UNIVERSITAS INDONESIA UJI PRODUKTIVITAS GENERATOR HIDROGEN DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI FUEL BOOSTER PADA MOTOR BAKAR BENSIN SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

UJI PRODUKTIVITAS GENERATOR HIDROGEN DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI „FUEL BOOSTER‟ PADA MOTOR BAKAR BENSIN

SKRIPSI

RESULI IRAWAN THALIB 0806368295

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2011

Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

UNIVERSITAS INDONESIA

UJI PRODUKTIVITAS GENERATOR HIDROGEN DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI „FUEL BOOSTER‟ PADA MOTOR BAKAR BENSIN

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

RESULI IRAWAN THALIB 0806368295

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2011

ii

Universitas Indonesia


HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

iii



HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama

:

Resuli Irawan Thalib

NPM

:

0806368295

Program Studi

:

Teknik Kimia

Judul Skripsi

:

Uji Produktifitas Generator Hidrogen dan Pemanfaatannya sebagai ‘Fuel Booster’ pada Motor Bakar Bensin

Telah berhasil dipertahankan sebagai persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

Ditetapkan di : Depok

Tanggal

: 22 Juni 2011

iv



KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sebaikbaiknya. Skripsi

dengan

judul

“Uji

Produktivitas

Generator

Hidrogen

dan

Pemanfaatannya sebagai ‘Fuel Booster’ pada Motor Bakar Bensin” disusun untuk melengkapi syarat menyelesaikan studi program Sarjana pada Departemen Teknik Kimia Fakultas teknik Universitas Indonesia. Makalah ini terwujud atas dukungan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, penulis secara khusus ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar - besarnya kepada : 1.

Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA. Selaku dosen pembimbing atas segala ide, kritikan, serta sarannya kepada penulis.

2.

Ir. Sukirno, MEng. Selaku Pembimbing Akademik.

3.

Prof. Dr. Ir. Widodo W Purwanto, DEA. Selaku Ketua Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

4.

Ayah, Mama, dan adik - adik ku yang telah memberikan dukungan dan doa serta kasih sayang yang telah diberikan.

5.

Rekan – rekan Mahasiswa Ekstensi Teknik Kimia 2008 atas kerjasamanya. Penulis berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi setiap pembaca,dan dapat

menuai saran serta kritik guna membangun penulis agar lebih baik.

Depok, 22 Juni 2011

Penulis

v



HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai civitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama

: Resuli Irawan Thalib

NPM

: 0806368295

Program Studi : Ekstensi Teknik Kimia Departemen

: Teknik Kimia

Fakultas

: Teknik

Jenis karya

: Skripsi

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive RoyaltyFree Right) atas karya ilmiah ini yang berjudul : Uji Produktivitas Generator Hidrogen dan Pemanfaatannya sebagai „Fuel Booster‟ pada Motor Bakar Bensin Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini, Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia / formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis / pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di

: Depok

Pada tanggal : 22 Juni 2011

vi



ABSTRAK

Nama Program Studi Judul

: : :

Resuli Irawan Thalib Teknik Kimia Uji Produktivitas Generator Hidrogen dan Pemanfaatannya sebagai ‘Fuel Booster’ pada Motor Bakar Bensin

Proses elektrolisis air dapat menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen namun pada kali ini keberadaan gas hidrogen lebih diperhatikan karena kelebihan sifatnya sebagai bahan bakar. Pada penelitian ini dirancang sebuah alat elektrolisis yang memiliki luas area kontak antara katoda dan anoda sebesar 174 cm 2. Uji produktivitas alat dilakukan dengan variasi jenis elektrolit (KOH dan NaOH), waktu proses elektrolisis, dan sumber listrik pada tegangan konstan (10 Volt), sehingga hasilnya dinyatakan sebagai laju mol hidrogen per satuan waktu. Pada variasi dan kondisi yang sama, hidrogen hasil elektrolisis diinjeksikan menuju ruang bakar motor genset. Sehingga diperoleh efisiensi bahan bakar setelah 60 menit sebesar 24,97% dengan rasio mol hidrogen 6,39 terhadap bahan bakar. Kata kunci:

Generator hidrogen, motor bakar bensin, efisiensi

ABSTRACT

Name Study program Topic

: : :

Resuli Irawan Thalib Chemical Engineering Test of Productivity and Utilization of Hydrogen Generator as 'Fuel Booster' in Motor Gasoline

The process of water electrolysis can produce hydrogen gas and oxygen gas, but at this paper is more concentrate in hydrogen because of its advantages as a fuel. In this study designed an electrolysis device that has a contact area between the cathode and anode of 174 cm2. Test of electrolysis device productivity conducted with electrolyte type variation (KOH and NaOH), the electrolysis process time, and power source DC at constant voltage (10 Volt), so the result expressed as the moles rate of hydrogen per unit time. The same variation and same condition, hydrogen gas injected into the combustion chamber in generator set motor. So that fuel efficiency is obtained after 60 minutes at 24.97% with 6.39 point ratio moles of hydrogen to fuel. Keywords:

Hydrogen generator, motor gasoline, eficiency

vii



DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i HALAMAN JUDUL............................................................................................... ii PERNYATAAN ORISINALITAS ........................................................................ iii LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................... iv KATA PENGANTAR .............................................................................................v HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................. vi ABSTRAK ............................................................................................................ vii ABSTRACT .......................................................................................................... vii DAFTAR ISI ........................................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ xiv BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................1 1.1 Latar Belakang ..........................................................................................1 1.2 Perumusan Masalah ..................................................................................2 1.3 Tujuan Penelitian ......................................................................................3 1.4 Manfaat Penelitian ....................................................................................3 1.5 Batasan Masalah .......................................................................................3 1.6 Sistematika Penulisan ...............................................................................4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..............................................................................5 2.1 Hidrogen ...................................................................................................5 2.1.1 Keunggulan Sifat Hidrogen Dibandingkan Bahan Bakar Lain .........6 2.2 Oksigen .....................................................................................................9 2.3 Produksi Hidrogen ..................................................................................10 2.3.1 Elektrolisis ......................................................................................10 2.3.1.1

Hidrogen Generator Menggunakan Sumber Daya UltraSort-Pulse ..............................................................................14

2.3.1.2

Elektrolisis Plasma ................................................................14

2.3.1.3

Produksi Hidrogen dengan Fermentasi .................................15

viii



2.4 Pembakaran ............................................................................................16 2.4.1 Perbandigan Udara – Bahan Bakar .................................................18 2.4.2 Neraca Bahan Bakar .......................................................................19 2.4.3 Bahan Bakar ....................................................................................19 2.4.4 Karakteristik Bahan Bakar ..............................................................21 2.5 Motor OTTO (Internal Comcustion Engine) ..........................................23 2.5.1 Kerja Motor Bakar Bensin ..............................................................24 2.5.1.1 Langkah Hisap ....................................................................24 2.5.1.2 Langkah Kompresi .............................................................25 2.5.1.3 Langkah Kerja ....................................................................26 2.5.1.4 Langkah Buang ...................................................................26 2.5.2 Sekilas Kerja Motor Bakar Diesel ..................................................28 2.6 Emisi Gas Buang ....................................................................................30 2.6.1 CO (Carbon Monoksida).................................................................30 2.6.2 HC (Hydrocarbon) ..........................................................................32 2.6.3 NOx (Nitrogen Oksida)...................................................................32 2.6.4 Pb (timah hitam) .............................................................................32 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...............................................................33 3.1 Rancangan Penelitian..............................................................................33 3.2 Alat Uji dan Bahan .................................................................................34 3.2.1 Alat Uji............................................................................................34 3.2.2 Bahan ..............................................................................................34 3.3 Perancangan Alat ....................................................................................34 3.3.1 Generator Hidrogen ........................................................................34 3.3.2 Peralatan Pengukuran Produk Hidrogen .........................................37 3.3.3 Skema Mesin 4 Langkah .................................................................38 3.4 Preparasi Bahan ......................................................................................40 3.5 Uji Pendahuluan Peralatan Sistem Produksi Hidrogen ..........................40 3.6 Prosedur Penelitian .................................................................................41 3.6.1 Pengujian Produktifitas Hidrogen Generator ..................................41 3.6.2 Pengujian Kinerja Kendaraan Bermotor .........................................42 3.7 Parameter Produktifitas Generator Hidrogen .........................................44

ix



BAB IV PEMBAHASAN ......................................................................................46 4.1 Perancangan Generator Hidrogen ...........................................................46 4.2 Uji Produktivitas Generator Hidrogen ....................................................47 4.2.1 Pemilihan Kosentrasi Larutan yang Optimum ................................48 4.2.2 Mempelajari Kecenderungan Produktivitas Generator Hidrogen ...50 4.3 Pemanfaatan Hidrogen sebagai “Fuel Booster” pada Motor Bakar Bensin ....................................................................................................53 4.3.1 Efisiensi Konsumsi Bahan Bakar....................................................58 4.3.2 Emisi Motor Bakar Bensin..............................................................61 BAB V KESIMPULAN dan SARAN....................................................................63 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................64

x



DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Elektrolisis H2O.................................................................................11 Gambar 2.2. Skema alat elektrolisis plasma ..........................................................15 Gambar 2.3. Mekanisme hydrogen rhodobakter ....................................................16 Gambar 2.4. Reaksi pembakaran propana..............................................................17 Gambar 2.5. Neraca massa bahan bakar ................................................................19 Gambar 2.6. Langkah hisap ...................................................................................24 Gambar 2.7. Langkah kompresi motor bensin .......................................................25 Gambar 2.8. Langkah kerja motor bakar bensin ....................................................26 Gambar 2.9. Langkah buang motor bakar bensin ..................................................26 Gambar 2.10. Diagram P-V dan T-S motor Otto ideal 4 langkah..........................27 Gambar 2.11. Skema kerja mesin diesel 4 langkah ...............................................29 Gambar 3.1. Diagram alir penelitian ......................................................................33 Gambar 3.2. Rancangan katoda .............................................................................35 Gambar 3.3. Rancangan anoda...............................................................................35 Gambar 3.4. Susunan elektroda pada alat elektrolisis............................................36 Gambar 3.5. Rancang alat elektrolisis....................................................................36 Gambar 3.6. Bubble Soap ......................................................................................37 Gambar 3.7. Gas Chromatograph...........................................................................37 Gambar 3.8. Gas Sampling ....................................................................................38 Gambar 3.9. Alat Suntik GC ..................................................................................38 Gambar 3.10. Skema motor bakar bensin ..............................................................39 Gambar 3.11. Skema penambahan gas hidrogen pada motor bakar bensin ..............................................................................................39 Gambar 3.12. Skema instalasi generator hidrogen pada motor bakar bensin (genset) ...........................................................................................40 Gambar 3.13. Alat analisis karbon monoksida (CO) .............................................43 Gambar 4.1. Grafik laju gas terhadap daya yang diberikan ...................................49 Gambar 4.2. Grafik kecenderungan produktifitas arus listrik terhadap waktu ......51

xi



Gambar 4.3. Grafik kecenderungan produktivitas laju mol hidrogen terhadap arus .................................................................................................51 Gambar 4.4. Grafik laju konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis KOH ...........54 Gambar 4.5. Grafik laju konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis NaOH .........55 Gambar 4.6. Grafik perbandingan mol hidrogen dengan mol bensin pada elektrolisis KOH 0,01 M ..............................................................56 Gambar 4.7. Grafik perbandingan mol hidrogen dengan mol bensin pada elektrolisis NaOH 0,01 M ............................................................56 Gambar 4.8. Komponen-komponen dalam karburator ..........................................57 Gambar 4.9. Grafik efisiensi konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis KOH 0,01 M pada motor bakar bensin ....................................................59 Gambar 4.10. Grafik efisiensi konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis NaOH 0,01 M pada motor bakar bensin ....................................................59

xii



DAFTAR TABEL

Tabel 1.1. Konsumsi minyak bumi Asia Pasifik ......................................................1 Tabel 2.1. Sifat fisika dan kimia hidrogen ...............................................................5 Tabel 2.2. Flammibility limits bahan bakar .............................................................6 Tabel 2.3. Nilai oktan bahan bakar ..........................................................................8 Tabel 2.4. Sifat – sifat fisik hidrogen dan bensin.....................................................9 Tabel 2.5. Sifat fisika dan kimia oksigen ...............................................................10 Tabel 2.6. Proper Combining Proportions for Perfect Combustion .......................18 Tabel 2.7. Spesifikasi premium..............................................................................20 Tabel 2.8. Spesifikasi solar ....................................................................................21 Tabel 2.9. Nilai ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor ..............................................................................................31 Tabel 4.1 Komposisi hidrogen pada elektrolisis KOH 0,01M ...............................47 Tabel 4.2 Komposisi hidrogen pada elektrolisis NaOH 0,01 M ............................48 Tabel 4.3 Rasio mol penambahan hidrogen terhadap bahan bakar gasolin pada larutan KOH ..........................................................................................60 Tabel 4.4 Rasio mol penambahan hidrogen terhadap bahan bakar gasolin pada larutan NaOH.........................................................................................60 Tabel 4.5 Emisi motor bakar bensin setelah penambahan hidrogen ......................61

xiii



DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Design Katoda ....................................................................................66 Lampiran 2 Design Anoda 1 ..................................................................................67 Lampiran 3 Design Anoda 2 ..................................................................................68 Lampiran 4 Pengolahan Data Hasil Uji Produktifitas Generator Hidrogen dengan Variasi Konsentrasi Larutan KOH .......................................69 Lampiran 5 Pengolahan Data Hasil Uji Produktifitas Generator Hidrogen dengan Variasi Konsentrasi Larutan NaOH .....................................70 Lampiran 6 Deret Komposisi terhadap Pembacaan pada GC ................................71 Lampiran 7 Laju Pembentukan Gas pada Tegangan Konstan ...............................72 Lampiran 8 Pengaruh Konsumsi Bahan Bakar terhadap Penambahan Hidrogen dengan KOH .....................................................................................73 Lampiran 9 Pengaruh Konsumsi Bahan Bakar terhadap Penambahan Hidrogen dengan NaOH ...................................................................................74 Lampiran 10 Perbandingan Pembaca Tegangan dan Arus pada Indikator Power Supply dengan Multi Tester Meter ...................................................75 Lampiran 11 Grafik Analisis GC ...........................................................................76 Lampiran 12 Perhitungan Laju Mol Hidrogen .......................................................82 Lampiran 13 Perbandingan Produktivitas Hidrogen Hasil Elektrolisis antara Teori Faraday dengan Alat yang Dirancang dalam Penelitian ........83

xiv



BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Berkembangnya kemajuan teknologi menyebabkan semakin meningkatnya

kebutuhan manusia akan bahan bakar dalam menjalankan dan menyelesaikan aktivitas kehidupannya. Salah satunya adalah motor bakar generator listrik (genset), alat ini digunakan sebagai penyedia energi listrik. Menjalankan genset tersebut membutuhkan sumber energi atau bahan bakar fosil yang disebut bensin atau solar. Peningkatan kebutuhan minyak bumi untuk wilayah Asia Pasifik dapat dilihat pada Tabel 1.1. Tabel 1.1 . Kebutuhan minyak bumi wilayah Asia Pasifik

