Metana Sintetis Dapat Memperlancar Jalan Menuju Nol Bersih

Read Also

Para peneliti mencari cara untuk mensintesis metana secara berkelanjutan untuk mengurangi ketergantungan pada gas alam.

Jepang membanggakan ekonomi terbesar ketiga di dunia, tetapi, secara mengesankan, juga sering berada di puncak daftar global negara-negara hemat energi.

Bersama dengan lebih dari 100 negara lain, Jepang bertujuan untuk mencapai emisi nol bersih pada tahun 2050. Ada banyak jalan menuju tujuan ini, tetapi penyedia utilitas Jepang Tokyo Gas, bersama dengan para peneliti di Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) dan Universitas Osaka, adalah mengeksplorasi salah satu pendekatan yang lebih tidak biasa: mengganti gas alam, bahan bakar fosil, dengan alternatif sintetis.

Idenya tampaknya berlawanan dengan intuisi: lagi pula, metana, komponen utama gas alam, telah dibenci oleh para pencinta lingkungan karena menjadi gas rumah kaca yang kuat. Tapi versi sintetis bisa menjadi bahan bakar yang jauh lebih bersih, kata ahli kimia fisik, Hisataka Yakabe, yang mempelopori penelitian di Tokyo Gas untuk menghasilkan metana sintetis dengan dua cara baru.

Metana sintetis, atau e-metana, adalah apa yang disebut bahan bakar listrik. 'Bahan bakar elektronik' ini terbuat dari dua bahan mentah: hidrogen yang dihasilkan dari air melalui elektrolisis (sebaiknya menggunakan energi terbarukan), dan CO₂ yang ditangkap dari udara di sekitar kita atau gas buang.

Meskipun pembakaran bahan bakar tersebut masih menghasilkan CO₂, mereka dianggap lebih dekat ke netral karbon ketika gas dapat ditangkap dan digunakan kembali untuk membuat lebih banyak bahan bakar sintetis dalam sistem loop tertutup atau 'direct air capture' (DAC) digunakan. Dan e-metana adalah salah satu dari beberapa bahan bakar sintetis, termasuk e-metanol, yang sedang dikembangkan.

Bantuan untuk dekarbonisasi

Gas alam, yang menyediakan sekitar 24% dari kebutuhan energi Jepang pada tahun 2021, masih merupakan bahan bakar fosil yang paling tidak berbahaya, dan de-karbonisasi lebih lanjut akan memakan waktu. E-metana dapat membantu mengisi perannya dalam jangka menengah, kata Yakabe.

Metana dapat diproduksi di laboratorium, melalui proses yang pertama kali dirancang lebih dari seabad yang lalu, ketika ahli kimia Prancis, Paul Sabatier, menemukan cara menggabungkan hidrogen dengan CO2 dengan adanya katalis nikel untuk menghasilkan metana dan uap (4H₂+CO₂→CH₄+2H₂O).

Saat ini, 'metode Sabatier' tetap menjadi pendekatan paling populer untuk sintesis metana, tetapi bermasalah karena beberapa alasan, jelas Yakabe. Sebagai permulaan, reaksinya tidak terlalu efisien. Untuk membuat metana, hidrogen harus diproduksi melalui elektrolisis air sebelum dicampur dengan karbon dioksida, tetapi menggabungkan kedua proses ini menghasilkan efisiensi keseluruhan antara 50 dan 60%, dengan hampir setengah dari energi input hilang sebagai panas, kata Yakabe.

Metode Sabatier juga sangat eksotermik — terjadi pada suhu sekitar 400—500 °C — dan oleh karena itu memerlukan “pengelolaan termal yang sangat sensitif,” tambahnya. Selain itu, seluruh proses melibatkan peralatan yang kompleks, seperti elektroliser, tangki penyimpanan hidrogen, dan synthesizer metana, yang semuanya meningkatkan biaya produksi.

Kelemahan ini sebagian yang mendorong Yakabe dan timnya di Tokyo Gas untuk mulai mencari cara alternatif untuk memproduksi metana. Sementara penelitian awal mereka untuk Sabatier dimulai sejak 2010, banyak hal telah dipercepat dalam tiga tahun terakhir, kata Yakabe.

Dari luar angkasa ke bumi

Perusahaan - yang mengimpor sekitar 12,6 juta ton gas alam cair per tahun ke 8,6 juta pelanggan eceran dan grosir, dan untuk pembangkit listrik - ingin menemukan sumber metana alternatif yang memiliki dampak jauh lebih kecil terhadap lingkungan, kata Yakabe.

