Mobil Berbahan Bakar Hidrogen? Mengapa Tidak?
Kita tahu bahwa saat ini the top of world’s issues adalah masalah Energi. Jika kita lihat di banyak media internasional yang ada, sebagian besar dari mereka sering sekali membahas topik ini. Baik majalah Times, Newsweek, Discovery Channel, National Geographic, CNN, BBC, dan media internasional lainnya begitu hot membahas topik ini. Mengapa topik ini begitu gencar di kalangan internasional? Yang pasti karena ada hubungannya juga dengan masalah ekonomi, politik, bahkan sampai pemanasan Global. Energi yang digunakan saat ini didominasi oleh bahan bakar terutama minyak, selanjutnya gas dan batu bara. Oleh karena itu negara penghasil minyak seperti timur tengah saat ini sedang dalam masa kejayaan mereka. Salah satu masalahnya adalah ketersediaan minyak, gas dan batu-bara sangat terbatas dan diperkirakan suatu saat akan habis. Masalah lain adalah emisi gas-gas alam yang dapat menyebabkan pemanasan global.
Namun saat ini sudah banyak penemuan-penemuan menakjubkan yang menjadi solusi pilihan untuk masalah ini. Yaitu dengan menggunakan Renewable Energy kita dapat mengurangi konsumsi bahan bakar fosil di dunia. Dalam artikel ini yang akan dibahas kiritis adalah alternatif bahan bakar kendaraan menggunakan hydrogen, yaitu dengan menggunakan Fuel Cell Technology. Mungkin ada beberapa dari anda yang bertanya-tanya apa sich Fuel Cell itu? Kendaraan berbahan bakar hydrogen? Apakah bisa? Dan mungkin banyak sekali pertanyaan lainnya. Kita akan bahas secara singkat dalam artikel ini.
Dasar Teori
Fuel Cell adalah yang menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar untuk menghasilkan elektron, proton, panas dan air. Teknologi fuel cell didasarkan pada prinsip reaksi pembakaran sederhana yaitu:
2H2 + 02 <-> H2O
Di dalam reaksi tersebut, Hidrogen disuplai ke kutub anoda (terminal negatif) dari fuel cell ketika Oksigen disuplai ke kutub Katoda (terminal positif) dan melalui reaksi kimia, hidrogren dibelah menjadi elektron dan proton. Setiap bagian tersebut melewati jalur yang berbeda menuju katoda. Seperti dapat kita lihat di gambar berikut, elektron dialirkan melalui jalur tertentu sehingga terjadilah aliran elektron yang kita sebut arus listrik untuk mensuplai beban yang kita butuhkan. Sedangkan proton mengalir melaui Electrolyte dan akhirnya keduanya disatukan kembali di kutub katoda dan bereaksi dengan oksigen yang berasal dari udara kemudian menghasilkan produk yang tidak berbahaya yaitu air.
Hidrogen dapat disuplai dari berbagai bahan material jika “pembaharu bahan bakar” ditambahkan pada Fuel Cell. Hidrogen sendiri dapat didapatkan dari bahan bakar hidrokarbon seperti Gas Alam atau methanol. Fuel Cell sendiri berarti memproduksi listrik dengan melaui reaksi kimia, sehingga emisi yang dihasilkan adalah emisi yang bersih. [1]
Gb.1 Operasi dasar Fuel Cell [1]
Sejarah Fuel Cell
Teknologi Fuel Cell pertama kali ditemukan oleh Sir William Robert Grove (1811-1896) Grove merupakan salah satu mahasiswa dan lulusan dari Oxford University dan menjalankan profesi patent law sambil mempelajari kimia. Grove mengembangkan wet-cell battery yang terimprofisasi pada tahun 1838 yang membuat dia jadi terkenal. Dengan menggunakan riset dan pengetahuannya, Proses Elektrolisis menggunakan listrik untuk membelah air menjadi Hidrogen dan Oksigen dan seharusnya reaksi sebaliknya dapat dilakukan, yaitu menggabungkan hidrogen dan oksigen menjadi air dan menghasilkan listrik. Dengan menggunakan hipotesa ini, Grove mengembangkan sebuah alat yang mampu menggabungkan Hidrogen dan Oksigen untuk memproduksi listrik sehingga dia menjadi penemu pertama yang menemukan Baterei gas (gas Battery). [1]
Gb2. William Robert Grove [3]
Selain Grove, masih banyak ilmuwan-ilmuwan lain yang ikut andil dalam mengembangkan teknologi fuel cell misalnya Ludwig Mond (1839-1909), Friedrich wilhelm Ostwald ( 1853-1932), Emil Baur (1873-1944), Francis Thomas Bacon (1904-1994) dan yang lainnya. Mereka semua ikut serta dalam penelitian dan pengembangan Fuel Cell. Namun Artikel ini tidak akan membahas tentang mereka.
