JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
PENGARUH VARIASI DUTY CYCLE PADA PULSE WIDTH MODULATION TERHADAP PERFORMA GENERATOR GAS HHO TIPE BASAH (WET CELL) 9 PLAT SS 316L 10x10 mm. Ratih Novie Arini dan Djoko Sungkono Kawano Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak - Penggunaan Generator gas HHO wet cell telah digunakan lebih dari 2 tahun, banyak kerusakan pada peralatan Generator gas HHO yakni lelehnya atau terbakarnya bejana plastik yang digunakan sebagai wadah dari generator gas HHO. Maka dari itu diperlukan penelitian lanjutan dengan pemakaian suplai arus dan voltage yang berbeda dengan tipe terdahulu yaitu dengan menggunakan Pulse Width Modulation dengan variasi duty cycle yang dapat menurunkan temperatur generator hingga dibawah 40oC. Pengujian menggunakan plat SS 316 L tebal 1 mm dan ukuran 10x10 mm sebanyak 9 plat tersusun secara horizontal. Pengujian menggunakan variasi duty cycle pada PWM yaitu 35%, 45%,55% dan direct (tanpa PWM). Larutan elektrolisa aquades dan KOH dengan perbandingan 1gr KOH/liter aquades. Pengujian dilakukan selama 60 menit tiap duty cycle untuk mengetahui performa generator. Hasil yang didapatkan adalah efisiensi dan Laju Produksi tertinggi yaitu 21 % dan 1,745x10-6 pada duty cycle 55%. Konsumsi daya terkecil pada duty cycle 35% yaitu sebesar 144-168 Watt. Dan Temperatur rata-rata dibawah 40oC untuk generator ber PWM pada semua variasi duty cycle. Kata kunci : Generator HHO, PWM, Wet Cell, Duty Cycle PENDAHULUAN ahan bakar utama yang ada di dunia saat ini merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui. Batubara dan minyak bumi merupakan bahan bakar utama yang banyak digunakan oleh manusia untuk memenuhi kebutuhan energi dunia di era sekarang ini. Minyak bumi merupakan sumber daya alam terbesar dan paling banyak dikonsumsi oleh masyarakat. Sedangkan kita tahu, bahwa jumlah minyak bumi yang tersisa di dunia ini semakin sedikit. Hal ini dikarenakan salah satu pemakaian minyak bumi terbesar, yaitu alat transportasi yang sebagian besar menggunakan motor pembakaran dalam engine otto atau diesel. Oleh karena itu manusia berupaya untuk mencari pengembangan teknologi berupa bahan bakar alternatif yang mudah didapat, mudah diolah, dapat diperbarui dan nantinya dapat mengurangi pemakaian minyak bumi sebagai sumber energi utama didunia. Salah satu bahan bakar alternatif yang sedang dikembangkan oleh masyarakat adalah Gas HHO, yang merupakan gas hasil dari elektrolisa air aquades dengan menggunakan arus listrik. Saat ini Gas HHO (Hydrogen)
B
hanya dipakai sebagai bahan bakar tambahan saja, akan tetapi dengan penelitian yang lebih baik dan lebih terarah lagi, nantinya Gas HHO ini bisa menjadi suplai energy utama untuk motor otto dan motor diesel, bahkan sebagai bahan bakar untuk kompor rumah tangga. Penelitian akan performa generator gas HHO ini masih terus dikembangkan dengan memvariasikan faktor-faktor yang bisa mempengaruhi performa genera-tor di antaranya kualitas air, luasan elektroda, jenis katalis yang digunakan dalam elektrolit, tingkat kepekatan elektrolit, jenis elektroda, dan susunan elektroda. Akan tetapi hasil yang didapat belum sesuai dengan yang diharapkan. Tingginya temperatur generator HHO hingga lebih dari 90oC yang me-nyebabkan kerusakan pada bejana Generator gas HHO menjadi leleh atau terbakar. Tingginya temperatur Generator gas HHO ini disebabkan oleh tidak adanya alat kontrol arus dan tegangan yang masuk sebagai energi inputan pada Generator gas HHO. Oleh karena itu pada Generator gas HHO yang dirancang saat ini bejana generator dirancang menggunakan kaca akrilik dengan ketebalan 10 mm yang mampu menahan panas lebih baik lebih dari 100oC sehingga tahan terhadap