Sumber: BP Statistical Review of World Energy June 2010

Tabel di atas mewakili sebagian kecil kebutuhan bahan bakar minyak dunia, dimana seiring dengan bertambahnya tahun maka bertambah pula kebutuhannya. Hal tersebut menyebabkan semakin sedikit cadangan energi yang tak terbaharukan tersebut. Oleh sebab itu besarnya konsumsi bahan bakar pada motor bakar perlu dilakukan penelitian agar lebih hemat dan efisien. Salah satu alternatifnya adalah mencampurkan bahan bakar (bensin atau solar) dengan gas hidrogen sebelum proses pembakaran dalam mesin bakar kendaraan bermotor. Gas hidrogen dapat diperoleh dari hasil elektrolisis air, gas ini memiliki nilai kalor dan oktan tinggi. Hasil pembakarannya gas hidrogen juga tidak

1



2

menimbulkan polusi udara. Apabila gas tersebut ditambahkan pada mesin bermotor dengan bahan bakar solar atau bensin maka akan dapat meningkatkan kualitas pembakaran. Pada penelitian Horng RF. dkk. (2008), bahan bakar yang diperkaya hidrogen mampu menurunkan emisi gas NOx dan HC. Muhammadi beserta rekanrekan dari LIPI (2007) juga telah melakukan investigasi performa mesin dengan bahan bakar konvensional yang diinjeksi hidrogen dapat menghilangkan knocking. Penelitian tersebut menerapkan tiga parameter perlakuan yaitu waktu pengapian, waktu injeksi dan rasio equivalen yang dioptimalkan sehingga mencapai efisiensi termal dan brake mean efective pressure yang baik serta emisi NOx rendah. Peneliti lain yaitu Susuki dan Sakurai (2006) mempelajari efek penambahan hidrogen pada mesin spark ignition (SI) dapat menaikkan efisiensi termal sebesar 14%, emisi NOx dapat berkurang hingga 95%. Sedangkan Goldwitz dan Heywood (2005) mengoptimalkan kondisi pembakaran pada mesin spark ignition dengan menambahkan hidrogen sebagai suplemen bahan bakar menaikkan efisiensi lebih dari 25%. Dari peneliti sebelumnya yaitu Verhelst dan Sierents (2001) telah membandingkan injeksi hidrogen pada mesin spark ignition dengan karburator dan mesin dengan sistem injeksi. Hasilnya adalah mesin fuel injection dengan penambahan hidrogen mempunyai daya lebih besar dan resiko backfiring lebih kecil. Penelitian-penelitian tersebut diatas menunjukkan adanya peluang hidrogen sebagai suplemen (fuel booster) bahan bakar untuk memperbaiki kualitas pembakaran sehingga dapat meningkatkan kinerja mesin. Dalam penelitian ini, hidrogen dihasilkan dari proses elektrolisis Faraday dengan susunan elektroda yang sedemikian rupa sehingga laju produksi hidrogen berlangsung optimum.

1.2

Perumusan Masalah Permasalahan yang ingin diselesaikan dalam penelitian ini antara lain

adalah: 1.

Bagaimana memproduksi gas hidrogen sebagai “fuel booster" motor bakar (ICE) melalui elektrolisis air yang lebih efisien.

Universitas Indonesia Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

3

2.

Bagaimana membuat sistem injeksi gas hasil elektrolisis pada mesin bermotor bensin (atau solar) sehingga dapat meningkatkan kualitas pembakaran.

1.3

Tujuan Penelitian Tujuan penelitian yang dilakukan adalah merancang dan membuat sistem

produksi injeksi hidrogen menggunakan teknik elektrolisis air dengan pengaturan arus listrik DC (searah). Selanjutnya adalah mengamati peranan hidrogen dengan penambahan dalam campuran bahan bakar dan udara, untuk meningkatkan kinerja mesin bermotor bensin.

1.4

Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari hasil penelitian yaitu hidrogen dapat memberikan

pengaruh pada kenaikan daya mesin, penghematan pemakaian bahan bakar tanpa mengganggu kinerja mesin dan mengurangi tingkat polusi dari emisi gas buang kendaraan.

1.5

Batasan Masalah Ruang lingkup penelitian dibatasi oleh beberapa parameter sebagai berikut:

 Sumber listrik yang dialirkan ke alat adalah arus searah DC dengan menggunakan adaptor yang sumber listriknya diperoleh dari listrik PLN maupun generator listrik (genset).  Alat yang dirancang dapat bekerja dalam waktu lama, namun dalam penelitian ini dapat diartikan bekerja cukup dalam 1-2 jam.  Daya yang dialirkan ke alat, dibatasi sampai dengan 150 watt.  Indikator hasil penelitian adalah efisiensi produksi hidrogen terhadap konsumsi energi listrik pada proses elektrolisis.  Meningkatnya kinerja motor bakar bensin karena injeksi hidrogen menjadi suatu pengamatan penting dalam penelitian ini.  Emisi yang diukur adalah karbon monoksida (CO), karena sebagai indikator reaksi pembakaran sudah berlangsung sempurna.


4

1.6

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN Berisi latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah serta sistematika penulisan yang digunakan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA Berisi tentang tinjauan pustaka atau teori dasar yang berkaitan dengan topik penelitian penulis.

BAB III : METODE PENELITIAN Bab ini menginformasikan penjelasan tentang metodologi dan tahap-tahap penelitian yang akan dilakukan dari awal hingga akhir dan memuat bahan / alat yang digunakan, serta prosedur penelitian.

BAB IV : PEMBAHASAN Bab ini berisi hasil dari penelitian yang telah dilakukan berdasarkan prosedur yang tertera di Bab III. Dalam bab ini juga terdapat analisis dan pembahasan dari hasil penelitian yang telah diperoleh.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Berisi rangkuman keseluruhan dari penelitian yang telah dilakukan, serta mengacu pada hasil yang telah diperoleh. Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari hasil penelitian.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Semakin besarnya kebutuhan bahan bakar bensin dan solar sebagai bahan bakar mesin kedaraan bermotor, menyebabkan krisis persediaan cadangan energi tak terbaharukan tersebut. Hal ini mendorong penelitian-penelitian lebih lanjut mengenai efisiensi penggunaan bahan bakar agar konsumsinya menjadi lebih hemat. Gas hidrogen merupakan salah satu sumber energi alternatif yang cocok sebagai suplemen bahan bakar dalam internal combustion engine (spark ignition engine dan compression ignition engine). Dalam tulisan ini akan ditunjukan besarnya efisiensi bahan bakar bensin dan solar setelah adanya pencampuran gas hidrogen dalam sistem pembakaran mesin bakar kendaraan bermotor.

2.1

Hidrogen Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air,

genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Tabel 2.1 menunjukkan sifat-sifat fisika dan kimia secara lengkap dari gas hidrogen. Tabel 2.1. Sifat fisika dan kimia hidrogen

Fase Massa Jenis

Gas

Massa Jenis

(0ºC;101,325kPa) 0.08988 g/L

Titik Lebur

14.01 K (-259.14 ºC, -434.45 ºF)

Titik Didih

20.28 K (-252.87 ºC, -423.17 ºF)

Kalor Peleburan

(H2) 0.117 kj/mol

Kapasitas Kalor

(25ºC) (H2) 28.836 j/(mol.K)

Suhu Kritis

32.19 K

Tekanan Kritis

1.315 mPa

Density Kritis

30.12 g/mL

Sumber: http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/HY/hydrogen.html

5



6

2.1.1 Keunggulan Sifat Hidrogen Dibandingkan Bahan Bakar Lain Terdapat perbedaan sifat yang besar antara hidrogen dengan bensin, sifat tersebut sangat mempengaruhi proses pembakaran pada internal combustion engine (ICE). Sifat-sifat tersebut menyebabkan hidrogen lebih unggul dibandingkan dengan bensin. Hidrogen merupakan bahan bakar yang mudah terdispersi dalam udara sehingga sangat mudah terbakar. Di sisi lain bensin lebih sulit terbakar, karena memiliki kerapatan yang lebih besar sehingga lebih sulit terdispersi dalam udara. Hal ini menyebabkan pembakaran bensin relatif lebih lambat dibandingkan hidrogen. Berikut

adalah

sifat-sifat

hidrogen

lainnya

yang

mempengaruhi

perkembangan teknologi ICE :

a.

Jangkauan Flammability yang Luas Dibandingkan dengan bahan bakar lain, hidrogen memiliki jangkauan

flamibility yang luas. Perhatikan tabel berikut. Tabel 2.2. Flammability limits bahan bakar

Lower Explosive

Upper Explosive

Limits (%)

Limits (%)

Hidrogen

4

75

2

Metana

5.3

15

3

Propana

2.2

9.6

4

Metanol

6

36.5

5

Bensin

1

7.6

6

Solar

0.6

5.5

No.

Bahan Bakar

1

Sumber: Roger Sierens (2005)

Seperti yang dapat dilihat, flammability limits (komposisi campuran untuk pengapian dan propagasi nyala api) yang sangat luas untuk hidrogen (antara 4 dan 75% hidrogen dalam campuran) dibandingkan dengan bensin (antara 1 dan 7,6%) dan solar (antara 0.6 dan 5.5%). Hal ini menunjukkan bahwa meskipun


7

perbandingan jumlah bahan bakar dengan udara jauh dari stoikiometri, proses pembakaran tetap terjadi. Akibatnya pembakaran berlangsung sempurna untuk gas hidrogen, sehingga konsumsi bahan bakar saat mesin dijalankan menjadi lebih hemat dan efisien. Selain itu menyebabkan temperatur pembakaran menjadi lebih rendah sehingga menurunkan emisi bahan pencemar oksida nitrat (NOx).

b.

Energi Ignition Rendah Jumlah energi yang diperlukan untuk menyalakan hidrogen lebih rendah

dibandingkan dengan energi yang dibutuhkan untuk mengalakan bensin (0.02 MJ untuk hidrogen dan 0.24 MJ untuk bensin). Kelebihannya adalah penyalaan akan tetap terjadi meskipun campuran miskin bahan bakar dan memungkinkan terjadinya penyalaan dengan cepat. Kelemahannya adalah dapat menyebabkan masalah pada pengapian dini dan flash back (penyalaan balik), yaitu terjadinya penyalaan bahan bakar yang disebabkan adanya sumber panas pada silinder (College of the Desert, 2001).

c.

Jarak Quenching Rendah Hidrogen memiliki jarak quencing yang rendah (0.64 mm untuk hidrogen

dan 2.0 untuk bensin), berdasarkan jarak dari dinding silinder internal ke sumber api. Ini berarti bahwa lebih sulit memadamkan api hidrogen dari pada nyala bahan bakar yang lainnya (College of the Desert, 2001).

d.

Flame Speed Tinggi Hidrogen terbakar dengan kecepatan api yang tinggi, menyebabkan kerja

mesin hidrogen lebih dekat dengan siklus mesin termodinamika ideal (rasio kekuatan bahan bakar paling efisien) ketika pencampuran bahan bakar mencapai stoikiometri. Namun, bila mesin berjalan (campuran miskin bahan bakar) dapat meningkatkan nilai ekonomis bahan bakar, hal ini menyebabkan flame speed menurun secara signifikan (College of the Desert, 2001).


8

e.

Difusifitas Tinggi Hidrogen menyebar dengan cepat ke udara, sehingga memungkinkan untuk

pencampuran bahan bakar dengan udara menjadi lebih homogen, dan memungkinkan penurunan issue safety major dari kebocoran hidrogen (College of the Desert, 2001).

f.

Densitas Rendah Implikasi yang paling penting dari densitas yang rendah untuk hidrogen

bahwa membutuhkan volume yang sangat besar untuk proses penyimpanan hidrogen (College of the Desert, 2001).

g.

Nilai Oktan Tingkat oktan menunjukan ketahan suatu bahan bakar terhadap efek

knocking pada mesin kendaraan (motor bakar). Knocking mesin dapat merusak mesin cukup cepat. Beberapa kendaraan memiliki standar bahan bakar beroktan tinggi, bila kendaraan tersebut dipaksa mengkonsumsi bahan bakar beroktan rendah, maka menimbulkan efek knocking pada mesin. Hidrogen memiliki tingkat oktan yang lebih besar dibandingkan dengan bensin dan solar, haltersebut ditunjukkan pada Tabel 2.3. Tabel 2.3. Nilai oktan bahan bakar

Bahan Bakar

Octane Number

Hidrogen

>130

Metana

135

Propana

108

Octana

100

Bensin

88

Solar

15 – 25

Sumber: Suhirta (2008)


9

Perbandingan sifat fisika secara dari hidrogen dan bensin yang mempengaruhi proses pembakaran dalam mesin terdapat pada tabel 2.4. Tabel 2.4. Sifat - sifat hidrogen dan bensin

Sumber: Dempsey, 2001

2.2

Oksigen Oksigen atau zat asam adalah unsur kimia dalam sistem tabel periodik yang

mempunyai lambang O dan nomor ator 8. Zat ini ditemukan tidak hanya di bumi tetapi diseluruh alam semesta. Di bumi, zat ini biasa berikatan dengan zat lain secara kovalen atau ionik. Oksigen adalah satu dari dua komponen utama udara, dihasilkan dari tanaman selama proses fotosintesis, dan sangat diperlukan untuk pernafasan aerobik pada hewan dan manusia. Tabel 2.5. Sifat fisika dan kimia oksigen Fase Massa Jenis

Gas

Massa Jenis

(0ºC;101,325kPa) 1,429 g/L


10

Titik Lebur

54.36 K (-218,79 ºC, -361,82 ºF)

Titi Didih

90,20 K (-182,95 ºC, -297,31 ºF)

Kalor Peleburan

(O2) 0.444 kj/mol

Kapasitas Kalor

(25ºC) (O2) 29,378 j/(mol.K)

Sumber: http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/HY/oxygen.html

2.3 Produksi Hidrogen Teknologi untuk menghasilkan hidrogen maupun proses di industri yang dapat menghasilkan hidrogen terdapat 2 cara, yaitu proses steam reforming dalam teknologi pemisahan hidrokarbon dan elektrolisis air. Steam reforming merupakan proses termokimia yang umum dipakai pada industri yang memproduksi hidrogen. Proses steam reforming melibatkan reaksi metana (atau gas alam) dengan kukus pada suhu tinggi. Ada 2 reaksi utama yang terjadi pada proses steam reforming. Yang pertama, reaksi reforming yang merupakan reaksi sangat endotermis yang terjadi pada suhu tinggi menggunakan katalisator. Reaksi kedua adalah shift reaction, merupakan reaksi eksotermis yang bertujuan untuk mengontrol kuantitas produk yang diinginkan. Kemudian dilanjutkan dengan proses penghilangan CO2 dan pemurnian hidrogen. Teknologi berikutnya adalah elektrolisis air (H2O). Secara prinsip teknologi ini melibat arus listrik yang digunakan untuk memecah molekul air menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Berikut adalah gambaran secara lengkap.

