Membakar logam untuk menghasilkan energi bersih |  Riset
Long Reads

Membakar logam untuk menghasilkan energi bersih | Riset

Kebutuhan untuk mengurangi ketergantungan kita pada bahan bakar fosil tidak pernah lebih mendesak. Penggunaan energi kita bertanggung jawab untuk mengeluarkan lebih dari 30 miliar ton karbon dioksida ke atmosfer setiap tahun. Dengan tujuan penting dekarbonisasi sektor energi, para peneliti di seluruh dunia mencari cara baru untuk memberi daya pada kehidupan kita tanpa merusak planet ini.

Hidrogen, sel bahan bakar, dan baterai mungkin merupakan pembawa energi alternatif yang paling berkembang dan terkenal saat ini. Tetapi ada banyak ide lain yang juga dapat berkontribusi pada ekonomi energi yang lebih bersih. Salah satu konsep yang mulai menarik minat lebih dari komunitas peneliti adalah kemungkinan menggunakan logam sebagai bahan bakar.

Gambar yang menunjukkan serbuk besi

Membakar bubuk logam mungkin pada awalnya tampak sebagai solusi yang tidak mungkin untuk kesengsaraan lingkungan kita. Tetapi para ilmuwan yang mencari pembawa energi alternatif percaya itu bisa menjadi cara hijau untuk memberi daya pada beberapa aspek kehidupan kita.

Energi dekarbonisasi

Yang terpenting, bahan bakar logam bebas karbon. Ketika Anda membakar nanopartikel besi, itu menghasilkan oksida besi. Bahan teroksidasi kemudian dapat direduksi kembali menjadi besi menggunakan listrik terbarukan, secara teori menyediakan siklus bebas karbon.

‘Saya terkadang menganggap bahan bakar logam hanya sebagai hidrogen padat,’ kata Jeff Bergthorson, yang mengepalai laboratorium bahan bakar alternatif di McGill University di Montreal, Kanada. ‘Dalam kedua kasus – jika Anda melakukannya dengan cara hijau yang berkelanjutan – Anda menggunakan energi terbarukan, dan Anda menggunakannya untuk menghasilkan pembawa energi atau bahan bakar.’

Bergthorson menunjukkan bahwa ketika hidrogen diproduksi dengan elektrolisis, produk pembakarannya – air – direduksi untuk menyediakan bahan bakar yang kemudian dapat kita bakar (menghasilkan air dalam prosesnya). Dengan bahan bakar logam, konsep yang sama berlaku – dalam kasus besi, pengguna mengambil oksida besi dan mendaur ulangnya menjadi besi dalam siklus bebas produk sampingan yang dapat diulang berulang kali.

Gambar menunjukkan siklus bahan bakar logam

‘Ada analog langsung antara menggunakan aluminium sebagai bahan bakar dan baterai aluminium-udara – itu seperti perbedaan antara mesin pembakaran hidrogen dan sel bahan bakar hidrogen,’ tambah Bergthorson. ‘Sungguh dalam semua kasus ini, kita hanya berbicara tentang cara menyimpan dan mengangkut energi dalam bentuk kimia.’

Kemudahan dimana bahan bakar logam dapat disimpan dan diangkut sebenarnya merupakan salah satu keuntungan utama mereka. ‘Besi dapat dipindahkan dengan sekop – di truk dan kapal, sangat aman,’ catat Bergthorson. ‘Ini sangat stabil … dan sangat murah untuk bergerak dibandingkan dengan hal-hal seperti hidrogen yang membutuhkan peralatan mahal dan rumit serta memiliki bahaya keamanan yang terkait dengannya.’

Manfaat ini, Bergthorson menyarankan, dapat membantu bahan bakar logam memainkan peran utama sebagai komoditas energi bersih untuk perdagangan energi internasional. ‘Kami memperdagangkan energi fosil sepanjang waktu. Itu adalah bagian normal dari ekonomi kita – bagian besar dari ekonomi kita – tetapi memperdagangkan energi bersih, bagaimana kita akan melakukannya?’ dia bertanya. ‘Fokusnya saat ini biasanya hidrogen, tetapi bisakah kita mengirimkannya? … Saya pikir orang kehilangan gagasan bahwa ketika kami mengirimkan aluminium ke seluruh dunia, kami mengirimkan energi, bukan?’

