tugas 2 pengolahan minyak bumi

HIDROGEN SEBAGAI SUMBER ENERGI

Achmad Fathony 1106007602

Riky Maulana Ikhwan 1106068522

Rizqi Pandu Sudarmawan 0906557045

Tulus Setiawan 1106015945

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK, 2013

Hidrogen Sebagai Sumber Energi ii

KATA PENGANTAR

Kami mengucapkan puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa,

karena dengan berkat dan rahmat-Nya maka penyusunan makalah ini dapat

diselesaikan tepat pada waktunya.

Makalah yang berjudul Hidrogen Sebagai Sumber Energi ini bertujuan

untuk memenuhi pembuatan tugas mata kuliah pengolahan minyak bumi semester

genap tahun 2013/2014. Selain itu, tujuan dalam penulisan makalah ini adalah

untuk memberikan informasi mengenai teknologi hidrogen, proses hidrogen

sehingga menghasilkan energi, dan perkembangan teknologi hidrogen di

Indonesia.

Dalam penyelesaian makalah ini, kami mengalami beberapa kesulitan,

terutama disebabkan oleh kurangnya ilmu pengetahuan dan pengalaman. Namun,

berkat bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak, akhirnya makalah ini dapat

terselesaikan meskipun mungkin masih banyak kekurangan. Karena itu,

sepantasnya jika kami mengucapkan terima kasih kepada:

1. Orang tua kami, yang telah memberikan dukungan moral maupun material

kepada kami.

2. Bapak Nelson, yang telah memberikan kepercayaan dan kesempatan untuk

membuat makalah ini, serta memberikan pengarahan dan bimbingannya kepada

kami, dan

3. Semua pihak yang telah membantu, baik secara langsung maupun tidak

langsung, yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Kami berharap makalah yang sederhana ini dapat menambah pengetahuan

pembaca mengenai bagaimana menerapkan ilmu-ilmu teknik kimia untuk

pengembangan energi terbarukan, serta bermanfaat bagi rekan mahasiswa dan

semua kalangan masyarakat. Apabila terdapat kekurangan kami mengharapkan

adanya kritik dan saran yang positif dan bersifat membangun agar makalah ini

dapat menjadi lebih baik dan berdaya guna di masa yang akan datang.

Depok, 24 Maret 2014

Kelompok 9 Pengolahan Minyak Bumi

Hidrogen Sebagai Sumber Energi iii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ............................................................................................ ii

DAFTAR ISI .......................................................................................................... iii

1. Teknologi Hidrogen ........................................................................................ 1

2. Proses Penghasilan Energi oleh Hidrogen ....................................................... 1

2.1. Produksi Hidrogen .................................................................................... 1

2.1.1. Produksi Hidrogen dari Gas Alam ..................................................... 1

2.1.2. Produksi Hidrogen dari Batubara dan Biomassa ............................... 4

2.1.3 Produksi Hidrogen dari Proses Elektrolisis......................................... 6

2.2. Produksi Energi dari Hidrogen ................................................................. 8

2.2.1. Hydrogen Internal Combustion Engine ............................................. 8

2.2.2. Fuel Cell ........................................................................................... 10

3. Penerapan Teknologi Hidrogen di Indonesia ................................................ 13

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 14

Hidrogen Sebagai Sumber Energi 1

Berkurangnya cadangan sumber energi di alam membuat para ilmuwan

mencari sumber energi alternatif. Sumber energi alternatif yang dikembangkan

saat ini ada yang berupa fosil dan ada yang berupa nonfosil. Sumber energi

alternatif fosil yang ada adalah shale gas, shale oil, tight gas, dan CBM (Coalbed

Methane). Sedangkan, sumber energi alternatif non-fosil yang ada adalah

biomassa, sel surya, hidrogen, dan lain-lain. Pada makalah ini, saya akan

membahas salah satu sumber energi alternatif non-fosil, tepatnya hidrogen.

