Produksi hidrogen biru dari reservoir gas alam: Tinjauan penerapan dan kelayakan

(1)

Mengulas artikel

Divisi Pembangunan Berkelanjutan, Sekolah Tinggi Sains dan Teknik, Universitas Hamad Bin Khalifa, Kota Pendidikan, Yayasan Qatar, PO Box 34110, Doha, Qatar

penyerapan CO2

Hidrogen biru Produksi hidrogen Penyimpanan hidrogen Kata kunci:

Dekarbonisasi

Jurnal Pemanfaatan CO2

Osama Massarweh, Maha Al-khuzaei, Manal Al-Shafi, Yusuf Bicer, Ahmad S. Abushaikha

1. Perkenalan

Daftar isi tersedia di ScienceDirect

Namun, karena variabilitas dan ketidakpastian pasokan listrik dari energi terbarukan (misalnya angin dan matahari), hidrogen telah muncul sebagai pemain penting yang dapat dimanfaatkan baik sebagai bahan bakar maupun pembawa energi [11,12].

Sejak awal tahun 1990an, pembangkitan hidrogen telah dipelajari sebagai a polusi, yang diakibatkan oleh fracking fluida, tumpahan minyak, lumpur batubara, drainase tambang batubara, dll. [5,6]. Selain itu, produksi dan pembakaran bahan bakar fosil mengakibatkan pelepasan partikel dan gas (misalnya sulfur dioksida dan nitrogen oksida), yang menyebabkan penyakit pernapasan dan meningkatkan angka kematian [7,8] .

beranda jurnal: www.elsevier.com/locate/jcou

Saat ini, sebagian besar pasokan energi global disediakan oleh bahan bakar fosil konvensional. Pada tahun 2020, ~80,7% dari pasokan ini dipenuhi oleh minyak, gas alam, dan batu bara [1], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Meskipun melimpah [2], ketergantungan kita pada bahan bakar fosil perlu dikurangi karena dampak lingkungannya. dan dampak kesehatan. Penggunaan bahan bakar fosil menimbulkan konsekuensi seperti peningkatan emisi gas rumah kaca (GRK) dan percepatan perubahan iklim [3,4]. Selain itu, ekstraksi dan pengolahan bahan bakar fosil juga menimbulkan dampak lingkungan lainnya, seperti air

1.1. Latar belakang

Selama beberapa dekade mendatang, kandidat terbaik yang diharapkan dapat menggantikan bahan bakar fosil yang semakin menipis adalah sumber energi

terbarukan, khususnya biomassa, angin, matahari, panas bumi, air, dan energi terbarukan laut [9,10].

*

Oleh karena itu, makalah ini mengulas literatur terkini mengenai H2 biru, yang merupakan solusi jangka pendek yang berpotensi rendah karbon selama masa transisi H2 . Ada tiga aspek utama yang menjadi fokus makalah ini. Pertama, menyajikan proses yang digunakan untuk produksi H2 biru . Kedua, menyajikan perbandingan detail antara H2 biru dan gas alam sebagai bahan bakar dan pembawa energi.

Aspek ketiga berfokus pada penyerapan CO2 di reservoir gas alam yang sudah habis, sebuah langkah penting untuk menerapkan H2 biru. Secara global, ~75% H2 diproduksi menggunakan reformasi metana uap, yang memerlukan CCS untuk mendapatkan H2 biru. Saat ini, H2 biru harus bersaing dengan teknologi maju lainnya seperti H2 hijau, tenaga surya, penyimpanan baterai, dll. Dibandingkan dengan gas alam dan gas alam cair, gas H2 biru menghasilkan emisi CO2 yang lebih rendah sejak CCS diterapkan. Namun, pengangkutan H2 biru yang dicairkan dan dikompresi memerlukan biaya energi, ekonomi, dan lingkungan yang lebih tinggi. CCS harus diterapkan dengan tepat agar berhasil menghasilkan H2 biru . Karena kapasitasnya yang sudah mapan dalam memerangkap hidrokarbon dalam skala waktu geologis, reservoir gas alam yang sudah habis dianggap sebagai pilihan yang layak untuk CCS. Kesimpulan tersebut didukung oleh beberapa studi simulasi dan proyek lapangan di banyak negara. Selain itu, terdapat banyak pengalaman dan pengetahuan lapangan mengenai kinerja injeksi dan produksi reservoir gas alam. Oleh karena itu, dengan menggunakan infrastruktur lokasi yang ada, mengubah formasi ini menjadi reservoir penyimpanan tidaklah sulit.

* Penulis yang sesuai.

Alamat email: [email protected] (O. Massarweh), [email protected] (M.Al-khuzaei), [email protected] (M.Al-Syafi), [email protected].

qa (Y.Bicer), [email protected] (AS Abusyaikh).

Singkatan: ACE, Acetogens; AMU, Satuan massa atom; ASU, unit pemisahan udara; ATR, Reformasi autotermal; CCS, Penangkapan dan penyimpanan karbon; CG, Gas bantalan; CNG, Gas alam terkompresi; DMC, Dimetil karbonat; DME, Dimetil eter; EGR, Peningkatan pemulihan gas; FT, Fischer-Tropsch; GRK, Gas Rumah Kaca; GWC, Kontak gas-air; IEA, Badan Energi Internasional; IRENA, Badan Energi Terbarukan Internasional; IPCC, Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim; LCA, Penilaian siklus hidup; LNG, Gas alam cair; LOHC, Pembawa hidrogen organik cair; MeOH, Metanol; MET, Metanogen; MMV, Pemantauan, pengukuran, dan verifikasi; NG, Gas alam; NGD, Dekomposisi gas alam; PSA, Adsorpsi ayunan tekanan; PV, Fotovoltaik; SMR, reformasi uap metana;

SMR-CL, Reformasi metana uap dengan perulangan CO2; SRM, Mikroorganisme pereduksi sulfat; UHS, Penyimpanan H2 Bawah Tanah; WG, Gas kerja; WGS, Pergeseran air-gas.

https://doi.org/10.1016/j.jcou.2023.102438 Diterima 7

November 2022; Diterima dalam bentuk revisi 5 Februari 2023; Diterima 15 Februari 2023 Tersedia online 27 Februari 2023

Baru-baru ini, minat untuk mengembangkan strategi H2 dengan teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon (CCS) telah meningkat.

Jurnal Pemanfaatan CO2 70 (2023) 102438

Produksi hidrogen biru dari reservoir gas alam: Tinjauan penerapan dan kelayakan

INFO PASAL ABSTRAK

(2)

Jurnal Pemanfaatan CO2 70 (2023) 102438

Gambar 1. Distribusi pasokan energi primer global berdasarkan jenis bahan bakar pada tahun 2020. Diperkirakan oleh [1].

Makalah tinjauan ini menyajikan aspek-aspek utama produksi H2 biru , yang menggunakan teknologi penangkapan dan penyimpanan karbon (CCS) untuk meminimalkan emisi CO2 yang terkait dengan produksi H2 konvensional . Selain itu, tinjauan ini memberikan wawasan yang signifikan mengenai H2 biru sebagai pembawa energi potensial. Langkah-langkah yang diikuti untuk melakukan tinjauan ini dirinci pada Tabel 1. Awalnya, kami memilih topik penelitian karena pentingnya mengurangi emisi CO2 global dan pentingnya produksi H2 bagi banyak sektor industri. Setelah menentukan minat penelitian kami, kami menetapkan empat pertanyaan penelitian, yang disajikan pada Subbagian 1.3. Kami kemudian mengidentifikasi kata kunci yang akan digunakan dalam mencari sumber yang relevan, yang tercantum dalam Tabel 1.

Kata kunci ini berkaitan dengan topik seperti berbagai jenis hidrogen, proses produksi hidrogen, penyimpanan dan transportasi hidrogen dan gas alam, penyimpanan gas bawah permukaan, Penyerapan CO2 di reservoir gas alam, serta proses pemanfaatan dan konversi CO2. Kami melakukan pencarian kami menggunakan mesin pencari dan database seperti Google Scholar, Sci enceDirect, OnePetro (SPE Publications), ACS Publications, dan Springer. Pencarian kami terutama terfokus pada pencarian artikel jurnal yang relevan (artikel penelitian dan makalah ulasan), namun kami juga menyertakan buku, prosiding konferensi, dan laporan dari organisasi terkemuka seperti Badan Energi Internasional (IEA), Badan Energi Terbarukan Internasional (IRENA), dan Badan Energi Terbarukan Internasional (IRENA). dan Komisi Eropa bila diperlukan.

