PENGARUH DENSITAS ARUS LISTRIK TERHADAP
Pengaruh Densitas Arus Listrik
Terhadap Kinerja Sistem Elektrolisis Air Suhu Tinggi
Menggunakan Molten Salt Nuclear Reactor (MSR)
Andang Widi Harto1), Arnoldus Lambertus Dipu2), Alexander Agung3)
1)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
[email protected]
2)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
3)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
[email protected]
Abstrak. Pada penelitian ini dirancang sebuah sistem kopel antara Molten Salt Reactor (MSR)
dengan sebuah instalasi produksi hidrogen suhu tinggi dengan laju produksi hidrogen sebesar 5
kg/s. Penggunaan energi listrik dan energi panas untuk mendukung terjadinya proses elektrolisis
sepenuhnya disuplai dari MSR. Pada penelitian ini ingin diketahui pengaruh variasi densitas arus
listrik yang disuplai ke dalam sel-sel electrolyzer terhadap kinerja electrolyzer dalam
memproduksi hidrogen setiap satuan waktu. Variasi densitas arus listrik dengan rentang 7000
A/m2 – 9000 A/m2 dilakukan pada tekanan operasional 10 atm dan fraksi massa hidrogen 0,3. ari
penelitian ini dapat diketahui bahwa kenaikan densitas arus listrik mereduksi penggunaan panjang
sel electrolyzer namun menurunkan efisiensi total sistem. Efisiensi total tertinggi yang mampu
dicapai oleh sistem kopel antara MSR dengan instalasi produksi hidrogen adalah 74,68117 % pada
suplai densitas arus listrik sebesar 7000 A/m2.
Kata kunci : MSR, electrolyzer, elektrolisis air, densitas arus listrik, efisiensi
Abstract. At this research, have done successful a schema of coupled system between Molten Salt
Reactor and the electrolysis plant for hydrogen production at the rate of 5 kg/s. Electrical and heat
energy for electrolysis process are supplied by MSR. At this research would be known the effect of
variation of current density which enter the cells of electrolyzer to performance of electrolyzer in
producing hydrogen each hour. Variation of current density conducted at 7000 A/m2 – 9000 A/m2
with operational pressure 10 atm and hydrogen mass fraction is 0.3. From this research can be
conclude that increasing current density will reduce the use of length of electrolyzer cell but the
other hand will decrease the total efficiency. The highest total efficiency can be reached by the
coupled system is 74.68117 % occur when current density which enter electrolyzer is 7000 A/m2.
Keywords : MSR, electrolyzer, water electrolysis, current density, efficiency
1. Pendahuluan
Hidrogen menjadi perhatian serius para pengembang energi terbarukan di negaranegara maju selain karena lebih bersih dan ramah lingkungan karena pada penggunaanya
hanya akan menghasilkan sisa berupa uap air serta memiliki kandungan energi per satuan
massa sangat besar dibandingkan dengan bahan bakar lainnya (Kato, 2004).
Pemanfaatan panas dari reaktor nuklir untuk produksi hidrogen pada suhu tinggi
dewasa ini menarik minat para peneliti di negara-negara maju. Sistem kopel antara
reaktor nuklir dalam hal ini PLTN generasi IV tipe Molten Salt Reactor (MSR) dengan
instalasi produksi hidrogen telah memberikan manfaat bagi penurunan konsumsi energi
untuk proses elektrolisis air dan peningkatan efisiensi termal pada reaktor nuklir. Gambar
1 menunjukkan diagram skematis reaktor nuklir tipe MSR sedangkan Gambar 2
menunjukkan sistem produksi hidrogen dengan metode elektrolisis air pada suhu tinggi
dengan menggunakan energi dari reaktor nuklir.
1
2
Gambar 1. Molten Salt Reactor (Forsberg et al., 2004)
Gambar 2.
Produksi hidrogen dengan elektrolisis suhu tinggi menggunakan energi
kalor dan listrik dari reaktor nuklir tipe molten salt.
3
2. Produksi hidrogen dengan elektrolisa air
Elektrolisis air suhu tinggi adalah proses pemecahan molekul air menjadi
molekul hidrogen dan oksigen dengan memanfaatkan energi listrik dan energi termal.
Umpan masuk electrolyzer berupa (H2+H2O) dalam fase uap. Energi listrik dan energi
termal digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H2O menjadi molekul H2 dan O2-.