1. Teknologi Hidrogen

Teknologi energi hidrogen adalah teknologi yang menggunakan hidrogen

sebagai sumber energi untuk bahan bakar atau untuk fuel cell. Hidrogen adalah

senyawa yang paling sederhana yang terdapat di alam. Dari segi susunan

atomnya, hidrogen hanya memiliki satu proton dan satu elektron. Di alam,

hidrogen terdapat dalam bentuk gas hidrogen. Gas hidrogen merupakan molekul

diatomik hidrogen dengan rumus kimia H2. Gas hidrogen merupakan gas yang

tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa dan tidak beracun, dengan berat jenis

0,08988 g/L pada kondisi standar. Hidrogen mempunyai kandungan energi per

satuan berat dibandingkan semua jenis bahan bakar, yaitu sebesar 120 MJ/kg.

Sebagai pembanding, kandungan energi gas alam adalah 54,4 MJ/kg, LPG 48,8

MJ/kg, bensin 45,6 MJ/kg, solar 45,3 MJ/kg, arang 30 MJ/kg, dan kayu kering

15,5 MJ/kg (Panut, 2009).

2. Proses Penghasilan Energi oleh Hidrogen

2.1. Produksi Hidrogen

Proses produksi hidrogen bisa dari berbagai macam cara. Secara garis

besar, ada empat cara untuk memproduksi hidrogen yaitu dari gas alam,

dari batubara dan biomassa, dari proses elektrolisis, dan dari metrode-

metode baru.

2.1.1. Produksi Hidrogen dari Gas Alam

Produksi hidrogen dari gas alam adalah dengan melakukan proses

pembuatan syngas (synthetic gas). Syngas adalah campuran gas

karbon monoksida dan gas hidrogen. Proses pembuatan syngas bisa


dilakukan dengan tiga macam reaksi, yaitu reaksi oksidasi parsial

(POX), reaksi steam reforming (SRM), dan reaksi CO2 reforming

(CO2RM).

Partial Oxidation

Reaksi oksidasi parsial adalah mereaksikan gas metana dengan

oksigen. Berikut ini reaksinya:

4 +1

22 + 22

Reaksi ini merupakan reaksi eksotermis dengan hasil panas

sebesar 35,9 kJ/mol (Dijan, Kuliah TPG, 2014). Syngas yang

merupakan produk dari reaksi POX memiliki perbandingan H2/CO

sebesar 2:1.

Steam Reforming

Reaksi steam reforming adalah mereaksikan gas metana dengan

superheated steam. Berikut ini reaksinya:

4 + 2 + 32

Reaksi ini merupakan reaksi endotermis dengan kebutuhan panas

sebesar 205,9 kJ/mol (Dijan, Kuliah TPG, 2014). Kelemahan reaksi

ini adalah membutuhkan panas dan harga steam yang mahal, karena

ada biaya proses pembuatan steam.

CO2 Reforming

Selain itu, ada reaksi CO2 reforming, namun tidak dipakai untuk

produksi hidrogen. Reaksi CO2 reforming adalah mereaksikan gas

metana dengan CO2. Berikut ini reaksinya:

4 + 2 2 + 22

Reaksi ini juga merupakan reaksi endotermis dengan kebutuhan

panas sebesar 247,1 kJ/mol (Dijan, Kuliah TPG, 2014). Kelemahan

reaksi ini adalah kebutuhan panas yang sangat tinggi, rasio H2/CO

1:1 yaitu menghasilkan sedikit sekali hidrogen, juga sering terjadi

deposisi karbon (Boudouard):

2 () + 2


Oleh karena itu, reaksi CO2 reforming tidak digunakan untuk

memproduksi hidrogen.

Auto-Thermal Reforming (ATR)

Untuk mengatasi kelemahan dari reaksi steam reforming yaitu

kebutuhan panas yang tinggi, reaksi steam reforming (endotermis)

dilakukan bersamaan dengan reaksi oksidasi parsial (eksotermis).

Proses ini disebut dengan proses autothermal reforming (ATR).

Berikut ini sistem reaktor ATR:

(Sumber: Moulijn et al., 2003)

Ada tiga zona tempat terjadinya reaksi pada reaktor ATR. Berikut

ini tabelnya:

Peralatan Reaktor Zona Reaksi

Burner Tempat terjadinya pencampuran

antara natural gas dan oksigen.

Combustion

Chamber

Tempat terjadinya reaksi oksidasi

parsial

Catalyst Bed Tempat terjadinya reaksi steam

reforming.

(Sumber: Direproduksi oleh author)


Dari semua proses di atas, untuk menghasilkan lebih banyak

produk berupa gas hidrogen, dilakukanlah reaksi Water-Gas Shift

(WGS).

