Ekonomi Hidrogen Menghadapi Tantangan Material Akibat Pengeroposan

Bayangkan masa depan tanpa emisi gas buang, di mana langit biru tidak lagi tertutup oleh asap pabrik, melainkan digantikan oleh energi hidrogen yang bersih dan efisien. Visi ini sangat memukau, seolah-olah sudah di depan mata. Namun, energi hidrogen tidak semudah yang dibayangkan—ia memberikan persyaratan yang sangat ketat pada material. Sedikit saja kelalaian dapat menyebabkan konsekuensi serius. Hari ini, kita akan menyelami "pembunuh material" tersembunyi yang mengintai dalam aplikasi energi hidrogen: kerapuhan hidrogen, dan menjelajahi cara menghindari jebakan tersembunyi ini di jalur transisi energi.

Dalam gelombang transisi energi global, energi hidrogen dianggap sebagai "bintang masa depan," membawa aspirasi tak terbatas untuk energi bersih. Ia memiliki berbagai sumber dan dapat diproduksi melalui berbagai metode seperti elektrolisis air, reformasi bahan bakar fosil, dan gasifikasi biomassa. Lebih penting lagi, pembakaran hidrogen hanya menghasilkan air, mencapai "nol emisi" sejati, menjadikannya bahan bakar yang ideal.

Prospek aplikasi energi hidrogen sangat luas, mencakup transportasi, produksi industri, pemanasan bangunan, penyimpanan energi, dan banyak lagi. Dalam transportasi, kendaraan sel bahan bakar hidrogen dianggap sebagai alternatif ideal untuk mobil bertenaga bahan bakar tradisional, menawarkan keuntungan seperti jangkauan yang jauh, waktu pengisian bahan bakar yang singkat, dan nol emisi. Dalam industri, hidrogen dapat berfungsi sebagai agen pereduksi atau bahan baku sintetis untuk peleburan baja dan produksi kimia, mengurangi emisi karbon. Di bangunan, sel bahan bakar hidrogen dapat menyediakan listrik dan panas, mencapai swasembada energi. Dalam penyimpanan energi, hidrogen dapat mengubah kelebihan listrik menjadi energi kimia untuk penyimpanan dan kemudian kembali menjadi listrik saat dibutuhkan, mengatasi intermitensi energi terbarukan.

Namun, untuk benar-benar memanfaatkan energi hidrogen dan mengubah "bintang masa depan" menjadi kenyataan, kita harus mengatasi serangkaian tantangan teknis. Di antaranya, penyimpanan dan transportasi hidrogen adalah mata rantai penting dan merupakan salah satu rintangan paling signifikan dalam aplikasi energi hidrogen. Hidrogen memiliki kepadatan energi volumetrik yang rendah, sangat mudah terbakar dan meledak, serta rentan terhadap permeasi, sehingga penyimpanan dan transportasinya sangat sulit.

Saat ini, metode penyimpanan hidrogen terutama mencakup penyimpanan gas bertekanan tinggi, penyimpanan cair kriogenik, dan penyimpanan padat. Penyimpanan gas bertekanan tinggi relatif matang tetapi memiliki kepadatan energi volumetrik yang rendah, membutuhkan wadah bertekanan tinggi, dan menimbulkan risiko keselamatan. Penyimpanan cair kriogenik secara signifikan meningkatkan kepadatan energi volumetrik tetapi membutuhkan pendinginan hidrogen hingga suhu yang sangat rendah (-253°C), yang menghabiskan energi yang cukup besar. Penyimpanan padat menawarkan kepadatan energi volumetrik yang tinggi dan keamanan yang baik tetapi tetap mahal dan secara teknologi belum matang.

Metode transportasi hidrogen terutama mencakup transportasi melalui pipa, truk tangki, dan pengiriman. Transportasi melalui pipa sangat ideal untuk transportasi hidrogen jarak jauh dan skala besar tetapi membutuhkan pipa hidrogen khusus dengan investasi yang substansial. Truk tangki cocok untuk transportasi jarak pendek dan skala kecil tetapi tidak efisien. Pengiriman cocok untuk transportasi jarak jauh dan skala besar tetapi membutuhkan pencairan atau konversi hidrogen menjadi bentuk lain sebelum transportasi.

Baik untuk penyimpanan maupun transportasi, hidrogen memberikan persyaratan yang sangat ketat pada material. Material logam tradisional rentan terhadap kerapuhan hidrogen di lingkungan hidrogen, yang menyebabkan kegagalan peralatan dan bahkan kecelakaan keselamatan. Oleh karena itu, mengembangkan material berkinerja tinggi yang cocok untuk lingkungan hidrogen adalah aspek penting dari aplikasi energi hidrogen.

