bab9 bahan bakar kimia

5/14/2018 Bab9 Bahan Bakar Kimia

1/12

FISIKA ENERGI

BAHAN BAKAR KIMIA

BAHAN BAKAR HIDROGEN PRODUKSI HIDROGEN SEL BAHAN BAKAR UNJUK KERJASEL BAHAN BAKAR

93


2/12

FISIKA ENERGI

9.1. BAHAN BAKAR HIDROGENPernbakaran pada dasarnya adalah proses oksidasi. Padaproses pernbakaran terdapat energi yang dibebaskan berupapanas. Pada pernbakaran hidrokarbon rnaka unsur zat arang(C) bersenyawa dengan unsur zat asarn (0) rnernbentuk

karbondioksida (C02) dengan rnernbebaskanenergi sebagi berikut :

CO2 + Energi (9.1)

Pada dasarnya hal serupa dapat terjadi bila unsur zat air hidrogen (H)bersenyawa dengan unsur zat asarn (0) terbentuk apa yang kita kenaisebagai air (H20) dengan rnernbebaskanenergi :

--+ 2H20 + Energi (9.2),__Rurnusdiatas rnerupakan perputaran suatu siklus : air dipisah rnenjadi H 2 dan02 kernudian rnernbentukair kernbali.

Pada oksidasi zat air hanya terjadi air yang rurnus kirnianya H20 danyang bukan rnerupakan suatu polutan atau pengotor lingkungan. Bahkan H20rnerupakan bagian alarniah dari lingku,ngan.Sebagai perbandingan , pernbakaran 1 Kg rninyak burni rnenghasilkanenergi sebanyak 10.000 Kkal. Pernbakaran 1 Kg bahan bakar rnethanrnernberikan panas sebanyak 12.000 Kkal. Dan hidrogen dalarn 1 Kg akanrnernberikanenergi sebanyak 28.600 Kkal.

Mengapa hidrogen rnenjadi potensial untuk bahan bakar, karena unsurhidrogen dalarn bentuk air banyak terdapat di alarn, unsur yang lain karenahidrogen rnudah disirnpan dan rnudah dikonversi rnenjadi listrik dansebaliknya. Faktor yang lain lebih penting karena hidrogeri rnudahdiangkut ,

Pada pusat listrik konversi listrik rnenjadi hidrogen dapat dilakukanrnelalui elektrolisa. Dengan dernikian rnaka pusat listrik yang letaknya jauhdari pusat beban akan dapat bekerja dengan efisien:

94


3/12

95

FISIKA ENERGI

9.2. PRODUKSI HIDROGEN9.2.1. EKSTRAKSI GAS ALAM

Salah satu cara pembuatan hidrogen adalah dengan ekstraksi dari gasalam, dengan suatu proses ini, gas alam setelah dipanaskan dimasukkandalam suatu tangki besar. Ke dalam tangki juga dimasukkan uap bertekanantinggi dan oksigen. Suhu dalam tangki menjadi sang at tinggi. Denganmengatur tekanan dan aliran gas alam , uap, dan oksigen maka terjadilahreaksi.

Uap berte kanan--+ TangkiProses r-- pending pember I-- kompresr-- I--

man sihan or --+peman -- H 2asan I I+--+

Oksigen --+

Gas alam--+

A ir d in g in

Gambar 9.1. Prinsip pembuatan gas hidrogen ekstraksi gas alamHidrogen tersebut didinginkan , kemudian dibersihkan dari berbagai

bahan kimia seperti C02, CO dan H2S dan setelah dikompres didapat gas H2yang diperlukan, yang mempunyai kemurnian yang tinggi dan siap untukdipakai. Proses tersebut terlihat pada gambar 9.1. Mengingat gas alammerupakan bahan yang sifatnya akan habis , maka pembuatan hidrogen dariekstraksi gas alam dirasa kurang tepat. Disamping itu mengingat gas alammerupakan hasil dari suatu tambang, tentunya pembuatan pabrik hidrogentidak bisa dilakukan pada sebarang daerah, sehingga menjadi suatu kendalapada pengiriman hasil hidrogen tersebut.

9.2.2. ELEKTROLISASuatu cara yang tampaknya memberikan harapan baik untuk

memproduksi hidrogen adalah elektrolisa, yang memerlukan energi listrik.


4/12

96

FISIKA ENERGI

Karena tidak memerlukan bahan yang sifatnya tidak dapat diperbaharui , didalam elektrolisa bahan yang diperlukan adalah air dan listrik yang tidakbegitu besar , sehingga memungkinkan elektrolisa dapat diproduksi padasebarang tempat.

