BAB V VALIDASI DAN ANALISIS HASIL SIMULASI MODEL SEL BAHAN BAKAR MEMBRAN PERTUKARAN PROTON
5.1. Pendahuluan Pada Bab 5 ini akan dibahas mengenai validasi dan analisis dari hasil simulasi yang dilakukan terhadap model simulink yang dirancang seperti pada Bab 4. Validasi dilakukan dengan membandingkan karakteristik model yang dirancang dengan karakteristik hasil percobaan yang didapat dari referensi [5]. Sedangkan simulasi yang dilakukan antara lain ditujukan untuk melihat karakteristik tegangan terhadap arus, daya terhadap arus, respon perubahan suhu, efisiensi, dan respon Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell /
PEMFC) saat pengasutan dan keadaan mantap, serta untuk menghitung biaya bahan bakar hidrogen per kwh
5.2. Validasi Model PEMFC Referensi percobaan yang diambil adalah dari penelitian tentang pemodelan PEMFC yang dipublikasikan di IEEE. (C. Wang, M.H. Nehrir, S.R. Shaw. Dynamic Models
and Model Validation for PEMFCs Using Electrical Circuits. IEEE Trans. On Energy Conversion, Vol. 20, No. 2, Jun 2005). Paper ini melakukan percobaan untuk melihat karakteristik dari PEMFC Avista Labs tipe SR-12 500-W.
5.2.1. Karakteristik Tegangan-Arus Pada percobaan yang dilakukan terhadap Avista Labs tipe SR-12 500-W, digunakan sebuah Programmable Electronic Load Chroma 63 112 sebagai beban yang dapat diatur arusnya. Karakteristik tegangan terhadap arus dari Avista Labs tipe SR-12 500-W diukur dengan menaikkan arus beban secara bertahap untuk interval waktu tertentu.
50
Gambar 5.1 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus dari Avista Lab tipe SR-12 500-W 40
37.5
Tegangan (Volt)
35
32.5
30
27.5
25
0
5
10
15
20
25
Arus (A)
Gambar 5.2 Karakteristik Tegangan Terhadap Arus pada Model PEMFC
Gambar 5.1 menunjukkan karakteristik v-i pada Avista Labs tipe SR-12 500-W, sedangkan Gambar 5.2 menunjukkan karakteristik v-i pada model PEMFC yang dibuat. Karakteristik v-i menunjukkan jatuh tegangan pada di bagian awal kurva disebabkan oleh tegangan aktivasi, jatuh tegangan di bagian tengah kurva disebabkan terutama oleh tegangan ohmik, dan jatuh tegangan di bagian akhir kurva disebabkan oleh tegangan konsentrasi. Hasil simulasi pada model menunjukkan karakteristik v-i yang mirip dengan percobaan sebenarnya, hanya terdapat perbedaan pada kemiringan kurva yang juga menyebabkan tegangannya sedikit berbeda pada saat arus tinggi..Kemiringan kurva dipengaruhi oleh besar jatuh tegangan ohmik. Pada hasil percobaan SR-12, kurva memiliki kemiringan yang sedikit lebih curam dibandingkan dengan hasil 51
pemodelan. Hal ini berarti jatuh tegangan ohmik pada percobaan memiliki nilai lebih besar dari yang dimodelkan.
5.2.2. Karakteristik Daya Keluaran-Arus
Gambar 5.3 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Avista Lab tipe SR-12 500-W 800 700 600
Daya (Watt)
500 400 300 200 100 0
0
5
10
15
20
25
Arus (A)
Gambar 5.4 Karakteristik Daya Keluaran Terhadap Arus pada Model PEMFC
Daya keluaran PEMFC didapat dari hasil perkalian antara tegangan keluaran dengan arus beban. Gambar 5.3 menunjukkan karakteristik daya keluaran terhadap arus beban hasil percobaan pada Avista Labs SR-12 500-W. Sedangkan Gambar 5.4 menunjukkan hasil simulasi yang dilakukan pada model yang dikembangkan pada
simulink.
