Untuk memenuhi kebutuhan energi global secara berkelanjutan, negara-negara harus menggabungkan berbagai pendekatan. Para ilmuwan ini mengejar terobosan dalam bidang penelitian energi yang sangat penting: hidrogen, baterai jaringan, dan pengurangan karbon dioksida secara elektrokimia.
ANNE LYCK SMITSHUYSEN: Tenaga hidrogen
Anne Lyck Smitshuysen ingin menemukan cara yang hemat biaya untuk membuka daya hidrogen dalam molekul air. Sebagai mahasiswa PhD di Technical University of Denmark di Kongens Lyngby, ia bekerja dengan sel elektrolisis oksida padat yang menggunakan arus listrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen.
Lyck Smitshuysen mengembangkan cetakan cetak 3D untuk melindungi sel keramik dari lengkungan dan keretakan selama proses produksi, sehingga memungkinkan untuk meningkatkan ukuran sel dari 150 cm2 menjadi 1.000 cm2. “Dengan meningkatkan prosesnya, kami dapat membuatnya lebih murah untuk menggunakan elektrolisis untuk aplikasi skala besar,” katanya, memperkirakan bahwa inovasi ini dapat mengurangi biaya produksi bahan bakar hidrogen sebesar 15%.
Penelitian yang dipresentasikan pada konferensi internasional American Ceramic Society tentang keramik dan komposit canggih pada bulan Januari lalu, telah membuat Lyck Smitshuysen meraih penghargaan Flemming Bligaard Award senilai €67.000 (US$68.000) untuk para peneliti pemula di bidang energi berkelanjutan dari Ramboll Foundation di Denmark. Ia juga merupakan finalis untuk Future Hydrogen Leader Award 2022 dari Sustainable Energy Council, sebuah badan industri yang berbasis di London.
Selain penelitian PhD-nya, Lyck Smitshuysen bekerja sebagai spesialis sel bahan bakar di DynElectro, sebuah perusahaan rintisan Denmark yang berfokus pada energi berbasis hidrogen. Pada bulan Maret, sebuah makalah1 yang ia tulis bersama rekannya menggambarkan upaya sukses perusahaan untuk meningkatkan masa pakai sel hidrolisis dengan melakukan siklus cepat antara arus searah dan arus bolak-balik.
“Saat ini, sepertinya kami dapat memperpanjang masa pakai sel ini dari dua atau tiga tahun menjadi setidaknya lima tahun,” kata Lyck Smitshuysen. “Karena kami adalah insinyur, kami tidak akan mengatakan bahwa itu berarti masa pakai yang tak terbatas. Pada titik tertentu, sesuatu akan berjalan dengan cara yang tidak kami perkirakan.”
Sel yang lebih tahan lama akan membantu mengurangi biaya hidrolisis, sebuah langkah penting menuju sistem energi yang lebih ramah lingkungan. “Saya ingin melakukan sesuatu untuk bergerak menuju masyarakat yang lebih netral karbon,” kata Lyck Smitshuysen. “Itu adalah motivator yang besar.” – oleh Chris Woolston
SHIRLEY MENG: Solusi penyimpanan
Shirley Meng sees a future power grid that runs largely on megawatt-scale batteries storing energy harvested from wind and solar power. It’s a vision so large that Meng, a materials scientist, felt compelled to leave her lab at the University of California, San Diego, to join the Argonne National Laboratory, outside Chicago, where she is now the chief scientist of the Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science. “We needed a national lab to do things on a larger scale,” she says.
Large-scale battery power requires nano-scale precision. In a review2 published in April, Meng and her team describe using artificial intelligence and computed X-ray tomography — a common medical imaging technique — to observe battery function and deterioration in batteries including lithium ion batteries, a type that is often used to support large power grids.
