4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Dasar Kelistrikan Semua yang ada di alam semesta ini terbuat dari benda. Benda bisa diartikan sebagai sesuatu yang menempati ruang dan mempunyai berat. Benda bisa digolongkan dalam bentuk padat, cair, dan gas. Bentuk benda bisa berubah melalui suatu proses. Contohnya temperatur, air biasanya ditemukan dalam bentuk cairan, namun dengan mengubah temperaturnya air dapat berubah menjadi padat atau uap. Suatu benda dapat juga dijabarkan berdasarkan warna, rasa, dan basah atau kering yang kesemuanya itu digambarkan dalam bentuk karakternya saja, tidak bisa dikenali zatnya. Untuk benar-benar mengenali suatu zat, zat tersebut harus diuraikan menjadi butiran-butiran terkecil. Butiran-butiran tersebut digambarkan dalam struktur atom, sehingga dapat dikenali sifat dan karakternya. Partikel yang sudah dibagi dari bentuk murninya akan berubah karakternya dalam bentuk atom. Bentuk ini disebut dengan elemen. Terdapat lebih dari 100 elemen. Kebanyakan dari elemen terbentuk secara alami di alam semesta. Beberapa dari elemen tidak terjadi secara alami, namun dibentuk dari laboratorium. Beberapa contoh elemen yang terbentuk secara alami adalah besi, tembaga, emas, aluminium, karbon dan oksigen. Dua elemen atau lebih yang dicampur bersama akan membentuk suatu zat baru. Zat dapat diuraikan lagi ke dalam masing-masing elemennya. Suatu elemen dapat diuraikan menjadi struktur atom.
2.1.1 Arus Listrik Elektron bebas yang bermuatan negatif selamanya akan selalu tolak menolak satu dengan lainnya. Bila ada kelebihan elektron di satu tempat, maka akan ada kekurangan elektron di tempat lainnya, elektron selalu bergerak ke tempat yang kosong, dan kemudian mencoba untuk saling menjauh satu sama lainnya. Saat pergerakan ini terjadi, aliran atau arus elektron terbentuk, arus akan terus berlanjut sampai elektron genap terpisah dari intinya. Arus dapat digambarkan seperti laju aliran elektron, besarnya aliran elektron bisa diumpamakan seperti pada pipa air.
5
Pada pipa yang diameternya lebih besar mempunyai kapasitas aliran yang lebih besar pula. Artinya adalah aliran arus akan besar bila jumlah elektron yang bergerak juga banyak. Arus listrik dinyatakan dengan huruf I (intensitas). Sedangkan besar arus dinyatakan dalam Ampere (A). 1 Ampere sebanding dengan satu coulomb setiap detik I = Q/T…………………………..…………………………………………….(2.1) Dimana: Q = Jumlah muatan listrik (Coulomb) T = Waktu (Second) 1 coulomb = 1/1.60129 x 10-9 = 6.25 x 1018 Jumlah muatan listrik yang mengalir per waktu adalah: 1 A = 1000 mA 1 mA = 0.001 A 1 kA = 1000 A
2.1.2 Tegangan (Voltage) Jika perbedaan listrik secara alami terhubung dengan kedua kawat yang bermuatan berbeda, maka arus bisa mengalir dikarenakan adanya perbedaan potensial listrik antara kedua muatan sehingga arus dapat mengalir. Perbedaan potensial listrik biasa disebut dengan tegangan (voltage). Karena ada perbedaan potensial listrik, maka terjadi electromotive force (emf). Tegangan (V) adalah unit listrik untuk menerangkan jumlah tekanan listrik yang ada atau sejumlah tekanan listrik yang dibangkitkan oleh aksi kimia di dalam baterai. Simbol tegangan = E Satuan tegangan = Volt (V) 1 Volt =
ketika 1 coulomb muatan listrik bergerak pada penghantar dan bekerja dalam 1 joule, untuk dua titik muatan penghantar diantara perbedaan potensial.
E = W/Q (Volt)……………………………………………..…………………(2.2) Dimana: W = Tenaga listrik (Joule)
6
Q = Jumlah muatan listrik (Coulomb) 1 mV = 0.001 V 1 V = 1000 mV kV = 1000 V
2.1.3 Tahanan Jika suatu elektron bebas bisa bergerak di dalam benda, dan dikarenakan elektron mempunyai listrik alami, maka akan terjadi suatu aliran arus listrik. Arus 1 amper adalah elektron sebanyak 6.25 x 1018 elektron bergerak dalam satu detik. Perlu juga diketahui, bahwa semua jenis benda tersusun dari atom-atom sehingga ada beberapa kemungkinan rintangan bagi elektron bebas untuk bergerak, tertahannya pergerakan elektron bebas biasa disebut dengan tahanan listrik. Jadi tahanan listrik pada suatu benda berbeda berdasarkan beberapa faktor seperti jenis benda, bagian kabel, panjang kabel, temperatur. Semua benda terdiri dari struktur atom yang berbeda, karena itulah ruang lingkup elektron bebas untuk bergerak menjadi beragam tergantung dari jenis bendanya. Walaupun elektron dengan jumlah yang sama per satuan, jumlah elektron yang dapat mengalir melalui ruang sempit per satuan waktu dapat berubah. Semakin besar ketebalan suatu benda, maka pintu gerbang dimana elektron dapat bergerak juga menjadi semakin lebar. Jika jarak mengalir elektron jauh, maka waktu perjalanan juga akan semakin lama, sehingga jumlah elektron yang bergerak dalam unit waktu dapat berkurang. Artinya adalah banyak tahanan listriknya. Rumus untuk menjelaskan tahanan listrik adalah: R=
𝜌𝐿 𝑆
………………………………………………………………………….(2.3)
Dimana: R = Tahanan suatu benda ρ = Variabel dari suatu benda (Ω m) L = Panjang kabel (m) S = Lebar area (m2)
7
1 Ampere
1 Ampere 1Ω
1 volt
1 Volt Gambar 2.1 Tahanan Listrik (Sumber: Daryanto, 2011)
Juga jika suatu benda temperaturnya naik, gerakan atom akan menjadi lebih lambat, karena atom-atom elektron bebas tersebut bergeraknya tidak bebas. Jadi tahanan listrik akan naik apabila temperatur bendanya bertambah tinggi. Huruf yang mewakili tahanan adalah : R Satuan tahanan adalah : Ω (ohm) Simbol tahanan : 1 Ohm
: adalah suatu tahanan listrik (konduktor) yang mampu menahan aliran arus listrik sebesar 1 ampere dengan tegangan 1volt.