52
Hasil simulasi menunjukkan kurva yang mirip, daya keluaran akan terus bertambah dengan semakin bertambahnya arus, tetapi pada titik arus tertentu, daya keluaran akan turun dengan curam karena pengaruh jatuh tegangan konsentrasi. Hanya saja dalam hasil simulasi, daya maksimal yang dihasilkan lebih besar dari nilai yang didapat dari percobaan, hal ini disebabkan oleh nilai resistansi membran yang dimodelkan lebih kecil daripada yang sebenarnya.
5.2.3. Karakteristik Respon Suhu
Gambar 5.5 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Avista Lab tipe SR-12 500-W 318
316
Suhu (Kelvin)
314
312
310
308
306
0
500
1000
1500
2000 2500 Waktu (detik)
3000
3500
4000
Gambar 5.6 Respon Suhu Terhadap Waktu pada Model PEMFC
Percobaan dan simulasi untuk menghitung respon temperatur PEMFC ini dilakukan dengan menaikkan arus secara bertahap pada interval waktu tertentu (4000 s), sama seperti pada percobaan tegangan dan daya keluaran. Gambar 5.5 menunjukkan
53
respon perubahan suhu yang dialami oleh Avista Labs SR-12 500-W. Sedangkan Gambar 5.6 menunjukkan respon perubahan suhu yang dihasilkan oleh simulasi. Model yang dibuat menghasilkan respon suhu akhir yang lebih kecil dibandingkan dengan respon suhu pada percobaan. Hal ini disebabkan oleh resistansi membran yang dimodelkan nilainya lebih kecil dari yang sebenarnya. Resistansi membran yang kecil akan menghasilkan tegangan keluaran yang besar sehingga daya keluaran yang dihasilkan pun lebih besar. Berdasarkan persamaan (3.44), kalor per detik yang dihasilkan akan semakin kecil apabila daya listrik yang dihasilkan semakin besar. Selain itu pada hasil percobaan respon suhu yang dihasilkan tampak lebih dinamis. Terjadi kenaikan suhu secara mendadak pada hasil percobaan lalu turun kembali. Kemungkinan hal ini disebabkan pada saat percobaan, PEMFC sangatlah sensitif terhadap perubahan suhu lingkungan sehingga mempengaruhi respon suhu secara keseluruhan. Namun secara umum kedua grafik tersebut sudah menggambarkan respon suhu PEMFC yang terus bertambah dengan bertambahnya arus beban
5.3. Perbaikan Model dari Validasi Pertama Pada validasi pertama didapat bahwa model yang dibuat tidak menghasilkan output yang sama dengan data Avista Labs SR-12 500-W. Hal ini disebabkan oleh perbedaan pada jatuh tegangan ohmiknya. Oleh karena itu nilai jatuh tegangan ohmik harus disesuaikan dengan pendekatan semi-empiris agar didapat hasil pemodelan yang mendekati dengan hasil percobaan.
5.3.1. Perhitungan Jatuh Tegangan Ohmik Baru Nilai jatuh tegangan dari model lebih kecil dibandingkan dengan nilai yang didapat dari hasil percobaan. Agar diapat hasil yang mendekati, ada beberapa kemungkinan cara untuk menambah nilai jatuh tegangan ini. Diantaranya adalah dengan memperbesar koefsien pada penghitungan Rohm.
54
Pada perhitungan Rohm, harus diberikan sebuah koefisien baru yang dapat disebut sebagai faktor koreksi tegangan ohmik (fkohm). Nilai faktor koreksi ini dapat dihitung dengan pendekatan dari faktor lebih dari satu, sampai tak hingga. Ternyata setelah melalui proses percobaan berulang, didapat nilai faktor koreksi tegangan ohmik (fkohm) sebesar 4,3. Nilai ini akan dimasukkan ke dalam penghitungan jatuh tegangan ohmik pada model PEMFC.
