BAB II DASAR TEORI 2.1 SEJARAH HIDROGEN 2.1.1 Watercar oleh Issac de Rivas. Pada tahun 1805 Isaac de Rivas berkebangsaan Swiss sebagai orang pertama yang menggunakan Hidrogen yang dihasilkan dari elektrilisa sebagai bahan bakar mesin dengan pembakaran internal, namun rancangannya belum memuaskan dan penemuan ini dikenal dengan watercar. Kemudian penelitian ini dikembangkan dan dilanjutkan oleh Luther Wattles dan Rudolf A Erren. 2.1.2 BBA oleh Nicola Tesla dan Stanley Meyer. Pada tahun 1943 kedua orang tersebut telah mengembangkan penggunaan bahan bakar air namun karena alasan bisnis hasil temuannya dihilangkan, bahkan bukan hanya temuannya tetapi juga hasil penelitiannya, kemudian Nicola Tesla dipenjara dan dihukum mati tahun 1943 dan Stanley Meyer dari Amerika Serikat terbunuh tahun 1998. Tugas Akhir 6
2.1.3 Brown Gas Yull Brown yang berasal dari Sydney Australia pada tahun 1974 berhasil mengembangkan BBA untuk menggerakkan mesin, bahan bakar air ini sebenarnya merupakan campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen yang dihasilkan dari elektrolisa air. Dalam tabung elektrolisa dipasang kumparan magnetik untuk memecahkan campuran air destilasi dan soda kue hingga menjadi campuran gas hidrogen-hidrogen-oksigen (HHO). Hidrogen bersifat eksplosif dan oksigen mendukung pembakaran, gas ini ditampung dalam tabung elektrolisa yang dialirkan kedalam ruang pembakaran mesin dan akan bercampur dengan gas hidrokarbon dari bahan bakar minyak, sehingga terjadi penghematan dalam tingkat yang signifikan. 2.2 Prinsip elektrolisa air Air adalah substansi kimia yang memiliki rumus H 2 O. Satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H + ) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH - ).Prinsip untuk mengembangkan air sebagai energi adalah dengan mengubahnya menjadi senyawasenyawa penyusunnya yaitu hidrogen (H) dan oksigen (O). Elektrolisis air menjadi prinsip dasar untuk mengubah air menjadi senyawa-senyawa penyusunnya. Gas H 2 hasil elektrolisis tersebut digunakan sebagai energi bahan bakar yang memiliki tingkat pembakaran lebih tinggi, dibandingkan dengan energi lainnya. Tugas Akhir 7
Elektrolisa air merupakan kunci utama dalam mengubah air menjadi energi. Dalam proses elektrolisis digunakan sumber energi yang berfungsi untuk memecah molekul H 2 O menjadi unsur-unsur asalnya. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, dan akan tereduksi menjadi gas H 2 dan OH -. Sedangkan pada anoda, dua molekul air terurai menjadi gas O 2 dan melepaskan 4H + serta mengalirkan elektron ke katoda. Ilustrasi tentang reaksi elektrolisis H 2 O dapat dilihat pada gambar dibawah. Pada proses elektrolisis ini, akan timbul gelembung berupa gas H 2 yang dapat dikumpulkan menjadi energi. Dari prinsip elektrolisis tersebut berkembang teknologi-teknologi pengubah air menjadi energi, seperti fuel cell dan HOD system, elektrolisa air merupakan kunci utama dalam mengubah air menjadi energi. Dalam proses elektrolisis digunakan sumber energi yang berfungsi untuk memecah molekul H 2 O menjadi unsur-unsur asalnya. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, dan akan tereduksi menjadi gas H 2 dan OH -. Sedangkan pada anoda, dua molekul air terurai menjadi gas O 2 dan melepaskan 4H + serta mengalirkan elektron ke katoda. Ilustrasi tentang reaksi elektrolisis H 2 O dapat dilihat pada gambar dibawah. Pada proses elektrolisis ini, akan timbul gelembung berupa gas H 2 yang dapat dikumpulkan menjadi energi. Tugas Akhir 8