Hidrogen dibutuhkan oleh sektor-sektor yang mengkonsumsi energi seperti industri, transportasi, komersial, perumahan, dll. [15]. Selain itu, hidrogen sangat dibutuhkan sebagai bahan baku untuk banyak proses industri seperti produksi amonia dan metanol, pembuatan kaca, pengolahan makanan, penyulingan minyak bumi, dan pengolahan logam [16,17]. Menurut Badan Energi Internasional (IEA), permintaan hidrogen global pada tahun 2018 diperkirakan sebesar ~73,9 Mt H2/tahun, terutama untuk industri pengilangan (38,2 Mt H2/tahun) dan industri amonia (31,5 Mt H2/tahun .) [18]. Negara-negara dengan permintaan hidrogen tertinggi antara lain Tiongkok, Amerika Serikat, Uni Eropa, India, Jepang, dan Korea Selatan. Negara-negara ini telah menerapkan strategi hidrogen dan berinvestasi dalam pengembangan dan penerapan teknologi sel bahan bakar. Negara-negara lain, seperti Chili, Maroko, dan Namibia, kini muncul sebagai eksportir hidrogen rendah karbon. Di sisi lain, negara- negara seperti Australia, Oman, Arab Saudi, dan Uni Emirat Arab, yang secara tradisional merupakan eksportir bahan bakar fosil, sedang menjajaki penggunaan hidrogen ramah lingkungan untuk mendiversifikasi perekonomian mereka [19] .

metode untuk dekarbonisasi campuran sumber energi [13,14]. per 1 kg H2 [20]. Selain pembangkitan H2 dari bahan bakar fosil, H2 juga dapat dihasilkan tergantung pada sumber dan proses energi dan/atau material lain, seperti biomassa [21], energi panas matahari [22], fotovoltaik surya (PV) [23], hidro [24], angin [25], listrik nuklir [26], dan panas nuklir [27], seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Baru-baru ini, beberapa negara telah mengumumkan rencana dan dana H2 besar yang mendukung pengembangan, implementasi, dan penyebaran teknologi hidrogen.

Misalnya, pemerintah Australia telah mengalokasikan lebih dari 100 juta AUD untuk mendukung penelitian H2 dan proyek percontohan. Tiongkok telah meluncurkan program Sepuluh Kota untuk transportasi H2 dan mengumumkan bahwa Wuhan diharapkan menjadi Kota Hidrogen Tiongkok pertama pada tahun 2025. Tiongkok juga telah menetapkan target untuk penggunaan kendaraan listrik sel bahan bakar dan stasiun pengisian bahan bakar dalam skala besar. Perancis telah mengalokasikan 100 juta euro untuk mendukung penerapan teknologi hidrogen.

Selain itu, Prancis telah menetapkan target H2 rendah karbon pada tahun 2023 dan 2028 di sektor industri dan transportasi. Jerman telah mendukung program nasional 10 tahun dengan dana 1,4 miliar euro untuk sel bahan bakar dan teknologi H2 . Inggris telah meluncurkan dua proyek masing-masing senilai 20 juta GBP, yang bertujuan untuk pengembangan teknologi pasokan dan penyimpanan H2 rendah karbon . Selain itu, negara lain yang memiliki rencana H2 penting antara lain Austria, Belgia, Brasil, India, Italia, Jepang, Belanda, Selandia Baru, Norwegia, Arab Saudi, Afrika Selatan, Korea Selatan, dan Amerika Serikat [18] .

Saat ini, bahan bakar fosil (misalnya gas alam, batu bara, dan minyak) merupakan sumber H2 yang paling hemat biaya , dengan biaya berkisar antara US$1 dan US$3.

Saat ini, berbagai jenis H2 dikodifikasikan menurut teknologi produksi dan sumber yang digunakan, yang disebut sebagai “ warna H2”. Jenis H2 yang penting adalah H2 biru, yang dihasilkan terutama dari gas alam melalui berbagai proses yang menghasilkan CO2 sebagai produk sampingan.

1.2. Tinjau metodologi

Namun, karena CO2 ini terperangkap dan disimpan, H2 yang dihasilkan disebut sebagai H2 biru [28-30]. Blue H2 dapat memainkan peran penting dalam dekarbonisasi, terutama dalam beberapa dekade mendatang.

O. Massarweh dkk.

(3)

Mendefinisikan pertanyaan ulasan yang belum diselidiki secara menyeluruh dalam makalah ulasan yang diterbitkan saat ini. Pertanyaan tinjauan harus spesifik, relevan, layak, dan dapat diteliti.

Membaca abstrak

Membaca hasil, pembahasan, dan kesimpulan Meringkas data dan temuan yang relevan Mengacu pada referensi baru

Menghubungkan ringkasan data dan temuan Mengidentifikasi tren dan pola

Mengidentifikasi kontradiksi dan konflik Mengidentifikasi

kesenjangan Menggambar kesimpulan

Menyiapkan tabel dan gambar Menulis pendahuluan, isi, dan kesimpulan Mengutip referensi yang digunakan 2. Menyatakan kata kunci utama

4. Menelaah sumbernya 3. Mencari yang relevan

Beberapa kata kunci digunakan untuk mencapai artikel yang relevan, termasuk: “kode warna hidrogen”, “hidrogen biru”, “reformasi metana uap”, “reformasi

metana autotermal”, “penyimpanan hidrogen”,

“penyimpanan gas alam”, “hidrogen cair , “gas alam cair”, “transportasi gas”, “gas

terkompresi”, “penyimpanan gas bawah tanah”, “reservoir minyak dan gas”, “penyimpanan gas dalam akuifer”,

“penyimpanan gas dalam gua garam”, “penangkapan karbon dan penyimpanan,” “ kebocoran CO2,”

dan “desorpsi metana oleh CO2,” “pemanfaatan CO2 ,”

dan “ konversi CO2.”

5. Menganalisis, menafsirkan temuan, dan menulis

Melangkah Detail

Kata kunci dimasukkan ke dalam kotak pencarian database/mesin pencari: ScienceDirect OnePetro (SPE

Publications) sumber

O. Massarweh dkk.

1. Mendefinisikan pertanyaan review

Publikasi ACS Operator Boolean Google

Cendekia Springer (yaitu, AND, OR, dan NOT) digunakan untuk mempersempit atau memperluas hasil pencarian.

Tabel 1

Langkah-langkah penting dalam proses peninjauan.

Gambar 2. Penawaran dan permintaan H2 . Dimodifikasi dari [15].

1. Sejauh mana H2 biru layak diproduksi dari gas alam reservoir sebagai pembawa bahan bakar/energi?

3. Apakah mungkin memanfaatkan reservoir gas alam yang sudah habis sebagai lokasi potensial Kami menganalisis, menafsirkan, dan menghubungkan temuan-temuan dan mengidentifikasi tren, pola, kontradiksi, konflik, dan kesenjangan. Kami menggunakan informasi ini untuk menarik kesimpulan dan menulis keseluruhan makalah, mengutip total 242 sumber.

untuk CCS?

Tinjauan ini disusun menjadi tujuh bagian. Bagian 1 telah memperkenalkan tinjauan.

Bagian 2 menyajikan gambaran singkat tentang unsur kimia hidrogen. Lebih lanjut, Bagian 2 menyajikan berbagai warna hidrogen, dengan fokus pada definisi hidrogen biru dan proses yang digunakan untuk produksi hidrogen. Bagian 3 dan 4 memberikan perbandingan rinci antara hidrogen (biru dan abu-abu) dan gas alam, dengan mempertimbangkan empat aspek utama: (1) transportasi dan penyimpanan, (2) lingkungan, (3) ekonomi, dan (4) efisiensi energi. Bagian lain dari tinjauan ini berkonsentrasi pada penyerapan dan pemanfaatan CO2, yang merupakan bagian penting dari konsep hidrogen biru. Bagian ini meliputi penyerapan CO2 ke dalam reservoir gas alam yang sudah habis (Bagian 5), dampak lingkungan dari penyerapan CO2 (Bagian 6), penerapan CO2 di lapangan.

4. Apa dampak penyerapan CO2 terhadap berkurangnya gas alam 1.3. Tinjau ruang lingkup, tujuan, dan struktur

Tujuan utama dari makalah tinjauan ini adalah untuk menilai kelayakan produksi H2 dari gas alam dan menyuntikkan CO2 yang dihasilkan ke dalam reservoir gas alam.

Makalah ini bertujuan untuk menjawab empat pertanyaan penelitian utama, termasuk:

waduk?

2. Berapa perbandingan biaya, emisi CO2, dan energi yang terkandung dalam gas alam, gas alam cair (LNG), H2 biru, dan H2 abu-abu berdasarkan penelitian terbaru dalam literatur?

Kami menyaring sumber-sumber yang diperoleh melalui pencarian kami dengan memeriksa judul, kata kunci, dan abstrak secara cermat untuk mengecualikan sumber-sumber yang tidak relevan dengan makalah ulasan kami. Kami kemudian membaca dan merangkum sumber-sumber yang dapat diterima, dengan fokus pada hasil, pembahasan, dan kesimpulan.

(4)

Gambar 3. Diagram fasa hidrogen. Berdasarkan [31,53].

Tabel

3 Perbandingan antara berbagai jenis (yaitu warna) H2.

Tabel

2 Sifat fisikokimia H2.

Berbagai metode penyimpanan hidrogen dijelaskan kemudian pada Subbagian 3.1.

. Selanjutnya, penyimpanan hidrogen melibatkan pengurangan sejumlah besar gas hidrogen untuk mencapai kepadatan hidrogen yang relatif tinggi dan karenanya memiliki kapasitas penyimpanan yang tinggi.

Untuk mencapai hal tersebut, ada tiga pendekatan yang dilakukan: (1) menerapkan usaha untuk mengompresi gas; (2) menurunkan suhu gas di bawah titik kritis; atau (3) mengurangi gaya tolak-menolak molekul melalui interaksi hidrogen dengan bahan lain. Patut dicatat bahwa agar metode penyimpanan menjadi efisien, penyerapan dan pelepasan hidrogen harus bersifat reversibel.