Hidrogen, sebagai "unsur nomor satu" pada tabel periodik, memiliki volume atom terkecil dan massa teringan. Sifat fisik yang unik ini membuatnya sangat rentan terhadap penetrasi ke dalam interior material logam, menyebabkan serangkaian masalah. Terutama dalam aplikasi energi hidrogen praktis, hidrogen biasanya ada dalam bentuk cair atau gas, yang menghadirkan tantangan tambahan.

• Kerapuhan Kriogenik: Hidrogen cair mencapai suhu yang sangat rendah yaitu -252,9°C (-423°F). Pada suhu seperti itu, keuletan material logam menurun secara signifikan, menjadi lebih rapuh dan rentan terhadap patah. Fenomena ini dikenal sebagai kerapuhan kriogenik.
• Kerapuhan Hidrogen: Pada suhu ruangan, hidrogen gas terurai menjadi atom hidrogen, yang berdifusi ke dalam interior logam, mengubah mikrostrukturnya dan mengurangi kekuatan serta ketangguhannya, membuatnya lebih rentan terhadap patah. Inilah yang biasa kita sebut sebagai "kerapuhan hidrogen."

Kerapuhan hidrogen adalah bentuk korosi hidrogen yang mengurangi ketahanan logam terhadap kelelahan dan patah. Proses ini dapat dipahami secara sederhana sebagai berikut: molekul hidrogen terurai menjadi atom hidrogen, yang menembus interior logam dan menumpuk pada titik konsentrasi tegangan, seperti ujung retakan, batas butir, inklusi, atau endapan. Dalam beberapa kasus, atom hidrogen bahkan dapat bergabung kembali menjadi molekul hidrogen, yang selanjutnya memperburuk kerapuhan hidrogen.

Terjadinya kerapuhan hidrogen adalah proses fisikokimia yang kompleks yang melibatkan beberapa langkah: adsorpsi hidrogen, penyerapan, difusi, dan akumulasi. Atom hidrogen pertama kali teradsorpsi pada permukaan logam, kemudian terurai menjadi ion hidrogen, yang masuk ke dalam interior logam, berdifusi ke titik konsentrasi tegangan, berinteraksi dengan atom logam, mengubah mikrostruktur logam, dan pada akhirnya menurunkan sifat mekanik material.

Bahaya kerapuhan hidrogen tidak dapat diremehkan. Hal ini dapat menyebabkan kegagalan peralatan dini, peningkatan biaya perawatan, dan bahkan kecelakaan keselamatan, yang menghambat adopsi energi hidrogen secara luas. Misalnya, retakan pipa hidrogen akibat kerapuhan dapat menyebabkan kebocoran, yang menyebabkan kebakaran atau ledakan. Tangki penyimpanan kendaraan sel bahan bakar hidrogen yang gagal akibat kerapuhan dapat membuat kendaraan tidak dapat beroperasi atau bahkan menyebabkan kecelakaan.

Oleh karena itu, pemilihan material sangat penting dalam desain dan konstruksi sistem energi hidrogen. Hanya material dengan ketahanan yang sangat baik terhadap kerapuhan hidrogen yang dapat memastikan pengoperasian sistem energi hidrogen yang aman dan andal.

Jadi, bagaimana kita dapat membangun peralatan energi hidrogen yang kuat dan andal? Jawabannya terletak pada pemilihan material yang tepat! Secara khusus, baja tahan karat berkualitas tinggi yang diformulasikan secara khusus dapat lebih baik mengatasi tantangan yang ditimbulkan oleh hidrogen.

Baja tahan karat adalah baja paduan yang terutama terdiri dari besi, dengan elemen paduan seperti kromium, nikel, dan molibdenum. Kromium membentuk lapisan oksida padat pada permukaan baja tahan karat, mencegah korosi. Nikel meningkatkan kekuatan dan ketangguhan, sementara molibdenum meningkatkan ketahanan korosi.

Berbagai jenis baja tahan karat menunjukkan ketahanan yang berbeda terhadap kerapuhan hidrogen. Umumnya, baja tahan karat austenitik berkinerja baik terhadap kerapuhan hidrogen, sementara baja tahan karat feritik dan martensitik lebih rentan.