5.3.2. Karakteristik Model PEMFC Hasil Perbaikan 40 Vout1 Vout2
38 36
Tegangan (Volt)
34 32 30 28 26 24 22
0
5
10 15 Arus (Ampere)
20
25
Gambar 5.7 Karakteristik v-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi 800 Pout1 Pout2
700 600
Daya (Watt)
500 400 300 200 100 0
0
5
10 15 Arus (Ampere)
20
25
Gambar 5.8 Karakteristik P-i untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi
55
322 T1 T2
320
Suhu (Kelvin)
318 316 314 312 310 308 306
0
500
1000
1500
2000 2500 Waktu (detik)
3000
3500
400
Gambar 5.9 Karakteristik Respon Suhu untuk Model PEMFC yang Telah Dikoreksi
Gambar 5.7 menunjukkan karakteristik tegangan terhadap arus, Gambar 5.8 menunjukkan karakteristik daya keluaran terhadap arus, sedangkan Gambar 5.9 menunjukkan respon suhu dari model PEMFC. Garis warna biru tegas menggambarkan karakteristik setelah perbaikan, sedangkan garis merah bertanda silang menggambarkan karakteristik sebelum perbaikan. Ketiganya mengalami perbaikan dalam besarnya jatuh tegangan ohmik yang mempengaruhi terhadap kemiringan kurva. Hasil koreksi ini menunjukkan bahwa ketiga karakteristik utama dari PEMFC ini sudah mendekati hasil percobaan yang dilakukan pada Avista Labs SR-12 500-W.
5.4. Karakteristik Pengasutan (Start-Up) dan Keadaan Mantap (Steady State) 5.4.1. Respon Tegangan Pengasutan Percobaan untuk mengetahui karakteristik pengasutan dan keadaan mantap ini dilakukan dengan menghubungkan output tegangan model PEMFC dengan hambatan yang nilainya 10 Ω. Nilai hambatan yang konstan ini akan menghasilkan nilai arus yang konstan pada tegangan konstan. Akan tetapi pada saat pengasutan (start-up) nilai tegangan keluaran mengalami delay akibat efek kapasitansi sebelum mencapai keadaan mantap (steady state).
56
38.5 X: 0.6747 Y: 38.3
Tegangan Keluaran (Volt)
38
37.5 X: 1 Y: 37.34
37
36.5
36
35.5
X: 1.313 Y: 35.67
0
0.2
0.4
0.6
0.8 1 1.2 Waktu (detik)
1.4
1.6
1.8
2
Gambar 5.10 Karakteristik Tegangan Pengasutan Model PEMFC Untuk Beban Tetap
Gambar 5.10 menunjukkan kurva karakteristik pengasutan tegangan. Sebelum diberi beban, PEMFC menghasilkan tegangan sebesar 38,3 Volt. Setelah dimasukkan beban sebesar 10 Ω di detik ke-1, tegangan turun menjadi 37,34 Volt. Penurunan tegangan memiliki nilai yang cukup signifikan pada awal pengasutan PEMFC. Faktor utama yang mempengaruhi jatuh tegangan ini adalah tegangan pada efek kapasitansi (Vd). Vd ini mempunyai sifat seperti kapasitor yang diisi hingga mencapai keadaan mantap saat kapasitor penuh. Selain itu faktor jatuh tegangan ohmik juga berpengaruh terhadap besarnya jatuh tegangan pada keluaran. 1.8 X: 1.347 Y: 1.716
1.6
Tegangan Kapsitor (Volt)
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8 1 1.2 Waktu (detik)
1.4
1.6
1.8
2
Gambar 5.11 Karakteristik Jatuh Tegangan Efek Kapasitansi Lapisan Ganda (Vd)
57
1
X: 1.313 Y: 0.8922
0.9
X: 1 Y: 0.934
Tegangan Ohmik (Volt)
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8 1 1.2 Waktu (detik)
1.4
1.6
1.8
2
Gambar 5.12 Karakteristik Jatuh Tegangan Ohmik (Vohm)
