Raffa Bainan Nunni

Design & Optimization of Pressurized Hydrogen Storage | Raffa Bainan Nunni 2106652556

Introduction

Assalamualaikum wr. wb.

Perkenalkan, nama saya Raffa Bainan Nunni dengan NPM 2106652556

Saat ini saya sedang menjalani perkuliahan di Universitas Indonesia jurusan Teknik Perkapalan

Resume Pertemuan 1 (26/05/2023)

Mempelajari ilmu apa pun memerlukan kemampuan berpikir yang sadar. Kesadaran diri merupakan kunci dalam membedakan hal-hal yang pantas. Namun, penting untuk diingat bahwa hanya Tuhan yang memiliki kebenaran mutlak. Ilmu sendiri hanyalah pendekatan yang tidak dapat mencapai kebenaran mutlak. Namun demikian, dengan memperluas pemahaman dan pengetahuan kita melalui ilmu, kita dapat mendekati pemahaman yang lebih baik tentang dunia dan diri kita sendiri. Kesadaran diri dan pemikiran yang terbuka memainkan peran penting dalam mengembangkan pandangan dunia yang inklusif dan pemahaman yang lebih mendalam tentang kompleksitas kehidupan. Dalam perjalanan kita memperoleh ilmu, kita dihadapkan pada realitas bahwa sains dan pengetahuan berkembang seiring waktu, dan pemikiran kita harus terus terbuka untuk memperbarui dan memperluas pemahaman kita. Dengan menggabungkan kesadaran diri, pemikiran kritis, dan keterbukaan, kita dapat memperkaya pengetahuan dan memahami kompleksitas dunia di sekitar kita.

Design & Optimization of Pressurized Hydrogen Storage

Objective

Design and Optimization

Specification

Capacity : 1 L

Pressure Level : 8 bar

Limitation

Cost should not exceed Rp. 500 K

Week 1 Progress

Knowing that I need to create something for this project, I consciously think that I need some assistance to provide me with some information about elements and procedures for designing and optimizing hydrogen storage. I chose ChatGPT to provide me assistance in this project because of its vast knowledge, exceptional language skills, and ability to understand and respond to a wide range of topics effectively and efficiently. "Could you offer an in-depth explanation of the elements and procedures involved in the design and optimization of a cost-effective compact pressurized hydrogen storage system?" I used this prompt in ChatGPT.

ChatGPT Response

Certainly! Designing and optimizing a cost-effective compact pressurized hydrogen storage system involves considering several key elements and following specific procedures. Here's an in-depth explanation of the process:

System Requirements: Begin by identifying the specific requirements for the hydrogen storage system, such as the desired storage capacity, operating pressure, weight, dimensions, and safety considerations. These requirements will guide the design process.

Storage Method: Determine the storage method based on the application and requirements. In this case, we'll focus on pressurized hydrogen storage. Other methods include cryogenic storage, solid-state storage, and chemical storage.

Material Selection: Selecting appropriate materials is crucial for safety, cost-effectiveness, and efficiency. The storage vessel should have high strength, be compatible with hydrogen, and possess low permeability to prevent hydrogen leakage. Common materials include high-strength steel, carbon fiber composites, or polymer-based liners with carbon fiber wrapping.

System Design: Develop a detailed design for the storage system, considering factors such as vessel shape, internal volume, structural integrity, valve and fitting placement, thermal management, and pressure relief mechanisms. Computer-aided design (CAD) software can assist in creating accurate models.

Safety Measures: Implement safety features to prevent accidents and ensure reliable operation. This may include pressure relief devices, burst disks, pressure sensors, and fire suppression systems. Adhering to relevant safety standards, such as ISO 16111 or ASME Boiler and Pressure Vessel Code, is crucial.

Optimization Techniques: Optimize the design for cost-effectiveness and compactness. This can involve various techniques, including structural analysis, computational fluid dynamics (CFD) simulations, and optimization algorithms. These methods help identify the most efficient shapes, materials, and manufacturing techniques to reduce cost and maximize storage capacity.

Manufacturing Process: Choose an appropriate manufacturing process that balances cost, quality, and scalability. Common methods for hydrogen storage vessels include filament winding for composite materials and deep-drawing or forging for metal containers. Continually improve the manufacturing process to reduce costs and enhance reliability.

Performance Testing: Conduct thorough performance tests to ensure the system meets the desired specifications and safety requirements. This may involve pressure cycling, leak testing, burst tests, and other relevant evaluations. Real-world conditions should be simulated as accurately as possible.

Regulatory Compliance: Ensure compliance with relevant regulations and standards for hydrogen storage systems. This may include certifications from regulatory bodies such as the International Organization for Standardization (ISO), the U.S. Department of Transportation (DOT), or local regulatory agencies. Compliance is essential for market acceptance and safety.

Lifecycle Considerations: Evaluate the lifecycle impact of the storage system, considering factors such as material sourcing, manufacturing energy consumption, maintenance requirements, and end-of-life considerations. Aim for sustainability and minimize environmental impact.