Gambar 9.2. Skema prinsip elektrolisa

Gambar 9.2. memperlihatkan skema prinsip elektrolisa. Sebuah tangkidiisi dengan air yang dicampur dengan asam, sehingga air tersebut dapatberfungsi sebagai konduktor untuk menghantarkan arus listrik. Campuranasam dan air dinamakan elektrolit. Dalam elektrolit dipasang dua elektroda,yaitu elektroda positip atau anoda dan elektroda negatip atau katoda. Anodadihubun.gkan dengan sisi positip listrik arus searah dan katoda pada sisinegatip.

Jika arus searah mengalir terjadilah elektrolisa sehingga atom-atomhidrogen dari air kehilangan elektronnya, sedang atom oksigen mendapattambahan elektron. Dengan demikian atom oksigen menjadi sebuah ionbermuatan negatip ( 0- ) dan atom hidrogen menjadi sebuah ion bermuatanpositip (H + ).

Karena bermuatan positip , ion-ion H+akan tertarik pada katoda yangbermuatan negatip. Ion-ion H+ akan- berkumpul pada katoda. Pada saatmenyentuh katoda , ion H+ akan menerima sebuah elektron dan kembalimenjadi sebuah atom H biasa, tanpa mempunyai muatan. Atom-atomhidrogen ini bergabung menjadi gas H 2 dalam bentuk gelembung-gelembung


5/12

FISIKA ENERGI

dan melalui katoda mengambang keatas untuk dikumpulkan melalui sebuahpipa dan kemudian dikompres. Hal serupa terjadi dengan ion 0, yangberkumpul ke anoda, kemudian menjelma menjadi gas 02.

-Untuk mempercepat proses elektrolisa , maka harus dilakukan padasuhu tinggi, yaitu antara 800 sampai 1000 0 C. Dengan suhu yang tinggi inimaka dapat mengurangi kerugian tegangan .

9.3. SEL BAHAN BAKARBatere dan sel bahan bakar (fuel cell) adalah sistem dimana energi

kimia yang disimpan dalam sistem diubah menjadi energi listrik secaralangsung. Karena pada sistem-sistem ini perubahan energi tidak melewatienergi panas, dan tidak dibatasi dengan efisiensi siklus mesin kalor dapatbalik eksternal.

Batere dan sel bahan bakar operasinya sangat mirip, sedangperbedaanya terletak pada bahan bakarnya, dimana batere mempunyaijumlah bahan bakar atau energi kimia yang tetap, sedang sel bahan bakarmempunyai bahan bakar yang terus menerus diisikan. Beberapa batere bisaberoperasi reversible (dapat balik) dimana produk reaksi kimia dipisahkankembali ke reaktan semula dengan mengisikan listrik ke dalam batere padawaktu mengisi.

Batere digunakan sebagai penyimpanan energi dan dapat dibagimenjadi dua kategori, batere primer dan batere sekunder. Batere primerseperti batere konvensional, tidak diisi kembali, sedang batere sekunderdapat diisi berkali kali, seperti batere mobil dengan asam dan timah.

Sel bahan bakar dan batere komposisinya sama, keduanya terdiri daridua elektroda yang dipisahkan oleh larutan elektrolit . Dalam sel bahan bakar, reaktan bahan bakar, biasanya hidrogen atau karbon monoksida, diberikanke salah satu elektroda yang berpori-pori dan oksigen atau udara dimasukkanke dalam elektroda berpori yang lain.

97


6/12

FISIKA ENERGI

Elektroda sel bahan bakar harus memenuhi tiga hal. Elektroda harusberpori-pori sehingga bahan bakar dan elektrolit dapat menembusnya untukmendapatkan kontak yang cukup. ukuran pori-pori elektroda sangat penting,Jika pori-pori terlalu besar gas bahan bakar akan menggelembung dan hilangkeluar. Jika pori-pori terlalu kecil akan terjadi kontak yang tidak cukup antarareaktan dan elektrolit sehingga kapisatas sel berkurang. Elektroda harusmengandung katalisator kimia untuk memecah ikatan bahan bakar menjadiatom sehingga dapat menjadi lebih reakti. Katalisator populer yang digunkansekarang adalah platina dan nikel . Akhirnya elektroda harus bisa melewatkanelektron ke terminal.

Larutan elektrolit harus mempunyai permibilitas yang tinggi terhadapion H+ atau OH- yang dihasilkan sebagai produk antara pada salah satuelektroda. Ion yang sarna ditransfer ke lain elektroda dan dikombinasikandengan reaktan lain. Elektron berpindah melalui sirkuit luar ke elektroda yanglain, dimana produk oksidasi dibentuk.

