TUGAS TEKNOLOGI HIDROGEN DAN FUEL CELLCOMPRESSED HYDROGEN GAS STORAGE MOBILE APPLICATIONS

Disusun oleh:1. M.Akvis Fauzi(I0512038)2. Rezqi Dwi Oktaviani(I0512048)3. Sifa Dian P.S(I0512057)4. Sulistyaningsih (I0512061)

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA2015

BAB IPENDAHULUAN

Gas hidrogenmerupakan gas yang sangat reaktif. Bahkan pada konsentrasi 4-74%, gas hidrogen membentuk campuran eksplosif dengan udara. Campuran tersebut akan spontan meledak karena dipicu oleh api, panas atau sinar matahari. Karena alasan inilah maka penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar harus sangat hati-hati. Walaupun densitas energi per gram gas hidrogen lebih besar daripada gasolin, namun densitas energi pervolumenya lebih rendah. Berbagai teknologi penyimpanan gas hidrogen telah dikembangkan denganmempertimbangkan biaya, berat dan volume, efisiensi, keawetan, temperatur kerja sertaefisiensinya.Compressed hidrogen adalah salah satu alternatif yang menarik untuk memenuhi kebutuhan energi di masa depan. Hidrogen sulit untuk di simpan karena memakan banyak volume. Compressed hidrogen menjadi salah satu metode penyimpanan dari hidrogen untuk bahan bakar karena dalam bentuk ini hidrogen dapat disimpan dalam ruang yang lebih kecil. Compressed hidrogen,masih mudah terbakar, tetapi dapat distabilkan sehingga menjadikannya pilihan yang baik untuk mobil listrik, rumah-rumah dan gedung perkantoran.

BAB IICOMPRESSED HYDROGEN GAS STORAGE

1. Prinsip Penyimpanan Compressed Hydrogen gasHidrogen memiliki kerapatan (density) gas terendah dan terendah kedua titik didih (boiling point) dari semua zat yang dikenal, menjadikannya sebuah tantangan untuk menyimpan baik dalam bentuk gas. Dalam bentuk gas, hidrogen memerlukan volume penyimpanan yang sangat besar dan tekanan yang besar pula. Satu gram gas hidrogen menempati 11 liter ruangan pada tekanan atmosfir, sehingga untuk menyimpan dalam jumlah besar, gas tersebut harus ditekan hingga beberapa ratus atmosfer dan disimpan dalam suatu tangki bertekanan (Rosyid,A., 2009). Prinsip dari compressed hydrogen Gas storage yaitu penyimpanan hidrogen dengan dikompresi pada tekanan yang sangat tinggi antara 350bar (5.000 psi) hingga 700 bar (10.000 psi) dalam sistem yang tertutup sehingga gas hidrogen dapat disimpan tanpa adanya gas yang hilang dari tangki (Klell et al, 2007).

(Source: www.hydrogen.energy.gov)Gambar 1. Perbandingan molekul-molekul H2 dalam bentuk compressed gas dan Cryogenic liquid

Pada gambar diatas dapat dilihat bahwa hidrogen yang disimpan dalam bentuk gas bertekanan tinggi mempunyai volume yang lebih besar daripada hidrogen yang disimpan dalam bentuk cairan (tangki kriogenik). Gas hidrogen memiliki densitas energi yang besar , tetapi densitas energinya lebih kecil dibandingkan dengan hidrokarbon, maka diperlukan sebuah tangki yang lebih besar untuk menyimpan hidrogen. Sebuah tangki hidrogen akan lebih berat dari tangki hidrokarbon yang digunakan untuk menyimpan jumlah energi yang sama. Sehingga densitas energi dari gas hidrogen dapat ditingkatkan dengan menyimpan hidrogen pada tekanan yang lebih tinggi (Department of Mechanical Engineering, Yuan Ze University).

2. Tangki Penyimpanan Hidrogen CompressedIni adalah saat ini salah satu teknologi penyimpanan yang paling sederhana, paling umum dan efisien dalam penggunaan. Hidrogen tekanan tinggi disimpan dalam tangki berdinding tebal (terutama dari silinder orquasi- bentuk selaras) yang terbuat dari bahan kekuatan tinggi untuk memastikan ketahanan. Desain tangki penyimpanan belum dioptimalkan karena tangki sebenarnya berukuran besar; ada inefisiensi penggunaan bahan dan penilaian umur hidup tangki bertekanan yang pendek. Menurut European Integrated Hydrogen Project EIHP [www.eihp.org], yang memimpin pengembangan standar peraturan global untuk pengujian hidrogen dan sertifikasi komponen dan system infrastruktur pengisian bahan bakar hidrogen, tangki penyimpanan hidrogen gas terkompresi dapat diklasifikasikan dalam empat jenis sebagai berikut:

