Pengaruh Variasi Temperatur Keluaran Molten Salt Reactor Terhadap Efisiensi Produksi Hidrogen dengan Sistem High Temperature Electrolysis (HTE) Elsa Melfiana *, Andang Widi Harto,, Alexander Agung, * Program Studi Teknik Nuklir, Jurusan Teknik Fisika, Universitas Gadjah Mada ABSTRAK PENGARUH VARIASI TEMPERATUR KELUARAN MOLTEN SALT REACTOR TERHADAP EFISIENSI PRODUKSI HIDROGEN DENGAN SISTEM HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS (HTE). Produksi hidrogen dalam skala besar dapat dilakukan dengan sistem High Temperature Electrolysis (HTE). Reaktor nuklir generasi IV, terutama Molten Salt Reactor (MSR), mampu menghasilkan temperatur tinggi. Pengoptimalan produksi hidrogen dapat dilakukan dengan sistem kopel antara kedua instalasi ini. Kenaikan temperatur salt dari MSR sangat mempengaruhi efisiensi sistem kopel. Dari hasil penelitian diketahui bahwa pada tekanan 10 atm dan temperatur antara 1198-1373 K, hubungan antara efisiensi dengan temperatur reaksi dapat dinyatakan dengan persamaan Y = -3.10-05 T 2 +0,0941T 10,272. Kata kunci: efisiensi, elektrolisis, hidrogen, Molten Salt Reactor, temperatur tinggi PENDAHULUAN Dewasa ini kebutuhan terhadap energi telah beralih dari kebutuhan sekunder menjadi kebutuhan primer. Selama ini pemasok energi utama bersumber dari energi fosil. Ada 2 masalah utama terkait dengan penggunaan sumber energi ini, yaitu jumlahnya yang semakin menipis dan efek rumah kaca sebagai akibat dari pembakaran senyawa hidrokarbon. Ada beberapa opsi yang diajukan untuk menggantikan keberadaan energi fosil, salah satunya adalah penggunaan sumber energi alternatif. Untuk saat ini, hidrogen merupakan energi alternatif yang banyak menjadi sorotan di beberapa negara maju. Diproyeksikan hidrogen akan mampu memenuhi kebutuhan kelangkaan energi masa depan yang lebih ramah lingkungan. Sifatnya yang portable merupakan kelebihan utama hidrogen dibandingkan energi alternatif lainnya. Dengan sifat ini, hidrogen diharapkan mampu menggantikan posisi energi fosil khususnya dalam bidang transportasi. Di permukaan bumi, unsur hidrogen paling banyak ditemukan dalam keadaan terikat dengan unsur oksigen membentuk molekul air. Produksi hidrogen berbasis air dapat dilakukan dengan cara elektrolisa, termolisa, termokimia, dan fotolisa. Diantara keempat metode tersebut, metode elektrolisa merupakan metode terbaik yang mampu menghasilkan hidrogen dengan tingkat kemurniaan sangat tinggi. Untuk skala industri, proses elektrolisis dilakukan pada temperatur tinggi. Reaktor nuklir terutama reaktor generasi IV mampu menghasilkan temperatur tinggi sehingga tepat untuk digunakan sebagai sumber kalor pada sistem elektrolisa. Besar kecilnya kalor yang diinputkan ke sistem elektrolisa, sangat berpengaruh terhadap efisiensi produksi hidrogen. Untuk itu, agar diperoleh hidrogen dengan jumlah yang optimal, perlu diketahui hubungan antara temperatur dengan efisiensi produksi hidrogen. 107
Pengaruh Variasi Temperatur Keluaran Molten Salt ISSN : 0854-2910 Elsa Melfiana, dkk - Teknik Fisika- UGM DASAR TEORI Molten Salt Reactor (MSR) Molten Salt Reactor memiliki keunikan dibandingkan lima reaktor generasi IV lainnya. Hal ini karena reaktor tersebut menggunakan bahan bakar berupa leburan garam (leburan garam 7 LiF-BeF 2 dengan bahan bakar UF 4 -ThF 4 terlarut didalamnya) sehingga penggantian dan pengisian bahan bakar dapat dilakukan tanpa mematikan reaktor (online refueling) (MacPherson, 1958). Desain konsep Molten Salt Reactor (MSR) yang telah dipublikasikan dapat dilihat pada Gambar 1 dan data-datanya pada Tabel 1. Pada konsep ini MSR didesain dengan menggunakan leburan garam Flibe (75% LiF- 25% BeF 2 ) dan bahan bakar berupa campuran 233 UF 4 dan 232 ThF 4 yang dilarutkan didalamnya. Garam bahan bakar mengalir dari arah bawah teras menuju keatas. Reaksi fisi yang terjadi di teras akan membangkitkan kalor yang selanjutnya dibawa oleh garam bahan bakar menuju alat penukar kalor utama untuk ditransferkan ke garam sekunder yang tidak mengandung bahan bakar. Panas dari garam sekunder digunakan untuk membangkitkan uap pada pembangkit uap (steam generator) yang selanjutnya digunakan untuk memutar turbin. Gambar 1. Desain konsep Molten Salt Reactor (MSR) (Anonim, 2002) Tabel.1. Karakteristik desain Molten Salt Reactor (Anonim, 2002) Parameter Reaktor Nilai Referensi Daya 1000 MWe Densitas daya 22 MWth/m 3 Efisiensi termal 44-50 % Bahan bakar garam - suhu masukan 565 o C - suhu keluaran 700 o C (untuk produksi hidrogen 850 o C) - tekanan uap < 0,1 psi Moderator Grafit Siklus daya Multi reheat recuperative helium Brayton cycle 108
