Aussagiri Jati Wibowo (Metode Numerik)

Nama: Aussagiri Jati Wibowo

NPM: 2106702913

Jurusan: Teknik Mesin

Kelas: Metode Numerik - 02

"I am conscious of myself and the world around me, my actions have their own consequences, so I'll take the risk and thank god for everything he has to offer"

بِسْمِ اللهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيْمِ

Hydrogen Storage Optimazation

Hydrogen Storage Optimazation adalah proses meningkatkan metode dan teknologi yang digunakan untuk menyimpan hidrogen dengan efisien dan efektif. Hidrogen adalah pembawa energi yang serbaguna dan memiliki potensi untuk memainkan peran yang signifikan dalam sistem energi bersih dan berkelanjutan. Namun, salah satu tantangan dalam memanfaatkan hidrogen adalah kerapatan rendah dan energi per unit volume, yang membutuhkan teknik penyimpanan khusus.

Berikut adalah cara untuk memaksikmalkan efisiensi Hydrogen Storage:

1. Pemilihan Metode Penyimpanan: Pilih metode penyimpanan yang sesuai dengan persyaratan aplikasi tertentu. Pertimbangkan faktor-faktor seperti kerapatan energi, durasi penyimpanan, skalabilitas, dan keamanan. Metode penyimpanan yang berbeda memiliki efisiensi dan kompromi yang berbeda, sehingga penting untuk memilih opsi yang paling cocok.

2. Kondisi Operasi Optimal: Tentukan kondisi operasi optimal untuk metode penyimpanan yang dipilih. Ini meliputi identifikasi suhu, tekanan, dan parameter lain yang ideal untuk memaksimalkan kapasitas penyimpanan dan meminimalkan kerugian energi. Lakukan penelitian dan eksperimen yang teliti untuk mengidentifikasi kondisi yang paling efisien.

3. Pengembangan Bahan Lanjutan: Investasikan dalam pengembangan bahan lanjutan untuk penyimpanan hidrogen. Ini meliputi eksplorasi metal hidrida baru, hidrida kimia, adsorben, dan bahan berbasis karbon dengan kapasitas penyimpanan yang lebih tinggi, kinetika yang lebih cepat, dan stabilitas yang lebih baik. Kemajuan dalam ilmu bahan dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi penyimpanan hidrogen.

4. Pengelolaan Panas: Minimalkan kerugian panas selama proses penyimpanan dan pelepasan hidrogen. Isolasi tangki penyimpanan atau sistem dengan cukup baik untuk mengurangi kerugian energi akibat transfer panas. Terapkan sistem pertukaran panas yang efisien untuk memulihkan dan menggunakan kembali panas selama pelepasan hidrogen, sehingga meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.

5. Desain Sistem Terintegrasi: Optimalkan desain sistem secara keseluruhan dengan mempertimbangkan seluruh rantai nilai hidrogen. Ini meliputi integrasi penyimpanan hidrogen dengan produksi hidrogen, distribusi, dan sistem pemanfaatan. Dengan mengoptimalkan seluruh sistem, menjadi mungkin untuk mengidentifikasi sinergi, meminimalkan kerugian energi, dan meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.

6. Teknologi Kompresi Lanjutan: Jika digunakan penyimpanan gas terkompresi, investasikan dalam teknologi kompresi lanjutan yang lebih hemat energi. Kompresor yang efisien tinggi dan teknik kompresi baru dapat mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan efisiensi penyimpanan.

7. Sistem Penyimpanan Hibrida: Pertimbangkan sistem penyimpanan hibrida yang menggabungkan berbagai metode penyimpanan untuk memanfaatkan kekuatan masing-masing. Misalnya, menggabungkan penyimpanan gas terkompresi dengan penyimpanan metal hidrida atau hidrida kimia dapat menyediakan penyimpanan berkepadatan tinggi sambil mempertahankan kinetika yang cepat.

8. Pemodelan dan Optimasi Sistem: Manfaatkan teknik pemodelan lanjutan dan algoritma optimasi untuk mensimulasikan dan mengoptimalkan sistem penyimpanan. Ini melibatkan analisis berbagai parameter, seperti suhu, tekanan, sifat bahan, dan konfigurasi sistem, untuk mengidentifikasi kondisi operasi dan konfigurasi penyimpanan yang paling efisien.

9. Penelitian dan Pengembangan Berkelanjutan: Dorong penelitian dan pengembangan berkelanjutan dalam teknologi penyimpanan hidrogen. Berkolaborasilah dengan lembaga akademik, organisasi penelitian, dan mitra industri untuk mengeksplorasi inovasi baru dan tetap terkini dengan kemajuan terbaru. Peningkatan berkelanjutan sangat penting untuk memaksimalkan efisiensi penyimpanan hidrogen.

