BAB V BAHAN BAKAR
1. Reformed fuels (Pengubahan bahan bakar )
Bahan bakar fosil (misal bensin) dapat digantikan dengan bahan bakar hydrogen.Untuk memproduksi hydrogen dapat dengan mengubah hydrocarbon dan mengubah ammonia.
1.1 (Hydrocarbon reforming) Pengubahan hydrocarbon
Terdapat dua metoda untuk mengubah hydrocarbon menjadi hydrogen yaitu oksidasi parsial dan pengubahan steam.Oksidasi parsial adalah pembakaran bahan baker secara parsial untuk menghasilkan karbon monoksida dan hydrogen.Reaksi ini eksotermis sebagai contoh diambil metan
Parsial oksidasi bensin sama dengan parsial oksidasi metan.Oksidasi parsial memerlukan suhu yang tinggi yaitu sekitar 900 0C – 1500 0C, tetapi proses ini dapat lebih bervariasi dari pada pengubahan steam. Pengubahan steam mengkombinasikan hidrokarbon dengan steam untuk menghasilkan produk yang sama dengan parsial oksidasi dan reaksi ini endotermis.
System pengubahan steam lebih effisien karena panas yang keluar dari proses dapat direcycle menjadi input dalam proses pengubahan steam yang endotermis.Pengubahan steam juga lebih banyak memproduksi hydrogen karena hydrogen juga berasal dari air. Berikut ini adalah perbangdingan steam reforming dan parsial oxidation.
Proses dalam tahap selanjutnya adalah reaksi water – gas yaitu reaksi antara carbon monoksida dengan air untuk menghasilkan tambahan hydrogen. CO dapat meracuni katalis (platinum) dielektroda dan dapat mengurangi tegangan.Oleh karena itu CO harus dihilangkan.
Perbandingan berbagai hasil hydrogen dari pengubah hydrocarbon dan partial oxidation.
1. 2 (Methanol reforming example) Pengubah methanol
Bahan baker methanol merupakan alcohol sederhana, biasanya digunakan untuk bahan bakar kendaraan cell, karena cairan ini memiliki densitas yang tinggi dan mudah dirubah dari pada bensin.Metanol mempunyai 12,5% berat hydrogen. Performa dari penhubah methanol menjadi hydrogen sebagaimberikut:
1. 3 Amonia
Amonia dapat diubah untuk pengganti bahan bakar fosil. Amoniak reforming menghasilkan pembakaran yang bersih, secara umum digunakan sebagai pupuk. Perusahaan fuel cell, seperti analytic power dan H-power telah mengembagkan prototyes yang amoniak cair sebagai bahannya. Amoniak mengandung 17,6 % berat atom hidrogen. Amonia akan terurai membentuk gas hidrogen dan nitrogen. amoniak dapat dengan mudah mencair pada tekanan normal, dan pada densitas cair sebesar 601 g/L pada 300K setara dengan H2 dengan densitas
volumetris sebesar 55 g/L. Pencairan ini membutuhkan tekanan hanya 10 Bar pada prinsipnya, reksi penguraian amoniak adalah :
Reaksi ini berjalan pada suhu lebih dari 4000C yang memerlukan sumber panas dari luar, karena pertukaran proton keluar membran hanya pada suhu 800C. Secara tradisional, beberapa hidrogen dalam pembentukan keluaran stream dibakar untuk menyediakan panas untuk pembentukan dan cracking meskipun sangatlah mungkin untuk mengatur utilisasi anoda dari fuel cell sehingga bagian pengeluaran dari fuel cell mempunyai pemanasan yang cukup dari hidrogen yang tidak terpakai untuk menyuplai panas yang dibutuhkan jika dibakar.
Efisiensi reformer diukur dari fraksi hidrogen yang tidak terbakar, paling banyak 70% dan sistem tidak dapat dijalankan, sehingga terdapat 15 % dari anoda. Pabrik fuel cell analytic power telah membuat sitem pembentukan amoniak yang disebut Cracker.