Manfaat utama lainnya termasuk kelimpahan logam seperti besi dan aluminium dan kepadatan energinya yang tinggi, mengemas banyak energi berdasarkan volume dibandingkan dengan sebagian besar pembawa energi lainnya. Para ilmuwan telah menyadari sifat-sifat yang berguna ini selama beberapa dekade, tetapi hanya dalam beberapa tahun terakhir penggunaan logam sebagai bahan bakar benar-benar mulai menarik imajinasi.

Minumlah

‘Besi adalah salah satu elemen paling umum di kerak bumi – ada banyak dan sangat murah, yang benar-benar Anda butuhkan dalam pembawa energi yang akan Anda gunakan di mana-mana,’ kata Vincent van der Schaft dari kelompok penelitian bahan bakar logam yang dipimpin mahasiswa Solid, yang berbasis di Universitas Teknologi Eindhoven di Belanda. ‘Dan ada beberapa sifat bagus lainnya – yang penting adalah bahwa besi benar-benar terbakar pada suhu yang sangat dekat dengan suhu nyala gas.’ Dia menjelaskan bahwa ini membantu untuk menghindari beberapa tantangan rekayasa yang sulit saat melakukan perkuatan instalasi lama atau proses industri agar berjalan dengan bahan bakar baru.

Tahun lalu sebuah konsorsium yang melibatkan Solid mengawasi demonstrasi terbesar bahan bakar logam hingga saat ini, ketika sistem bertenaga logam mereka digunakan untuk membantu memberi daya pada tempat pembuatan bir lokal. Proyek tersebut melibatkan pemasangan pembakar besi yang dikenal sebagai MP100 di fasilitas milik Swinkels Family Brewers.

‘Instalasi pembakaran adalah instalasi industri yang sangat besar dengan panjang sekitar 15 meter. Dan sebagian besar panjangnya ditutupi oleh tabung pembakar yang sangat panjang,’ kata van der Schaft. Dia menjelaskan bahwa aliran udara membawa bubuk besi ke pembakar, di mana ia terbakar. Reaksi eksotermis menghasilkan banyak energi yang digunakan untuk memanaskan air dan menghasilkan uap, sedangkan oksida besi disaring untuk digunakan kembali. Uap kemudian dimasukkan ke tempat pembuatan bir untuk membantu memberi daya pada proses menumbuk.

Pembakar saat ini tidak cukup besar untuk sepenuhnya memberi daya pada fasilitas sebesar tempat pembuatan bir, tetapi inti dari proyek ini adalah untuk membuktikan bahwa bubuk logam dapat digunakan dalam pengaturan semacam ini. ‘Instalasi MP100 yang ada di sana memiliki output daya 100 kilowatt – itu sebanding dengan mobil,’ kata van der Schaft. ‘Ini lebih merupakan demonstrasi untuk menunjukkan bahwa pada prinsipnya Anda dapat menggunakan teknologi ini dalam proses pembuatan bir ini.’

Gambar yang menunjukkan demo

Solid juga berharap untuk meluncurkan kapal bertenaga besi pertama di dunia tahun ini, tetapi menyimpulkan bahwa itu tidak layak dengan pembakar mereka saat ini. ‘MP100 tidak cukup besar untuk tempat pembuatan bir atau kapal, jadi proyek selanjutnya adalah peningkatan,’ kata Ellen Meijerink, yang memimpin tim Solid tahun ini. ‘Kami sedang mengerjakan instalasi baru sekarang, yang akan menjadi 200 kilowatt.’ Dia menjelaskan bahwa Solid dan kolaborator mereka juga sudah mulai mengembangkan rencana untuk instalasi lain yang lebih besar.

