REVIEW PRODUKSI HIDROGEN DARI BIOMASSA

EKA PUTRI RAHAYU

1112096000042

UIN SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA

13 OKTOBER 2013

Ekaputri2808@gmail.com

ABSTRAK

Biomassa memiliki potensi menjadi gas dan bahan bakar air, listrik dan hidrogen. Produksi hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam pengembangan ekonomi hidrogen. Salah satu produksi hidrogen yang menjanjikan pendekatan adalah konversi dari biomassa, yang berlimpah, bersih dan terbarukan. Alternatif termokimia (pirolisis dan gasifikasi) dan biologis (biophotolysis, reaksi pergeseran air-gas dan fermentasi) proses dapat diterapkan secara praktis untuk menghasilkan hidrogen.

ABSTRACT

Hydrogen Production From Biomass

Biomass has the potential to fuel gas and water, electricity and hydrogen. Hydrogen production plays a very important role in the development of hydrogen economy. One of the promising hydrogen production approaches is conversion from biomass, which is abundant, clean and renewable. Alternative thermochemical (pyrolysis and gasification) and biological (biophotolysis, water–gas shift reaction and fermentation) processes can be practically applied to produce hydrogen.

PENDAHULUAN

Krisis energi yang melanda Indonesia dikarenakan karena jumlah penduduk yang semakin meningkat berpengaruh langsung terhadap konsumsi bahan bakar. Energi yang berasal dari fosil termasuk energi yang tidak dapat diperbaharui sehingga semakin menipis. Di sisi lain, isu lingkungan global yang menuntut tingkat kualitas lingkungan yang lebih baik, mendorong berbagai pakar energi untuk mengembangkan energi yang lebih ramah lingkungan dan mendukung keamanan pasokan berkesinambungan. Hidrogen sangat dimungkinkan menjadi alternatif bahan bakar masa depan (Miyamoto et al. 1997).

Hidrogen dapat diproduksi dari berbagai bahan baku. Ini termasuk sumber daya fosil, seperti gas alam dan batubara, serta sumber daya terbarukan, seperti biomassa dan air dengan masukan dari sumber energi terbarukan (misalnya sinar matahari, angin, gelombang atau tenaga air. Sebuah gambaran dari berbagai bahan baku dan teknologi proses disajikan pada Gambar 1.

Ketergantungan pada bahan bakar fosil sebagai sumber energi utama menyebabkan krisis energi yang serius dan masalah lingkungan, yaitu deplesi bahan bakar fosil dan emisi polutan.

Uni Emirat Arab telah melaporkan bahwa, salah satu minyak utama negara ekspor, akan gagal memenuhi pangsa dalam minyak dan gas alam menuntut pada tahun 2015 dan 2042 sumber daya bahan bakar fosil di Mesir akan habis dalam waktu satu sampai dua dekade. Meningkatnya kebutuhan energi akan mempercepat kelelahan dari fosil terbatas bahan bakar. Selain itu , pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan substansial gas rumah kaca dan beracun , seperti CO2 , SO2 , NOx dan lainnya polutan , menyebabkan pemanasan global dan hujan asam.

Biomassa adalah salah satu sumber daya yang paling berlimpah terbarukan. Hal ini dibentuk dalam memperbaiki karbon dioksida di atmosfer selama proses fotosintesis tanaman. Biomassa telah digunakan selama berabad-abad. Saat ini, biomassa menyumbang sekitar 12 % dari pasokan energi dunia saat ini, sementara di banyak negara berkembang memberikan kontribusi 40-50 % pasokan energi.

Salah satu kelemahan utama adalah rendahnya efisiensi pemanfaatan biomassa. Di Cina, biomassa secara luas digunakan untuk memasak dan pemanasan melalui pembakaran biomassa dengan efisiensi termal hanya antara 10 % dan 30 %. Atau, mengkonversi biomassa menjadi gas dan bahan bakar air , listrik dan terutama hidrogen mungkin adalah cara yang lebih efisien pemanfaatan biomassa. Sehinnga tulisan ini  memberikan gambaran berbagai metode untuk menghasilkan hidrogen dari biomassa.

HIDROGEN DARI BIOMASSA

Berbagai sumber daya biomassa dapat digunakan untuk mengkonversi ke energi. Mereka dapat dibagi menjadi empat kategori umum :

       a.            Energi tanaman : tanaman energi herba , berkayu energi tanaman , tanaman industri , tanaman pertanian dan air tanaman .

      b.            Residu pertanian dan limbah : limbah tanaman dan hewan buang .

       c.            Limbah Kehutanan dan residu : limbah kayu pabrik , penebangan residu , pohon-pohon dan semak residu .

      d.            Industri dan kota limbah : limbah padat perkotaan ( MSW ) , limbah lumpur dan limbah industri.

Proses produksi energi dari biomassa dapat dibagi menjadi dua kategori umum : termokimia

dan proses biologis. Pembakaran , pirolisis , pencairan dan gasifikasi adalah empat proses termokimia. Untuk biophotolysis langsung, biophotolysis tidak langsung , biologi air – gas menggeser reaksi, foto –

fermentasi dan fermentasi gelap ialah lima proses biologis.

