karakterisrik, keuntungan dan kerugian Bahan Bakar Hydrogen

Karakteristik Bahan Bakar Hidrogen

Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Unsur ini pertama kali ditemukan di Inggris pada tahun 1766 oleh Henry Cavendish.

 Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia.

Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi, dan biasanya dihasilkan secara industri dari berbagai senyawa hidrokarbon seperti metana. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam.

Isotop  hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpaneutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya atom netral yang persamaan Schrödingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan mekanika kuantum.

Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam tanah nadir dan logam transisi dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam.

Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H₂ di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol.

 Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia:

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon. 

Atom hidrogen

Gambaran atom hidrogen yang menampakkan diameter atom dua kali lebih besar dari jari-jari model Bohr(citra tidak berskala).

Terdapat dua jenis molekul diatomik hidrogen yang berbeda berdasarkan spin relatif inti. Dalam bentuk ortohidrogen, spin dari dua proton adalah paralel dan dalam keadaan triplet; dalam bentuk parahidrogen, spin-nya adalah antiparalel dan dalam keadaan singlet. Pada keadaan standar, gas hidrogen terdiri dari 25% bentuk para dan 75% bentuk orto, juga dikenal dengan sebutan "bentuk normal". Rasio kesetimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen tergantung pada termperatur. Namun oleh karena bentuk orto dalam keadaan tereksitasi, bentuk ini tidaklah stabil dan tidak bisa dimurnikan. Pada suhu yang sangat rendah, hampir semua hidrogen yang ada adalah dalam bentuk parahidrogen. Sifat fisik dari parahidrogen murni berbeda sedikit dengan "bentuk normal". Perbedaan orto/para juga terdapat pada molekul yang terdiri dari atom hidrogen seperti air dan metilena.

Antar ubahan yang tidak dikatalis antara H₂ para dan orto meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur; oleh karenanya H₂ yang diembunkan dengan cepat mengandung banyak hidrogen dalam bentuk orto yang akan berubah menjadi bentuk para dengan sangat lambat. Nisbah orto/para pada H₂ yang diembunkan adalah faktor yang perlu diperhitungkan dalam persiapan dan penyimpanan hidrogen cair: antarubahan dari bentuk orto ke para adalah eksotermik dan dapat menghasilan bahang yang cukup untuk menguapkan hidrogen cair tersebut dan menyebabkan berkurangnya komponen cair. Katalis untuk antarubahan orto-para, seperti misalnya senyawabesi, sering digunakan selama pendinginan hidrogen.

Sebuah bentuk molekul yang disebut molekul hidrogen terprotonasi, atau H₃⁺, ditemukan pada medium antarbintang (Interstellar medium) (ISM), dimana ia dihasilkan dengan ionisasi molekul hidrogen dari sinar kosmos. Molekul ini juga dapat dipantau di bagian atas atmosfer planet Yupiter. Molekul ini relatif cukup stabil pada lingkungan luar angkasa oleh karena suhu dan rapatan yang rendah. H₃⁺ adalah salah satu dari ion yang paling melimpah di alam semesta ini, dan memainkan peran penting dalam proses kimia medium antarbintang.

Walaupun H₂ tidaklah begitu reaktif dalam keadaan standar, ia masih dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur. Jutaan jenishidrokarbon telah diketahui, namun itu semua tidaklah dihasilkan secara langsung dari hidrogen dan karbon. Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan unsur yang lebih elektronegatif seperti halogen (F, Cl, Br, I); dalam senyawa ini hidrogen memiliki muatan parsial positif. Ketika berikatan dengan fluor, oksigen ataupun nitrogen, hidrogen dapat berpartisipasi dalam bentuk ikatan non-kovalen yang kuat, yang disebut dengan ikatan hidrogen yang sangat penting untuk menjaga kestabilan kebanyakan molekul biologi. Hidrogen juga membentuk senyawa dengan unsur yang kurang elektronegatif seperti logam dan metaloid, yang mana hidrogen memiliki muatan parsial negatif. Senyawa ini dikenal dengan nama hidrida.