Sementara itu Meijerink mengatakan bahwa Solid juga mencari cara lain untuk menghasilkan energi bersih dari serbuk logam. ‘Jadi kita memiliki siklus yang sama dimulai dengan serbuk besi, tapi kita tidak membakarnya lagi, kita menambahkan uap ke dalamnya,’ katanya. ‘Ini menciptakan oksida lagi, tetapi Anda mengekstrak hidrogen darinya – jadi itu sebenarnya menciptakan hidrogen.’

Keuntungan unik

‘Idealnya kita membutuhkan [energy carriers] memiliki kepadatan energi yang tinggi, efisiensi energi yang tinggi, rendah [environmental] jejak dan biaya serendah mungkin, tetapi faktanya kita tidak memiliki teknologi seperti itu,’ kata Wei He, pakar sistem energi yang berbasis di University of Warwick, Inggris.

Dia mencatat bahwa teknologi baterai saat ini ditempatkan paling baik untuk memenuhi banyak kebutuhan pasar, dan khususnya mengungguli bahan bakar logam pada efisiensi pulang-pergi – ukuran proporsi energi listrik yang dapat dipulihkan dari pembawa energi relatif terhadap energi listrik yang awalnya disimpan. di dalamnya. Sementara baterai lithium-ion dapat mencapai efisiensi bolak-balik hingga 95%, bahan bakar logam dibatasi hingga sekitar 40%. Ini karena hanya sekitar setengah dari energi yang tersimpan dalam bahan bakar logam yang dapat diubah menjadi daya sesuai permintaan saat dibakar, serupa dengan tingkat energi yang digunakan saat kita membakar bahan bakar fosil.

Namun, mengingat kepadatan energi bahan bakar logam yang tinggi – sekitar 10 kali lipat dari baterai lithium – dan stabilitas jangka panjang, Dia yakin bahan bakar logam dapat memainkan peran pelengkap dalam keadaan tertentu. Dia menunjukkan bahwa sebagai sumber energi terbarukan seperti angin dan matahari menyediakan lebih banyak listrik kita, persyaratan infrastruktur energi kita akan berubah. Bahan bakar logam dapat menawarkan cara untuk menyimpan energi bersih di beberapa lokasi untuk membantu mengatasi tekanan ketika sumber energi lokal menghasilkan lebih sedikit output – misalnya selama periode angin rendah atau tutupan awan tinggi. ‘Ketika kami mendekarbonisasi sistem tenaga lebih lanjut, kebutuhan akan teknologi penyimpanan energi seperti itu pasti akan lebih tinggi daripada sekarang,’ katanya.

Dia menjelaskan bahwa, di dunia yang ideal, sistem transmisi listrik yang kuat dapat mendistribusikan listrik jarak jauh dari lokasi di mana energi terbarukan dihasilkan. Tetapi biaya sistem seperti itu akan sangat besar dan akan selalu ada beberapa lokasi dengan akses yang lebih sedikit ke energi bersih. ‘Itulah mengapa sistem transmisi kedua atau alternatif akan sangat berharga, karena kita sudah memiliki jalan, infrastruktur kita, tersedia,’ kata Dia. ‘Jika kita dapat menggunakan infrastruktur yang ada untuk mengangkut sejumlah energi, itu dapat melengkapi sistem transmisi listrik kita. Itu bisa menjadi solusi yang sangat murah.’

Namun, He mencatat bahwa meskipun bahan bakar logam memiliki ‘keuntungan unik’, peluang penggunaannya secara komersial akan bergantung pada seberapa banyak investasi yang mereka tarik, dan berapa banyak orang yang terlibat dalam mengembangkan apa yang masih merupakan teknologi tahap awal.

