Arya Halim Glenardi

Introduction

Hello Everyone!!

Perkenalkan nama saya Arya Halim Glenardi dengan NPM 2106630486 dari program studi Teknik Perkapalan 2021

Resume Perkuliahan 26 Mei 2023

Pada pertemuan pertama, pak DAI menjelaskan bahwa metode numerik merupakan pendekatan yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan matematis kompleks dengan menggunakan perhitungan numerik yang mendekati solusi eksak. Pada perhitungan matematika, sangat jarang ada hal yang eksak, dicontohkan dengan persamaan x²-1/x-1 dan (x+1)(x-1)/(x-1) jika nilai x=1, namun sebenarnya nilai x=1 tidak menunjukan nilai eksak 1 tetapi hanya mendekati 1. Maka dari itu untuk mendapatkan solusinya kita perlu menggunakan pendekatan numerik.

Pada pertamuan ini juga dijelaskan mengenai Consciousness dalam berkehidupan sehari-hari. Kesadaran merupakan hal yang sangat luas yang mana dapat berpengaruh besar kepada jalan hidup yang kita pilih. Sebagai mahasiswa, kita disadarkan bahwa berkuliah itu penting atas dasar kesadaran diri sendiri. Jika kuliah hanya paksaan, maka berkuliah itu tidaklah berguna.

Pada pertemuan ini juga mahasiswa diberikan tugas oleh pak DAI untuk membuat model tabung hidrogen 1 liter dengan tekanan 8 bar yang mana cost maksimal dalam pembuatan tabung tersebut adalah Rp500.000. Tabung hidrogen ini digunakan pada kendaraan bermotor yang akan disambungkan ke aliran bensin/diesel agar dapat menghemat bahan bakar. Pengujian tabung hidrogen ini sudah mulai dilaksanakan oleh beberapa negara agar dapat menghemat konsumsi bahan bakar dunia.

Design & Optimization of Pressurized Hydrogen Storage

Capacity : 1 L

Pressure : 8 bar

Cost  : Rp500.000

A. Material Selection

Dalam mendesain suatu hal, hal pertama yang harus dilakukan ialah memilih material yang akan digunakan terlebih dahulu. Dalam kasus ini, material yang digunakan haruslah kuat, tahan lama dengan harga terjangkau. Material yang memungkinkan saya gunakan ialah Baja paduan 4130. Baja paduan 4130 adalah baja paduan chromium-molybdenum yang sering digunakan dalam industri kedirgantaraan, otomotif, dan industri energi. Baja ini memiliki kekuatan yang baik, ketangguhan yang tinggi, dan kemampuan tahan terhadap deformasi pada suhu tinggi. Material lain yang mungkin saya gunakan adalah Aluminium 7075. Aluminium 7075 adalah jenis aluminium paduan yang mengandung unsur utama seperti seng, tembaga, dan magnesium. Baja paduan ini dikenal karena kekuatannya yang tinggi, ketangguhannya yang baik, serta ketahanan terhadap korosi. Aluminium 7075 sering digunakan dalam industri kedirgantaraan, otomotif, dan industri pertahanan di mana kekuatan dan ringan menjadi faktor penting. Baja paduan ini juga digunakan dalam pembuatan komponen struktural yang memerlukan kekuatan yang tinggi, seperti sayap pesawat, bingkai sepeda gunung, dan senjata api.

Dengan karakteristik yang sebagaimana tercantum, material tersebut diasumsikan akan dapat menahan perubahan energi dan tekanan di dalam tabung serta melindungi dari luar dengan ketahanan korosi dan faktor eksternal lainnya.

Untuk harga dari material Baja paduan 4130 kisaran Rp10.000 per Kg [1] dan untuk aluminium 7075 kisaran Rp67.000 per M2 [2]

B. Tank Design

Untuk menghitung panjang dan diameter tabung yang dibutuhkan diharuskan mengetahui standar keamanan tabung hidrogen, namun untuk penyimpanan hidrogen sebanyak 1 Liter saya menggunakan perhitungan yaitu Diameter 7 cm dan Tinggi 28 cm sehingga didapatkan penyimpanan dalam bervolume kurang lebih 1 Liter.

Untuk menghitung ketebalan tabung hidrogen, dapat ditentukan dengan mengikuti standar yang ada. Standar ini dapat bervariasi tergantung pada negara atau wilayah, dan dapat diacu dari pedoman seperti ISO 9809 atau DOT (Department of Transportation) untuk negara-negara tertentu. Kita dapat menghitung ketebalan tabung silinder menggunakan Barlow's formula:

                                                                    t=P*D/(2*S*F)

dimana t merupakan ketebalan minimal, P merupakan tekanan tabung, D merupakan diameter tabung, S merupakan besaran yield strength dari lapisan penyimpanan hidrogen, dan F merupakan faktor keamanan.

