Metana Sintetis Dapat Memperlancar Jalan Menuju Nol Bersih
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
No comments