Selanjutnya ion-ion O2- selanjutnya bermigrasi melewati membran elektrolit untuk
mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisika electron-hole. Setelah mencapai sisi anoda, ionion O2- akan melepaskan elektron dan membentuk molekul oksigen.
Reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen mengikuti
persamaan reaksi sebagai berikut.
Katoda
Anoda
Total
: H2O(g) + 2e- H2 (g) + O2: O2 ½O2 (g) + 2e:
H2O(l)
H2(g) + ½O2(g)
(1)
(2)
(3)
Kebutuhan energi untuk reaksi elektrolisis dirumuskan dengan persamaan berikut.
ΔΗ = ΔG + TΔS
(4)
Richard (2004) menyatakan bahwa ΔG dan TΔS untuk elektrolisis merupakan
fungsi suhu. Pada suhu semakin tinggi ΔG (yang disuplai dengan energi listrik) semakin
berkurang sedangkan TΔS (yang disuplai dengan energi termal) semakin bertambah.
Sementara itu peningkatan densitas arus akan meningkatkan rugi-rugi tahanan listrik yang
berubah menjadi energi kalor. Peningkatan densitas arus akan mengubah perimbangan
energi masukan berupa energi kalor dan energi listrik.
Karena reaktor nuklir pada dasarnya menghasilkan energi langsung berupa energi
kalor dan harus menggunakan mesin kalor untuk mengkonversi energi kalor menjadi
energi listrik, maka semakin besar fraksi energi kalor yang disuplai ke sistem elektroliser
akan mengurangi kebutuhan untuk mengkonversi energi. Hal ini berarti peningkatan
fraksi suplai energi kalor akan meningkatkan efisiensi
Penelitian dilakukan secara numerik dengan menyelesaian persamaan neraca
massa keseluruhan, neraca energi pada elektroliser, alat penukar kalor, pompa-pompa.
Berdasarkan hal ini, dapat dihitung kebutuhan energi persatuan massa yang diperlukan
untuk produksi hidrogen.
Efisiensi pada sistem produksi hidrogen dirumuskan sebagai berikut.
⎛ η HE .Q HE + η Electric _ Generation .η AC / DC .W Listrik + η Pompa .W Pompa ⎞
⎟
+ W
⎟
⎜
+
Q
W
HE
Listrik
Pompa
⎠
⎝
η = η PH ⎜
(5)
3. Hasil Dan Pembahasan
Pada penelitian ini, kondisi operasi dirancang sedemikian rupa agar electrolyzer
mampu memproduksi hidrogen dengan laju produksi 5 kg/s. Kondisi operasi dan
geometri electrolyzer agar mampu memproduksi hidrogen 5 kg/s diperlihatkan pada
Tabel 1.
4
Tabel V.1. Kondisi Operasi dan Geometri Electrolyzer
Item
Tekanan operasi (Pa)
Suhu fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (°C)
Laju massa fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (kg/s)
Fraksi massa hidrogen masuk electrolyzer
Fraksi massa hidrogen keluar electrolyzer
Densitas arus listrik rerata tiap sel (A/m2)
Jumlah sel
Diameter sel (m)
Jarak antar sel (m)
Tebal katoda (m)
Tebal elektrolit (m)
Tebal anoda (m)
Diameter ekivalen aliran fluida O2 (m)
Luas permukaan aliran fluida O2 (m2)
Luas permukaan aliran fluida (H2+H2O) (m2)
Nilai
1013250
900
90,5419
0,3
0,6259
7000-9000
50000
7,9528
0,0195
0,002
3,5x10-5
1,5x10-4
0,01
7,8540x10-5
1,6761x10-4
a. Pengaruh densitas arus terhadap ukuran geometri elektroliser
Gambar 3. menunjukkan hubungan antara densitas arus terhadap panjang sel
elektroliser. Terlihat bahwa kenaikan densitas arus listrik berbanding terbalik dengan
perubahan geometri panjang sel electrolyzer. Hal ini berarti semakin tinggi densitas arus
yang diberikan, ukuran geometri elektroliser menjadi semakin kecil.
b. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Daya Ideal Reaksi Elektrolisis
Grafik pada Gambar 4. menunjukan pengaruh densitas arus listrik terhadap daya
ideal reaksi elektrolisis. Daya listrik ideal adalah daya listrik minimum yang harus
disuplai ke dalam sel-sel electrolyzer agar proses elektrolisis dapat berlangsung dengan
asumsi tidak terjadi rugi-rugi irreversible. Daya termal ideal adalah daya termal yang
berasal dari daya termal heat exchanger dan daya termal akibat rugi-rugi irreversible.
