MODEL DAN UNJUK KINERJA DINAMIS SISTEM SEL BAHAN BAKAR TIPE (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) PEMFC

Transkripsi

1 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman 1-16 MODEL DAN UNJUK KINERJA DINAMIS SISTEM SEL BAHAN BAKAR TIPE (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) PEMFC Ferdian Ronilaya 1 Abstrak Sekarang ini, masyarakat sedang lebih peduli terhadap isu pemanasan global dan oleh karenanya pemanfaatan energi terbarukan telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Para ahli yakin bahwa akan ada banyak pusat-pusat pembangkit energi listrik terbarukan di masa depan. Salah satu energi baru dan terbarukan yang bersih dan terbarukan adalah sel bahan bakar (Amplett et. al, 2002). Fokus utama dari penelitian ini adalah memodelkan dan mensimulasikan sel bahan bakar terutama tipe PEMFC untuk memahami unjuk kinerja dinamisnya. Semua parameter PEMFC yang disajikan dalam penelitian ini di adopsi dari Srinivasan (Srinivasan, 2006). Penelitian ini juga memodelkan konverter jenis buck di mana konverter ini berfungsi untuk menurunkan tegangan output. Konverter tersebut juga dilengkapi dengan rangkaian kontrol untuk memperoleh tegangan output yang terkendali ketika beban naik atau turun. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Dymola. Berdasarkan simulasi yang telah dilaksanakan, dapat diketahui bahwa, sel bahan bakar tipe PEMFC memiliki respon dinamik yang sangat lambat pada saat start-up awal dan selama kondisi transien. Karakteristik ini disebabkan oleh laju aliran hidrogen (termasuk kompresor, katup -katup dan reformer) tidak dapat disesuaikan dengan cepat untuk memenuhi kebutuhan beban. Sehingga ketika permintaan daya beban berfluktuasi, sel bahan bakar hanya mampu mensuplai daya dengan besaran yang hampir konstan. Kata-kata kunci: Pemodelan, Simulasi, PEMFC, Dymola Abstract Currently, people are more aware with global warming and therefore renewable energy utilisation has undergone fast expansion. Experts believe that there will be greater use of renewable energy in the future. One of the renewable energy power generations that offer clean and sustainable fashion is fuel cells [2]. The main focus of this paper is to model and to simulate the Fuel Cell system, 1 Ferdian Ronilaya. Dosen Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang

2 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN particularly PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), for understanding its dynamic performance. All of the PEMFCs parameters in this paper are adopted from Srinivasan [1]. The buck converter is also utilised in order to decrease the output voltage. Such converter is also equipped with controller to obtain the controlled voltage when the load current increases or decreases. The simulations are performed by using Dymola software. From the simulation that has been performed, it is known that Fuel Cell has very slow dynamic response at initial start up and during transient condition when there is a load change. This behaviour is caused by the hydrogen flow rates (together with compressor, pump, valves and reformer) cannot be quickly adjusted to meet the load demand. Consequently, as power demand fluctuates, the fuel cell only capable to supply unfluctuating power. Keywords: Modelling, Simulation, PEMFCs, Dymola 1. PENDAHULUAN Sel bahan bakar pertama kali ditemukan oleh fisikawan asal Wales yang bernama Sir William Robert Grove pada tahuan Dia bereksperimen dengan cara mereaksikan oksigen dan hidrogen dengan bantuan suatu elektrolit. Hasil dari reaksi pencampuran itu adalah energi listrik dan air. Akan tetapi, energi listrik yang dihasilkan tersebut masih belum dapat diaplikasikan secara teknis. Hasil temuannya diistilahkan dengan sel bahan bakar ( fuel cell) oleh Ludwig Mond dan Charles Langer. Aplikasi sel bahan bakar pertama kali diperkenalkan oleh NASA pada tahuan Sekarang ini, isu yang paling penting bukanlah terletak pada teknologi sel bahan bakar, akan tetapi terletak pada faktor ekonomisnya (Chiu and Diong, 2004). Walaupun demikian, studi tentang model dan karakteristik dari berbagai macam tipe sel bahan bakar, khususnya tipe PEMFC, masih dibutuhkan dalam rangka memperoleh disain atau rancangan sel bahan bakar yang layak baik dari segi teknis maupun ekonomis. 2. KAJIAN PUSTAKA Srinivasan menyatakan bahwa penggunaan hidrogen dalam sel bahan bakar untuk produksi energi listrik memiliki beberapa keuntungan, antara lain (Srinivasan, 2006) : Sistem sel bahan bakar sederhana karena energi dapat dikonversi secara langsung, dari energi kimia ke energi listrik Sel bahan bakar memiliki efisiensi yang lebih tinggi dari mesin Carnot. Sel bahan bakar memiliki efisiensi yang cenderung konstan walupun beroperasi pada beban yang ringan