Gambar 5.11 menunjukkan karakteristik tegangan Vd yang merupakan representasi dari efek kapasitansi lapisan ganda sebagaimana dijelaskan pada Subbab 3.3.5. Terlihat pada kurva bahwa tegangan naik secara eksponensial dan berhenti di suatu nilai yang menandakan kapasitor telah penuh. Pada keadaan mantap, jatuh tegangan di kapasitor mempunyai kenaikan nilai sebesar 1,716 Volt pada 0,3 detik. Gambar 5.12 menunjukkan karakteristik jatuh tegangan Vohm yang nilainya sangat dipengaruhi oleh besar arus yang mengalir, yang berarti secara tidak langsung dipengaruhi oleh tegangan keluaran sehingga kurva Vohm memiliki bentuk yang hampir sama dengan tegangan keluaran. Di awal pengasutan, nilai jatuh tegangan ohmik adalah sebesar 0,934 V, dan setelah 0,3 detik menjadi 0,8922 V. Terjadi penurunan sebesar 0,042 Volt. Dari kurva tegangan keluaran, nilai tegangan keluaran pada awal pengasutan adalah sebesar 37,34 V, sedangkan setelah mencapai kondisi mantap setelah 0,3 detik , nilai tegangannya menjadi 35,67 V. Dari kurva tegangan keluaran, dapat dihitung bahwa Vout memiliki penurunan sebesar 1,67 Volt. Apabila kita dekati dari nilai jatuh tegangan, nilai penurunan tegangan ini dipengaruhi paling besar oleh jatuh tegangan pada efek kapasitansi sebesar 1,716 Volt dan oleh jatuh tegangan ohmik (-0,042) Volt sehingga total penurunan adalah juga sebesar 1,67 Volt.
58
Dapat kita simpulkan bahwa karakteristik tegangan keluaran pengasutan PEMFC dipengaruhi terutama oleh jatuh tegangan akibat efek kapasitansi lapisan ganda, yang direpresentasi dari resistansi jatuh tegangan Rakt2 dan Rkon.
5.4.2. Respon Perubahan Suhu PEMFC Dari Pengasutan Sampai Keadaan Mantap 309
X: 1529 Y: 308.7
308.8
X: 2477 Y: 308.8
Suhu (Kelvin)
308.6
308.4
308.2
308
307.8
307.6
0
1000
2000
3000
4000 5000 Waktu (detik)
6000
7000
8000
Gambar 5.13 Karakteristik Respon Suhu dari Model PEMC Untuk Beban Tetap
Kurva karakteristik respon suhu pada Gambar 5.13 menunjukkan bahwa suhu PEMFC berubah naik secara drastis di awal pengoperasian. Namun semakin lama suhu akan naik secara perlahan dan kemudian mencapai nilai konstan. Pada Gambar 5.13 ditunjukkan bahwa suhu mulai naik perlahan saat sekitar 1500 detik, dan sudah cenderung konstan saat sekitar 2500 detik. Besarnya kalor yang dihasilkan oleh PEMFC dihitung dengan menggunakan persamaan (3.51). Faktor-faktor yang berpengaruh antara lain kalor yang dihasilkan dari reaksi kimia per detik ( Q reaksi ), daya listrik yang dikonsumsi oleh beban ( Q el ), kalor per detik yang dipindahkan melalui senyawa yang masuk dan keluar sel ( Qtransfer ), dan kalor yang dipindahkan melalui udara / konveksi per detik ( Qtransfer ). 1
2
Dari empat faktor yang berpengaruh pada perubahan suhu PEMFC, hanya kalor konveksi per detik ( Qtransfer ) yang nilainya tidak bergantung kepada arus, sedangkan 2 yang lainnya mempunyai nilai yang dipengaruhi oleh arus yang mengalir di PEMFC. 59