Jika sel membakar oksigen dan hidrogen dan mempunyai elektrolitasam, ion antaranya adalah H+dan reaksi umumnya sebagai berikut

Elektron, 4e----------.

bakar2H2bakar,4H+elektrolit asam

Bahan ---+ Anoda Ion bahan -+

~Reaksi anoda adalah: 2H2 4e- + 4H+Reaksi katoda adalah : 4e- + 4H++ O2 2H20

98


7/12

FISIKA ENERGI

tahananbeban oksidator~

elektrolit cal

elektrodaGambar 9.3. Skema jenis sel bahan bakar

Dalam suatu sel bahan bakar oksigen-hidrogen dengan elektrolitalkalin I ion antara adalah OH-dan reaksi umumnya adalah sebagai berikut

bahan ----.bakar2H2+- lon40H- KatodaElektrolit alkalin

Reaksi anoda adalah : 2H2+ 4 OH- ---+Reaksi katoda adalah : 2H20 + O2+ 4e-

9.4. UNJUK KERJA SEL BAHAN BAKAREnergi total yang dilepaskan dalam setiap reaksi kimia adalah sama

dengan perubahan entalphi pembentukan ilH. Perubahan entalphipembentukan adalah sama dengan entalphi pembentukan pereaksi minusjumlah entalphi pembentukan produk :

ilH = L(ilH )pereaksi - L(il H ) produk (9.3)

Perubahan entalphi pembentukan adalah setara dengan nilai pembakaranatas bahan bakar.

99


8/12

FISIKA ENERGI

Tabel 9.1. Entalphi pembentukan L\H dan energi bebasGibbs L\G dari senyawa dan ion ( 1 Atm dan 298)

Senyawa Entalphi pembentukan L\H Energi bebas Gibbs L\GJ/Kg mol J/Kg mol

-110x106 -137,5x106- 394 x 106 -395,Ox106- 74,9 x 106 - 50,8 x 106- 286 x 106 - 237 x 106- 241 x 106 - 228 x 106+128x106 +105x106- 1122x 106 -1042 x 106- 675x 106 - 529 x 10600 00- 277 x 106 - 293 x 106- 230 x 106 - 157 x 106

COC02CH4AirUap AirLiHNaC02C03 --H+u+

Harga L\H diberikan dalam tabel 9.1 untuk oksidasi bermacam-macambahan bakar pada 25 C dan 1 Atm. Biasanya samua elemen alamimempunyai harga L\H = nol. Dalam reaksi pembakaran berikut :

Perubahan ental phi pembentukan H pada reaksi ini ialahL\H = L\Hc+ L\H02- L\HC02= 0 + 0 - ( -394x106)

= 394 x 106 J/Kg mol CO2= 8,953 X 106 J/Kg CO2 = 32,81 x 106 J/Kg C= 14,107 BTU/Ibm C

Secara teoritis semua energi dalam ental phi pembentukan dapatdiubah menjadi energi listrik jika tidak ada bagian yang dibentuk menjadi

100


9/12

FISIKA ENERGI

energi lain. Akan tetapi pada reaksi dapat balik sejumlah energi kimia diubahmenjadi energi panas dan sisanya diubah menjadi energi listrik. Jumlahminimum energi panas yang timbul dalam setiap reaksi dapat balik adalahI T ds. Karena sel bahan bakar adalah alat isotermal, I T ds = T I ds = T1 1 S. Iniberarti bahwa jumlah energi listrik yang ditimbulkan We dalam sel bahanbakar adalah

We I1H - T I1S (9.4)

Listrik yang dibangkitkan per kilgram mole bahan bakar sama dengan ( 1 1 H -T1 1 S) untuk suatu reaksi dapat balik, tetapi akan lebih kecil dari harga diatasjika terdapat reaksi tak dapat balik dalam sel.

Energi bebas Gibbs G adalah suatu fungsi termodinamika yangdidefinisikan sebagai entalphi H dikurangi perkalian temperatur T dan entropiS:

G = H - TS (9.5)Penurunan untuk proses isotermal ( dT = 0 ) adalah :

dG = dH - T dS atau I1G = I1H - T I1S (9.6)

Jadi persamaan 9.4. berubah menjadiWe I1 G (9.7)

dimana energi perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi yang diberikanI1G adalah :

I1G = 'L(I1G)pereaksi'L (I1G)produk (9.8)

Energi bebas Gibbs adalah fungsi tekanan dan temperatur dimanareaksi teradi , hubungan sifat termodinamika secara umum adalah :

T dS = dh - V dp atau dH = TdS + VdP (9.10)Pemasukan persamaan persamaan 9.10 ke persamaan 9.6 memberikan

dG = V dp (9.11)

