STUDI HASIL PRODUKSI HIDROGEN DENGAN METODE THERMOCHEMICAL DAN ELECTROLYSIS UAP TEMPE- RATUR TINGGI

18

ISSN 0216 - 3128

Tumpal Pandiangan, dkk.

STUDI HASIL PRODUKSI HIDROGEN DENGAN METODE THERMOCHEMICAL DAN ELECTROLYSIS UAP TEMPERATUR TINGGI Tumpal Pandiangan, Suharno, Suwoto, Zuhair P2SRM - BATAN

ABSTRAK STUDI HASIL PRODUKSI HIDROGEN DENGAN METODE THERMOCHEMICAL DAN ELECTROLYSIS UAP TEMPERATUR TINGGI. Perbedaan temperatur keluaran dan masukan pada reaktor temperature tinggi (HTTR) cukup besar, yaitu sekitar 500 oC. Energi ini akan dipakai untuk pembangkit energi listrik dan non listrik. Pemanfaatan energi panas non listrik, dewasa ini ditujukan untuk produksi gas hidrogen dan atau methanol dengan proses efisiensi termal, yaitu sekitar 60 %. Eksperimen produksi hidrogen dengan pemisahan komposisi air secara thermochemical menggunakan IS (Iodine-Sulfur) telah dilakukan yang menghasilkan campuran gas H 2, H2O dan HI dengan komposisi 8,14 dan 78 molar. Untuk pemisahkan hidrogen campuran tersebut dilewatkan melalui membran. Membran dibuat dengan teknik CVD dimana waktu deposisi 27 jam, temperatur 450oC dan 600oC dan tekanan 1 atmosfer. Hasil eksperimen menunjukkan kecepatan aliran rata-rata untuk H 2 adalah 0,86 x 10 -8 dan 0,98 x 10 -8 mol/Pasm2 masing-masing pada temperatur 450 dan 600 oC. Sedangkan hasil dari metode electrolisis uap temperatur tinggi yang diperoleh melalui studi literatur atau secara teoritis, dimana densitas produksi hidrogen mempunyai korelasi linier dengan kerapatan arus listrik untuk lebih besar dari 45 mA/cm2. Untuk kasus produksi hidrogen sebesar 7 N dm 3/jam pada suhu 950oC efisiensinya adalah 80%.. Kata kunci : Thermochemical, IS, HTTR, CVD, Molar

ABSTRACT A STUDI OF HYDROGEN PRODUCTION THROUGH THERMOCHEMICAL AND HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS OF STEAM METHODS. The temperature difference beetwen gas input and output of an HTTR is around 500oC. This Energy can be applied for electric generation and non – power electric generation. The aplication of thermal heat for non electric, nowadays, is used for hydrogen gas production or methanol production by using high thermal efisiensi of 60 %. Experiment of hydrogen production on separation of water through thermochemical using IS (Iodine –Sulfur) was carried out which produced hydrogen mix and was permeated through the membrane. The membrane was made by CVD tecnique with deposition time is 27 hours, temperature of 450 and 600 oC and pressure at one atmosphere. The results of the experiment showes that the average flow rate of H 2 was 0.86 x 10 -8 and 0.96 x 10 -8 mol/Pasm2 at temperature of 450 and 600 oC resvectively. The results obtatained with high tempetrature steam electrolysis through theoritical calculation was as well as data available in the literature where the hydrogen production density possessed linear correlation with current density if the current density is higher than 45 mA/cm 2. For hydrogen production of 7.0 N dm 3 /h at 950 oC the efficiensy was 80%. Key words : Thermochemical, IS, HTTR, CVD

PENDAHULUAN

D

iantara reaktor-reaktor daya nuklir, reaktor pendingin gas temperatur tinggi (HTGR) adalah unik dalam kemampuannya untuk mencapai temperatur keluaran sistem sekitar 1000 oC. Kemampuan reaktor tersebut membuka spektrum luas dalam aplikasi-aplikasi industri untuk

pemakai-an reaksi inti nuklir yang merupakan basis luas sebagai sumber energi. Dewasa ini, produksi energi nuklir menghasilkan sekitar 17% pembangkitan energi listri total di Dunia. Keseluruhan, sekitar 30 % konsumsi energi utama dunia digunakan untuk pembangkit listrik. Sekitar 15 % digunakan untuk transportasi dan sisanya 55% dirubah menjadi air panas, steam dan panas.

Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005

19

ISSN 0216 - 3128

Hal ini menunjukkan bahwa potensial aplikasi energi nuklir dalam sektor non listrik mungkin sangat lebar, walaupun dewasa ini hanya ada beberapa reaktor nuklir digunakan untuk aplikasi non listrik [1] Hal tersebut diatas telah mendorong untuk membangun dan mendemonstrasi-kan aplikasi daya nuklir temperatur tinggi. Komisi energi atom Jepang telah merekomendasikan membangun reaktor uji teknik temperatur tinggi (HTTR). Konstruksi HTTR 30 MW(th) bependingin gas helium sudah dibangun sejak maret 1991, di Pusat penelitian Oarai (JAERI). Metode produksi hydrogen thermochemical berfungsi untuk mendekomposisikan air menjadi hidrogen dan oksigen melalui kombinasikombinasi reaksi kimia. Propses reaksi-reaksi kimia ini, terjadi hanya dengan menggunakan panas saja. Air dan panas menjadi masukan untuk proses pembentukan kombinasi reaksireaksi thermochemical, maka element-element pembentuk dan waste heat menjadi kuluaran proses. Metode ini adalah salah satu dari metodemetode konversi energi yang mengubah energi termal menjadi energi hidrogen, itu adalah potensi kimia atau panas pembakaran hidrogen. Diantara metode-metode konversi energi untuk mengubah energi primer seperti solar, nuklir menjadi energi hidrogen, metode thermochemical telah mendapat perhatian, dan cocok untuk aplikasi skala besar. Produksi hidrogen dengan metode High Temperature Electrolysis of Steam (HTES) merupakan salah satu teknologi maju proses produksi hidrogen. HTES adalah suatu reaksi balik dari solid oxide fuel cell (SOFC) yang mana dewasa ini menjadi terkenal dan dikembangkan di dunia, dipakai untuk HTES. Dari pandangan ketergantungan energi, HTES secara potensial akan kuat, kebutuhan energi listrik untuk menguraikan uap lebih rendah dari pada proses elektrolisa air. HTES, bagaimana pun adalah dalam kondisi pengembangan teknologi yang sangat awal dan dibutuhkan usaha yang intensif agar mampu membuat HTES. Tujuan penelitian ini adalah untuk studi pada kedua metode diatas untuk produksi hidrogen. Studi ini melakukan dua hal yaitu : a. Untuk metode thermochemical dilakukan melalui eksperimen pada metode pemisahan komposisi air secara thermochemical untuk produksi hidrogen menggunakan IS (IodineSulfure). Untuk metode ini, membran silika lebih dulu dibuat dengan teknik CVD pada temperatur 450oC, tekanan 1 atm dan waktu deposisi 27 jam.


b. Untuk metode electrolysis uap temperatur tinggi, dipelajari melalui hasil melalui studi literatur yang ada pada IAEA-TECDOC-1236, atau secara teoritis, dimana densitas produksi hidrogen mempunyai korelasi linier dengan kerapatan arus listrik untuk lebih besar dari 45 mA/cm2. Diketahui bahwa densitas pro-duksi hidrogen (QH2) [Nml/cm2h] mempunyai relasi linier dengan kerapatan arus id [mA/cm 2] dalam kisaran lebih besar dari 45 mA/cm 2. Korelasinya ditunjukkan oleh persamaan sbb: QH2=984.7-1.722 Te + 7.427 x 10-4 Te 2( 6.744- 1.136 x 10-2 Te +4.502 x 10-6 Te 2) id. Te adalah simbol untuk temperatur eletrolysis dan id adalah simbol untuk arus lisrik DC yang digunakan .

DASAR TEORI Pemisahan Air Dengan Metoda Thermochemical untuk Produksi Hidrogen Hidrogen dapat disimpan dengan berbagai cara. Hidrogen dapat ditransportasikan untuk jarak jauh dengan kehilangan energi transportasi lebih rendah dibandingkan dengan listrik. Hidrogen adalah bahan bakar ideal dan juga sebagai feedstock industrial. Lebih lanjut lagi, bila diperlukan, energi kimia dari hidrogen dapat dirubah menjadi listrik dengan menggunakan fuel cells dll. Semua, gam-baran masa depan ini membuat hidrogen menjadi calon yang sangat atraktif menjadi energi ke dua untuk masa yang akan datang Karakteristik atraktif hidrogen menjadi sangat kuat bila diproduksi dari air menggunakan energi utama non-fossil. Produksi hidrogen dari air menggunakan bahan bakar non-fossil lengkap dengan system energi sangat bersih, system energi hidrogen yang mana memainkan aturan penting untuk menjembatani persoalan lingkungan seperti panas global yang disebabkan oleh efek greenhouse CO2. Dalam transisi ke sistem energi hidrogen, hidrogen dari air dapat berkontribusi pembersihan dan pemakaian efisiensi fossil-fuels, Hal itu akan sangat efektif untuk meng-upgrade kandungan yang sangat tinggi gas alam kaya CO 2. Proses pemisahan air secara thermochemical, telah mempunyai sejarah produksi hidrogen skala besar dari air. Prinsip dari proses ini secara skematik diilustrasikan pada diagram perubahan energi bebas Gibbs terhadap temperatur ditunjukkan pada Gambar 1. Dekomposisi termal air secara praktis tidak terjadi