Pertanyaan mendasar

Dengan kelompoknya memimpin dorongan untuk bahan bakar logam, Bergthorson sangat tertarik untuk mengeksplorasi dasar-dasar bagaimana partikel logam terbakar. ‘Dalam hal pertanyaan penelitian, kami memiliki banyak. Seberapa cepat Anda bisa membakar logam? Kecepatan itu sangat penting dalam hal bagaimana Anda bisa menstabilkannya di pembangkit listrik,’ jelasnya. ‘Apa produk pembakarannya? Mereka terlihat seperti apa? Bagaimana itu tergantung pada kondisi di mana Anda membakarnya? Bagaimana struktur api? Bagaimana mereka bekerja?’

Tim Bergthorson telah berkolaborasi dengan rekan-rekan dari Eindhoven, serta Airbus dan Badan Antariksa Eropa dalam sebuah proyek yang disebut perwaves, di mana partikel logam dibakar dalam kondisi gayaberat mikro pada penerbangan suborbital.

Tujuannya adalah untuk terus mendaur ulangnya tanpa batas

‘Anda dapat membuat suspensi partikel besi yang tidak bergerak dalam gas pengoksidasi. Dan kemudian kami menggunakan xenon sebagai gas inert, yang berat dan memiliki difusivitas termal yang sangat rendah untuk memperlambat perpindahan panas,’ kata Bergthorson. ‘Saat nyala api merambat melalui partikel-partikel besi itu, ia memiliki jenis perilaku yang sangat berbeda dari apa yang biasa kita lakukan dengan bahan bakar hidrokarbon – fisikanya benar-benar berbeda. Dan kami baru mulai dapat mempelajarinya dan mencoba memahami bagaimana pengaruhnya terhadap sifat nyala api yang mungkin menarik untuk aplikasi praktis.’

Dengan penelitian lebih lanjut, harapannya adalah bahwa efisiensi energi bahan bakar logam akan meningkat, dan kerugian yang terkait dengan pengumpulan dan regenerasi bahan bakar dapat diminimalkan. Beberapa orang mungkin masih mempertanyakan apakah bahan bakar logam benar-benar dapat dianggap sebagai jawaban berkelanjutan untuk masalah energi – lagi pula, logam masih perlu digali dari tanah. Tetapi Bergthorson menunjukkan bahwa setiap sistem energi alternatif akan melibatkan infrastruktur baru dan biaya material.

Gambar yang menunjukkan mesin

‘Pada masa awal pertumbuhan stok bahan bakar logam, akan ada beberapa penambangan tambahan yang diperlukan. Tapi tentu saja, tujuannya adalah untuk terus mendaur ulangnya tanpa batas waktu,’ kata Bergthorson. ‘Alih-alih menggunakannya sekali seperti kita menggunakan bahan bakar fosil, di sini kita berbicara tentang bersepeda melalui 1000, 10.000, 1.000.000 kali.’ Bagi Bergthorson, ini adalah kunci dari konsep tersebut, yang menurutnya mewakili ‘pembawa energi nol-karbon yang paling menjanjikan yang diusulkan hingga saat ini’. ‘Anda hanya menggunakan setrika yang sama berulang-ulang, mengisi daya di satu tempat dan membuangnya di tempat lain.’

Sementara bahan bakar logam mungkin tampak jauh, mereka sudah lebih umum daripada yang mungkin Anda sadari. Hidrogen, yang dianggap sebagai salah satu harapan terbesar untuk transisi energi hijau, dapat dengan sendirinya dianggap sebagai logam alkalin – penelitian telah menunjukkan bahwa pada tekanan yang sangat tinggi, hidrogen dapat mengambil struktur logam. ‘Jadi hidrogen adalah bahan bakar logam. Semua opsi berkelanjutan yang tidak melibatkan karbon, semuanya adalah bahan bakar logam. Baterai kami adalah baterai lithium-ion, baterai nikel-logam hidrida, baterai aluminium-udara, juga berbahan bakar logam,’ Bergthorson mengulangi. ‘Jadi bahan bakar logam ada di sekitar kita dan inilah saatnya kita melihat hubungan itu dan menyadari bahwa mereka dapat memainkan peran besar dalam transisi energi ini, yang sangat mendesak.’

Posted By : tgl hk