Hidrogen membentuk senyawa yang sangat banyak dengan karbon. Oleh karena asosiasi senyawa itu dengan kebanyakan zat hidup, senyawa ini disebut sebagai senyawa organik. Studi sifat-sifat senyawa tersebut disebut kimia organik dan studi dalam konteks kehidupan organisme dinamakan biokimia. Pada beberapa definisi, senyawa "organik" hanya memerlukan atom karbon untuk disebut sebagai organik. Namun kebanyakan senyawa organik mengandung atom hidrogen. Dan oleh karena ikatan ikatan hidrogen-karbon inilah yang memberikan karakteristik sifat-sifat hidrokarbon, ikatan hidrogen-karbon diperlukan untuk beberapa definisi dari kata "organik" di kimia.

Dalam kimia anorganik, hidrida dapat berperan sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam dalam kompleks berkoordinasi. Fungsi ini umum ditemukan pada unsur golongan 13, terutama pada kompleks borana (hidrida boron) dan aluminium sertakarborana yang bergerombol.

Isotop hidrogen

Protium, isotop hidrogen yang paling umum dijumpai, memiliki satu proton dan satu elektron. Keunikan isotop ini adalah ia tidak mempunya neutron (lihat pula diproton untuk pembahasan mengenai mengapa isotop tanpa neutron yang lain tidak eksis.

Hidrogen memiliki tiga isotop alami, ditandai dengan ¹H, ²H, dan ³H. Isotop lainnya yang tidak stabil (⁴H to ⁷H) juga telah disintesiskan di laboratorium namun tidak pernah dijumpai secara alami.

• ¹H adalah isotop hidrogen yang paling melimpah, memiliki persentase 99.98% dari jumlah atom hidrogen. Oleh karena inti atomisotop ini hanya memiliki proton tunggal, ia diberikan nama yang deskriptif sebagai protium, namun nama ini jarang sekali digunakan.
• ²H, isotop hidrogen lainnya yang stabil, juga dikenal sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron pada intinya. Deuterium tidak bersifat radioaktif, dan tidak memberikan bahaya keracunan yang signifikan. Air yang atom hidrogennya merupakan isotop deuterium dinamakan air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan sebagai penanda non-radioaktif pada percobaan kimia dan untuk pelarut ¹H-spektroskopi NMR. Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin pada reaktor nuklir. Deuterium juga berpotensi sebagai bahan bakar fusi nuklir komersial.
• ³H dikenal dengan nama tritium dan mengandung satu proton dan dua neutron pada intinya. Ia memiliki sifat radioaktif, dan mereras menjadi Helium-3 melalui pererasan beta dengan umur paruh 12,32 tahun. Sejumlah kecil tritium dapat dijumpai di alam oleh karena interaksi sinar kosmos dengan atmosfer bumi; tritium juga dilepaskan selama uji coba nuklir. Ia juga digunakan dalam reaksi fusi nuklir, sebagai penanda dalam geokimia isotop, dan terspesialisasi pada peralatan self-powered lighting.Tritium juga digunakan dalam penandaan percobaan kimia dan biologi sebagai radiolabel.

Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki tiga nama berbeda untuk isotopnya. (Dalam awal perkembangan keradioaktivitasan, beberapa isotop radioaktif berat diberikan nama, namun nama-nama tersebut tidak lagi digunakan). Simbol D dan T kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada deuterium dan tritium, namun simbol P telah digunakan untuk merujuk pada fosfor, sehingga tidak digunakan untuk merujuk pada protium. Dalam tatanama IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry mengijinkan penggunaan D, T, ²H, dan ³H walaupun ²H dan ³H lebih dianjurkan.