ISSN 0216 - 3128

dibawah temperatur beberapa ribuh Kelvin. Bagaimanapun, hal itu dapat dilakukan dengan panas temperatur rendah dengan mengkombinasikan reaksi endotermik temperatur tinggi

20

dengan reaksi eksotermik temperatur rendah. Reaksi akan terjadi, tentu, dipilih sehingga jumlah bersih perubahan adalah pemisahan air. Kerja proses disebut seperti chemical engine.

Gambar 1. Konsep pemisahan air secara thermochemical untuk produksi air.

Gambar 2. Skema proses IS sederhana.

Bagian (i) disebut reaksi Bunsen dan reaksi itu adalah eksotermik, reaksi menyerap gas SO2, yang mana secara spontan terjadi pada kisaran temperatur 20-100oC. Bagian (ii) adalah reaksi peruraian H2SO4 secarah endotermik, yang terjadi dalam dua keadaan, yaitu peruraian H2SO4 gas

secara spontan menjadi H2O dan SO3 pada temperatur 400-500oC, kemudian SO3 terurai menjadi SO2 dan O2 pada temperatur sekitar 850oC dalam katalis padat. Bagian (iii) adalah, reaksi peruraian HI. Reaksi ini dapat dilakukan dalam bentuk fasa gas atau cair. Keperluan energi panas,


21

ISSN 0216 - 3128

baik untuk proses peruraian gas asam sulfrik (sekitar 850oC), maupun untuk proses peruraian gas HI (sekitar 400oC) dan pemurnian dan pemisahan gas lainnya semuanya diambil dari gas panas yang dialirkan dari HTTR ke tempat proses – produksi hidrogen. Metode ini menggunakan pemasokon panas dari reaktor pendingin gas temperatur tinggi. Salah satu metoda dalam chemical water splitting. Dalam proses IS [1], reaksi-reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut : (i)

I2 (l) + SO2 (g) + 2H2O (l)



2HI (aq) + H2SO4

(aq), (ii) H2SO4 (aq)  (iii) 2HI (g) 

H2O (g) + SO2 (g) + 1/2 O2 (g),

H2 (g) + I2 (g).

Disini, perbandingan konversi kesetimbangan pada reaksi bagian ke tiga (2HI  H2 + I 2) untuk peruraian HI dibatasi dengan nilai rendah yaitu sekitar 20 %.

Electrolysis Temperatur Tinggi Uap Untuk Produksi Hidrogen Electrolysis temperature tinggi uap (HTES) menggunakan cell electrolysis ceramic adalah salah satu teknologi maju proses produksi hidrogen . HTES adalah reaksi kebalikan dari solid oxide fuel cell (SOFC), yang mana saat ini sedang


dikembangkan di dunia. Teknologi terakhir dari SOFC( cell electrolysis) dapat diaplikasikan terhadap HTES. Dari pandangan kebutuhan energi, HTES secara potensial akan menekan kuat, kebutuhan energi listrik untuk menguraikan uap membutuhkan lebih rendah dari pada elektrolit air. Gambar 2 menunjukkan kebutuhan energi untuk electrolysis air dan gas. Kebutuhan energi total (H) adalah jumlah dari energi Gibbs (G) dan energi panas (T S). Kebutuhan energi listrik, (G), menurun dengan meningkatnya temperatur, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2 perbandingan (G) terhadap (H), adalah sekitar 93 % pada 1000C dan sekitar 70% pada 1000 0C. Alat uji dan kondisi-kondisi pengujian untuk tabung elektrolysis. Gambar 4 menunjukkan gambar struktur tabung elektrolysis. Masingmasing sell dihubungkan secara listrik serial dengan lapisan tipis penghantar listrik. Penghantar listrik dibuat dari Zirconia yang distabilkan dengan 8 mol % yttria (YSZ) . Lapisan elektrolyte dilapis dengan lapisan katoda poros bahan Ni Cermet (Fuel electrode) dan lapisan anoda dari bahan LaCoO3 (air electrode). Kedua ujung tabung electrolyte dilapisi dengan bahan tembaga yang bekerja sebagai terminal listrik, yang mana dihubungkan pada lapisan tipis penghubung. Lapisan ini dibentuk pada tabung ZrO 2 porpos (tabung pendukung).