Dari Gambar 4. dapat dilihat bahwa kebutuhan daya ideal untuk reaksi elektrolisis terus
meningkat dengan semakin meningkatnya densitas arus listrik.
153
8.6
8.5
8.4
2
y = 4E-08x - 0.0011x + 14.004
8.3
2
R =1
8.2
8.1
Daya Ideal (MW)
Panjang Sel Electrolyzer (m)
8.7
133
113
93
73
8.0
53
7.9
33
6800
7.8
7.7
6800
7300
7800
8300
8800
9300
2
7300
7800
8300
8800
9300
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 3.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Panjang Sel Electrolyzer untuk Diameter
Sel Electrolyzer Sebesar 7,9528 m
Densitas Arus Listrik (A/m )
Daya Termal Ideal
Daya Listrik Ideal
Reg. Daya Termal Ideal
Reg. Daya Listrik Ideal
Gambar 4.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Daya Ideal Reaksi Elektrolisis pada
Electrolyzer
5
c. Pangaruh Densitas Arus Listrik terhadap Tegangan Irreversible
Tegangan irreversible adalah tegangan yang dibutuhkan untuk mengatasi rugirugi yang berupa rugi-rugi ohmic akibat adanya hambatan listrik pada katoda, anoda,
elektrolit serta interkoneksi, rugi-rugi akibat adanya gradien konsentrasi pada permukaan
elektroda dan rugi-rugi akibat aktivitas molekular pada permukaan anoda. Gambar 5 dan
Gambar 6 menunjukkan pengaruh peningkatan densitas arus listrik terhadap kenaikan
tegangan irreversible.
0.078
0.000065
0.000055
0.000045
0.000035
0.000025
0.000015
0.000005
-0.000005
6800
-0.000015
7300
7800
8300
8800
9300
Tegangan Ohmic (V)
Tegangan Sel Irreversible (V)
0.000075
0.073
0.068
0.063
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
0.058
Tegangan Aktivasi Katoda
Tegangan Aktivasi Anoda
Tegangan Molekular Katoda
Reg. Tegangan Aktivasi Katoda
Reg. Tegangan Aktivasi Anoda
Reg. Tegangan Molekular Katoda
Gambar 5. Pengaruh densitas Arus Listrik terhadap
Tegangan Irreversible
6800
7300
7800
8300
8800
9300
Densitas Arus Listrik (A/m 2)
Gambar 6. Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Tegangan Ohmic
Kapasitas Pengambilan Daya Termal
dari Heat Exchanger (MW)
d. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Suplai Daya Termal
Gambar 7. menunjukkan kebutuhan daya termal sebagai fungsi densitas arus.
Dapat dilihat bahwa dengan semakin meningkatnya nilai densitas arus listrik maka
pemanfaatan daya termal semakin menurun. Hal ini karena pada densitas arus listrik
tinggi rugi-rugi irreversible semakin meningkat. Rugi-rugi tersebut, selanjutnya
digunakan sebagai tambahan daya termal pada proses elektrolisis.
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
7000-7500
7500-8000
8000-8500
8500-9000
2
Rentang Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 7. Densitas Arus Listrik vs Kebutuhan Daya Termal
e. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen
Pada sistem elektrolisis suhu tinggi, kenaikan suplai densitas arus listrik pada
sel-sel electrolyzer akan menyebabkan peningkatan efisiensi pada instalasi produksi
hidrogen. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 8.
97.80
74.80
92.80
74.60
Efisiensi Total (%)
Efisiensi (%)
6
87.80
82.80
77.80
72.80
6800
7300
7800
8300
8800
9300
y = -1E-08x2 - 0.0002x + 77.007
74.40
2
R =1
74.20
74.00
73.80
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Efisiensi Total
Efisiensi Transfer Energi
Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen
Reg. Efisiensi Total
Reg. Efisiensi Transfer Energi
Reg. Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen
Gambar 8.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen
73.60
6800
7300
7800
8300
8800
9300
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 9. Efisiensi Total vs Densitas Arus Listrik
Efisiensi total yakni efisiensi antara instalasi produksi hidrogen dengan reaktor
nuklir (sistem kopel) menunjukan tendensi yang sama dengan efisiensi pada transfer
energi yakni menunjukkan grafik penurunan seiring dengan semakin meningkatnya suplai
densitas arus listrik (Gambar 9.).