Hidrogen menarik perhatian para peneliti disebabkan dapat dijadikan sebagai bahan bakar yang ramah lingkungan. Pada dasarnya, hidrogen diproduksi dengan mereaksikan antara uap air dengan gas metana dengan meggunakan katalis nikel, kekurangan metode ini adalah menghasilkan hasil samping berupa gas CO2 yag dapat mengakibatkan efek rumah kaca

Hidrogen membutuhkan konstruksi tangki bahan bakar yang berbeda dengan mobil biasa. Dalam bentuk gas, hidrogen adalah senyawa yang ringan dan mudah hilang. Hidrogen 4 kali lebih cepat menguap dari methane dan 10 kali lebih cepat dari uap bensin. Akibatnya tangki harus didisain dari logam khusus. Begitu juga halnya dengan hydrogen cair yang memiliki karakteristik tidak jauh berbeda dengan hydrogen pada wujud gas, justru hydrogen pada fasa cair ini lebih kompleks daripada hydrogen pada fasa gas.

Hal ini menyebabkan konstruksi tangki tidak hanya harus tahan bocor, tetapi juga mampu menjaga agar hidrogen tetap dalam kondisi cair yaitu pada suhu -253 derajat celcius. 

KEUNTUNGAN / KELEBIHAN

Keuntungan menggunakan teknologi sel bahan bakar hidrogen ini adalah, udara lebih bersih dan tak tergantung pada minyak asing. Dengan menggunakan bahan bakar kendaraan bermotor berbasis hidrogen berarti akan menurunkan tingkat polusi dan mengurangi efek rumah kaca. Disamping bisa membawa keuntungan bagi lingkungan hidup, juga membawa keuntungan di bidang keuangan yang sangat perlu dipertimbangkan: pengurangan ongkos produksi.

Kendaraan yang memakai bahan bakar hidrogen diproduksi dari udara dan gas alami, yang menawarkan keuntungan yang sangat besar bagi kesehatan dan bisa menyelamatkan 3700 hingga 6400 nyawa setiap tahunnya di negara Amerika Serikat, dengan pengurangan polusi udara.

Salah satu keuntungan jelas adalah bahwa sel-sel bahan bakar bersih karena produk sampingan yang panas dan air. Produk sampingan ini tidak dapat membahayakan lingkungan. Sel bahan bakar memiliki tingkat efisiensi berkisar antara – dibandingkan dengan bensin dengan hanya tingkat efisiensi. Setiap kali listrik diperlukan Anda dapat menggunakan sel bahan bakar. Ukuran sel bahan bakar scalable.

Ketika terbakar, hidrogen melepaskan energi berupa panas dan menghasilkan air sebagai bahan buangan (2H2 + O2 >— 2H2O). Sama sekali tidak mengeluarkan karbon. Jadi penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar sangat membantu mengurangi polusi Karbon Mioksida dan juga Karbon Monoksida sehingga sekaligus mengurangi efek rumah kaca (meskipun pembakaran hidrogen juga menghasilkan polutan berupa Nitrogen Oksida dalam jumlah kecil). Sebagai perbandingan 1 pound bensin yang dibakar pada suhu 25 derajat Celcius dan tekanan 1 atmosfer akan menghasilkan panas antara 19.000 Btu (44,5 kJ/g) s/d 20.360 Btu (47,5 kJ/g), sedangkan 1 pound Solar bisa menghasilkan panas antara 18.250/lb (42,5 kJ/g) s/d 19,240 Btu (44,8 kJ/g). Hidrogen sendiri dalam kondisi yang sama (25 derajat Celcius dan tekanan 1 atmosfer) dengan berat yang sama mampu menghasilan panas 51.500 Btu/lb (119,93 kJ/g) sampai 61.000 Btu (141,86 kJ/g) yang berarti hampir 3 kali lipat dari panas yang bisa dihasilkan oleh pembakaran bensin dan solar.

Keunggulan lain dari Hidrogen adalah jumlahnya di alam ini sangat melimpah, 93 % dari seluruh atom yang ada di jagat raya ini adalah Hidrogen, unsur yang paling sederhana dari semua unsur yang ada di alam ini . Tiga perempat dari massa jagat raya ini adalah Hidrogen. Di bumi sendiri bentuk hidrogen yang paling umum kita kenal adalah air (H2o).