tempera-tur yang tinggi dari generator itu sendiri. Tapi dengan adanya perubahan bahan dasar bejana ini dapat mempengaruhi daya beli masyarakat, karena mahalnya harga material akrilik yang digunakan sehingga kemungkinan harga jual dari generator HHO juga akan mahal. Penelitian kali ini dikembangkan lagi dengan Generator gas HHO tipe basah, yang dai penelitian sebelumnya terbukti menghasilkan banyak gas hydrogen dan dengan memvariasikan energi listrik yang masuk elektroda pada generator HHO dengan mengatur energy listrik berupa arus listrik yaitu dengan cara pengaturan frekuensi Pulse Width Modulation dan sinyal duty cycle Pulse Width Modulation sehingga mendapatkan nilai performa Generator gas HHO dengan duty cycle terbaik. TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah : 1. Mengetahui pengaruh variasi duty cycle 35%, 45% dan 55% terhadap performa generator gas HHO. 2. Mengetahui komparasi performa generator gas HHO tiap duty cycle dengan menggunakan PWM dan generator gas HHO tanpa PWM. 3. Memberikan sumbangsih pemikiran untuk men-cari energy alternatif yang ramah lingkungan dan dapat dikembangkan oleh masyarakat di Indonesia.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 BATASAN MASALAH Adapun batasan masalah untuk penelitian ini adalah: 1. Percobaan ini dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Teknik Mesin ITS. 2. Elektroda yang digunakan adalah stainless steel type 316L sebanyak 9 lembar plat dengan dimensi plat 10x10cm dan tebal 1mm dengan variasi duty cycle 35%, 45% dan 55% dengan frekuensi konstan. 3. Elektrolit yang digunakan adalah KOH 1 gram pada 1 liter aquades. 4. Pengujian dilakukan 60 menit setiap variasinya kecuali pengujian tanpa PWM. 5. Kondisi temperatur dan kelembapan udara setempat konstan. 6. Performa generator HHO yang dimaksud meliputi kecepatan produksi gas HHO, efisiensi generator dan temperatur Generator HHO.
2 Pemilihan Stainless Steel sebagai Elektroda Stainless steel pada dasarnya adalah baja paduan logam besi (Fe) dengan unsur paduan utama Carbon (C), Nikel (Ni), dan Chromium (Cr). Stainless Steel merupakan logam paduan yang memiliki konduktifitas dan ketahanan terhadap korosi yang relatif lebih baik di banding logam-logam paduan ataupun logam murni lainnya dan harganya juga relatif lebih terjangkau. Secara garis besar Stainless dapat dibagi menjadi lima kelompok (Harrold M. Cobb, 1999), yaitu: 1. Austenitic Stainless Steel 2. Ferritic Stainless Steel 3. Martensitic Stainless Steel 4. Duplex Stainless Steel (austenitic-feritic) 5. Precipitation Hardening Stainless Steel
DASAR TEORI Hidrogen Hidrogen Oksida (HHO) HHO merupakan gas hasil dari proses pemecahan air murni (H 2 O) dengan proses elektrolisis. Gas yang dihasilkan dari proses elektrolisis air tersebut adalah gas Hidrogen dan Oksigen, dengan komposisi 2 Hidrogen dan 1 Oksigen (HHO) (Peter E.W Lowrie, 2005). Oleh karena itu Hidrogen Hidrogen Oksida juga lebih dikenal dengan nama gas HHO, selain itu gas HHO juga dikenal dengan sebutan oxy-hydrogen.
Tabel 1. Standard komposisi stainless stell
Gambar 1. Pemecahan molekul air menjadi gas HHO.
Proses Elektrolisis Air Elektrolisis adalah suatu proses untuk memisahkan senyawa kimia menjadi unsur-unsurnya atau memproduksi suatu molekul baru dengan memberi arus listrik (Anne Marie Helmenstine, 2001). Sedangkan elektrolisis air adalah proses elektrolisa yang di-manfaatkan untuk memecah molekul air (H 2 O) menjadi Hidrogen (H 2 ) dan Oksigen (O 2 ). Elektrolisis air pada dasarnya dilakukan dengan mengalirkan arus listrik ke air melalui dua buah elektroda (Katoda dan Anoda). Agar proses elektrolisa dapat terjadi dengan cepat maka air tersebut dicampur dengan elektrolit sebagai katalis.