PROSES TERMOKIMIA

1)      PIROLISIS

Pirolisis adalah peruraian (lysis) suatu zat menggunakan panas(pyro). Jika biomassa dipanasi sampai suhu sekitar 350oC tanpa adanya oksigen, maka ia akan terurai menjadi arang dengan penyusun atom C, gas yang terdiri atas CO, CO2, H2, H2O, dan CH4, dan uap tir dengan perkiraan rumus molekul CH1,2O0,5. Uap tir ini berfasa gas pada suhu pirolisis tetapi akan mengembun menjadi butiran halus tir jika didinginkan (Reed dan Das, 1988).

Produk pirolisis cepat dapat ditemukan di semua gas , cair dan padat fase :

       a.            produk bentuk gas termasuk H2 , CH4 , CO , CO2 dan lainnya gas tergantung pada sifat organik dari biomassa untuk pirolisis .

      b.            produk cair termasuk tar dan minyak yang tetap cair bentuk pada suhu kamar seperti aseton , asam asetat , dll

       c.            produk padat terutama terdiri dari char dan hampir karbon murni ditambah bahan inert lainnya.

Reaksi:
Biomassa + panas →  H2 + CO + CH4 + produk lain

Selain produk gas, produk berminyak juga dapat diolah untuk produksi hidrogen. Minyak pirolisis dapat dipisahkan menjadi dua fraksi berdasarkan kelarutan dalam air. Fraksi yang larut dalam air dapat digunakan untuk produksi hidrogen sementara fraksi yang tidak larut dalam air sebagai bahan perekat.

2)      GASIFIKASI

Gasifikasi adalah reaksi oksidasi biomassa dengan jumlah oksigen terbatas dan hasilnya merupakan bahan bakar gas. Dalam kondisi tertentu, jumlah oksigen dibatasi kurang dari 40% jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna, dan hasil utamanya adalah CO

dan H2 (Evans dan Milne, 1987). Kecuali CO dan H2, pada gas hasil gasifikasi

biomassa terdapat pula CO2, CH4, dan senyawa lainnya. Reaksi yang terjadi pada proses gasifikasi biomassa dengan penambahan uap air super kritis sangat kompleks karena terjadi reaksi berantai yang menghasilkan campuran gas dan cairan. Tiga reaksi utama yang

terjadi adalah (Kelly-Yong dkk., 2007):

       a.            Steam reforming: Biomassa + H2O    →   CO +  3H2

      b.            Reaksi water-gas shift: CO + H2O → CO2 + H2

       c.            Reaksi metanasi: CO + 3H2 → CH4 + H2O

Reaksi metanasi dapat dihambat dengan cara menggunakan air fasa cair sebagai pengganti uap air dan menggunakan katalis nikel. Penggunaan media air super kritis pada gasifikasi biomassa mempunyai banyak keuntungan. Proses ini dapat dilakukan untuk biomassa dengan kadar air tinggi (>50%), sehingga tidak perlu dilakukan pengeringan untuk biomassa yang akan diproses. Dengan demikian dapat dilakukan penghematan biaya. Fleksibilitas ini memungkinkan penggunaan bahan baku biomassa dengan kadar air tinggi.

Sistem reaktor terdiri dari ruang pembakaran berbentuk menara dilengkapi dengan sistem pemasukan udara dan satu reaktor gasifikasi yang dihubungkan denganruang pembakaran. Reaktor dilengkapi dengan sistem pemasukan biomasa, pemasukan uap air dan sistem pengeluaran gas hasil reaksi. Karbon dan gas CO yang terbentuk dilairkan ke ruang pembakaran dan bereaksi dengan oksigen (udara) menghasilkan gas CO2.

PROSES BIOLOGIS

1)      BIOPHOTOLYSIS LANGSUNG

Biophotolysis merupakan dekomposisi air menjadi hidrogen pada ganggang mikro atau cyanobacteria dengan bantuan sinar matahari (Tanisho dkk., 1998). Produski hidrogen oleh ganggang, bakteri sulfur ungu, dan bakteri non-sulfur juga dapat terjadi dengan reaksi fotosintesis antara air dan karbon dioksida dengan bantuan sinar matahari menghasilkan karbohidrat, hidrogen, dan oksigen.

C6H12O6 + 12H2O → 12H2 + 6CO2.

2)      BIOPHOTOLYSIS TIDAK LANGSUNG

Menurut Gaudermark, konsep dari biofotolisis tak langsung meliputi empat tahap.

       a.            Produksi biomassa oleh fotosintesis

      b.            Konsentrasi biomassa

       c.            Fermentasi aerobik gelap menghasilkan 4 mol hidrogen/mol glukosa pada sel alga, bersama dengan 2 mol asetat, dan

      d.            Konversi 2 mol asetat menjadi hidrogen

Pada biofotolisis tidak langsung, Cyanobacteria digunakan untuk menghasilkan hidrogen melalui reaksi berikut :

12H2O   +  6CO2 → C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 + 12H2O → 12H2 + 6CO2

3)      FERMENTASI GELAP DAN FOTO-FERMENTASI

Pada dark fermentation, bakteri Enterobacter cloacae atau Clostridium sp. dapat menghasilkan hidrogen sepanjang hari dari substrat sumber karbon dan memberikan produk samping berupa asam butirat, asam laktat, dan asam asetat. Proses ini berjalan secara anaerobik (Hussy dkk., 2003).