1 kΩ = 1000 Ω 1 Ω = 0.001 kΩ 1 MΩ = 1000000 Ω
2.1.4 Hubungan antara Arus Listrik, Tegangan dan Tahanan Arus listrik, tegangan dan tahanan sangat menentukan suatu listrik di dalam sirkuit. Tiga faktor tersebut sangat erat sekali hubungannya. Bila satu item berubah, maka salah satu atau kedua item lainnyapun ikut berubah juga. Hubungan antara arus listrik, tegangan dan tahanan dapat diibaratkan sebagai satu kesatuan hitungan matematika. Rumusan tersebut merupakan bagian dari hukum Ohm. Aturan tersebut dapat dipakai untuk menjelaskan atau memperkirakan keadaan kelistrikan suatu sirkuit.
Arus listrik: Banyaknya elektron yang mengalir, sama seperti pada pipa air, semakin besar pipa tersebut maka semakin besar pula kapasitas alirannya. Diukur dalam Ampere (A).
Tegangan: Suatu ukuran potensial dari suatu sumber untuk mensuplai electromotive force (EMF), atau tekanan listrik. Diukur dalam Volt (V).
8
Tahanan: Suatu ukuran perlawanan terhadap suatu arus listrik di dalam sirkuit, satuan ukurannya adalah Ohm (Ω).
2.2 Sumberdaya Energi Adalah menarik, mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi atau turut mempengaruhi pembentukan atau terjadinya suatu sumberdaya energi. Pohon atau tumbuh-tumbuhan pada umumnya dapat hidup dan tumbuh karena mendapat zat-zat yang diperlukannya melalui air yang diperolehnya dari tanah. Pada saat zat-zat itu diserap tumbuh-tumbuhan, daun menerima energi panas dari matahari dan menyerap zat lemas dari udara dan melepaskan zat asam ke udara. Energi yang diterima daun dari sinar matahari “disimpan” dalam batang dan dahan, kemudian dibebaskan lagi bila kayu dibakar. Pohon dan tumbuh-tumbuhan sering juga dikelompokkan dengan nama massa bio atau biomassa. Angin terjadi karena udara disuatu tempat menjadi panas karena matahari. Oleh karena itu berat jenisnya berkurang dan naik ke atas. Proses ini menyebabkan penggeseran udara yang disebut angin. Jelaslah bahwa energi angin berasal dari matahari. Tenaga air terjadi karena air di lautan dan di danau menguap disebabkan panas matahari naik ke langit menjadi awan dan turun di gunung dalam bentuk air sebagai hujan. Dengan gravitasi bumi air yang mengalir melalui sungai menuruni lereng gunung menghasilkan potensi tenaga air. Batu bara terjadi karena bahan organik berasal dari biomassa hutan-hutan yang “tenggelam” mengalami tekanan selama jangka waktu yang diperkirakan berjuta tahun. Jika batu bara diperkirakan berasal dari bahan organic berupa biomassa, minyak dan gas bumi nenurut perkiraan mungkin sekali terjadi dari bahan organic asal binatang-binatang kecil dan mengalami proses penekanan sangat lama. Energi panas bumi terjadi karena pertemuan antara magma, yaitu panas dalam “perut bumi”, dengan air. Energi nuklir diperoleh dengan reaksi material. Tenaga pasang surut terjadi dari resultan gaya gravitasi dan rotasi bumi dan gaya gravitasi matahari, yang bekerja pada air laut.
9
Panas laut terjadi, karena energi radiasi surya diserap air laut, sehingga energi itu tersimpan dalam air laut. Energi ombak laut terjadi karena laut ditiup oleh angin dan disebabkab udara di suatu tempat dipanasi oleh penyinaran matahari. Arus pancar, yang lebih dikenal dengan jetstream, adalah angin khusus yang bertiup di atmosfer dengan ketinggian sampai 10000 meter atau lebih. Kapal-kapal terbang jet senantiasa berusaha untuk memanfaatkan arus pancar ini, agar dapat terbang lebih cepat sambil menghemat bahan bakar.