3 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman 1-16 Sel bahan bakar tidak menghasilkan polusi suara karena tidak ada komponen mesin berputar Sel bahan bakar ramah lingkungan karena tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca asalkan metode yang digunakan untuk menghasilkan hidrogen berasal dari sumber energi yang bersih Sel bahan bakar dapat dikombinasikan dengan sistem CHP (Combine heat Power) Sel bahan bakar adalah sel elektrokimia yang mengubah energi kimia dari suatu bahan bakar ke energi listrik melalui suatu reaksi antara bahan bakar dan oksidan yang dipicu dan dipercepat oleh elektrolit dan katalis (Correa, et. al., 2004). Untuk sel bahan bakar hidrogen, hidrogen digunakan sebagai bahan bakar sedangkan udara/oksigen sebagai oksidan. Reaksi kimia antara hidrogen dan oksigen tersebut di definisikan dengan persamaan kimia sebagai berikut (Srinivasan, 2006): Pada anoda : H 2 2H + + 2e - (1) Pada katoda : ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (2) Total reaksi : H 2 + ½O 2 H 2 O (3) Reaksi tersebut berjalan secara spontan dan energi Gibb s yang dihasilkan reaksi itu adalah: G =- nfe r (4) Dimana: G : Energi Gibb s (J/mol) n : Jumlah mol dari elektron F : Konstanta Faraday (F = 96500) E r : Potensial reversible (V) Reaksi tersebut hanya mengeluarkan panas dan air sehingga dapat dikatakan bahwa sel bahan bakar bersih dan terbarukan. Berdasarkan Persamaan 4, potensial reversible, E r, nilainya sebanding dengan Energi Gibb s dan jumlah mole dari elektron (konsentrasi dari bahan bakar dan oksidan). Energi Gibb s dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Hubungan antara potensial reversible, suhu dan Energi Gibb s didefinisikan dengan Persamaan 5 dan 6 (Srinivasan, 2006). G E r (5) nf

4 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN G = H - T S (6) Di mana: H : Perubahan entalpi (J/mol) T : Suhu( o K) S : Perubahan entropi (J/K.mol) Karena perubahan entalpi dan suhu diabaikan, pada tekanan yang konstan, variasi Energi Gibb s dengan temperature didefinisikan sebagai berikut: G S (7) T Dengan mensubstitusikan Persamaan 7 ke Persamaan 6 dan 4, kita akan mendapatkan persamaan berikut: E r T S nf (8) Sementara itu, hubungan antara tekanan dan potensial dinyatakan dengan Persamaan 9. reversible E p E P 1 0 VdP (9) nf p P0 E p0 adalah potensial reversible potential pada kondisi standar, yaitu 1 atm sedangkan V adalah perubahan volume selama reaksi. Tabel 1 menunjukkan data termodinamik untuk beberapa reaksi sel bahan bakar yang telah dirangkum oleh Srinivasan (Srinivasan, 2006). G 0, H 0 and E 0 r mengacu pada nilai dalam kondisi standar, yaitu 1 atm and 25 o C. Tabel 1. Data Termodinamik Reaksi Sel Bahan Bakar (Srinivasan, 2006)

5 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman METODOLOGI 3.1 Pemodelan Sel Bahan Bakar Ada berbagai tipe model sel bahan bakar yang telah dikembangkan oleh para peneliti. Model-model itu dikategorikan ke dalam 3 model, yaitu kimia, eksperimen dan elektrik. Model kimia termasuk reaksi yang kompleks dan fenomena termodinamik tidak mudah untuk disimulasikan dengan bantuan program simulasi elektrik. Sementara itu, model eksperimental didasarkan pada hasil eksperimen dan berdasarkan ekspresi empiris (Njoya, et. al., 2009). Potensial dari sel bahan bakar tipe PEMFC didefinisikan dengan Persamaan 10 berikut ini (Srinivasan, 2006): E = E o blog (i) Ri mexp(ni) (10) E o = E r + blogi o (11) E : Tegangan sel bahan bakar (V) E o : Tegangan kondisi hubung buka (V) E r : Potensial reversible (V) b : Tafel slope i o : Exchange current density (A/cm 2 ) i : Arus beban (A) R : Resistansi internal dari sel bahan bakar m, n : parameter yang didapat dari hasil eksperimen yang nilainya dipengaruhi oleh mass transport dan over potential.