Masalah utama adalah amoniak tidak tersisosiasi pada konsentrasi gas produk. Meskipun konsentrasinya kurang dari 50 %, masalah ini cukup menghancurkan fuel cell dengan asam elektrolit, sehingga sebuah penyerap asam diperlukan untuk menghapus bekas gas amoniak dari cracker. Amoniak juga merupakan racun ; tumpahan dari emisi yang menguap dapat berbahaya dengan cara yang berbeda dibanding dengan tumpahan minyak atau hidrogen, karena amoniak dapat merusak paru – paru. . 1.4 (Chemical hydride energy storage) Penyimpanan kimia daya hydride
Bahan bakar hidrogen juga dapat dihasilkan oleh reaksi kimia dengan padatan “ kimia hydrides. Teknik ini berada di suatu tempat di antara logam hydrides dan pembaruan, tapi diliputi sini pada bagian pembentukan. Bahan kimia seperti Litium hydride, alumunium litium hydride, dan sodium borohydride dapat dikombinasikan dengan air untuk meningkatkan gas hidrogen (secara eksotermis): LiH + H2O Ú LiOH + H2
(_H = -312 kJ•mol-1 LiH) LiAlH4 + 4 H2O Ú LiOH + Al(OH)3 + 4 H2 (_H = -727 kJ•mol-1 LiAlH4) NaBH4 + 4 H2O Ú NaOH + H3BO3 + 4 H2
Senyawa ini adalah lebih bersinar dibandingkan logam hydrides yang dapat dibalik, dan melepaskan banyak hidrogen karena hidrogen dibebaskan dari komponen reaktan air. Tiga kimia contoh hydrides dan kemampuan penyimpanan hidrogen mereka direproduksi di bawah.
Fraksi berat jauh lebih tinggi, dan kebutuhan sistem untuk kepuasan adalah banyak kurang karena tekanan parsial dari hidrogen berlalu hydride adalah rendah (1 - 10 atm). Browning et al taksiran satu ekstra 20% “ untuk berat dari silinder hidrogen dan air, mencampur alat dan kontrol katup.” Antara lain, untuk LiH untuk menghasilkan 250 gram hidrogen, 0. 98 kg dengan serbuk hydride
dan 2.2 kg tangki dari air akan diperlukan. Satu tambahan 200 g sistem kontrol dan campuran akan diperlukan.Pembungkusan kimia hydrides di subunit kecil akan membuat distribusi bahan bakar mudah; kalau pengsisian dengan baik dan dengan aman , mereka dapat bahkan bisa di jual di toko khusus. Kepuasan adalah tak satu pun sepele masalah; hydrides harus dilindungi dari air di bentuk benda cair atau uap itu mungkin menyebabkan reaksi sangat eksotermik dan menyala hidrogen tercair. Satu emisi lain adalah itu sepeda motor sekuter mengakumulasi hidroksida yang mana harus dikumpulkan dan dengan aman cenderung dari, atau baiknya, diproses ulang. Akhirnya, kurang eksotermik dari reaksi kedua-duanya, itu untuk LiAlH ,menghasilkan 182 kJ dari panas per mol dari pelepasan H2. Di kekuatan sel bahan-bakar maksimum, ketika 0.05 mol hidrogen dikonsumsi tiap-tiap detik, berlalu 9 kilowat panas dihasilkan! Ini adalah sejumlahbesar yang melebihi tersebut dihasilkan oleh sel bahan-bakar sendiri, dan buat untuk satu masalah besar pemungkiran panas. Seperti untuk rugikan, harga sekarang ini untuk kuantitas kekecilan dari kimia (2 kg maksimum) dihasilkan di tinggi(>95%) kemurnian untuk penggunaan percobaan. Kalau kimia hydrides sebenarnya dipergunakan untuk kendaraan, harga ini akan harus menyusut berpengaruh significant. Juga, solusi sampah meninggalkan setelah reaksi akan diproses ulang dan biaya akan diharapkan lebih rendah dibandingkan itu untuk membuat satu batch segar dari kimia hydride serbuki. Jenis ini dari teknologi adalah tidak sehat halangan dikembangkan dan jangkung dari biaya dan keselamatan harus atasi kalau kimia hydrides adalah dengan serius dipertimbangkan untuk kendaraan hidrogen. exothermicity dari reaksi tampak diboroskan pada sepeda motor sekuter, dimana penggunaan primer dari manajemen panas adalah ke peroleh bersihkan dari panas. Mereka menawarkan kemungkinan goda dari sangat ketinggian kepadatan daya dan mudah distribusi pada unit tepat.
2 (Direct hydrogen storage) Penyimpanan hidrogen secara langsung
2.1 Safety (Pengamanan)
Hidrogen seeringdikenal sebagai bahan bakar yag berbahaya. Hal ini tidah sepenuhnya salah: tidak seperti bensin dan kebanyakan hidrokarbon, yang hanya memiliki batasan
titik nyala
yang kecil atau perbandingan bahan bakar dengan udara ( sebagai
contohuntuk bensin antara 1,3- 7,1 %). Hidrogen mempunyai titik nyala pada rentang consentrasi yang besar (4-75% dalam udara). Dan juga hidrogen memiliki energi penyalaan yang relatif kecil.; energi nyala yang kcil yang membuat nyala yang tak terlihat(0,2 mJ pada kondisi stoikiometri dalam udara, kurang dari 10% dari energi penyalaan methan, propane, atau isooktane).
