Muhammad Farid Gunawan

Introduction

Halo semua!
Perkenalkan, nama Saya Muhammad Farid Gunawan biasa dipanggil Wawan dengan NPM 2106631236.
Saya merupakan Mahasiswa Departemen Teknik Mesin FTUI Angkatan 2021 yang saat ini sedang mengikuti Kelas Metode Numerik 01

Pressurized Hydrogen Storage Optimization

Progress Pekan 1
Task : Design & optimization of 1 liter pressurized hydrogen (8 bar) storage
Untuk merancang sebuah konsep tangki hidrogen dengan kapasitas 1 liter, tekanan 8 bar, dan biaya produksi maksimal Rp. 500.000, berikut adalah beberapa langkah dan pertimbangan yang perlu diperhatikan:

1. Bahan Tangki:
Pertimbangkan penggunaan bahan yang kuat dan ringan untuk meminimalkan biaya produksi dan memenuhi persyaratan kekuatan. Contoh bahan yang mungkin digunakan adalah aluminium atau serat karbon. Bahan ini umumnya memiliki kekuatan yang memadai untuk menahan tekanan 8 bar.

2. Desain dan Ukuran Tangki:
Anda perlu merancang tangki dengan ukuran dan bentuk yang sesuai untuk memuat kapasitas 1 liter hidrogen dan menahan tekanan 8 bar. Perhatikan bahwa semakin kecil ukuran tangki, semakin sedikit bahan yang dibutuhkan, yang dapat membantu dalam mengendalikan biaya produksi.

3. Pengelasan dan Konstruksi:
Pastikan bahwa tangki dirancang dengan sambungan yang kuat dan aman. Metode pengelasan seperti pengelasan TIG (Tungsten Inert Gas) atau MIG (Metal Inert Gas) dapat digunakan untuk menggabungkan bagian-bagian tangki. Pastikan proses pengelasan dilakukan dengan hati-hati dan mengikuti standar keamanan.

4. Sistem Penguncian dan Penyegelan:
Pastikan tangki memiliki sistem penguncian yang efektif untuk mencegah kebocoran hidrogen. Periksa dan tes kebocoran secara menyeluruh untuk memastikan bahwa tangki dapat mempertahankan tekanan yang diinginkan selama penggunaan.

5. Perlindungan dan Keamanan:
Pastikan tangki dilengkapi dengan sistem perlindungan dan katup pelepas tekanan yang dapat mengurangi risiko kegagalan dan kelebihan tekanan. Faktor keamanan sangat penting dalam perancangan tangki hidrogen.

6. Biaya Produksi:
Selama merancang tangki, perhatikan biaya produksi secara keseluruhan untuk memastikan tetap berada dalam batas maksimal Rp. 500.000. Pilih bahan dan metode konstruksi yang efisien untuk mencapai tujuan ini. Perhitungkan biaya bahan, biaya tenaga kerja, dan biaya produksi lainnya.

Penting untuk mencatat bahwa perancangan yang tepat dari tangki hidrogen membutuhkan pemahaman mendalam tentang teknologi dan keamanan tangki tekanan. Untuk merancang sebuah tangki perlu diperhatikan juga risk management dari pembuatan tangki tersebut, pertimbangan yang dapat diikuti antara lain :

1. Identifikasi Risiko:
Lakukan identifikasi risiko yang berkaitan dengan tangki hidrogen, seperti kebocoran hidrogen, kegagalan struktural, kelebihan tekanan, atau reaksi kimia yang tidak diinginkan. Perhatikan juga faktor-faktor lingkungan dan keamanan yang relevan.

2. Analisis Risiko:
Lakukan analisis risiko secara sistematis untuk menilai probabilitas dan dampak setiap risiko yang diidentifikasi. Prioritaskan risiko berdasarkan tingkat keparahan dan kemungkinan terjadinya.

3. Mitigasi Risiko:
Berdasarkan hasil analisis risiko, buat rencana mitigasi yang efektif untuk mengurangi risiko yang diidentifikasi. Misalnya, mengimplementasikan sistem deteksi kebocoran hidrogen yang sensitif, memilih material dengan kekuatan yang sesuai, dan menyertakan perangkat pelepas tekanan yang terpercaya.

