TUGAS TEKNOLOGI HIDROGEN DAN FUEL CELL

COMPRESSED HYDROGEN GAS STORAGE

Disusun oleh:

1. Budi Setiani (I 0511011)

2. Diniar Putri S. (I 0511016)

3. Putria Ari Susanti (I 0511040)

4. Soraya Ulfa M. (I 0511050)

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2014

1

BAB I

PENDAHULUAN

Gas hidrogen merupakan 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 dengan mempertimbangkan

biaya, berat dan volume, efisiensi, keawetan, temperatur kerja serta efisiensinya.

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.

2

BAB II

COMPRESSED HYDROGEN GAS STORAGE

1. Prinsip Penyimpanan Compressed Hydrogen gas

Hidrogen 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 350 bar

(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)

3

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 Compressed

2.a. Tangki Komposit

Tangki 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)

4

Gambar 2. Bagian-bagian Dari Tangki Komposit

(Source : Riis et al., 2005)

Terdapat 5 layer dalam tangki komposit yaitu :

a. Internal liner

Fungsi 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 layer

Sebagian 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 Layer

Transition 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 layer

Layer 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

5

Gambar 3. Tangki Penyimpanan Compressed H2 (Tangki Komposit)

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 layer

Fungsi 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 bar

Kelemahan 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 Microspheres

Selain 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.

6

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].)

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 rendah

Kekurangan 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 :

Parameter Tangki Komposit Glass Microspheres

Value Comment Value Comment

Temperatur

e, T

+ Tidak diperlukan

Pertukaran panas

_ Membutuhkan T yang

tinggi

Pressure , P _ Dibutuhkan P tinggi

dalam penyimpanan

+ Kemungkinan bisa

disimpan dalam P

rendah (onboard)

7

Gambar 4. Penyimpanan H2 dalam Glass Microspheres

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 Hidrogen Compressed

Dalam 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).

3.a. Aplikasi Stasioner

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 (Rosyid, O.A et al, 2009).

3.a.1. Aplikasi pada pembangkit listrik

Aplikasi sel bahan bakar dari gas hidrogen pada pembangkit listrik

stasioner telah dibuktikan dalam sejumlah proyek percontohan menggunakan

berbagai teknologi sel bahan bakar selama puluhan tahun. Pembangkit listrik

tenaga sel bahan bakar Ballard dengan kapasitas 250 kW menggunakan sel bahan

bakar jenis PEM berbahan bakar gas alam, saat ini telah beroperasi di sejumlah

lokasi di seluruh dunia. Meskipun kapasitasnya relatif kecil dibandingkan dengan

sistem pembangkit listrik konvensional, tapi cukup untuk mensuplai listrik di

8

daerah terisolasi atau untuk menyediakan cadangan listrik (UPS) untuk fasilitas

penting, seperti rumah sakit.

Di Indonesia saat ini sel bahan bakar telah digunakan secara komersial

sebagai penyedia listrik cadangan pada beberapa BTS (Hutchison CP Telecom

”3” dan AXIS) yang tersebar di wilayah Jabotabek dan Surabaya. Suplai hidrogen

pada sistem ini diperoleh dari beberapa suplier gas seperti BOC, Air Liquide, dan

lain-lain yang disimpan dalam tabung gas. Di samping itu, beberapa proyek

percontohan, seperti pembangkit listrik tenaga hibrida (PV-Based hydrogen)

berkapasitas 2 kW telah terpasang di daerah Malingping-Banten. Kelebihan daya

listrik yang dihasilkan fotovoltaik (PV) digunakan untuk memproduksi hidrogen

menggunakan elektrolisa air, dan selanjutnya disimpan dalam tabung gas sebagai

penyimpan energi listrik. Bila diperlukan hidrogen ini dikonversi kembali menjadi

listrik dengan menggunakan sel bahan bakar. Sistem ini sangat cocok untuk

diterapkan di Indonesia, terutama untuk penyediaan listrik di wilayah terpencil

yang belum terjangkau listrik PLN (Rosyid, O.A et al, 2009).

3.b. Aplikasi Mobile

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.b.1. Aplikasi pada transportasi

Di 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

9

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 kecil

2. Membutuhkan insfrastruktur pengisian bahan bakar yang banyak

3. Pemeliharaan yang mudah

Selain 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.b.2. Distribusi Hidrogen

Masalah transportasi hidrogen berhubungan langsung dengan masalah

penyimpanan hidrogen. Teknologi untuk pengiriman hidrogen dalam jumlah besar

10

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 5. Beberapa Sistem Distribusi Hidrogen

4. Perusahaan Tangki Penyimpan Hidrogen Terkompresi

4.a. Qingdao Baigong Industrial and Trading

Produk: OD267 Series Seamless Steel Hydrogen Gas Cylinder

Harga : -

Tempat Produksi : Shandong China (Mainland)

Spesifikasi Produk:

- Bahan Material : Stainless steel

- Tebal dinding : 5,7 mm

- Diameter Luar (OD) : 219mm

- Kapasitas (volum) : 40

11

- Tekanan gas : 150 bar

Gambar 6. OD267 Series Seamless Steel Hydrogen Gas Cylinder

(www.qd.baigong.com)

4.b. Tianjin Industrial and Trading

Produk : high pressure hydrogen gas cylinder

Harga : US $61 - 64 / Piece

Spesifikasi Produk:

- Bahan Material : carbon steel cylinder

- Diameter Luar (OD) : 219 mm

- Kapasitas (volum) : 40 L

- Tekanan gas : 150 bar

12

Gambar 7. high pressure hydrogen gas cylinder

(www.alibaba.com)

4.c. Industrial Grade Hydrogen, Size 300 Cylinder, CGA350 

Sebagai 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 III

13

KESIMPULAN

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

350 bar (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

14

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.com

www.hydrogen.energy.gov

www.qd.baigong.com

www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/m/hydrogen_storage.html

15