PENGARUH DENSITAS ARUS LISTRIK TERHADAP KINERJA SISTEM ELEKTROLISIS AIR SUHU TINGGI MENGGUNAKAN MOLTEN SALT NUCLEAR

… more

by Alexander Agung

288

  Download   (.pdf)   4Tabel V.1. Kondisi Operasi dan Geometri Electrolyzer  Item NilaiTekanan operasi (Pa) 1013250Suhu fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (°C) 900Laju massa fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (kg/s) 90,5419Fraksi massa hidrogen masuk electrolyzer 0,3Fraksi massa hidrogen keluar electrolyzer 0,6259Densitas arus listrik rerata tiap sel (A/m2) 7000-9000Jumlah sel 50000Diameter sel (m) 7,9528Jarak antar sel (m) 0,0195Tebal katoda (m) 0,002Tebal elektrolit (m) 3,5x10-5Tebal anoda (m) 1,5x10-4 Diameter ekivalen aliran fluida O2(m) 0,01Luas permukaan aliran fluida O2(m2) 7,8540x10

-5Luas permukaan aliran fluida (H2+H2O) (m2) 1,6761x10-4a. Pengaruh densitas arus terhadap ukuran geometri elektroliserGambar 3. menunjukkan hubungan antara densitas arus terhadap panjang selelektroliser. Terlihat bahwa kenaikan densitas arus listrik berbanding terbalik dengan perubahan geometri panjang selelectrolyzer . Hal ini berarti semakin tinggi densitas arusyang diberikan, ukuran geometri elektroliser menjadi semakin kecil.b. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Daya Ideal Reaksi ElektrolisisGrafik pada Gambar 4. menunjukan pengaruh densitas arus listrik terhadap dayaideal reaksi elektrolisis. Daya listrik ideal adalah daya listrik minimum yang harusdisuplai ke dalam sel-selelectrolyzer agar proses elektrolisis dapat berlangsung denganasumsi tidak terjadi rugi-rugiirreversible. Daya termal ideal adalah daya termal yang berasal dari daya termalheat exchanger dan daya termal akibat rugi-rugiirreversible.Dari Gambar 4. dapat dilihat bahwa kebutuhan daya ideal untuk reaksi elektrolisis terusmeningkat dengan semakin meningkatnya densitas arus  listrik.y = 4E-08x2- 0.0011x + 14.004R2= 17.77.87.98.08.18.28.38.48.58.68.76 8 0 0 7 3 0 0 7 8 0 0 8 3 0 0 8 8 0 0 93 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)   P  a  n   j  a  n  g   S  e   l    E    l   e   c    t   r   o    l   y   z   e   r   (  m   ) Gambar 3. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Panjang Sel Electrolyzer untuk Diameter Sel

 Electrolyzer Sebesar 7,9528 m 335373931131331536 8 0 0 7 3 0 0 7 8 0 0 8 3 0 0 8 8 0 09 3 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)   D  a  y  a   I   d  e  a   l   (   M   W   )D a y a   T e r m a l   I d e a l D a y a   L i s t r i k I d e a l R e g . D a y a T e r m a l I d e a l R e g . D a y a L i s t r i k I d e a lGambar 4. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Daya Ideal Reaksi Elektrolisis pada Electrolyzer 

  5c. Pangaruh Densitas Arus Listrik terhadap Tegangan Irreversible Teganganirreversibleadalah tegangan yang dibutuhkan untuk mengatasi rugi-rugi yang berupa rugi-rugiohmicakibat adanya hambatan listrik pada katoda, anoda,elektrolit serta interkoneksi, rugi-rugi akibat adanya gradien konsentrasi pada permukaanelektroda dan rugi-rugi akibat aktivitas molekular pada permukaan anoda. Gambar 5 danGambar 6 menunjukkan pengaruh peningkatan densitas arus listrik terhadap kenaikanteganganirreversible

