dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen, bahan kimia, atau bahan bakar lainnya).
Panas yang terbuang dari turbin gas digunakan dalam turbin steam untuk menghasilkan banyak elektrisitas. Teknologi gasifier terintegrasi dengan siklus yang dikombinasikan dengan cara ini menawarkan efisiensi sistem yang tinggi dan
tingkatan polusi yang sangat rendah. Sistem dirancang untuk menangani berbagai umpan, mencakup batubara dengan kandungan sulfur yang tinggi dan rendah,
antrasit, dan biomassa. Secara umum sistem memiliki rentang dalam ukuran dari 200 – 800 MWe. Secara umum pabrik menawarkan peningkatan efisiensi suhu 10% yang melebihi stasiun pembakaran batubara konvensional.
Efisiensi operasi adalah diantara 29 – 41%, tergantung pada karakteristik bahan bakar (yaitu kandungan sulfur, kandungan abu, dan nilai kalori), tipe dari sistem IGCC (yaitu entrained, moving-bed atau fluidized bed) dan puncak suhu turbin gas. Dalam kaitan efisiensi rendah dan biaya, IGCC hanya merupakan
teknologi demonstrasi, akan tetapi diharapkan bahwa teknologi generasi kedua akan merealisasikan efisiensi sebesar 45 – 50% dan mengurangi biaya. (Dutton, G., 2002)
2.6.4. Pirolisis
Hidrokarbon dapat dikonversi menjadi hidrogen tanpa menghasilkan CO2, jika hidrokarbon tersebut didekomposisi pada suhu yang tinggi dalam ketidakhadiran
oksigen (pirolisis). Sebagai contoh methana dapat di cracked dalam katalis seperti karbon (golongan karbon, seperti jelaga C60, grafit atau karbon aktif). Pada
prinsipnya, pirolisis dapat juga diaplikasikan lebih jauh kedalam hidrokarbon kompleks, biomassa, limbah padat kota. (Dutton, G., 2002)
2.6.5. Elektrolisis air
Hidrogen dapat dihasilkan dari air yang dielekrolisis. Jika elektrolitas
dihasilkan dari teknologi renewable (seperti solar, hidro, angin, pasang surut), maka proses tersebut disebut bebas karbon. Pemecahan elektrokimia dari air telah
diketahui melalui reaksi :
H2O → H2+ ½ O2
Pabrik elektrolisis komersial secara umum mencapai efisiensi 70 – 75%. Ada 2 tipe dasar dari elektrolizer:
1. Alkalin cair
2. Membran pertukaran proton
Secara umum beroperasi pada tekanan 50 bar (750 psig) yang mana tidak cukup pembebanan silinder tekanan tinggi. Konsumsi listrik dari proses elektrolisis dapat direduksi dengan operasi pada suhu tinggi (900 – 1000 oC). Untuk
penyimpanan hidrogen, dapat dilakukan menggunakan kompresor atau disebut elektrolizer tekanan tinggi. (Dutton, G., 2002)
2.6.6 Produksi hidrogen secara biologi
Hidrogen dapat dihasilkan secara biologi dalam 2 proses : 1. Proses fotosintesis
2. Proses fermentasi
Ganggang hijau dapat menangkap energi dari sinar matahari. Dibawah kondisi anaerobik, ganggang hijau menghasilkan enzim hidrogenase yang mana dapat menghasilkan hidrogen dari air dengan proses yang diketahui sebagai bio-fotolisis. Kondisi ini harus diatur secara hati-hati sewaktu enzim hidrogenase bekerja dalam fase gelap dan sangat sensitif pada kehadiran oksigen yang dihasilkan dari
1. Peningkatan produksi hidrogen oleh suatu faktor 10, atau lebih.
2. Peningkatan efisiensi konversi energi solar dari 5% menjadi 10% atau lebih. 3. Memproduksi sel membran tidak hidup oleh oksigen dan hidrogen untuk
menghasilkan enzim
Proses biologi yang kedua untuk menghasilkan hidrogen adalah dengan menggunakan fermentasi tanpa membutuhkan cahaya. Ini dilakukan dalam keadaan gelap, dimana proses anaerobik dilaksanakan oleh banyak spesies bakteri, satu diantaranya adalah Clostridia. Reaksi melibatkan enzim hidrogenase yang bertindak untuk menghasilkan hidrogen (dan karbon dioksida):
C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
Secara teoritis, hidrogen yang dihasilkan adalah 0,5 m3 H2/kg karbohidrat. Bakteri fermentasi dikalikan secara cepat dan dapat menghasilkan kuantitas yang banyak dari hidrogen, tetapi parameter rancangan dan operasional ini adalah belum mapan. (Dutton, G., 2002)