Inilah sebabnya mengapa Yakabe dan timnya saat ini sedang mengejar dua proyek e-metana, yang sebagian dibiayai oleh hibah  ¥4 miliar (US$30 juta) dari Dana Inovasi Hijau pemerintah Jepang dan dikelola oleh New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Tujuannya, kata Yakabe, adalah mengganti sebagian besar pasokan Gas Tokyo dengan metana sintetis pada tahun 2050.

Untuk mencapai tujuan tersebut, tim Yakabe bersama JAXA sedang menjajaki teknik produksi baru yang disebut metode Hybrid Sabatier. Ini melibatkan, seperti namanya, elektrolisis air dan pembentukan metana yang terjadi dalam satu perangkat terintegrasi dengan cara yang mulus.

Manfaatnya dua kali lipat, jelas Yakabe. Pertama, katalis (kombinasi nikel dan logam non-mulia lainnya) memungkinkan reaksi berlangsung pada suhu yang jauh lebih rendah (kira-kira 220 °C). Panas yang dihasilkan selama produksi metana juga diserap selama elektrolisis air endotermik, mendorong reaksi — trik rapi yang menjanjikan untuk meningkatkan efisiensi reaksi secara keseluruhan hingga sekitar 80%.

Badan antariksa seperti JAXA telah lama tertarik dengan metode Sabatier sebagai teknologi reklamasi air lingkungan tertutup. Misalnya, untuk penunjang kehidupan astronot, oksigen dihasilkan oleh elektrolisis air, dan kemudian air dapat diregenerasi dengan menggunakan kembali dan mereaksikan hidrogen yang dihasilkan pada saat yang sama dengan CO₂ yang dipancarkan oleh metabolisme astronot.

e-Metana dan banyak lagi

Teknik kedua yang dieksplorasi Tokyo Gas adalah metode reduksi PEMCO₂, yang menggunakan Polymer Electrolyte Membrane (PEM) untuk secara bersamaan menyebabkan elektrolisis air dan reduksi CO₂ untuk membentuk metana.

Karena metana diproduksi dalam satu langkah, alih-alih dua langkah, konfigurasi peralatan menjadi ringkas, sehingga memangkas biaya secara drastis. Reaksi juga berlangsung antara 60 °C dan 80 °C — jauh lebih rendah daripada metode lain, dan tidak memerlukan penggunaan logam mulia untuk katoda. Efisiensinya diperkirakan sekitar 70%, kata Yakabe.

Pengurangan PEMCO₂ juga dapat menawarkan manfaat untuk dapat menghasilkan bahan bakar elektronik lainnya di masa depan, dengan menukar katoda dan mengubah kondisi elektrolisis. Misalnya, menggunakan sintesis Fischer-Tropsch pada tahap terakhir dapat membantu menghasilkan nafta sintetis, bensin, dan bahan bakar jet — menghijaukan industri maritim dan penerbangan.

Tokyo Gas berharap untuk mengkomersialkan kedua teknik pada tahun 2030, dan juga berencana untuk sepenuhnya beralih menggunakan hidrogen hijau untuk memproduksi e-metana.

Mengingat krisis iklim yang berkembang, tentu saja ada panggilan untuk menghasilkan lebih sedikit, daripada lebih banyak metana, gas rumah kaca yang memiliki potensi memerangkap panas kira-kira 20 kali lipat dari CO₂. Tapi, kata Yakabe, Tokyo Gas bertujuan untuk memproduksi dan menggunakan e-metananya "dalam sistem yang benar-benar tertutup" yang akan dipantau secara ketat.

Tim mulai menguji teknik sintesis e-metana di laboratorium mereka di kota Yokohama awal tahun ini, dan berencana untuk meningkatkan keberlanjutan lokasi uji dalam tahun depan dengan menggunakan air daur ulang dan CO₂ dari pabrik pengolahan limbah terdekat. Pada tahun 2025, mereka berharap untuk memperluas pengujian ke fasilitas yang kira-kira berukuran 30 kali ukuran pilot yang disiapkan.

Perusahaan juga menjajaki kemungkinan memproduksi e-metana secara internasional. “Kami percaya pengenalan e-metana dapat berkontribusi pada netralitas karbon di masa depan dan membantu menciptakan masa depan yang berkelanjutan secara global,” kata Yakabe.

Sources

https://www.nature.com/articles/d42473-022-00166-2