Reaksi Water-Gas Shift (WGS)

Berikut ini reaksi WGS:

+ 2 2 +2

Tujuan dari WGS adalah memperbanyak produk berupa gas

hidrogen. Produk samping berupa gas karbon monoksida biasanya

dipisahkan lalu diinjeksi ke dalam bumi (CO2 sequestration) untuk

menimalisasi efek rumah kaca. Berikut ini PFD dari proses WGS:

Proses terbagi atas dua bagian yaitu HTS (High Temperature

Shift) dan LTS (Low Temperature Shift). Fungsi HTS adalah untuk

memenuhi aspek kinetik dari WGS dan LTS adalah untuk memenuhi

aspek termodinamika dari WGS.

Gas yang tinggi kandungan karbon monoksida nya masuk ke unit

HTS dengan suhu sekitar 400 oC. Proses ini mengurangi konsentrasi

karbon monoksida dalam campuran sampai sekitar 2,5% dalam basis

kering. Selanjutnya, umpan didinginkan sampai penurunan

temperatur sebesar 200 oC, lalu gas masuk ke dalam unit LTS.

Tujuannya adalah mencegah sintering katalis unit LTS. Pada unit

LTS, karbon monoksida berkurang sampai sekitar 0,3%. Karbon

monoksida yang merupakan by product di-treat dengan

menggunakan kolom absorbsi dengan larutan tembaga sebagai

absorbennya, atau dengan pemisahan secara kriogenik (Seddon, Gas

Usage and Value, 2006).

2.1.2. Produksi Hidrogen dari Batubara dan Biomassa

Berikut ini diagram alir yang menunjukkan produksi hidrogen dari

biomassa:


Perbedaannya dengan produksi hidrogen dari natural gas adalah

produksi hidrogen dari batubara dan biomassa melalui tahap pirolisis

terlebih dahulu (lingkaran merah). Proses pirolisis adalah proses

dekomposisi biomassa dengan melakukan pemanasan tanpa

melibatkan oksigen sama sekali atau di lingkungan yang tidak cukup

oksigen (Ronsse, 2013).

Setelah itu, hasil pirolisis masuk ke dalam proses gasifikasi,

dimana pada proses gasifikasi terjadi reaksi-reaksi berikut:

(Sumber: Dijan, Kuliah TPG, 2014)

Dari banyak reaksi tersebut dapat kita lihat bahwa terdapat

dua reaksi yang sama seperti yang telah dijelaskan sebelumnya


yaitu reaksi steam reforming (7.9) dan reaksi CO2 reforming

(7.13). Ditambah dengan reaksi pembakaran (7.1). Proses

pirolisis, gasifikasi, dan pembakaran ini dilakukan dalam satu

unit yang disebut gasifier.

2.1.3 Produksi Hidrogen dari Proses Elektrolisis

Produksi hidrogen dari proses elektrolisis terbagi lagi menjadi

lima tipe, yaitu elektrolisis air, elektrolisis larutan alkali,

elektrolisis Polymer Electrolyte Membrane (PEM), elektrolisis

suhu tinggi, fotolisis, dan biofotolisis.

Elektrolisis air

Elektrolisis air adalah proses pemecahan molekul air

menjadi molekul hidrogen dan oksigen. Semakin tinggi

temperatur elektrolit, semakin rendah jumlah listrik yang

dibutuhkan untuk melakukan proses ini. Oleh karena itu, untuk

meningkatkan efisiensi pabrik pengolahan energi fossil,

diharapkan pada beberapa tahun ke depan, panas yang hilang di

pengolahan digunakan untuk proses elektrolisis air agar bisa

menghasilkan gas hidrogen. Berikut ini persamaan reaksinya:

2 + 2 +1

22

Elektrolisis larutan alkali

Sama dengan elektrolisis air, namun larutan elektrolit yang

digunakan buan air tapi larutan alkali. Biasanya, senyawa yang

digunakan adalah KOH. Elektrolisis larutan alkali ini, biasanya

digunakan pada tempat-tempat yang stasioner, tidak bergerak

seperti mobil. Berikut ini reaksi yang terjadi pada proses

elektrolisis larutan alkali:

Reaksi di elektrolit:

42 4+ + 4

Sehingga terjadi reaksi di katoda dan anoda


Reaksi di katoda (Reduksi):

4+ + 4 22

Reaksi di anoda (Oksidasi):

4 2 + 22 + 4

Jika dijumlahkan maka

22 22 + 2

Unit elektrolisis alkali prosesnya digambarkan pada BFD

berikut:

(Sumber: International Energy Agency. Hydrogen

Production and Storage. 2006)

Elektrolisis PEM

Pada proses elektrolisis PEM, tidak ada larutan elektrolit

yang terlibat. Sebagai penggantinya, elektrolit yang digunakan

berupa acidic polymer membrane. Berikut ini reaksi yang terjadi:

Di anoda:

2 1

22 + 2

+ + 2

Di katoda:

2+ + 2 2

Elektrolisis bisa digunakan pada unit yang diam ataupun

yang mobile seperti mobil. Namun, karena capital cost dari

elektrolisis PEM mahal serta umur dan efisiensi yang rendah

maka elektrolisis PEM tidak diaplikasikan.

Elektrolisis suhu tinggi


Semakin tinggi suhu larutan elektrolit, maka semakin

sedikit listrik yang dibutuhkan untuk melangsungkan proses.

Kendala dari penggunaan elektrolisis suhu tinggi adalah

penggunaan material yang kuat menahan suhu tinggi.

Fotolisis

Fotolisis adalah singkatan dari kata foto dan elektrolisis,

artinya melakukan proses elektrolisis dengan bantuan cahaya.

Unit elektrolisis disambungkan dengan sistem photovoltaic

sehingga output dari proses ini bisa berupa listik dari photovoltaic

cell, atau bisa berupa hidrogen dari proses elektrolisis.

Keuntungan dari sistem ini ialah tidak menggunakan listrik untuk

menghasilkan hidrogen.

2.2. Produksi Energi dari Hidrogen

Produksi energi dari hidrogen bisa melalui pembakaran langsung

pada mesin atau bisa juga dengan fuel cell (Panut, 2009).

2.2.1. Hydrogen Internal Combustion Engine

Tahap-tahap operasi mesin pembakaran dalam untuk

hidrogen sama dengan mesin pembakaran untuk bahan bakar

lain. Berikut ini empat tahap operasi mesin pembakaran dalam:

1. Intake Stroke

(Sumber: Anonim,

http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/Intern

al_combustion_engine.html, diakses pada tanggal 22 Maret

2014)


Pada tahap intake, piston bergerak membentuk volume

dalam mesin maksimum. Dengan valve yang terbuka, dan

tekanan dalam mesin rendah, campuran antara uap bahan

bakar dan udara masuk ke dalam mesin.

2. Compression Stroke

(Sumber: Anonim,



2014)

Pada tahap kompresi, sesuai namanya, piston mulai

mengkompresi dengan bergerak ke atas sambil menutup

valve tempat masuk pada tahap intake. Pada proses kompresi,

tekanan, densitas, dan temperatur campuran meningkat.

3. Power Stroke


(Sumber: Anonim,



2014)

Pada step ini, piston bergerak ke atas sampai hampir

menyentuh bagian atas mesin. Ketika mencapai

maksimumnya, terjadilah penyalaan. Lalu piston turun lagi ke

bawah akibat adanya ekspansi volume karena penyalaan.

4. Exhaust Stroke

(Sumber: Anonim,



2014)

Pada tahap ini, valve exhaust terbuka ketika piston

melakukan ekspansi maksimum. Ketika sudah terbuka, piston

melakukan dorongan ke atas. Energi keluar dalam bentuk

panas. Lalu kembali ke step pertama untuk melakukan siklus

berikutnya.

2.2.2. Fuel Cell

Pada dasarnya, prinsip kerja fuel cell sama dengan prinsip

kerja baterai, yaitu mengubah energi kimia menjadi energi

listrik searah (DC) dengan tegangan rendah. Selain itu, fuel


cell juga memiliki anoda dan katoda yang kontak langsung

dengan elektrolit seperti baterai.

Gas hidrogen bergerak menuju lapisan elektrolit melewati

katalis untuk bertemu dengan gas oksigen yang bergerak

melewati katalis juga menuju lapisan elektrolit. Dari reaksi

tersebut, dihasilkan dua elektron. Kedua elektron tadi

bergerak lagi menuju lapisan bipolar untuk diubah menjadi

listrik dengan tegangan rendah.