Tipe I: semua silinder logam;Tipe II: logam load-bearing liner hoop dilapisi dengan resin-diresapi continuous filamen;Tipe III: logam non-load-bearing liner axial dan hoop dilapisi dengan resin-diresapi continuous filament;Tipe IV: logam non-load-bearing non-metal liner axial dan hoop dilapisi dengan resin-diresapi continuous filament.Sistem penyimpanan ringan yang paling canggih untuk kasus gas terkomp resi terdiri dari tangki, yang sebenarnya menggunakan logam non-beban (Tipe III) atau plastik (Tipe IV) tangki aksial dan hoop dibungkus dengan resin diresapi fila men kontinyu (Gambar 17). Gambar 2. Skema tangki pentimpanan gas terkompresi dan komponennyaBeberapa jenis penyimpanan hydrogen terkompresi adalah :2.a. Tangki KompositTangki yang biasa digunakan untuk menyimpan hidrogen dalam bentuk gas adalah tangki komposit. Tangki komposit ini memiliki densitas rendah, kekuatan dan modulus yang tinggi. Dalam pengembangannya, tangki komposit dibuat dalam struktur multi-layer. Seperti yang terlihat dalam gambar dibawah ini, tangki tersusun dari beberapa layer : internal liner, transition layer, carbon fiber-reinforced layer, impact-resistant layer, and fiberglass-reinforced external protective layer (Kai. F et al, 2004).

(Source : Journal of Pressurized Equipment and Systems 2 (2004) 59-63)Gambar 3. Bagian-bagian Dari Tangki Komposit

(Source : Riis et al., 2005)Gambar 4. Tangki Penyimpanan Compressed H2 (Tangki Komposit)

Terdapat 5 layer dalam tangki komposit yaitu :a. Internal linerFungsi utama internal layer yaitu untuk menghalangi terjadinya permeasi gas hidrogen dan mencegah adanya kebocoran. Tetapi liner ini memiliki modulus yang rendah dan akan mudah terdeformasi apabila terkena tekanan tinggi. Sehingga liner ini dapat mentransfer beban yang diterimanya ke bagian layer Carbon fiber-reinforced.b. Carbon fiber-reinforced layerSebagian besar tangki ini tersusun dari serat karbon yang kuat. Serat karbon dipilih karena memiliki kekuatan yang tinggi, tahan terhadap korosi, tahan terhadap fatigue (kelelahan),dan mempunyai berat yang ringan. Sehingga layer ini memperkuat tangki dalam menerima tekanan tinggi dan membuat tangki bertekanan tinggi lebih ringan.c. Transition LayerTransition layer terletak diantara internal liner dan Carbon fiber-reinforced layer. Layer ini berfungsi sebagai bagian penyangga yang meningkatkan ketahanan tangki terhadap kelelahan (fatigue). d. Impact-resistant layerLayer ini terletak diantara fiberglass-reinforced external protective layer dan carbon fiber-reinforced layer. Ketika tangki mengalami penurunan, dampaknya akan merusak tangki dan membuat serat penyusun tangki rusak pula. Fungsi dari Impact-resistant layer yaitu mencegah terjadinya kerusakan yang diakibatkan penurunan kinerja tangki. Layer ini biasanya terbuat dari bahan misal polystyrene, polyurethane, polyethylene atau busa polypropylene dan polimer lainnya karena bahan-bahan ini memiliki insulasi termal dan tahan panas yang baik serta kompresibilitas. e. Fiberglass-reinforced external protective layerFungsi dari layer ini yaitu untuk menambah perlindungan pada tangki secara lebih luas serta menambah kekakuan (stiffness) tangki. Dengan menambah ketebalan di layer ini maka efek kerusakan bagian luar tangki akan lebih sedikit. Lapisan fiberglass ini akan memberikan kekuatan yang lebih banyak dan mengurangi kerusakan bagian luar serta memberikan perlindungan bagian dalam (Kai. F et al., 2004).Keuntungan menggunakan tangki komposit : Terbuat dari bahan yang ringan Tangki ini tersedia secara komersial Kemudahan proses dan sudah diuji keamanannya Sudah diterima dibeberapa Negara untuk tekanan dalam kisaran 300-700 barKelemahan menggunakan tangki komposit : Membutuhkan volume yang besar untuk menyimpan H2 Bentuknya yang silinder dan besar membuat tangki sulit menyesuaikan ruang penyimpanan yang tersedia Harga yang mahal ( 500-600 USD / kg H2 )(Riis et al., 2005)2.b. Glass MicrospheresSelain penyimpanan gas hidrogen dengan tangki komposit, terdapat metode baru yaitu penyimpanan dengan menggunakan Glass Microspheres. Diameter dan ketebalan glass microspheres sekitar 1 milimeter (Bacas, 2006). Konsep dasar dari Glass Micro Spheres untuk menyimpan gas hidrogen yaitu :a. Glass michro spheres diisi dengan gas H2 dengan tekanan tinggi ( 300 -700 bar) dan suhu tinggi pula (sampai 300oC). Pemanasan suhu tinggi membuat permeabilitas (daya tembus) gas hidrogen meningkat sehingga dengan adanya tekanan akan memberikan kemampuan pada H2 untuk mengisi bola-bola mikro pada tangki.b. Kemudian microspheres didinginkan mencapai suhu kamar dan di transfer ke tangki bertekanan rendah. Tujuan didinginkan yaitu untuk mengunci gas hidrogen di dalam microspheres.c. Untuk mengatur pelepasan H2 apabila akan digunakan, Michrosperes dipanaskan sampai suhu 200oC sampi 300oC.(Rapp D, 2005)