Gambar: proses elektrolisis air Sumber: modul HHO GENERATOR Ir. Eddy ariffin Teknologi pemanfaatan air sebagai energi telah banyak dikembangkan, dari beberapa teknologi yang ada, semuanya menggunakan proses elektrolisis air sebagai prinsip dasarnya. Hingga saat ini sudah ditemukan teknologi untuk memanfaatkan air sebagai energi yaitu fuel cell sistem HOD (Hydrogen Oxygen Demand) yaitu sistem pembangkit tenaga listrik dari hasil pencampuran H 2 dengan O 2 lansung pada saat listrik dibutuhkan, dan elektrolisa HHO (Hydrogen-Oxygen). Teknologi elektrolisa HHO lebih murah dan lebih efisien. Teknologi optimalisasi air dengan fuel cell memiliki kelemahan terhadap biaya yang diperlukan dan efisiensi terhadap penerapannya. Sedangkan untuk sistem HOD memiliki Tugas Akhir 9
kelemahan terhadap tingginya biaya yang diperlukan dan masih sulit untuk menampung gas hidrogen dalam satu tempat. Perbandingan yang lebih lengkap tentang teknologi optimalisasi air sebagai alternative. Sudah lebih dari 80 tahun proses elektrolisa ini dipergunakan secara komersial, seperti halnya penyepuhan emas, perak dan lain sebagainya. Prinsip Elektrolisa pada air biasa adalah untuk memecahkan ikatan kimia air (H 2 O) menjadi H 2 dan O 2, diperlukan tegangan listrik searah (DC), yg dialirkan melalui lempengan plat stainless. Gambar: Proses elektrolisa air Pada lempengan plat Kathoda bermuatan (-) akan terjadi / terkumpul gas H 2 dan pada bagian plat Anoda bermuatan (+) akan terkumpul gas O 2, kedua bentuk gas tersebut akan keluar bersama-sama sehingga gas tersebut disebut gas HHO. Dalam proses elektrolisa ini diperlukan elektrolit seperti KOH, NaOH atau Backing soda dll. Elektrolit tersebut gunanya untuk menyalurkan arus listrik didalam air. Tugas Akhir 10
Apabila gas H 2 tersebut dipergunakan untuk pembakaran maka gas O 2 yang masih bercampur tersebut tidak menjadikan halangan pembakaran karena setiap pembakaran memerlukan O 2, bahkan HHO mempunyai kelebihan, tanpa O 2 dari luar dapat dinyalakan atau dibakar. Hydrogen dengan lambang kimia H merupakan unsur paling sederhana dilihat dari segi susunan proton dan elektronnya. Satu atom hidrogen hanya memiliki satu proton dan satu elektron. Gas hidrogen merupakan molekul diatomik, setiap molekulnya tersusun atas 2 atom hidrogen, yang secara kimia dirumuskan dengan H 2. "Hidrogen merupakan gas paling banyak terdapat di alam semesta dan keberadaannya di matahari diperkirakan mencapai 75% dari total massa matahari, 2.3 Elektrolisa ada 2 macam: -Elektrolisa basah (wet cell electrolyse) : yaitu lempengan plat kathoda dananoda dicelupkan kedalam air. -Elektrolisa kering (Dry cell electrolyse = Drycell) : disini lempengan plat Kathoda dan Anoda berada disebelah luar dan airnya disebelah dalam 2.3.1 Elektrolisa basah (wetcell electrolyse) Elektrolisa Basah adalah dengan memasukan kedua plat kondensator tersebut kedalam air destilasi atau air - RO (Reverse Osmosis = air murni), apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan listrik. Tugas Akhir 11
Gambar: generator hydrogen sistem cell terjadi proses pemisahan H 2 dan O 2, kemudian hasil H 2 tersebut perlu dihitung dan didata dari hasil percobaan,selain itu perlu diteliti variable variabel yang mempengaruhi produksi H 2 tersebut, sehingga dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa yang paling efisien & efektif. 2.3.2 Elektrolisa kering (Drycell electrolyse = Drycell) Elektrolisa Kering (Dry electrolyze) adalah pada proses ini plat kondensotornya tidak direndam kedalam larutan akan tetapi plat nya berada disebelah luar dan larutannya didalam plat tersebut. Gambar: generator hydrogen system drycell. Tugas Akhir 12
