SEL BAHAN BAKAR

Permasalahan energi bagi kelangsungan hidup manusia merupakan masalah besar yang dihadapi oleh hampir seluruh negara di dunia ini. Bahan bakar fosil, terutama minyak bumi masih menjadi konsumsi energi utama. Penelitian mengenai bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar fosil terus dilakukan. Parameter keberhasilan bahan bakar alternatif ini adalah dapat diperbarui (renewable energy), ramah lingkungan, dan biaya yang murah.

Konsumsi dunia terhadap energi listrik kian meningkat seiring pesatnya teknologi elektronika. Alternatif yang menarik datang dari fuel cell, yang diharapkan dapat menghasilkan energi listrik dengan efisiensi tinggi dan gangguan lingkungan yang minimal.

Fuel cell menggunakan reaksi kimia, lebih baik daripada mesin pembakaran, untuk memproduksi energi listrik Istilah fuel cell sering dikhususkan untuk hidrogen-oksigen fuel cell. Prosesnya merupakan kebalikan dari elektrolisis. Pada elektrolisis, arus listrik digunakan untuk menguraikan air menjadi hidogen dan oksigen. Dengan membalik proses ini, hidrogen dan oksigen direaksikan dalam fuel cell untuk memproduksi air dan arus listrik.

Konversi energi fuel cell biasanya lebih effisien daripada jenis pengubah energi lainnya. Efiensi konversi energi dapat dicapai hingga 60-80%. Keuntungan lain fuel cell adalah mampu menyuplai energi listrik dalam waktu yang cukup lama. Tidak seperti baterai yang hanya mampu mengandung material bahan bakar yang terbatas, fuel cell dapat secara kontinu diisi bahan bakar (hidrogen) dan oksigen dari sumber luar. Fuel cell merupakan sumber energi ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polutan dan sungguh-sungguh dapat digunakan terus-menerus jika ada suplai hidogen yang berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbarui.

Keuntungan fuel cell yaitu, efisiensi tinggi dapat mencapai 80%, tidak bising dan gas buang yang bersih bagi lingkungan.

Kendala yang masih membatasi pengguanaan fuel cell adalah :

1. Apabila digunakan bahan bakar hidrogen, maka dibutuhkan tanki pengaman yang berdinding tebal dan memiliki katup pengaman. Selain itu diperlukan kompresor untuk memasukan ke adalam tanki.

2. Apabila yang dibawa adalah hidrogen cair, maka akan timbul kesulitan karena harus dipertahankan pada temperatur -253,15^oC pada tekanan 10⁵Pa.

3. Apabila digunakan metanol sebagai pengganti hidrogen, maka dibutuhkan reformer. Tetapi efisiensi menjadi menurun.

4. Temperatur yang cukup tinggi saat pengoperasian antara 60^o-120^oC

Teknologi baru menggunakan prinsip mirip fuel cell untuk menghasilkan energi listrik menggunakan sumber alami, yaitu biofuel cell. Biofuel cell adalah alat untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik dengan bantuan biokatalis dari enzim atau mikroorganisme. Berikut ini sedikit ulasan mengenai beberapa jenis sel bahan bakar :

1. Fuel Cell

Fuel cell adalah alat yang mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh sebuah membran polimer yang berfungsi sebagai elektrolit. Membran ini sangat tipis, ketebalannya hanya beberapa mikrometer saja. Hidrogen dialirkan ke dalam fuel cell yaitu ke bagian anoda, sedang oksigen atau udara dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran, maka gas hidrogen tidak akan bercampur dengan oksigen. Membran dilapisi oleh platina tipis yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. Proton mengalir melalui membran, sedang elektron tidak dapat menembus membran, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion bermuatan positif. Apabila anoda dan katoda dihubungkan dengan sebuah penghantar listrik, maka akan terjadi pengaliran elektron dari anoda ke katoda, sehingga terdapat arus listrik. Elektron yang mengalir ke katoda akan bereaksi dengan proton dan oksigen pada sisi katoda dan membentuk air.

Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell

Anoda : 2H₂ 4H⁺ + 4e^-

Katoda : 4e^- + 4H⁺ + O₂ 2H₂O

Jenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada 6 jenis fuel cell yaitu:

§ Alkaline (AFC)

§ Proton exchange membrane, juga disebut Proton Electrolyt Membrane(PEM)

§ Phosphoric Acid(PAFC)

§ Molten carbonate(MCFC)

§ Solid oxide(SOFC)

§ Direct methanol fuel cells (DMFC)

§ Regenerative fuel cells

2. Biofuel Cell

Biofuel cell adalah sebuah perlalatan yang mengubah secara langsung energi biokimia menjadi energi listrik. Energi penggerak biofuel cell adalah reaksi redoks dari substrat karbohidrat seperti glukosa dan metanol menggunakan mikroorganisme atau enzim sebagai katalis, yang menggunakan mikroorganisme disebut Microbial Fuel Cell (MFC), sedangkan yang menggunakan enzim disebut Enzymatic Fuel Cell (EFC). Prinsip kerjanya mirip dengan fuel cell. Perbedaan utamanya adalah katalis pada biofuel cell adalah mikroorganisme atau enzim, oleh karena itu logam mulia tidak diperlukan, dan kondisi kerja dilakukan pada larutan netral dan temperatur kamar. Sebagai contoh, oksidasi sempurna satu gram metanol dengan bantuan enzim secara teoritis memberi energi listrik 5000 mAh. Oksidasi sempurna satu mol glukosa akan melepaskan 24 mol elektron.