Gambar 3. HTTR terhubung dengan proses produksi hidrogen.



ISSN 0216 - 3128

22

Gambar 4. Prinsip electrolysis uap temperatur tinggi. Dalam percobaan, tabung electrolysis di install dalam pemanas listrik untuk mengontrol temperatur electrolysis. Uap dicampur dengan gas carrier argon dari silinder dan disupplai ke electroda fuel di dalam tabung electroliysis. Konsentrasi uap di dekteksi oleh kedua monitor point dew pada inlet dan outlet tabung electrolysis. Udara kering dari kompresor disupplai ke luar elektroda udara dari tabung electrolysis agar tidak menguraikan senyawa anoda LaCoO3 dibawa tekanan oksigen parsial. Daya listrik yang dibutuhkan untuk electrolysis disupplai menggunakan arus searah (DC) melalui kawat platinium (Pt) yang di solder pada lapisan tembaga. Konsentarasi Hidrogen diukur dengan alat chromatograph gas pada bagian luar tabung electrolysis. Tegangan electrolysis dan arus juga diukur. Dalam menghidupkan dan mematikan pemanas listrik, kecepatan kenaikan dan penurunan temperatur furnace di pasang dibawa 200C/h agar tidak membuat perbedaan pemuain termal yang yang besar diantara lapisan lapisan tipis dan tabung pendukung. Sebelum pemakaian daya listrik ter-hadap tabung, material katode dikurangi oleh cam-puran hidrogen dengan gas

pembawa argon dalam beberapa jam agar bekerja sebagagai electroda.

PERCOBAAN Pemisahan Air Dengan Metoda Thermochemical untuk Produksi Hidrogen Percobaan pemisahan gas campuran H2-H2OHI dilakukan pada kisaran temperatur 450-600 oC. Membran yang telah dimodifikasi dengan metode CVD selama 27 jam pada tekanan atmosfer ditetapkan dalam reaktor quartz (diameter dalam 18 mm dan panjang 500 mm) dalam pemanas listrik. Gas yang akan diuji, dialirkan dari tempat penguapan campuran HI dan H2. Kecepatan aliaran hidrogen dijaga sebesar 20 ml/min. Komposisi molar H2-H2O-HI adalah: 8;14 dan 78. Tekanan total dari kedua bagian sisi adalah sama yaitu tekanan atmosfer. Gas nitrogen dimasukkan ke bagian dalam membran untuk membuat perbedaan tekanan, dan membawa gas permeating. Permeating gas HI ditangkap dalam “colt trap” dan dianalisa dengan alat titrasi, sedangkan permeating H2 dan H2O dianalisa dengan Chromatograf tanpa menggunakan “coltd trap”.


23

ISSN 0216 - 3128


Gambar 5. Peralatam percobaan pengukuran permeans dan pembuatan membran dengan metoda CVD.

STUDI ELECTROLYSIS UAP TEMPERATUR TINGGI UNTUK PRODUKSI HIDROGEN

Titik Dew pada inlet tabung electrolysis

40-56 0C

Kandungan uap pada inlet tabung electrolysis

0.13- 0.32 g/min

Kecepatan alira udara

4-5 Ndm3/min (dew-pont <-20 oC)

Tekana inlet

0.11 bar (abs)

Dalam percobaan tabung electrolysis di install dalam pemanas listrik untuk mengontrol temperatur electrolysis. Uap dicampur dengan gas carrier argon dari silinder dan disupplai electroda fuel di dalam tabung electroliysis. Konsentrasi uap di dekteksi oleh kedua monitor point dew pada inlet dan outlet tabung electrolysis. Udara kering dari kompresor disupplai ke luar electrode udara dari tabung electrolysis agar tidak menguraikan senyawa anoda LaCoO3 dibawa tekanan oksigen parsial. Daya listrik yang dibutuhkan untuk electrolysis disupplai menggunakan arus searah (DC) melalui kawat platinium (Pt) yang di solder pada lapisan tembaga. Konsentarasi Hydrogen diukur dengan alat chromatograph gas pada bagian luar tabung electrolysis. Tegangan electrolysis dan arus juga diukur.