Every bit of wear, no matter how small, erodes a battery’s power and longevity. “We’re developing tools to enable us to diagnose and quantify battery degradation, so we can come up with engineering solutions to make a battery last for centuries,” she says. Whether they are powering cars or entire communities, batteries must be durable and recyclable, Meng says. She wants to get the most out of every lithium atom or any other resource that goes into battery production. “Once we take resources from the ground, I want them to contribute to the grid forever,” she says. Increasing the lifespan of a battery also reduces the overall cost per kilowatt hour, a crucial aspect of any reimagining of the world’s energy grid.
Although she calls herself a “battery person”, Meng emphasizes that it will take a wide variety of energy sources and storage strategies to power the future grid. She envisions a mixture of ion batteries and ‘flow batteries’, which store energy in liquid tanks. She also sees an important role for hydrogen in energy production and storage.
But batteries will be the foundation, she says. “We have enough solar; we have enough wind. Batteries are the last missing piece for a grid that is stable and sustainable.” — by Chris Woolston
YING CHUAN TAN: Konverter karbon
Memajukan sumber energi yang lebih berkelanjutan pertama kali memotivasi Ying Chuan Tan sebagai mahasiswa sarjana di Singapura. Kini, sebagai peneliti teknik kimia dan biomolekuler di Institute of Sustainability for Chemicals, Energy and Environment (ISCE2), yang diluncurkan di bawah Badan Ilmu Pengetahuan, Teknologi, dan Riset Singapura pada bulan Maret, ia tertarik pada satu teknologi yang sedang berkembang: reduksi karbon dioksida secara elektrokimia.
Proses ini melibatkan penggunaan elektrolisis air untuk mengubah CO2 secara langsung menjadi etanol, etilena, dan bahan kimia berharga lainnya – alih-alih mengambilnya dari bahan bakar fosil. “Hal ini membantu membuatnya lebih berkelanjutan,” kata Tan. Hal ini juga dapat membantu mengurangi dampak perubahan iklim. Menangkap CO2 dari atmosfer dan menyimpannya jauh di bawah tanah itu mahal. Pengurangan elektrokimia menawarkan alternatif yang hemat biaya, dengan manfaat tambahan untuk menghasilkan produk multi-karbon yang berguna sambil menggunakan sumber energi terbarukan.
Namun, agar teknologi yang baru lahir ini dapat merealisasikan potensinya, tingkat efisiensi konversi karbon perlu ditingkatkan menjadi 50% atau lebih, dari 30% saat ini, kata Tan. Pada tahun 2019, Tan pindah ke Korea Advanced Institute of Science and Technology di Daejeon untuk memperdalam pengetahuannya tentang teknologi tersebut, sebelum kembali ke Singapura pada tahun 2021.
Tan mencari katalis baru. Perak dan emas, misalnya, digunakan untuk memproduksi karbon monoksida (komponen utama gas sintetis), tetapi harganya mahal. Nikel berukuran nano merupakan alternatif yang menjanjikan, namun menemukan kerangka kerja agar dapat bekerja dengan baik pada elektroda cukup menantang. Pada tahun 2021, tim Tan menjelaskan bagaimana tabung nano karbon dalam nikel memaksimalkan situs aktif yang tersedia untuk pengikatan sekaligus memfasilitasi aliran elektron yang tidak terputus3. Hal ini memungkinkan CO2 direduksi lebih cepat menjadi karbon monoksida.
Tan juga mempelajari bagaimana berbagai parameter proses, seperti ketebalan lapisan katalis, jenis elektrolit, dan laju aliran CO2, dapat mengubah efisiensi konversi. Pada tahun 2020, timnya menemukan bahwa memasukkan lebih banyak CO2 ke dalam sistem tidak selalu menghasilkan lebih banyak produk multi-karbon yang diinginkan4, bertentangan dengan asumsi banyak peneliti.
Sejak Tan pindah ke Singapura, fokusnya adalah mencari cara untuk mendukung industri kimia Singapura agar tetap kompetitif. “Saya berharap teknologi saya dapat digunakan secara global,” katanya, “dan kita dapat memiliki produksi kimia yang lebih berkelanjutan melalui jalur elektrokatalisis.” – oleh Sandy Ong