2.3.1

Elektrolisis Dalam sel elektrolisis, energi listrik dapat mengubah energi kimia dalam

bentuk reaksi redoks. Energi listrik tersebut berasal dari sumber tegangan searah, agar muatan dalam kutub-kutubnya tetap sehingga elektrolisis dapat berlangsung sesuai dengan yang diharapkan. Pada proses elektrolisis, jika sumber arus dialirkan maka pada lintasan luar dari sel elektrolisis tersebut akan terjadi pergerakan aliran elektron dari kutub positif (anoda) yang dihubungkan menuju kutub negatif (katoda). Sedang di dalam larutan elektrolit akan terjadi pergerakan ion-ion negatif menuju anoda dan pergerakan ion-ion positif menuju katoda. Beda potensial listrik antara kedua titik pada penghantar menyebabkan adanya perpindahan muatan dari titik satu ke titik lainnya.


11

Proses elektrolisis, dilakukan penghubungan antara dua elektroda (khusus terbuat dari logam-logam inert, antara lain platinum atau stainless steel) yang dicelupkan ke dalam air. Dalam sebuah sel yang dirancang dengan tepat. Hidrogen dapat dihasilkan pada katoda (elektroda yang bermuatan negatif), dan oksigen pada anoda (elektroda positif). Dengan asumsi, bahwa jumlah hidrogen yang dihasilkan sebanyak dua kali jumlah mol oksigen, sesuai dengan energi listrik yang dialirkan. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut : Anoda (oksidasi) : 2H 2Ol   O2 g   4H + aq   4e

E o  1, 23V

(2.1)

Katoda (reduksi):2H + aq   2e  H 2 g 

Eo  0 V

(2.2)

Reaksi di atas dilakukan pada kondisi ruang (suhu 25 oC dan tekanan 1 atm). Kedua reaksi di atas dapat digabungkan menjadi: 2H2Ol   O2 g   2H2 g 

Eo  1, 23 V; H = 285,83kJ/mol

(2.3)

Gambar 2.1. Elektrolisis H2O (Chemistry Ninth Edition)

Besarnya energi bebas standar, entalpi, dan entropy masing-masing adalah ΔG = 1,23 V, ΔH = 285,83 kJ/mol, dan ΔS = 70,08 J/kmol. Energi bebas sebesar 1,23 V merupakan tegangan bolak balik yang menyatakan tegangan minimal yang diperlukan untuk dapat berlangsungnya reaksi. Total energi (ΔH) yang diperlukan agar reaksi dapat berlangsung dapat dipasok dengan energi listrik, energi panas,


12

atau gabungan keduanya. Menurut termodinamika, ΔH bisa diperoleh dengan rumus: ΔG = ΔH – TΔS

(2.4)

Richard (2004) menyatakan bahwa ΔG dan TΔS untuk elektrolisis merupakan fungsi suhu. Pada suhu semakin tinggi, ΔG (yang disuplai dengan energi listrik) semakin berkurang sedangkan TΔS (yang disuplai dengan energi termal) semakin bertambah. Sementara itu peningkatan densitas arus akan meningkatkan rugi-rugi tahanan listrik. Peningkatan densitas arus akan mengubah perimbangan energi masukan berupa energi kalor dan energi listrik. Michael Faraday disamping mengembangkan metode elektrolisis, juga menerangkan hubungan kuantitatif antara jumlah arus listrik yang dilewatkan pada sel elektrolisis dengan jumlah zat yang dihasilkan pada elektroda. Ia merangkumkan hasil pengamatannya dalam dua hukum di tahun 1833.

Hukum kesatu Faraday  Jumlah zat yang dihasilkan elektroda sebanding dengan jumlah arus listrik yang mengalir pada sel elektrolisis.  Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektroda adalah konstan tidak bergantung jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96485 C (Coulomb) tidak bergantung pada jenis logamnya (Chemistry Ninth Edition).

Hukum kedua Faraday Jumlah zat-zat yang diendapkan pada masing-masing elektroda oleh sejumlah arus listrik yang sama banyaknya akan sebanding dengan berat ekuivalen masing-masing zat tersebut. Arus listrik satu Faraday (1F) didefinisikan sebagai jumlah arus listrik yang terdiri dari 1 mol electron (Chemistry Ninth Edition).


13

Untuk menghitung jumlah zat-zat yang terbentuk di katoda dan anoda, hukung Faraday dirumuskan sebagai berikut: W=e.F

(2.5)

Keterangan : - W = Massa zat hasil elektrolisis (gram) - e = Berat ekuivalen hasil elektrolisis - F = Jumlah arus listrik (Faraday) 1 F = 96500 C 1 C = 1 A.s C (Coulomb) adalah satuan muatan listrik, dan 1 C adalah muatan yang dihasilkan bila arus 1 A (Ampere) mengalir selama 1 s. Tetapan fundamental listrik adalah konstanta Faraday F, 9,65 x104 C, yang didefinisikan sebagai kuantitas listrik yang dibawa oleh 1 mol elektron. Bilangan ini dimungkinkan untuk menghitung kuantitas mol perubahan kimia yang disebabkan oleh aliran arus listrik yang tetap mengalir untuk rentang waktu tertentu. Maka rumus di atas dapat dijabarkan menjadi: W = e . I . t / 96500

(2.6)

Keterangan : - I = Kuat arus (amper) - t = Waktu elektrolisis (detik)

Berdasarkan hukum kedua Faraday diperoleh persamaan: wkatoda/wanoda = ekatoda/eanoda

(2.7)

Seiring dengan kemajuan teknologi generator hidrogen dari elektrolisis air. Terdapat banyak metode baru yang lebih modern, dalam meningkatkan produktivitas dan efisiensi sumber daya (catu daya). Berikut adalah metode– metode elektrolisis.


14

2.3.1.1 Hidrogen generator menggunakan sumber daya ultra-sort-pulse Sumber daya ultra-sort-pulse, terdiri dari static induction thyristor (SIThy) dan rangkaian khusus yang disebut sirkuit inductive energy storage (IES). Hal ini menunjukan bahwa dengan menggunakan ultra-sort-pulse dengan lebar 300 ns, elektrolisis berlangsung dengan mekanisme yang didominasi oleh transfer elektron, berbeda dengan proses elektrolisis DC. SIThys adalah perangkat static induction dengan struktur khusus untuk generasi pulse daya tinggi dan IES sirkuit dengan skala kecil berdasarkan penyimpanan induksi untuk menggunakan SIThys. SIThys telah dikembangkan penggunaannya sebagai sumber daya elektrolisis air dan menemukan bahwa elektrolisis yang terjadi memiliki mekanisme yang berbeda dengan elektrolisis konvensional (arus DC). Ketika menggunakan tegangan ultra-sort-pulse kurang dari beberapa micro detik yang diaplikasikan sebagai hydrogen generator, mengalirkan tegangan yang lebih cepat dan stabil (Naohiro Shimizu, 2006). Dengan sumber daya ultra-sort-pulse dapat menghasilkan gas hidrogen hanya dalam waktu 300 ns (nano seconds), dan juga daya dapat ditingkatkan tanpa mengurangi efisiensi elektrolisis. Metode tersebut berbeda dengan elektrolisis konvensional

DC,

kecepatan

pembentukan

gas

hidrogen

pertama

kali

membutuhkan waktu yang cukup lama dan semakin tinggi daya yang diberikan, tidak berbanding lurus dengan nilai efisiensi (Naohiro Shimizu, 2006).

2.3.1.2 Elektrolisis plasma Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi bidang plasma pijaran elektrolisis berkembang dengan cepat. Plasma pijaran elektrolisis merupakan proses elektrokimia dimana

plasma dihasilkan oleh arus DC antara elektroda dan

permukaan elektrolit sekitarnya. Elektrolisis konvensional dikembangkan menjadi plasma pijaran elektrolisis, ketika tegangan yang diberikan cukup tinggi dalam larutan. Skema alat yang telah dikembangkan di laboratotium intensifikasi produk departemen teknik kimia Universitas Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2.3.


15

Gambar 2.2. Skema alat elektrolisis plasma (Universitas Indonesia, 2010)

Hasil yang diperoleh dari elektrolisis ini adalah pijaran cahaya di elektroda, gas hidrogen pada katoda dan gas oksigen pada anoda. Produktivitas hidrogen yang dihasilkan jauh lebih besar dibanding proses elektrolisis konvensional. Mizuno (2003) dengan menggunakan air murni sebagai bahan baku pada suhu 80 oC dan tegangan 230 V, mendapatkan efisiensi penggunaan energi listrik hingga 800 % dibanding kebutuhan energi listrik menurut hukum Faraday. Kondisi operasi seperti suhu larutan, tegangan dan kuat arus listrik akan sangat menentukan tingkat efektivitas proses ini.

2.3.1.3 Produksi hidrogen dengan fermentasi Produksi hydrogen dengan cara fermentasi adalah konversi fermentasi substrat organik menjadi biohidrogen, yang dilakukan oleh banyak kelompok bakteri menggunakan sistem multi enzim yang melibatkan tiga langkah yang serupa dengan konversi anaerobik. Reaksi fermentasi gelap (Dark fermentation) tidak memerlukan energi cahaya, sehingga mereka mampu terus menghasilkan hidrogen dari senyawa organik sepanjang hari dan malam. Photofermentation berbeda dari fermentasi gelap karena proses hanya berjalan bila terdapat cahaya. Sebagai contoh, foto-fermentasi dengan rhodobacter sphaeroides SH2C dapat digunakan untuk mengkonversi asam lemak molekul kecil menjadi hidrogen (Yongzhein Tao, el al, 2007). Universitas Indonesia Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

16

Gambar 2.3. Mekanisme hydrogen rhodobakter (Yongzhein Tao, el al, 2007)

Biohidrogen dapat diproduksi dalam bioreaktor yang menggunakan bahan baku, paling umum adalah limbah. Proses ini melibatkan bakteri yang memakan hidrokarbon dan menghasilkan hidrogen dan CO2. CO2 dapat dipisahkan dengan beberapa metode, meninggalkan gas hidrogen. Sebuah prototipe bioreaktor hidrogen menggunakan limbah sebagai bahan baku terdapat pada pabrik jus anggur Welch di Timur Laut, Pennsylvania (AS).

2.4

Pembakaran Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan

yang dapat terbakar (bahan bakar), disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan kalor. Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi perlahan-lahan sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan, akan tetapi dipakai untuk menaikkan suhu bahan secara perlahan sampai mencapai temperatur nyala. Pembakaran sempurna adalah pembakaran dimana semua konstituen yang dapat terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2 dan air (= H2O), sehingga tak ada lagi bahan bakar yang tersisa. Berikut contoh reaksi pembakaran propana.


17

Gambar 2.4. Reaksi pembakaran propana

Udara tidak hanya terdiri dari oksigen (O2) saja tetapi juga terdapat unsur lain yaitu nitrogen (N2) sebesar 79% dari volume udara. Sedangkan oksigen hanya sebesar 21%, sehingga persamaan reaksi menjadi: C3H8 + 5 ( O2 + 3.76 N2)  3 CO2 + 4 H2O + 18.8 N2

(2.8)

Pembakaran di atas dikatakan sempurna apabila reaktan (propane) habis terbakar membentuk karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O). Hal tesebut dapat terjadi bila campuran bahan bakar dan oksigen (dari udara) mempunyai perbandingan yang tepat, sehingga tidak diperoleh sisa. Bila oksigen terlalu banyak, dikatakan campuran “lean” (miskin). Pembakaran ini menghasilkan api oksidasi. Sebaliknya, bila bahan bakarnya terlalu banyak (atau tidak cukup oksigen), dikatakan campuran “rich” (kaya). Pembakaran ini menghasilkan api reduksi dan produknya bukan lagi hanya CO2 dan H2O tetapi juga carbon monoksida (CO) bahan bakar yang tidak terbakar. Api reduksi ditandai oleh lidah api panjang, kadang-kadang sampai terlihat berasap. Keadaan ini disebut pembakaran tidak sempurna. Pada umumnya dipakai kelebihan udara. Keuntungannya adalah tidak terjadi pemborosan bahan bakar. Sedangkan kerugiannya adalah mengurangi panas hasil pembakaran. Untuk ini dijaga ada kelebihan udara, tetapi tidak terlalu banyak (antara 5 - 15%). Pembakaran yang berlangsung sempurna, ditunjukan dengan susunan gas asap yang hanya terdiri dari: CO2, H2O, SO2, N2 dari udara dan kelebihan gas O2.


18

Pembakaran tidak sempurna, maka disamping gas-gas tersebut di atas, terjadi pula gas CO serta sisa bahan bakar yang tidak terbakar. Besarnya kadar gas CO 2 dalam gas asap merupakan indikator sempurna atau tidak sempurnanya pembakaran.