Mengapa Fuel Cell dibutuhkan?
Fuel Cell merupakan teknologi yang ramah lingkungan dan mempunyao prospek yang bagus untuk masa depan anak cucu kita. Keunggulan dari fuel cell sendiri diantaranya adalah Efisiensinya yang sangat tinggi. Efisiensi Fuel cell saat ini ketika beroperasi sediri adalah sekitar 40%-55%. Dan jika mereka menggunakan CHP (Combine Heat and Power) bisa mencapai 80%. Jika dibandingkan dengan pembakaran biasa dengan mesin yang hanya mencapai 30%, Fuell cell jauh lebih efisien.
Teknologi Fuel cell sendiri sangat simpel dan tidak terlalu rumit. Selain itu, fuel cell nyaris tidak memiliki emisi yang buruk dengan kata lain zero emission karena emisi yang dikeluarkan adalah berupa air. Dan satu lagi keunggulan dari fuel cell yaitu tidak berisik. Tidak seperti dengan menggunakan mesin yang dimana memakai bahan bakar untuk meledakan ruang di dalam piston sehingga bisa menggerakan piston untuk menggerakan mobil misalnya, Fuel cell hanya menggunakan reaksi kimia yang tidak berbahaya dan tidak menimbulkan suara berisik. Oleh karena itu teknologi ini dapat digunakan untuk jangka panjang. [1]
Cara Kerja Fuel Cell
Seperti yang dijelaskan sebelumnya, Fuel Cell bekerja berdasarkan reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksidan yang dipicu di dalam elektrolit. Pada anoda, katalis mengoksidasi bahan bakar yang biasanya hidrogen dan mengubah bahan bakar menjadi ion positif dan elektron negatif. Ion dilewatkan melalui elektrolit menuju katoda dan bergabung kembali dengan elektron dan secara bersamaan bereaksi dengan oksigen yang kemudian menghasilkan air (H2O) atau karbon dioksida (CO2). Elektron bebas dilewatkan melewati kabel sehingga menghasilkan arus listrik. Elektrolit sendiri merupakan bahan materi yang dibuat dan didesain agar ion bisa dilewatkan namun elektron tidak bisa melewatinya.
Untuk menghitung energi yang dihasilkan oleh fuel cell sendiri, rumus yang dipakai adalah rumus pada umumnya yaitu Energi sama dengan beda potensial dikalikan arus dikalikan dengan waktu (E=V.I.t) . Output dari reaksi tersebut sebenarnya tidak hanya menghasilkan listrik dan air, namun juga menghasilkan panas. Untuk menghitung efisiensi maksimum dari fuel cell sendiri dipakailah persamaan berikut:
Energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), rgf , Energi yang diproduksi melalui reasksi pembakaran aktual. Dan formasi entalpi rhf, adalah energi ideal yang dapat diproduksi melalui reaksi pembakaran jika energi maksimum dapat diproduksi dari reaksi pembakaran. [1] Secara teori, jika Energi Gibs hidrogen adalah 237kJ/mol dan rhf adalah 286 kJ/mol, maksimum energi yang bisa dihasilkan oleh fuel cell seharusnya adalah286 kJ/mol, maksimum energi yang bisa dihasilkan oleh fuel cell seharusnya bisa mencapai 83%. Namun pada kenyataannya, efisiensi yang dihasilkan masih dipengaruhi oleh faktor faktor lain misalnya tekanan udara pada tabung hidrogen, konsentrasi gas, voltage loss, dan lain sebagainya.