4. Kesimpulan
Telah berhasil dirancang sebuah sistem kopel antara Molten Salt Reactor
dengan sebuah instalasi produksi hidrogen suhu tinggi. Laju produksi hidrogen yang
dihasilkan pada sistem kopel tersebut adalah 5 kg/s. Ada beberapa kesimpulan penting
yang dapat ditarik dari penelitian ini yaitu peningkatan densitas arus listrik akan :
a. menurunkan efisiensi total sistem produksi hidrogen dengan MSR.
b. menurunkan kapasitas penggunaan daya termal dari heat exchanger.
c. menyebabkan kenaikan daya termal yang berasal dari rugi-rugi irreversible.
5. Ucapan terima kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh staf Jurusan Teknik Fisika Fakultas
Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah berperan dalam membantu penulisan ini.
6. Daftar Pustaka
Forsberg, C. W., Peterson, P. F., Zao, H., 2004, An Advanced Molten Salt Reactor Using
High-Temperature Reactor Technology, Pennsylvania.
Jensen, S. H., and Mogensen, M., 2004, Perspectives of High Temperature Electrolysis
Using SOEC, Materials Research Department, Risø National Laboratory, DK-4000
Roskilde, Denmark.
Kato, Y., 2004, Hydrogen Career System for Fuel Cell Vehicles, Research Laboratory for
Nuclear Reactors, Tokyo Institute of Technology, Japan.
Py, J.P., and Capitaine, A., hydrogen production by high temperature electrolysis of
water
vapour
and
nuclear
reactors,
Available
from
www.cder.dz/A2H2/WHEC2006/S05.pdf, Accessed February 22, 2008.
Richard, S. P., 2004, A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic
Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles, University of Victoria, Victoria,
Available
from
www.iesvic.uvic.ca/publications/library/DissertationSPRichard.pdf, Accessed December 05, 2007.
Terhadap Kinerja Sistem Elektrolisis Air Suhu Tinggi
Menggunakan Molten Salt Nuclear Reactor (MSR)
Andang Widi Harto1), Arnoldus Lambertus Dipu2), Alexander Agung3)
1)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
[email protected]
2)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
3)
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia
[email protected]
Abstrak. Pada penelitian ini dirancang sebuah sistem kopel antara Molten Salt Reactor (MSR)
dengan sebuah instalasi produksi hidrogen suhu tinggi dengan laju produksi hidrogen sebesar 5
kg/s. Penggunaan energi listrik dan energi panas untuk mendukung terjadinya proses elektrolisis
sepenuhnya disuplai dari MSR. Pada penelitian ini ingin diketahui pengaruh variasi densitas arus
listrik yang disuplai ke dalam sel-sel electrolyzer terhadap kinerja electrolyzer dalam
memproduksi hidrogen setiap satuan waktu. Variasi densitas arus listrik dengan rentang 7000
A/m2 – 9000 A/m2 dilakukan pada tekanan operasional 10 atm dan fraksi massa hidrogen 0,3. ari
penelitian ini dapat diketahui bahwa kenaikan densitas arus listrik mereduksi penggunaan panjang
sel electrolyzer namun menurunkan efisiensi total sistem. Efisiensi total tertinggi yang mampu
dicapai oleh sistem kopel antara MSR dengan instalasi produksi hidrogen adalah 74,68117 % pada
suplai densitas arus listrik sebesar 7000 A/m2.
Kata kunci : MSR, electrolyzer, elektrolisis air, densitas arus listrik, efisiensi
Abstract. At this research, have done successful a schema of coupled system between Molten Salt
Reactor and the electrolysis plant for hydrogen production at the rate of 5 kg/s. Electrical and heat
energy for electrolysis process are supplied by MSR. At this research would be known the effect of
variation of current density which enter the cells of electrolyzer to performance of electrolyzer in
producing hydrogen each hour. Variation of current density conducted at 7000 A/m2 – 9000 A/m2
with operational pressure 10 atm and hydrogen mass fraction is 0.3. From this research can be
conclude that increasing current density will reduce the use of length of electrolyzer cell but the
other hand will decrease the total efficiency. The highest total efficiency can be reached by the
coupled system is 74.68117 % occur when current density which enter electrolyzer is 7000 A/m2.
