PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216
ANALISIS EFISIENSI ENERGI DAN EXERGI (LISTRIK) PADA PROSES PRODUKSI HIDROGEN DENGAN ELEKTROLISIS AIR Sutarno dan A.Malik Kh. Jurusan Teknik Kimia -Tekstil Fakultas Teknologi Industri UII Jln. Kaliurang Km. 14,5 Sleman – Jogyakarta Tlp. 0274-895287 Fax. 0274-895007 E-mail:
[email protected] Abstrak Elektrolisis air merupakan proses industri terpenting untuk menghasilkan hidrogen. Pada tulisan ini, unjuk kerja termodinamika pada proses produksi hidrogen dengan elektrolisis air berbasis teknologi listrik telah dianalisis. Analisis ini mempertimbangkan energi dan exergi yang melewati keseluruhan tahapan proses. Aliran energi dan exergi di evaluasi menggunakan analisis computer yang telah dikembangkan oleh Rosen, MA. dan Scott, D.S.(1998). Analisis itu mengindikasikan: (1) kerugiankerugian utama yang terjadi pada unsur unit elektrolisis dan arus listrik, (2) sebagian besar kerugian disebabkan karena gabungan reaksi kimia dan trasfer panas dengan perbedaan temperatur yang tinggi, dan (3) kerugian-kerugian akibat aliran air pendingin, karena kwalitas udara dingin pada proses ini tidak signifikan. Kata kunci: Elektrolisis, hidrogen, energi dan exergi 1.
Pendahuluan Sistem energi dunia telah mengalami ransisi menuju era pengangkutan, terutama energgi hidrogen dan energi listrik [2-10]. Infrastruktur sistem pengangkutan energi sejenis ini memerlukan fasilitas untuk produksi, distribusi penyimpanan dan utilitas hidrogen. Hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar (fuel), atau sebagai suapan produksi kimia dan/atau bahan bakar yang berasal dari hidrogen. Akhir-akhir ini produksi hidrogen telah dikenal luas dalam penelitian yang bersifat substansial maupun pengembangan pemanfaatannya. Akhir-akhir ini elektrlisis air juga telah menjadi salah satu proses industri paling penting untuk memproduksi hidrogen [4]. Dalam tulisan ini, unjuk kerja termodinamika dikaji dari suatu proses elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen berbasis penggunaan arus listrik. Dalam hal ini analisis dilakukan terhadap energi dan exerginya untuk memperoleh tfsiran yang lebih jelas mengenai kemungkinan peningkatan prestasi proses. Pada dasarnya proses elektrolisis air adalah proses penguraian katalistik air menjadi hidrogen dan oksigen menggunakan (arus) listrik: 2 H 2O → 2 H 2 + O2
(1) Total energi yang dibutuhkan untuk menguraikan air diberikan oleh panas negatip pembakaran hidrogen dan energi minimum listrik oleh perubahan energi bebas Gibbs. 2.
Diskripsi Proses Proses elektrolisis air yang dipilih untuk dianalisis pada tulisan ini diambil dari tulisan Casper,M.J., yang berjudul “Hydrogen Manufakture by Electrolysis, thermal decomposition and Unusual Techniques”, (1987). Adapun data tambahan diambil dari beberapa sumber [5-11]. Bagan alir pross ditunjukkan pada gambar 1, dan data prosesnya pada tabel 1. Proses tersebut terdiri dari enam tahap sebagai berikut: ! Pembangkit listrik Energi panas masuk, dan arus listrik dihasilkan pada efisiensi 39%. Sebagian besar arus listrik dialirkan ke transformer, dan sebagian lainnya dialirkan ke compressor. ! Transformasi dan rektivikasi. Arus listrik dirubah dari AC ke DC pada efisiensi 97%. ! Elektrolisis Air suapan dibersihkan dan dicampurkan dengan air yang di recycle dan pendingin serta compressor dalam sebuah sirkulasi elektrolit. Air diuraikan (persamaan 1) pada unit elektrolisis pada suhu 359 K dan tekanan 0,101 Mpa.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
A-8-1
! ! !
3.