Gb 3. Individual Fuel Cell
Aplikasi dari Fuel Cell
Aplikasi dari fuel cell bervariasi tergantung dari tipe fuel cell apa yang dipakai. Karena Fuel cell mampu memproduksi tenaga listrik dari 1W hingga 10MW, Fuel Cell dapat dipakai untuk keperluan apa saja yang membutuhkan tenaga listrik. Dalam skala kecil fuel cell dapat dipakai untuk cellphones, personal computer, dan berbagai alat listrik. Dalam skala 1kW sampai 100kW, Fuel Cell dapat dipakai untuk menjalankan kendaraan baik domestik maupun militer. Transportasi publik pun bisa menggunakan teknologi fuel cell. Dan dalam skala 1MW-10MW Fuel cell dapat digunakan untuk listrik untuk keperluan umum yang didistribusikan melalui grid kepada masyarakat, tentunya arusnya harus dikonversi menjadi AC (Alternatif Current) dahulu.[1]
Untuk saat ini penelitian dari Fuel Cell sudah berkembang untuk berbagai jenis alat transportasi. Peneliti Boeing dan partner industri dari seluruh eropa sedang mengeksperimentalkan penerbangan dengan menggunakan fuel cell pada februari 2008. Fuel Cell Demonstrator Airplane, panggilan dari proyek ini, menggunakan Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell/lithium-ion battery dengan sistem hybrid. [7] . Tidak hanya itu saja, Fuel cell juga sudah digunakan untuk perahu, mobil, bahkan sampai kapal selam.
Tidak hanya transportasi saja, fuel cell juga sudah dikembangkan untuk Smart phone, notebook computers, Portable charging docks, base load power plant, uninterupted Power Supply (UPS), emergency power systems misalnya untuk rumah sakit, laboraturiom, pusat data dan telekomunikasi dan kapal angkatan laut.
Gb.4 Ilustration of Fuel Cell Car [2]
Mobil Berbahan Bakar Fuel Cell
Tentu saja dari keterangan di atas, Fuel cell dapat digunakan untuk berbagai jenis alat transportasi misalnya mobil, bus, sampai perahu bisa berbahan bakar hidrogen. Saat ini beberapa perusahaan ternama sudah mengeluarkan produk-produk mereka dengan memproduksi kendaraan ramah lingkungan ini. Toyota, Mercedez-Benz, Ford, Honda dan perusahaan-perusahaan besar yang lain sudah mengeluarkan beberapa jenis kendaraan berbahan bakar hidrogen.
Pada Tahun 2003, Presiden Amerika Goerge W Bush mengajukan Hydrogen Fuel Initiative (HFI) yang diimplementasikan melalui 2005 Energy Policy Act dan 2006 Advanced Energy Initiative. Inisiatif ini diarahkan lebih jauh lagi untuk pengembangan Fuel Cell dan teknologi infrastrukturnya dan ultimate goal dari proyek ini adalah untuk memproduksi kendaraan Fuel Cell komersial pada tahun 2020 mendatang. Pada tahun 2008 U.S. telah mengkontribusikan 1 milyar dolar untuk proyek ini.[4]
Pada Mei 2009, Administrasi Obama mengumumkan bahwa akan ada “pemotongan dana” untuk pengembangan kendaraan berbahan bakar hidrogen dengan fuel cell. Sejak teknologi kendaraan lain mengembangkan reduksi emisi secara cepat dalam waktu singkat. Kesekretariatan Energi Amerika serikat mengatakan bahwa kendaraan hidrogen tidak akan dipraktiskan pada 10 sampai 20 tahun mendatang. Serta menyebutkan tentang masalah yang dihadapi mengenai pendistribusian bahan bakar hidrogen sendiri. Biarpun demikian, pemerintah amerika serikat akan terus mendanai peneletian tentang stationary fuel cell. Asosiasi Hidrogen Nasional dan Dewan Fuel Cell Amerika serikat mengkritik keputusan ini dan mengatakan bahwa “…. rencana pemotongan di DOE program hidrogen dan fuel cell mengancam pada ganguan komersialisasi pada keluarga teknologi yang menunjukan janji luar biasa dan pada awal untuk mendapatkan daya tarik pasar. “[5]
Tapi pada kenyataannya, teknologi fuel cell masih berkembang secara luar biasa meskipun banyak kendala yang dihadapi. Berikut adalah contoh-contoh kendaraan yang berhasil diciptakan dengan menggunakan teknologi fuel cell:
Gb. 5. Perahu fuel cell pertama kali di dunia yang tersertifikasi. (HYDRA) di Leipzig/Jerman
Gb 6. Toyota FCHV PEM FC fuel cell Vehicle
Gb 7. Fuel Cell Bus oleh Mercedes Benz di London
References
- Rayment. Chris, Sherwin. Scott, 2003, Introduction to Fuel Cell Technology, Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, USA
- Fuel Cell Car Ilustration by Peter Welleman (2009) , www.imageproduction.nl
- Potrait of William Robert Grove (1811-1896), Smithsonian Institution Libraries
- Nice, Karim, and Jonathan Strickland. “How Fuel Cells Work.” How Stuff Works. 30 October 2008. 3 November 2008 <http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell.htm.>
- “Hydrogen and Fuel Cell Associations Criticize DOE Program Cuts”. National Hydrogen Association Press Release. 2009-05-07. http://www.renewableenergyworld.com/rea/partner/national-hydrogen-association-1881/news/article/2009/05/hydrogen-and-fuel-cell-associations-criticize-doe-program-cut. Retrieved 2009-05-09.