2.4.1 Perbandingan Udara - Bahan Bakar Untuk memperoleh reaksi pembakaran yang baik diperlukan: 1. Perbandingan tertentu antara bahan bakar dengan udara. Pada proses pembakaran, untuk menghasilkan kesempurnaan pembakaran terdapat perbandingan tertentu untuk setiap jenis bahan bakar. Ditunjukan pada tabel berikut: Tabel 2.6.

(sumber: www.energyefficiencyasia.org)

Berdasarkan tabel di atas maka untuk membakar sempurna propane membutuhkan 5 ft3 oksigen atau 23.9 ft3 udara dalam 1 ft3 bahan bakar (propana).

2. Pencampuran yang baik antara bahan bakar dengan udara. Campuran yang baik adalah campuran yang homogen antara tiap partikel bahan bakar harus kontak langsung dengan partikel udara. Pada umumnya bahan bakar telah berubah menjadi uap (combustible vapor) sebelum terbakar. Untuk mempercepat terjadinya “combustible vapor” diperlukan proses pengabutan. Butiran-butiran kabut tersebut luas permukaannya menjadi sangat besar, hingga mempercepat penguapan. Untuk bahan bakar padat, tentunya tidak dapat Universitas Indonesia Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

19

dilakukan pengabutan. Untuk mendekati bentuk kabut tersebut diperlukan pemecahan/penghalusan butirannya dalam “pulverizer” dan sprayer.

2.4.2

Neraca Bahan Bakar dan Neraca Kalor Berat massa bahan yang masuk ruang pembakaran = berat massa bahan

yang keluar.

Gambar 2.5. Neraca massa bahan bakar (www.energyefficiencyasia.org)

2.4.3

Bahan Bakar Terdapat bermacam-macam jenis bahan bakar yang digunakan, antara lain

bahan bakar padat, cair dan gas. Bahan bakar padat sering dijumpai pada motor penggerak lokomotif yaitu batu bara sedangkan bahan bakar gas digunakan dalam aktifitas rumah tangga yaitu LPG (gas propane). Berdasarkan batasan masalah digunakan motor bakar berbahan bakar cair yang merupakan fraksi dari minyak bumi, yaitu bensin (gasoline) dan solar (bahan bakar diesel).

a.

Bensin atau Gasolin Gasolin dibuat menurut kebutuhan mesin, seperti avgas (aviation gasoline),

premium dan gasolin biasa, terdiri dari C4 sampai C12. Sifat yang terpenting pada gasolin adalah “angka oktana”. Angka oktana adalah angka yang menyatakan besarnya kadar isooktana dalam campurannya dengan normal heptana. Isooktana mempunyai angka oktana = 100, sedang normal heptana mempunyai angka oktana = 0. Makin tinggi angka oktana gasolin semakin baik unjuk kerjanya (www.energyefficiencyasia.org).


20

Tabel 2.7. Spesifikasi premium

(Sumber: http://www.pertamina.com)

b.

Solar atau Bahan Bakar Diesel Bahan bakar diesel atau minyak diesel dipakai untuk mengoperasikan mesin

diesel atau “compression ignition engine”. Mempunyai komposisi yang terdiri dari 2 elemen pokok, yaitu normal cetana (C16H34) dan α-methyl naphtalena (C10h7CH3). Selain itu minyak diesel mengandung unsur-unsur yang sama dengan bensin, tetapi solar memiliki kadar sulfur yang lebih besar dari bensin (>1%). Mutu minyak diesel ditentukan oleh angka cetana, makin tinggi angka cetana, makin tinggi unjuk kerja yang diberikan oleh bahan bakar diesel. Angka cetana adalah besarnya kadar volume cetana dalam campurannya dengan metilnaphtalen. Cetan murni mempunyai angka cetana = 100, sedang aromatik mempunyai angka cetana = 0. Unjuk kerja adalah persentase rata-rata daya yang dapat diperoleh dari mesin dengan bahan bakar tertentu dibandingkan dengan daya yang diperoleh dari bahan bakar yang mempunyai angka cetana = 100


21

Tabel 2.8. Spesifikasi solar

(Sumber : Departemen Pertambangan dan Energi Dirjen Migas)

2.4.4

Karakteristik Bahan Bakar Karakteristik–karakteristik penting bahan bakar yang mempengaruhi unjuk

kerja dan kehandalan dari motor bakar adalah sebagai berikut :

Sulfur Kandungan sulfur dalam bahan bakar yang ikut terbakar akan menghasilkan gas (SOx) yang sangat korosif. Karosi yang disebabkan oleh gas sulfur sering ditemukan pada saluran gas buang dari mesin bakar.

Viskositas Adalah jumlah waktu dalam detik yang diperlukan oleh sejumlah bahan bakar melalui lubang dengan diameter tertentu. Viskositas yang terlalu rendah dapat mengurangi efektifitas bahan bakar sebagai pelumas, karena itu dapat


22

menyebabkan cepat ausnya komponen-komponen injeksi. Komponen yang aus dapat menyebabkan penurunan jumlah bahan bakar karena kebocoran dan perembesan dalam injektor. Sedangkan viskositas yang tinggi dapat mengurangi jumlah bahan bakar dalam sistem, sehubungan dengan tahanan aliran yang lebih tinggi. Viskositas dapat mempengaruhi pola penyemprotan sehingga mengubah waktu penyalaan.

Flash Point Adalah temperatur dimana suatu zat akan menguap dan akan memercikan cahaya dalam waktu yang sangat singkat. Sifat ini tidak mempengaruhi tidak mempengaruhi unjuk kerja mesin, tetapi sangat penting untuk keperluan penyimpanan.

Pour Point Adalah temperatur minimum dimana bahan bakar dapat mengalir melalui filter atau ditransfer melalui pompa bahan bakar ke pompa injeksi. Aliran bahan bakar akan terpengaruh bila temperatur ruang berada di bawah temperatur pour point.

Air, Endapan, dan Abu. Jika jumlah air melebihi spesifikasi, maka dapat menyebabkan korosi dan berakibat mempengaruhi seluruh bagian-bagian sistem injeksi bahan bakar, terutama injektor nozzle. Apabila endapan yang tertumpuk dalam sistem, dapat menyumbat filter sehingga menyebabkan komponen-komponen injeksi menjadi aus. Abu dapat menyebabkan ausnya komponen-komponen penginjeksi bahan bakar, torak, dan cincin-cincin torak.

2.5

Motor OTTO (Internal Combustion Engine) Motor otto (Suhirta, 2008) pertama kali diperkenalkan oleh Nicolaus August

Otto (1832-1891). Motor otto termaksud dalam motor pembakaran dalam (internal combustion engine), karena gas panas yang digunakan untuk melakukan kerja mekanis diperoleh dari proses pembakaran di dalam silinder mesin.


23

Motor pembakaran dalam adalah mesin kalor yang berfungsi untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia dalam bahan bakar terlebih dahulu diubah menjadi energi panas (thermal) melalui proses pembakaran. Energi panas yang dihasilkan dapat menaikan tekanan yang kemudian menggerakan mekanisme pada mesin seperti torang, batang torak, dan poros engkol. Berdasarkan metode penyalaan campuran bahan bakar dan udara, motor pembakaran dalam dapat diklasifikasikan menjadi spark ignition engine dan compression ignition engine. Spark ignition engine adalah motor dengan sistem pembakaran campuran bahan bakar dan udara membutuhkan bantuan bunga api yang berasal dari busi. Busi akan menyala saat campuran bahan bakar – udara mencapai rasio kompresi, temperatur, dan tekanan tertentu, sehingga dapat terjadi reaksi pembakaran yang mendorong torak bergerak bolak-balik. Dalam aplikasinya motor bakar spark ignition engine terdapat pada motor bakar bensin. Sedangkan compression ignition engine adalah motor yang penyalaan bahan bakarnya dilakukan dengan penyemprotan bahan bakar ke dalam udara yang telah bertekanan dan bertemperarur tinggi, sebagai akibat dari proses kompresi. Motor bakar dengan metode tersebut diaplikasikan dalam mesin diesel. Mesin ini bekerja dalam kompresi yang cukup tinggi, yaitu mencapai 1 : 18. Bandingkan dengan mesin bensin yang hanya mencapai 1 : 8. Sehingga mesin diesel menghasilkan tenaga yang jauh lebih besar dibandingkan mesin bensin. Dalam melakukan proses pembakaran, bagian-bagian motor seperti torak, batang torak, dan poros engkol akan melakukan gerakan berulang yang dinamakan siklus. Setiap siklus yang terjadi dalam mesin terdiri dari beberapa urutan langkah kerja. Berdasarkan siklus langkah kerjanya, motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi motor bakar 2 langkah dan motor bakar 4 langkah. berdasarkan batasan masalah, peralatan uji yang digunakan adalah motor bakar bensin dan diesel dengan sistem 4 langkah, yaitu motor yang memerlukan 2 kali putaran poros engkol untuk dapat melakukan sekali kerja dalam 4 langkahnya (isap, kompresi, kerja, buang).


24

2.5.1

Kerja Motor Bakar Bensin Piston bergerak naik turun di dalam silinder dalam gerakan reciprocating.

Titik tertinggi yang dicapai oleh piston tersebut disebut titik mati atas (TMA) dan titik terendah disebut titik mati bawah (TMB). Gerakan dari TMA ke TMB disebut langkah piston (stroke). Pada motor bakar 4 langkah mempunyai 4 langkah dalam satu gerakan yaitu langkah penghisapan, langkah kompresi, langkah kerja dan langkah pembuangan. Berikut adalah langkah-langkah proses kerja motor bakar bensin:

2.5.1.1

Langkah Hisap

Gambar 2.6. Langkah hisap motor bakar bensin (Sumber: Shell Canada gasoline_engine)

Pada gerak hisap, campuran udara - bensin dihisap ke dalam silinder. Bila jarum dilepas dari sebuah alat suntik dan plunyernya ditarik sedikit sambil menutup bagian ujung yang terbuka dengan jari (alat suntik akan rusak bila plunyer ditarik dengan tiba-tiba), dengan membebaskan jari akan menyebabkan udara masuk ke alat suntik ini dan akan terdengar suara letupan. Hal ini terjadi sebab tekanan di dalam lebih rendah dari tekanan udara luar. Hal yang sama juga terjadi di mesin, piston dalam gerakan turun dari TMA ke TMB menyebabkan kehampaan di dalam silinder, dengan demikian campuran udara bensin dihisap ke dalam. Selama langkah piston ini, katup hisap akan membuka dan katup buang menutup (Suyanto, 1989).


25

2.5.1.2

Langkah Kompresi

Gambar 2.7. Langkah kompresi motor bakar bensin (Sumber: Shell Canada gasoline_engine)

Dalam gerakan ini campuran udara bensin yang di dalam silinder dimampatkan oleh piston yang bergerak ke atas dari TMB ke TMA. Kedua katup hisap dan katup buang akan menutup selama gerakan tekanan dan suhu campuran udara bensin menjadi naik. Bila tekanan campuran udara bensin ini ditambah lagi, tekanan serta ledakan yang lebih besar lagi dari tenaga yang kuat ini akan mendorong piston ke bawah. Sekarang piston sudah melakukan dua gerakan atau satu putaran, dan poros engkol berputar satu putaran (New Step 1, 1996).

2.5.1.3 Langkah kerja

Gambar 2.8. Langkah kerja motor bakar bensin (Sumber: Shell Canada gasoline_engine)


26

Dalam gerakan ini, campuran udara bensin yang dihisap telah dibakar dan menyebabkan terbakar sehingga menghasilkan tenaga yang mendorong piston ke bawah meneruskan tenaga penggerak yang nyata. Selama gerak ini katup hisap dan katup buang masih tertutup. Piston telah melakukan tiga langkah dan poros engkol berputar satu setengah putaran (New Step 1, 1996).

2.5.1.4

Langkah buang

Gambar 2.9. Langkah buang motor bakar bensin (Sumber: Shell Canada gasoline_engine)

Dalam gerak ini, piston terdorong ke bawah, ke TMB dan naik kembali ke TMA untuk mendorong gas-gas yang telah terbakar dari silinder. Selama gerak ini kerja katup buang saja yang terbuka (New Step 1, 1996). Menurut Suyanto (1989), bila piston mencapai TMA sesudah melakukan pekerjaan seperti di atas, piston akan kembali pada keadaan untuk memulai gerak hisap. Sekarang motor telah melakukan 4 gerakan penuh, hisap-kompresi-kerja-buang. Poros engkol berputar 2 putaran, dan telah menghasilkan satu tenaga . Siklus kerja mesin bakar (motor otto) berhubungan erat dengan diagram P-V dan diagram T-S (Heywood, 1998). Diagram ini berguna untuk melakukan analisa terhadap karakteristik internal motor otto, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.


27

Gambar 2.10. Diagram P-V dan T-S motor Otto ideal 4 langkah

Proses 1-2, kerja kompresi isentropik (Mc. Graw Hill, 1998): dan

(2.9)

Proses 2-3, pemasukan kalor pada volume konstan (Mc. Graw Hill, 1998): (2.10) Q23  Qin  m f QHV  c atau sama dengan  mm cv (T3  T2 )  (ma  m f )cv (T3  T2 )

q 23  cv (T3  T2 )


28

Proses 3-4, kerja ekspansi isentropic yang dihasilkan (Mc. Graw Hill, 1998): dan

(2.11)

Proses 4-1, pengeluaran gas buang pada volume konstan (Mc. Graw Hill, 1998): dan

(2.13)

Dari perhitungan di atas maka diperoleh : (2.14) Besarnya efisiensi termal : (2.15)

2.5.2

Sekilas Kerja Motor Bakar Diesel Pada prinsipnya kerja mesin diesel memiliki empat langkah piston (4-stroke

atau di pasaran dikenal dengan 4-tak) seperti halnya mesin bensin. Yaitu udara masuk ke dalam silinder melalui saluran hisap atau katup hisap (intake manifold), lalu dikompresikan oleh piston (combustion ignition). Pada waktu yang sama bahan bakar dari tangki dialirkan ke dalam pompa injeksi dan dimampatkan sampai 80-500 kg/cm2. Kemudian disemprotkan melalui nozzle dan posisi piston pada 150-320 sebelum TMA. Bila rasio kompresi diastara 15 sampai 22, maka tekanan udara yang dikompresikan mencapai 26-40 kg/cm2 dan temperatur mencapai 500-700 0C. Selanjutnya bahan bakar yang disemprotkan berada pada kondisi “dapat terbakar sendiri”, sehingga mengakibatkan terjadinya penyalaan dalam ruang bakar dan menghasilkan ledakan yang akan mendorong piston. Gerak translasi piston yang dihasilkan oleh ledakan tadi adalah sebuah usaha/ gaya yang akan diteruskan ke poros engkol untuk dirubah menjadi gerak rotasi. Gerak rotasi poros engkol yang terhubung dengan fly wheel mengakibatkan piston terdorong


29

kembali untuk menekan gas sisa pembakaran ke luar silinder melalui saluran buang (exhaust manifold).