Dalam menghidupkan dan mematikan pemanas listrik, kecepatan kenaikan dan penurunan temperatur furnace di pasang dibawa 20 oC/h agar tidak membuat perbedaan pemuain termal yang yang besar diantara lapisan lapisan tipis dan tabung pendukung. Sebelum pemakaian daya listrik terhadap tabung, material katode dikurangi oleh campuran hidrogen dengan gas pembawa argon dalam beberapa jam agar bekerja sebagai elektroda.

Percobaan dikerjakan pada temperatur gas campuran yaitu pada 850 oC, 900 oC dan 950 oC. Kondisi pengujian lainnya seperti Tabel 1.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tabel 1. Kondisi pengujian electrolysis uap temperatur tinggi. Kecepatan aliran Argon

2.2 Ndm3/min

Pemisahan Air dengan Metoda Thermochemical untuk Produksi Hidrogen Gambar 6 dan 7 menunjukkan hasil kalibrasi alat GC untuk pengukuran gas H2. dan


24

ISSN 0216 - 3128


H2O. Hasil kalibrasi diperoleh hubungan antara luas puncak pertama termogram GC dengan banyaknya H2 yang dilewatkan (Gambar 6) dan kalibrasi hubungan antara luas puncak kedua termogram GC dengan banyaknya gas H2O (Gambar 7). Persamaan kali-brasi adalah Y = 2.5595  10-7  X, Y menyatakan banyaknya gas H2 yang mengalir dan X adalah luas puncak termogram GC. Hasil pengukuran unjuk kerja membran untuk pemisahan gas H2 dan H2O. pada temperatur perasi 450 dan 600 oC terdapat pada Tabel 2.

Gambar 6. Kalibrasi alat GC untuk gas H 2.

Gambar 7. Kalibrasi alat GC untuk gas H 2O.

Tabel 2. Data dan hasil perhitungan unjuk kerja membran pada pemisahan gas campuran H2, H2O dan HI pada temperatut 450 dan 600 oC. Luasan rata-rata (X)

Kecepatan Aliran carrier rata-rata [ml/min] (V)

Perhitungan Untuk nilai Y

Kecepatan Aliran H2 rata-rata [mol/Pam2s]

Kecepatan Aliran H2O [mol/Pam2s]

Temperatur

1.

157703,67l uasan H2

20,06

Y=2,5595  10e-7  X

0.86  10-8

-

450 oC

2

339988,67l uasan H2O

20,06

Y= -1,3167e-07 +1.2157  10e-11X + 2,4661  10e-17X2

-

3,34  10 –9

450 oC

3

171313,67l uasan H2

20,10

Y=2,5595  10e-7  X

0.94  10 -8

4

385866lua san H2O

20,10

Y= -1,3167e-07 +1.2157  10e11X+2,4661  10e17X2

-

No

Unjuk kerja membran yang telah dibuat dan dimodifikasi dengan metoda CVD, mempunyai

600 oC 4.02  10 -9

600 oC

kemampuan untuk mengalirkan gas H2 sebesar 0.86x10-8 dan 3,3  10-9 mol/Pa m2s, masing-


25

ISSN 0216 - 3128


masing pada temperatur 450 dan 600 oC. Untuk mengalirkan gas H2O sebesar 3,34  10-9 dan 4,02  10-9 mol/Pa m2s masing-masing pada temperatur 450 dan 600 oC. Gambar 6 dan 7 menunjukkan hasil kalibrasi alat GC untuk pengukuran gas H 2 dan H2O. Hasil kalibrasi diperoleh hubungan antara luas puncak pertama termogram GC dengan banyaknya H2 yang dilewatkan (Gambar 6) dan kalibrasi hubungan antara luas puncak kedua termogram GC dengan banyaknya gas H2O (Gambar 7). Persamaan kalibrasi adalah Y = 2.5595  10-7  X, Y menyatakan banyaknya gas H2 yang mengalir dan X adalah luas puncak termogram GC. Hasil pengukuran unjuk kerja membran untuk pemisahan gas H2 dan H2O. pada temperatur perasi 450 oC.

membagi nialai y yaitu 1,205  10-7 mol/s x 1/0,08 atm  1atm/1,013  105 Pa = 1,49  10 – 11 mol/Pa. Nilai untuk tiap membran yang luasnya = 1m2 diperoleh hasil = 1,49  10–11 / 1,73  10-3 = 0,86  10-8 mol/Pa s m 2.