Pada proses Dry cell panas yang ditimbulkan oleh plat kondensator dapat dibuang langsung keluar, sehingga tidak membuat larutan menjadi lebih panas, dibandingkan dengan elektrolisa biasa atau elektrolisa basah (Wet Electrolyze). - Rumus Kimia pada proses Elektrolisa: GAMBAR 2.5: kimia Proses Elektrolisa Sumber: modul Hydroxy Generator for Motorcycle Pada elektroda Kathoda terjadi penambahan elektron (e ), sehingga reaksi kimia yang terjadi sbb; Kathode (reduksi): 2H + (cair) + 2e H2(gas) Sedangkan pada elektroda Anoda, terjadi proses oxidasi dimana pelepasan elektron yang bergerak kearah elektroda kathoda, reaksi kimia pada Anoda sbb; Anode (oxidasi) : 2H2O(l) O2(gas) + 4H + (cair) + 4e ; (l = Larutan) Tugas Akhir 13
- Reaksi kimia penye-imbangan, reaksi air dengan larutan basa sbb; Kathode (reduksi): 2H2O(l) + 2e H2(gas) + 2OH (cair) Anode (oxidasi) : 4OH (cair) O2(gas) + 2H2O(l) + 4e Gambar 2.6 : Prinsip kerja Proses Elektrolisa Sumber: modul Hydroxy Generator for Motorcycle 2.4 MANFAAT GAS BAGI MASYARAKAT Penghemat bahan bakar pada kendaraan bermotor ; produksi HHO harus seimbang dengan besar isi langkah (CC) mesin. sejauh yang dipraktekan di rumah saya, satu unit EPB cukup untuk menyuplai HHO keruang bakar mesin ber-cc 2000. Suplai HHO stabil dari putaran rendah hingga tinggi maupun jarak tempuhnya Respon EPB tidak menbutuhkan waktu lama, begitu mesin start maka EPB langsung bekerja mensuplai HHO keruang bakar sesuai dengan putaran mesin atau kecepatan yang dibutuhkan. Tugas Akhir 14
- Instalasi EFB kendaraan roda dua Gas HHO ini bila dimasukan dalam ruang bakar dan terbakar akan ebih dapat sebuah pembakaran yang lain baik dan nyaris sempurna sehingga ruang bakar manjadi lebih bersih dari beberapa dan percobaan yang dilakukan dapat sebuah sebuah kesimpulan positif bahwa gas hidrogen yang didapat dari hidrogen maker ini sebagai berikut : 1. Proses pembakaran yang nyaris sempurna diharapkan akan dapat menghilangkan emisi gas buang berbahaya bagi manusia danalam, dengan demikian juga akan dapat mengurangi efek pemanasan global akibay dari sisa pembakan yang tidak sempurna. 2. Meningkatkan performa dan kekuatan dari pada mesin itu sendiri dan menurukan suhu mesin, suara dari mesin menjadi lebih halus tidak berisik. mesin menjadi lebih awet, menghemat bahan bakar (konsumsi yang diuji 70% gas hidrogen dan 30% bensin ) jadi terjadi pengiritan bensin setidak-tidaknya hinggga 40%. Sebagai pengguna refrensi orang yang mengaplikasikan hydrogen maker pada sepeda motornya yang sebelumnya hanya dapat dipacu deangan kecepatan 80km/jam (maksimal) dengan kondisi mesin sangat bergetar setelah memakai hidrogen maker maupun dipacu dengan kecepatan 100km/jam, mesin masih dalam keadaan dingin dan stabil tanpa getaran Tugas Akhir 15
2.5 Penggunaan gas HHO untuk Industri dan Masyarakat Umum Api adalah kebutuhan kedua manusia sesudah Air, itu betapa pentingnya api bagi kelanjutan hidup manusia, yang mana energi dalam bentuk api, dari hari ke hari makin bertambah mahal, sehingga perlu adanya cara alternatif untuk mendapatkan energi api yang lebih murah, gas HHO dalam hal ini dapat digunakan, setelah melalui penelitian yang lebih intensif dan pengamanan yang lebih baik dan pasti aman, maka api dari gas HHO dapat digunakan seperti lazimnya api dari bahan bakar lainnya. Memperhatikan kondisi dan situasi terhadap kebutuhan masyarakat terhadap gas maka gas hydrogen yang telah diperoleh dari proses elektrolisa, selain dapat digunakan sebagai penghemat kendaraan berbahan bakar minyak, dapat menghasilkan nyala api yang dapat digunakan sebagai kompor rumah tangga, burner di industry atau metode pengelasan dan lain-lain. Hydrogen yang digunakan untuk keperluan diatas, diperoleh melalui proses elektrolisa. Pada proses elektrolisa air dengan menggunakan HHO Generator maka terjadilah gas HHO (yaitu gas H2 dan gas O2) yang bersamaan keluar dari HHO Generator tersebut. Gas HHO merupakan bahan bakar alternatif termasuk energy baru masa depan maka sudah barang tentu dapat dibakar seperti layaknya bahan bakar gas lainnya. Dari hasil penelitian memang tidak mudah untuk membuat api dari gas HHO, hal ini disebabkan sifat gas H2 yang sangat mudah terbakar dan kecepatan rambatnya yang sangat cepat sekali (100 kali lebih cepat dari bensin), sehingga Tugas Akhir 16