Pendingin Hidroegen (H2) Hidrogen yang mengalir didinginkan pada suhu 308 K (bersama dengan air pendinginan). Uap lembab di kondensasi dan di recycle. Pendingin Oksigen (O2) Oksigen yang mengalir didinginkan pada suhu 308 K (bersama dengan air pendinginan). Uap lembab di kondensasi dan di recycle. Pemampatan Hidrogen Hidrogen di mampatkan pada empat tingkat, dengan intercooling pada suhu 308 K. Uap lembab di kondensasi dan di recycle. Gas hidrogen dihasilkan pada suhu 308 K dan tekanan 103 Mpa. Pendekatan
Analisis energi dan exergi digunakan untuk mengevaluasi unjuk kerja termodinamika pada proses elektrolisis air. Analisis energi didasarkan pada hukum termodinamika pertama, yaitu suatu hukum mengenai konservasi energi. Beberapa hasil penelitian yang dilakukan oleh Moran (1982) dan Gaggioli, R.A., (1987) merekomendasikan bahwa untuk mengevaluasi unjuk kerja termodinamika proses sebaiknya dilakukan pula analisis unjuk kerja exergi sebagai tambahan dalam menganalisis energi konvensional. Analisis exergi didasarkan pada hukum termodinamika kedua. Exergi di definisikan sebagai jumlah kerja maksimum yang dihasilkan oleh aliran atau sistem yang terbawa kedalam keseimbangan alam sekitar dan dijadikan sebagai ukuran atau kualitas energi. Exergi digunakan dan dihemat secara proporsioanl terhadap entropi selama proses berlangsung, dan tidak bisa berubah oleh proses. Alam sekitar pada suhu 298 K, tekanan 0,101 Mpa dengan komposisi unsur kimia yang terdiri dari udara jenuh dengan uap air–kental (air, gips dan kapur) pada suhu 298 K dan tekanan 0,101 MPa dijadikan sebagai acuan. Selanjutnya, diskripsi mengenai prinsip, konsep dan penerapan analisis exergi dapat dibaca di buku “Use the Second Law First” karangan Gaggioli, R.A dan Petit, P.J., vol.7, 1987. Pada tulisan ini, energi dan exergi telah di format menggunakan informasi yang diperoleh dari gambar 1 dan tabel 1 , dan telah diolah dengan simulasi computer [7-9] serta ditambah dengan bank data milik aspen plus “base enthalpy” yang disesuikan dengan nilai exergi kimia alam sekitar. Nilai di tabulasi ditempat lain [7]. Entalphy pokok dianggap sama dengan enthalpy komponen alam sekitar yang membentuk bahan bakar (fuel). Bahan senyawa terdiri dari componen alam sekitar yang stabil, dan di definisikan sebagai enthalpy nol pada suhu dan tekanan alam sekitar. Analisis terdiri tiga input utama : 1. Listrik dan panas proses, 2. Panas, dan 3. Hipotesis pembangkit-sumber panas. Tahap pembangkitan arus listrik tidak dimasukkan dalam analisis pada kasus pertama, dan tahap pembangkitan panas dimasukkan ke analisis kasus ketiga. Yang dimaksud dengan hipotesis sumber panas adalah hipotesis sumber alam sekitar. Hipotesis exergi sumber panas dalam hal ini diasumsikan sama dengan proses yang lain. 4.
Hasil Analisis Diagram alir sederhana yang memuat analisis energi dan exergi ditunjukkan pada gambar 2 yang merupakan salah satu versi format dari gambar 1, yang mana sub proses dalam gambar 1 dibuat menjadi 6 kelompok utama, sebagai berikut: ! Kelompok Elektrolisis (terdiri dari: unit pemurnian aliran air, tengki re cycle elektrolit, pompa, dan unit elektrolisis). ! Kelompok Pembangkit arus listrik ! Kelompok Transformer dan Rectifier ! Kelompok Pemurnian oksigen (termasuk didalamnya pendingin oksigen) ! Kelompok Pemurnian Hidrogen (termasuk didalamnya pendingin hidrogen) ! Kelompok pemampat hidrogen (termasuk didalamnya pemampat pendinggin hidrogen). Nilai normal aliran energi dan exergi, dan nilai pemakaian exergi ditunjukkan pada gambar 2. Hasilnya jadi normal juga,artinya nilai aliran energi dan exergi serta nilai pemakaian exergi lebih mudah dipahami dibanding hasil analisis lain. Nilai aliran energi, aliaran exergi, dan nilai pemakaian exergi menjadi normal menurut persamaan berikut: Nilai Normal =
Nilai nyata
(100%)
Nilai masukan energi total (2)
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
A-8-2
Kuantitas nilai normal tersebut akan sesuai dengan nilai total yang akan di tinjau, misalnya, kalau 100 unit energi per unit waktu dalam proses keseluruhan. Nilai efesiensi energi dan exergi untuk keseluruhan proses di tunjukkan dalam tabel 3. Efisiensinya ditentukan menggunakan definisi berikut; Efesiensi Energi =
Keluaran energi yang dihasilkan
(100%)
masukan energi total (3) Efesiensi Exergi =
Keluaran exergi yang dihasilkan
(100%)
masukan exergi total (4) Hasilnya ditunjukkan dalam kesetimbangan keseluruhan energi dan exergi (gambar 3). Efisiensi energi yang diperlakukan untuk masing-masing proses di sisni diperoleh nilai lebih kecil dibanding dengan nilai yang terdapat dalam liiteratur. Sedangkan hasil analisis exergi diperoleh nilai yang sesuai dengan nialai yang terdapat pada literatur. 5.