.-0.000015-0.0000050.0000050.0000150.0000250.0000350.0000450.0000550.0000650.0000756 8 0 0 7 3 0 0 7 8 0 0 8 3 0 0 8 8 0 0 93 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)   T  e  g  a  n  g  a  n   S  e   l   I  r  r  e  v  e  r  s   i   b   l  e    (   V   )T e g a n g a n   A k t i v a s i   K a t o d a T e g a n g a n   A k t i v a s i   A n o d a T e g a n g a n M o l e k u l a r   K a t o d a R e g .   T e g a n g a n A k t i v a s i   K a t o d a R e g . T e g a n g a n A k t i v a s i A n o d a R e g . T e g a n g a n M o l e k u l a r K a t o d a Gambar 5. Pengaruh densitas Arus Listrik terhadapTegangan Irreversible 0.0580.0630.0680.0730.0786 8 0 0   7 3 0 0   7 8 0 0   8 3 0 0   8 8 0 0  9 3 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)  T  e  g  a  n  g  a  n   O   h  m   i  c  (  V  ) Gambar 6. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap TeganganOhmic d. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Suplai Daya TermalGambar 7. menunjukkan kebutuhan daya termal sebagai fungsi densitas arus.Dapat dilihat bahwa dengan semakin meningkatnya nilai densitas arus listrik maka pemanfaatan daya termal semakin menurun. Hal ini karena pada densitas arus listrik tinggi rugi-rugiirreversiblesemakin meningkat. Rugi-rugi tersebut, selanjutnyadigunakan sebagai tambahan daya termal pada proses elektrolisis.0.650.70.750.80.850.90.957 0 0 0 - 7 5 0 0   7 5 0 0 - 8 0 0 0   8 0 0 0 - 8 5 0 0  8 5 0 0 - 9 0 0 0Rentang Densitas Arus Listrik (A/m2)    K   a   p   a   s    i   t   a   s    P   e   n   g   a   m    b    i    l   a   n    D   a   y   a    T   e   r   m   a    l    d   a   r    i    H   e   a   t    E   x   c    h   a   n   g   e   r    (    M    W    ) 

Gambar 7. Densitas Arus Listrik vs Kebutuhan Daya Termal e. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Efisiensi Produksi HidrogenPada sistem elektrolisis suhu tinggi, kenaikan suplai densitas arus listrik padasel-selelectrolyzer akan menyebabkan peningkatan efisiensi pada instalasi produksihidrogen. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 8.

  6

72.8077.8082.8087.8092.8097.806 8 0 0 7 3 0 0 7 8 0 0 8 3 0 0 8 80 0 9 3 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)   E   f   i  s   i  e  n  s   i   (   %   )E f i s i e n s i   T o t a l E f i s i e n s i   T r a n s f e r  E n e r g i E f i s i e n s i I n s t a l a s i P r o d u k s i H i d r o g e n R e g . E f i s i e n s i T o t a l R e g . E f i s i e n s i   T r a n s f e r E n e r g i R e g .   E f i s i e n s i   I n s t a l a s i   P r o d u k s i   H i d r o g e n Gambar 8. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Efisiensi Produksi Hidrogeny = -1E-08x2- 0.0002x + 77.007R2= 173.6073.8074.0074.2074.4074.6074.806 8 0 0 7 3 0 0 7 8 00 8 3 0 0 8 8 0 0 9 3 0 0Densitas Arus Listrik (A/m2)   E   f   i  s   i  e  n  s   i   T  o  t  a   l   (   %   ) Gambar 9. Efisiensi Total vs Densitas Arus Listrik Efisiensi total yakni efisiensi antara instalasi produksi hidrogen dengan reaktor  nuklir (sistem kopel) menunjukan tendensi yang sama dengan efisiensi pada transfer  energi yakni menunjukkan grafik penurunan seiring dengan semakin meningkatnya suplaidensitas arus listrik (Gambar 9.).4. KesimpulanTelah berhasil dirancang sebuah sistem kopel antara Molten Salt Reactor  dengan sebuah instalasi produksi hidrogen suhu tinggi. Laju produksi hidrogen yangdihasilkan pada sistem kopel tersebut adalah 5 kg/s. Ada beberapa kesimpulan pentingyang dapat ditarik dari penelitian ini yaitu peningkatan densitas arus listrik akan :a. menurunkan efisiensi total sistem produksi hidrogen dengan MSR. b. menurunkan kapasitas penggunaan daya termal dariheat exchanger .c. menyebabkan kenaikan daya termal yang berasal dari rugi-rugiirreversible.

5. Ucapan terima kasihPenulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh staf Jurusan Teknik Fisika FakultasTeknik Universitas Gadjah Mada yang telah berperan dalam membantu penulisan ini.6. Daftar PustakaForsberg, C. W., Peterson, P. F., Zao, H., 2004, An Advanced Molten Salt Reactor Using  High-Temperature Reactor Technology, Pennsylvania.Jensen, S. H., and Mogensen, M., 2004, Perspectives of High Temperature ElectrolysisUsing SOEC , Materials Research Department, Risø National Laboratory, DK-4000Roskilde, Denmark.Kato, Y., 2004, Hydrogen Career System for Fuel Cell Vehicles, Research Laboratory for  Nuclear Reactors, Tokyo Institute of Technology, Japan.Py, J.P., and Capitaine, A.,hydrogen production by high temperature electrolysis of  water vapour and nuclear reactors, Available fromwww.cder.dz/A2H2/WHEC2006/S05.pdf, Accessed February 22, 2008.Richard, S. P., 2004, A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles, University of Victoria, Victoria,Available from www.iesvic.uvic.ca/publications/library/Dissertation-SPRichard.pdf,  Accessed December 05, 2007.