banyak peneliti menggatakan gas HHO ini sebagai gas yang liar dan tidak mudah untuk dikendalikan. Hal yang perlu sekali diperhatikan dan harus disiapkan sebelum mencoba untuk menyalakan api, yaitu keamanan agar api yang dinyalakan tidak akan menyerang sumber bahan bakarnya. Oleh sebab itu alat pengamanan tersebut adalah bagian dari peralatan menyalakan Api yang tak terpisahkan, alat pengaman tersebut dinamakan ANDUK (Anti Meleduk) perhatikan gambar 3 Slang Gas-HHO Slang Oksigen ANDUK BRANDER (Anti Meleduk) Gambar: Peralatan Pengaman anti meleduk (ANDUK) Sumber: modul Hydroxy Generator for Motorcycle Tugas Akhir 17
Prinsip menyalakan api adalah gas HHO yang berasal dari HHO Generator disalurkan melalui slang ke kepala brander, untuk mejaga terjadi sesuatu maka pada slang kedua pada kepala brander disambungkan udara yang berasal dari kompressor atau erator yang berguna untuk memadamkn api dan mengatur panasnya api sesuai dengan kebutuhan api tersebut dengan jumlah gas HHO minimal 1(satu) liter/menit. Sebelum menyalakan api perlu dicek seluruh saluran gas HHO, pengaman pada slang gas HHO yaitu Anduk, dryier (filter pengering) dan slang udara tambahan.type Anduk yang dimaksud adalah dibagian dalam Anduk diisikan bahan yang tahan api dan tidak bisa dilewati oleh Api. Pada saat Api akan dinyalakan udara tambahan ditest terlebih dahulu apakah berfungsi, jika iya maka tombol udara kemudian ditutup dan tombol slang gas HHO dibuka, barulah api dapat dinyalakan, setelah api menyala maka api dapat dibesar kecilkan melalui tombol gas HHO, untuk mengatur panas api diatur melalui tombol udara, yaitu dengan menambah udara api dapat diatur panas apinya. Untuk mematikan api tombol udara dibuka dan tombol gas HHO di tutup dan HHO Generator dimatikan. 2.6 Katalis Katalis merupakan suatu zat yang dapat mempercepat suatu laju reaksi, namun zat ini sendiri secara kimiawi tidak berubah pada akhir reaksi. Katalis digunakan untuk mempercepat laju reaksi menghasilkan gas hidrogen dan oksigen. Tugas Akhir 18
Selain itu, katalis juga bersifat elektrolit yaitu zat yang dapat menghantarkan listrik. Kemampuan larutan (dalam hal ini air + katalis) menghantarkan listrik disebut juga daya hantar listrik atau konduktivitas. Konsentrasi elektrolit ini sangat menentukan besarnya konduktivitas. Dilihat dari kemampuan dalam menghantarkan arus listrik larutan, maka elektrolit dibagi menjadi dua, yaitu -Elektrolit kuat Larutan elektrolit kuat adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik. Ion ion yang bebas bergerak sehingga elektron dapat dengan mudah berpindah dan mengakibatkan arus listrik yang dihantarkan lebih lancar. Senyawa yang termasuk elektrolit kuat adalah asam kuat ( dan lain lain), basa kuat ( dan lain lain), dan garam yang mempunyai kelarutan tinggi ( dan lain lain). -Elektrolit lemah Larutan elektrolit lemah yaitu larutan yang dapat menghantarkan listrik tetapi ion-ionnya tidak sepenuhnya bebas bergerak sehingga elektron tidak dapat dengan mudah berpindah dan mengakibatkan arus listrik yang dihantarkan lebih kecil. Senyawa yang termasuk dalam elektrolit lemah adalah asam lemah ( dan lain lain), basa lemah ( dan lain lain), dan garam yang sukar larut ( dan lain lain). Tugas Akhir 19