Namun, ada perbedaan di antara keduanya. Untuk melihat

lebih jelas, berikut ini skema kerja dari fuel cell dan baterai:

(Sumber:Anonim. Fuel Cell Technology. 2001)

Perbedaan antara fuel cell dan baterai:

Baterai Fuel Cell

Anoda dan katodanya

berupa logam.

Anoda dan katoda

tersimpan dalam bentuk

logam dan terkonsumsi

selama pemakaian.

Jika elektroda habis

digunakan, harus dibuang

atau dicharge.

Anoda dan katodanya

berupa gas, hidrogen

sebagai anoda dan

oksigen sebagai katoda.

Elektroda dikontakkan

dengan katalis logam

(biasanya platina).

Elektroda disuplai secara

kontinyu.

Fuel cell akan tetap


beroperasi selama reaktan

(elektroda) disuplai.

(Sumber: Disusun ulang oleh pembuat)

Fuel cell digolongkan atas temperatur kerjanya. Fuel cell

dengan temperatur rendah dan fuel cell dengan temperatur

tinggi.

Fuel cell temperatur tinggi adalah fuel cell yang bisa bekerja

pada temperatur lebih dari 600 oC. Biasanya, fuel cell

temperatur tinggi menggunakan katalis dengan logam tidak

mulia seperti nikel. Fuel cell dengan temperatur tinggi

menghasilkan panas lebih daripada fuel cell temperatur rendah.

Keuntungan dari fuel cell temperatur tinggi adalah terjadi

internal reforming yang membuat fuel cell bisa digunakan

dengan sumber bahan bakar selain hidrogen. Hal ini membuat

fuel cell menghasilkan panas lebih sekitar 15% karena ada

reaksi antara karbon monoksida dengan oksigen. Selain itu,

fuel cell temperatur tinggi mudah bereaksi tanpa katalis logam

mulia seperti platinum.

Keterbatasan dari fuel cell temperatur tinggi adalah hanya

sedikit material yang bisa bekerja pada temperatur tinggi

dengan zat kimia, dan start-up yang lambat karena butuh suhu

tinggi terlebih dahulu untuk start-up sehingga tidak bisa

digunakan untuk skala besar.

Fuel cell temperatur rendah adalah fuel cell yang bekerja

dengan suhu di bawah 250 oC. Fuel cell dengan temperatur

rendah adalah alkaline fuel cell, phosphoric acid fuel cell, dan

Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell. Keuntungan dari

fuel cell temperatur rendah adalah start up yang lebih cepat,

sedikit masalah material, dan lebih mudah digunakan untuk

kendaraan.


3. Penerapan Teknologi Hidrogen di Indonesia

Menurut Buku Putih Energi Indonesia yang dibuat oleh BATAN (Badan

Tenaga Atom Nasional) terbitan tahun 2006, diproyeksikan akan dibuat Proton

Exchange Fuel Cell (PEFC) dengan kapasitas hingga 50 kW di Indonesia pada

tahun 2011-2015. PEFC tersebut akan digunakan untuk pembangkit listrik

skala rumah tangga, unit emergency, telekomunikasi, dan transportasi. Instalasi

produksi dan pendistribusian hidrogen juga seharusnya sudah dibuat.

Sedangkan, industri manufaktur untuk fuel cell diharapkan dilakukan oleh

sektor swasta. Sasarannya pada tahun 2015, hidrogen sudah digunakan hingga

50 MW. Namun, pada kenyataannya, sampai saat ini belum ada informasi lebih

lanjut tentang kemajuan dari proyek fuel cell ini di masyarakat.


DAFTAR PUSTAKA

Mulyono, Panut. 2009. Prospek dan Potensi Energi Hidrogen Sebagai Energi

Tebarukan. Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada

Lodgberg, Sarah.2005. Natural Gas Conversion. Norwegia

Anonim. 2006. Hydrogen Production and Storage. Paris: International Energy

Agency

Supramono, Dijan. 2014. Kuliah Transportasi dan Pemanfaatan Gas Bumi

Anonim.

http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/Internal_combustion_en

gine.html. Diakses pada tanggal 22 Maret 2014

tugas 2 pengolahan minyak bumi

Documents