2.3 Air sebagai Energi Nama sistematis: air Nama alternatif: aqua, dihidrogen monoksida, hidrogen hidroksida Rumus molekul: H2O Massa molar: 18.0153 g/mol Densitas dan fase: 0.998 g/cm³ (cariran pada 20 °C), 0.92 g/cm³ (padatan) Titik lebur: 0 °C (273.15 K) (32 ºF) Titik didih: 100 °C (373.15 K) (212 ºF) Kalor jenis: 4184 J/(kg•K) (cairan pada 20 °C)
Keadaan air yang berbentuk cair merupakan suatu keadaan yang tidak umum dalam kondisi normal, terlebih lagi dengan memperhatikan hubungan antara hidridahidrida lain yang mirip dalam kolom oksigen pada tabel periodik, yang mengisyaratkan bahwa air seharusnya berbentuk gas, sebagaimana hidrogen sulfida. Dengan memperhatikan tabel periodik, terlihat bahwa unsur-unsur yang mengelilingi oksigen adalah nitrogen, fluor, dan fosfor, sulfur dan klor. Semua elemen-elemen ini apabila berikatan dengan hidrogen akan menghasilkan gas pada temperatur dan tekanan normal. Alasan mengapa hidrogen berikatan dengan oksigen membentuk fasa berkeadaan cair, adalah karena oksigen lebih bersifat elektronegatif daripada elemen-elemen lain tersebut (kecuali flor). Tarikan atom oksigen pada elektronelektron ikatan jauh lebih kuat dari pada yang dilakukan oleh atom hidrogen, meninggalkan jumlah muatan positif pada kedua atom hidrogen, dan jumlah muatan negatif pada atom oksigen. Adanya muatan pada tiap-tiap atom tersebut membuat molekul air memiliki sejumlah momen dipol. Gaya tarik-menarik listrik antar
10
molekul-molekul air akibat adanya dipol ini membuat masing-masing molekul saling berdekatan, membuatnya sulit untuk dipisahkan dan yang pada akhirnya menaikkan titik didih air. Gaya tarik-menarik ini disebut sebagai ikatan hidrogen (Eco Power Booster, 2012). Air adalah substansi kimia yang memiliki rumus H2O. Satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H +) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH-). Prinsip untuk mengembangkan air sebagai energi adalah dengan mengubahnya menjadi senyawa-senyawa penyusunnya yaitu hidrogen (H) dan oksigen (O). Elektrolisis air menjadi prinsip dasar untuk mengubah air menjadi senyawa-senyawa penyusunnya. Gas H2 hasil elektrolisis tersebut digunakan sebagai energi bahan bakar yang memiliki tingkat pembakaran lebih tinggi, hingga 75%, dibandingkan dengan energi lainnya. Teknologi pemanfaatan air sebagai energi telah banyak dikembangkan. Dari beberapa teknologi yang ada, semuanya menggunakan proses elektrolisis air sebagai prinsip dasarnya. Hingga saat ini sudah ditemukan tiga teknologi untuk memanfaatkan air sebagai energi yaitu fuel cell, sistem HOD (Hydrogen Oxygen Demand), dan elektrolisa HHO (Hydrogen Hydrogen Oxygen). (Lischer, 2010). Perbandingan yang lebih lengkap tentang teknologi optimalisasi air sebagai alternatif energi dapat dilihat pada tabel 2.1.
11
Tabel 2.1 Perbandingan Teknologi Fuel Cell, Sistem HOD, dan Elektrolisa HHO No.
Hal
Fuel Cell
Sistem HOD
Elektrolisa HHO
1
Energi
listrik
dibutuhkan
yang Besar, lebih dari Hidrogen
Sedikit, hanya
untuk 12 volt. Tidak sudah
mengelektrolisis H2O
efisien
membutuhkan
tersimpan dalam
kurang dari 12 suatu volt.
tabung 2
3
4
Prinsip kerja teknologi
Ketersediaan alat
Katalis
Elektrolisis dan Hanya injeksi Hanya injeksi hidrogen
hidrogen
elektrolisis air
Sulit ditemukan
Sulit
Mudah
ditemukan
ditemukan
Tidak ada
Asam,
Tidak ada
Basa,
Garam 5
Biaya
Mahal
Mahal
Murah
(sumber: Lischer, 2010)
2.4 Bahan Bakar Kimia 2.4.1 Hidrogen sebagai Bahan Bakar Sebagaimana diketahui, pembakaran pada asasnya adalah proses oksidasi. Pada proses pembakaran terdapat pula energi yang dibebaskan berupa panas. Pada pembakaran hidrokarbon maka unsur zat arang (C) bersenyawa dengan unsur zat asam (O) membentuk karbondioksida (CO2) dengan membebaskan energi: C + O2 → CO2 + Energi + Pencemaran Pada prinsipnya hal serupa dapat terjadi bila unsur zat air hidrogen (H) bersenyawa dengan unsur zat asam (O) terbentuk apa yang kita kenal sebagai air (H2O) dengan membebaskan energi: 2H2 + O2
2H2O + Energi
Dicatat bahwa reaksi di atas adalah timbal balik. Rumus-rumus diatas pada asasnya merupakan suatu perputaran, suatu siklus air (H2O) dipisah menjadi H2 dan O2 untuk kemudian membentuk (H2O) kembali. Bilamana pada pembakaran
12
misalnya batu bara terbentuk CO2 dan produk lain yang menggangu kelestarian alam, pada oksidasi zat air hanya terjadi air yang rumus kimianya H 2O dan yang bukan merupakan suatu polutan atau pengotor lingkungan. Bahkan H2O merupakan bagian alamiah dari lingkungan. Pembakaran 1 kg minyak bumi akan menghasilkan energi sebanyak kira-kira 10000 kCal. Pembakaran 1 kg bahan bakar terbaik, yaitu metan akan memberikan panas sebanyak kurang lebih 12000 kCal. Bilamana hidrogen dibakar, maka 1 kg akan melepaskan energi sebanyak 28600 kCal. Jauh lebih banyak dari bahan bakar “favorit” lainnya. Mengingat unsur hidrogen dalam bentuk air banyak terdapat di alam, dan bahwa pada proses pembakaran kembali dihasilkan air, kiranya sumberdaya energi ini seolah-olah tidak terbatas adanya. Suatu cara yang tampaknya memberikan harapan baik untuk produksi hidrogen di kemudian hari adalah elektrolisis, yang memerlukan energi listrik. Sedang dalam pemikiran adalah memakai energi listrik di luar beban puncak, dan pada lokasi pusat listrik yang jauh-jauh. Juga diperkirakan bahwa pusat-pusat listrik tenaga nuklir merupakan calon-calon yang kuat untuk bagi proses elektrolisa dalam membuat hidrogen (Abdul Kadir, 1995).