Pada sisi lain, hydrogen merupakan ataom yang sangat ringan, dan cenderung mengalami kebocoran sangat cepat, hydrogen cenderung erdifusi keatas dari pada terakumulasi kebawah, etapi dalam ruangan terutup hydrogen cenderung terperangkap pada langitlangit. Batas minimum hydrogen dapat ternbakar lebih baik dari pada bensin. Untuk pengamanan agar muda dib au ditambahkan zat tertenu sama dengan pada gas alam. Kecuali komponen yag mengandung belerang dapat meracuni Platinum Catalist.
3.
Metal hydride energy storage (Penyimpan energi Logam Hydride)
Logam hydride terbentuk jika ikatan atom logam dengan hidrogene membentuk bentuk yang stabil. Meskipun logam lebih berat dari penyimpanan hydrogen tetapi logam dapat menyeram hidogen dalam jumlah yang besar. Masalah dari logam hydride yaitu biaya pembuatan campuran logam yang tinggi, sensitf terhadap impurities gas.
3.1 Thermodynamics (Termodinamika)
Reaksi penyerapan logam Hydride adalah:
Dimana jumlah atom hydrogen adalah X per M yang merupakan atom logam Hyride adalah fungsi kimia dari logam. Karena reaksinya eksotermis maka kelebihan panas akan mengakibatkan kesetimbangan untuk mengubah gas bebas hydrogen dan tekanan parsial yang lebih tinggi dari hydrogen mengkibatkan penyarapan dan pembentukan logam hydride. Keq= [h2] Dan subsiusi kepersamaan Energy bebes menghasilkan:
Hydride memiliki panas reaksi yang tinggi
, dan mempunyai tekanan keseimbangan
hyrogene yang rendahdari pada logam pada suhu tertenu dan ikatan logam hyrogene yang lebih kuat.
met
karena proses desorpsi adalah endotermis, peningkatan hydride pada temperature tinggi, tekanan tetap, kesetimbangan mengubah lebih banyak gas hydrogen, dimana ada temperature rendah gas H2 akan lebih banyak terserap. Pada temperature tetap ,pembuangan gas hydrogen akan menyebabkan kesetimbangan berubah dimana banyak melepaskan hydrogen menjadi bentuk hydride .
Hydride juga sensitive terhadap zat kontaminan (beberapa diantaranya teracuni oleh oksigen atau uap air) sehingga penanganannya harus dilakukan hanya dengan memasukan hydrogen murni dalam hydride.
3.2 Kinetics (Kinetika) Penggunaan logam hydride sebagai media penyimpan untuk hydrogen tidak hanya tergantung pada termodynamika tapi juga kinetika. Sayangnya, pada hakekatnya kinetic dari disosiasi hydrogen cepat; laju penentu secara umum adalah transfer panas dalam
bubuk. Secara umum bubuk tidak menghantarkan panas(konduksi) yang baik, dan serbuk logam hydride memiliki termal konduktifitas dalam rentang antara 1-2 Wm-1 K-1. unuk perbandingan, tembaga, salah satu konduktor terbaik , memiliki konduktifitas 401 W m-1 K-1, kaca jendela 1,0 Wm-1 K-1 ; dan fiberglass (isolator),memiliki konduktifitas 0,05 Wm-1 K-1. Biasanya panas dibutuhkan untuk transfer antara dinding dari bejna bertekanan dan serbuk. Sementara luas area permukaan yang tinggi berarti bahwa penyerapan dan pelepasan hydrogen sangat cepat, hal ini juga berarti partikel serbuk yang kecil, yang menghantarkan panas lebih sedikit. Meskipun skema untuk meningkatkan konduksi meliputi melekatkan logam hydride dalam busa alumunium dengan arteri yang memiliki porositas tinggi.
3.2 Classification (Klasifikasi)
Logam hydride diklasifikasikan berdasarkan suhu pada dataran tinggi,tekanan parsial hydrogen diatas logam hydride yaitu lebih tinggi dari 1 atm. Dua difisi adalah suhu rendah logam hydride, dimana tekanan parsial lebih dari 1 bar dibawah 100 0C, dan suhu tinggi logam hydride, dimana secara umum memerlukan temperature lebih dari 200 0C untuk mencapai tekanan parsial 1 bar. Beberapa contoh spesifikasi diberikan dibawah ini.
3..4. Metal hydride performance (Kinerja hydride logam) Untuk membandingkan sistem yang dapat dicapai secara praktik, tiga perkiraan dibuat berlandaskan sistem hydride yang tersedia dan proyek yang akan datang.
adapun ketiga perkiraan system tersebut dapatt dilihat dari grafik dibawah ini:
Logam hydrides dipergunakan di beberapa demo kendaraan sel bahan-bakar karena berat molekul dan pengeluaran tidak dipertimbangkan untuk kendaraan fuel sell. Di sisi lain,kendaraan yang kecil, efisien bahan bakar tinggi seperti sepeda motor/ sekuter mungkin lebih menguntungkan daSlam hal keselamatan dan volume yang kecil dari logam hyride.