Gambar 2.11. Skema kerja motor besar diesel 4 langkah (Universitas Negeri Yogyakarta, 2003)

Bahan bakar yang disemprotkan tadi berbentuk partikel-partikel yang terdiri dari berbagai ukuran, dan masing-masing partikel mempunyai temperatur yang berbeda-beda tergantung dari tempat dimana partikel itu berada. Dengan demikian pembakaran dimulai dari tempat dimana kondisi campuran dan temperaturnya sudah memenuhi syarat (Universitas Negeri Yogyakarta, 2003). Jika proses pembakaran menjadi sangat lambat, atau pada saat itu terjadi proses penguapan terlalu cepat, maka sejumlah bahan bakar akan segera menyala dan dalam periode kedua akan terjadi penyebaran api secara berlebihan. Hal ini akan menghasilkan kenaikan tekanan yang terlalu cepat dan mengakibatkan kebisingan dan getaran. Peristiwa berikut dikenal sebagai detonasi pada motor diesel. Untuk mengatasi detonasi diusahakan agar tidak terjadi kenaikan temperatur yang mendadak dengan membuat campuran yang dapat terbakar pada


30

temperatur rendah. Hal ini dilakukan dengan cara memperpendek masa pengapian atau mengurangi jumlah bahan bakar yang disemprotkan pada masa pengapian.

2.6

Emisi Gas Buang Emisi gas buang adalah polutan yang mengotori udara yang dihasilkan oleh

gas buang kendaraan bermotor (Suyanto, 1989 ; 280). Polutan yang lazim terdapat pada gas buang yaitu carbonmonoksida (CO), hydrocarbon (HC), dan nitrogen oksida (NO ) serta partikel – partikel lainnya. x

2.6.1

CO (Carbon Monoksida) CO adalah gas yang tidak berbau, tidak berasa, dan sukar larut dalam air.

Gas CO dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar yang terjadi akibat kekurangan oksigen atau udara dari jumlah yang diperlukan. Gas CO ini bersifat racun bagi tubuh karena bila masuk ke dalam darah, CO dapat bereaksi dengan Hemoglobin (Hb) untuk membentuk karboksihemoglobin (COHb). Bila reaksi tersebut terjadi, maka kemampuan darah mengangkut O untuk kepentingan 2

pembakaran dalam tubuh akan menjadi berkurang. Hal ini disebabkan kemampuan Hb untuk mengikat CO jauh lebih besar dibandingkan kemampuan Hb untuk mengikat O . Persentase CO sebanyak 0,3 % sudah merupakan racun 2

yang sangat berbahaya karena apabila terhirup selama setengah jam secara terus menerus dapat mengakibatkan kematian. Selain itu kandungan COHb dalam darah dapat mengakibatkan terganggunya sistem urat syaraf dan fungsi tubuh pada konsentrasi rendah (2 – 10 %) antara lain : penampilan agak tidak normal, mempengaruhi sistem syaraf sentral, reaksi panca indera tidak normal, benda kelihatan agak kabur, perubahan fungsi jantung dan pulmonari. Jika terdapat konsentrasi tinggi COHb dalam darah (> 10 %) dapat mengakibatkan kematian. Pengaruh konsentrasi gas CO di udara sampai dengan 100 ppm terhadap tanaman hampir tidak ada, khususnya pada tanaman tingkat tinggi. Bila konsentrasi gas CO di udara mencapai 2000 ppm dan waktu kontak lebih dari 24 jam, akan mempengaruhi fiksasi nitrogen oleh bakteri bebas yang ada pada lingkungan terutama yang terdapat pada akar tanaman. Besarnya emisi gas CO untuk mesin bensin yang menggunakan karburator berkisar antara 1,5% – 3,5% dan untuk Universitas Indonesia Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

31

mesin yang menggunakan EFI (Electronic Fuel Injection) berkisar antara 0,5% 1,5%. Keputusan

Menteri

Negara

Lingkungan

Hidup

Nomor:

KEP-

35/MENLH/10/1993 yang diperbaharui dengan PERATURAN MENTERI LINGKUNGAN HIDUP NO. 05 TAHUN 2006 menyatakan nilai ambang batas kandungan CO gas buang pada kendaraan bermotor selain sepeda motor dengan bahan bakar premium ditentukan maksimal 4,5 %, Sedangkan untuk wilayah Propinsi Jawa Tengah sebesar 4,2 %. Tabel 2.9. Nilai ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor

(Sumber: Hariyono, 2007)

Gas ini akan dihasilkan bila karbon yang terdapat dalam bensin terbakar tidak sempurna karena kekurangan oksigen. Hal ini terjadi apabila campuran udara dan bahan bakar lebih gemuk dari campuran stoichiometric, dan dapat terjadi selama idling, pada beban rendah dan output maksimum (Soenarta 1995; 34-35).

2.6.2

HC (Hydrocarbon) HC adalah gas yang merupakan ikatan unsur dari karbon dan hidrogen.

Sumber penghasil utama gas HC pada kendaraan bermotor adalah uap bahan


32

bakar yang belum terbakar sempurna dan hidrokarbon yang hanya bereaksi sedikit dengan oksigen yang ikut keluar bersama dengan gas buang. Jika campuran udara bahan bakar tidak terbakar sempurna didekat dinding silinder dimana apinya lemah dan suhunya rendah. Hidrokarbon dapat keluar tidak hanya kalau campuran udara bahan bakarnya gemuk, tetapi bisa saja kalau campurannya kurus seperti grafik di atas. Kepekatan gas buang yang sangat tinggi dapat merusak sistem pernapasan manusia (Soenarta, 1995; 346).

2.6.3

NO (Nitrogen Oksida) x

NO adalah emisi yang dihasilkan oleh pembakaran yang terjadi pada x

temperatur tinggi. NO akan bertambah pada motor dengan perbandingan x

kompresi tinggi dan campuran bahan bakar dengan udara yang kurus. NO dapat x

menyebabkan kerusakan pada paru-paru (Suyanto, 1989 ; 346).

2.6.4

Pb (timah hitam) Timah hitam yang terkandung dalam bensin berfungsi sebagai bahan anti

knocking. Senyawa timah hitam dalam bensin dinamakan TEL (Tetra Etil Lead). Kandungan timah hitam dalam tubuh tidak dapat dinetralisir dalam darah dan dapat mengakibatkan kanker (Suyanto, 1989 ; 136).


BAB III METODE PENELITIAN

Pada bab ini akan membahas berbagai hal yang berhubungan dengan rancangan penelitian yang akan dilakukan, alat dan bahan yang dibutuhkan, dan prosedur kerja yang dilakukan pada penelitian ini. Penelitian ini dilakukan di Lab Teknologi Intesifikasi Proses – DTK FTUI. Secara garis besar, penelitian ini akan membandingkan kinerja motor bakar berbahan bakar bensin (gasolin) dalam kondisi standar tanpa pencampuran gas hidrogen (hasil elektrolisis air), dan dengan kondisi setelah adanya pencampuran gas hidrogen.

3.1

Rancangan Penelitian Diagram alir penelitian secara umum adalah sebagai berikut :

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian

33



34

3.2

Alat Uji dan Bahan

3.2.1 Alat Uji Peralatan uji yang digunakan antara lain : 

Alat elektrolisis



Tranformator Daya



Stabilizer



Gas Chromatograph (GC)



CO analyzer



Motor Bakar Bensin 4 tak (genset) 1000 watt

3.2.2 Bahan Bahan – bahan yang digunakan antara lain : 

Air (H2O), sebagai bahan yang akan di-elektrolisis untuk menghasilkan hidrogen

3.3



Bensin (premium), sebagai bahan bakar motor bensin



Larutan KOH 1M dan NaOH 1 M

Perancangan Alat Perancangan alat meliputi, perancangan generator hidrogen, pengukuran

produk hidrogen, dan skema alat uji kendaraan bermotor.

3.3.1 Generator Hidrogen Alat elektrolisis disusun dengan rangkaian katoda dan anoda yang sedemikian rupa sehingga memiliki luas area kontak yang maksimum. Baik bejana maupun elektroda (anoda dan katoda) dari alat elektrolisis dibuat dari bahan

steinless

steel

304.

Rancangan

katoda,

anoda,

serta

susunan

pemasangannya dapat dilihat pada Gambar 3.2, 3.3, dan 3.4.


35

Gambar 3.2. Rancangan katoda (satuan dalam cm)

Gambar 3.3. Rancangan anoda (satuan dalam cm)


36

Gambar 3.4. Susunan elektroda pada alat elektrolisis (satuan dalam cm)

Berdasarkan gambar di atas, luas kontak elektroda diperoleh sebesar 174 cm2. Secara teoritis, semakin besar luas kontak maka semakin besar juga gas hidrogen yang dihasilkan. Sehingga gas tersebut dapat berpengaruh dalam pembakaran pada motor bakar bensin. Sama halnya seperti elektroda, bejana (alat) elektrolisis juga terbuat dari steinless stell. Rancangan alat dapat dilihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Rancang alat elektrolisis (satuan dalam cm)


37

Alat elektrolisis hanya dapat dialirkan arus searah (DC) maka dibutuhkan transformator daya. Alat tersebut bukan hanya sebagai penyearah arus tetapi juga dapat mengatur tegangan yang diberikan ke alat elektrolisis. Transformator daya juga dilengkapi dengan indikator tegangan dan arus. sehingga pengamatan dapat dilihat langsung pada alat tersebut.

3.3.2 Peralatan Pengukuran Produk Hidrogen Pengukuran produk hidrogen meliputi laju alir dan konsentrasi. Laju alir produksi hidrogen diukur dengan bubble soap (Gambar 3.6), sedangkan untuk konsentrasi hidrogen menggunakan gas chromatography (Gambar 3.7), perkalian keduanya akan mendapatkan laju alir hidrogen murni.

Gas Inlet

Gambar 3.6. Bubble soap

Gambar 3.7. Gas Chromatograph

Dalam

pengukuran konsentrasi

gas hidrogen menggunakan GC,

diperlukan alat bantu lain yang berfungsi sebagai, penampung gas hasil sampling


38

(gas sampling) seperti yang terlihat pada Gambar 3.8. Alat ini diperlukan karena analisis kandungan hidrogen tidak dilakukan secara inline langsung ke alat GC. Beberapa hal yang perlu dipersiapkan sebelum menampung gas, yaitu gas sampling tidak bocor (terutama bagian yang akan disuntik oleh shring), dan melakukan vacum terlebih dahulu, agar gas hasil sampling tidak terdapat pengotor. Alat bantu lainnya adalah alat suntik (khusus untuk GC) digunakan untuk mengambil gas yang akan diukur kemudian di injeksikan ke injektor pada alat GC (Gambar 3.9).

Gambar 3.8. Gas sampling

Gambar 3.9. Alat suntik GC

3.3.3 Skema Mesin 4 Langkah Pengoperasian pengujian motor bakar 4 langkah berbahan bakar bensin dengan bahan bakar bercampur gas hidrogen hasil elektrolisis. Dalam pelaksanaan pengujian yang pertama dilakukan adalah dengan mengoperasikan mesin bakar dengan bahan bakar murni. Kebutuhan bahan bakar pada motor bakar dihisap dari


39

penampung yang difasilitaskan pengukuran volume isi, hal ini, dapat memudahkan pengamatan. Pengujian ini bermaksud untuk mendapatkan data pembanding. Skema alat uji sebagai berikut : Gelas Ukur Bahan Bakar Airbox Filter

Udara

Spark Ignition

Masuk

Intake

Masuk

Exhoust

Karburator

Ruang bakar

Sumber Listrik

Hasil Kerja Mekanis

Gambar 3.10. Skema motor bakar bensin (genset)

Pada pengujian berikutnya yaitu pengujian motor bakar dengan bahan bakar bensin dicampur dengan gas hidrogen hasil elektrolisis. Proses pemasukan gas hidrogen ke dalam ruang bakar dilakukan melalui box filter yang terletak sebelum komponen karburator, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11. Gelas Ukur Bahan Bakar

Airbox Filter

Udara

Masuk

Spark Ignition Intake

Masuk

Exhoust

Karburator

Ruang bakar

Alat

Sumber Listrik

Transformator

Hasil Kerja Mekanis

Stabilizer

Gambar 3.11. Skema penambahan gas hidrogen pada motor bakar bensin (genset)


40

Flowmeter Bahan Bakar

Gambar 3.12. Skema instalasi generator hidrogen pada motor bakar bensin (genset)

3.4

Preparasi Bahan Preparasi larutan KOH dan NaOH sebagai larutan elektrolit :



Membuat larutan KOH 1 M dengan melarutkan 28 gram KOH padatan kemudian dilarutkan dalam labu ukur 500 mL dengan aquades.



Membuat larutan NaOH 1 M dengan melarutkan 8 gram KOH padatan kemudian dilarutkan dalam labu ukur 200 mL dengan aquades.



Membuat larutan KOH dan NaOH pada konsentrasi 0,01 M, 0,015 M, 0,02 M, disiapkan sebanyak masing – masing 1000 mL, yaitu dengan mengencerkan larutan KOH dan NaOH (1 M) sebanyak 10 mL, 15 mL, 20 mL dengan aquades.

Penambahan larutan elektrolit bertujuan untuk meningkatkan konduktifitas larutan.

3.5

Uji Pendahuluan Peralatan Sistem Produksi Hidrogen Sebelum memulai pengambilan data penelitian, terlebih dahulu dilakukan

uji kebocoran pada peralatan sistem produksi hidrogen dengan menggunakan air sabun. Caranya dengan mengalirkan udara dari kompresor kedalam ke sistem, kemudian meneteskan air sabung ke area yang berpotensi mengalami kebocoran.


