Pengaruh Densitas Arus Listrik Terhadap Kinerja Sistem Elektrolisis Air Suhu Tinggi Menggunakan Molten Salt Nuclear Reactor (MSR)

Pengaruh Densitas Arus Listrik Terhadap Kinerja Sistem Elektrolisis Air Suhu Tinggi Menggunakan Molten Salt Nuclear Reactor (MSR) Andang Widi Harto 1), Arnoldus Lambertus Dipu 2), Alexander Agung 3) 1) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia andangftn@yahoo.com 2) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia 3) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia a_agung@gmail.com 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/m 2 9000 A/m 2 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/m 2. 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/m 2 9000 A/m 2 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/m 2. 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 (H 2 +H 2 O) dalam fase uap. Energi listrik dan energi termal digunakan untuk memecahkan ikatan molekul H 2 O menjadi molekul H 2 dan O 2-. Selanjutnya ion-ion O 2- selanjutnya bermigrasi melewati membran elektrolit untuk mencapai sisi anoda sesuai prinsip fisika electron-hole. Setelah mencapai sisi anoda, ionion O 2- akan melepaskan elektron dan membentuk molekul oksigen. Reaksi pemecahan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut. Katoda : H 2 O (g) + 2e - H 2 (g) + O 2- (1) Anoda : O 2- ½O 2 (g) + 2 e- (2) Total : H 2 O (l) H 2(g) + ½O 2(g) (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 = η PH η Q HE + η Electric Generation AC DC W Listrik +. Pompa W _. η. η Q + W + W HE. / HE Listrik Pompa Pompa (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 Nilai Tekanan operasi (Pa) 1013250 Suhu fluida (H 2 +H 2 O) masuk electrolyzer ( C) 900 Laju massa fluida (H 2 +H 2 O) masuk electrolyzer (kg/s) 90,5419 Fraksi massa hidrogen masuk electrolyzer 0,3 Fraksi massa hidrogen keluar electrolyzer 0,6259 Densitas arus listrik rerata tiap sel (A/m 2 ) 7000-9000 Jumlah sel 50000 Diameter sel (m) 7,9528 Jarak antar sel (m) 0,0195 Tebal katoda (m) 0,002 Tebal elektrolit (m) 3,5x10-5 Tebal anoda (m) 1,5x10-4 Diameter ekivalen aliran fluida O 2 (m) 0,01 Luas permukaan aliran fluida O 2 (m 2 ) 7,8540x10-5 Luas permukaan aliran fluida (H 2 +H 2 O) (m 2 ) 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. Panjang Sel Electrolyzer (m) 8.7 8.6 8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 8.0 7.9 7.8 7.7 y = 4E-08x 2-0.0011x + 14.004 R 2 = 1 Gambar 3. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Panjang Sel Electrolyzer untuk Diameter Sel Electrolyzer Sebesar 7,9528 m Daya Ideal (MW) 153 133 113 93 73 53 33 Daya Termal Ideal Reg. Daya Termal Ideal Daya Listrik 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. Tegangan Sel Irreversible (V) 0.000075 0.000065 0.000055 0.000045 0.000035 0.000025 0.000015 0.000005-0.000005-0.000015 Tegangan Aktivasi Katoda Tegangan Molekular Katoda Reg. Tegangan Aktivasi Anoda Tegangan Aktivasi Anoda Reg. Tegangan Aktivasi Katoda Reg. Tegangan Molekular Katoda Gambar 5. Pengaruh densitas Arus Listrik terhadap Tegangan Irreversible Tegangan Ohmic (V) 0.078 0.073 0.068 0.063 0.058 Gambar 6. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Tegangan Ohmic 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. Kapasitas Pengambilan Daya Termal dari Heat Exchanger (MW) 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 7000-7500 7500-8000 8000-8500 8500-9000 Rentang 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.

6 Efisiensi (%) 97.80 92.80 87.80 82.80 77.80 72.80 Efisiensi Total Efisiensi Transfer Energi Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen Reg. Efisiensi Total Reg. Efisiensi Transfer Energi Reg. Efisiensi Instalasi Produksi Hidrogen Efisiensi Total (%) 74.80 74.60 74.40 y = -1E-08x 2-0.0002x + 77.007 R 2 = 1 74.20 74.00 73.80 73.60 Gambar 8. Pengaruh Densitas Arus Listrik terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen 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/dissertation- SPRichard.pdf, Accessed December 05, 2007.