Oleh karena itu, senyawa kovalen hidrogen-karbon biasanya tidak dimasukkan dalam bahan pembuatan 2.2. Definisi hidrogen biru [32]. Tabel 2 memberikan sifat fisikokimia utama hidrogen [33-35]. Karena sifat

fisiknya (yaitu, ukuran molekul kecil, viskositas rendah, berat molekul rendah, dan difusivitas tinggi), H2 sangat rentan terhadap kebocoran dari fasilitas transportasi dan penyimpanan [36,37], sehingga menimbulkan risiko lingkungan dan keselamatan.

penyerapan di reservoir gas alam (Bagian 7), dan jalur pemanfaatan CO2 (Bagian 8). Terakhir, kesimpulannya dinyatakan dalam Bagian 9.

2. Hidrogen biru

Selama beberapa dekade, hidrogen telah digunakan sebagai bahan bakar dan sebagai bahan industri dalam banyak aplikasi dan proses, seperti desulfurisasi bahan bakar [38,39], produksi pupuk amonia [40,41], sintesis metanol [42,43], perlakuan panas pada baja [44], pengelasan [45], produksi kaca [46], industri semikonduktor [47], pengangkatan daya apung [48], produksi polimer [49], deteksi kebocoran [50], dan aplikasi kriogenik [51 ]. Penggunaan hidrogen yang meluas ini menunjukkan bahwa hidrogen akan terus diproduksi untuk memenuhi berbagai pasar industri, setidaknya selama beberapa dekade mendatang [52]. Oleh karena itu, pengembangan teknologi untuk mendekarbonisasi produksi hidrogen menjadi sangat penting.

Karena hidrogen tidak tersedia dalam jumlah yang cukup untuk aplikasi energi, dalam bentuk H2, hidrogen biasanya diklasifikasikan sebagai pembawa energi daripada sumber energi [54,55]. Umumnya, sumber energi (yaitu bentuk energi primer) ada di lingkungan alam sebagai dua sumber. Sumber pertama jumlahnya terbatas, seperti uranium, gambut, bahan bakar fosil konvensional (misalnya batu bara dan gas alam), dan bahan bakar fosil non-konvensional (misalnya minyak mentah dari pasir minyak). Sumber kedua bersifat terbarukan (atau relatif terbarukan), dan mencakup angin, bahan bakar biomassa, energi matahari, panas bumi, air terjun, pasang surut, dan lain-lain, mengingat tingkat penggunaannya berada di bawah tingkat pertumbuhan. Seringkali, sumber daya energi ini perlu diolah sebelum digunakan dalam bentuk mentahnya. Di sisi lain, pembawa energi (atau mata uang energi) adalah bentuk energi yang diangkut dan digunakan. Ini termasuk, misalnya, H2, bensin, panas, dan listrik, yang biasanya tidak ada di lingkungan dalam bentuk olahannya [56–58].

Ada beberapa metode yang digunakan untuk penyimpanan hidrogen.

Penerapan metode ini sangat ditentukan oleh keadaan fisik hidrogen pada kondisi tekanan dan suhu tertentu, yang dapat ditentukan dari diagram fase hidrogen (Gbr. 3). Pada suhu rendah, hidrogen berada dalam bentuk H2 padat, dengan massa jenis 70,6 kg/m3 pada 11,15 K (ÿ 262 ÿC). Pada suhu yang lebih tinggi, hidrogen berbentuk gas H2 yang mempunyai massa jenis rendah, misalnya sebesar 0,08989 kg/m3 pada 273,15 K (0 ÿC) dan 1 bar. Diagram fasa hidrogen juga menunjukkan daerah H2 cair yang ditentukan oleh garis padat, titik tripel (21,2 K), dan titik kritis (32 K) [31].

2.1. Sekilas tentang unsur kimia hidrogen

Blue H2 didefinisikan sebagai jenis H2 yang dihasilkan dari bahan bakar fosil (biasanya dari gas alam). Namun, dalam kasus ini, emisi CO2 yang dihasilkan ditangkap dan disimpan dalam formasi bawah permukaan (misalnya reservoir gas alam) menggunakan teknik CCS, yang bertujuan untuk menghilangkan emisi gas rumah kaca (GRK) secara maksimal [59,60]. Tabel 3 membandingkan warna utama H2 , termasuk H2 biru.

penyimpanan hidrogen. Hal ini karena pelepasan hidrogen dari senyawa ini memerlukan pemanasan di atas 800 ÿC atau oksidasi karbon [31].

Pada tekanan atmosfer dan suhu lingkungan, 1 kg hidrogen menempati volume 11 m3

Di bumi, kurang dari 1% hidrogen berada dalam bentuk molekul diatomik stabil (H2) [31], yang merupakan bentuk hidrogen pilihan yang dapat berfungsi sebagai bahan bakar dan pembawa energi. Kebanyakan hidrogen ditemukan terikat secara kimia dalam air dan senyawa organik (misalnya hidrokarbon)

O. Massarweh dkk.

Referensi

Karbon netral

W/mK 0,089 kg/m3 2,016 g/mol 0,89 × 10-5 Pa.s 6,1 × 10-5 m2 /s -252,95 ÿC

-239,95 ÿC

3 182,0 × 10ÿ 5,13 × 10-9 m2 /dtk

Bahan bakar fosil (batubara)

[63]

CO2 dilepaskan ke lingkungan Abu-abu H2

emisi CO2 ) Jenis

Elektrolisis air berdasarkan energi nuklir

4% (berdasarkan volume di udara) 75% (berdasarkan volume di udara) 2044,85 ÿC

[65]

Emisi CO2 nol atau minimal Properti

Bahan bakar fosil (kebanyakan dari gas alam)

Elektrolisis air menggunakan listrik yang dihasilkan dari energi terbarukan Bahan bakar fosil (kebanyakan dari gas alam)

Produksi karbon padat

0,64 mm

emisi CO2

Emisi CO2 nol atau minimal 13,0 bilah

[61]

Massa jenis pada 25 ÿC dan 1,01325 bar Berat molekul

Viskositas pada 25 ÿC dan 1,01325 bar Koefisien difusi di udara Titik didih Tekanan

kritis Suhu kritis Nilai kalor lebih rendah Suhu penyalaan otomatis Batas mudah terbakar yang lebih rendah Batas mudah terbakar yang lebih tinggi Suhu api adiabatik di udara Energi penyalaan bunga api minimum Difusi

dalam air murni pada 25 ÿC dan 1,01325 bar Penelitian angka oktan Konduktivitas

termal Jarak pendinginan

Pirus 120 MJ/kg

585 ÿC

0,02mJ

Sumber/proses utama

Teknik CCS diterapkan (minimal

[62]

> 130

Ungu H2 Biru H2

[64]

[66,67]

Coklat H2

CO2 dilepaskan ke lingkungan

[68]

Hijau H2

Emas H2 Nilai

Diproduksi secara biologis dari sisa hidrokarbon dengan menggunakan mikroba di bawah permukaan (yaitu, reservoir minyak yang habis) Bahan bakar fosil (kebanyakan

dari gas alam)

H2

(5)

O. Massarweh dkk.

Selain itu, H2 biru perlu bersaing dengan teknologi maju lainnya seperti tenaga surya, penyimpanan baterai, dan penyimpanan energi panas.

2.3.1. Proses reformasi metana uap Proses

reformasi metana uap (SMR) (ditunjukkan pada Gambar 4) adalah metode produksi H2 yang paling banyak digunakan [69]. Secara global, diperkirakan 75% dari seluruh pasokan H2 berasal dari teknologi SMR [70,71]. Awalnya, gas alam (yaitu metana) didesulfurisasi untuk menghilangkan sejumlah kecil sulfur yang dapat meracuni katalis yang digunakan dalam proses SMR [72].

CO + H2OÿCO2 + H2, ÿHÿ = ÿ 41,1kJ/mol

2.3. Proses produksi hidrogen biru (ASU) diperlukan untuk menyediakan pasokan oksigen murni untuk proses ATR [79], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Awalnya, dengan adanya katalis nikel, uap, gas alam, dan oksigen (diperoleh dari ASU) bereaksi dalam reaktor ATR adiabatik untuk membentuk syngas, yang mengandung uap, H2, CO, CO2, dan beberapa gas sisa. Panas yang dihasilkan akibat oksidasi parsial secara bersamaan digunakan untuk reaksi reformasi endotermik tanpa memerlukan bahan bakar tambahan. Setelah itu, syngas yang dihasilkan didinginkan dan diumpankan ke unit WGS, dimana steam bereaksi dengan CO melalui katalis Fe dan Cr menghasilkan H2 dan CO2. Kemudian, CO2 dipisahkan dari gas kaya H2 menggunakan unit pemurnian syngas berbasis amina. Selain itu, gas kaya H2 selanjutnya dimurnikan dari CO, Ar, dan pengotor lainnya yang belum terkonversi, menggunakan unit PSA, hingga 99,9% H2 [78,79].

Penting untuk dicatat bahwa proses ATR juga diterapkan ketika rasio H2:CO tertentu diperlukan oleh industri tertentu [80].