Baja tahan karat austenitik, yang terutama terdiri dari austenit, menawarkan plastisitas, ketangguhan, dan kemampuan las yang baik, menjadikannya banyak digunakan dalam industri kimia, perminyakan, dan makanan. Grade umum termasuk 304, 316, dan 321. Baja tahan karat feritik, yang terutama terdiri dari ferit, memiliki kekuatan dan ketahanan korosi yang lebih tinggi tetapi plastisitas dan ketangguhan yang lebih buruk, membuatnya rentan terhadap kerapuhan kriogenik dan kerapuhan hidrogen. Grade umum termasuk 430 dan 446. Baja tahan karat martensitik dapat diperkuat melalui perlakuan panas, menawarkan kekuatan dan kekerasan yang tinggi tetapi plastisitas dan ketangguhan yang lebih buruk, membuatnya rentan terhadap kerapuhan hidrogen. Grade umum termasuk 410 dan 420.

Oleh karena itu, baja tahan karat austenitik harus diprioritaskan dalam desain dan konstruksi sistem energi hidrogen. Jika baja tahan karat feritik atau martensitik harus digunakan, tindakan perlindungan yang tepat—seperti pelapis permukaan atau perlindungan katodik—harus diterapkan untuk mengurangi risiko kerapuhan hidrogen.

Di luar baja tahan karat, material lain seperti paduan aluminium, paduan titanium, dan paduan berbasis nikel juga menunjukkan ketahanan yang baik terhadap kerapuhan hidrogen. Material ini lebih mahal tetapi menawarkan kinerja yang unggul, menjadikannya cocok untuk aplikasi keselamatan tinggi.

Di bawah ini, kami membahas beberapa pertanyaan umum untuk mengeksplorasi pertimbangan utama dalam pemilihan material energi hidrogen.

J: Kerapuhan kriogenik mengacu pada penurunan keuletan, ketangguhan, dan ketahanan kelelahan dan patah logam saat suhu turun. Sederhananya, logam menjadi lebih rapuh dan rentan terhadap patah pada suhu rendah.

Berbagai jenis baja tahan karat menunjukkan ketahanan yang berbeda terhadap kerapuhan kriogenik. Baja tahan karat austenitik mempertahankan ketangguhan yang baik pada suhu rendah, sementara baja tahan karat feritik (termasuk baja paduan rendah, feritik, atau baja tahan karat dupleks) lebih rentan terhadap kerapuhan kriogenik. Dengan demikian, baja tahan karat austenitik adalah pilihan yang disukai untuk sistem hidrogen cair. Jika aplikasi Anda sangat sensitif terhadap kerapuhan kriogenik, baja tahan karat austenitik adalah pilihan yang tepat.

Baja tahan karat austenitik tahan terhadap kerapuhan kriogenik karena struktur kristal kubik berpusat muka (FCC), yang mempertahankan plastisitas dan ketangguhan yang baik pada suhu rendah, mencegah patah rapuh. Selain itu, beberapa paduan aluminium, paduan titanium, dan paduan berbasis nikel juga tahan terhadap kerapuhan kriogenik, menjadikannya cocok untuk lingkungan kriogenik seperti penyimpanan dan transportasi hidrogen cair.

J: Kerapuhan hidrogen adalah bentuk korosi hidrogen yang mengurangi ketahanan logam terhadap kelelahan dan patah. Prosesnya dapat disederhanakan sebagai berikut: molekul hidrogen terurai menjadi atom yang menembus interior logam dan menumpuk pada titik konsentrasi tegangan seperti ujung retakan, batas butir, inklusi, atau endapan. Dalam beberapa kasus, atom hidrogen dapat bergabung kembali menjadi molekul, yang memperburuk kerapuhan.

Kerapuhan hidrogen melibatkan beberapa langkah: adsorpsi hidrogen, dekomposisi, penyerapan, difusi, akumulasi, dan akhirnya patah rapuh. Terjadinya tergantung pada faktor-faktor seperti tekanan hidrogen, suhu, kemurnian, jenis logam, komposisi, mikrostruktur, dan besaran/frekuensi tegangan.

J: Material yang rentan terhadap kerapuhan hidrogen secara signifikan meningkatkan risiko kegagalan sistem. Umumnya, material berkekuatan tinggi lebih rentan. Baja tahan karat austenitik, dengan struktur kristal FCC, kekuatan sedang, dan keuletan yang baik, biasanya lebih cocok untuk lingkungan hidrogen. Namun, grade yang berbeda bervariasi dalam ketahanan. Baja tahan karat feritik dan martensitik, karena struktur kristal dan komposisinya, lebih rentan terhadap kerapuhan. Baja berkekuatan tinggi dan paduan titanium juga rentan di lingkungan hidrogen.