6 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Pada sel bahan bakar tipe PEMFC, nilai dari parameter m dan n diperlihatkan pada Tabel 2. Nilai-nilai ini diadopsi dari Srinivasan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut: Tekanan hydrogen dan oksigen pada anoda dan katoda adalah konstan, yaitu sebesar 3 atm. Temperature operasi dari selbahan bakar tipe PEMFC adalah 80 o C Hidrogen dan oksigen yang dialirkan ke kedua katoda adalah seragam. Bahan bakar dan oksidan dialirkan ke elektroda secara kontinyu. Gambar 1. Gambar Sel Bahan Bakar Tipe PEMFC Tabel 2. Parameter sel bahan bahan bakar yang digunakan dalam simulasi B 60 mv/decade R 0.2 cm 2 i o 10-4 A/cm 2 M 3 x 10-4 V N 3 cm 2 /A Dalam penelitian ini, sistem sel bahan bakar yang digunakan adalah H 2 /O 2 PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sesuai dengan Gambar 1. Suhu dan tekanan operasi dari sel bahan bakar ini pada umumnya adalah 80 o C dan 3 atm (Srinivasan, 2006) sehingga sesuai

7 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman 1-16 dengan Tabel 1, potensial reversible berdasarkan kondisi tersebut dapat dihitung sebagai berikut: Pada tekanan konstan (1 atm) dan suhu yang berubah (25 ke 80 o C) E E E E T (80 25) V rt r rt r Pada suhu konstan (80 o C) dan tekanan yang berubah ( (1 to 3 atm) 3 3 E E E E logp (log3 log1) 1.2 V r rt rp rt Dari persamaan 11, kita dapat menghitung tegangan hubung buka sebagai berikut: E o = log10-4 = 0.96 V /cell Untuk memperoleh tegangan dan arus output yang lebih besar, maka dalam penelitian ini dibutuhkan 180 stack yang dihubungkan seri dan 10 sel yang dihubungkan parallel sehingga persamaannya berubah menjadi berikut: i i i E 180 E o b log( ) R m exp( n ) (12) Karakteristik E-I berdasarkan Persamaan 11 ditunjukkan pada Gambar 2. rentang tegangan yang dipilih adalah V. Daya maksimum yang dapat diperoleh dari rentang tegangan tersebut adalah 1500 W. Perlu diketahui bahwa sel bahan bakar menghasilkan tegangan DC yang tidak terkontrol sehingga dibutuhkan converter DC-DC. Gambar 2. Karakteristik E-I dari sel bahan bakar tipe PEMFC

8 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Pemodelan Konverter Buck Gambar 3 memperlihatkan sirkuit diagram dari konverter buck. Berdasarkan Gambar 3 tersebut, sistem kontrol umpan balik dibutuhkan untuk memenuhi persyaratan berikut (Whittington dan Macpherson, 1997): Regulasi saluran yang baik, sehingga tegangan output yang konstan dapat diperoleh ketika tegangan input bervariasi Regulasi beban yang baik, sehingga tegangan output yang konstan dapat diperoleh ketika terjadi perubahan beban Jika terjadi perubahan input dan beban yang mendadak, sistem harus mempunyai respon transien yang bagus. Spesifikasi konverter buck Tegangan input : 169, 25 % Frekuensi switching : 50 khz Tegangan output : 120 V, 1 % Arus output : 12 A (max) dan 5 A (min) Lo Vin M D C Comparator Sawtooth voltage Compensator Vref Pemilihan induktor Gambar 3. Sirkuit diagram konverter buck Induktor Lo dapat dihitung dengan persamaan berikut (Whittington dan Macpherson, 1997):

9 Lo 1 2 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman V 1 Vo Rmax T (12) o 1 D min 1 2 I min f 1.2 Vin = 1 = 9.8 x 10-5 H = 98 H L o > H Dimana D adalah duty ratio dari MOSFET M yang didefinisikan dengan persamaan 13 berikut: D = V V o in t on (13) T Untuk operasi normal, nilai duty ratio-nya adalah: D = V V o in Pemilihan Kapasitor Kapasitor filter output digunakan untuk membatasi ripple dari tegangan. Nilai kapasitansi minimum dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan Vo T 1 D C V 8 L o ( min ) (14) Jika ripple tegangan yang diinginkan adalah 0.8 volt, maka kapasitansi C nya adalah: (1 0.59) C F Diagram blok dari konverter buck terkontrol ditunjukkan pada Gambar 3.