Tantangan utama lainnya untuk produksi H2 biru adalah ketergantungannya pada proses multi-langkah yang intensif energi seperti SMR dan ATR [83,84].

Produksi H2 Biru ditantang oleh persaingan dari H2 hijau.

Saat ini, H2 biru dipandang sebagai solusi rendah karbon dan berjangka pendek selama masa transisi H2 . Namun, H2 yang ramah lingkungan dianggap sebagai prospek yang lebih baik untuk masa depan energi berkelanjutan tanpa karbon [81,82].

Dengan demikian, pasar H2 biru diperkirakan akan menyusut karena persaingan ramah lingkungan.

Setelah itu, pada ~197–247 ÿC dan 347–547 ÿC, CO mengalami proses reformasi lain untuk mengubahnya menjadi CO2 menggunakan reaktor water-gas shift (WGS), sehingga menghasilkan tambahan produksi H2 , seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut [76,77]:

Akhirnya, pengotor dan CO2 yang dihasilkan ditangkap dari sisa gas dengan metode yang berbeda (misalnya, proses PSA), tergantung pada jumlah CO2, untuk meningkatkan kualitas H2 yang dihasilkan [76].

(1) Kemudian, metana yang telah didesulfurisasi dimasukkan ke dalam unit SMR dengan adanya katalis berbasis nikel pada tekanan 35 bar dan pada suhu tinggi (697–827 ÿC ).

Selain itu, diperlukan pemanasan pada boiler SMR untuk menghasilkan uap yang dibutuhkan dalam proses tersebut. Panas ini dihasilkan oleh pembakaran gas yang dihasilkan dari unit pressure swing adsorpsi (PSA).

2.3.2. Reformasi metana secara autotermal

Proses reformasi autotermal (ATR) bertujuan untuk menghasilkan H2 sekaligus menghemat sejumlah besar energi untuk reaksi dibandingkan dengan reaksi endotermik SMR. Namun, unit pemisahan udara

Pada tahap ini, CH4 bereaksi dengan uap, menghasilkan produksi CO dan H2 [73,74], seperti ditunjukkan dalam persamaan berikut [75,76]:

CH4 + H2OÿCO + 3H2, ÿHÿ

Beberapa tahapan dalam SMR dan ATR memerlukan pasokan panas/energi yang biasanya disediakan oleh pembakaran bahan bakar eksternal. Panas/energi ini diperlukan untuk langkah-langkah seperti pembentukan uap, pemisahan udara, pra- reformasi, pra-pemanasan, oksidasi, pembentukan uap, reaksi autotermal, pemurnian syngas, adsorpsi ayunan tekanan, dll. [76,78,85] . Untuk mengatasi tantangan ini, penting untuk mengoptimalkan dan meningkatkan setiap langkah dalam proses produksi H2 berbasis metana . Misalnya, Qiu dkk. [86] menyarankan penggunaan panas matahari terkonsentrasi untuk menggerakkan endotermik

Meskipun ada beberapa proses yang digunakan untuk menghasilkan H2, secara umum produksi H2 biru melibatkan dua proses utama, seperti yang dibahas di bawah ini.

(2)

2.4. Tantangan terkait hidrogen biru

= + 241kJ/mol 298K

298K

Gambar 4. Proses SMR konvensional untuk produksi H2 dengan penangkapan karbon. Berdasarkan [76,78].

(6)

Gambar 6. SMR-CL bertenaga surya untuk produksi H2 . Dimodifikasi dari Qiu dkk. [86].

Gambar 5. Proses ATR untuk produksi H2 dengan penangkapan karbon. Berdasarkan [78,79].

O. Massarweh dkk.

Tantangan lain untuk produksi H2 biru adalah memerlukan teknologi CCS, sehingga menambah biaya pada proses produksi. Biaya-biaya ini terkait dengan penggunaan kompresor booster, fasilitas transportasi, fasilitas injeksi lepas pantai/darat (misalnya sumur injeksi), peralatan pemantauan di lokasi penyimpanan, dll., yang semuanya memerlukan modal, pengoperasian,

Untuk mengurangi emisi gas rumah kaca global, banyak negara telah mengambil langkah serius untuk melakukan transisi menuju sumber energi ramah lingkungan. Blue H2, sebagai sumber energi bersih, memiliki masa depan yang menjanjikan dalam 30 tahun ke depan untuk mengurangi masalah perubahan iklim saat ini dan karenanya berkontribusi terhadap energi berkelanjutan. Hal ini telah mendorong para peneliti dan kebijakan dan biaya pemeliharaan [87,88]. Tantangan ini diperburuk oleh kurangnya studi yang memperkirakan biaya CCS karena banyaknya faktor yang mempengaruhi proses tersebut, seperti teknologi penangkapan, harga bahan bakar, jenis bahan bakar, konsentrasi CO2 dalam gas buang, metode transportasi dan jarak , dll.

reaksi reformasi metana dalam proses yang disebut SMR bertenaga surya dengan perulangan CO2 (SMR-CL), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Menurut Qiu dkk.

[86], sistem SMR-CL dapat mengurangi emisi CO2 sebesar 34,98% dibandingkan dengan SMR konvensional. Selain itu, sistem ini dapat menghemat bahan bakar yang dikonsumsi untuk pembakaran, mencapai efisiensi energi sebesar 67,13%, yang relatif tinggi jika dibandingkan dengan sistem lain yang digunakan untuk menghasilkan H2,

seperti sistem fotovoltaik surya, fotoelektrolisis, dan sistem reformasi metanol. 3. Hidrogen biru vs. gas alam

(7)

Teknologi gas-to-product melibatkan beberapa mode, yaitu: (1) gas to wire; (2) gas menjadi cair; (3) gas menjadi padat. Menurut Rajnauth dkk. [89], dalam mode gas-ke-kabel, gas alam diubah menjadi listrik di sumber hulu dan diangkut melalui kabel ke pasar. Teknik ini memakan biaya yang besar karena transmisi DC dan memerlukan cadangan gas sebesar 0,283 bcm hingga 28,316 bcm untuk transportasi.

Dalam mode gas-ke-cair, gas alam diubah menjadi hidrokarbon cair, seperti metanol atau minyak mentah sintetis, yang kemudian diangkut. Meskipun teknik ini berguna untuk transportasi jarak jauh, efisiensinya tidak setinggi LNG.

3. Penyimpanan H2 terkompresi krio : H2 dalam proses ini disimpan pada suhu kriogenik rendah dalam bejana yang mampu menahan tekanan berkisar antara 253,3 dan 354,6 bar. Keuntungan dari proses ini adalah peningkatan kepadatan energi H2 , yang pada gilirannya menyebabkan kapasitas penyimpanan lebih besar. Selain itu, proses ini merupakan cara yang aman untuk penyimpanan H2 karena desain dua lapis dan penutup vakum luar yang melindunginya dari intervensi mekanis dan kimia. Namun kelemahan dari teknik ini adalah tidak tersedianya tangki kompresi cryo di pasaran. Selain itu, waktu dormansinya lebih singkat (7 hari), dibandingkan dengan H2 cair yang 7 kali lebih lama [93].

1. H2 terkompresi : H2 disimpan dalam silinder baja gas bertekanan tinggi dengan tekanan operasi 200 bar. Untuk memaksimalkan kapasitas penyimpanan, silinder ringan berdesain baru telah dibangun. Silinder ini dapat menahan tekanan operasi yang jauh lebih tinggi (800 bar), yang bertujuan untuk lebih meningkatkan kepadatan volumetrik H2 hingga setengah nilainya dalam keadaan cair. Meskipun teknik ini tersedia secara komersial, hal ini dapat menyebabkan beberapa masalah keamanan karena diperlukan tekanan tinggi untuk mencapai kepadatan volumetrik yang tinggi [31,93].

Selain pembangkitan dan penyimpanan H2 , transportasi H2 sangat penting dalam penerapan bahan bakar H2 di beberapa aplikasi industri. Metode transportasi yang paling banyak digunakan adalah sebagai berikut:

pembuat untuk mengevaluasi lebih lanjut kelayakan produksi H2 biru dari berbagai aspek, namun masih diperlukan analisis rinci. Pada bagian ini, penilaian perbandingan H2 biru versus gas alam disajikan berdasarkan informasi terkini dalam literatur.

Perbandingan ini dilakukan dengan memfokuskan pada empat aspek utama: (1) transportasi dan penyimpanan; (2) lingkungan hidup; (3) ekonomi; dan (4) efisiensi energi.

4. Bentuk penyimpanan padat: hidrogen dapat disimpan dalam padatan dan diserap secara reversibel oleh senyawa padat pada kondisi suhu dan tekanan tertentu. Ia juga dapat diproduksi secara ireversibel dengan menghidrolisis beberapa senyawa, seperti borohidrida logam alkali. Proses penyerapan hidrogen pertama- tama melibatkan pemisahannya pada permukaan padat, dan kemudian atom- atomnya berdifusi ke dalam benda padat menciptakan apa yang dikenal sebagai hidrida [94]. Menyimpan hidrogen dalam bentuk logam hidrida relatif mahal.