Gambar 2. Rangkaian dasar sistem elektrolisa
Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat bahwa stainless steel Type SS 316 F, 316 L, 316 N, 317, 329, dan 330 mempunyai ketahanan korosi diberbagai lingkungan, sehingga stainless steel tipe ini sangat cocok digunakan sebagai elektroda pada proses elektrolisa air untuk memproduksi gas HHO.(David Tabolt, 1998) Salah satunya Stainless steel tipe SS 316 L merupakan stainless steel yang relatif banyak tersedia dipasaran. SS 316 L merupakan stailess steel yang memiliki ketahanan terhadap korosi sangat baik sehingga dapat dijadikan sebagai elektroda Generator HHO. Generator Gas HHO Dalam pengujian ini, digunakan 9 (sembilan) buah elektroda plat Tipe SS 361 L dalam sebuah bejana akrilik yang memiliki ketahanan pada temperatur panas hingga 140oC. Dan generator diberi reservoir air sebagai temapt sirkulasi air panasnya.
Gambar 3. Generator Gas HHO tipe basah dengan elektroda plat.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Adapun parameter performa dari generator HHO tersebut adalah : 1. Daya yang dibutuhkan generator HHO 2. Laju produksi gas HHO (flowrate) 3. Efisiensi Generator HHO PWM (Pulse Width Modulation) dan Duty Cycle PWM merupakan suatu rangkaian alat teknik dalam mengatur atau mengkontrol kerja suatu peralatan yang memerlukan arus pull in yang besar dan untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari peralatan yang akan dikontrol. Duty cycle adalah perbandingan lama waktu suatu signal berada dalam kondisi high dengan lama waktu suatu signal tersebut dalam kondisi (high+low), duty cycle sangat berguna dalam merancang alat-alat yang menggunakan konsep PWM (Pulse Width Modulation). PWM disini dirancang dengan komponen-konponen inti yaitu : Mosfet, IC NE555, Kapasitor, Resistor, potensiometer, dioda dan lain-lain sehingga mampu menghasilkan duty cycle yang maksimal.
3 Penelitian kali ini menggunakan beberapa peralatan pendukung yang digunakan untuk membantu dalam mengambil data-data eksperimen seperti termometer, tang meter, multimeter, stopwatch, dan oscilloscope. Peralatan pendukung tersebut digunakan dalam pengukuran beberapa parameter seperti oscilloscope untuk mengukur duty cycle dari PWM dan stopwatch untuk mengukur waktu produksi gas HHO dan lama eksperimen. Flowrate dari gas HHO dapat dilihat dari waktu penghasilan gas HHO pada tabung pengukur gas HHO, lalu akan didapatkan nilai Laju Produksi dari Generator gasHHO. Berikut persamaan untuk menghitung 𝑚̇ ( laju produksi gas HHO ) : 𝑚̇ = 𝑄 𝑥 𝜌𝐻𝐻𝑂 , (1) dimana: Q : Debit produksi Gas HHO Berikut ini merupakan lembar data yang digunakan untuk pengambilan data pada penelitian kali ini :
No
Waktu Uji (menit)
Duty Cycle (%)
Arus (Ampere) I 1
I 2
Δ I
Temp (°C) Voltage (V) T 1
T 2
Δ T
Waktu Produksi (500cc /detik)
1 2 3
Gambar 4. Duty cycle pada PWM
METODE PENELITIAN Metode Eksperimen Instalasi penelitian yang digunakan dalam metode eksperimen berupa generator HHO tipe wet dan dry serta peralatan pendukung. Skema instalasi penelitian generator. HHO tipe dry tanpa PWM ditunjukkan pada gambar 5.
Gambar 5. Skema Pengujian Direct Connection.
Skema instalasi penelitian generator HHO tipe dry dengan PWM ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 6. Skema Pengujian Dilakukan menggunakan PWM.
