Amar Falah Riyanto

Introduction

Halo semua, nama saya Amar, mahasiswa kelas Metode Numerik-03

Fullname: Amar Falah Riyanto

NPM: 2106732891

Hydrogen Storage System: Research and Preliminary Design

Background

Bahan bakar hidrogen adalah pembawa energi, yang berarti menyimpan dan mengantarkan energi dalam bentuk yang mudah digunakan, sama seperti listrik. Ketika bahan bakar hidrogen dikonsumsi dalam sel bahan bakar, ia hanya menghasilkan air, listrik, dan panas - tidak ada emisi berbahaya atau gas rumah kaca yang terlibat dalam proses ini. Mekanisme energi bersih ini menjadikan hidrogen sebagai sumber energi yang sangat menarik seiring dunia berusaha mengurangi emisi karbon dan melawan perubahan iklim.

Namun, pemanfaatan hidrogen sebagai sumber bahan bakar tidak tanpa tantangan. Gas hidrogen sangat mudah terbakar, membutuhkan tekanan tinggi untuk penyimpanan, dan sulit untuk diangkut. Mengatasi hambatan ini membutuhkan solusi penyimpanan yang kokoh, aman, dan efisien - sebuah pencarian yang ditujukan oleh peneliti, insinyur, dan ilmuwan di seluruh dunia.

Seiring kita mendorong lebih jauh ke masa depan di mana sumber energi terbarukan dan berkelanjutan menjadi norma, bahan bakar hidrogen menonjol sebagai janji harapan. Ini bukan hanya pertanyaan "apakah", tetapi "kapan" bahan bakar hidrogen akan menjadi batu penjuru sistem energi global. Dalam konteks ini, desain dan optimisasi sistem penyimpanan hidrogen bukan hanya pencarian teknologi, tetapi langkah penting menuju masa depan yang lebih bersih, lebih hijau, dan berkelanjutan.

Preliminary Design

Rancangan sistem penyimpanan hidrogen dengan kapasitas 1 liter yang mampu menahan tekanan 8 bar membutuhkan pertimbangan lebih rinci mengenai standar internasional dan perhitungan yang lebih spesifik. Berikut ini beberapa hal yang perlu dipertimbangkan:

1. Material Penyimpanan:

Ada berbagai material yang bisa digunakan untuk tangki penyimpanan hidrogen, namun standar internasional seperti ISO 11119-2 dan ISO 11119-3 biasanya mengarah pada penggunaan komposit seperti karbon dan serat kaca, atau baja paduan tinggi seperti AISI 316L untuk tangki bertekanan tinggi.

2. Desain Tangki:

Untuk tangki berkapasitas 1 liter, kita perlu memastikan desain tangki mematuhi standar seperti ASME BPVC Section VIII yang menentukan prinsip-prinsip desain tangki bertekanan. Desain tangki harus mempertimbangkan faktor keamanan terhadap kegagalan, biasanya minimal 2.0 untuk tangki bertekanan. Untuk tangki silinder, tebal dinding, t, dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

t = P x r / (σ - P)

Dimana:

   P adalah tekanan dalam tangki (8 bar atau sekitar 800.000 Pascal)
   r adalah jari-jari tangki
   σ adalah tegangan izin material tangki.

3. Keamanan:

Tangki harus dilengkapi dengan katup pengaman tekanan untuk melindungi terhadap kondisi overpressure. Standar seperti ISO 15500-13 memberikan panduan tentang persyaratan keamanan untuk komponen kendaraan bahan bakar hidrogen.

4. Inspeksi dan Pengujian:

Setelah tangki selesai dirakit, harus dilakukan inspeksi dan pengujian untuk memastikan bahwa tidak ada kebocoran dan tangki mampu menahan tekanan operasi yang ditentukan. Standar seperti ISO 16111 merinci prosedur pengujian yang diperlukan.

5. Efisiensi Penyimpanan:

Pada tekanan 8 bar, satu liter volume tangki akan mampu menyimpan sekitar 0,036 gram hidrogen. Efisiensi penyimpanan dapat ditingkatkan dengan peningkatan tekanan atau dengan penggunaan teknologi seperti penyimpanan hidrid logam, meski hal ini akan menambah kompleksitas dan biaya.