Dalam penelitian yang dilaporkan oleh Amos [95], biaya modal dari bentuk penyimpanan hidrogen ini sangat bervariasi dari $820/kg hingga $22.000/kg H2, yang sebagian besar disebabkan oleh biaya bahan atau paduan yang digunakan dalam penyimpanan. Dalam skenario tertentu, seperti unit hidrida yang sangat kecil, biaya modal dapat meningkat ke tingkat yang besar, mencapai $60.000/kg H2.

1. Wadah gas bertekanan: H2 dalam jumlah sedang dapat diangkut dengan truk yang berisi wadah atau tabung gas bertekanan dengan tekanan umum 200–700 bar. Untuk jumlah H2 yang besar , wadah dan tabung gas ini dipasang pada trailer tabung gas H2 terkompresi yang dikunci di dalam rangka pelindung. Jumlah maksimum H2 yang akan diangkut tergantung pada berat silinder atau tabung terkompresi tersebut. Oleh karena itu, untuk transportasi

Namun, hal ini dapat diatasi dengan menggunakan limbah panas yang dihasilkan dari pembangkit listrik untuk memisahkan hidrat [89,92].

2. Bentuk penyimpanan cair: teknik alternatif dan aman untuk meningkatkan kepadatan energi H2 adalah melalui pencairan. Keuntungan dari teknik ini adalah kepadatan H2 yang dibutuhkan dapat dicapai pada tekanan atmosfer. Dalam teknik ini dibutuhkan beberapa komponen antara lain kompresor, heat exchanger, dan valve. Proses pencairan dimulai dengan mengompresi gas, kemudian mendinginkannya di penukar panas, dan terakhir mengalirkannya melalui katup yang mengalami pemuaian entalpik Joule-Thomson untuk menghasilkan H2 cair.

Tabel 4 memberikan rincian lebih lanjut tentang metode utama penyimpanan H2 , Selain itu, proses pencairan melibatkan pendinginan H2 pada suhu kriogenik serendah ÿ253 ÿC menggunakan beberapa gas seperti helium dan neon.

Meskipun proses pencairan terbukti efektif dalam mencapai kepadatan energi H2 yang lebih tinggi dibandingkan gas H2 yang dikompresi, terdapat beberapa kelemahan yang signifikan, seperti penguapan dan kebocoran H2 [93].

yang meliputi massa jenis gravimetri (ÿm) dan volumetrik (ÿv) . 3.1. Transportasi dan penyimpanan

Dalam mode gas-ke-padat, gas alam diubah menjadi hidrat gas alam di bawah tekanan tinggi dan suhu rendah dengan mencampurkan gas alam dengan air [89].

Gas hidrat sering ditemukan dalam jumlah besar di lingkungan yang menantang, seperti dasar laut dalam dan daerah permafrost. Ekstraksi gas hidrat dari lingkungan ini dalam jumlah komersial menimbulkan masalah karena beberapa faktor. Dalam banyak kasus, gas hidrat terkandung dalam sedimen dengan permeabilitas rendah (misalnya batu lempung), yang mengakibatkan rendahnya akumulasi gas dan rendahnya laju produksi gas. Selain itu, faktor pengayaan gas menurun seiring dengan kedalaman.

Teknologi transportasi dan penyimpanan yang efisien dan andal sangat penting bagi pasar produksi yang sukses dan aman. Subbagian ini membahas teknik yang digunakan untuk mengangkut dan menyimpan gas alam dan H2, yang umumnya umum terjadi di antara kedua fluida tersebut.

Oleh karena itu, dengan bertambahnya kedalaman, jumlah gas yang terkandung dalam gas hidrat dengan volume yang sama berkurang [91]. Namun demikian, tantangan ini tidak berlaku untuk gas hidrat yang diproduksi di lingkungan terkendali, seperti fasilitas produksi. Dalam hal ini, gas hidrat yang diproduksi secara artifisial dapat diangkut ke pasar menggunakan kapal pengangkut khusus seperti kapal LPG dan tongkang derek. Dibandingkan dengan biaya jaringan pipa atau LNG, para peneliti menemukan bahwa biaya gas hidrat jauh lebih murah (misalnya ~25% lebih murah dibandingkan biaya LNG), yang menjadikan teknik ini kompetitif dibandingkan metode transportasi lainnya. Satu-satunya kekhawatiran dengan metode ini adalah disosiasi gas alam yang memerlukan panas.

3.1.1. Transportasi dan penyimpanan permukaan

Gas bumi dapat diangkut (dan/atau disimpan) melalui beberapa teknologi, yang meliputi: (1) Jalur Pipa; (2) LNG; (3) gas alam terkompresi (CNG); dan (4) gas menjadi produk. Saluran pipa dikenal sebagai cara paling nyaman untuk mengangkut gas alam. Sistem dalam teknologi ini terdiri dari jaringan pipa kompleks yang dirancang untuk mengangkut gas dari asalnya ke berbagai lokasi. Diameter pipa ini berkisar antara 0,152 hingga 1,422 m dan dapat beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi dari 49,3 bar. Menurut Rajnauth dkk. [89], transportasi pipa lebih cocok untuk jarak pendek yang kurang dari 3000 km [89]. Teknologi LNG melibatkan konversi gas alam menjadi bentuk cair pada suhu rendah (ÿ 160 ÿC). Pada teknologi LNG, volume gas diperkecil menjadi 1/600 volumenya pada kondisi standar sehingga memudahkan pengangkutan dalam jarak yang jauh (> 4023,3 km) [90]. Teknologi CNG berguna untuk cadangan gas lepas pantai yang tidak dapat diproduksi karena tidak tersedianya jaringan pipa atau mahalnya LNG. Proses CNG melibatkan kompresi gas alam ke tekanan tinggi (lebih tinggi dari 137,9 bar) dan suhu rendah [89]. Ekonomides dkk.

[90] melakukan evaluasi teknis dan ekonomi CNG dan LNG.

Pindah ke H2, ada beberapa teknik yang digunakan untuk penyimpanan H2 :

Hasilnya menunjukkan bahwa untuk jarak pendek hingga 4023,3 km, biaya pengangkutan gas alam sebagai CNG tergolong rendah, yaitu $0,93–2,23 per MMBTU dibandingkan dengan $1,5–2,5 per MMTBU LNG. Namun, LNG lebih murah untuk jarak lebih dari 4023,3 km.

O. Massarweh dkk.

(8)

Gua garam terbentuk dengan menyuntikkan air tawar ke dalam endapan mineral (misalnya, nahcolite/trona, magnesium klorida, kalium, borat, dan natrium sulfat) dalam proses yang disebut sebagai penambangan larutan. Gua-gua ini dapat digunakan untuk menyimpan bahan kimia, H2, dan hidrokarbon (misalnya gas alam) [98,99]. Tergantung pada kedalamannya, gua garam bisa

4. Pencampuran dengan gas alam: salah satu teknik terbaru dalam pengangkutan H2 adalah dengan mencampurkannya dengan gas alam melalui pipa. Teknik ini mencakup beberapa proses pemisahan dan pemurnian untuk memisahkan H2 dari campuran gas alam H2. Selain itu, ditemukan bahwa pencampuran

3. Jalur Pipa: H2 dapat diangkut melalui pipa yang terhubung ke kompresor, stasiun kota, dan fasilitas penyimpanan. Perlu dicatat bahwa peran stasiun kompresor adalah menggunakan sistem transmisi untuk menyediakan energi yang dibutuhkan untuk memastikan aliran gas yang berkelanjutan sesuai dengan kebutuhan tekanan dan suhu. Transportasi pipa memiliki banyak keuntungan, seperti hemat biaya untuk pembangkit listrik besar, ramah lingkungan, dan memiliki umur pipa yang cukup lama hingga beberapa dekade. Namun, terdapat beberapa kelemahan dari teknik ini, seperti kemungkinan kebocoran gas dan kebutuhan untuk mengompresi H2 hingga tekanan tinggi untuk meningkatkan kecepatan pengirimannya [93].

Biaya metode transportasi H2 sangat dipengaruhi oleh jarak antara titik produksi dan pengiriman. Seperti ditunjukkan pada Gambar 7, untuk jarak di bawah 3000 km, transportasi pipa gas H2 terkompresi tampaknya merupakan metode yang paling murah, sedangkan untuk jarak yang berkisar antara 3000 km hingga 16.000 km, transportasi H2 cair menunjukkan biaya yang paling rendah. Untuk jarak lebih dari 16.000 km, pengangkutan hidrogen dalam bentuk LOHC (pembawa hidrogen organik cair) dan amonia (NH3) tampaknya merupakan yang termurah.

jumlah H2 yang lebih besar, bahan tangki yang lebih ringan perlu diproduksi [93].

3.1.2. Penyimpanan di bawah

permukaan Baik gas alam maupun H2 dapat disimpan di bawah tanah yang serupa untuk mati, yang terutama mencakup gua garam, tambang, akuifer alami, dan reservoir gas dan minyak yang sudah habis, seperti ditunjukkan pada Gambar 8.

gas alam dengan H2 mengurangi gesekan pipa yang menyebabkan peningkatan laju aliran [93].

2. Kapal tanker cairan kriogenik: H2 dalam bentuk cair dapat diangkut dengan truk.

Berbeda dengan wadah gas bertekanan, jumlah H2 yang lebih banyak dapat dimuat ke dalam truk cair karena kepadatan H2 dalam bentuk cair lebih tinggi dibandingkan dalam bentuk gas [93].