4 5 6
Tabel 2. Lembar Data Pengujian Flowrate Generator HHO
HASIL DAN PEMBAHASAN Proses elektrolisa yang terjadi pada Generator Gas HHO merupakan proses yang paling vital dalam penelitian ini. Elektrolisa tidak lepas dari energi listrik. Di dalam energi listrik terdapat Arus dan tegangan, arus listrik sendiri merupakan aliran partikel yang memiliki muatan listrik positif. Adanya perbedaan potensial listrik menyebabkan adanya aliran pada suatu penghantar arus dari potensial tinggi ke potensial rendah yang biasa disebut dengan perbedaan tegangan listrik. Semakin besar beda potensial, maka arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar juga semain besar. Arus Listrik juga mempunyai hambatan elektroda, semakin kecil hambatan elekroda, maka semakin besar arus yang mengalir pada elekroda tersebut. Elektroda juga memiliki karakteristik yang mempengaruhi arus yang masuk yaitu dimensi elektroda dan hambatan jenis elektoda itu sendiri.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Gambar 7. Grafik Arus fungsi waktu
Gambar 7 diatas menunjukkan tren grafik arus yang mendekati konstan pada generator gas HHO dengan duty cycle, dan tren grafik arus yang meningkat drastis pada generator tanpa duty cycle. Grafik arus generator dengan duty cycle yang sangat mendekati konstan adalah generator dengan duty cycle 55%. Pada pengujian yang menggunakan rangkaian PWM, arus yang terjadi cukup stabil, hal ini dikarenakan pengaruh dari pemakaian rangkaian PWM dengan duty cycle. Duty cycle mempengaruhi aliran arus dan tegangan yang mengalir pada elektroda, sehingga arus dan tegangan tidak di alirkan penuh secara kontinyu tetapi putus-putus dan kontinyu. Pada duty cycle 35% range arus berkisar antara 12-14 A yang merupakan range arus terendah pada pengujian, pada duty cycle 45% dan 55% arus berkisar 15-16 A, yang merupakan range arus paling mendekati stabil. Pada Grafik Arus fungsi waktu, perbedaan arus yang terlihat sangat signifikan adalah pengujian pada generator gas HHO yang tidak menggunakan PWM. Karena tidak adanya rangkaian pengontrol aliran arus dan tegangan, sehingga menyebabkan melonjaknya range arus pada pengujian ini yaitu dari 49,6-88,2 A.
Gambar 8. Grafik Temperatur fungsi waktu
Gambar 8 diatas menunjukkan nilai dari arus listrik yang masuk dan mengalir pada elektroda generator. Pada Generator tanpa duty cycle, peningkatannya disebabkan karena arus yang masuk dalam elektroda tidak ada control, sehingga larutan yang di elektrolisa cepat menjadi pekat dan temperatur pun menjadi cepat meningkat hanya dalam beberapa detik. Sedangkan pada generator gas HHO yang menggunakan rangkaian PWM dengan duty cycle, peningkatan temperatur mendekati konstan hingga waktu 60 menit yaitu pada duty
4 cycle 35% sebesar 26-35 oC, duty cycle 45% sebesar 29-38 oC, dan duty cycle 55% sebesar 29-38 oC. Rata-rata peningkatan temperatur selama pemakaian 60 menit generator gas HHO ini 9-10 oC saja. Hal ini disebabkan karena penggunaan PWM yang memiliki pola duty cycle. Duty cycle disini mengatur besarnya arus listrik yang masuk pada elektroda agar mendekati konstan, mengikuti pola sinyal pull on yang ada pada PWM tersebut. Dapat diartikan bahwa arus dan tegangan dialirkan tidak secara penuh secara kontinyu, tetapi putus-putus dan kontinyu. Agar temperatur larutan tidak cepat panas. Dari grafik dapat disimpulkan generator dengan temperatur terbaik adalah generator dengan duty cycle 35% yaitu generator yang mengalami peningkatan temperatur terkecil.
Gambar 9. Grafik Laju Produksi Gas HHO fungsi waktu
Gambar 9 yaitu Grafik Laju produksi gas HHO fungsi waktu yang memmperlihatkan peningkatan tren grafik yang paling signifikan adalah pengujian pada generator gas HHO tanpa PWM, berbeda dengan pengujian dengan menggunakan duty cycle pada PWM. Tren grafik yang terlihat peningkatannya tidak begitu significan, akan tetapi duty cycle 55% lebih tinggi laju produksinya dari pada duty cycle 45%, dan laju produksi terendah pada duty cycle 35%. Laju produksi gas HHO yang semakin besar dikarenakan debit pada generator gas HHO meningkat, debit meningkat karena waktu produksi dari gas HHO per volume semakin cepat selama 60 menit. Hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya waktu temperatur panas dari generator gas HHO yang bekerja juga semakin besar. Panas generator HHO akan mempengaruhi kepekatan dari elektrolit generator, semakin besar produk yang dihasilkan, maka elektrolit yang digunakan pada generator semakin berkurang sehingga kepekatan elektrolit meningkat. Hal ini akan memperbesar laju produksi gas HHO. Gambar 10 yaitu Grafik Daya Generator HHO fungsi waktu menunjukkan nilai daya akan meningkat ketika Arus juga meningkat, pada generator gas HHO dengan duty cycle ini tegangan diatur oleh rangkaian agar tetap konstan dari awal pengujian hingga akhir pengujian. Berbeda dengan generator gas HHO tanpa duty cycle yang tegangan cenderung menurun seiring bertambahnya waktu. Grafik yang ditunjukkan pada pengujian generator menggunakan rangkaian PWM dengan duty cycle, terlihat pada duty cycle 35% dengan nilai sebesar 144-168 Watt, untuk duty cycle 45% dan 55% dengan nilai sebesar 180-192 Watt.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5 yang relatif sama dengan generator duty cycle yang lain. Efisiensi generator gas HHO dengan PWM tidak sebaik dan setinggi efisiensi generator gas HHO tanpa PWM, akan tetapi jika dilihat dalam jangka waktu penggunaan generator akan jauh lebih tahan lama atau awet pada generator yang menggunakan PWM dengan duty cycle, karena generator tanpa PWM jika dilihat dari life time nya akan jauh dibawah generator ber PWM. KESIMPULAN
Gambar 10. Grafik Daya Generator HHO fungsi waktu
Fenomena ini disebabkan karena arus, pada generator gas HHO ini arus akan terus meningkat karena temperatur yang meningkat selama 60 menit waktu pengujian. Tetapi dapat dilihat pada grafik bahwa arus mulai konstan diikuti oleh temperature yang konstan setelah 30 menit pemakaian generator gas HHO karena penggunaan PWM dan duty cycle dengan nilai tertentu. Konsumsi daya generator yang paling baik adalah generator dengan duty cycle 35% yang merupakan generator dengan konsumsi daya paling sedikit.