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O 6CO₂ + 24H⁺ + 24 e^-

Oleh karena itu muatan 2,32 x 10⁶ C per mol glukosa berpotensi untuk disambungkan melalui sirkuit elektronik. Besarnya arus yang dihasilkan dari proses oksidasi ini akan bergantung pada besarnya :

1. Angka metabolisme
2. Efisiensi transer elektron menuju elektroda

3. Microbial Fuel Cell (MFC)

MFC terdiri atas dua ruang yang dipisahkan oleh membran penukar proton/ Proton Exchange Membrane (PEM). Satu ruangan menjadi tempat untuk anoda dan ruangan lainnya untuk katoda. Prinsip penggunaan MFC ini erat berhubungan dengan proses biokimia yang terjadi dengan melibatkan mikroba yang disebut glikolisis, siklus asam sitrat, dan rantai transfer elektron.

Glikolisis adalah suatu proses penguraian molekul glukosa yang memiliki enam atom karbon, secara enzimatik untuk menghasilkan dua molekul piruvat yang memilki tiga atom karbon. Selama reaksi-reaksi glikolisis yang berurutan banyak energi bebas yang diberikan oleh glukosa yang disimpan dalam bentuk ATP.

Mediator elektron berperan selama proses transportasi elektron, membawa elektron dari membran plasama bakteri ke anoda. Elektron-elektron ini bergerak melewati sirkuit elektrik dan setelah itu mereduksi ion ferisianida menjadi ion ferosianida pada katoda. Proton dipompakan dari bakteri ke lingkungan anoda melewati membran penukar proton (PEM) ke ruang katoda. Ferosianida dioksidasi kembali menjadi ferisianida. Sedangkan ion hidrogen beraksi dengan oksigen membentuk air.

4 Fe(CN)₆^3- + 4 e 4 Fe(CN)₆^4-

4 Fe(CN)₆^4- + 4 H⁺ + O₂ 4 Fe(CN)₆^3- + 2 H₂O

Berdasarkan pada pengetahuan pada fungsi biofuel cell usaha-usaha sudah banyak dilakukan untuk memaksimalkan arus dan daya keluaran pada MFC, antara lain ⁽¹⁾ :

1. Membandingkan dan menggunakan kombinasi berbeda bakteri dan mediator elektron.

2. Menggunakan kultur bakteri campuran.

3. Menggunakan lingkungan anaerobik di anoda.

4. Meningkatkan angka suplai bahan bakar.

5. Modifikasi elektroda

6. memompakan oksigen melewati ruangan katoda.

Microbial Fuel Cell didasari coupling oksidasi glukosa menjadi molekul oksigen dan air. Bakteri Escherichia Coli (E. Coli) dapat digunakan untuk eksperimen ini, suatu mikroorganisme yang sering ditemukan pada usus manusia. Bakteri seperti E. Coli menguraikan glukosa menghasilkan ATP yang dimanfaatkan sel untuk sumber energi. Methylene blue (MB) digunakan sebagai mediator elektron atau electronophore untuk sarana efisiensi transfer elektron dari mikroorganisme ke elektroda.

Mediator elektron yang ideal seharusnya :

1. Dapat membentuk pasangan redoks reversibel pada katoda
2. Terhubung dengan NADH dan memiliki angka potensial reduksi standar yang sangat negatif dalam rangka untuk memaksimalkan produksi energi listrik.
3. Stabil pada bentuk oksidasi maupun bentuk reduksi.
4. Tidak terdekomposisi selama reaksi redoks yang berulang-ulang dalam jangka waktu lama.
5. Memiliki polaritas sehingga mediator dapat larut dalam air dan dapat diserap oleh membran mikroba.

Methylene blue dan neutral red adalah dua jenis mediator elektron yang biasa digunakan dalam MFC karena toksisitas yang rendah.

Mediator elektron membuka jalan ke dalam rantai transfer elektron, secara kimiawi mereduksi NAD⁺ menjadi NADH. Mekanisme nyata transfer elektron melalui mediator elektron masih belum jelas. Bagaimanapun juga, ini diketahui bahwa elektron memasukan diri ke dalam membran bakteri dan pada dasarnya “membajak” proses transportasi elektron metabolisme glukosa.

Table 1. Karakteristik Umum Fuel Cell Kimiawi dan Biologis.

No		Fuel Cell Kimiawi	Fuel Cell Biologis
1	Katalis	Logam mulia	Mikroorganisme / enzim
2	pH	Larutan asam (pH<1)	Larutan netral pH 7.0-9.0
3	Temperatur	lebih dari 200 ° C	Temperatur 22-25 ° C
4	Elektrolit	Asam fosfat	Larutan fosfat
5	Kapasitas	Tinggi	Rendah
6	Efisiensi	40 – 60 %	Lebih dari 40 %
7	Tipe Bahan Bakar	Gas alam, H2, dll.	Karbohidrat dan hidrokarbon

Table 2. Energi Teoritis Kandungan Metanol, Etanol, Dan Glukosa. Perhitungan Didasari Asumsi Dari Konversi Sempurna; Kemungkinan Besar Angka Konversi Dalam Praktek Sekitar 50%.

No		Metanol (1g/10 ml H2O)	Etanol (1g/10 ml H2O)	Glukosa (3g/10 ml H2O)
1	Kapasitas (mAh)	5025 (2512*)	3500 (1750*)	893 (446*)
2	H2O yang terbentuk (g)	1,125	0,391	0,300
3	CO2 yang terbentuk	1,375	0,956	2,97 glucono-lactone

*angka konversi 50%