10 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Gambar 4. Blok diagram konverter buck PID singkatan dari Proportional-Integral-Derivative. Peran dari PID adalah menghitung tegangan error, Ve, sebagai selisih antara tegangan ouput, Vo dan tegangan referensi, Vf dan kemudian PID ini akan mengurangi error dengan jalan mengkoreksi inputan. Fungsi transfer dari kontroler PID didefinisikan dengan Persamaan 15. C PID 1 ( s) K p (1 Td s) (15) T s i K p T i T d : gain dari kontroler : konstanta waktu integrator : konstanta waktu differentiator Untuk memperoleh nilai K p, T i and T d, penulis menggunakan metode tunning Ziegler-Nichols. Prosedur tunning dilaksanakan dengan adalah sebagai berikut ini (Goddwing, et. al, 2001): Setel plan (yaitu: konverter buck lup terbuka) untuk dikontrol oleh kontroler proporsional dengan gain yang sangat kecil Naikkan gain, K p, hingga system mulai berosilasi Catat gain kritis, K p = K c, dan periode osilasi, P c Sesuaikan parameter kontroler PID sehingga K p = 0.6K c, T i = 0.5P c dan T d = 0.125P c Dari langkah-langkah tersebut, diketahui bahwa gain kritis K c dan periode osilasi, P c, adalah and 3 ms sehingga berdasarkan persamaan 15 fungsi transfer dari kontroler PID didefinisikan sebagai berikut: C PID 1 4 ( s) 0.95 ( s) s

11 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman Implementasi model di software Dymola Model persamaan dari PEMFC H 2 /O 2 telah didefinisikan pada persamaan 10. Persamaan ini kemudian dapat dimodelkan dengan menggunakan softeare Dymola sebagaimana yang terlihat pada gambar 5. timer dan switch1 digunakan untuk memberikan nilai awal untuk fungsi log. Ketika t = 0, nilai input dari fungsi log adalah 1 sementara jika t > 0, nilai input dari fungsi tersebut sama dengan arus sel bahan bakar. Jika kita tidak memasukkan metode ini, hasil simulasi tidak akan memberikan hasil. Gambar 5. Model sel bahan bakar tipe PEMFC H 2 /O 2 Gambar 5 menunjukkan diagram rangkaian dari konverter buck lup tertutup. Tegangan referensi di-set sebesar 120 V. Karena frekuensi sistem konverter dipilih sebesar 50 khz, maka periode dari gelombang gigi gergaji di-set sebesar detik. Komparator dimodelkan dengan blok fungsi greater-equal. Output komparator akan true atau 1 hanya jika sinyal output dari blok PID lebih besar daritegangan gigi gergaji.

12 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Gambar 6. Konverter buck lup tertutup Rangkaian untuk simulasi ditunjukkan pada Gambar 7. Saklar S, digunakan untuk mensimulasikan perubahan mendadak dari arus beban. Saklar S akan ON hanya jika setting waktu di dalam blok timer terlampaui.

13 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman 1-16 Gambar 7. Rangkaian simulasi 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam simulasi ini, beban dimodelkan dengan 2 resistor, yaitu resistor 1 ( (36 ) and 2 (14.4 ). Jika timer tidak mengirim sinyal ke saklar S, sel bahan bakar hanya mengirim energinya ke resistor 1 yang merepresentasikan beban 400 watt. Ketika saklar s tertutup, sel bahan bakar akan mengirim dayanya ke resistor 1 dan 2 yang mana merepresentasikan daya beban total sebesar 1400 watt. Gambar 8 menunjukkan hasil simulasi dari model yang telah dikembangkan. Sesuai dengan gambar tersebut, ketika arus sel bahan bakar naik dari 2.36 ke 10.5 amper, tegangan sel bahan bakar akan turun dari 171 volt ke 133 volt. Sifat ini memperlihatkan karakter yang sama dengan Gambar 1. Walaupun tegangan sel bahan bakar berubah, tegangan ouput dari converter buck tetap konstan karena adanya kontroler lup tertutup. Walaupun demikian, perlu diperhatikan bahwa, sel bahan bakar memilki respon dinamik yang sangat lambat. Hal ini dikarenakan aliran hydrogen (bahan bakar) tidak dapat disesuaikan secara cepat untuk memenuhi kebutuhan arus beban yang berubah secara mendadak (Srithorn, et. al, 2008). Simulasi yang dilakukan penulis memiliki karakteristik yang sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Chellappan sebagaimana yang terlihat pada Gambar 8 (Chellappan, et. al., 2008).

