Farhan Manan Ramadhan

Introduction

Assalammualaikum Wr Wb.

Perkenalkan, nama saya Farhan Manan Ramadhan dengan NPM 2106704944. Berikut ini saya lampirkan tugas dan ilmu-ilmu yang saya terima dalam kelas Metode Numerik-01.

Pressurized Hydrogen Storage Optimization

Kebutuhan Spesifik

Dalam studi kasus ini, diberikan keterangkan dengan 1 liter Hydrogen dengan tekanan 8 bar dan biaya maximum yaitu Rp. 500.000,-.

Sebelum kita menentukan spesifikasi yang dibutuhkan, sebaiknya kita memahami terlebih dahulu apa yang dimaksud dengan Hydrogen Storage Optimization.

Hidrogen dianggap sebagai pemberi energi alternatif yang menjanjikan di masa depan karena energi spesifik yang dimiliki sangat tinggi. Optimasi penyimpanan hidrogen berarti proses meningkatkan efisiensi, kapasitas, serta keamanan dalam menyimpan gas untuk berbagai aplikasinya. Tujuannya yaitu mengembangkan dan meningkatkan sistem penyimpanan hidrogen secara kompak dan efisien.

Dalam mendesesain dan mengoptimalisasi sebuah tangki penyimpanan hidrogen, beberapa faktor perlu untuk diperhatikan antara lain:

Material Penyimpanan

Dalam menentukan material tangki diperlukan yang memiliki kekuatan dan ketahanan tinggi serta cocok pada penyimpanan hidrogen. Material tersebut dapat berupa serat karbon dengan resin polimer termoplastik karena memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan dalam penyimpanan hidrogen.

Batasan Ruang

Dalam mendesain suatu penyimpanan hidrogen diperlukan pertimbangan ruang yang disediakan dalam sistem penyimpanan tersebut. Hidrogen memiliki kepadatan energi rendah sehingga sehingga untuk disimpan, hidrogen harus dikompres ke tekanan tinggi.

Suhu

Hidrogen dapat disimpan dalam suhu rendah hingga -253 C.Untuk penyimpanan dalam bentuk cair memerlukan infrastruktur kompleks dan mahal.

Keamanan

Keamanan dalam penyimpanan hidrogen perlu diperhatikan secara cermat dan conscious karena hidrogen memiliki rentang ledakan luas dan dapat mudahnya terbakar ketika bertemu dengan udara dalam konsentrasi yang tepat.

Optimasi Biaya Perlu diperhatikan secara tepat pertimbangan biaya dalam desain dan optimasi dari penyimpanan hidrogen meliputi biaya operasional, keamanan, material, hardware, perizinan hingga infrastruktur.

Maintenance Agar penyimpanan hidrogen dapat bertahan untuk jangka waktu yang panjang, beberapa aspek pemeliharaan yang perlu diperhatikan antara lain:

Inspeksi rutin terhadap kebocoran, korosi, atau kebocoran.

Pemeriksaan tekanan dalam tangki secara teratur untuk memastikan bahwa tekanan dalam batasan yang aman.

Penggantian komponen jika ada yang menunjukkan tanda-tanda fatigue ataupun kerusakan. Mengganti komponen tersebut harus sesuai standar yang berlaku.

Perawatan katup untuk memastikan bahwa katup berfungsi dengan baik, dapat mengontrol aliran gas, serta menghindari kebocoran.

Final Report of Optimization and Design of Pressurized Hydrogen Storage

Geometri Dasar

Dalam membuat optimisasi penyimpanan hydrogen dengan volume 1 liter dan biaya maximal Rp. 500.000, diperlukan perhitungan yang dilakukan dalam pemrograman Python yang saya buat dengan kode sebagai berikut:

import numpy as np
from scipy.optimize import minimize
def hitungLuasPermukaan(x):
    radius, tinggi = x
    return 2 * np.pi * radius * tinggi + 2 * np.pi * radius**2
def batasanVolume(x, volume_target):
    radius, tinggi = x
    return np.pi * radius**2 * tinggi - volume_target
# Set variabel konstan
volume_target = 1000  # Volume konstan (dalam sentimeter kubik)
# Definisikan masalah optimisasi
def masalahOptimisasi(x):
    return hitungLuasPermukaan(x), batasanVolume(x, volume_target)
# Tetapkan tebakan awal untuk variabel optimisasi
tebakan_awal = [1.0, 1.0]
# Definisikan masalah optimisasi
batasan = [{'type': 'eq', 'fun': lambda x: masalahOptimisasi(x)[1]}]
batas = [(0, None), (0, None)]
hasil = minimize(lambda x: masalahOptimisasi(x)[0], tebakan_awal, method='SLSQP', bounds=batas, constraints=batasan)
# Ekstrak variabel hasil yang dioptimalkan
radius_optimal, tinggi_optimal = hasil.x
# Hitung luas permukaan yang dioptimalkan
luas_permukaan_optimal = hitungLuasPermukaan([radius_optimal, tinggi_optimal])
# Tampilkan hasil
print('Jari-jari Optimal:', radius_optimal, 'cm')
print('Tinggi Optimal:', tinggi_optimal, 'cm')
print('Luas Permukaan Optimal:', luas_permukaan_optimal, 'cm^2')

Melalui perhitungan tersebut, dapat ditemukan bahwa hasilnya yaitu:

Jari-jari Optimal: 5.419262767614773 cm
Tinggi Optimal: 10.83851313481415 cm
Luas Permukaan Optimal: 553.5810444881138 cm^2

Pemilihan Material

Pada material yang saya gunakan yaitu Stainless steel AISI 304. Material ini memiliki ketahanan terhadap korosi dengan kandungan kromium 18% dan nikel 8% sehingga tahan terhadap korosi. Selain itu ketersediaannya umum dipakai dan luas di pasaran sehingga menjadi pilihan terbaik dalam budget yang ekonomis dalam pembuatan tangki hidrogen sehingga lebih mudah ketika penggantian separasi dilakukan.

Perhitungan Ketebalan Dinding Tangki

pada perhitungan ketebalan tersebut, saya menggunakan iterasi melalui program Python sebagai berikut:

r = 5.42e-2 #jari-jari tempat
p = 800000  #8 bar tekanan constraint
t = 2.7e-3  #ketebalan optimal

while t < 11.05e-3:
  hoop = (p * r)/(t)
  print('Untuk ketebalan', t, 'hoop stress =', hoop, "Pa")
  t += 1e-3
  if hoop > 205e9: #Yield Strength 304L
    break

Hasil dari iterasi pada program Python yaitu:

Untuk ketebalan 0.0027 hoop stress = 16059259.25925926 Pa
Untuk ketebalan 0.0037 hoop stress = 11718918.918918919 Pa
Untuk ketebalan 0.0047 hoop stress = 9225531.914893616 Pa
Untuk ketebalan 0.0057 hoop stress = 7607017.5438596485 Pa
Untuk ketebalan 0.0067 hoop stress = 6471641.791044776 Pa
Untuk ketebalan 0.0077 hoop stress = 5631168.831168831 Pa
Untuk ketebalan 0.0087 hoop stress = 4983908.045977012 Pa
Untuk ketebalan 0.0097 hoop stress = 4470103.092783505 Pa
Untuk ketebalan 0.010700000000000001 hoop stress = 4052336.4485981306 Pa

Perhitungan Budget Tahapan terakhir dari optimisasi hydrogen tank yaitu pada perhitungan budget dimana yang telah ditentukan yaitu tidak melebihi Rp. 500.000 dengan volume sebesar 1 liter.

Pada perhitungan ini, saya telah menyiapkan range biaya pada material Stainless Steel AISI 304 yang tertera pada gambar dibawah ini:

Melalui perhitungan tersebut, ditemukan bahwa biaya optimal dalam optimisasi hydrogen tank yaitu pada ketebalan 5mm dengan biaya sebesar Rp. 150.631 dimana biaya tersebut kurang dari budget yang telah ditentukan sebelumnya.

3D Design of Hydrogen Tank