4. Material Tangki:
Pilih material yang cocok untuk tangki hidrogen dengan mempertimbangkan faktor-faktor risiko. Pastikan material tersebut memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi dan embrittlement akibat hidrogen. Uji material secara menyeluruh untuk memastikan kecocokannya.

5. Desain Struktural:
Rancang struktur tangki dengan mempertimbangkan kekuatan, keamanan, dan risiko yang terkait. Gunakan metode analisis struktural seperti finite element analysis (FEA) untuk memastikan kekuatan dan integritas struktural yang memadai.

6. Pengelasan dan Sambungan:
Pastikan pengelasan dan sambungan pada tangki dilakukan dengan hati-hati dan mematuhi standar keamanan. Lakukan pengujian non-destruktif untuk memastikan kualitas pengelasan dan sambungan.

7. Pengujian Kebocoran dan Tekanan:
Lakukan pengujian tekanan dan pengujian kebocoran secara rutin untuk memastikan integritas tangki. Implementasikan protokol pengujian yang ketat dan buat catatan pengujian untuk melacak hasilnya.

8. Sistem Pelepas Tekanan Darurat:
Pasang sistem pelepas tekanan darurat, seperti katup pelepas tekanan, yang akan berfungsi saat tekanan melebihi batas aman. Pastikan sistem tersebut dirancang dengan benar dan diuji secara teratur.

9. Pelatihan Operator dan Prosedur Keselamatan:
Lakukan pelatihan operator yang komprehensif tentang penanganan, pengoperasian, dan pemeliharaan tangki hidrogen. Tetapkan prosedur keselamatan yang jelas dan pastikan operator memahaminya dengan baik.

10. Pemantauan dan Pemeliharaan Rutin:
Lakukan pemantauan dan pemeliharaan rutin pada tangki hidrogen untuk mengidentifikasi masalah potensial sebelum terjadi kegagalan. Periksa dan uji secara berkala

Pressurized Hydrogen Storage Optimization 2

Progress Pekan 2

import math
from scipy.optimize import minimize

def calculate_tank_properties(diameter, height):
    # Menghitung volume tangki
    volume_m3 = (math.pi * (diameter**2) * height) / 4

    # Menghitung luas permukaan tangki
    radius = diameter / 2
    surface_area = 2 * math.pi * radius * (radius + height)

    # Konversi diameter, tinggi, dan luas permukaan ke dalam satuan cm
    diameter_cm = diameter * 100
    height_cm = height * 100
    surface_area_cm2 = surface_area * 10000

    return diameter_cm, height_cm, surface_area_cm2

def cost_function(x):
    diameter = x[0]
    height = x[1]

    # Menghitung luas permukaan tangki
    _, _, surface_area_cm2 = calculate_tank_properties(diameter, height)

    # Menghitung biaya berdasarkan luas permukaan
    # Anggap harga material adalah Rp 100 per cm^2
    cost = surface_area_cm2 * 100

    return cost

# Mendefinisikan batasan ukuran tangki
diameter_bounds = (0.1, 100)  # batasan diameter antara 0.1 cm dan 100 cm
height_bounds = (0.1, 100)  # batasan tinggi antara 0.1 cm dan 100 cm

# Mendefinisikan nilai awal diameter dan tinggi
x0 = [1, 1]  # nilai awal diameter 1 cm, tinggi 1 cm

# Melakukan optimisasi dengan menggunakan metode minimize dari library scipy
result = minimize(cost_function, x0, bounds=(diameter_bounds, height_bounds))

# Mengambil nilai diameter dan tinggi yang dioptimasi
diameter_opt = result.x[0]
height_opt = result.x[1]

# Menghitung luas permukaan tangki yang dioptimasi
diameter_cm, height_cm, surface_area_cm2 = calculate_tank_properties(diameter_opt, height_opt)

print("Diameter tangki oksigen (cm):", diameter_cm)
print("Tinggi tangki oksigen (cm):", height_cm)
print("Luas permukaan tangki oksigen (cm^2):", surface_area_cm2)

berdasarkan perhitungan (coding python) yang telah dilakukan di atas menggunakan menggunakan fungsi calculate_tank_properties untuk menghitung volume tangki. ditemukan bahwa diameter dan tinggi yang diperlukan untuk membuat tabung dengan kapasitas 1 liter dan tekanan 8 bar adalah sebagai berikut :
Diameter = 10 cm
Tinggi = 20 cm
Luas permukaan = 1514.238898038469 cm²
Untuk tangki oksigen dengan kapasitas 1 liter dan tekanan 8 bar, umumnya menggunakan plat dengan ketebalan antara 1 mm hingga 3 mm.