Penggunaan material yang tidak sesuai dapat menyebabkan kegagalan peralatan dini, biaya perawatan yang lebih tinggi, dan bahaya keselamatan. Potensi konsekuensinya meliputi:

• Risiko keselamatan: Kebocoran hidrogen dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan.
• Waktu henti: Perbaikan atau penggantian peralatan mengganggu operasi.
• Peningkatan frekuensi penggantian: Komponen memerlukan perubahan yang lebih sering, meningkatkan biaya.
• Dampak lingkungan: Kebocoran hidrogen membuang energi dan dapat merusak lingkungan.
• Biaya operasional yang lebih tinggi: Secara keseluruhan, biaya perawatan dan operasional meningkat.

J: Baja tahan karat berkualitas tinggi dengan kandungan nikel yang lebih tinggi lebih cocok untuk lingkungan hidrogen, terutama untuk layanan jangka panjang. Standar ASTM mengharuskan baja tahan karat 316 mengandung setidaknya 10% nikel, tetapi untuk aplikasi hidrogen, kandungan nikel 12% berkinerja lebih baik. Nikel menstabilkan mikrostruktur, meningkatkan ketahanan terhadap kerapuhan. Pengujian menunjukkan baja tahan karat 316 dengan 12% nikel mempertahankan keuletan tarik dengan baik di bawah paparan hidrogen.

Nikel menstabilkan austenit, meningkatkan plastisitas dan ketangguhan, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap kerapuhan. Ia juga memperlambat difusi hidrogen, mengurangi akumulasi atom dan risiko kerapuhan. Di luar kandungan nikel, faktor-faktor seperti kemurnian, ukuran butir, dan pemrosesan juga memengaruhi kinerja.

J: Di sektor energi hidrogen yang berkembang pesat, pemilihan material sangat kompleks tetapi sangat penting. Pilihan yang tepat secara langsung memengaruhi reputasi hidrogen sebagai bahan bakar yang andal dan berkelanjutan. Pilihan yang buruk dapat membahayakan masa depannya. Carilah pemasok dengan keahlian ilmu material yang mendalam dan kasus aplikasi hidrogen yang berhasil. Konsultasikan dengan para ahli untuk mengidentifikasi solusi optimal untuk kebutuhan spesifik.

• Sifat mekanik: Kekuatan, ketangguhan, plastisitas, ketahanan kelelahan.
• Ketahanan korosi: Ketahanan terhadap hidrogen dan korosi elektrokimia.
• Ketahanan kerapuhan hidrogen: Metrik kinerja yang paling penting.
• Biaya: Menyeimbangkan kinerja dan keterjangkauan.
• Kemampuan proses: Kemudahan pembentukan menjadi komponen.
• Kemampuan las: Kompatibilitas dengan proses pengelasan.

Selain itu, pertimbangkan lingkungan operasional (suhu, tekanan, media) untuk memilih material dengan kinerja yang sesuai dalam kondisi tertentu.

Seiring kemajuan teknologi energi hidrogen, persyaratan material semakin ketat. Material energi hidrogen di masa depan akan berkembang ke arah ini:

• Kekuatan dan ketangguhan tinggi: Meningkatkan keselamatan dan keandalan sistem.
• Ketahanan korosi hidrogen: Memperpanjang umur sistem.
• Biaya rendah: Mempromosikan adopsi secara luas.
• Ringan: Meningkatkan jangkauan kendaraan sel bahan bakar.
• Material pintar: Kemampuan penyembuhan diri, diagnostik meningkatkan keselamatan.

Para peneliti sedang mengeksplorasi material baru seperti paduan entropi tinggi, nanomaterial, dan intermetalik, yang menunjukkan harapan untuk aplikasi hidrogen di masa depan.

Energi hidrogen, sebagai sumber energi yang bersih, efisien, dan berkelanjutan, memiliki potensi yang sangat besar. Namun, untuk mencapai adopsi skala besar, diperlukan mengatasi tantangan teknis, dengan pemilihan material menjadi sangat penting. Hanya dengan memilih material yang sesuai, kita dapat memastikan sistem hidrogen yang aman dan andal, membuka potensi penuh mereka untuk masa depan yang lebih bersih. Mari kita bekerja sama untuk memecahkan tantangan material dan memajukan adopsi global energi hidrogen.