Perhitungan Untuk Produksi H2

Jumlah larutan HI = 30 mg /l, untuk mendapatkan beratnya maka dikali dengan volumenya 0,2 L, (30mg/L  0,2L = 6 mg). Berat molekul HI = 128, maka beratnya adalah 128/127  6 = 6,0472 mg. Untuk satuan dalam molar adalah 6,0472/128  10 -3 = 4,72  10 –5mol. Waktu operasi diketahui selama 20 menit, jadi untuk 1 sekon = 5,52  10 – 5 mol /20 menit  1menit/60 sekon = 3,93  108 mol/s. Karena tekanan parsialnya = 0,14 atm maka hasil tersebut perlu dibagi dengan 0,14 atm, kemudian dikali dengan 1atm/1,013  105 Pa. Hasil tersebut dibagi dengan luas sebesar 1,73 * 10 -3m2, sehingga diper-oleh hasil aklhir = 1,6 * 10 –9 mol/Pa m2 s. Sedang-kan pada suhu 600 oC diperoleh hasil sebesar 2,57 * 10- 9 mol/Pa m 2 s.

Hasil pengukuran luas puncak termogram GC rata-rata adalah x = 157703,67 kemudian nilai x disubsitusikan pada persamaan hasil kalibrasi alat ukur GC yaitu y =2,5595 x 10 –7  x,. sehingga diperoleh hasilnya y = 4,04 x 10 -2 ml. Kecepatan aliran rata-rata H2 = 20,06 ml/min. Kemudian data ini dikalikan dengan harga y, hasilnya adalah 4,04x 10 -2 ml/5ml  20.06 mL/min = 0,162 ml/min. Hasil ini kemudian dirubah dalam satuan mol/s dengan cara 0,162  1L/1000 mL  1mol/ 22.4 L  1min/60 s = 1,205  10 -7 mol/s. Karena komposisi molar = 0, 78 atau 0,78 atm, maka nilai tekanan parsial ini akan

Sampel diambil dari 200mL larutan H2O dan HI. Dari hasil pengukuran diperoleh 35 mg/L, sehingga diperoleh I sebanyak 35 mg/L  0.2 L = 7 mg. Untuk menentukan banyaknya HI dapat digunakan persamaan hubungan antara konsentrasi HI dengan I sebagai berikut : y = 8.175 e-07 + 1,1544  10e-06 X + 2.505  10 e-08 X2. Y menyatakan volume HI dalam satuam [mol/L] dan X menyatakan jumlah I [mg/L] yang dilewatkan oleh membran. Hasil pengukuran adalah 1,6x10-9 dan 2,57 x 10-9 mol/Pa m2s masing-masing pada temperatur 600 dan 450 oC, dengan perhitungan sbb :

Tabel 3. Perhitungan produksi hidrogen dengan metoda thermochemical. Jenis gas/ temperatur

Luas ratarata termogram GC= x

Kec. aliran [ml/min]

Volum e total [ml]

Hasil kalibrasi

Perhitungan Untuk molar komposisi H2 : HI H2O= 0,08 : 0,14 : 0,78

H2/450 oC

15770,67

20,06

5

Y=2,5595x10-7  X = 4,04  10 -2 ml/min

Y= 4,04 x 10 -2 ml/(5ml)  20.06 mL/min  1L/1000 mL  1mol/22.4 L  1min/60 s  1/0,08 atm  1atm/1,013  10 5Pa / 1,73  10 -3 m2 = 0,86  10-8 mol/Pa s m2

H2/600 oC

171313,67

20,10

5

Y=2,5595x10-7  X = 4,38  10 -2 ml/min

Y= 4,38  10 -2 ml/(5 ml)  20.10 mL/min  1L/1000 mL  1mol/22.4 L  1min/60 s  1/0,08 atm  1atm/1,013  10 5Pa / 1,73 x 10 -3 m2 = 0,94 x 10-8 mol/Pa s m 2

H20/450 oC

339988,67

20,06

5

Y= - 1,3167  10-7 + 1,2157  10-11 + 2,4661

Y= 6,85  10 -6 mol  22,4l/1mol  1000 ml/1l  5 ml  20.06 ml/min  1l/1000 ml  1 mol/22,4l


H20/600 oC

38586617

26

ISSN 0216 - 3128


20,06

5

 10 –17 x2 = 6,85  10-6mol

 1min/60s / 0,78 atm  1atm/1,013  10 5 Pa/ 1,73 * 10-3 m2 = 3,34  10-9 mol/Pa s m2

Y= - 1,3167  10-7 + 1,2157  10-11 + 2,4661  10 –17 x2 = 8,23  10-6mol

Y= 8,23  10 -6 mol  22,4l/1mol  1000 ml/1l  5 ml  20.06 ml/min  1l/1000 ml  1mol/22,4l  1min/60s / 0,78atm  1atm/1,013  10 5 Pa/ 1,73  10-3 m2 = 4,02  10-9 mol/Pa s m 2

Gambar 8. Hasil kalibrasi pengukuran gas HI yang menggunakan alat ION METAL.

