Elektrolisis Air

Elektrolisis air adalah peristiwa penguraian senyawa air (H₂O) menjadi oksigen (O₂) dan hidrogen gas (H₂) dengan menggunakan arus listrik yang melalui air tersebut. Jadi hasil dari elektrolisis air ini adalah hidrogen murni dan oksigen murni. Meski sebenarnya proses ini lebih ditujukan untuk mendapatkan gas hidrogen, meski secara skala industri, proses elektorlisis air ini kurang populer. 

Pada katode, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H₂ dan ion hidrokida (OH^-). Sementara itu pada anode, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O₂), melepaskan 4 ion H⁺ serta mengalirkan elektron ke katode. Ion H⁺ dan OH^- mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan sebagai berikut.

Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung pada elektrode dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H₂O₂) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen.

Metode elektrolisis air suhu tinggi atau High Temperature Electrolysis System (HTES)

Metode lain untuk memproduksi gas hidrogen adalah dengan menggunakan Metode elektrolisis air suhu tinggi atau High Temperature Electrolysis System (HTES) adalah salah satu metode terbaik yang hingga saat ini banyak digunakan untuk memproduksi hidrogen dan oksigen dalam skala besar. Keunggulan dari metode HTES adalah pada proses operasinya mampu meminimalisir konsumsi energi listrik karena pada proses elektrolisis dengan suhu operasi yang sangat tinggi konsumsi energi listrik menjadi semakin minimal dan konsumsi energi panas menjadi semakin besar. Meskipun demikian, proses tersebut dianggap menguntungkan mengingat biaya pembangkitan sejumlah energi panas lebih murah bila dibandingkan dengan biaya pembangkitan sejumlah energi listrik. Selain itu, bila ditilik dari kualitas hidrogen yang dihasilkan, metode HTES mampu menghasilkan hidrogen dengan puritas tinggi.

Dalam prosesnya, HTES melibatkan energi listrik dan energi panas dari sumber sumber-sumber panas yang mudah diperoleh seperti PLTN generasi IV (semisal MSR, GCR atau VHTR) atau pembangkit geotermal. Proses yang berlangsung adalah proses termokimia pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion-ion oksigen pada kondisi fluida superheat.

Secara kimia, reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut.

Katoda : H₂O_(g) –> 2e^- + H_{2 (g)} + O^2-

Anoda : O^2-  –> ½O_{2 (g)} + 2^e-

Total : H₂O_{(l) –>}  H_2(g) + ½O_2(g)

Dengan total kebutuhan energi untuk reaksi elektrolisis di atas dirumuskan dengan persamaan berikut.

∆H = ∆G + T∆S

Adapun ∆H adalah total kebutuhan energi untuk proses elektrolisis suhu tinggi. ∆G adalah energi bebas Gibs yang sesungguhnya megejawantahkan kebutuhan energi listik dan T∆S adalah kebutuhan energi panas atau energi kalor untuk proses elektrolisis.

Proses elektrolisis air suhu tinggi terjadi dalam komponen yang dinamakan electrolyzer. Electrolyzer terdiri dari tiga bagian utama yakni elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit plus satu komponen yang tidak kalah pentingnya yakni interkoneksi. (perhatikan gambar di bawah). Gambar 1. dan 2. adalah tampak atas dan tampak depan sekumpulan sel electrolyzer.

Gambar 1. Tampak Atas Sekumpulan Sel Electrolyzer

 

Gambar 2. Tampak Depan Sekumpulan Sel Electrolyzer

Untuk proses elektrolisis suhu tinggi biasanya menggunakan jenis sel electrolyzer dari jenis Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC). Hal ini didasari atas keunikan electrolyzer jenis SOEC yang mampu beroperasi pada suhu ekstrim bahkan mampu beroperasi hingga suhu 1000 ºC atau lebih.

Secara sederhana konsep elektrolisis air suhu tinggi dalam sebuah electolyzer adalah proses pemecahan molekul air menjadi molekul hidrogen dan ion oksigen pada suhu tinggi dengan memanfaatkan energi listrik dan energi termal.

 

Gambar 3. Proses Kimia dan Fisis Elektrolisis Air pada Suhu Tinggi

Umpan masuk pada sisi inlet electrolyzer berupa (H₂+H₂O) berada dalam kondisi satu fase berupa uap. Energi listrik dan energi termal yang disuplai ke dalam sel-sel electrolyzer selanjutnya akan digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H₂O menjadi molekul H₂ dan O^2-. Selanjutnya ion-ion O^2- yang terbentuk akan bermigrasi melewati membran elektrolit untuk mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisika electron-hole. 

Setelah mencapai sisi anoda, ion-ion O^2- akan melepaskan elektron dan membentuk molekul oksigen pada sisi anoda. Adapun molekul hidrogen terbentuk pada sisi katoda. Molekul oksigen dan hidrogen yang dihasilkan masih dalam kondisi superheat sehingga perlu melewati suatu proses pendinginan pada komponen oxygen cooler dan hydrogen steam cooler. Setelah mengalami cooling process atau proses pendinginan selanjutnya hidrogen dimurnikan dalam komponen separator. 

Se parator merupakan komponen yang selalu ada pada suatu instalasi produksi hidrogen dengan fungsi dasar sebagai pemisah antara hidrogen dengan air (fraksi air biasanya dalam campuran ini (H₂+H₂O) tergolong sangat kecil). Setelah melewati proses tersebut hidrogen dan oksigen ditampung dalam tangki penyimpanan semantara sebelum akhirnya di transformasi dalam berbagai moda untuk selanjutnya didistribusikan.