- Some pictures are from en.wikipedia.org
- First Fuel Cell Microaircraft First Fuel Cell Microaircraft
Teori Dasar Pembakaran Kayu
Abstract
The using of wood for the fuel is still exist even now a lot of people using fosil as the fuel for their industry. It’s important to understand combustion principle when chosing or designing the right stove for our industry. There is three stage of combustion that has been known. First, heating and evaporating stage, and then the wood starts to break down chemicaly at 500oF and volatile matter is vaporized. At 1100oF this vapor burn. This high temperature must be maintained for maximum efficiency in combustion. And the third stage was Following the release of volatile gases, the remaining material is charcoal, which burns at temperature exceeding 1100oF.
Keywords : wood, combustion, stage
Introduksi
Saat ini penggunaan kayu bakar sebagai bahan bakar untuk rumah tangga di Indonesia mungkin sangat jarang kita lihat di daerah perkotaan di Indonesia, misalnya Jakarta, Surabaya, Semarang maupun Jogjakarta. Tapi ternyata sebenarnya kayu bakar saat ini masih tetap dipakai sebagai bahan bakar untuk beberapa keperluan industri misalnya di beberapa Industri batik, Industri perak/logam bahkan dipakai juga di industri keris yang ada di Jogjakarta. Tak hanya itu, ternyata beberapa rumah tangga pun masih memakai kayu bakar sebagai bahan bakar rumah tangga mereka misalnya untuk memasak, merebus air, dsb. Artinya di jaman yang sudah cukup maju seperti sekarang ini kayu bakar masih digunakan sebagai alternatif bahan bakar yang mudah didapatkan dan mudah. Namun pertanyaannya adalah bagaimana memaksimalkan penggunaan kayu bakar agar kayu bakar tersebut dapat digunakan secara maksimal? Berikut akan dijelaskan secara singkat bagaimana supaya kayu bakar dapat digunakan secara maksimal.
Teori Dasar Pembakaran
Segala jenis pembakaran memerlukan tiga elemen agar pembakaran tersebut dapat berlangsung. Elemen-elemen tersebut adalah Bahan bakar (Fuel), Oksidan (Oxidizer) dan sumber panas (Source of Heat). Jika tiga jenis elemen ini dikombinasikan di dalam lingkungan yang layak, maka akan terjadi pembakaran. Jika salah satu dari 3 elemen ini dihilangkan, tidak akan terjadi pembakaran.
Dalam kasus kayu bakar, yang berperan sebagai bahan bakar (Fuel) adalah kayu bakar tersebut karena kayu bakar memiliki kandungan Selulosa dan Lignin yang berasal dari Fotosintesis, yang berperan sebagai oksidan(oxider) adalah udara karena udara mengandung 21% Oksigen. Sedangkan yang berperan sebagai sumber panas (Source of Heat) adalah percikan api yang biasanya berasal dari korek api.
Tahapan dalam Proses Pembakaran
Pembakaran kayu ternyata memerlukan beberapa proses. Ada tiga proses utama dalam pembakaran. Untuk mendapatkan pembakaran sempurna, kayu harus dibakar melewati 3 proses tersebut.
Tahap Pertama
Proses pertama dalam pembakaran adalah proses pemanasan dan proses evaporasi. Kita tahu bahwa kayu memiliki banyak kandungan air, oleh karena itu proses ini adalah proses penghilangan kandungan air dalam kayu. Pada saat kayu mencapai suhu 212oF atau 100oC kandungan air dalam kayu akan menguap karena suhu tersebut adalah titik uap air. Dan ketika permukaan kayu bersuhu antara 212oF sampai sekitar 450oF (100oC-232oC) Creosote (Sejenis minyak pengawet kayu) mengeluarkan Karbon monoksida(CO), karbon dioksida (CO2), Acetic dan formic acid.