 KERUGIAN / KEKURANGAN

Namun, tak semua teknologi hidrogen adalah ramah lingkungan. Para peneliti melaporkan bahwa penggunaan batubara untuk memproduksi hidrogen juga akan lebih berpotensi menghasilkan efek rumah kaca, daripada jika seluruh pengemudi di Amerika Serikat menggunakan kendaraan berbahan bakar gas atau elektrik, seperti yang tersedia di pasaran.

Kelemahan Hidrogen (H2) ini sebagai bahan bakar adalah sifatnya sebagai sumber energi yang tidak bersifat langsung (primer) sebagaimana halnya gas alam, minyak atau batubara. Hidrogen adalah energi turunan (Sekunder) sebagaimana halnya listrik yang tidak bisa didapat langsung dari alam, melainkan harus diproduksi dengan menggunakan sumber energi lain seperti Gas alam, minyak, batu bara, nuklir, energi matahari dan berbagai sumber energi lainnya.

Sel bahan bakar hidrogen –yang didengung-dengungkan secara luas sebagai sumber energi yang bebas polusi– bisa jadi tidak sebersih dugaan semula. Demikian diungkapkan para ilmuwan dari California Institute of Technology di Pasadena.

Menurut para peneliti itu, proses penyediaan hidrogen pada sel-sel bahan bakar bisa membuat bumi lebih dingin, lebih berawan, dan menciptakan lubang ozon yang lebih besar di kutub-kutub bumi. Mengapa? Karena dalam proses produksi dan transportasinya, sekitar 10 hingga 20 persen gas itu akan lepas memenuhi atmosfer, begitu ditulis dalam laporan penelitian di journal Science.

Peningkatan konsentrasi gas hidrogen itu ke udara –tepatnya dua molekul hidrogen– dari level normal 0,5 ppm (parts per million) akan menciptakan lebih banyak air (H₂O) karena hidrogen (H₂) akan bereaksi dengan Oksigen (O₂). Akibatnya langit bumi akan dipenuhi lebih banyak awan.

Lubang Ozon Membesar

Sel bahan bakar hidrogen dianggap sebagai bentuk energi multi guna, yakni bisa dipakai untuk apa saja, mulai dari keperluan rumah tangga hingga menjadi bahan bakar kendaraan. Hidrogen sekaligus dipercaya sebagai ramah lingkungan karena tidak menghasilkan gas buangan. Bahan ini berpotensi menggantikan bahan bakar fosil (minyak bumi dan gas) yang dituduh sebagai biang keladi polusi udara dan menimbulkan efek rumah kaca karena gas buangannya menutupi atmosfer bumi.

Namun simulasi komputer yang dilakukan untuk menguji teori ini memperlihatkan bahwa penggunaan hidrogen mengakibatkan suhu stratosferis turun hingga 0,5 derajat Celcius, sehingga kedatangan musim semi di kutub Utara dan Selatan akan terlambat. Selain itu lubang ozon yang terdapat di atas kedua wilayah tersebut akan makin lebar, dalam dan bertahan lama.

Hilangnya lapisan ozon di bagian atas atmosfer membuat sinar matahari menerobos langsung ke bumi dan akan meningkatkan resiko kanker kulit. Adapun mengenai hilangnya lapisan ozon itu, banyak orang menyalahkan penggunaan chlorofluorocarbon, bahan kimia yang digunakan pada lemari es. Bahan ini sekarang telah dilarang penggunaannya.

Lapisan ozon yang bolong diharapkan bakal menutup lagi dalam waktu 20 hingga 50 tahun seiring dengan hilangnya chlorofluorocarbon dari atmosfer. Namun masuknya hidrogen ke atmosfer dikatakan akan memperburuk kondisi ini. Bukan menyehatkan, hidrogen barangkali justru memperparah penyakit yang diderita bumi ini.