Ahmad Hanafi

Introduction

Halo! nama saya Hanafi, mahasiswa di kelas Metode Numerik-01.

Fullname: Ahmad Hanafi

NPM: 2106635026

Prakata: Consciousness sebagai Modal Awal

Consciousness atau kesadaran rasanya makin tak asing karena berulang kali disebutkan dalam kelas Metode Numerik, baik melalui ucapan Pak DAI maupun dalam diskusi. Apa, sih, sebetulnya consciousness itu? Memang secara harfiah consciousness berarti kesadaran. Namun, bagi saya consciousness merupakan satu-satunya modal awal yang memberi makna dan nilai kehidupan, yang menghidupkan hidup kita, agar hidup tak sekedar hidup, melainkan banyak hal yang harus kita sadari dan pelajari. Berbagai bentuk ilmu di dunia ini yang menjadi dasar dan modal awal ialah consciousness itu. Rasanya jika kita mendalami suatu bidang ilmu tapi tidak didasari dengan consciousness, hal itu akan menjadi sia-sia karena apa yang kita lakukan hanyalah belajar secara formalitas tidak tulus dari hati yang diresapi dengan akal pikiran serta dicerminkan dalam kehidupan sehari-hari. Begitu pun dengan mata kuliah Metode Numerik ini. Dalam mempelajarinya modal awal yang harus kita miliki bukanlah pola pikir matematis ataupun analitis, melainkan conscious atau kesadaran bahwasannya mata kuliah ini memiliki makna dan cakupannya tersendiri sehingga kita perlu untuk mempelajarinya.

Progress Individual Case Study Minggu ke-1

[1 Liter Pressurized Hydrogen (8 bar) Storage]

Hidrogen merupakan sarana ideal untuk media simpan, transpor dan konversi energi dengan tujuan luas untuk pengembangan konsep energi bersih serta bebas emisi. Hidrogen dapat diproduksi dari berbagai sumber dengan memakai berbagai teknologi. Senyawa-senyawa mengandung hidrogen seperti bahan bakar fosil, biomassa dan air merupakan sumber hidrogen. Proses termokimia dapat digunakan untuk memproduksi hidrogen dari biomassa dan bahan bakar fosil (batubara, minyak bumi dan gas alam).

Hidrogen yang diperoleh disimpan sebagai carrier energi dalam bentuk gas, cair maupun dalam logam padat. Untuk menyimpan hidrogen dalam bentuk gas diperlukan tekanan yang sangat tinggi, sementara untuk menyimpan dalam bentuk cair diperlukan sistem kriogenik. Hidrogen juga dapat disimpan dalam bentuk padat.

Untuk mendesain dan mengoptimalisasi tangki penyimpanan hidrogen kapasitas 1 Liter dengan total tekanan 8 bar, hal yang harus diperhatikan adalah sebagai berikut:

1. Material

Dikutip dari pranala https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/hydrogen-storage-material#:~:text=Hydrogen%20storage%20materials%20(HSMs)%20are,room%20temperature%20and%20atmospheric%20pressure, beberapa requirements yang harus diperhatikan dalam memilih material tangki penyimpanan hidrogen, ialah (1) kepadatan hidrogen gravimetri dan volumetrik yang tinggi, (2) sifat termodinamika yang sesuai, yaitu penyerapan/desorpsi hidrogen reversibel di bawah suhu dan tekanan sedang, (3) kinetika yang cepat, (4) sumber daya yang melimpah dengan biaya yang rendah, serta (5) memiliki penanganan yang mudah.

2. Desain Tangki

Untuk mencapai kapasitas 1 liter, bentuk dan ukuran tangki harus diperhatikan agar penyimpanannya dapat optimal. Optimalisasi dilakukan dengan mengoptimalkan geometri tangku untuk meminimalkan konsentrasi tegangan dan memastikan distribusi tekanan yang merata. Pertimbangkan kendala berat dan volume, serta persyaratan khusus untuk aplikasi yang diinginkan.