2.5 Fuel Cell Apa itu fuel cell? Secara sederhana fuel cell adalah sebuah alat yang menggunakan bahan bakar sebagai masukannya dan memproduksi listrik sebagai keluarannya. Dalam artian yang lebih spesifik fuel cell adalah sebuah alat yang mengkonversi bahan bakar secara kontinyu menjadi listrik dan panas dengan cara reaksi elektrokimia. Reaktan yang biasanya digunakan dalam sebuah sel bahan bakar adalah hidrogen di sisi anoda dan oksigen di sisi katoda (sebuah sel hidrogen). Biasanya, aliran reaktan mengalir masuk dan produk dari reaktan mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang dapat terus menerus dilakukan selama aliran tersebut dapat dijaga kelangsungannya. Sel bahan bakar adalah jenis sel yang berbeda dari sel umum lainnya. Sel menyimpan energi listrik dalam sistem tertutup kimia sementara sel bahan bakar menghasilkan listrik dengan mengkonsumsi bahan bakar. Sel bahan bakar mirip dengan baterai, tetapi berbeda karena dia dirancang untuk dapat diisi terus
13
reaktannya yang terkonsumsi yaitu dia memproduksi listrik dari penyediaan bahan bakar hidrogen dan oksigen dari luar. Hal ini berbeda dengan energi internal dari baterai. Sebagai tambahan, elektroda dalam baterai bereaksi dan berganti pada saat baterai diisi atau dibuang energinya, sedangkan elektroda sel bahan bakar adalah katalitik dan relatif stabil.
2.5.1 Karakteristik Fuel Cell a. Rendah emisi Bahan bakar sel pada dasarnya mereaksikan hidrogen dengan oksigen pada proses elektrokimia yang akan menghasilkan listrik, tidak ada proses pembakaran seperti pembangkit listrik tenaga termal atau generator diesel. Jadi bahan bakar sel hanya menghasilkan listrik, air dan panas. Konversi energi fuel cell biasanya lebih efisien daripada jenis pengubah energi lainnya, emisi per listrik yang dihasilkan relatif rendah, efisiensi konversi energi dapat dicapai hingga 60-80%. Selain itu, ada gas NOx yang dihasilkan karena suhu tinggi pada proses pembakaran, maupun sedikit ada emisi SOx. b. Rendah kebisingan Reaksi antara hidrogen dengan oksigen pada proses kimia, tidak menimbulkan suara yang berisik atau letupan seperti pada motor. Bila terjadi suara berisik, itu mungkin karena operasi pada alat seperti blower atau kompresor. c. Efisiesi tinggi Energi yang yang biasanya dihasilkan pada proses metode termal dan energi kinetik untuk menghasilkan listrik dari bahan bakar, menghasilkan energi yang hilang dalam beberapa pase. Efisiensi bahan bakar sel ideal menunjukkan lebih dari 80%, dengan 30 – 60 % merupakan efisiensi yang nyata karena dilihat juga pada perangkat pengoperasian atau energi termal yang hilang. Dalam kasus mesin diesel, mesin bensin, atau turbin gas, efisiensi yang dihasilkan cenderung menjadi meningkat, disisi lain bahan bakar sel memperoleh efisiensi tinggi terus menerus tanpa memperhatikan jumlah keluaran yang dihasilkan, sehingga ini merupakan salah satu poin yang terbaik. Fuel cell tidak menggunakan proses pembakaran dalam konversi energi, maka efisiensinya tidak dibatasi oleh batas maksimum temperatur operasional (tidak dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot). Hasilnya, efisiensi konversi
14
energi pada fuel cell melalui reaksi elektrokimia lebih tinggi dibandingkan efisiensi konversi energi pada mesin kalor (konvensional) yang melalui reaksi pembakaran.
Gambar 2.2 Perbandingan Efisiensi Fuel Cell dengan Mesin Konvensional (microvett.it, 09/10/2006)
2.5.2 Jenis-Jenis Fuel Cell Fuel cell biasanya diklasifikasikan berdasarkan temperatur operasi dan tipe elektrolit yang digunakan (Scribd Inc, 2012). 1. Alkaline fuel cell (AFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
Merupakan desain fuel cell tertua.
Larutan potassium hidroksida (KOH) sebagai elektrolit.
Efisiensi sekitar 70% dan temperatur operasi 150˚ - 200˚C. Keluaran cell 300 watt – 5 kW.
Menggunakan tekanan tinggi → meningkatkan OCV (open circuit volotage).
AFC digunakan pada kendaraan luar angkasa Apollo untuk menghasilkan listrik dan air minum.
Kekurangannya adalah rentan kontaminasi sehingga perlu oksigen murni, dapat mengalami kebocoran (karena menggunakan elektrolit cair dan tekanan tinggi)
15
sehingga dilakukan pembungkusan fuel cell dengan gas inert untuk pencegahan, serta biaya yang mahal. Adapun kelebihannya adalah elektroda tidak perlu dari logam mulia. 2. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
MCFC menggunakan campuran cair logam alkali karbonat temperatur tinggi sebagai elektrolit.
Efisiensi antara 60% – 80% dan temperatur operasi 600˚ - 700˚C (untuk membentuk garam konduktif).
Cocok untuk pembangkit listrik besar. Unit dengan keluaran 2 MW sudah dibangun dan terdapat desain untuk unit sampai 100 MW (Jepang).
Kekurangannya adalah Kurang cocok untuk penggunaan rumah tangga karena temperatur tinggi. Sedangkan kelebihannya yaitu tidak perlu logam mulia untuk elektroda, panas buangan dapat digunakan untuk menghasilkan uap, CO 2 dari anoda dapat digunakan pada katoda. 3. Direct methanol fuel cell (DMFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
Menggunakan campuran methanol dan air sebagai bahan bakar.