Keywords : MSR, electrolyzer, water electrolysis, current density, efficiency
1. Pendahuluan
Hidrogen menjadi perhatian serius para pengembang energi terbarukan di negaranegara maju selain karena lebih bersih dan ramah lingkungan karena pada penggunaanya
hanya akan menghasilkan sisa berupa uap air serta memiliki kandungan energi per satuan
massa sangat besar dibandingkan dengan bahan bakar lainnya (Kato, 2004).
Pemanfaatan panas dari reaktor nuklir untuk produksi hidrogen pada suhu tinggi
dewasa ini menarik minat para peneliti di negara-negara maju. Sistem kopel antara
reaktor nuklir dalam hal ini PLTN generasi IV tipe Molten Salt Reactor (MSR) dengan
instalasi produksi hidrogen telah memberikan manfaat bagi penurunan konsumsi energi
untuk proses elektrolisis air dan peningkatan efisiensi termal pada reaktor nuklir. Gambar
1 menunjukkan diagram skematis reaktor nuklir tipe MSR sedangkan Gambar 2
menunjukkan sistem produksi hidrogen dengan metode elektrolisis air pada suhu tinggi
dengan menggunakan energi dari reaktor nuklir.
1
2
Gambar 1. Molten Salt Reactor (Forsberg et al., 2004)
Gambar 2.
Produksi hidrogen dengan elektrolisis suhu tinggi menggunakan energi
kalor dan listrik dari reaktor nuklir tipe molten salt.
3
2. Produksi hidrogen dengan elektrolisa air
Elektrolisis air suhu tinggi adalah proses pemecahan molekul air menjadi
molekul hidrogen dan oksigen dengan memanfaatkan energi listrik dan energi termal.
Umpan masuk electrolyzer berupa (H2+H2O) dalam fase uap. Energi listrik dan energi
termal digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H2O menjadi molekul H2 dan O2-.
Selanjutnya ion-ion O2- selanjutnya bermigrasi melewati membran elektrolit untuk
mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisika electron-hole. Setelah mencapai sisi anoda, ionion O2- akan melepaskan elektron dan membentuk molekul oksigen.
Reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen mengikuti
persamaan reaksi sebagai berikut.
Katoda
Anoda
Total
: H2O(g) + 2e- H2 (g) + O2: O2 ½O2 (g) + 2e:
H2O(l)
H2(g) + ½O2(g)
(1)
(2)
(3)
Kebutuhan energi untuk reaksi elektrolisis dirumuskan dengan persamaan berikut.
ΔΗ = ΔG + TΔS
(4)
Richard (2004) menyatakan bahwa ΔG dan TΔS untuk elektrolisis merupakan
fungsi suhu. Pada suhu semakin tinggi ΔG (yang disuplai dengan energi listrik) semakin
berkurang sedangkan TΔS (yang disuplai dengan energi termal) semakin bertambah.
Sementara itu peningkatan densitas arus akan meningkatkan rugi-rugi tahanan listrik yang
berubah menjadi energi kalor. Peningkatan densitas arus akan mengubah perimbangan
energi masukan berupa energi kalor dan energi listrik.
Karena reaktor nuklir pada dasarnya menghasilkan energi langsung berupa energi
kalor dan harus menggunakan mesin kalor untuk mengkonversi energi kalor menjadi
energi listrik, maka semakin besar fraksi energi kalor yang disuplai ke sistem elektroliser
akan mengurangi kebutuhan untuk mengkonversi energi. Hal ini berarti peningkatan
fraksi suplai energi kalor akan meningkatkan efisiensi
Penelitian dilakukan secara numerik dengan menyelesaian persamaan neraca
massa keseluruhan, neraca energi pada elektroliser, alat penukar kalor, pompa-pompa.
Berdasarkan hal ini, dapat dihitung kebutuhan energi persatuan massa yang diperlukan
untuk produksi hidrogen.
Efisiensi pada sistem produksi hidrogen dirumuskan sebagai berikut.