Berdasarkan analisa yang telah dilakukan mengenai generator HHO wet cell dengan tambahan PWM atau tanpa PWM, arus dan temperature mengalami kenaikan namun untuk generator tanpa PWM kenaikannya sangat signifikan pada waktu pengujian yang sangat singkat. Laju produksi dari generator HHO mengalami kenaikan karena pengaruh dari kenaikan arus, namun karena bertambahnya arus temperatur dari larutan elektrolit juga meningkat hal ini bisa menyebabkan penghasilan uap air serta ketahanan dari komponen generator yang akan menurun, yang perlu dicermati juga adalah dari proses elektrolisis didapati terjadi korosi pada plat – plat stainless steel. Efisiensi generator mengalami peningkatan karena pengaruh dari waktu penghasilan gas HHO dan besar daya generator HHO, efisiensi optimal didapatkan dengan variasi duty cycle sebesar 55% karena flowrate yang cukup tinggi dengan daya yang rendah. Daya dari generator dipengaruhi oleh besar beda potensial, maka energi yang mengalir melalui suatu penghantar juga semakin besar. Daya ini dipengaruhi arus listrik yang juga mempunyai hambatan elektroda, semakin kecil hambatan elekroda, maka semakin besar daya yang mengalir pada elekroda tersebut. Elektroda tersebut juga dipengaruhi oleh dimensi elektroda dan hambatan jenis elektoda itu sendiri. UCAPAN TERIMA KASIH
Gambar 11. Grafik Effisiensi Generator fungsi waktu Gambar 11 diatas menunjukkan pada generator gas HHO menggunakan PWM dengan duty cycle efisiensi paling tinggi adalah duty cycle 55% yaitu sekitar 17%-21%, sedangkan duty cycle 45% efisiensinya 14%-17.2% dan duty cycle 35% dengan efisiensinya 12.3%-17.5%. Sedangkan pada pengujian generator tanpa PWM memiliki efisiensi tertinggi yaitu 21%30%. Energi yang digunakan dalam proses elektrolisa H 2 O agar menjadi gas HHO adalah energy output proses elektrolisa secara teoritis yang diwakili oleh Entalphy HHO (∆H g ), sedangkan energi yang diberikan merupakan energy aktual yang dikonsumsi oleh generator untuk proses elektrolisa diwakili oleh daya Generator HHO. Grafik yang meningkat dikarenakan kenaikan nilai molar per waktu lebih besar daripada peningkatan konsumsi daya generator aktual. Nilai molar per waktu meningkat karena waktu produksi gas HHO meningkat. Generator dengan duty cycle 55% memiliki nilai efisiensi yang terbaik dikarenakan laju produksi gas HHO yang relatif cukup tinggi dari duty cycle yang lain dengan daya Generator
Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada laboratorium Motor Bakar Jurusan Teknik Mesin Faklutas Teknologi Industri ITS yang telah banyak mendukung kelancaran penelitian kali ini. DAFTAR PUSTAKA Cobb, H.M., 1999. Steel Product Manual: Stainless Steel. Warrendale P.A: Iron & Steel Society. Dopp, R.B. 2007. Hydrogen Generation Via Water Electrolysis Using Highly Efficient Nanometal Electrodes. DSE Quantum Sphere, Inc.