Reaksi:

C6H12O6 + 2H2O  → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 

Ketika produk akhir butirat, dihasilkan 2 mol H2 :

C6H12O6  → C4H8O2 + 2CO2 + 2H2

Keuntungan cara fermentasi dalam produksi hidrogen adalah degradasi padatan dan zat organik kompleks yang terdapat pada limbah dan produk-produk pertanian dapat terjadi dengan cepat. Namun demikian, fermentasi hanya mengkonversi kira-kira 15% dari energi yang terkandung pada bahan baku tersebut menjadi hidrogen (Das dan Verziroglu, 2001).

4)                  FOTO-FERMENTASI

Menggunakan jasa bakteri sulfur dan sinar matahari, asam organik sederhana dengan kandungan N terbatas melalui pembentukan enzim nitrogenase. Pada kondisi anaerobik bakteri sulfur dapat memanfaatkan asam organik atau hidrogen sulfid sebagai donor elektron. Elektron dipindahkan ke nitrogenasi dengan bantuan ATP. Apabila tidak ada nitrogen maka enzim tersebut dapat mereduksi proton menjadi hidrogen dengan suplai energi dari ATP.

Reaksinya:

C6H12O6 + 12H2O + sinar matahari → 12H2+6CO2

Fotofermentasi, perubahan bahan organik melalui bakteri fotosintetik pengikat nitrogen, dapat menghasilkan biohidrogen yang lebih tinggi, akan tetapi sistem masih bergantung pada cahaya.

Kombinasi antara dark fermentation dan photo fermentation dalam sistem hibrid dua tahap dapat meningkatkan produk hidrogen yang diperolehnya (Nat dan Das, 2004). Pada tahap

pertama, biomassa difermentasi menjadi asam asetat, karbon dioksida, dan hidrogen dalam thermophilic dark fermentation. Selanjutnya pada tahap ke dua, asam asetat dikonversi menjadi hidrogen dan karbon dioksida (Nath dan Das, 2006). Dengan proses kombinasi ini,

hidrogen yang dihasilkan diperkirakan mendekati hasil teoritisnya, yaitu 12 mol hidrogen per mol glukosa atau 24 g hidrogen per 180 g glukosa. Proses produksi hidrogen secara biologis terjadi pada suhu lingkungan dan tekanan atmosferis. Dengan demikian, proses ini lebih hemat energi jika dibandingkan dengan produksi hidrogen dengan cara lain.

KESIMPULAN

Hidrogen merupakan salah satu sumber energi yang paling menjanjikan di masa depan. Banyak penelitian pada berbagai metode untuk memproduksi hidrogen telah dilakukan selama beberapa dekade terakhir. Biomassa berpotensi sebagai sumber daya energi yang dapat diandalkan untuk memproduksi hidrogen. Biomassa mempunyai keunggulan yaitu: dapat diperbaharui (renewable), jumlahnya melimpah, dan mudah dimanfaatkan. Selama siklus hidup, emisi total CO2 hampir mendekati nol karena fotosintesis tanaman hijau. Metode produksi hidrogen secara termokimia dengan pirolisis dan gasifikasi yang ekonomis dan akan menjadi kompetitif dengan metode reforming gas alam secara konvensional. Metode produksi hidrogen secara biologis melalui fermentasi gelap juga menjanjikan untuk penggunaan komersial di masa depan. Dengan pengembangan lebih lanjut teknologi ini, biomassa akan memainkan peran penting dalam pengembangan berkelanjutan ekonomi hidrogen.

DAFTAR PUSTAKA

Mahreni, Adi Ilcham. 2011. Pengembangan Teknologi Bersih berbasis Hidrogen menggunakan Sumber Daya Alam Indonesia. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan”. ISSN 1693 – 4393

Meng Ni, Dennis Y.C. Leung, Michael K.H. Leung, K. Sumathy. 2006. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Processing Technology 87 (2006) 461 – 472.

Prof. Ir. Panut Mulyono, M.Eng., D.Eng. 2009. Prospek Dan Potensi Hidrogen Sebagai Energi Terbarukan. Yogyakarta : UGM

Khairul Anam. 2010. Pemanfaatan Biomassa Untuk Produksi Biohidrogen. Bogor : IPB

Trygve Riis(1) and Elisabet F. Hagen(2).2006. Hydrogen Production R&D: Priorities And Gaps. France: International Energy Agency (IEA),

Miyamoto, K., Hallenbeck, P.C., Benemann, J.R., Appl Environ Microbiol. 37 (1997) 454-458.