Diskusi Semua input energi dan exergi pada proses elektrolisis air di kombinasi dengan panas suhu tinggi. Sebagian output energi bercampur dengan sisa/buangan air pendingin dan hidrogen, dan sebagian besar output exergi bercampur hidrogen. Seringkali analisis energi mengindisikasikan bahwa sisa energi lebih berharga dari pada produks, dan beberapa analisis exergi mengindikasikan bahwa produks lebih rendah. Disamping itu, untuk meningkatkan efisiensi, seringkali analisis energi mengindikasikan bahwa kuantitas aliran keluar (effluent) harus di reduksi, walaupun analisis exergi mengindiksikan pemakaia internal harus di redukasi. Kenyataannya bahwa nilai efisiensi energi dan exergi yang di opservasi disini terdapat kesamaan, karena: besarnya input energi dan exergi sama, energi dan exergi yang dihasilkan sama, dan menggunakan definisi efisiensi dengan persamaan (3) dan (4). Untuk beberapa proses, nilai efisiensi energi dan exergi kemungkinan bisa sangat berbeda (umpamanya, untuk proses pembakaran bahan bakar fosil kemungkinan efisiensi energinya lebih besar dibanding efisiensi exerginya). Efisiensi energi dan exergi untuk setiap peralatan proses bisa sama atau bisa berbeda secara signifikan. Hasil observasi ditunjukkan pada tabel 3. Efisiensi di tabel 3 adalah hasil perhitungan menggunakan definisi efisiensi persamaan 3 dan 4. Secara bersamaan energi dan exergi utama yang hilang terkait dengan perbedaan peralatan proses. 6.
Penutup Hasil observasi produksi hidrogen melalui proses elektrolisis air menunjukkan bahwa: ! Exergi utama yang hilang adalah pada listrik yang dihasilkan oleh pembangkit (listrik) , karena tidak dapat dirubah dengan pembakaran dan transfer panas melalui perbedaan suhu yang besar. ! Energi yang hilang tercampur secara signifikaan dengan emisi air pendingin pada suatu energi basis, tetapi signifikan secara relatif pada suatu exergi basis, karena kwalitasnya rendah. ! Disitu ada cukup potensi untuk meningkatkan efisiensi elektrolisis air . Efisiensi disini menunjukkan suatu ukuran unjuk kerja suatu sistem melalui pendekatan termodinamika. ! Untuk penyelidikan selanjutnya perlu mempertimbangkan pengetahuan mengenai design, optimasi dan modifikasi proses keseluruhan serta komponen lainya, dimana sistem itu ditempatkan agar diperoleh hasil kajian yang lebih signifikan. ! Penyelidikan dan pengembangannya hendaknya difokuskan pada subproses yang mengalami kehilangan exergi yang besar. Dengan demikian dapat meningkatkan efisiensi energi dan exergi suatu proses, umpanya dengan menambah peralatan pengukur suhu dan integrasi proses. Hasilnya akan dapat dimanfaatkan untuk mengoptimalisasi proses elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen. Daftar Pustaka 1. Casper,M.S., (1987), “Hydrogen Manufacture by Electrolysis, Thermal decomposition and Unusual Techniques”, Noyes Data Corp, Park Ridge, NJ. 2. Gregory, D.P., Tsaros, C.L., Arora, J.L. dan Nevreker,P., (1981), “The economic of Hydrogen”, Chemtech, July, hal. 432-440. 3. Gaggioli, R.A. dan Petit, P.J., (1987), “Use the Second Law First”, chemtech, vol.7, hal. 495-506. JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
A-8-3
4.