C. Safety Measures

Menggabungkan fitur keselamatan seperti katup pelepas tekanan dan cakram pecah untuk mencegah tekanan berlebih. Sangat penting untuk memastikan bahwa tangki dapat menahan kondisi ekstrim tanpa kegagalan. oleh karena itu kita harus mendesain storage ini dengan persamaan yang hampir mendekati presisi sehingga kita bisa yakin bahwa storage ini aman. Perhatikan juga desain penguncian yang aman dan tahan terhadap getaran dan guncangan yang mungkin terjadi selama penggunaan kendaraan bermotor.

D. Testing

Tabung hidrogen harus diuji dan disertifikasi sesuai dengan standar yang berlaku untuk memastikan keamanan penggunaan dan transportasi. Pengujian seperti uji tekanan, uji kebocoran, uji kekuatan, dan uji tahan korosi harus dilakukan untuk memverifikasi kualitas dan keamanan tabung.

Kebutuhan

Spesifikasi tabung gas hidrogen yang pak DAI minta bervolume 1 Liter hidrogen dengan tekanan 8 bar serta cost maksimal yaitu Rp500.000.

Pemilihan Material

Dalam pembuatan tabung gas hidrogen, material yang direkomendasikan adalah Aluminium 7075. Aluminium 7075 merupakan paduan aluminium yang dikenal karena kekuatan dan ketahanannya yang tinggi. Berikut adalah beberapa poin yang menjelaskan mengapa Aluminium 7075 cocok untuk digunakan dalam pembuatan tabung gas hidrogen:

Ketahanan terhadap korosi

Aluminium 7075 memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi. Ini karena adanya kandungan bahan tambahan seperti seng dan tembaga dalam paduan, yang membentuk lapisan oksida pelindung pada permukaan logam. Lapisan ini melindungi aluminium dari serangan korosi, termasuk korosi yang dapat disebabkan oleh hidrogen.

Kekuatan dan ketahanan pada tekanan

Aluminium 7075 memiliki kekuatan yang tinggi, dengan nilai kekuatan tarik sekitar 570 MPa. Hal ini menjadikannya mampu menahan tekanan tinggi yang terkait dengan penyimpanan gas hidrogen. Tabung gas hidrogen memerlukan material yang mampu menahan tekanan internal yang tinggi, dan Aluminium 7075 memberikan kekuatan yang diperlukan untuk tujuan ini.

Penggunaan Industri yang Ditetapkan

Aluminium 7075 telah digunakan secara luas dalam industri untuk aplikasi yang memerlukan kombinasi kekuatan, ketahanan korosi, dan ringan. Paduan ini telah terbukti berhasil dalam banyak aplikasi, termasuk industri penerbangan, otomotif, dan pertahanan. Keberhasilan penggunaan Aluminium 7075 dalam aplikasi-industri yang serupa menunjukkan bahwa material ini dapat diandalkan dan sesuai untuk digunakan dalam pembuatan tabung gas hidrogen.

Dengan kombinasi ketahanan korosi yang baik, kekuatan yang tinggi, serta penggunaan yang sudah mapan dalam industri, Aluminium 7075 adalah pilihan yang baik untuk material dalam pembuatan tabung gas hidrogen. Namun, penting untuk memperhatikan semua persyaratan dan regulasi yang berlaku dalam pembuatan dan penggunaan tabung gas hidrogen untuk memastikan keselamatan dan keandalan yang optimal.

Desain Tabung

Ukuran Optimal

import math
from scipy.optimize import minimize

# Fungsi objektif: menghitung luas permukaan tabung gas hidrogen
def objective(x):
    radius, height = x
    return 2 * math.pi * radius**2 + 2 * math.pi * radius * height

# Fungsi kendala: menghitung volume tabung gas hidrogen
def constraint(x):
    radius, height = x
    return math.pi * radius**2 * height - 1000  # Volume dalam cm^3 (1 liter = 1000 cm^3)

# Inisialisasi tebakan awal untuk radius dan tinggi tabung
initial_guess = [1, 10]  # Misalnya, 1 cm dan 10 cm

# Batasan untuk radius dan tinggi tabung
bounds = [(0, None), (0, None)]

# Definisi kendala volume
volume_constraint = {'type': 'eq', 'fun': constraint}

# Minimalkan luas permukaan dengan mempertahankan volume
result = minimize(objective, initial_guess, method='SLSQP', bounds=bounds, constraints=volume_constraint)

# Mendapatkan hasil optimal
optimal_radius = result.x[0]
optimal_height = result.x[1]
min_surface_area = result.fun

# Output hasil optimal
print("\n\nOptimal Radius: {} cm".format(optimal_radius))
print("Optimal Height: {} cm".format(optimal_height))
print("Minimum Surface Area: {} cm²\n\n".format(min_surface_area))

Dari codingan tersebut didapat pengoptimalisasi ukuran tabung yang mana didapat besaran jari-jari, tinggi, dan luas permukaan tabung