(Source: Teitel, BNL 51439, 1981 [3].)Gambar 5. Penyimpanan H2 dalam Glass Microspheres

Keuntungan menggunakan Glass Microspheres : Glass Microspheres memiliki potensi untuk penyimpanan yang aman karena dapat menyimpan H2 pada tekanan yang relatif rendah (onboard) memungkinkan untuk biaya kontainer yang rendahKekurangan menggunakan Glass Microspheres : Untuk mengatur pelepasan H2 dibutuhkan panas yang besar, sehingga diperlukan pula biaya yang besar(Riis et al., 2005)Perbedaan tangki komposit dan glass microspheres :ParameterTangki KompositGlass Microspheres

ValueCommentValueComment

Temperature, T+Tidak diperlukan Pertukaran panas_Membutuhkan T yang tinggi

Pressure , P_Dibutuhkan P tinggi dalam penyimpanan+Kemungkinan bisa disimpan dalam P rendah (onboard)

Keamanan+Sudah ada lisensi dan standardnya+Inheren aman

Harga_500-600 USD/kg H2?Karena baru pengembangan, jadi belum ditentukan harganya

(Source : Riis et al., 2005)3. Aplikasi Mobile Hidrogen CompressedDalam diskusi tentang penyediaan energi masa depan khususnya berkaitan dengan sumber energi terbarukan- hidrogen dipertimbangkan sebagai media penyimpanan energi. Hidrogen merupakan media penyimpanan energi yang ideal untuk listrik yang dibangkitkan dari sumber energi terbarukan, yang menjadikan penghubung penting dalam rantai energi yang berkelanjutan dan bebas emisi dari awal hingga akhir. Tidak seperti halnya energi fosil, hidrogen tidak akan habis, karena hidrogen merupakan unsur paling banyak ditemukan di alam (Rosyid, O.A et al, 2009).Penelitian fuel cell kini menjadi harapan baru khususnya bidang transportasi. Telah diketahui bahwa konsumsi terbesar energi saat ini adalah untuk transportasi yang mengakibatkan tingkat polusi yang makin tinggi. Karena itu arah penelitian hidrogen untuk aplikasi pada industri otomotif makin intensif dilakukan. Kendati mobil fuel cell saat ini sudah mulai diproduksi, namun masih ada kendala yang dihadapi saat ini yakni pada tabung penyimpanan hidrogennya. Tabung penyimpanan hidrogen (hydrogen storage) berfungsi menampung gas hidrogen, sama halnya seperti tangki bensin pada motor konvensional (Zulkairnan,2011).3.1. Aplikasi pada transportasiDi beberapa kota metropolitan di seluruh dunia, transportasi darat merupakan sumber emisi (baik polutan maupun kebisingan) yang pertumbuhannya meningkat secara cepat. Sebagai contoh, Jakarta dengan jumlah kendaraan sebanyak 3.082.679 unit (1999) meningkat secara dramatis dengan tingkat pertumbuhan rata-rata sekitar 15% per tahun (Rozyid.O.A. et al,2002). Untuk mengatasi permasalahan ini sistem sel bahan bakar menawakan solusi yang tepat, karena kendaraan sel bahan bakar memiliki kebisingan yang rendah, juga tidak menghasilkan emisi, dan hanya uap air sebagai gas buangnya. Saat ini sel bahan bakar telah digunakan pada kendaraan bus (komersial) di beberapa negara maju di benua Eropa dan Amerika. Sebagai contoh, XCELLSiS Fuel Cell Engines, Inc, telah berhasil memperkenalkan tiga bus sel bahan bakar masing-masing di Vancouver dan Chicago. Bus ini menggunakan hydrogen murni yang disimpan sebagai gas bertekanan tinggi (GH2), hydrogen cair (LH2). Di Indonesia saat ini aplikasi sel bahan bakar pada kendaraan masih dalam taraf penelitian dan pengembangan. Sebagai contoh B2TE-BPPT telah berhasil melakukan uji coba sepeda motor sel bahan bakar dengan kapasitas 500W. Suplai hidrogen disimpan dalam tabung gas tipe hidrida yang aman (Rozyid.O.A. et al,2009).Transportasi darat mewakili pasar utama bagi produsen sel bahan bakar, karena jumlahnya yang besar di seluruh dunia, beberapa tantangan utama yang dihadapi dalam komersialisasi aplikasi sel bahan bakar pada transportasi darat ini antara lain:1. Ukuran harus kecil2. Membutuhkan insfrastruktur pengisian bahan bakar yang banyak3. Pemeliharaan yang mudahSelain itu sistem ini diharapkan memiliki kinerja dan kehandalan yang tinggi, semetara harapan biaya rendah. Banyak perusahaan-perusahaan mobil utama terlibat dalam progam sel bahan bakar pada otomotif, diantaranya: Daimler-Chrysler, Ford, General Motors, Nissan, Mazda, Subaru, Toyota, Honda, dan Hyundai. Perusahaan-perusahaan ini telah membangun protoytipe kendaraan yang mneggunakan sel bahan bakar dengan atau tanpa penambahan baterai, dan berbahan bakar hydrogen murni (gas atau cair) atau hibrida(Zulkairnan,2011).3.2. Distribusi HidrogenMasalah transportasi hidrogen berhubungan langsung dengan masalah penyimpanan hidrogen. Teknologi untuk pengiriman hidrogen dalam jumlah besar telah dikembangkan dalam industri kimia. Saat ini, hidrogen tekanan tinggi dapat dikirimkan dalam trailer tabung gas pada tekanan hingga 200 bar. Kekurangan dari metode ini yakni harga yang mahal dan ukuran yang besar, yakni menggunakan tabung ukuran 33kg untuk penyimpanan 2 kg hidrogen, dan ini mahal untuk jarak tidak lebih dari 200 mil. Peneliti sedang menginvestigasi teknologi-teknologi yang dapat mereduksi berat tabung dan mengijinkan tube trailers untuk beroperasi pada tekanan tinggi (hingga 600 bar), yang dapat mereduksi biaya dan pengembangan utilitas dari distribusi macam ini.

(Source : Metz, S.,2005)Gambar 6. Beberapa Sistem Distribusi Hidrogen

Gambar 7. Perbandingan Besar Tangki Penyimpanan Bahan Bakar pada Mobil

Gambar 8. Contoh Prototype Mobil Bertenaga HidrogenGambar 9. Tangki Penyimpanan Hidrogen untuk Mobil

Gambar 10. Contoh Distribusi Hidrogen Menggunakan Truk

Gambar 11. Beberapa Produsen Mobil Ternama yang Mengembangkan Mobil Berbahan Bakar Hidrogen

Gambar 12. Contoh Aplikasi Sepeda dan Bus Berbahan Bakar Hidrogen

4. Perusahaan Tangki Penyimpan Hidrogen Terkompresi4.a. Qingdao Baigong Industrial and TradingProduk: OD267 Series Seamless Steel Hydrogen Gas CylinderHarga: -Tempat Produksi : Shandong China (Mainland)Spesifikasi Produk: Bahan Material: Stainless steel Tebal dinding: 5,7 mm Diameter Luar (OD): 219mm Kapasitas (volum): 40 Tekanan gas: 150 bar Gambar 13. OD267 Series Seamless Steel Hydrogen Gas Cylinder(www.qd.baigong.com)4.b. Tianjin Industrial and TradingProduk: high pressure hydrogen gas cylinderHarga: US $61 - 64 / PieceSpesifikasi Produk: Bahan Material: carbon steel cylinder Diameter Luar (OD): 219 mm Kapasitas (volum): 40 L Tekanan gas: 150 bar