2.7 Elektroda Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam. Elektroda dalam sel elektrolisa disebut sebagai anoda dan katoda. Anoda didefinisikan sebagai elektroda positif dimana elektron diambil atau diserap dari cell sehingga terjadi oksidasi. Sedangkan katoda didefinisikan sebagai elektroda negatif dimana elektron dari sumber tegangan memasuki cell dan reduksi terjadi. Reduksi adalah proses terpisahnya suatu ikatan senyawa menjadi atom atom karena perbedaan potensial elektrode antara suatu larutan dengan kation ketika adanya aliran listrik. Jika kation berasal dari logam dengan potensial elektrode (E) lebih kecil daripada air, maka air yang akan tereduksi menjadi gas hidrogen dan oksigen. Jika kation berasala dari logam dengan E lebih besar daripada air, maka logam tersebut yang akan tereduksi. Selain itu, elektroda harus memiliki ketahanan terhadap karat. Maka daripada itu, elektroda yang digunakan adalah konduktor dengan potensial elektrode lebih kecil daripada air (E ). 2.8 Bahan Baku Bahan baku elektrolisis haruslah air murni atau air yang tidak mengandung unsur lain didalamnya seperti mineral, garam, dan sebagainya. Jika air tersebut mengandung unsur lain, maka hasil elektrolisis tidak hanya gas hidrogen dan oksigen tetapi juga gas lain atau padatan akibat senyawa air tidak murni (biasanya Tugas Akhir 20
terjadi gumpalan berupa agar-agar, yang dapat menyumbat lubang-lubang pertukaran air). Misal air tersebut mengandung garam NaCl, maka akan timbul padatan di elektrodanya dan akan terdapat gas klorida juga, sehingga akan menghambat aliran listrik ke elektroda dan terdapatnya gas yang tidak diharapkan pada hasil elektrolisis. Air destilasi yang sudah banyak diperdagangkan adalah; 1. Air untuk penambahan Air Accu (Baterai), tutup botolnya dengan warna biru, jangan yang warna merah. 2. R.O = Reversed Osmosis (Jakarta), 3. TDS Nol = Total Dissolved Solid Nol (Bogor) dan 4. Amidis = Air Minum Distilasi (Bandung). 5. Jika mau murah dan sangat baik dibandingkan air biasa, maka dapat menggunakan air isi ulang. 2.9 Current Leak (Arus Bocor) Current leak (arus bocor) adalah peningkatan arus pada titik tertentu di suatu konduktor. Dalam elektrolisis, current leak dapat terjadi pada elektroda yang memiliki lubang seperti pada metode elektrolisis dry cell. Hal ini dikarenakan lubang tersebut menyebabkan bagian dalam elektroda terbuka dan bagian dalam elektroda tidak memiliki lapisan anti karat (stainless) seperti Chromium (Cr) dan Nickel (Ni) karena pada umumnya pembuatan stainless steel menggunakan metode coating (pelapisan). Jika dilihat dari datasheet SS 316 L (terlampir), terdapat Tugas Akhir 21
manganese (Mn). Mn termasuk logam berat, rapuh, dan mudah teroksidasi. Lubang ini menyebabkan terjadinya reaksi oksidasi antara oksigen yang dihasilkan dengan Mn. Reaksi oksidasi adalah reaksi pelepasan elektron oleh molekul, atau ion. Senyawa yang memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa lain disebut oksidator dan oksidator adalah senyawa yang memiliki unsur unsur dengan bilangan oksidasi tinggi seperti atau senyawa yang sangat elektronegatif (konduktivitas rendah) sehingga mendapatkan elektron dengan mengoksidasi sebuah senyawa lain, misalnya oksigen, fluorin, dan lain lain. Dalam kasus ini, oksidatornya adalah oksigen dan yang dioksidasi adalah Manganese (Mn) sehingga Mn melepaskan elektronnya. Akibatnya arus listrik yang mengalir pada larutan meningkat dan seperti yang diketahui bahwa arus meningkat akan mengakibatkan suhu meningkat, maka suhu air akan meningkat dengan cepat dan akan menyebabkan air berubah menjadi uap air sehingga gas hidrogen dan oksigen tidak dapat dihasilkan secara optimal. Selain itu lubang-lubang tersebut lama kelamaan akan teroksidasi sehingga lubang menjadi lebih besar. Bahaya lain dari uap air yang terjadi karena panas arus bocor terhadap ruang bakar adalah efek water hummer yang dapat merusak torak dan diding ruang bakar Tugas Akhir 22