Optimal Radius: 5.419261255088046 cm
Optimal Height: 10.838519182022262 cm
Minimum Surface Area: 553.5810443894838 cm²

Ketebalan Optimal

import math
import numpy as np

# Fungsi untuk menghitung ketebalan minimal tabung gas hidrogen
def calculate_thickness(radius, pressure, material_yield_strength):
    hoop_stress = pressure * radius / thickness

    safety_factor = 2  # Faktor keamanan (disesuaikan sesuai persyaratan desain)
    allowable_stress = material_yield_strength / safety_factor

    thickness_min = hoop_stress * radius / (2 * allowable_stress - hoop_stress)

    return thickness_min

# Input parameter
radius = 10  # Radius tabung dalam cm
pressure = 8  # Tekanan dalam bar
material_yield_strength = 503  # Kuat luluh bahan dalam MPa (contoh: Aluminium 7075)

# Konversi tekanan ke MPa
pressure_MPa = pressure * 0.1

# Inisialisasi ketebalan awal
thickness = 0.1  # Misalnya, ketebalan awal dalam cm

# Iterasi untuk mendapatkan ketebalan minimal
while True:
    thickness_min = calculate_thickness(radius, pressure_MPa, material_yield_strength)

    if thickness >= thickness_min:
        break

    thickness += 0.01  # Langkah penambahan ketebalan

# Output hasil
print("Optimal Thickness: {} cm".format(thickness))

Dari codingan diatas didapatkan ketebalan optimal dalam membuat tabung gas hidrogen dengan bahan dasar Aluminium 7075 dengan besar yield strength 503 mpa. Didapatkan ketebalan optimal yaitu:

Optimal Thickness: 0.41000000000000025 cm

Optimalisasi Ketahanan Hoop Stress Desain Tabung

import math

# Fungsi untuk menghitung tegangan lingkaran (hoop stress)
def calculate_hoop_stress(radius, pressure, thickness):
    hoop_stress = pressure * radius / thickness
    return hoop_stress

# Input parameter
radius = 5.42  # Radius tabung dalam cm
pressure = 8  # Tekanan dalam bar
thickness = 0.6  # Ketebalan tabung dalam cm
yield_strength = 503  # Kuat luluh bahan dalam MPa (Aluminium 7075)

# Konversi tekanan ke bar
pressure_bar = pressure

# Hitung tegangan lingkaran
hoop_stress = calculate_hoop_stress(radius, pressure_bar, thickness)

# Output hasil
print("Hoop Stress: {} bar".format(hoop_stress))

# Periksa apakah tegangan lingkaran melebihi kuat luluh bahan
if hoop_stress > yield_strength:
    print("Hoop Stress melebihi kuat luluh bahan.")
else:
    print("Hoop Stress aman.")

Didapat hasil

Hoop Stress: 72.26666666666667 bar
Hoop Stress aman.

Harga Pembuatan

Untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan permintaan yaitu budget maksimal Rp500.000, saya memilih untuk menggunakan bahan Aluminium seri 7075 dengan ketahanan yang kuat dan harga terjangkau.

Spesifikasi Tabung Gas Hidrogen

Radius = 5.42

Tinggi = 10.84 cm

Luas permukaan = 553.5810443894838 cm²

Ketebalan = 0.6 cm

Yield Strength bahan = 503 mpa

Harga Bahan per 1 cm²

Rp450 Aluminium 7075

Harga Katup Tabung Gas Hidrogen

Rp55.000 Katup Tabung Hidrogen

Harga Total Tabung

(Harga per 1 cm² X Luas permukaan Tabung) + Harga Katup = (450 X 553.85) + 55.000 = (249111,45) + 55.000 = Rp304.112

Kesimpulan

Design Tabung Sesuai Spesifikasi

Dalam membuat desain tabung gas hidrogen yang optimal dibutuhkan banyak proses. Mulai dari pemilihan material, pengoptimalisasian bentuk, pengujian kekuatan, sampai penyesuaian harga. Setelah melewati semua proses tersebut, saya akhirnya mendapat desain tabung gas hidrogen yang menurut saya optimal yaitu dengan menggunakan bahan Aluminium 7075 dan beberapa spesifikasi bentuk desain yaitu:

Radius = 5.42

Tinggi = 10.84 cm

Luas permukaan = 553.5810443894838 cm²

Ketebalan = 0.6 cm

Yield Strength Aluminium 7075 = 503 mpa

Pemilihan material dan desain ini menurut saya optimal karena sudah teruji dengan coding bahwa semuanya akan berjalan aman. Semoga dengan desain yang sudah saya buat ini dapat menjadi acuan atau dapat menginspirasi orang dalam proses pembuatan tabung gas hidrogen. Terima Kasih!

Final Case Study Report

Final Project Presentation Video