41

Pengujian juga dilakukan pada penyambungan rangkaian sistem hidrogen dengan motor bakar 4 langkah.

3.6

Prosedur Penelitian Pada penelitian ini, prosedur pengujian terbagi menjadi dua bagian. Pertama

adalah pengujian produktifitas sistem produksi hidrogen (hidrogen generator), dan yang kedua adalah menguji kinerja motor bakar (kendaraan bermotor bensin) setelah adanya pencampuran hidrogen.

3.6.1 Pengujian Produktifitas Hidrogen Generator Pada pengujian ini dilakukan 3 bagian secara bergantian. Pertama adalah pengujian konsentrasi larutan elektrolit mana yang memiliki daya yang optimum dalam menghasikan gas. Kemudian setelah diperoleh konsentrasi yang tepat, maka amati laju gas yang dihasilkan terhadap peningkatan arus listrik pada tegangan konstan (10 volt). Terakhir adalah menentukan kandungan hidrogen yang dihasilkan dari alat. Berikut prosedur pengujian yang akan dilakukan. a. Menentukan larutan elektrolit yang optimum: 1. Memasukkan larutan elektrolit KOH 0,01 M ke dalam alat alektrolisis 2. Menyalakan transformator kemudian sambungkan gas outlet ke bubble soap. 3. Mencatat laju gas yang dihasilkan pada tegangan minimun, dan catat pula arus yang terbaca pada indikator. 4. Meningkatkan tegangan secara gradual, kemudian baca kembali arus dan catat laju gas yang diperoleh. Lakukan hal tersebut sampai minimal tiga data. 5. Bersihkan alat dari larutas sebelumnya. 6. Memasukkan larutan KOH 0,015 M, kemudian lakukan prosedur no. 2 – 4. Lakukan hal yang sama juga untuk KOH 0,02 M. 7. Lakukan prosedur no. 1 – 5 untuk larutan NaOH 0,01 M, 0,015 M, 0,02 M.


42

b. Mencari laju gas yang terbentuk terhadap peningkatan arus listrik (tegangan konstan): 1. Setelah alat bersih dari larutan sebelumnya, masukkan kembali larutan elektrolit dengan konsentrasi sesuai hasil prosedur a. 2. Menyalakan transformator, kemudian set pada tegangan konstan yaitu 10 volt. 3. Amati laju gas yang terbentuk dan kenaikan arus yang terjadi setiap penambahan waktu 10 menit, kemudian catat. 4. Lakukan prosedur no 3 sampai selama 1 jam. 5. Lakukan pengambilan sampel gas, dengan alat yag disediakan selama setiap 20 menit. 6. Mengukur sampel gas dengan GC. 7. Setelah alat bekerja selama 1 jam, matikan transformator kemudian bersihkan alat. 8. Mengisi kembali alat dengan larutan variasi lainnya, kemudian lakukan prosedur no. 1 – 7. Pengukuran komposisi hidrogen di dalam gas produk elektrolisis dengan GC menghasilkan data yang tidak akurat sebesar 80%. Sehingga perlu dilakukan pembuatan deret komposisi sebenarnya terhadap pembacaan pada instrumen GC. Berikut prosedurnya: 1. Menyiapkan gas sampling sebanyak 2 unit. 2. Mengisi gas sampling dengan hidrogen murni yang telah disediakan oleh laboratorium dan oksigen murni pada wadah yang lain. 3. Injector gc yang disediakan memiliki kapasitas 1 mL, ambil gas hidrogen sebanyak 0,5 mL kemudian dengan injector yang sama ambil juga oksigen sebanyak 0,5 mL (untuk mendapatkan deret 50:50) kemudian diinjeksikan ke GC lelu amati pembacaan pada recorder. Lakukan minimal sebanyak 2 kali injeksi. 4. Hidrogen 0,6 mL dan oksigen 0,4 mL (untuk deret 60:40) 5. Hidrogen 0,7 mL dan oksigen 0,3 mL (untuk deret 70:30) 6. Hidrogen 0,8 mL dan oksigen 0,2 mL (untuk deret 80:20) 7. Hidrogen 0,9 mL dan oksigen 0,1 mL (untuk deret 90:10)


43

8. Analisis record yang diperoleh.

3.6.2 Pengujian Kinerja Kendaraan Bermotor Pada pengujian ini dilakukan dalam 2 kategori, yaitu: 1. Pengujian konsumsi bahan bakar 2. Pengujian emisifitas yang dihasilkan dari gas buang hasil pembakaran motor bakar bensin Pada setiap kategori di atas terdapat 2 tahap pengujian, yaitu dengan penambahan hidrogen dan tanpa penambahan. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data pembanding sebelum dan sesudah penambahan hidrogen. Berikut prosedur pengujian yang dilakukan. 1.

Lakukan pemanasan pada genset sampai minimal 10 – 15 menit.

2.

catat konsumsi bahan bakar sampai selama 1 jam genset hidup. Kemudian amati emisi yang dihasilkan genset (karbon monoksida/CO) dari gas hasil pembakaran pada CO analyzer, seperti pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13. Alat analisis karbon monoksida (CO)

3.

Menyalakan

hidrogen

generator,

menyalakan

stabilizer

kemudian

transformator (set pada tegangan konstan 10 volt). 3.

Mengamati konsumsi bahan bakar setelah 10 menit operasi, catat hasil yang diperoleh.

4.

Pengamatan konsumsi bahan bakar dilakukan selama 1 jam.

5.

Pada waktu yang sama (setelah 1 jam running) amati emisi karbon monoksida (CO) dari gas hasil pembakaran pada CO analyzer, untuk memperoleh data emisi setelah penambahan hidrogen.


44

6.

lakukan prosedur 1 - 5 untuk variasi larutan yang lain.

3.7

Parameter Produktifitas Generator Hidrogen. Variabel proses yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi, variabel-

variabel bebas yaitu kuat arus, temperatur dan konsentrasi KOH. Variabel terikatnya adalah jumlah mol hidrogen dalam bentuk perbandingan dengan produk hasil elektrolisis dengan hukum Faraday dan juga besarnya konsumsi bahan bakar yang digunakan genset. a.

Kinerja alat elektrolisis



Konsumsi daya listrik (Watt), yaitu tegangan (V) yang diberikan ke alat elektrolisis dengan kuat arus (i) yang dihasilkan, dapat menggunakan rumus sebagai berikut:

(3.1) 

Laju produk gas diukur dengan volume gas yang tercapai dalam waktu (t) tertentu. Berikut rumus yang digunakan untuk penentuan laju gas.

(3.2)

Dimana : Vgas = Laju produksi gas (mL/min) Volume = Volume gas dalam t detik (mL) t 

= Waktu pengukuran laju produk gas (sec)

Dalam produk gas hasil elektrolisis dihasilkan gas hidrogen yang perbandingannya sebanyak 2 kali mol gas oksigen. Sehingga dalam laju mol hidrogen murni dapat diketahui dengan perbandingan koefisien mol hidrogen dengan koefisien total. Rumus penentuan laju mol hidrogen ditampilkan pada persamaan 3.3. (3.3) Dimana : nhidrogen x

= Laju mol hidrogen (mol/min) = Perbandingan koefisien = 2/3


45

b.

Kinerja motor bakar bensin Karakteristik unjuk kerja suatu motor bakar dinyatakan dalam beberapa parameter, salah satunya adalah konsumsi bahan bakar dan efisiensi bahan bakar setelah penambahan hydrogen. Konsumsi bahan bakar (fuel consumption) (3.4) Keterangan : BFC = Konsumsi bahan bakar (mL/min) Vf

= Konsumsi bahan bakar dalam t detik (mL)

t

= Interval waktu pengukuran konsumsi bahan bakar (sec)


BAB 4 PEMBAHASAN Pada bab ini, penulis akan membahas tentang produktivitas alat elektrolisis yang membutuhkan sumber listrik arus DC (searah). Dalam memenuhi kebutuhan sumber daya tersebut, peneliti menggunakan transformator daya yang dilengkapi dengan pengaturan tegangan (terdapat juga indikator tegangan dan arus). Adapun, larutan yang akan dielektrolisis adalah air. Dengan elektrolisis, air akan diurai menjadi campuran gas yang terdiri dari hidrogen dan oksigen. Secara teoritis, mol hidrogen yang dihasilkan sebanyak 2 kali dari mol oksigen. Campuran gas hasil elektrolisis tidak dipisahkan, karena keduanya akan dimanfaatkan dalam proses pembakaran. Namun, hanya gas hidrogen yang paling berpengaruh dalam meningkatkan kinerja motor bakar bensin, sehingga alat tersebut dinamakan generator hidrogen. Hidrogen memiliki nilai kalori sebesar 142 kj/gram, jauh lebih besar dibandingkan dengan bensin yang hanya 48 kj/gram (www.che-is-try.org). Gas hidrogen juga memiliki sifat pembakaran yang lebih baik dibandingkan bensin. Maka saat gas hidrogen dicampurkan dengan bensin, gas tersebut dapat digunakan sebagai ’fuel booster’ pada motor bakar bensin. Sedangkan gas oksigen yang dihasilkan oleh generator hidrogen, berperan dalam meningkatkan komposisi oksigen di dalam udara yang masuk ke dalam karburator. Gas oksigen bermanfaat sebagai oksidator pada reaksi pembakaran. Namun pada tulisan ini hanya membahas pengaruh gas hidrogen dalam proses pembakaran di dalam motor bakar bensin.

4.1

Perancangan Generator Hidrogen Generator hidrogen dengan prinsip elektrolisis akan menghasilkan gas

hidrogen pada katoda dan gas oksigen pada anoda. Besarnya gas yang dihasilkan dari elektrolisis bergantung dari besarnya luas kontak antara katoda dan anoda. Pada penelitian ini merancang susunan elektroda (katoda dan anoda) yang luas kontaknya sebesar 174 cm2 dengan jarak 1 cm antar elektroda (Gambar 3.4). Selain itu, alat ini juga dilengkapi dengan steam trap yang berguna untuk

46



47

menangkap kukus yang merupakan hasil samping dari proses elektrolisis seperti yang ditampilkan pada Gambar 3.5. Steam trap berfungsi untuk memperpanjang waktu tinggal gas hasil elektrolisis sehingga kukus dapat terkondensasi terlebih dahulu. Hal tersebut menyebabkan keluaran gas dari proses memiliki kemurnian yang tinggi yaitu hanya gas hidrogen dan oksigen.

4.2

Uji Produktivitas Generator Hidrogen Produk gas hasil elektrolisis air secara hukum Faraday adalah gas

hidrogen dan oksigen dimana gas hidrogen yang dihasilkan dua kali lebih besar dibandingkan gas oksigen sesuai dengan reaksi kimia berikut: 2H2Ol   O2 g   2H2 g 

Eo  1, 23 V; H = 285,83kJ/mol

(4.1)

Air memiliki sifat elektrolit lemah, hal tersebut ditunjukkan oleh banyaknya ion-ion H+ dan OH- di dalam larutan yang relatif sedikit. Pada kondisi standar, konsentrasi air hanya sekitar 10-7 M, sehingga elektrolisis air akan berjalan sangat lambat. Berdasarkan hal tersebut, maka dalam tulisan ini menggunakan larutan elektrolit yang bersifat basa, yaitu larutan kalium hidroksida (KOH) dan larutan natrium hidroksida (NaOH) dengan konsentrasi tertentu. Komposisi hidrogen yang diperoleh dari elektrolisis KOH 0,01 M dan NaOH 0,01 M ditunjukan oleh Tabel 4.1 dan 4.2. Tabel 4.1. Komposisi hidrogen hasil elektrolisis KOH 0,01 M


48

Tabel 4.2. Komposisi hidrogen hasil elektrolisis NaOH 0,01 M

Berdasarkan tabel di atas, komposisi hidrogen dari proses elektrolisis larutan KOH dan NaOH memiliki nilai yang hampir sama, yaitu berkisar 70%. Sedangkan komposisi oksigen diperoleh dari selisih antara 100% dengan komposisi hidrogen masing-masing larutan. Komposisi oksigen untuk KOH 0,01 M adalah 29,18%, sedangkan NaOH 0,01 M adalah 30,60%. Hal tersebut membuktikan kebenaran hukum faraday, bahwa komposisi gas hidrogen sebanyak dua kali komposisi gas oksigen dari hasil proses elektrolisis air.

4.2.1

Pemilihan Konsentrasi Larutan yang Optimum Pemilihan konsentrasi larutan sebesar 0,01 M yang didasarkan pada

pengamatan dalam berbagai variasi konsentasi KOH dan NaOH. Adapun konsentrasi yang diujikan yaitu 0,01 M, 0,015 M, dan 0,02 M. Pengujian juga dilakukan pada berbagai variasi lain, yaitu tegangan yang diberikan oleh transformator daya dan diikuti dengan besarnya arus listrik yang mengalir menuju alat. Sehingga percobaan memperoleh daya minimum yang dibutuhkan untuk menghasilkan gas yang diinginkan. Grafik laju pembentukan gas pada elektrolisis larutan KOH dan NaOH ditunjukkan oleh Gambar 4.1.


49

Elektrolisis larutan KOH Laju Massa Hidrogen (g/min)

a.

900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00

Daya Ekonomis

0

50

100 150 Daya (Watt)

KOH 0,01 M

250

KOH 0,02 M

Elektrolisis larutan NaOH Laju Massa Hidrogen (g/min)

b.

KOH 0,015 M

200

900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00

Daya Ekonomis

0

50

100

NaOH 0,01 M

150 200 Daya (Watt) NaOH 0,015 M

250

300

350

NaOH 0,02 M

Gambar 4.1. Grafik laju gas terhadap daya yang diberikan

Berdasarkan gambar di atas, besarnya laju gas berbanding lurus dengan daya yang diberikan oleh transformator. Selain itu, semakin besar konsentrasi elektrolit maka semakin besar juga daya minimum yang dibutuhkan oleh generator hidrogen. Berdasarkan proses aplikasi generator hidrogen pada motor bakar bensin (genset) maka daya yang mengalir ke generator hidrogen perlu dibatasi. Maka sesuai dengan batasan masalah, penulis menetapkan daya maksimum sebesar 150 Watt, sehingga konsentrasi larutan yang dipilih adalah larutan 0,01 M. Penggunaan konsentrasi tersebut lebih dipilih dari pada konsentrasi 0,015 M karena tingkat ekonomis massa zat (KOH atau NaOH) yang


50

dibutuhkan lebih sedikit. Persamaan di bawah ini menunjukkan hubungan antara konsentrasi dan massa suatu zat.