ÿv (kg H2/

m3 )

Gambar 7. Pengaruh jarak transportasi antara satu titik produksi dan pengiriman terhadap biaya pengiriman hidrogen, dengan mempertimbangkan skenario 1 Mt H2 per tahun dan biaya listrik yang rendah.

Sumber [97].

Tabel 4

Metode penyimpanan hidrogen utama [96].

O. Massarweh dkk.

Cairan H2 (tangki kriogenik)

- Kehilangan terus menerus beberapa persen per hari pada suhu kamar (25 ÿC)

T (ÿC)

Hingga 800

- Tidak dapat dibalik secara langsung

- Desorpsi pada suhu tinggi dan adsorpsi pada suhu tinggi 1

1 ÿm (%)

Ruang

1

-80

- Benar-benar reversibel dalam hidrida logam pada suhu kamar Suhu

ruangan > 100 Bervariasi (tergantung

ukuran)

Silinder gas bertekanan tinggi Metode penyimpanan

< 18

Logam dan kompleks bersama dengan H2O

- Silinder komposit ringan digunakan (kekuatan tarik material = 2000 MPa)

ÿ 2

Perkataan

- Oksidasi kimia logam dengan H2O dan pelepasan hidrogen Ruang

suhu

- Senyawa kompleks ([BH4] - atau [AlH4]- ) P (batang)

Adsorpsi molekul hidrogen

- Gas H2 terkompresi

Adsorpsi atom hidrogen pada situs interstisial dalam logam inang

150

> 150

-252

< 40

- Benar-benar reversibel - Cairan H2

Senyawa kompleks

suhu

1

< 40

70.8

13

100

tekanan

- Fisisorpsi H2 pada bahan yang mempunyai luas permukaan spesifik sangat besar seperti karbon

20

150

(9)

masing-masing [100,109].

, Diresmikan pada tahun 1972, tiga gua garam di lokasi Teesside di Inggris telah berhasil digunakan untuk menyimpan H2 pada kedalaman ~ 350 m.

Setiap gua menyediakan volume penyimpanan ~ 7 × 104 m3 [108, 109]. Lokasi lain yang pernah digunakan untuk menyimpan H2 antara lain Clemens Dome (sejak 1983) dan Moss Bluff (sejak 2007), keduanya berada di Amerika Serikat.

Gua garam terletak di Clemens Dome dan Moss Bluff

disediakan kapasitas penyimpanan H2 ~ 5,80 × 105 m3 dan 5,66 × 105 m3 menahan tekanan hingga 250 bar dengan volume penyimpanan melebihi 1×106 m3 [100]. Gua garam dianggap sebagai tempat ideal untuk penyimpanan cairan bawah permukaan karena tiga alasan utama. Pertama, formasi ini terbentuk dari garam, yang memiliki struktur kristal, sehingga menghasilkan permeabilitas matriks yang sangat rendah [101,102]. Kedua, gua garam memiliki karakteristik reologi yang menguntungkan yang melibatkan penutupan retakan secara mandiri [103,104].

Ketiga, formasi garam menunjukkan perilaku visko-plastik, mendistribusikan kembali puncak tegangan di sekitar gua [105–107].

Ada banyak kasus keberhasilan penyimpanan H2 di gua garam.

O. Massarweh dkk.

Gambar 9. Struktur penyimpanan akuifer H2 : (a) sebelum injeksi H2 dan (b) setelah injeksi H2 selesai.

Dimodifikasi dari [120].

Gambar 8. Formasi penyimpanan bawah permukaan utama untuk gas alam dan H2: (a) gua garam, (b) tambang, (c) akuifer, dan (d) ladang gas dan minyak yang sudah habis.

(10)

Meskipun memiliki keuntungan dalam meningkatkan jumlah WG yang diperoleh kembali dari formasi bawah permukaan, penerapan CG dapat menghadapi tantangan karena dua masalah utama. Pertama, peningkatan tekanan reservoir akibat penyuntikan CG dengan kompresibilitas yang relatif rendah dapat menyebabkan kerusakan formasi.

dapat mengatasi masalah ini karena perubahan signifikan dalam kepadatannya di dekat kondisi kritis [126,127]. Kedua, pencampuran antara CG dan WG dapat terjadi. Oleh karena itu, disarankan untuk menerapkan penyimpanan gas berbantuan CG pada formasi dengan ketebalan dan sudut kemiringan yang besar [126]. Lebih jauh lagi, beberapa penelitian menunjukkan bahwa ketika CO2 digunakan sebagai CG dalam keadaan superkritis, pencampurannya dengan CH4 sebagai WG dapat dikontrol karena variasi yang signifikan dalam sifat fisiknya [128–131].

Akuifer, yang merupakan formasi bawah permukaan yang mengandung air tawar atau air asin di pori-porinya [110,111], merupakan pilihan yang cocok untuk penyimpanan H2 di bawah permukaan [36,112] dan gas alam [109,113]. Banyak akuifer alami yang dicirikan oleh ukuran, struktur, porositas, dan permeabilitas yang sesuai, memungkinkan penyimpanan dan pemulihan gas yang layak [114,115].

Namun, agar akuifer dapat digunakan sebagai penyimpanan gas di bawah permukaan, akuifer tersebut harus memiliki batuan penutup yang kedap air untuk mencegah migrasi gas secara vertikal, yang mungkin diakibatkan oleh efek daya apung [116,117] . Selain itu, akuifer harus dibatasi oleh struktur antiklin yang menghalangi migrasi gas secara horizontal, yang membantu membentuk gumpalan gas yang signifikan di sekitar sumur (yaitu, di bagian atas akuifer) [118,119], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 .

Namun, penggunaan cairan superkritis (misalnya CO2 superkritis) sebagai CG

Namun, ketika WG yang akan disimpan dalam reservoir minyak yang habis adalah H2, penyelidikan ekstensif harus dilakukan sebelum injeksi H2 karena banyak reaksi kimia (atau biokimia) dapat terjadi di reservoir, yang dapat menyebabkan konversi H2 menjadi ireversibel. bentuk lainnya. Contoh reaksi ini termasuk metanogenesis, pengasaman biologis, asetogenesis, dan pelarutan kalsit abiotik [136-140]. Gambar 11 menyajikan reaksi utama yang terjadi di reservoir hidrokarbon karbonat yang digunakan untuk penyimpanan H2 .

Oni dkk. [78] melakukan analisis tekno-ekonomi dan emisi GRK secara lengkap menggunakan kerangka penilaian siklus hidup (LCA) dari tiga teknologi produksi H2 biru : (1) SMR + CCS; (2) ATR + CCS; dan (3) dekomposisi gas alam (NGD) + CCS.

Hasilnya menunjukkan bahwa ATR + CCS menghasilkan emisi GRK terendah, diikuti oleh NGD + CCS dan kemudian SMR + CCS [78].

Gambar 12 membandingkan aspek teknis dan ekonomi penyimpanan H2 bawah tanah (UHS) dalam formasi geologi yang berbeda. Berdasarkan perbandingan, gua garam menyajikan kinerja UHS terbaik, memberikan tingkat produksi tertinggi dan memperhitungkan kerugian minimal yang terjadi akibat kebocoran dan konversi kimia H2. Selain itu, gua garam mempunyai risiko seismik yang paling rendah. Namun demikian, reservoir gas yang habis memberikan kapasitas penyimpanan yang lebih besar karena satu reservoir dapat setara dengan beberapa gua garam. Selain itu, terdapat banyak pengetahuan dan pengalaman lapangan mengenai produksi dari reservoir gas, yang memfasilitasi konversi reservoir gas yang sudah habis dari reservoir produksi menjadi reservoir penyimpanan, dengan memanfaatkan infrastruktur lokasi yang ada.

Meskipun sebagian besar peneliti menyoroti manfaat teknologi H2 biru dalam mengurangi emisi GRK secara keseluruhan, sejumlah peneliti menyatakan bahwa emisi GRK H2 biru lebih tinggi dibandingkan emisi gas alam. Misalnya, Howarth dan Jacobson [70] melaporkan

Angka ini menunjukkan ketergantungan terhadap bahan bakar fosil dan dapat menimbulkan beberapa masalah lingkungan dalam jangka panjang. Gagak dkk. [145]

membangun model deterministik emisi GRK dari ladang gas AS seiring berjalannya waktu. Diperkirakan dengan adanya kegiatan pengeboran di masa depan, emisi GRK akan menunjukkan tren peningkatan seiring berjalannya waktu. Selain itu, untuk ladang gas yang berumur panjang, diperkirakan 40–50% emisi GRK dihasilkan selama sepertiga terakhir siklus produksi [145].

Dibandingkan dengan akuifer, reservoir gas yang sudah habis lebih cocok untuk penyimpanan gas, terutama jika WGnya adalah gas alam. Hal ini terutama karena sisa gas di reservoir dapat digunakan sebagai CG. Umumnya, di aqui fer, dibutuhkan sekitar 80% CG, sehingga hanya 20% WG yang dibutuhkan. Namun, dalam reservoir gas, hanya dibutuhkan 50-60% CG [109,132].