Katalis Platina-Rhutenium.
Contoh aplikasi misalnya pada alat elektronik, mobil DMFC pertama2002
Kelebihan dari DMFC ini adalah menggunakan methanol → cair pada STP → mudah disimpan, menghilangkan penguap bahan bakar, temperatur operasi rendah, ukuran kecil dan ringan. Kekurangannya memungkinkan terjadi chemical short circuit → inefisiensi, katalis menggunakan Pt dalam jumlah besar → rentan keracunan akibat CO. 4. Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
Menggunakan elektrolit polimer dalam bentuk lembaran tipis dan permeable yang dihidrasi.
Efisiensi antara 40 – 50% dan temperatur operasi antara 60˚ - 80˚.
Keluaran cell antara 50 – 250 kW.
16
Elektrolit yang digunakan tidak akan bocor atau retak dan cell beroperasi pada temperatur yang cukup rendah → cocok untuk digunakan pada mobil listrik dan kebutuhan rumah.
Bahan bakar harus dijernihkan dan katalis platina digunakan pada kedua sisi membran → meningkatkan biaya.
Jenis fuel cell yang paling banyak diteliti saat ini.
Kelebihan dari PEMFC ini adalah dapat beroperasi pada temperatur rendah, rapat energi tinggi → ukuran kecil, umur lebih lama, elektrolit padat → mudah disusun. Kekurangannya manajemen air sulit, air sebagai produk akhir → banjir pada elektroda. 5. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
Menggunakan asam fosfat sebagai elektrolit → stabil, tidak bereaksi dengan CO2 (tidak ada pembentukan karbonat).
Efisiensi antara 40 – 80% dan temperatur operasi antara 150˚ - 200˚C.
PAFC yang sudah ada memiliki keluaran sampai 200 kW.
Katalis elektroda platina pada karbon.
Fuel cell pertama yang tersedia secara komersial.
Jepang: power plant PAFC terbesar (11 MW) → Harga teknologi masih mahal.
Kelebihan dari PAFC adalah stabil, dan tidak bereaksi dengan CO 2. Kekurangannya titik bekunya 42˚C → internal stress, elektrolit asam dalam jumlah sedikit selama operasi → harus diberi elektrolit berlebih. 6. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut:
Menggunakan senyawa keramik logam (seperti kalsium atau zirconium) oksida sebagai elektrolit.
Efisiensi sekitar 60% dan temperatur operasi 700˚ - 1000˚C.
Potensial untuk pembangkit besar diam.
Dapat digunakan untuk CHP: panas buangan → uap → menghasilkan listrik.
17
Kelebihan daro SOFC ini adalah komponen padat, efektif untuk CHP (cogeneration of heat and power), tidak perlu logam mulia sebagai elektroda, dapat menggunakan berbagai macam bahan bakar, tahan terhadap kontaminasi. Kekurangannya tidak cocok untuk penggunaan skala kecil.
2.5.3 Prinsip Kerja Fuel Cell Air dielektrolisis menghasilkan hidrogen dan oksigen. Seperti yang sudah dinyatakan diatas, bahan bakar sel secara kontras merupakan suatu elektrokimia yang menghasilkan listrik dan panas dari hidrogen dan oksigen.
Gambar 2.3 Proses Elektrolisis dan Fuel Cell (Sumber: ED Research Institute, 2011)
Bahan bakar sel menghasilkan listrik dan panas pada saat yang sama. Bahan bakar sel pada dasarnya terdiri dari tiga lapisan unit yaitu kutub tempat masuknya bahan bakar (anoda), sebuah lapisan elektrolit, dan kutub tempat masuknya udara (katoda). Sehingga tegangan dan arus yang dibutuhkan diperoleh dengan membangun atau menyusun jumlah sel dan konfigurasi stak.
18
Gambar 2.4 Proses Kerja Fuel Cell (Sumber: World Fuel Cell Council)
Untuk menghasilkan listrik pada bahan bakar sel, gas hidrogen diarahkan menuju kutub anoda dan akan bereaksi secara kimiawi, menghasilkan ion hidrogen (H +) dan ion elektron (e-), kemudian pada sisi katoda, oksigen atau udara yang disediakan akan mengalami reaksi reduksi yang akan menghasilkan air (H2O), kombinasi dari oksigen dengan ion hidrogen yang melewati sebuah elektrolit dan elektron berpindah ke konduktor luar, pada saat itu aliran elektron luar membentuk arus yang menghasilkan listrik. Rekasi-reaksi yang terjadi pada elektroda adalah sebagai berikut: Reaksi Anoda:
2H2
Reaksi katoda:
4e- + 4H+ + O2
4e- + 4H+ 2H2O
Reaksi Keseluruhan: 2H2 + O2 → 2H2O + panas + listrik
19
2.5.4 Diagram Sistem Bahan Bakar Sel Pembangkit Listrik Pada Gambar 2.4 diperlihatkan proses kerja bahan bakar sel dari bahan bakar fosil yang diubah melalui proses reformer menjadi hidrogen. Hidrogen ini akan mengalami reaksi kimia dengan oksigen dan menghasilkan arus listrik, dengan pembuangan berupa air dan panas.
AIR (O2)
H2 Fuel
Reformer
cathode STACK
DC Inverter
AC (Alternating Current)
anode Hot Water Natural Gas, methanol
Heat
Heating
Gambar 2.5 Sistem Bahan Bakar Sel (Sumber: ED Research Institute, 2011)
Reformer
Sebuah alat yang memproduksi hidrogen dari bahan bakar fosil (gas alami, methanol, petroleum).