(4.2)

Keterangan :

M = Konsentrasi (M) m

= Massa zat (gram)

BM = Berat molekul zat (g/mol) V

4.2.2

= Volume pengenceran (mL)

Mempelajari Kecenderungan Produktivitas Generator Hidrogen Pada bagian ini, studi mengenai kecenderungan produktivitas generator

hidrogen dilakukan pada tegangan listrik yang konstan yaitu 10 Volt. Tegangan konstan untuk membatasi daya yang diperlukan oleh alat elektrolisis dalam menghasilkan

hidrogen.

Laju

massa

hidrogen

dapat

dihitung

dengan

menggunakan rumus di bawah ini.

(4.3)

Keterangan : nhidrogen

= Laju mol hidrogen (mol/min)

Vproduk gas = Laju gas hasil elektrolisis (mL/min) 22,4

= Konstanta gas ideal (mol/mL)

Xhidrogen

= Perbandingan koefisien hidrogen dengan koefisien total produk hasil elektrolisis

Grafik kecenderungan produktivitas generator hidrogen dapat diamati pada Gambar 4.2 dan 4.3.


51

7 y = 0,0571x + 2,9643 R² = 0,979

6

Arus (amper)

5

y = 0,0482x + 3,0893 R² = 0,9932

4 3 2 1 0 0

10

20

KOH

30 40 Waktu (min) NaOH

50

Linear (KOH)

60

70

Linear (NaOH)

Laju Mol Hidrogen (mol/min)

Gambar 4.2. Grafik kecenderungan produktivitas arus listrik terhadap waktu

0,0035

y = 0,0004x + 0,0005 R² = 0,9901

0,0030 0,0025

y = 0,0004x + 0,0006 R² = 0,9811

0,0020 0,0015 0,0010 0,0005

0,0000 2

3 KOH

4 5 Arus (amper) NaOH

Linear (KOH)

6

7

Linear (NaOH)

Gambar 4.3. Grafik kecenderungan produktivitas laju mol hidrogen terhadap arus

Berdasarkan grafik di atas, besarnya arus akan semakin meningkat seiring dengan pertambahan waktu proses elektrolisis. Begitu pula dengan laju mol hidrogen hasil elektrolisis, akan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya arus. Ini ditunjukkan oleh hukum Faraday II, yaitu Jumlah zat-zat yang diendapkan pada masing-masing elektroda oleh sejumlah arus listrik yang sama banyaknya akan sebanding dengan berat ekuivalen masing-masing zat tersebut. Pernyataan tersebut ditunjukkan dengan Persamaan 4.4. (4.4)


52

Dimana nilai w, e, i, dan t masing-masing menyatakan jumlah zat hasil elektrolisis, bobot ekivalen, arus listrik, dan waktu. Sehingga untuk mendapatkan gas hidrogen yang lebih besar, membutuhkan daya yang semakin besar (arus dikali tegangan). Pertambahan waktu membentuk garis lurus terhadap pertambahan arus. Seperti yang ditunjukan dengan persamaan matematis sebagai berikut. -

Pada KOH 0,01 M i = 0,0482 t + 3,0893

-

(4.5)

Pada NaOH 0,01 M i = 0,0571 t + 2,9643

(4.6)

Berdasarkan persamaan di atas, arus (i) dapat diketahui pada setiap waktu (t) tertentu. Persamaan di atas berlaku pada kondisi dimana tegangan diatur konstan pada 10 Volt dan konsentrasi larutan 0,01 M. Begitu pula pada laju mol hidrogen, peningkatannya membentuk garis lurus terhadap pertambahan arus yang dapat dilihat pada persamaan berikut. -

Pada KOH 0,01 M n = 0,0004 i + 0,0005

-

(4.7)

Pada NaOH 0,01 M n = 0,0004 i + 0,0006

(4.8)

Berdasarkan persamaan di atas, laju mol (n) dapat diketahui pada setiap arus (i) tertentu. Karena kedua persamaan di atas saling berhubungan maka laju mol hidrogen dapat diketahui pada waktu tertentu. Ini ditunjukkan dengan mensubstitusikan Persamaan 4.7 dengan Persamaan 4.5 dan Persamaan 4.8 dengan Persamaan 4.6 sehingga diperoleh persamaan di bawah ini: -

Pada KOH 0,01 M n = 0,0004 i + 0,0005 n = 0,0004 (0,0482 t + 3,0893) + 0,0005 n = 0,000019 t + 0.00173

-

(4.9)

Pada NaOH 0,01 M n = 0,0004 i + 0,0006 n = 0,0004(0,0571 t + 2,9643) + 0,0006 n = 0,000023 t + 0,00179

(4.10)


53

Berdasarkan alat elektrolisis yang dirancang dalam penelitian ini, besarnya hidrogen yang dihasilkan proses dapat dihitung dengan Persamaan 4.9 dan 4.10, dalam jangka waktu proses tertentu. Satuan waktu dari persamaan tersebut adalah menit dan n adalah mol per menit laju gas hidrogen. Persamaan tersebut dapat digunakan jika proses elektrolisis dilakukan dengan tegangan konstan pada 10 Volt dan konsentrasi elektrolit KOH dan NaOH pada 0,01 M. Pembatasan waktu proses elektrolisis pada 60 menit dan arus maksimal 7 A, disebabkan oleh besarnya uap air melewati ‘steam trap’ pada alat elektrolisis. Hal tersebut terjadi pada kondisi dimana arus mencapai 8,5 - 9 A pada waktu sekitar 90 menit. Pada kondisi tersebut, ‘steam trap’ tidak mampu menahan kukus yang disebabkan oleh temperatur tinggi (terukur kualitatif). Hal tersebut menyebabkan larutan di dalam alat elektrolisis mendidih kemudian uap terbawa keluar sampai pada saluran keluaran gas kering. Efisiensi alat yang dirancang pada penelitian ini mencapai 80% (perhitungan pada Lampiran 13). Nilai diatas diperoleh dengan membandingkan gas hidrogen yang dihasilkan oleh alat terhadap teori yang dinyatakan oleh Faraday (Persamaan 4.4) pada waktu (t) dan arus listrik (i) yang sama. Berdasarkan elektrolisis dengan larutan KOH 0,01 M diperoleh hidrogen (dalam g/min) sebesar 0,004 g/min. Sedangkan, hidrogen dari teori Faraday diperoleh sebesar 0,005 g/min. Tidak jauh berbeda bila menggunakan NaOH 0,01 M, besarnya hidrogen yang dihasilkan mencapai 0,0038 g/min. Sehingga efisiensi alat elektrolisis baik dengan KOH maupun NaOH diperoleh nilai yang tidak jauh berbeda.

4.3

Pemanfaatan Hidrogen Sebagai “Fuel Booster” pada Motor Bakar Bensin Pada proses elektrolisis air dihasilkan gas hidrogen dan oksigen. Gas

oksigen berperan dalam meningkatkan komposisi oksigen dari udara, sehingga kebutuhan oksigen sebagai oksidator pembakaran dapat terpenuhi. Sedangkan hidrogen disini berfungsi sebagai ‘fuel booster’ karena hidrogen mampu


54

meningkatkan kerja mesin apabila dicampurkan ke dalam bahan bakar standarnya (bensin). Berikut kelebihan hidrogen dibandingkan bensin: 1. Jangkauan flammibility yang luas 2. Energi penyalaan yang rendah 3. Jarak quenching yang rendah 4. Flame speed yang tinggi 5. Difusifitas tinggi 6. Densitas rendah 7. Nilai oktan yang lebih tinggi Literatur dari College of the Desert (2001) Setelah hidrogen ditambahkan dalam sistem pembakaran motor bakar (internal combustion engine) bensin menghasilkan data yang dapat dilihat pada Gambar 4.4

Laju Konsumsi Bensin (mL/min)

dan Gambar 4.5.

10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0

10

20

30

40

50

60

70

Waktu Gambar 4.4. Grafik laju konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis larutan KOH


55

Laju Konsumsi Bensin (mL/min)

10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0

10

20

30

40

50

60

70

Waktu Gambar 4.5. Grafik laju konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis larutan NaOH

Berdasarkan Gambar 4.4 dan 4.5, diperoleh data penurunan laju konsumsi bensin dengan bertambahnya waktu proses elektrolisis. Penurunan laju konsumsi bahan bakar disebabkan oleh gas hidrogen yang masuk ke dalam ruang bakar. Besarnya gas hidrogen dapat diketahui dari Persamaan 4.9 dan 4.10. Laju mol hidrogen diketahui dari mensubstitusi nilai t dengan waktu pengambilan data dalam menit. Sedangkan laju mol bensin dapat diketahui dengan persamaan di bawah ini. (4.11)

Keterangan : nbensin

= Laju mol bensin (mol/min)

VKonsumsi = Laju konsumsi bahan bakar (mL/min)

𝜌bensin

= Berat jenis bensin (g/mL)

BMbensin = Berat molekul bensin (mg/mmol) Berdasarkan literatur yang diperoleh, bahwa bahan bakar bensin (gasolin) memiliki karakteristik sebagai berikut: 1. Rumus kimia bensin (gasolin) adalah C8H18 2. Berat jenis bensin sekitar 0,65-0,75 3. Pada suhu 400 bensin menguap 30-65%


56

4. Pada suhu 1000 bensin menguap 80-90% Literatur diambil dari Encyclopedia of Chemical Technologi, Third Edition, 1981: 399 Berdasarkan hal di atas, dapat ditentukan berat molekul bensin adalah 114 g/mol, dan berat jenis adalah 0,7 g/mL (rata-rata). Sehingga grafik laju mol penurunan konsumsi bensin terhadap laju mol hidrogen dapat dilihat pada Gambar 4.6 dan 4.7.

Mol bensin (mol/min)

0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

Mol Hidrogen (mol/min) Gambar 4.6. Grafik perbandingan mol hidrogen dengan mol bensin pada elektrolisis KOH 0,01 M

Mol bensin (mol/min)

0,065

0,060 0,055 0,050

0,045 0,040 0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

Mol Hidrogen (mol/min) Gambar 4.7. Grafik perbandingan mol hidrogen dengan mol bensin pada elektrolisis NaOH 0,01 M

Grafik di atas menunjukkan gas hidrogen yang masuk ke dalam proses pembakaran pada motor bakar bensin menyebabkan berkurang konsumsi bahan


57

bakar standarnya. Gas hidrogen yang dihasilkan oleh alat elektrolisis melewati ruang hisap udara (filter udara) menuju karburator. Sehingga keberadaan hidrogen memberikan dampak pembakaran yang optimum pada motor bakar. Fenomena yang terjadi dapat diperhatikan pada susunan Gambar karburator pada motor bakar bensin dengan tipe sidedraft (tipe karburator yang digunakan pada genset 1.000 Watt) seperti yang ditunkukkan pada Gambar 4.8.

Sumber: www.howmotorcycleworks.com Gambar 4.8. Komponen-komponen di dalam karburator

Pada waktu pertama kali menghidupkan motor bakar, piston dalam silinder melakukan langkah hisap, hal ini membuat udara dari luar masuk ke dalam karburator. Kecepatan udara mengalir melewati nozzle kecil (pilot jet), sehingga mengakibatkan tekanan udara mejadi rendah. Akibatnya, bensin dalam ruang pelampung ikut terhisap naik melalui pilot jet. Bensin yang naik keluar bercampur dengan udara menjadi kabut/gas yang merupakan campuran udara dengan bensin. Gas ini akan masuk ke dalam ruang bakar di mesin untuk kemudian dibakar. Pada dasarnya karburator bekerja dengan Prinsip Bernoulli yaitu semakin cepat udara bergerak maka semakin kecil tekanan statis-nya tetapi semakin tinggi tekanan dinamis-nya. Ketika genset dibebani dengan daya, automatic voltage regulator (AVR) berfungsi mengendalikan katup dalam karburator (throttle


58

butterfly) untuk menentukan besarnya aliran udara yang dapat masuk ke dalam ruang bakar. Udara yang bergerak dalam karburator inilah yang memiliki tekanan untuk menarik bahan bakar masuk ke dalam ruang bakar. AVR berfungsi sama seperti governor pada genset yaitu menjaga agar tegangan generator tetap konstan. Dengan kata lain generator akan selalu mengeluarkan tegangan yang stabil dan tidak terpengaruh pada perubahan beban. Hanya saja kerja AVR disebabkan oleh besarnya tegangan yang diterima generator (energi listrik), sedangkan governor bekerja berdasarkan penurunan rpm mesin (energi mekanis). Pada tulisan ini digunakan sistem AVR karena genset yang digunakan berdaya listrik kecil. Hidrogen yang memiliki sifat pembakaran yang lebih baik dibandingkan bensin sehingga dapat meningkatkan kecepatan proses pembakaran di dalam ruang bakar. Dimana pembakaran tetap dapat terjadi, meskipun bahan bakar dalam proses pengkabutan masih sedikit. Sehingga AVR secara otomatis mengurangi laju alir udara yang masuk ke dalam ruang bakar. Pengurangan laju udara dilakukan dengan cara menutup throttle butterfly pada karburator. Seperti yang dijelaskan di atas, menurunnya konsumsi bahan bakar disebabkan oleh menurunnya laju udara yang dibutuhkan oleh motor bakar. 4.3.1

Efisiensi Konsumsi Bahan Bakar Efisiensi konsumsi bahan bakar diketahui dari besarnya pengurangan

konsumsi setelah adanya penambahan hidrogen. Persamaan berikut digunakan dalam menentukan besarnya efisiensi. (4.12)

Keterangan: 𝜼

= Efisiensi konsumsi bahan bakar

V0 = Laju konsumsi awal sebelum penambahan hidrogen (mL/min) Vi = Laju konsumsi setelah penambahan hidrogen (mL/min) Besarnya efisiensi konsumsi bahan bakar pada motor bakar dapat ditunjukkan pada Gambar 4.9 dan 4.10.