Tahap Kedua
Setelah kandungan air dikeluarkan dari kayu dan suhu kayu mencapai 540oF (282oC), maka terjadilah tahap kedua dalam pembakaran. Dalam Tahap kedua ini terjadi pembakaran primer dan pembakaran sekunder. Pembakaran primer berlangsung pada suhu 540oF (282oC) sampai suhu 900oF (482oC). Pada suhu ini kayu melepaskan metana, metanol, uap air dan carbon dioksida. Gas-gas ini disebut Secondary Gases dan mengandung 60% dari potensial panas kayu. Dibutuhkan kondisi yang sangat menunjang agar pembakaran sekunder terjadi dan mencapai suhu 1100oF (593oC). Terlalu banyak udara akan menyebabkan suhu gas menurun karena konveksi dan terlalu sedikit udara tidak akan menunjang pembakaran. Oleh karena itu, pengaturan jumlah udara yang dipakai sangat penting.
Tahap Ketiga
Jika pembakaran sudah melampaui suhu 1100oC maka akan terbentuk arang pada kayu (Charcoal) dan arang kayu ini dapat terbakar dalam jangka waktu yang lebih lama pada low rate temperature.
Tinjauan Fisik
Ada beberapa tinjauan fisik yang diperlukan dalam pemilihan kayu bakar yang baik. Karena tidak semua kayu bakar dapat dibakar secara efektif. Tinjauan tersebut diantaranya adalah densitas, porositas, area permukaan internal, densitas bulk, ukuran partikel, distribusi ketajaman, spesific heat, konduktivitas termal, emisivitas dan beberapa kandungan lain.
Kesimpulan
Memilih jenis kayu yang tepat merupakan salah satu cara agar kayu dapat terbakar lebih efisien. Dan dengan mengerti dasar dari proses pembakaran ini maka kita dapat mendesain atau memilih tungku yang lebih baik.
References
Michael. Vogel (2005), Heating with Wood: Principles of Combustion,Montana State University, U.S.*)
Raglan. K.W.. Aerts. D.J & Baker. A.J (1991), Properties of Wood Combustion Analysis, Bioresource Technology, Elsevier Science Publisher Ltd, England.
*) sebagian besar artikel disunting dari artikel ini
Tentang Teknik Fisika
Apakah anda pernah terpikir tentang Teknik Fisika? Mungkin jurusan ini sangat jarang kita temukan di Indonesia. Tapi jurusan ini ternyata ada di Indonesia dan sebenarnya jurusan ini cukup menarik sama halnya dengan teknik elektro, teknik mesin, teknik arsitektur ataupun teknik yang lain yang cukup populer di Indonesia.
Teknik fisika (Bahasa inggrisnya: engineering physics) adalah ilmu teknik atau rekayasa yang mempelajari berbagai bidang aplikasi ilmu dasar, ilmu terapan dan pemanfaatan teknologi. Insinyur teknik fisika diharapkan memiliki basis matematika, fisika, kimia yang kuat serta ilmu perekayasaan yang menonjol karena bidang pekerjaannya yang cakupannya sangat luas dimulai dari industri hulu hingga hilir.
Saat ini yang saya tahu di Indonesia sudah ada perguruan tinggi yang mempunya jurusan Teknik Fisika. Pendidikan Teknik Fisika dapat kita temukan di lima universitas di Indonesia yaitu Institut Teknologi Bandung di Bandung, Institut Teknologi Sepuluh Nopember di Surabaya, Universitas Gadjah Mada di Yogyakarta, Universitas Nasional di Jakarta, dan Institut Teknologi Telkom di Bandung.
Teknik Fisika (Engineering Physics) adalah disiplin ilmu yang tumbuh seiring dengan tanggapan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di dunia. Program pendidikan teknik fisika di dunia dimulai sejak tahun 1940-an dan didirikan karena perguruan tinggi sadar bahwa perlu untuk mendidik satu jenis pendidikan keinsinyuran yang mempunyai dasar cukup luas yang berdasar pada ilmu fisika dan matematika serta dasar-dasar keteknikan. Bidang kajian dari teknik fisika secara khusus adalah Computational Materials Science & Engineering, Optics and Fiber Optics, Laser Communication, Instrumentation and Computation Systems, Medical Instrumentations and Biophysics, Control System and Engineering, dan Built-in Environment, Vibration and Acoustics.
Teknik Fisika 