Berpindah ke reservoir minyak yang sudah habis, formasi ini sangat andal untuk penyimpanan gas karena kemampuannya yang telah terbukti dalam memerangkap

hidrokarbon dalam skala waktu geologis, yang menunjukkan integritas batuan penutupnya [133–135].

Karena tingginya ketergantungan dunia pada gas alam, industri telah mengupayakan beberapa cara untuk mengoptimalkan produksi gas alam agar dampaknya minimal terhadap lingkungan sambil mencari sumber energi lain. Salah satu caranya adalah dengan menghasilkan H2 biru sambil menangkap dan menyimpan CO2 [146]. Ada beberapa teknologi produksi H2 biru yang menghasilkan jumlah emisi gas rumah kaca yang berbeda-beda.

3.2. Lingkungan Ketika gas diinjeksikan ke dalam akuifer untuk tujuan penyimpanan, gas tersebut

bergerak ke atas, sedangkan cairan (yaitu air) yang ada di dalam akuifer berpindah ke bawah dan ke samping karena perbedaan densitas antara cairan. Hal ini, pada gilirannya, meningkatkan tekanan di akuifer karena penambahan gas tanpa penarikan air. Selanjutnya, antarmuka gas-cair bergerak dengan injeksi gas secara terus menerus.

Namun, ketika gas yang disimpan ditarik, antarmuka gas-cair berubah, yang dapat menyebabkan produksi air dengan gas secara simultan tidak menguntungkan [121, 122].

Untuk mengatasi masalah aliran air masuk, menjaga tekanan akuifer, dan meningkatkan volume gas kerja (misalnya H2 dan CH4), yang dapat dihasilkan dari akuifer

penyimpanan, konsep gas bantalan (CG) telah diperkenalkan. Beberapa gas dapat digunakan sebagai CG, termasuk CO2 dan N2. Biasanya, CG disuntikkan sebelum gas kerja (WG), yang mencegah air terbentuk selama tahap penarikan [118, 123–125].

Gambar 10 menunjukkan diagram skema penyimpanan WG bawah permukaan dengan CG.

Bahan bakar fosil merupakan sumber energi utama bagi sebagian besar negara, yang menyebabkan beberapa dampak negatif terhadap lingkungan, termasuk pemanasan global, penurunan kualitas udara, hujan asam, dan tumpahan minyak [142,143].

Menurut analisis yang dilakukan oleh Martins dkk. [144], banyak negara di Eropa yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil. Konsumsi energi bahan bakar fosil adalah 60%, setara dengan 24 dari 29 negara Eropa [144].

O. Massarweh dkk.

Dimodifikasi dari [126].

Gambar 10. Diagram skema penyimpanan WG bawah permukaan dengan CG.

(11)

O. Massarweh dkk.

Gambar 12. Karakteristik UHS pada formasi geologi yang berbeda. Berdasarkan [141].

Gambar 11. Kemungkinan reaksi yang terjadi pada reservoir hidrokarbon karbonat yang habis akibat injeksi H2 dengan adanya SRM (mikroorganisme pereduksi sulfat), MET (metanogen), dan ACE (asetogen).

Diadaptasi dari [139].

Menanggapi Romano dkk. [147], Howarth dan Jacobson [148] berargumentasi bahwa diskusi Romano et al. mengenai emisi CH4 memiliki kelemahan karena didasarkan pada sumber-sumber yang sudah ketinggalan zaman dan tidak ditinjau oleh rekan sejawat, termasuk kartun di halaman web industri minyak dan gas. . Howarth dan Jacobson [148] juga menyatakan bahwa analisis mereka sendiri, yang didasarkan pada data dari operasi dunia nyata, lebih dapat diandalkan dibandingkan perkiraan teoretis yang digunakan oleh Romano dkk. [147]. Howarth dan Jacobson [148] menyimpulkan Makalah yang dilaporkan oleh Howarth dan Jacobson [70] telah menimbulkan

banyak minat dan memicu diskusi di kalangan ilmuwan dan insinyur, yang meragukan keakuratan temuan makalah tersebut karena metode dan asumsinya. Misalnya, Romano dkk. [147] berpendapat bahwa metode dan asumsi yang digunakan oleh Howarth dan Jacobson terlalu disederhanakan [70]

melebih-lebihkan emisi CO2 dan konsumsi gas alam selama produksi hidrogen biru.

Romano dkk. [147] juga berpendapat bahwa asumsi tingkat kebocoran CH4 dalam makalah sebelumnya berada pada tingkat tertinggi dari perkiraan emisi produksi gas alam saat ini di AS dan oleh karena itu tidak dapat digunakan untuk mewakili seluruh rantai nilai gas alam dan hidrogen biru di seluruh dunia. Mereka juga menyatakan bahwa emisi CO2 yang terkait dengan produksi H2 biru harus didasarkan pada data dari pabrik H2 biru yang menggunakan teknologi terkini dan ditujukan untuk mengurangi emisi CO2, yang akan mencapai tingkat penangkapan CO2 yang jauh lebih tinggi.

makalah mereka bahwa jejak H2 biru 20% lebih tinggi dibandingkan pembakaran gas alam dan 60% lebih besar dibandingkan pembakaran minyak diesel. Hal ini terutama terjadi pada kasus-kasus di mana sejumlah emisi setara CO2 dari H2 biru dikeluarkan selama ekstraksi dan pemrosesan gas alam yang digunakan sebagai bahan baku dalam proses SMR, yang mungkin membatasi manfaat penggunaan H2 biru yang ditenagai oleh sumber daya alam. gas dibandingkan dengan menggunakan energi yang dihasilkan dari gas alam secara langsung. Namun demikian, Howarth dan Jacobson [70] menunjukkan bahwa emisi GRK yang terkait dengan produksi H2 biru dapat dikurangi dengan menggunakan energi terbarukan untuk mendorong proses SMR, seperti tenaga air, angin, dan surya.

(12)

3.3. Ekonomi

Terakhir, kelemahan utama H2 adalah kepadatan gasnya yang rendah yaitu 0,09 kg/

NAm3 , yang dapat menimbulkan dua masalah utama bila digunakan sebagai bahan bakar transportasi pada mesin pembakaran internal. Pertama, diperlukan volume yang besar untuk menggerakkan tenaga kendaraan. Kedua, kepadatan energi campuran H2 dan udara menyebabkan keluaran daya rendah [156].

Namun demikian, minat terhadap produksi H2 biru meningkat seiring dengan meningkatnya permintaan sumber daya H2 bersih di pasar Eropa dan Asia, menjadikannya peluang investasi yang besar. Permintaan tahunan global untuk H2 selama beberapa tahun terakhir telah meningkat dari 20 × 106 ton pada tahun 1975 menjadi 70 × 106 ton pada tahun 2018. Selain itu, kapasitas produksi H2 diperkirakan akan meningkat di tahun-tahun mendatang di mana pendanaan proyek produksi H2 saat ini akan meningkat. lebih dari

$70 miliar. Dalam studi mereka, Hjeij dkk. [150] melaporkan kerangka kerja yang dikembangkan untuk mengevaluasi daya saing negara pengekspor gas alam sebagai eksportir H2 berdasarkan beberapa indikator, termasuk potensi ekonomi.

4. Evaluasi komprehensif terhadap biaya, emisi CO2, dan energi yang terkandung dalam gas alam dan hidrogen

Berdasarkan hasil penelitian, Kanada, Australia, Amerika, Rusia, dan Norwegia menunjukkan daya saing yang tinggi. Namun daya saing Qatar sebagai eksportir H2 dibandingkan dengan negara pengekspor gas alam (NGECs) lainnya masih rendah (potensi ekonomi = 3). Hal ini disebabkan tingginya ketergantungan terhadap produksi dan ekspor gas alam itu sendiri, yang diperkirakan akan meningkat seiring berjalannya waktu. Selain itu, Qatar menunjukkan skor yang relatif lebih rendah dalam hal pengetahuan dan pengalaman industri dalam produksi dan ekspor H2 . Oleh karena itu, salah satu cara untuk menstabilkan pendapatan Qatar dan NGEC lainnya adalah dengan diversifikasi ekonomi melalui ekspor H2 .

bahwa hidrogen biru tidak dapat menjadi bagian dari masa depan energi dekarbonisasi karena tingginya emisi gas rumah kaca, terutama dari CH4.

Perekonomian Blue H2 merupakan prospek jangka menengah dan pendek bagi sebagian besar negara pengekspor gas alam. Hal ini karena produksi H2 biru dapat diterima dari sudut pandang lingkungan. Seperti disebutkan sebelumnya, terdapat beberapa teknik yang berbeda untuk produksi H2 biru , dan masing-masing teknik memerlukan biaya yang berbeda. Gaudernack dan Lynum [149] membandingkan dalam makalah mereka biaya produksi H2 biru melalui SMR yang diikuti dengan penyerapan CO2 dengan pirolisis suhu tinggi, dan mereka menemukan bahwa proses SMR sekitar 25% lebih mahal dibandingkan pirolisis.

Hub SMR dengan mengubahnya menjadi asam format melalui reduksi elektro CO2.