Initial Design

Pada pekan pertama, saya sudah membuat rancangan sistem yang terdiri atas:

1. Tabung dengan kapasitas 1L

Ini adalah komponen utama tempat hidrogen disimpan. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, material dari tangki harus bisa menahan tekanan dan sifat reaktif hidrogen. Beberapa tangki modern dibuat dari komposit serat karbon, yang memiliki kekuatan tinggi dan berat yang ringan. Tangki juga harus dilengkapi dengan katup untuk memastikan keamanan. Oleh karena itu, saya menggunakan design dari tabung hydrogen yang sudah ada sebagai referensi design

Referensi Design

Design Tangki Hidrogen

2. Flow Controller

Komponen yang menggunakan PID controller ini merupakan komponen yang mengatur seberapa banyak hidrogen cair yang dialirkan. Pada pekan pertama ini, saya telah membuat design dan model simulink yang dapat digunakan untuk optimasi dan pengendalian sistem

Design Flow Controller

System Modelling on Simulink

System Design Based on International Standard

Dimension Optimation Using Python

Penentuan dimensi hydrogen storage menggunakan bagasi dari motor Honda Revo Fit yang dengan dimensi 24,5x24x20 cm.Untuk tangki yang dapat menampung hidrogen yang pada suhu 23°C berada dalam fasa gas dengan batasan panjang 13cm, dapat dicari menggunakan perhitungan berikut:

   import math

   def calculate_diameter(volume, max_length):

   # Konversi volume dari liter ke cm^3
       volume_cm3 = volume * 1000
   # Menghitung diameter
       diameter = math.sqrt((4 * volume_cm3) / (math.pi * max_length))
   return diameter
   # Memanggil fungsi untuk mencari diameter
   diameter = calculate_diameter(1, 13)
   # Menampilkan hasil
   print("Diameter pressure vessel: ", diameter, " cm")

hasilnya adalah Diameter pressure vessel: 9.896539973201056 cm

International Standard

ASME Section VIII adalah bagian dari ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) yang berfokus pada pembuatan, pemeriksaan, pengujian, dan penerimaan pressure vessels. Section VIII dibagi menjadi tiga Divisi.

Divisi 1 mencakup semua detail untuk konstruksi yang aman dari bejana bertekanan hingga 3000 psi

Divisi 2 mencakup detail konstruksi untuk bejana bertekanan dengan tekanan lebih tinggi, serta memberikan cara yang lebih akurat dan efisien untuk mendesain bejana dibandingkan Divisi 1

Divisi 3 mencakup desain dan konstruksi bejana bertekanan untuk tekanan yang sangat tinggi, biasanya di atas 10.000 psi.

Mengenai hubungannya dengan penyimpanan hidrogen, bejana bertekanan digunakan dalam aplikasi hidrogen untuk menyimpan hidrogen di bawah tekanan tinggi, biasanya dalam bentuk gas. Hidrogen memiliki beberapa sifat unik yang mempengaruhi desain dan operasional bejana bertekanan. Misalnya, hidrogen memiliki ukuran molekul yang sangat kecil dan bisa menyebabkan "hidrogen embrittlement" - fenomena yang membuat bahan logam menjadi rapuh. Oleh karena itu, bahan dan desain bejana harus dipilih dengan hati-hati untuk mencegah hal ini.

ASME Section VIII Divisi 1

Berdasarkan batasan desain yang mengharuskan mampu menahan tekanan sebesar 8 bar atau setara dengan 116,03psi, maka desain ini mengacu pada ASME Section VIII Divisi 1 yang berisi mengenai:

1. Desain Bejana Bertekanan: Divisi 1 menetapkan aturan untuk desain bejana bertekanan, termasuk perhitungan dinding minimum, pemilihan bahan, pembuatan dinding dan tutup, dan perhitungan tekanan. Bejana bertekanan harus didesain dengan mempertimbangkan faktor keamanan yang cukup dan memenuhi standar tertentu.