Electrolisis Temperatur Tinggi Uap untuk Produksi Hidrogen

Gambar 9. Grafik antara kerapatan produksi hidrogen dengan kerapatan arus yang digunakan. Prosiding PPI - PDIPTN 2005 Puslitbang Teknologi Maju - BATAN Yogyakarta, 12 Juli 2005

27

ISSN 0216 - 3128

Pada Gambar 9 dapat dilihat bahwa densitas produksi hidrogen Qh2 [Nml/cm 2h] mempunyai relasi linier dengan kerapatan arus id [mA/cm 2] dalam kisaran lebih dari 45 mA/cm 2. Korelasi percobaan dibawa ini ditunjukkan oleh persamaan sbb: QH2 = 984.7 - 1.722 Te + 7.427  10-4 Te2 - (6.744 - 1.136  10-2 Te + 4.502  10-6 Te2)id dengan Te = temperatur electrolysis [K]. Persamaan ini valid untuk diatas 45 mA/cm 2. Kerapatan produksi hidrogen tidak terjadi dalam kisaran kurang dari 45 mA/cm 2. Pada kasus 7.0 Ndm 3/h pada 9500C, efisiensi energi adalah sekitar 80% . Koefisien energi rendah ini disebabkan oleh kehilangan tahanan listrik tinggi (Ohmic loses pada hubungan dan lapisan pembawa listrik. Pada sisi lain, kecepatan konversi uap adalah sangat rendah sekitar kurang dari 40 %. Ini kemungkinan disebabkan oleh uap yang tidak dapat melewati secara perlahan melalui tabung pendukung ke elektroda tabung, bila tabung pendukung me-miliki porositas rendah sekitar 38 %. Jika uap telah mencapai katoda dengan cukup, kerapatan produksi hidrogen akan meningkat dari pada hasil sebelumnya.

KESIMPULAN Metode (1) pemisahan komposisi air secara thermochemical untuk produksi hidrogen menggunakan IS ( IODINE-SULFUR), membran dibuat dengan metode CVD diperoleh hasil sebagai berikut. Kecepatan aliran rata-rata H2 = 0,86  10-8 dan 0,98  10 -8 mol/Pa s m2 masing-masing untuk temperatur 450 dan 600 oC dan untuk metode (2) electrolysis temperatur tinggi uap, densitas produksi hidrogen (QH2) [Nml/cm 2h] mempunyai relasi linier dengan kerapatan arus id [mA/cm 2] dalam kisaran lebih dari 45 mA/cm 2. Untuk kasus produksi hidrogen sebesar 7 N dm 3/jam diperoleh pada suhu 950oC dengan efisiensi adalah 80%.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapakan terima kasih kepada Bapak DR. Kaoru Onuki sebagai pembimbing pada penelitian ini, atas kesempatan melakukan percobaan di Laboratorium aplikasi panas Reaktor untuk produksi hidrogen di JAERI Jepang


DAFTAR PUSTAKA 1. KAORU ONUKI,H.NAKAJIMA, M. FUTAKAWA, I. IOKA, S. SHIMIZU, Thermochewmical Water-Spliting For Hydrogen Production, Proceeding of the Eighth International Topical Meeting on Nuclear Reactor ThermalHydrolics,Kyoto,Japan,30 September-4 October 19997, pp.1803-1809. 2. G.R GAVALAS,C.E. MEGIRIS, S.W.NAM, Deposition of H2 permselective SiO2 films, Chem. Eng. Sci. 44(9) (1989). 3. M. TSAPATIS, S. KIM, S.W. NAM, G. GAVALAS, Synthesis of Hydrogen Permselective SiO2,TiO2,Al2O3 and B2O3 membrane from the chloride precursors, Ind. Eng. Chem. Res. 30 (1991) 2152-2159. 4. C.E. MEGIRIS, J.H.E. GLEZER, Synthesis of H2- Permselective Membranes by Modified Chemical Vapor Deposition Microstructure and Permselectivity of SiO 2/C/vycor Membranes, Ind. Eng. Chem. Res. 31 (1992) 1293-1299. 5. H.Y. HA, S.W. NAM, S.-A. HONG, W.K. LEE, Chemical Vap or Deposition of HydrogenPermselective Silica Film on Porous Glass Supports From TEOS, J. Membr. Sci. 85 (1993) 279-290. 6. M. TSAPATIS, G. GAVALAS, Structure and Aging Characteristics of H2- Permselective SiO2-vycor Membranes, J. Membr. Sci. 87 (1994) 281-296. 7. S.KIM, G.R. GAVALAS, Preparation oif H2 Permselkective Silica Membranes by Lternative Reactant Vapor Deposition, Ind. Eng. Chem. Res. 34 (1995) 168-176. 8. J.C.S. WU, H. SABOL, G. W. SMITH, D.L. FLOWERS, P.K.T. LIU, Characterization of HydrogenPermselective Microporousd Ceramic Membrtanes, J. Membr. Sci. 96 (1994) 275-280. 9. S. YAN, H. MAEDA, K. KUSAKABE, S. MOROOKA, Hydrogen Permselective SiO2 Membrane Formed in Pores of Alumina Support Tube by Chemical Vapor Deposition with Tetraethylorthosilicate, Ind. Eng. Chem. Res. 33 (1994) 2096-2101.