Teknik ini terbukti efektif dalam mengurangi biaya H2 biru sebesar 4–9% serta

ketergantungan penyimpanan CO2. Pengurangan biaya tambahan dapat diperoleh melalui peningkatan kapasitas elektroliser CO2 untuk mengkonversi lebih banyak emisi GRK yang ditangkap.

Mengenai efisiensi energi H2 biru dibandingkan bahan bakar fosil lainnya, H2 memiliki karakteristik tertentu yang lebih menguntungkan. Misalnya, H2 memiliki kandungan energi spesifik tertinggi dibandingkan semua bahan bakar konvensional. Hasil energinya adalah 120 MJ/kg atau ~ 2,75 kali lebih tinggi dibandingkan bahan bakar hidrokarbon lainnya.

Misalnya bensin dan gas alam memiliki kandungan energi masing-masing sebesar 44 MJ/

kg dan 48,6 MJ/kg.

Selain itu, mereka juga mempunyai modal yang dibutuhkan untuk investasi ini dari pendapatan gas alam serta hubungan baik mereka dengan negara-negara pengimpor energi.

Selain itu, H2 memiliki kepadatan yang lebih rendah dibandingkan bensin, sehingga memungkinkannya menyimpan 2,6 energi lebih banyak per massa [153–155].

Seperti dilansir Hjeij dkk. [150], peralatan CCS meningkatkan biaya H2 biru, yang dihasilkan dari tambahan modal dan biaya operasional.

Seperti disebutkan sebelumnya, memutuskan antara H2 biru dan gas alam (NG) sebagai bahan bakar atau pembawa energi yang lebih baik bukanlah keputusan yang mudah, karena banyaknya faktor yang berkontribusi pada proses pengambilan keputusan yang bertujuan untuk mencapai tujuan lingkungan dan ekonomi yang dapat diterima. . Pada bagian ini, disajikan kesimpulan perbandingan antara H2 biru dan gas alam, dengan mempertimbangkan tiga parameter utama: biaya, emisi CO2, dan energi yang terkandung di dalamnya. Perbandingan tersebut juga mencakup H2 abu-abu, yang memberikan lebih banyak wawasan yang memfasilitasi proses pengambilan keputusan. Dalam perbandingan ini, kami bergantung pada nilai yang paling umum digunakan yang dilaporkan dalam literatur serta nilai rata-rata dalam beberapa kasus.

proses.

Selain itu, potensi pemanasan global (GWP) yang dipertimbangkan dalam studi Howarth dan Jacobson masih bisa diperdebatkan, sehingga menghasilkan emisi GRK yang lebih tinggi untuk H2 biru. Menurut Diab dkk. [29], perbedaan yang signifikan antara hasil penelitian Howarth dan Jacobson dan penelitian lainnya terutama disebabkan oleh asumsi yang digunakan dalam pemodelan, seperti pilihan jangka waktu GWP (misalnya, GP 100 tahun versus GWP 20 tahun) dan pemilihan persentase kebocoran CH4 dan penangkapan karbon.

4.1. Biaya

Gambar 13 menyajikan biaya NG, LNG, grey H2 (gas dan cair), dan blue H2 (gas dan cair). Tentu saja, di antara bahan bakar lainnya, gas NG memiliki biaya paling rendah (2,48 $/GJ bahan bakar). Hal ini diikuti oleh biaya gas grey H2 (7,83 $/GJ bahan bakar), LNG (9,48 $/GJ bahan bakar), dan gas blue H2 (12,49 $/GJ bahan bakar). Gambar 13 juga menunjukkan bahwa memproduksi bahan bakar dalam bentuk cair secara signifikan meningkatkan biaya produksinya, dengan biaya tertinggi adalah biaya produksi H2 biru cair, yaitu 32,46 $/GJ bahan bakar. Tingginya biaya bahan bakar cair dapat disebabkan oleh mahalnya proses pencairan baik untuk LNG maupun H2 cair. Proses ini umumnya serupa untuk NG dan H2, karena kedua gas didinginkan dan ditekan untuk mencapai suhu pencairannya. Namun, terdapat beberapa perbedaan dalam spesifikasi teknologi pencairan yang digunakan, sehingga menyebabkan biaya pencairan yang berbeda.

Misalnya, NG biasanya didinginkan hingga ÿ162 ÿC (ÿ 260ÿF) menggunakan zat pendingin seperti propana (C3H8) atau etana (C2H6) [157], sedangkan H2 biasanya didinginkan hingga ÿ253 ÿC

3.4. Efisiensi energi

Menurut Hjeij dkk. [150], ada beberapa faktor yang mempengaruhi biaya H2 biru , seperti biaya modal, harga bahan bakar fosil, dampak sistem, dan biaya CCS. Pada tahun 2020, biaya produksi H2 biru diperkirakan sebesar 1,3–2,9 $/kg H2, dengan asumsi konsumsi bahan bakar fosil dan listrik masing-masing sebesar 1–10/MMBtu dan 25–60/

MWh. Lebih jauh lagi, transisi energi menuju produksi H2 biru tampaknya cocok bagi negara-negara pengekspor gas alam dari sudut pandang ekonomi karena mereka dapat memanfaatkan penangkapan karbon untuk pembangkit listrik berbahan bakar fosil dan fasilitas produksi H2 lainnya yang berbasis bahan bakar fosil.

H2 sangat mudah terbakar dibandingkan dengan bahan bakar lainnya. Batas mudah terbakarnya berkisar antara 4% dan 75% dibandingkan 5,3–15% untuk metana.

Lau [152] menyajikan perbandingan antara biaya produksi 1 Mscf gas alam biru dengan biaya H2 biru dengan kandungan panas yang sama. Ditemukan bahwa biaya gas alam biru lebih rendah dibandingkan dengan H2 biru, yang pada gilirannya lebih rendah dibandingkan biaya H2 hijau.

Ali Khan dkk. [151] menyajikan dalam studi mereka kerangka tekno-ekonomi spasial untuk menilai produksi H2 biru menggunakan proses SMR dengan CCS menggunakan Australia sebagai studi kasus. Ali Khan dkk. [151] mengeksplorasi opsi untuk mengkonversi emisi gas yang ditangkap

Oleh karena itu, pengoperasian mesin H2 akan lebih efektif pada campuran lean dibandingkan mesin bensin. Selain itu, ia memiliki energi penyalaan yang rendah (0,02 MJ) dan suhu penyalaan yang tinggi. Namun dibandingkan bahan bakar lain, H2 memiliki difusivitas yang sangat tinggi. Properti ini dapat menyebabkan potensi masalah risiko, seperti yang ditunjukkan oleh sebagian besar peneliti. Namun demikian, keuntungan dari poin ini adalah jika terjadi kebocoran H2 , maka kebocoran tersebut akan hilang dengan cepat, sehingga akan mengurangi kondisi yang tidak aman.

Menurut Oni dkk. [78], analisis Howarth dan Jacobson hanya mengamati fasilitas SMR yang ada saat ini dengan tingkat penangkapan karbon yang rendah dan mengasumsikan emisi CH4 yang lebih tinggi. Lebih lanjut, Howarth dan Jacobson tidak menganggap bahwa peraturan CH4 sedang dikembangkan untuk mengurangi emisi CH4 yang tidak terpakai. Misalnya, Kanada telah menerapkan peraturan yang telah mengurangi emisi sebesar 9% dari tahun 2014 hingga 2019, dan pada tahun 2020 mereka menetapkan tujuan untuk mengurangi emisi CH4 sebanyak 45% pada tahun 2025.

O. Massarweh dkk.

(13)

Gambar 14. Emisi CO2 yang dihasilkan dari produksi dan pemanfaatan NG, LNG, dan H2 (abu-abu dan biru): (a) pada bahan bakar CO2/GJ dan (b) pada bahan bakar CO2/kg. Nilai tersebut dievaluasi berdasarkan data yang bersumber dari [155,163,165,167,168].

Gambar 13. Biaya NG, LNG, dan H2 (abu-abu dan biru): (a) dalam $/GJ bahan bakar dan (b) dalam $/kg bahan bakar. Nilai-nilai tersebut dievaluasi berdasarkan data yang bersumber dari [155,162–166].

O. Massarweh dkk.

penyimpanan untuk mencegah kecelakaan atau kebocoran. Hal ini dapat menambah kompleksitas dan biaya pencairan H2 [160,161].

Gambar 14 menunjukkan emisi CO2 yang dihasilkan dari produksi dan pemanfaatan NG, LNG, grey H2 (gas dan cair), dan blue H2 (gas dan cair). Dalam hal ini, hasil H2 (gas) biru paling rendah

4.2. emisi CO2 (ÿ 423ÿF) menggunakan zat pendingin kriogenik khusus seperti helium (He) atau

neon (Ne), yang harganya mahal dan memerlukan penanganan dan penyimpanan khusus [158,159]. Selain itu, tidak seperti H2, NG seringkali mengandung pengotor seperti air, senyawa sulfur, dan hidrokarbon lainnya yang harus dihilangkan sebelum gas dapat dicairkan, sehingga menambah biaya pencairan NG. Selain itu, H2 memiliki rentang konsentrasi mudah terbakar yang luas (4–75%) di udara dan membutuhkan energi yang lebih sedikit untuk menyala dibandingkan gas alam,

sehingga lebih rentan terbakar sehingga memerlukan penanganan dan penanganan khusus.