Untuk menentukan proses iterasi dari ketebalan tangki tersebut dapat dilakukan dengan coding sebagai berikut :

r = 5.31e-2
p = 800000
t = 2.9e-3

while t < 12e-3:
  hoop = (r * p)/(t)
  print('for thickness', t, 'hoop stress =', hoop, "Pa")
  t += 1e-3
  if hoop > 205e9:
    break

for thickness 0.0029 hoop stress = 14648275.862068966 Pa
for thickness 0.0039 hoop stress = 10892307.692307692 Pa
for thickness 0.0049 hoop stress = 8669387.75510204 Pa
for thickness 0.0059 hoop stress = 7200000.0 Pa
for thickness 0.0069 hoop stress = 6156521.739130435 Pa
for thickness 0.0079 hoop stress = 5377215.189873417 Pa
for thickness 0.008900000000000002 hoop stress = 4773033.707865167 Pa
for thickness 0.009900000000000003 hoop stress = 4290909.09090909 Pa
for thickness 0.010900000000000003 hoop stress = 3897247.706422017 Pa
for thickness 0.011900000000000004 hoop stress = 3569747.8991596624 Pa

Coding di atas menentukan tegangan lingkaran dengan mengevaluasi berbagai nilai ketebalan dalam rentang 2,9 mm hingga 12 mm. Kode tersebut menggabungkan sebuah batasan yang menghentikan iterasi jika total tegangan lingkaran melebihi kekuatan luluh dari baja tahan karat AISI 316. Hasilnya menunjukkan bahwa semua nilai ketebalan dari 2,9 mm hingga 12 mm, dengan penambahan 1 mm, memenuhi persyaratan kekuatan luluh. Kode tersebut menghasilkan hasil perhitungan berikut, yang menunjukkan bahwa tegangan lingkaran tetap jauh di bawah kekuatan luluh sebesar 205 MPa.

Material Tangki
untuk menentukan material yang akan digunakan penting untuk dicatat bahwa pemilihan material untuk tangki oksigen harus memenuhi standar keamanan dan regulasi yang ditetapkan oleh lembaga dan badan pengatur yang berwenang, seperti Departemen Transportasi AS (DOT) atau lembaga standar internasional seperti ISO. Tangki oksigen biasanya dibuat menggunakan material yang memiliki sifat-sifat khusus untuk menampung dan mengalirkan oksigen dengan aman. Beberapa material yang umum digunakan dalam tangki oksigen adalah:

1. Baja Karbon Rendah:
Kelebihan: Biaya relatif lebih murah, kekuatan yang baik, tahan tekanan tinggi.
Kelemahan: Rentan terhadap korosi, perlu perlindungan tambahan seperti lapisan pelindung.

2. Stainless Steel:
Kelebihan: Tahan terhadap korosi, kekuatan yang baik, dan tahan lama.
Kelemahan: Lebih mahal daripada baja karbon rendah, tetapi masih terjangkau.

3. Aluminium:
Kelebihan: Ringan, tahan terhadap korosi, dan biaya produksi yang relatif rendah.
Kelemahan: Kurang tahan terhadap tekanan tinggi dibandingkan baja, mungkin membutuhkan pelapisan tambahan.

4. Material Komposit:
Kelebihan: Kekuatan yang tinggi dan berat yang ringan.
Kelemahan: Biaya produksi yang lebih tinggi dibandingkan dengan material lainnya.

dari keempat bahan tersebut saya memilih untuk menggunakan material stainless steel jenis stainless steel 304 dan 316 dikarenakan keunggulannya yang tahan terhadap korosi dan tahan lama. diperkirakan harga dari plat stainless steel berdasarkan pencarian harga perlembar di atas didapatkan hasil Plat 2B SS AISI 316 dengan ketebalan 5 mm pada range harga Rp412,688