Oleh karena itu bentuk kurva respon perubahan suhu PEMFC ditentukan terutama oleh karakteristik kalor konveksi per detik (Gambar 5.14) 35
30
Kalor per detik (Watt)
25
20
15
10
5
0
0
1000
2000
3000
4000 5000 Waktu (detik)
6000
7000
8000
Gambar 5.14 Karakteristik Respon Kalor Konveksi pada Pengasutan PEMFC
5.5. Perhitungan Biaya Bahan Bakar dengan Energi 55
50
Efisiensi (%)
45
40
35
30
25
0
5
10
15
20
25
Arus (A)
Gambar 5.15 Karakteristik Efisiensi Model PEMFC
Kurva efsiensi menunjukkan bahwa semakin besar arus yang mengalir dalam PEMFC, maka akan semakin kecil efisiensi PEMFC tersebut. Energi yang dihasilkan oleh PEMFC akan tergantung pada efisiensinya. Persamaan reaksi yang terjadi dalam PEMFC adalah : H 2 (g) +
1
2
O 2 (g) → H 2O(l)
60
Dari konsep Higher Heating Value (HHV) pada persamaan (3.53), dimana besarnya ΔHHV untuk keadaan standar adalah 285,8 KJ/mol. Energi maksimal yang dapat
dihasilkan oleh satu mol hidrogen dan setengah mol oksigen yang bereaksi adalah :
(5.1)
WH 2 = nH 2 * ΔHHV WH 2 = 285,8 KJoule
Sedangkan energi yang berhasil dikonversikan bergantung pada nilai efisiensi PEMFC yang karakteristiknya bergantung pada nilai tegangan keluaran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.15. Apabila dikonversikan ke dalam kWh, 1 Joule = 2.777778x10-7 kWh, maka untuk mendapatkan nilai energi dalam kWh : (5.2)
Wel = η * 285,8*103 * 2.777778*10-7 kWh Wel = η *0.07939 kWh
Pada Gambar 5.16 dapat dilihat karakteristik energi (dalam kWh) yang dihasilkan oleh satu mol hidrogen dan setengah mol oksigen dalam model PEMFC terhadap arus beban (I). 0.045
Energi (kWh)
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0
5
10
15
20
25
Arus (A)
Gambar 5.16 Karakteristik Energi (kWh) Terhadap Arus Beban (Ampere) dari Model PEMFC
Dari Gambar 5.16 terlihat bahwa kurva energi yang dihasilkan oleh PEMFC mempunyai bentuk dan karakteristik yang sama dengan tegangan dan efisiensi PEMFC, yakni akan mengalami penurunan untuk nilai arus yang bertambah.
61
Hidrogen adalah unsur yang memiliki masa atom sebesar 1,008 gram/mol, sedangkan massa molar H2 adalah 2 x 1,008 g/mol = 2,016 g/mol. Dengan kata lain satu mol hidrogen (H2) yang bereaksi memiliki massa 2,016 gram atau 2,016x10-3 kg[16]. Dalam pasaran, hidrogen dijual dalam satuan kilogram (kg), maka harus dihitung energi yang dapat dihasilkan per satuan kg. Apabila model yang dibuat adalah berasal dari satu mol hidrogen, maka untuk satu kg hidrogen : mol H 2 =
massa total 1 = = 496, 031746 mol massa molar 2, 016*10−3 22 X: 0.1172 Y: 21.2
20
Energi (kWh)
18
16
X: 24.48 Y: 13.28
14
12
10
0
5
10
15
20
25
Arus (A)
Gambar 5.17 Energi Listrik Yang Dihasilkan dari 1 kg H2 dalam Model PEMFC
Energi yang dihasilkan oleh model PEMFC yang dibuat akan dikalikan lagi dengan faktor pengali sebesar 496,031746. Gambar 5.17 menunjukkan besar energi listrik terhadap arus yang dihasilkan oleh 1 kg H2 pada model PEMFC yang dibuat. Dari grafik tersebut, dapat diambil dua titik sampel untuk menghitung energi dalam kWh per kilogram hidrogen, yakni dengan mengambil Wmax = 21,2 kWh dan Wmin = 13,28 kWh. Harga hidrogen cair murni di pasaran domestik Amerika Serikat adalah US$ 7,05/kg (per 2 Juni 2008, [17]). Maka harga biaya pembangkitan listrik adalah :