Gambar 14. high pressure hydrogen gas cylinder

(www.alibaba.com)

4.c. Industrial Grade Hydrogen, Size 300 Cylinder, CGA350Sebagai bahan bakar gas, Hidrogen menghasilkan suhu flame relatif rendah 5.125 F (2.830 C). Hidrogen dapat dengan aman dikompresi untuk mengatasi tekanan bawah air. Dicampur dalam jumlah kecil dengan Argon, Hidrogen membawa perbaikan yang signifikan dalam kualitas las untuk baja tahan karat (www.airgas.com).Spesifikasi tangki 300 High Pressure Industrial Cylinder DOT 3AA-2400 - Canada 3AA-M183 : O.D.: 9.25" - 235 mm Panjang: 55" - 1397 mm Berat: 132 lbs - 60 kg Volum Air: 2990 Cubic Inches - 49 ltrs Ukuran dapat bervariasi tergantung lokasi.(www.airgas.com)BAB IIIKESIMPULAN

Hidrogen sulit untuk di simpan karena memakan banyak volume. Compressed hydrogen menjadi salah satu metode penyimpanan dari hidrogen untuk bahan bakar karena dalam bentuk ini hidrogen dapat disimpan dalam ruang yang lebih kecil. Dalam bentuk gas, hidrogen memerlukan volume penyimpanan yang sangat besar dan tekanan yang besar pula. Satu gram gas hidrogen menempati 11 liter ruangan pada tekanan atmosfir, sehingga untuk menyimpan dalam jumlah besar, gas tersebut harus ditekan hingga beberapa ratus atmosfer dan disimpan dalam suatu tangki bertekanan. Prinsip dari tangki penyimpanan gas hidrogen kompresi yaitu penyimpanan hidrogen dengan dikompresi pada tekanan yang sangat tinggi antara 350bar (5.000 psi) hingga 700 bar (10.000 psi) dalam sistem yang tertutup. Tangki penyimpanan hydrogen compressed dapat berupa tangki komposit dan Glass Microspheres. Namun, yang biasa digunakan adalah tangki komposit karena memiliki beberapa keunggulan. Hidrogen dapat digunakan baik untuk membangkitkan listrik maupun sebagai bahan bakar, yang membuatnya sangat cocok digunakan baik untuk aplikasi stasioner maupun bergerak (mobile). Aplikasi stasioner yang ada saat ini adalah pada pembangkit listrik sedangkan aplikasi mobile sangat kentara jelas pada bidang transportasi. Berbagai perusahaan memproduksi tangki penyimpan hidrogen compressed antara lain Qingdao Baigong dan Tianjin Industrial and Trading .

DAFTAR PUSTAKA

Rosyid, O.A. and A. Hadianto. Hydrogen as Alternative Fuel for Future Transportation Systems. Proceeding of the 7th ISSM, Berlin, 2002.Carlos Moyses Graca Araujo, Hydrogen Storage Materials: Design, Catalysis, thermodynamics, Structure and Optics, Ph.D Dissertation, Uppsala University, 2008.Metz, S. European Hydrogen Technology. Linde Technology. Berichte aus Technik und Wissenschaft, July 2005.Rosyid, O.A. dan M.A.M Oktaufik. Infrastruktur Hidrogen untuk Aplikasi Fuel Cell Dalam Era Ekonomi Hidrogen. Balai Besar Teknologi Energi (B2TE-BPPT). Tangerang. 2009.Zulkarnain. Material Penyimpan Hidrogen Sistem MgH2-SiC yang Dipreparasi Melalui Rute Reactive Mechanical Alloying, Disertasi, FMIPA Universitas Indonesia, Indonesia, 2011.Kai. F et al. 2004. Journal of Pressurized Equipment and Systems 2 (2004) 59-63. Institute of Chemical Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China.Riis et al. 2005. Hydrogen Storage Gaps and Priorities. International Energy Agency (IEA), Paris Cedex, France.Rapp D, TRANSPORTING HYDROGEN TO THE MOON OR MAR,. JPL Report D-31340, January, 2005. Bacas. 2006. Hydrogen as an energy carrier. Belgia R. Teitel: Hydrogen Storage in Glass Microspheres, Rept. BNL 51439, Brookhaven National Laboratories, 1981.www.airgas.com/browse/productDetail.aspx?Category=195&product=HY%20300 www.alibaba.comwww.hydrogen.energy.gov www.qd.baigong.comwww1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/m/hydrogen_storage.html

5