Untuk setiap mole unsur gas V = Ru TIP, sehingga untuk suatu prosesisotermal

101


10/12

F/S/KA ENERGI

G P PJdG = JRuT/P dp = Ru T JdP/P = G - GO= RuT In Plpo (9.12)

Go Po Po

Karena GO adalah harga energi bebas Gibbs untuk 1 atm, po = 1; jika Padalah tekanan unsur, dalam atm, persamaan 9.12 berubah menjadi ,

G = GO+ RuT In P (9.13)

Perhatikan reaksi kmia untuk sel bahan bakar berikut :aA+bB cC+dD

dimisalkan bahwa pereaksi ( A dan B ) dan produk ( C dan D ) semuaberbentuk gas pada temperatur T dan tekanan bagian PA , PB, Pc dan Po.Perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi menjadi :

Dalam beberapa kasus , produk reaksi mungkin berbentuk cairan, dan dalamkasus ini persamaan 9.14 dapat digunakan dengan memberikan komponentekanan parsial x, Px, diganti dengan sx, dimana sx disebut aktivitaskomponen x dan mempunyai harga sama dengan tekanan parsial darikomponen x hanya jika komponen memenuhi hukum .gas ideal.

Karena kedua .1G dan .1H dinyatakan adalam satuan energi (ioule) perkilo gram mol, ini berarti bahwa We adalah energi listrik yang berhubungandengan lewatnya 1 Kg mol elektron melalui sirkuit listrik. Satu Kg mol elektronsama dengan angka avogadro (6,023 x 1026) dan muatan satu elektron ialah1,602 x 1019 C. Ini berarti bahwa muatan untuk 1 Kg mol elektron ialah 9,65 x107 C, dan jumlah muatan ini didefinisikan sebagai satu faraday, Fy. Jika nmole elektron dilepaskan dalam reaksi dan voltase didalam sel adalah Eg,harga We adalah

We = nFyEg .1G (9.15)

102


11/12

FISIKA ENERGI

Harga maksimum voltase sel dalam adalahEg = EOg+ RuT/nFy In 3cC 3dO 13aA 3bS (9.16)

Persamaan ini disebut persamaan Nerst. Kenaikan temperatur sel bahanbakar T menurunkan harga voltase keluaran dan selanjutnya jugamenurunkan harga keluaran energi listrik.

Suatu sel bahan bakar tidak dibatasi oleh efisiensi kalor dapat balikeksternal, tetapi sebenarnya ada limit dari harga efisiensi . Efisiensi konversimaksimum adalah sama dengan

YJmaxWemaxl~H = ~G I ~H = 1- T ~S I ~H (9.17)

Efisiensi konversi aktual sebetulnya lebih rendah dari harga yang diberikanoleh persamaan 9.16 dan bisa dihitung menjadi

Tlrnax = We, actI ~H = nFyVL I~H (9.18)

dimana VL ialah voltase keluaran dari sel. Efisiensi 60-70 % dapat diberikanoleh hampir semua sel bahan bakar tanpa menaikkan suhu setinggi yangdiperlukan oleh siklus mesin kalor.

Contoh 1:Hitunglah voltase keluaran dan efisiensi konversi teoritis dari suatu sel bahanbakar oksigen - hidrogen yang beroperasi pada 600 C. Misalkan bahwahidrogen diberikan pada 1,1 atm dan oksigen diberikan dari udara pada 1,2atm dan misalkan bahwa produk uap bertekanan 1 atm.

Penyelesaian.Dari tabel 9.1 :~ GO( uap ) = 228 x 10 6 J/Kg mol H20~Ho ( uap ) = 241 x 106 J/Kg mol H20~Ho (air) = 286 x 106 J/Kg mol H20

nFy EOg= ~ GO103


12/12

FISIKA ENERGI

Untuk reaksi ini,228 x 106 W.s/Kg mol H20GO

EOg=-- =nFy

=1,181V(2 mol e-I mol H20)(9,65 x 10 7 e/mol eO)

Tekanan parsial 02dalam pereaksi = 1,2 (0,21) = 0,252 atmTekanan parsial H2 dalam pereaksi = 1,1 atmTekanan parsial H20 dalam produk = 1,0 atm

RuT PH2PO,52Eg = EOg+ __ In _nFy PH20

= 1,181 + 8314(873)/2(9,65x1 07) In 1,1(0,252),5/1,0= 1,181 - 0,022 = 1,159 V

Efisiensi konversi maksimum,~G = GO+ RuT In PH2po021PH20= 228x106 + 8314(873)ln [1,1(0,252),5]

= 223,7 x 106 J/Kg mol H2011= 223,7 x 106/286 x 106 = 0,7822 = 78,22 %

104

bab9 bahan bakar kimia

Documents