Stack
Alat yang terbentuk dari serangkaian sel untuk mendapatkan energi listrik yang dibutuhkan.
20
Inverter
Sebuah alat yang mengubah arus searah (DC) dari bahan bakar sel menjadi arus bolak-balik (AC) sehingga dapat disesuaikan dengan sistem listrik yang telah ada.
Alat Bantu (BOP: Balance of Plant)
Sebuah alat yang meliputi pompa, blower, sensor untuk bahan bakar, udara, recycle thermal.
2.5.5 Keuntungan dan Kerugian Fuel Cell 2.5.5.1 Keuntungan Fuel Cell Bahan bakar sel merupakan alat yang memproduksi listrik dalam jangka panjang selama tersedia bahan bakar, dan terdapat persamaan umum karakteristik dengan mesin pembakaran. Karena bahan bakar sel merupakan alat konversi energi pada proses elektrokimia yang tergantung pada kimia listrik untuk bekerja, maka memiliki persamaan umum karakteristik dengan baterai. Sesungguhnya bahan bakar sel mengkombinasikan banyak keuntungan baik dari mesin ataupun baterai. Sejak bahan bakar sel menghasilkan listrik secara langsung dari energi kimia, maka sering jauh lebih efisien dibandingkan dengan mesin pembakaran. Karena pada bahan bakar sel tidak ada bagian yang bergerak, maka tidak ada bagian dari fuel cell yang mengalami gesekan dan benturan. Hal itulah yang menyebabkan bahan bakar sel menjadi tidak berisik dan memiliki umur kerja yang panjang. Dibandingkan dengan baterai, skala daya dan kapasitas dari bahan bakar sel dapat kita sesuaikan. Untuk rentan daya 1-W (Cell Phone) sampai rentang megawatt (Power Plant) dapat dilakukan karena bahan bakar sel memiliki kerapatan energi potensial yang tinggi dibandingkan baterai dan dengan cepat terisi kembali dengan bahan bakar. Sedangkan baterai yang harus dibuang ataupun diisi ulang dengan memerlukan waktu yang lama (O’Hayre, dkk, 2009). Sistem fuel cell tidak perlu penyetruman (recharge) layaknya baterai. Tetapi sistem fuel cell harus diisi ulang dengan hidrogen, dimana prosesnya lebih cepat dibandingkan penyetruman baterai. Selain itu, baterai tidak dapat dipasang dalam jumlah besar pada mesin otomotif untuk meningkatkan performance karena akan semakin menambah beban pada kendaraan tersebut (Thomas Ari Negara, 2007).
21
2.5.5.2 Kerugian Fuel Cell Hidrogen sulit untuk diproduksi dan disimpan. Saat ini proses produksi hidrogen masih sangat mahal dan membutuhkan input energi yang besar (artinya: efisiensi produksi hidrogen masih rendah). Untuk mengatasi kesulitan ini, banyak negara menggunakan teknologi reforming hidrokarbon/fosil untuk memperoleh hidrogen. Tetapi cara ini hanya digunakan dalam masa transisi untuk menuju produksi hidrogen dari air yang efisien. Fuel cell membutuhkan hidrogen murni, bebas dari kontaminasi zat-asing. Zat-asing yang meliputi sulfur, campuran senyawa karbon, dll dapat menonaktifkan katalisator dalam fuel cell dan secara efektif akan menghancurkannya. Pada mesin kalor pembakaran dalam (internal combustion engine), masuknya zat-asing tersebut tidak menghalangi konversi energi melalui proses pembakaran. Fuel cell yang diaplikasikan pada industri otomotif memerlukan katalisator yang berupa Platinum untuk membantu reaksi pembangkitan listrik. Platinum adalah logam yang jarang ditemui dan sangat mahal. Berdasarkan survei geologis ahli USA, total cadangan logam platinum di dunia hanya sekitar 100 juta kg (Bruce Tonn and Das Sujit, 2001). Dan pada saat ini, diperkirakan teknologi fuel cell berkapasitas 50 kW memerlukan 100 gram platinum sebagai katalisator (DEO, 2000). Misalkan penerapan teknologi fuel cell berjalan baik (meliputi: penghematan pemakaian platinum pada fuel cell, pertumbuhan pasar fuel cell rendah, dan permintaan platinum rendah) maka sebelum tahun 2030 diperkirakan sudah tidak ada lagi logam platinum (Anna Monis Shipley and R. Neal Elliott, 2004). Untuk itulah diperlukan penelitian untuk menemukan jenis katalisator alternatif yang memiliki kemampuan mirip katalisator dari platinum. Selama beroperasi, sistem fuel cell menghasilkan panas yang dapat berguna untuk mencegah pembekuan pada temperatur normal lingkungan. Tetapi jika temperatur lingkungan terlampau sangat dingin (-10 s/d -20 C) maka air murni yang dihasilkan akan membeku di dalam fuel cell dan kondisi ini akan dapat merusak membran fuel cell (David Keenan, 10/01/2004). Untuk itu harus didesain sebuah sistem yang dapat menjaga fuel cell tetap berada dalam kondisi temperatur normal operasi (Thomas Ari Negara, 2007).
22
2.6 Elektrolisis Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirinya arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidroksida (OH-). Sementara itu pada anoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O 2), melepaskan 4 ion H+ serta mengalirkan elektron ke katoda. Ion H+ dan OHmengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan seperti Gambar 2.5.
Gambar 2.6 Proses Elektrolisis air (Sumber: Eco Power Booster, 2012)
Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H2O2) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen. Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Komponen terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektroda dan larutan elektrolit. Pada proses elektrolisis diperlukan dua buah kutub yaitu katoda sebagai kutub negatif dan anoda sebagai kutub positif.