ISSN 0216 - 3128

28

Fakhruddin

TANYA JAWAB

 Apakah hasil studi berupa analisa, studi literatur atau hasil eksperimen yang Bapak lakukan?

Endiah PH  400 oC dengan tekanan berapa, produksi hydrogen dengan elektrolisis problemnya adalah daya listrik yang besar.  Suatu reaksi kimia tidak berjalan begitu saja, kadang perlu katalis dan kondisi P  T tetapi di sini terlihat hal-hal penting itu diabaikan saja.  Mohon dijelaskan uap H2 dengan T 450 – 600 dengan tekanan 1 atm bagaimana H2 dapat ditrap? Membran apa yang digunakan apa itu metode CVD. Bagaimana teknologi keselamatannya, mengingat gas H2 pada temperatur kamar dengan udara saja sudah meledak? Tumpal  Tekanannya sekitar 1 atm.  Ini sebagai latar belakang penelitian, masalah keamanannya sudah berjalan dengan baik di JAERI. Jadi yang diteliti adalah penyuling H 2, HI dan H2O yang melewati membran yang dibuat dengan metode CVD.  H2 merupakan gas dilewatkan membran kemudian diukur menggunakan GC yang di coltd trap adalah gas HI (dengan melewatkannya pada bejana yang berisi air).

 Bahan apakah yang terdapat dalam tabung elektrolisis dan bagaimana karakteristiknya terhadap reaksi kimia dan sifat fisikanya. Tumpal  Penelitian ini berupa eksperimen untuk metode thermochemical dan studi literatur untuk elektrolisis uap temperatur tinggi.  Dalam tabung elektrolisis (tabung bunsen reaksi) terdapat campuran : H2, H2O dan HI.

Y. Sarjono  Bahan bakar hidrogen untuk 25 th kedepan belum masuk dalam pasokan energi nasional seperti : angin, matahari, geotermal, nuklir dan lain-lain sudah masuk. Apa yang melatar belakangi anda melakukan studi tersebut?  Saudara mengambil latar belakang ”HTR”, apakah program energi nuklir kedepan ada kecenderungan ke HTR?  Efisiensi 80 %, apa yang dimaksud efisiensi tersebut? PLTN dan pembangkit yang lain efisiensi thermal ke listrik adalah 60 – 80%, PLTN HBWR 80%? Mohon komentar. Tumpal

Murdani S.  Bagaimana penanganan hasil gas H2 dengan proses thermochemical iodine sulfur supaya keselamatan kerja teratasi karena H2 eksplosive pada suhu kamar berhubungan O2 terjadi ledakan (pengalaman kami pada pembuatan air berat), Bapak beroperasi pada suhu tinggi. Tumpal  Penanganannya dengan mengisolasi dengan pipa yang aman, semua H2 yang dialiri. Out-put H2 ditabung dalam suatu bejana khusus.

 Masalah kebijakan nasional, saya belum menyelidikinya namun yang pasti di negaranegara maju seperti : Jepang, Jerman dan Amerika sudah diaplikasikan.  Masalah kedepan apakah membangun HTTR atau yang lain saya belum tahu.  Efisiensi termal 80% artinya energi H2 yang didapat bila dibandingkan dengan energi yang dibutuhkan hanya 80% (artinya masih rugi 20%).


STUDI HASIL PRODUKSI HIDROGEN DENGAN METODE THERMOCHEMICAL DAN ELECTROLYSIS UAP TEMPE- RATUR TINGGI

Recommend Documents