4. Compressed gas storage
Satu dari yang tidak terlalu istimewa tetapi lebih banyak digunakan dalam metode penyimpanan hidrogen adalah menekan zat tersebut menjadi gas, hal tersebut bertujuan untuk menngkatkan densitasnya. Kondisi penyimpanan diatur pada tekanan 3600 psi dan suhu kamar (300 K). Silinder yang bertekanan 5000psi telah disarankan pada penyimpanan densitas yang besar, tetapi kebanyakan pilihan yang lama digunakan. Persamaan Redlich-kwong dibawah ini memperkirakanvolume molar 0,117 L/mol dibawah kondisi ini, 16% lebih jelek dari 0,101 L/MOL dihitung oleh gas ideal.
Dimana Vm merupakan volum per mol, R= konstanta gas ideal, P=tekanan, a dan b konstanta empiris sebagai berikut:
Diman Tc =suhu kritis dan Pc = tekanan kritis. Sejumlah kerja yang dibutuhkan untuk menekan gas hidrogen kedalam silinder, berati terdapat energi akhir dari pendekatan 5-10%. Suhu meningkat ketika silinder hydrogen di isi dengan hydrogen bertekanan dan tekanan lebih tinggi dari tekanan operasi sampai silinder mempunyai kemampuan untuk keadaan dingin. Pemelharan harus diambil untuk silinder bertekanan yang lebih besar.
Tangki penyimpanan hyrogen sekarang terbuat dari campuran baja yang tahan terhadap serangan hydrogen.
4.1 Cylinder Performance
Dynetek dari Calgary akhir- akhir ini memproduksi beberapa silinder aluminium/carbon untuk menyimpan Hidrogen.
Walaupun ukurannya sangat kecil tapi mampu
menghasilkan 50 liter volume air (volum internal), sebagian dari dynetek diukur panjangnya 380 mm, diameter luar 325 mm, volum internal 20 liter, berat 11 kg, dan volum eksternalnya 31,5 liter. Harganya tergantung dari kuantitasnya tapi diperkirakan seharga 18-20$/liter. System ini berisi 344 gram H2 pada 0.117 L/mol. Hasilnya 3.1 % fraksi massa, densitas volumetric 10.9 gram H2 per volum eksternal (L), dan harganya $360. Ini adalah fraksi massa hydrogen yang baik, harganya murah tapi bervolum kecil. Tangki pembawa gas alam berukuran kecil di sediakan oleh Lincoln Composites, terdapat pada tabel di bawah, gas yang di bawa memiliki densitas yang rendah tapi harganya sangat mahal yaitu kira-kira $900. Produk pembanding akhir adalah semua yang berhubungan dengan silinder logam. Silinder aluminium Air Products ukuran C dengan berat 15 kg dan volume internal 15.8 L. Silinder ini panjangnya 84 cm, berdiameter 18 cm (volume eksternal 21.4 L) – lebih panjang daripada skuter. Desain maksimal adalah bertekanan 2216 psi, dapat menyimpan 177 gram hydrogen. Penyimpanan hydrogen pada 1.2 wt% dan densitas volumetric 8.3 gram per volume eksternal (L). Teknologinya disederhanakan dalam tabel di bawah ini :
4.2 Cylinder Safety
Silinder gas alam dirancang khusus dengan PRDs untuk menghindari isi silinder terhadap kebakaran. Karena kegagalan akibat degradasi material komposit lebih banyak daripada kenaikan tekanan, banyak saklar eutectic didesain untuk mengontrol ketika suhu yang diinginkan tercapai. Umur maksimum dari silinder adalah 15.000 cycle, (standar dari Pemerintah Kanada). Ini cukup untuk penggunaan selama 120 tahun dengan jarak tempuh 45 km tiap hari dan 1 recycle tiap 3 hari. Silinder hydrogen lebih bermanfaat untuk skuter fuel cell waktu pendek. Silinder hydrogen biasanya digunakan untuk bahan bakar sepeda motor/ scooter, tetapi logam hydride lebih menguntungkan volumnya lebih kecil dan sejumlah panas dapat dihilangkan untuk mengurangi harga logam hydrid.
5. Liquid hydrogen storage (Tangki hydrogen cair)
Teknologi Criogenik dan silinder isolasi dibutuhkan jika ketinggian densitas volumetris dari hydrogen cair digunakan. Pada 20 K dan 0.1 Mpa tekanan uap, 5.3 wt% H2 diperoleh. Bagaimanapun, penyimpanan hidrogen pada temperatur rendah, sangan sulit, dengan Insulasi yang sangat bagus , tekanan vakum, dan penambahan nirogen cair untuk pendinginan