59

30,00

Efisiensi konsumsi (%)

25,00 20,00

15,00 10,00 5,00 0,00 0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

Laju Mol Hidrogen (mol/min) Gambar 4.9. Grafik efisiensi konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis larutan KOH 0,01 M pada motor bakar bensin

30,00

Efisiensi konsumsi (%)

25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

Laju Mol Hidrogen (mol/min) Gambar 4.10. Grafik efisiensi konsumsi bahan bakar dengan elektrolisis larutan NaOH 0,01 M pada motor bakar bensin

Berdasarkan grafik di atas, laju mol hidrogen yang diinjeksikan ke dalam motor bakar memiliki nilai yang berbanding lurus dengan besarnya efisiensi konsumsi bahan bakar. Sehingga dapat diperoleh besarnya efisiensi berbanding dengan rasio mol gas hidrogen terhadap penurunan tingkat konsumsi bahan bakar bensin (Gambar 4.6 dan 4.7). Perbandingan tingkat efisiensi motor bakar bensin terhadap rasio mol hidrogen ditunjukkan pada Tabel 4.3 dan 4.4.


60

Tabel 4.3. Rasio mol penambahan hidrogen terhadap bahan bakar gasolin pada larutan KOH Efisiensi Bahan

Rasio Mol Hidrogen

Bakar (%)

dengan Bensin

2,99

15,85

5,52

18,19

6,68

20,68

12,87

23,55

16,63

27,60

24,97

32,39

Tabel 4.4. Rasio mol penambahan hidrogen terhadap bahan bakar gasolin pada larutan NaOH Efisiensi Bahan

Rasio Mol Hidrogen

Bakar (%)

dengan Bensin

1,57

17,04

4,52

18,88

7,54

20,86

11,33

24,21

17,98

27,25

24,68

32,44

Berdasarkan Tabel 4.3, elektrolisis KOH 0,01 M diperoleh efisiensi sebesar 2,99% dengan rasio mol penambahan hidrogen 15,85 terhadap bensin. Efisiensi terus meningkat selama alat dijalankan oleh sumber listrik genset, sampai pada 1 jam waktu proses tercapai efisiensi sebesar 24,97% dengan mol rasio hidrogen 32,39. Sedangkan pada tabel 4.4, elektrolisis NaOH 0,01 M diperoleh efisiensi sebesar 1,57% dengan rasio mol penambahan hidrogen 17,04 terhadap bensin. Efisiensi terus meningkat pada kinerja motor bakar bensin, Universitas Indonesia Uji produktivitas ..., Resuli Irawan Thalib, FT UI, 2011

61

sampai pada 1 jam waktu proses tercapai efisiensi sebesar 24,68% dengan mol rasio hidrogen 32,44. Dari kedua larutan yang digunakan terlihat bahwa besarnya efisiensi pada elektrolisis larutan KOH relatif sama dengan NaOH. Berdasarkan data yang diperoleh bahwa harga KOH mencapai Rp 268/gram, sedangkan NaOH sebesar Rp 424/gram berdasarkan Merk Chemical Catalog (2009). Hal ini menyebabkan larutan KOH lebih menguntungkan dibandingkan NaOH untuk digunakan dalam proses elektrolisis. 4.3.2

Emisi Motor Bakar Bensin Proses pembakaran pada motor bakar bensin menghasilkan emisi berupa

karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), senyawa hidrokarbon, nitrogen oksida (NOx), dan belerang oksida (SOx). Parameter emisi tersebut tidak akan berbahaya bila sesuai dengan baku mutu yang ada, tetapi tetap harus diwaspadai. Oleh sebab itu, perlu adanya pengembangan sistem pembakaran yang rendah emisi atau ramah lingkungan. Secara kimia, reaksi pembakaran hidrokarbon terbagi menjadi dua, yaitu pembakaran sempurna dan tidak sempurna. Berikut reaksinya: Sempurna: 2 C8H18(l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) + 18 H2O(g)

(4.13)

Tidak sempurna: 2 C8H18(l) + 17 O2(g) → 16 CO(g) + 18 H2O(g)

(4.14)

Seperti yang terlihat pada reaksi di atas, bahwa gas CO2 dihasilkan dari pembakaran yang sempurna sedangkan gas CO dihasikan dari pembakaran tidak sempurna. Hampir semua sistem pembakaran selalu menghasilkan emisi gas CO. Karena reaksi tidak sempurna membutuhkan kalori pembakaran yang lebih rendah dibandingkan reaksi sempurna. Sehingga diharapkan gas hidrogen mampu meningkatkan kalori pembakaran di dalam ruang bakar dan emisi CO dapat dikurangi. Berikut pengurangan emisi yang terjadi setelah penambahan hidrogen ke dalam motor bakar seperti pada Tabel 4.5.


62

Tabel 4.5. Emisi motor bakar bensin setelah penambahan hidrogen

Kondisi

Laju gas (mL/min)

Emisi (ppm)

Sebelum

0

9820

Sesudah

100,2

8658

Pengurangan Relatif (%) 11,8

Catatan: Pengujian dilakukan menggunakan larutan NaOH 0,01M dan jarak pengambilan sampel terhadap sumber emisi sejauh 5 cm.

Pengurangan emisi terjadi karena laju konsumsi bahan bakar terhambat dengan adanya hidrogen. Sehingga bahan bakar bensin yang masuk ke ruang bakar menjadi lebih sedikit. Berikut fenomena yang menyebabkan terjadinya penurunan konsentrasi karbon monoksida dalam emisi motor bakar bensin: 1. Berkurangnya bahan bakar yang masuk ke ruang bakar menyebabkan suplai oksigen untuk reaksi pembakaran gasolin menjadi cukup. Hal tersebut menyebabkan reaksi pembakaran bergeser dari kaya bahan bakar (cenderung tidak sempurna) menjadi miskin bahan bakar (mendekati sempurna). 2. Adanya pengenceran emisi oleh uap air dari hasil pembakaran hidrogen. Reaksi: 2 H2(l) + O2(g) → 2 H2O(g)

(4.15)


BAB 5 KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, maka dapat disimpulkan dari hasil penulisan ini. 5.1 Kesimpulan 1. Luas kontak katoda dan anoda pada alat elektrolisis yang dirancang dalam penelitian sebesar 174 cm2. 2. Persamaan produktivitas mol hidrogen yang dihasilkan terhadap waktu proses elektrolisis pada kondisi tegangan 10 Volt (konstan) dan konsentrasi larutan 0,01 M adalah sebagai berikut : -

Pada KOH: n = 0,000019 t + 0.00173

-

Pada NaOH: n = 0,000023 t + 0,00179

3. Hidrogen yang diinjeksikan ke dalam motor bakar melalui box filter udara, mampu meningkatkan kinerja motor bakar bensin, meliputi : -

Menurunnya konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan

-

Menurunkan tingkat emisi karbon monoksida

4. Efisiensi bahan bakar yang diperoleh sebesar 24,97% dengan rasio mol hidrogen 32,39 terhadap bensin (pada KOH), efisiensi sebesar 24,68% dengan rasio mol 32,44 terhadap bensin (pada NaOH). 5. Penurunan tingkat emisi karbon monoksida (CO) sebesar 11,8%. 5.2. Saran 1. Jika alat elektrolisis dihidupkan lebih lama sehingga diperoleh arus listrik 8,5 - 9 A maka alat akakn menghasilkan kukus berlebih. Oleh sebab itu perlu ditambahkan transmitter sebagai pengendali arus (maks 7 A), saat alat diaplikasikan. Hal tersebut berguna untuk: -

Proses perawatan mesin karena tidak ada steam berlebih yang tercampur dalam proses pembakaran.

-

Menghindari ledakan yang disebabkan oleh reaktor, karena temperatur proses yang sangat tinggi.

63



DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2005. Safety Data for Hydrogen. http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/HY/ hydrogen.html. Diakses 11 November 2010. Anonim. 2005. Safety Data for Oxygen. http://physchem.ox.ac.uk/MSDS/HY/ oxygen.html. Diakses 11 November 2010. Anonim. 2010. BP Statistical Review of World Energy June 2010. http://www.bp.com/statisticalreview. Diakses 9 November 2010. Anonim. Spesifikasi Bahan Bakar Minyak. pertamina.php. Diakses 11 November 2011.

http://www.pertamina.com/

Chang, Raymond. 2007. Chemistry Ninth Edition. Mc Graw Hill: New York. Dempsey, J. 2001. Module 2: Hydrogen Use. Energy technology Training Center College of the Desert. Feryansyah, Rizky, Nelson Saksono. 2010. Produksi Hidrogen Menggunakan Elektrolisis Plasma Non-termal dari Larutan Elektrolit KOH, Skripsi. Universitas Indonesia:Depok. Goldwitz JA, Heywood JB. 2005. Combustion Optimization in a Hydrogenenhanced Lean-burn SI Engine. SAE paper no. 01-0251. Heywood, John B. 1988 . Internal Combustion Engines . United State America. Hill, Mc Graw. 1998. Themodynamics an Engineering Approach, Third Edition. United State America. Horng RF, Chang YP, Huang HH, Lai MP. 2008. Driving Characteristics of a Motorcycle Fuelled with Hydrogen-rich Gas Produced by an Onboard Plasma Reformer. Int J Hydrogen Energy 33 7619–7629. Mizuno, T., T. Akimoto, and T. Ohmori. 2003. Confirmation of anomalous hydrogen generation by plasma electrolysis in 4th Meeting of Japan CF Research Society. Iwate. Iwate University: Japan. Othmer, kirk. 1981. Encyclopedia of Chemical Technology, Third Edition. Physical Sciences and Engineering Library: University of California.

64



65

Roth, J.R.. 2001. Aplications to Nonthermal Plasma Processing, Industrial Plasma Engineering, Vol: 2. IOP Publish: Philadelphia. Shimizu, Naohiro, et al. 2006. A novel method of hydrogen generation by water electrolysis using an ultra-short-pulse power supply. Sierens, Roger, et al. 2005. An overview of hydrogen fuelled internal combustion engines. Ghent University: Belgium. Soenarta, Nakula. 1985. Motor Serba Guna. Paradnya Paramita: Jakarta. Suhirta, I.I.. 2008. Pengaruh Penambahan Gas Hasil Elektrolisa Air Terhadap Konsumsi Bahan Bakar Bensin pada Motor Bakar 4 Langkah 80 cc dengan Posisi Injesi Sebelum Karbulator, Skripsi. Universitas Indonesia : Depok. Suprapta, Jaka. 2005. Mengoperasikan Generator Set. Departemen Pendidikan Nasional. Direktorat Jenderal Pendidikan Dasar dan Menengah. Suyanto, Wardan. 1989. Teori Motor Bensin. Jakarta: DEPDIKBUD. __________. 1995. New Step 1. Jakarta : PT. Toyota Astra Motor __________. 1995. New Step 2. Jakarta : PT. Toyota Astra Motor Suzuki T, Sakurai Y. 2006. Effect of Hydrogen Rich Gas and Gasoline Mixed Combustion on Spark Ignition Engine. SAE paper no. 2006-01-3379. Tao, Yongzhein, et al. 2007. High Hydrogen yield from a two-step process of dark-and photo-fermentation of sucrose. International journal of hydrogen energy. ISSN. 0360-3199 Tim Penyusun. 2007. Pengujian Water and Air Injection, Jurnal. Lab Motor Bakar LIPI. Tim Penyususn Universitas Negeri Yogyakarta. 2003. Teknik Dasar Motor Diesel. Departemen Pendidikan Nasional. Wall, Jacob . Effect of Hydrogen Enriched Hydrocarbon Combustion on Emission and Performance . Department Biological and Agricultural Engineering : University of Idaho. Wijarso, IR. 1979. Spesifikasi Bahan Bakar Minyak : Departemen Pertambangan dan Energi Direktorat Jenderal Minyak dan Gas Bumi : Jakarta. Verhelst S, Sierens R. 2001. Aspects Concerning the Optimisation of a Hydrogen Fueled Engine. Int J Hydrogen Energy; 26: 981–5.


66


67


68


69


70


71


72


73


74


75


76


77


78


79


80


81


82

Lampiran 12 Perhitungan laju mol hidrogen Diketahui: Elektrolisis larutan KOH 0,01 M Waktu pengambilan data pada menit ke 10 Vgas

= 66,32 mL/min

X

=

(perbandingan koefisien hidrogen terhadap total produk gas)

maka:

Perhitungan laju mol konsumsi bensin Diketahui: Proses elektrolisis larutan KOH 0,01 M Waktu pengambilan data pada menit ke 10 Vkonsumsi

= 9,44 mL/min

maka :

0,046 mol/min


83

Lampiran 13 Perbandingan Produktivitas Hidrogen Hasil Elektrolisis antara Teori Faraday dengan Alat yang Dirancang dalam Penelitian

1.

Elektrolisis Larutan KOH 0,01 M i = 3,75 Ampere t = 10 menit = 600 s  Laju hidrogen yang dihasilkan alat elektrolisis 𝜼

= 0,002 mol/min

BMhidrogen = 2 gram/mol Maka :

ṁ = 𝜼 * BMhidrogen ṁ = 0,002 * 2 ṁ = 0,004 gram/min

 Laju Hidrogen berdasarkan teori Faraday e=2 Maka :

Maka laju massa hidrogen setiap menit : ṁ = 0,004

g/min

ṁ = 0,005 g/min

 Efisiensi alat diperoleh:


84

2.

Elektrolisis Larutan NaOH 0,01 M i = 3,75 Ampere t = 10 menit = 600 s  Laju hidrogen yang dihasilkan alat elektrolisis 𝜼

= 0,0019 mol/min

BMhidrogen = 2 gram/mol Maka :

ṁ = 𝜼 * BMhidrogen ṁ = 0,0019 * 2 ṁ = 0,0038 gram/min

 Laju Hidrogen berdasarkan teori Faraday e=2 Maka :

Maka laju massa hidrogen setiap menit : ṁ = 0,004

g/min

ṁ = 0,005 g/min

 Efisiensi alat diperoleh:


UNIVERSITAS INDONESIA UJI PRODUKTIVITAS GENERATOR HIDROGEN DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI FUEL BOOSTER PADA MOTOR BAKAR BENSIN SKRIPSI

Recommend Documents