Continuous Improvement: As new technologies and materials emerge, continue to monitor advancements in hydrogen storage systems. Look for opportunities to enhance the system's efficiency, reduce costs, and improve safety through ongoing research and development efforts.

Final Report of Design & Optimization of Pressurized Hydrogen Storage

Sebagai mahasiswa Teknik yang sedang belajar untuk menjadi insinyur yang berkualitas, penting bagi kita untuk melakukan pendekatan yang komprehensif terhadap semua faktor yang mempengaruhi desain komponen, terutama efisiensi dan optimisasi yang sangat penting. Dalam kelas Metode Numerik, saya diberi tugas untuk mendesain dan mengoptimalkan penyimpanan hidrogen bertekanan. Melalui tugas ini, saya belajar untuk berpikir seperti seorang insinyur dan juga meningkatkan kesadaran saya terhadap faktor-faktor yang terlibat.

Ada tiga batasan yang harus saya perhatikan dalam mengoptimalkan desain tangki hidrogen ini, yaitu batasan geometris, batasan kekuatan material, dan batasan biaya. Setelah diskusi dengan teman-teman saya dalam kelas, saya memutuskan untuk menggunakan baja tahan karat austenitik AISI 316 sebagai material untuk tangki hidrogen ini. Baja tahan karat austenitik telah dipilih oleh banyak pabrikan penyimpanan hidrogen industri, karena ketersediaannya, daya tahan, kekuatan, kemampuan pemesinan, dan kompatibilitasnya dengan gas hidrogen (tidak bereaksi dengan hidrogen).

Dengan memilih austenitic stainless steel, saya yakin bahwa material ini telah terbukti dan dapat diandalkan untuk tugas penyimpanan hidrogen. Selain itu, saya juga mengakui bahwa baja tahan karat austenitik ini memiliki sifat yang memenuhi persyaratan desain tangki hidrogen, termasuk ketahanan terhadap tekanan internal, perlindungan terhadap kebocoran hidrogen, dan kompatibilitas dengan lingkungan hidrogen.

Batasan Geometris

Geometri Dasar

Saya menghitung geometri dasar yang optimal menggunakan program python dibawah:

import math
from scipy.optimize import minimize

def surface_area_objective(x):
    radius = x[0]
    height = x[1]

    surface_area_cm2 = 2 * math.pi * radius * (radius + height)

    return surface_area_cm2

def calculate_smallest_surface_area(volume):
    volume_cm3 = volume * 1000

    x0 = [1, 1]

    volume_constraint = {'type': 'eq', 'fun': lambda x: math.pi * x[0]**2 * x[1] - volume_cm3}

    optimization_result = minimize(surface_area_objective, x0, constraints=[volume_constraint])

    radius = optimization_result.x[0]
    height = optimization_result.x[1]
    surface_area = optimization_result.fun

    return radius, height, surface_area

radius, height, surface_area = calculate_smallest_surface_area(1)

print("Dimensions of the hydrogen tank with the smallest surface area:")
print("Radius: {:.2f} cm".format(radius))
print("Height: {:.2f} cm".format(height))
print("Surface Area: {:.2f} cm²".format(surface_area))

Berdasarkan hasil running, dapat diketahui bahwa dengan luas area permukaan seminimal mungkin, ukuran tangki tabung yang optimal adalah dengan rasio tinggi:radius = 2:1, dalam hal ini tinggi tabung adalah 10.84 cm dan radiusnya adalah 5.42 cm. Dengan ukuran ini, luas area permukaan yang diperoleh adalah 553.58 cm²

Hasil running program

Geometri End Cap

Tangki hidrogen berbentuk tabung murni memiliki risiko bahaya karena terdapat sudut yang terbentuk antara selimut dan alasnya di kedua ujungnya. Sudut tersebut menciptakan konsentrasi stress atau tegangan yang terpusat, yang dapat meningkatkan risiko kegagalan pada area sudut tersebut. Untuk mengatasi masalah ini, end caps dibentuk dengan metode filleting pada kedua ujung tangki. Filleting ini memungkinkan stress yang dihasilkan oleh tekanan gas hidrogen terdistribusi dengan lebih merata ke seluruh bagian tangki. Namun, pembentukan end caps ini memiliki konsekuensi pengurangan volume dari tangki hidrogen. Oleh karena itu, geometri dasar tangki dirancang dengan volume yang lebih besar, seperti contohnya 1050 cm^3, agar setelah penambahan end caps, volume tangki tetap memenuhi batasan minimal 1 liter yang telah ditetapkan. Dalam hal ini, luas permukaan tangki berbanding proportional dengan volume, sehingga perhitungan perbandingan dapat dilakukan. Dengan menggunakan perhitungan tersebut, dapat ditentukan radius fillet yang optimal untuk tangki.