Case Study

Rancanglah tabung hidrogen yang memiliki kapasitas 1 liter dan cost maksimal Rp. 500.000

---

Dimensi

Langkah awal dalam merancang tabung hidrogen tersebut adalah dengan menentukan dimensi tabung tersebut, yang dikalkulasikan dengan metode numerik

---

import math

def calculate_lowest_surface_area(volume):
   lowest_surface_area = float('inf')  # Initialize with infinity
   optimal_radius = 0
   optimal_height = 0'

   # Iterate over possible radius values
   for radius in range(1, int(math.sqrt(volume / math.pi)) + 1):
       height = volume / (math.pi * radius**2)
       surface_area = 2 * math.pi * radius * (radius + height)

   # Check if the current surface area is lower than the lowest recorded so far
   if surface_area < lowest_surface_area:
       lowest_surface_area = surface_area
       optimal_radius = radius
       optimal_height = height

   return optimal_radius, optimal_height, lowest_surface_area

# Test the function for a 1 liter volume
volume = 1000  # cubic centimeters
radius, height, surface_area = calculate_lowest_surface_area(volume)
print(f"Optimal radius: {radius} cm")
print(f"Optimal height: {height} cm")
print(f"Lowest surface area: {surface_area} cm²")'

Berdasarkan kalkulasi menggunakan metode numerik diatas, didapatkan beberapa hasil yaitu:

Optimal radius: 5 cm
Optimal height: 12.732395447351626 cm
Lowest surface area: 557.0796326794897 cm²

Untuk itu, kita bisa merancang tabung dengan ukuran:

Radius: 5 cm

Tinggi: 13 cm

Material

Selanjutnya adalah menentukan material yang tepat untuk membentuk tabung hidrogen tersebut

---

Material utama dalam membentuk tabung hidrogen tersebut tentu saja berbahan logam, bahan yang saya pikirkan adalah baja. Namun, baja sendiri bukanlah material yang ideal untuk menjadi tempat penampung gas hidrogen. Meskipun baja adalah material yang kuat dan tahan terhadap tekanan, terdapat beberapa faktor yang membuatnya kurang cocok untuk menyimpan gas hidrogen dalam jangka panjang, yaitu:

Hidrogen memiliki sifat yang sangat mudah menembus atau merembes melalui struktur material. Molekul hidrogen sangat kecil sehingga bisa dengan mudah berdifusi melalui celah-celah pada material baja sehingga berpotensi menyebabkan kebocoran dan kehilangan hidrogen secara bertahap dari wadah penyimpanan.

Hidrogen dapat menyebabkan embrittlement atau pengerasan pada baja karbon. Proses absorpsi hidrogen oleh baja karbon dapat mengubah struktur dan kekuatan material, yang pada akhirnya dapat mengurangi kekuatan dan ketahanan baja terhadap tekanan.

Dengan kata lain, menjadikan baja sebagai satu-satunya bahan untuk menampung hidrogen bukanlah ide yang baik. Oleh karena itu, saya berinovasi yaitu melapisi luas permukaan di dalam tabung dengan carbon fiber. Adapun alasan saya berinovasi seperti itu karena:

Komposit serat karbon memiliki ketahanan terhadap korosi yang baik. Hidrogen dapat menyebabkan korosi pada beberapa logam, tetapi komposit serat karbon tahan terhadap kerusakan akibat korosi hidrogen. Hal tersebut memungkinkan penyimpanan hidrogen yang lebih aman dan mencegah kebocoran yang dapat terjadi karena kerusakan korosi.

Komposit serat karbon memiliki sifat difusi hidrogen yang rendah, yang berarti bahwa kemungkinan kehilangan hidrogen melalui difusi melalui material sangat rendah sehingga  membantu menjaga keamanan dan efisiensi penyimpanan hidrogen dalam jangka panjang.

Komposit serat karbon memiliki kekuatan yang tinggi dalam hubungannya dengan beratnya yang ringan. Hal tersebut membuatnya menjadi pilihan yang baik untuk penyimpanan hidrogen, karena kualitas konstruksi tangki yang kuat namun tetap ringan. Kekuatan ini penting untuk menahan tekanan hidrogen dalam wadah penyimpanan.

Mengapa tidak menjadikan carbon fiber sebagai bahan dasar tabung hidrogen tersebut?

Dalam merancang tabung tersebut memanglah lebih mudah menjadikan carbon fiber sebagai satu-satunya bahan tabung dalam segi manufaktur, hanya saja apabila satu-satunya bahan tabung tersebut adalah carbon fiber akan terjadi pembengkakan biaya, mengingat harga carbon fiber dapat berkisar antara beberapa kali hingga puluhan kali lipat lebih mahal dibandingkan dengan baja, tergantung pada ukuran, jenis serat karbon, kualitas, dan merek yang digunakan.

Biaya

Selanjutnya adalah menentukan jumlah biaya untuk merancang tabung tersebut, dengan biaya maksimal Rp. 500.000

---

Saya memilih material baja AISI 1020 karena biayanya tergolong cukup murah, berikut adalah tabel harganya:

Sesuai perhitungan dimensi tabung sebelumnya, tabung dengan radius sebesar 5 cm dan tinggi sebesar 13 cm akan memiliki luas permukaan sekitar 564,49 cm², sehingga biaya baja termurah yang diperlukan untuk merangkai tabung tersebut adalah Rp. 94.600

---

Luas carbon fiber yang diperlukan tabung adalah sekitar 564,49 cm², dan ukuran carbon fiber yang tertera pada gambar tersebut adalah 150 x 50 cm sehingga memiliki luas permukaan sebesar 7500 cm² memiliki biaya Rp. 240.000, sehingga biaya carbon fiber tersebut untuk ukuran 564,49 cm² berkisar Rp. 18.063

---

Agar tabung hidrogen tetap layak digunakan dalam jangka waktu yang panjang, diperlukan cat anti karat agar material utama tabung yaitu baja tetap memiliki nilai fungsi yang maksimal. Harga cat anti karat yang tertera pada gambar tersebut sebesar Rp. 75.900

---

Agar dapat menghitung besar tekanan hidrogen didalam gas, diperlukan pressure gauge. Berdasarkan foto tersebut, harga pressure gauge sebesar Rp. 132.090

---

Nozzle diperlukan untuk memasukkan atau mengeluarkan gas hidrogen. Harga nozzle yang tertera sebesar Rp. 20.000