23
Jumlah gas-gas yang dapat dihasilkan oleh sel elektrolisis dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: 2H2O → 2H2 + O2 mH2 = mO2 =
𝑚𝑟𝐻2𝑂 𝐿 𝑚𝑟𝐻2𝑂 𝐿
= =
𝑚𝑟𝐻2 𝐿 𝑚𝑟𝑂2 𝐿
…………………………………………………………….2.4 ………………………………………………….…………2.5
Dimana: mH2 = massa gas hidrogen hasil elektrolisis mO2 = massa gas oksigen hasil elektrolisis mrH2O = massa rasio air mrH2 = massa rasio hidrogen mrO2 = massa rasio oksigen L = volume air
24
2.7 Hidrogen
Gambar 2.7 Hidrogen (Sumber: Eco Power Booster, 2012)
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. Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah - 286 kJ/mol. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Kasus meledaknya pesawat Hindenburg adalah salah satu contoh terkenal dari pembakaran hidrogen. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon.
25
2.8 Polimer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Gambar 2.8 Rangkaian Kesatuan Sistem PEMFC
Penggunaan membrane polimer yang memperlihatkan pertukaran ion hidrogen pada elektrolit, PEMFC merupakan jenis alat perkembangan teknologi masa depan dengan efisiensi tinggi, tanpa polusi, tanpa menghasilkan kebisingan, yang langsung merubah bahan bakar kimia baik itu methanol ataupun hidrogen menjadi energi listrik. Dibandingkan dengan motor yang ada, PEMFC menunjukkan lebih dari 1.5 kali lebih tinggi pada efisiensi konversi energi dan tidak menimbulkan polusi udara yang beracun. Secara khususnya Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell bila dibandingkan dengan tipe lain bahan bakar sel, output bahan bahan bakar sel lebih tinggi dengan kepadatan arus yang tinggi, pengoperasiannya dibawah suhu 100˚C, memiliki struktur yang sederhana, menstart dengan cepat, menanggapi karakteristik, serta unggul dalam daya tahannya. Alat ini juga bisa menggunakan methanol dan gas alam lain selain hidrogen untuk digunakan sebagai bahan bakarnya, sehingga memiliki sistem yang cocok untuk kendaraan sebagai sumber tenaganya. PEMFC dapat digunakan secara luas, tidak hanya sebagai sumber listrik dengan emisi rendah pada kendaraan, tetapi juga untuk pembangkit listrik untuk instalasi listrik lokal, persediaan untuk kekuatan militer, dan suplai daya pesawat ruang angkasa. Pertama kali pelajaran tentang PEMFC dimulai pada GE, dari USA pada tahun 1995, disusul dengan aplikasi modul dengan dua tumpuk dengan daya 1 kW kategori PEMFC, itu sudah siap untuk pesawat ruang angkasa Gemini 3 sampai 12
26
pada tahun 1962. Sejak itu, aktif melakukan penelitian diseluruh dunia untuk menggunakan PEMFC sebagai bahan bakar kendaraan untuk kegunaan komersial. Kendaraan listrik bekerja dengan baterai mendapatkan sorotan sebagai pengganti kendaraan bermotor terutama yang menyebabkan polusi udara. Dalam kasus penggunaan baterai sebagai sumber tenaga listrik pada kendaraan, beberapa masalah terjadi seperti membutuhkan banyak waktu dalam pengisian, singkat dalam jarak tempuh mengemudi karena densitas energi yang rendah, umur dari baterai pendek. Komersialisasi dari kendaraan listrik membutuhkan banyak pengisian listrik dan pemakaian listrik yang disediakan dari pembangkit tenaga listrik skala besar, dimana hanya beralih ke sumber polusi setelah pemakaiannya. Oleh karena itu, untuk melengkapi kerusakan dalam baterai sebagai sumber penghasil listrik dalam kendaraan, itu mendapat sorotan dalam belakangan ini untuk memakai bahan bakar sel atau bagaimana mengkonfigurasi hibrida menggunakan baterai dan sel bahan bakar. Dasar dari penelitian untuk unit sel dimulai dari tahun 1990an terutama di beberapa universitas di Korea, dan pusat penelitian bahan bakar sel KIST dimulai dari tahun 1996 untuk perkembangan sumber teknologi untuk polymer electrolyte membrane fuel cell, memproduksi 5 kW pada stak di tahun 2000 dan menerapkannya pada bahan bakar sel/baterai kereta golf hibrida (ED Research Institute, 2011).
27
2.8.1 Komponen PEMFC Secara detail komponen penyusun sel PEMFC antara lain plat grafit sebagai elektroda,pengumpul arus, membran polimer, lapisan difusi gas, dan saluran gas hidrogen. Komponen ini tersusun berlapis seperti yang terlihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Komponen dari PEMFC (Sumber: Dawn M. Bernardi, 1992)
2.8.1.1 Membran Elektrolit Membran polimer pada PEMFC tersebut digunakan sebagai media penghantar spesi bermuatan, dalam hal ini proton, sehingga biasa disebut membran elektrolit. Membran yang digunakan biasanya merupakan membran polimer yang memiliki karakteristik tertentu, yaitu:
memiliki kemampuan menghantarkan spesi bermuatan yang baik. Karakteristik ini sangat penting untuk dimiliki oleh suatu membran polimer yang akan dimanfaatkan sebagai membran elektrolit PEMFC. Kemampuan menghantarkan spesi bermuatan, yang biasa dikenal dengan konduktivitas, sangat penting karena akan mempengaruhi kinerja sel bahan. Pada PEMFC atau DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), reaksi yang terjadi di anoda akan menghasilkan spesi bermuatan berupa proton yang kemudian akan ditransfer ke katoda untuk digunakan dalam reaksi reduksi oksigen. Membran elektrolit ini kemudian sangat berperan untuk dapat menghantarkan proton dari anoda ke katoda.
memiliki sifat mekanik dan sifat termal yang baik.