14 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Gambar 8. Hasil simulasi Gambar 9. Hasil simulasi berdasarkan model yang dikembangkan Cellapan Berdasarkan hasil simulasi di atas, karena sel bahan bakar memiliki respon dinamik yang lambat, hal ini memberikan informasi bahwa ketika

15 Ferdian Ronilaya, Model Unjuk Kerja Dinamis, Halaman 1-16 kebutuhan beban berfluktuasi, sel bahan bakar cenderung untuk mengirimkan daya yang cenderung konstan. Hal ini berarti bahwa, sel bahan bakar hanya cocok untuk mensuplai beban rata-rata. Sehingga untuk aplikasi sistem daya, sel bahan bakar seharusnya dikombinasikan atau di-hibridisasi-kan dengan suplai daya yang lain yang memiliki respon dinamik yang lebih cepat, seperti Internal Combustion Engine (ICE) atau dengan menggunakan sistem Electrical Energy Storages System (ESS). 5. PENUTUP Sesuai dengan simulasi yang telah dilakukan, diketahui bahwa ketika terjadi perubahan beban, sel bahan bakar PEMFC memiliki respon dinamik yang lambat pada saat star-up awal dan selama kondisi transien. Hal ini dikarenakan aliran hidrogen tidak dapat disesuaikan dengan cepat untuk memenuhi kebutuhan daya beban. Sehingga, ketika daya beban berfluktuasi, sel bahan bakar hanya mampu memsuplai daya yang cenderung flat. Dari sifat ini juga dapat disimpulkan bahwa sel bahan bakar hanya mampu untuk mensuplai daya dasar ( base load). Untuk aplikasi pada sistem daya listrik, sel bahan bakar harus dikombinasikan dengan sistem suplai daya yang lain yang memiliki respon dinamik yang lebih cepat. 6. DAFTAR PUSTAKA Srinivasan, S. Fuel Cells: from Fundamentals to Application (2006). New York: Springer Science. Amplett, J. C. Mann, R. F. Peppley, R. A. Roberge, P. R. Rodrigues, A. (2002). A Practical PEM Fuel Cell Model for Simulating Vehicle Power Sources Battery Conference on Applications and Advances, 1995., Proceedings of the Tenth Annual. Long Beach. USA: pp: Chiu, L. Y. Diong, B. M. (2004). An Improved Small Signal Model of The Dynamic Behaviour of PEM Fuel Cells Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting. Vol. 2. pp: Soltani, M. Bathaee, S. M. T. (2008). A New Dynamic Model Considering Effects of Temperature, Pressure and Internal Resistance for PEM Fuel Cell Power Module DRPT Conference, Nanjing, China. pp:

16 Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 01, April 2011 ISSN Correa, J. M. Farret, F. A. Canha, L. N. Simoes, M. G. (2004) An Electrochemical-Based Fuel Cell Suitable for Electrical Engineering Automation Approach. IEEE Transaction on Industrial Electronics. Vol. 51. pp: Njoya, S. M. Tremblay, O. Dessaint, L. (2009) A Generic Fuel Cell Model for The Simulation of Fuel Power Systems. Power and Energy Society General Meeting. PES 09. IEEE. pp: 1-8 Whittington, H. W. Flyn, B. W. Macpherson, D. E. Switched Mode Power Supplies : Design and Construction 2nd ed. (1997). Taunton: Research Studies Press Ltd Goddwing, G. C. Graebe, S. F. Salgado, M. E. Control System Design (2001). New Jersey: Prentice Hall Inc. Srithorn, P., M. Aten, et al. (2008). Series Connection of Supercapacitor Modules for Energy Storage. The 3rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives. Dublin, The institution of engineering and Technology Chellappan, M. V. Todorovic, M. H. Enjeti, P. N. (2008). Fuel Cell Based Battery-less UPS System. Industry Applications Society Annual Meeting.

17