⎛ η HE .Q HE + η Electric _ Generation .η AC / DC .W Listrik + η Pompa .W Pompa ⎞
⎟
+ W
⎟
⎜
+
Q
W
HE
Listrik
Pompa
⎠
⎝
η = η PH ⎜
(5)
3. Hasil Dan Pembahasan
Pada penelitian ini, kondisi operasi dirancang sedemikian rupa agar electrolyzer
mampu memproduksi hidrogen dengan laju produksi 5 kg/s. Kondisi operasi dan
geometri electrolyzer agar mampu memproduksi hidrogen 5 kg/s diperlihatkan pada
Tabel 1.
4
Tabel V.1. Kondisi Operasi dan Geometri Electrolyzer
Item
Tekanan operasi (Pa)
Suhu fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (°C)
Laju massa fluida (H2+H2O) masuk electrolyzer (kg/s)
Fraksi massa hidrogen masuk electrolyzer
Fraksi massa hidrogen keluar electrolyzer
Densitas arus listrik rerata tiap sel (A/m2)
Jumlah sel
Diameter sel (m)
Jarak antar sel (m)
Tebal katoda (m)
Tebal elektrolit (m)
Tebal anoda (m)
Diameter ekivalen aliran fluida O2 (m)
Luas permukaan aliran fluida O2 (m2)
Luas permukaan aliran fluida (H2+H2O) (m2)
Nilai
1013250
900
90,5419
0,3
0,6259
7000-9000
50000
7,9528
0,0195
0,002
3,5x10-5
1,5x10-4
0,01
7,8540x10-5
1,6761x10-4
a. Pengaruh densitas arus terhadap ukuran geometri elektroliser
Gambar 3. menunjukkan hubungan antara densitas arus terhadap panjang sel
elektroliser. Terlihat bahwa kenaikan densitas arus listrik berbanding terbalik dengan
perubahan geometri panjang sel electrolyzer. Hal ini berarti semakin tinggi densitas arus
yang diberikan, ukuran geometri elektroliser menjadi semakin kecil.
b. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Daya Ideal Reaksi Elektrolisis
Grafik pada Gambar 4. menunjukan pengaruh densitas arus listrik terhadap daya
ideal reaksi elektrolisis. Daya listrik ideal adalah daya listrik minimum yang harus
disuplai ke dalam sel-sel electrolyzer agar proses elektrolisis dapat berlangsung dengan
asumsi tidak terjadi rugi-rugi irreversible. Daya termal ideal adalah daya termal yang
berasal dari daya termal heat exchanger dan daya termal akibat rugi-rugi irreversible.
Dari Gambar 4. dapat dilihat bahwa kebutuhan daya ideal untuk reaksi elektrolisis terus
meningkat dengan semakin meningkatnya densitas arus listrik.
153
8.6
8.5
8.4
2
y = 4E-08x - 0.0011x + 14.004
8.3
2
R =1
8.2
8.1
Daya Ideal (MW)
Panjang Sel Electrolyzer (m)
8.7
133
113
93
73
8.0
53
7.9
33
6800
7.8
7.7
6800
7300
7800
8300
8800
9300
2
7300
7800
8300
8800
9300
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 3.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Panjang Sel Electrolyzer untuk Diameter
Sel Electrolyzer Sebesar 7,9528 m
Densitas Arus Listrik (A/m )
Daya Termal Ideal
Daya Listrik Ideal
Reg. Daya Termal Ideal
Reg. Daya Listrik Ideal
Gambar 4.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Daya Ideal Reaksi Elektrolisis pada
Electrolyzer
5
c. Pangaruh Densitas Arus Listrik terhadap Tegangan Irreversible
Tegangan irreversible adalah tegangan yang dibutuhkan untuk mengatasi rugirugi yang berupa rugi-rugi ohmic akibat adanya hambatan listrik pada katoda, anoda,
elektrolit serta interkoneksi, rugi-rugi akibat adanya gradien konsentrasi pada permukaan
elektroda dan rugi-rugi akibat aktivitas molekular pada permukaan anoda. Gambar 5 dan
Gambar 6 menunjukkan pengaruh peningkatan densitas arus listrik terhadap kenaikan
tegangan irreversible.