Hasil perhitungan end caps

Batasan Kekuatan Material

Mechanical Properties of AISI 316 Austenitic Stainless Steel

Tabel Mechanical Properties of AISI 316 Austenitic Stainless Steel

Rentang ketebalan dinding yang dapat digunakan juga tidak sembarang, selain harus tetap kurang dari satu perlima dari radius tangki. Bagian D.1 dari Kode ASME BPV menyatakan bahwa ketebalan dinding selalu harus setidaknya 1/16 inci (1,59 mm), tanpa mempertimbangkan toleransi korosi, bahan, atau dimensi. Sumber literatur "Analisis, Sintesis, dan Desain Proses Kimia" memberikan aturan praktis untuk ketebalan dinding berdasarkan diameter tangki: 4 mm (0,25 inci) untuk diameter 1,07 m (42 inci) dan kurang dari 8,1 mm (0,32 inci) untuk diameter 1,07-1,52 m (42-60 inci), serta 11,7 mm (0,38 mm) untuk diameter lebih dari 1,52 m (60 inci) (Turton et al., 2012). Dengan pendekatan yang konservatif, kita akan menetapkan ketebalan minimum di antara 1,59 mm dan 4 mm, yaitu 2,8 mm, dan mulai iterasi ketebalan dari 1,59 mm hingga 11,59 mm dengan kenaikan 0,1 mm untuk presisi.

Berdasarkan data yang diperoleh dari Ferrobend, sebuah benda kerja tipikal dari stainless steel AISI 316 memiliki sifat mekanik seperti yang ditunjukkan. Untuk tujuan pengujian saya, saya akan menggunakan metode yang konservatif dan kurang konservatif dengan mengatur batas saya pada kekuatan luluh serta kekuatan tarik maksimum untuk menandakan kegagalan.

Perhitungan Iterasi Ketebalan Dinding Tangki

Kita dapat menggunakan kode sederhana untuk secara numerik mengiterasi ketebalan yang mungkin dan nilai tegangan lingkaran:

radius_cm = 5.42
material_strength_MPa = 205
pressure_bar = 8 
min_thickness_mm = 1.59 
max_thickness_mm = 11.59 
thickness_step_mm = 0.1 

radius_m = radius_cm / 100 
material_strength_Pa = material_strength_MPa * 10**6  
pressure_Pa = pressure_bar * 10**5 

for thickness_mm in range(int(min_thickness_mm * 100), int((max_thickness_mm + thickness_step_mm) * 100), int(thickness_step_mm * 100)):
    thickness_m = thickness_mm / 100000 

    stress_Pa = (pressure_Pa * radius_m) / thickness_m
  
    if stress_Pa > material_strength_Pa:
      break
    else:
      print(f"Thickness: {thickness_mm / 100} mm\t Stress: {stress_Pa / 10**6} MPa")

Batasan Biaya

Setelah menemukan parameter-parameter geometris, langkah terakhir dalam optimisasi ini adalah membandingkannya dengan batas biaya yang tidak boleh melebihi Rp500.000,00. Menggunakan material yang telah dipilih sebelumnya, yaitu AISI 316, kita perlu memilih ketebalan dinding tangki yang sesuai dengan anggaran yang tersedia. Berikut ini adalah daftar harga beserta perhitungannya. Dalam langkah terakhir optimisasi ini, saya akan membandingkan parameter-parameter geometris dengan batasan biaya yang tidak boleh melebihi Rp500.000,00. Mengingat material yang telah dipilih sebelumnya, yaitu AISI 316, saya perlu memilih ketebalan dinding tangki yang berada dalam kisaran anggaran yang tersedia. Saya menyajikan daftar harga beserta perhitungannya sebagai berikut.

Harga pelat stainless steel AISI 316 dari PT Citra Anggun Lestari

Perhitungan harga manufaktur

Saya memilih ketebalan 6 mm supaya berat dari tabung tidak terlalu berat ataupun ringan. Namun, opsi ketebalan lain juga dapat digunakan karena masih dalam batasan biaya.

Kesimpulan

Setelah menerapkan metode numerik dalam optimisasi desain sistem penyimpanan hidrogen, diperoleh dimensi geometris tangki sebagai berikut: radius 5,41 cm, tinggi 10,84 cm, luas permukaan 553,58 cm, dan radius fillet end cap 2,55313 cm. Selain itu, dengan mempertimbangkan batasan kekuatan material dan batasan biaya, ketebalan dinding tangki hidrogen yang optimal adalah 6 mm.

Secara kesimpulan, optimisasi menggunakan metode numerik ini masih relatif sederhana karena masih ada banyak faktor lain yang perlu diperhatikan. Namun, optimisasi sederhana ini dapat membantu saya, mahasiswa Teknik, untuk mengembangkan pola pikir insinyur yang mampu menggunakan dan memaksimalkan sumber daya yang tersedia. Melalui tugas besar ini, saya berharap conciousness saya juga terlatih dan meningkat. Aamiin.