Hammerli, M., (1994), “When Will Electrolytic Hydrogen Become Competitive?”, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 9, hal. 25-51. 5. Ken, J.A., (1983), “Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry” edisi 8, Van Nostrand Reinhold, Toronto, hal. 21-35. 6. Moran, MJ., (1982), “Availability Analysis: A Guide to Efficient Energy Use”. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 7. Rosen, M.A., (1986), “The Development and Application of Process Analysis Methodology and Code based on Exergy, Cost, Energy and mass,” Ph.D. diss, Univ. of Toronto, Toronto, America. 8. Rosen, M.A., (1990), “Thermodynamic Analysis of Hydrogen Production by Thermochamical Water Decomposition using the Ispra Mark-10 Cycle”, Proc. 8th World Hydrogen Energy Conf, hawaii, 22-27 Juli. 9. Rosen, M.A. dan Scott, D.S., (1998), “The Enhancement of a Process Simulator for Complete Energyexergy Analysis”, di Analysis of Energy System-design and Operation, AES-vol. 1, ed. Gaggioli, R.A., American Society of Mechanical Engineer, New York, hal. 71-80. 10. Scott, D.S., (1995), “Hydrogen in an Era of energyTransition”, energy Newsletter, McMaster univ. inst. For energy studies, vol. 6, no. 2, hal. 14-26. 11. Smith, W.N. dan Santangelo, J.G., (1990), “Hydrogen Production and Marketing”, Symposium Series 116, American Chemical Society, washington, D.C. Tabel 1. Process data for Hydrogen Production by Water Electrolysis *) Mass flow rate (kg/s) Strem number H2O H2 O2 Material Flow 1 61,1 0 0 2 11,6 0 53,0 3 1,7 0 53,0 4 33,2 6,69 0 5 3,5 6,69 0 6 0,025 6,69 0 7 48,1 0 0 Heat Flow 8 9 10 11 12 Electricity Flow 13 14 15 *) banyaknya aliran disesuaikan gambar 1.
Temperature (K)
298 359 308 359 308 308 298
Pressure (Mpa)
0,101 0,101 0,101 0,101 0,101 10,3 0,101
Heat flow rate (MW)
Electricity flow rate (MW)
-
-
-
-
3000 1830 56 113 22
-
-
-
-
1110 60 1054
Tabel 2. Energy and Exergy Efficiencies (in %) for Hydrogen production by water Electrolysis Process From electricity and process heat From heat From hypothecal heat source
Energy efficiency 77 30 30
Exergy efficiency 67 46 26
Tabel 3. Energy and Exergy Efficiencies 9in %0 of process Subsections for hydrogen by water electrolysis Process Hydrogen purification Hydrogen compression Electricity Generation JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
Energy efficiency 91,6 93,2
Exergy efficiency 98,9 97,5
A-8-4
From heat From hypothecal heat source Transformation and rectication Electrolysis Oxigen purification With oxygen by-product credit Withaout oxygen by-product credit
38,9 38,9 95,0 100,0
64,4 38,9 95,0 72,5
25,0 0,0
54,5 0,0
feedwater
High-temperature Heat
1
8 AC Power to Compressor and Pump
Feedwater purification
14
Electrolyte Recirculation Tank Pump
H2O
Electrical l AC Power 13
Electrolyte Loop
7
9
15 Electrolysis Unit 4 Hydroge n Cooler
2
Transformer/ Rectifier
10
Oxygen Cooler
5 Hydrogen Compresso / Cooler 6 H2
DC Power
11 12 3 O2
Waste Heat
Gambar 1. Alir proses Produksi hidrogen dengan Elektrolisis air. Aliran material ditunjukkangaris tegas, Aliran Listrik dengan garis putus, dan aliran panas dengan garis putus dan titik.
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
A-8-5
H2
O2 CW 0 0 1 (0) (0) (0) O2 Purificatio n (-0)
0 (0)
O2 2 (0) H2O 0 (0)
0 (0)
CW
0 (0)
H2 33 (25)
Electroys is (-10)
DC 35 (35) Transform er and Rectifier (2)
CW
H2O 0 (0) H2O
0 (0)
AC Power (to 0 (0) pump) Electrical Generati on (-15)
AC (37) 37 0 (0)
2 (0)
61 (3) CW
H2 Purificatio n (-0)
H2 Compress or (-1)
AC 2 (2)
100 (57) H.T .
H2 30 (25)
0 (0)
2 (0) CW
30 (26) H2
Gambar 2. Diagram sederhana Proses Produksi Hidrogen dengan Elektrolisis Air, mengindikasikan kecepatan aliran Energi (angka diluar tanda kurung) dan Exergi (angka positip didalam tanda kurung) supaya mengalir, dan kecepatan pemakaian exergi (angka negatip dalam tanda kurung) untuk peralatan. Semua angka dibuat normal supaya 100 unit energi masing-masing masuk keseluruh proses. Diskripsi input dan output aliran diberikan pada kasus diata. CW merupakan air pendingin (Cooling water). .
Energy H2O
Exergy Output and Consumption
H2O H2 (30%
H.T. Heat
Exergy
Energy Output O2 (0%)
H2 (46%
H.T. Heat
CW (70%
Other s Gambar 3. Seluruh Energi dan Exergi seimbang
O2 (0 5 CW (5%) Electrolys is (18%) Electrolical Gen
Gambar 4. Keseimbangan Exergi dari gambar 3 dimodifikasi untuk mempertimbangkan suhu panas tinggi
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
A-8-6