3. Keselamatan

Mengacu pada standar ISO/TR 15916:2004, MOD yang mengatur tentang standar keselamatan tangki hidrogen, hal yang dapat diterapkan untuk mencegah terjadinya kebocoran hidrogen atau kegagalan tangku adalah dengan menyertakan perangkat pelepasan tekanan untuk melepaskan tekanan berlebih dalam situasi darurat. Selain itu juga harus mempertimbangkan penggunaan sistem pembatasan sekunder atau lapisan perlindungan untuk mengurangi risiko kekakuan hidrogen.

4. Efisiensi Operasional

Minimalkan transfer panas untuk mengurangi energi yang diperlukan untuk pemampatan hidrogen. Sertakan isolasi termal untuk mengurangi kehilangan panas selama penyimpanan. Pertimbangkan integrasi mekanisme regulasi dan kontrol tekanan untuk operasi yang efisien.

5. Pengujian dan Validasi

Lakukan pengujian yang ketat untuk memastikan integritas mekanik dan keamanan tangki. Verifikasi desain melalui analisis struktural, pengujian kebocoran, pengujian pecah, dan evaluasi lain yang relevan. Patuhi standar keamanan dan regulasi yang berlaku.

6. Optimisasi

Lakukan iterasi desain dengan mempertimbangkan material alternatif, bentuk, atau teknik manufaktur. Optimalkan bobot, volume, dan kinerja tangki berdasarkan persyaratan dan kendala yang spesifik. Gunakan simulasi komputer dan alat pemodelan untuk menganalisis variasi desain yang berbeda dan mengidentifikasi solusi paling efisien.

Ilustrasi Desain Tangki Penyimpanan Hidrogen 1 Liter

Progress Individual Study Case Week 2

1. Constraint Geometri

#Ahmad Hanafi
#2106635026
#Metode Numerik-01

import numpy as np
from scipy.optimize import minimize

def objective(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the surface area of the cylindrical structure
    surface_area = 2 * np.pi * radius * (radius + height)

    return surface_area

def constraint(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the internal volume of the cylindrical structure
    volume = np.pi * radius**2 * height

    # Return the difference between the volume and the desired value (1050 cubic centimeters)
    return volume - 1050

# Initial guess for the radius and height
x0 = [1.0, 10.0]

# Define the bounds for the variables (radius and height)
bounds = [(0, None), (0, None)]

# Define the constraint dictionary
constraint_dict = {'type': 'eq', 'fun': constraint}

# Use the minimize function to optimize the objective function subject to the constraint
result = minimize(objective, x0, method='SLSQP', bounds=bounds, constraints=constraint_dict)

# Print the optimized results
print("Optimization Results:")
print("Radius: {:.2f} cm".format(result.x[0]))
print("Height: {:.2f} cm".format(result.x[1]))
print("Surface Area: {:.2f} cm^2".format(result.fun))

Didapatkan hasil sebagai berikut:

Hasil optimisasi geometric

Kemudian ketebalan tangki penyimpanan dapat ditentukan sebagai berikut:

r = 5.51e-2 #vessel radius
p = 800000  #8 bar pressure constraint
t = 2.7e-3  #minimum thickness

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 of AISI 316
    break

Hasil yang didapat sebagai berikut:

Perhitungan ketebalan tangki

Dengan range 2 - 11 mm, make dipilih ketebalan tangki yakni 6 mm

2. Heat Loss and Budget Constrain

Dengan mempertimbangkan heat conductivity dari beberapa material sebagai berikut pada suhu normal hidrogen (~ 20.28K):

1. Inconel 600, memiliki k = 14.2 W/m.K

2. Stainless steel AISI 316, memiliki k = 16.2 W/m.k

3. Stainless stell 304, memiliki k = 17.5 W/m.l

Dengan mempertimbangkan harga dari beberapa material didapat per kg nya yakni:

1. Inconel 600, memiliki harga Rp374.000/kg

2.Stainless steel AISI 316, memiliki harga Rp187.000/kg

3. Stainless stell 304, memiliki harga Rp147.000/kg

Maka dapat dipilih material Stainless steel AISI 316 sebagai material utama tangki penyimpanan hidrogen ini karena memiliki koefisien penghantar panas yang kecil. Namun untuk budget Rp500.000, ketebalan tanki yang digunakan hanya 4 mm.

Final Presentation

https://www.youtube.com/channel/UCNUblqHDg36AmojTMqqhtBQ