$ 7,05 /kg = $ 0.33255 /kWh 21,2 kWh /kg $ 7,05 /kg = $ 0.53087 /kWh Biaya per kWh (maksimal) = 13,28 kWh /kg Biaya per kWh (minimal) =
62
Jika diasumsikan 1 US$= Rp 9.000,00, maka biaya hidrogen dalam rupiah adalah : Biaya H 2 per kWh (minimal) = 0.33255* 9000 = Rp 2.992,95 /kWh Biaya H 2 per kWh (maksimal) = 0.53087* 9000 =Rp 4.777,83 /kWh 0.09 0.085 X: 0.0072 Y: 0.08555
0.08
Energi (kWh)
0.075 0.07 0.065 0.06
X: 24.11 Y: 0.05472
0.055 0.05 0.045 0.04
0
5
10 15 Arus (Ampere)
20
25
Gambar 5.18 Energi Listrik Yang Dihasilkan Dari 1 mol O2
Gambar 5.18 menunjukkan hubungan antara arus yang mengalir pada PEMFC dengan energi yang dihasilkan dalam kWh untuk 1 mol O2. dari kurva tersebut didapat energi maksimal yang dapat dihasilkan adalah Wmaks = 0,08555 kWh sedangkan Wmin= 0,05472 kWh. Dalam model, gas oksidan yang digunakan berasal dari oksigen murni, oleh karena itu diperlukan pula penghitungan biaya oksigen murni yang digunakan. Oksigen biasa dijual di pasaran dengan bentuk tabung dengan harga rata-rata Rp 100.000 per tabung. Kemasan yang biasa digunakan adalah ukuran 6 m3, dengan tekanan 2000 cmHg = 26,316 atm = 2666447 Pascal, dengan suhu sekitar 10˚C (283 K). Maka jumlah mol oksigen dalam 6m3 dapat dihitung dengan persamaan gas ideal :
pV = nRT pV 2666447 * 6 n= = = 6799, 4 mol RT 8,3143* 283
(5.3)
Maka energi maksimal yang dihasilkan adalah Wmaks = 6799,4*0,08555 = 581,69 kWh, sedangkan energi minimal adalah Wmin = 6799,4*0.05472 = 372,06 kWh. Sehingga perhitungan harga oksigen per kWh menjadi :
63
Biaya O 2 per kWh (minimal) =
Rp 100000 /6 m3 = Rp 171,91 /kWh 581,69 kWh /6 m3
Biaya O 2 per kWh (maksimal) =
Rp 100000 /6 m3 = Rp 268,77 /kWh 372,06 kWh /6 m3
Maka biaya total hidrogen dan oksigen untuk pembangkitan listrik pada PEMFC per kWh adalah : Biaya total per kWh (minimal) = Rp 2.992,95 + Rp 171,91 = Rp 3.164,86 / kWh Biaya total per kWh (maksimal) = Rp 4.777,83 + Rp 268,77 = Rp 5.046,60 / kWh Dari hasil perhitungan kita dapat melihat bahwa biaya bahan bakar untuk pembangkitan listrik pada Sel Bahan Bakar saat ini ternyata masih lebih mahal apabila dibandingkan dengan pembangkitan listrik jenis lain. Biaya pembangkitan listrik yang sekarang terpasang di Pusat Pembangkit dengan berbagai bahan bakar apabila dirata-ratakan adalah sekitar Rp 800,00 /kWh (per 3 Juni 2008, [18]) Sedangkan biaya pembangkitan listrik dengan tenaga sel Surya (sudah termasuk semua peralatan instalasi lengkap) sekitar Rp 3.000 / kWh (per 6 Mei 2008,[19]). Biaya produksi hidrogen serta pengirimannya memerlukan investasi infrastruktur yang besar sehingga mempengaruhi harga hidrogen secara keseluruhan. Diharapkan di masa mendatang harga hidrogen akan semakin murah karena infrastruktur yang mendukung untuk produksi dan pengiriman sudah semakin berkembang.
64