28
Sifat mekanik dan sifat termal yang baik menjadi kriteria membran elektrolit untuk aplikasi sel bahan bakar. Hal ini terkait dengan fabrikasi membrane electrode assembly (MEA), yaitu sistem sandwich anoda-membran-katoda, yaitu menggunakan metode hot press yang melibatkan sejumlah gaya tekan tertentu dengan pemberian panas tertentu. Jika membran tidak memiliki sifat mekanik dan termal yang baik, maka ditakutkan saat fabrikasi MEA, membran akan rusak sehingga kinerjanya menurun.
mudah terdegradasi saat membran tidak digunakan kembali. Sumber energi yang selama ini dimanfaatkan adalah sumber energi yang hasil sampingnya mencemari lingkungan. Untuk itu, dibutuhkan energi alternatif yang tidak menyebabkan adanya pencemaran lingkungan. Penggunaan membran elektrolit pada PEMFC atau DMFC yang merupakan polimer, erat kaitannya dengan isu lingkungan. Saat membran tidak digunakan kembali, apakah akan menjadi seperti sampah plastik yang akan terurai sekian ratus tahun? Jika PEMFC atau DMFC ini akan digunakan secara besar-besaran, apakah akan menghasilkan sampah membran bekas pakai dalam jumlah sangat banyak? Untuk menghindari hal tersebut, perlu dilakukan pemilihan membran yang kedua kategori sebelumnya terpenuhi, dan mudah terdegradasi saat sudah tidak digunakan kembali (Asri Sarinastiti, 2012).
2.8.1.2 Elektroda (Anoda dan Katoda) Elektroda adalah lapisan tipis katalis penting yang ditekan diantara membran dan lapisan pori (saluran oksigen). Elektroda merupakan sebuah layar yang dimana menjadi tempat terjadinya reaksi elektrokimia. Paling tepatnya, reaksi kimia tersebut terjadi dipermukaan lapisan katalis. Ada tiga hal yang terlibat dalam proses ini, yaitu gas (hidrogen), elektron dan proton, reaksi ini bisa memakai tempat pada jumlah luasan katalis dimana semua hal tersebut dapat masuk. Luasan reaksi bisa juga semakin besar oleh kekasaran permukaan maupun ukuran partikel serap katalis. Elektroda ini terdiri dari:
Anoda adalah kutub positif pada fuel cell. Anode merupakan elektroda yang akan mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen sehingga
29
elektron tersebut dapat digunakan diluar sirkuit. Pada meterialnya terdapat saluran – saluran gas hidrogen dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis.
Katoda adalah bagian kutub elektroda negatif pada fuel cell yang juga memiliki saluran yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan dalam mengalirkan elektron dari luar sirkuit kedalam sirkuit sehingga elektron-elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.
2.8.1.3 Pelat Bipolar Pelat bipolar atau pelat bidang alir (flow field plate) digunakan sebagai penghubung antara dua elektroda berbeda kutup. Pelat bipolar dibuat dari material yang mampu mengalirkan lstrik dan tidak dapat ditembus gas, fungsinya sebagai penyimpan arus dan sebagai struktur penguat rangkain fuel cell. Pelat ini biasa dibuat dari grafit, logam (aluminium, stainless steel, titanium, nikel) atau dapat dibuat juga dari komposit. Saluran alir dicetak pada permukaan pelat sebagai tempat aliran gasgas yang bereaksi. Fungsi utama pelat bipolar adalah sebagai berikut:
Mengalirkan elektron ke seluruh sirkuit: -
Mengumpulkan dan memindahkan elektron dari anoda ke katoda.
-
Menyatukan rangkaian fuel cell yang dilengkapi voltase (rangkaian fuel cell tergantung pada bentuk pelat bipolar).
Mengalirkan dan mendistribusikan gas ke elektroda secara merata.
Memisahkan oksidan dan bahan bakar gas, memasukkan H 2 ke anoda dan O2 ke katoda, serta membuang air hasil reaksi.
Sebagai penguat mekanik sekaligus penahan membran tipis dan elektroda, serta sebagai penjepit rangkaian fuel cell.
Sebagai konduktor panas untuk meregulasikan temperatur fuel cell dan memindahkan panas dari elektroda ke saluran pendingin.
2.9 Kerja Sel, Tegangan, Muatan dan Daya Reaksi kimia yang terjadi dalam suatu cara tertentu sehingga menyebabkan elektron mengalir pada suatu rangkaian listrik merupakan peristiwa yang terjadi pada fuel cell. Efisiensi listrik keseluruhan pada fuel cell merupakan perbandingan dari
30
energi listrik yang dikonsumsi pada electrolyzer dengan energi listrik yang dihasilkan pada fuel cell, yaitu:
Efficiency (η) =
𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒𝑑 𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑐𝑒𝑙𝑙 𝐸𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒𝑑 𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑙𝑦𝑧𝑒𝑟
x 100%..........(2.6)
Tegangan yang dapat diukur pada sel ini merupakan hasil perkalian antara arus dan hambatan rangkaian. V = I . R…………………………………………………..……………….(2.7) Muatan listrik yang terdapat dalam suatu rangkaian listrik dapat dinyatakan sebagai perkalian antara arus dan waktu pemakaiannya, yaitu: Q = I . t……………………………………………………………………(2.8) Sedangkan daya merupakan hasil kali arus yang dihasilkan dengan tegangan yang ada, yaitu: P=
𝑉2 𝑅
……………………………...…………...…………………..…..…(2.9)
Dimana : V = Tegangan (Volt) I = Arus listrik (Ampere) R = Hambatan (Ohm) Q = Jumlah muatan listrik (Coulomb) P = Daya (Watt)