0.078
0.000065
0.000055
0.000045
0.000035
0.000025
0.000015
0.000005
-0.000005
6800
-0.000015
7300
7800
8300
8800
9300
Tegangan Ohmic (V)
Tegangan Sel Irreversible (V)
0.000075
0.073
0.068
0.063
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
0.058
Tegangan Aktivasi Katoda
Tegangan Aktivasi Anoda
Tegangan Molekular Katoda
Reg. Tegangan Aktivasi Katoda
Reg. Tegangan Aktivasi Anoda
Reg. Tegangan Molekular Katoda
Gambar 5. Pengaruh densitas Arus Listrik terhadap
Tegangan Irreversible
6800
7300
7800
8300
8800
9300
Densitas Arus Listrik (A/m 2)
Gambar 6. Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Tegangan Ohmic
Kapasitas Pengambilan Daya Termal
dari Heat Exchanger (MW)
d. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Suplai Daya Termal
Gambar 7. menunjukkan kebutuhan daya termal sebagai fungsi densitas arus.
Dapat dilihat bahwa dengan semakin meningkatnya nilai densitas arus listrik maka
pemanfaatan daya termal semakin menurun. Hal ini karena pada densitas arus listrik
tinggi rugi-rugi irreversible semakin meningkat. Rugi-rugi tersebut, selanjutnya
digunakan sebagai tambahan daya termal pada proses elektrolisis.
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
7000-7500
7500-8000
8000-8500
8500-9000
2
Rentang Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 7. Densitas Arus Listrik vs Kebutuhan Daya Termal
e. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen
Pada sistem elektrolisis suhu tinggi, kenaikan suplai densitas arus listrik pada
sel-sel electrolyzer akan menyebabkan peningkatan efisiensi pada instalasi produksi
hidrogen. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 8.
97.80
74.80
92.80
74.60
Efisiensi Total (%)
Efisiensi (%)
6
87.80
82.80
77.80
72.80
6800
7300
7800
8300
8800
9300
y = -1E-08x2 - 0.0002x + 77.007
74.40
2
R =1
74.20
74.00
73.80
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Efisiensi Total
Efisiensi Transfer Energi
Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen
Reg. Efisiensi Total
Reg. Efisiensi Transfer Energi
Reg. Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen
Gambar 8.
Pengaruh Densitas Arus Listrik
terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen
73.60
6800
7300
7800
8300
8800
9300
2
Densitas Arus Listrik (A/m )
Gambar 9. Efisiensi Total vs Densitas Arus Listrik
Efisiensi total yakni efisiensi antara instalasi produksi hidrogen dengan reaktor
nuklir (sistem kopel) menunjukan tendensi yang sama dengan efisiensi pada transfer
energi yakni menunjukkan grafik penurunan seiring dengan semakin meningkatnya suplai
densitas arus listrik (Gambar 9.).
4. Kesimpulan
Telah berhasil dirancang sebuah sistem kopel antara Molten Salt Reactor
dengan sebuah instalasi produksi hidrogen suhu tinggi. Laju produksi hidrogen yang
dihasilkan pada sistem kopel tersebut adalah 5 kg/s. Ada beberapa kesimpulan penting
yang dapat ditarik dari penelitian ini yaitu peningkatan densitas arus listrik akan :
a. menurunkan efisiensi total sistem produksi hidrogen dengan MSR.
b. menurunkan kapasitas penggunaan daya termal dari heat exchanger.
c. menyebabkan kenaikan daya termal yang berasal dari rugi-rugi irreversible.
5. Ucapan terima kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh staf Jurusan Teknik Fisika Fakultas
Teknik Universitas Gadjah Mada yang telah berperan dalam membantu penulisan ini.
6. Daftar Pustaka
Forsberg, C. W., Peterson, P. F., Zao, H., 2004, An Advanced Molten Salt Reactor Using
High-Temperature Reactor Technology, Pennsylvania.
Jensen, S. H., and Mogensen, M., 2004, Perspectives of High Temperature Electrolysis
Using SOEC, Materials Research Department, Risø National Laboratory, DK-4000
Roskilde, Denmark.
Kato, Y., 2004, Hydrogen Career System for Fuel Cell Vehicles, Research Laboratory for
Nuclear Reactors, Tokyo Institute of Technology, Japan.
Py, J.P., and Capitaine, A., hydrogen production by high temperature electrolysis of
water
vapour
and
nuclear
reactors,
Available
from
www.cder.dz/A2H2/WHEC2006/S05.pdf, Accessed February 22, 2008.
Richard, S. P., 2004, A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic
Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles, University of Victoria, Victoria,
Available
from
www.iesvic.uvic.ca/publications/library/DissertationSPRichard.pdf, Accessed December 05, 2007.