2. Bahan: Divisi 1 mencakup spesifikasi bahan yang boleh digunakan dalam pembuatan bejana bertekanan, termasuk baja, baja tahan karat, dan logam non-ferrous lainnya. Bahan harus memenuhi persyaratan kekuatan dan ketahanan tertentu, serta persyaratan pengujian lainnya.

3. Pengujian dan Inspeksi: Bejana bertekanan harus diperiksa dan diuji sebelum dan selama operasi untuk memastikan keamanannya. Pengujian dapat mencakup inspeksi visual, pengujian tekanan, dan pengujian non-destruktif.

4. Marking dan Sertifikasi: Bejana bertekanan harus ditandai dengan tanda pengenal yang sesuai dan disertifikasi oleh seorang inspektur yang memenuhi syarat. Sertifikasi ini menunjukkan bahwa bejana bertekanan telah memenuhi semua persyaratan desain, pengujian, dan inspeksi Divisi 1.

5. Kode Standar untuk Perangkat Khusus: Divisi 1 juga mencakup standar desain dan pembuatan untuk perangkat khusus, seperti pembangkit uap, alat penukar panas, dan bejana bertekanan yang mengandung bahan berbahaya.

Material Selection

Berdasarkan hasil pencarian dari berbagai sumber, didapatkan 4 material yang berpotensi cocok untuk dijadikan sebagai Hydrogen Storage. Material tersebut seperti ASTM A516 Grade 70, ASTM B209 Alloy 1100, ASTM A240 Type 304, dan ASTM A240 Type 316 yang masing-masing memiliki karakteristik sebagai berikut:

ASME Section VIII Divisi 1

Ketahanan korosi tinggi adalah hal penting dalam aplikasi hidrogen, terutama jika lingkungannya agresif. Oleh karena itu, meskipun baja karbon seperti ASTM A516 Grade 70 biasanya lebih murah dan perlindungan korosi dapat dilakukan dengan pelapisan.

Hydrogen Storage Design & Calculation

Tipe joint material berupa Butt Joint dan dari rumus untuk menghitung tebal plat seperti pada gambar di bawah,

Perhitungan Tebal Plat

menggunakan bahasa pemrograman python, dengan kode sebagai berikut:

    import math
    # Menentukan variabel
    E = 0.85
    P = 116  # psi
    R = 0.3893701  # inch
    S = 70000  # psi 
    def calculate_thickness(P, R, S, E):
        t = (P * R) / (2* S * E - 0.4 * P)
        return t
    # Menghitung tebal plat
    t = calculate_thickness(P, R, S, E)
    print(f'Tebal plat minimum adalah {t:.3f} inch.')

didapatkan tebal plat sebesar 0.9642602mm

Design Visualization & Analysis

Visualisasi dan analisis menggunakan Autodesk Inventor didapatkan hasil sebagai berikut:

Hydrogen Storage

Arah tekanan

Safety Factor

Von Misses Stress

Selain itu, saya juga memberikan controller untuk mengatur laju keluarnya hidrogen pada tanki yang hasilnya sebagai berikut:

Step Response pada Controller

Cost & Expenses Analysis

Setelah penyelesaian proses perhitungan dan desain yang komprehensif, langkah selanjutnya dalam prosedur ini adalah melaksanakan proses kalkulasi dan estimasi biaya pembuatan tangki. Detail perhitungan yang relevan disajikan dalam uraian berikut:

1. Biaya Material Harga Material

Berdasarkan referensi dari Tokopedia, harga material yang digunakan adalah sebesar Rp200.000

2. Flow Speed Control Valve Controller Harga Valve Controller

Berdasarkan referensi dari Tokopedia, harga dop pipa dengan ukuran 4 inchi adalah Rp9.000

3. Estimasi Biaya

Estimasi biaya machining yang mencakup pengelasan,fit up,machining/taper adalah sebesar Rp120.000

Maka total keseluruhan estimasi biayanyanya adalah Rp200.000 + Rp9.000 + Rp120.000= Rp329.000