Teknologi produksi hidrogen Secara garis besar ada 4 teknologi produksi hidrogen, yaitu teknologi berbasis hidrokarbon (menggunakan bahan bakar fosil dan biomassa), elektrolisis air, daur biologi, dan daur termokimia (Richard, 2004). Metode elektrolisis air sangat tepat digunakan untuk industri yang membutuhkan hidrogen dengan tingkat kemurnian yang tinggi seperti industri metalurgi, elektronik dan farmasi (Richard, 2004). Prinsip dasar elektrolisis air dijelaskan dengan Gambar 2. Beda potensial yang dibangkitkan oleh arus listrik antara elektroda positif (anoda) dan elektroda negatif (katoda) akan mengionisasi molekul air menjadi ion positif dan ion negatif. Ion positif kemudian bergerak ke katoda negatif dan menyerap elektron. Sedangkan ion negatif bergerak ke elektroda positif dan kemudian melepaskan elektron. Gambar 2. Deskripsi proses elektrolisis air High Temperature Electrolysis High Temperature Electrolysis (HTE) adalah proses produksi hidrogen yang dilakukan pada temperatur tinggi (T>800 o C). Sumber energi panas diperoleh dari energi fosil, nuklir dan energi terbarukan lainnya. Semakin tinggi temperatur operasi, kebutuhan energi listrik akan semakin berkurang (Richard, 2004). Proses sederhana elektrolisis pada temperatur tinggi dapat dilihat pada Gambar 3. Umpan yang digunakan adalah uap air murni. Energi yang disuplai ke sistem berupa energi kalor dan listrik. Hasil produksi berupa hidrogen, steam dan oksigen dengan temperatur tinggi. Gambar 3. Skema elektrolisis air pada temperatur tinggi (Richard, 2004) Reaksi kimia untuk elektrolisis air pada temperatur tinggi adalah 2 Katoda : H 2O + 2e H 2 + O (1) 2 O O2 + 2e Anoda : H 2O H 2 + O2 Besarnya energi yang dibutuhkan untuk reaksi pada persamaan 1 adalah Δ H = ΔG + T ΔS (2) Dengan T adalah temperatur reaksi. ΔH, ΔG, dan ΔS berturut-turut adalah entalpi (J/kg), energi bebas Gibbs (J/kg), dan entropi reaksi (J/kg.K) pada kondisi T. Gambar 4 menjelaskan tentang kebutuhan energi reaksi sebagai fungsi suhu. Energi minimum yang dibutuhkan untuk menguraikan molekul air menjadi unsur-unsur penyusunnya adalah sebesar ΔH (J/kg). Untuk elektrolisis yang dilakukan pada temperatur rendah, kebutuhan energi tersebut disuplai sepenuhnya dari energi listrik sebesar ΔG (J/kg), ΔH ΔG. Sedangkan pada proses temperatur tinggi, energi reaksi disuplai dari listrik dan kalor, ΔH ΔG+TΔS. Semakin besar kalor yang diberikan, kebutuhan terhadap listrik akan semakin berkurang. Gambar 4. Grafik kebutuhan energi untuk elektrolisis temperatur tinggi (Richard, 2004) 109
Pengaruh Variasi Temperatur Keluaran Molten Salt ISSN : 0854-2910 Elsa Melfiana, dkk - Teknik Fisika- UGM TUJUAN PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh besar kecilnya temperatur salt dari MSR terhadap efisiensi produksi hidrogen dengan metode HTE. HASIL PEMBAHASAN Desain konseptual sistem kopel instalasi produksi hidrogen dengan reaktor nuklir Gambar 5 merupakan diagram konseptual sistem instalasi produksi hidrogen yang akan dijadikan acuan untuk perhitungan dalam penelitian ini. Kalor dari teras reaktor (MSR) yang telah melewati pendingin primer dan pendingin sekunder, selanjutnya dibawa menuju heat exchanger intermediate (A) sebelum akhirnya ditransferkan ke instalasi produksi hidrogen. Fluida salt (19) membawa energi termal dari reaktor menuju heat exchanger sistem elektrolisis (B). Kalor tersebut kemudian ditransferkan ke fluida umpan (10) yang akan mengalir ke electrolyzer (C). Beda potensial yang diberikan pada electrolyzer akan mengionisasi molekul air sehingga terurai menjadi unsur-unsur penyusunnya. Fluida yang dihasilkan dari elektrolisis masih membawa kalor yang besar. Kalor tersebut dapat dimanfaatkan untuk pemanasan awal fluida umpan pada hidrogen cooler (H) dan oksigen cooler (G). Perbandingan massa fluida umpan yang mengalir pada masing-masing pendingin, sangat ditentukan oleh tekanan operasi sistem dan besarnya kalor yang dibawa aliran panas. Tidak semua fluida umpan dapat mengalami pemanasan awal. Ada sejumlah tertentu fluida yang harus langsung di by pass (5) 110
Tabel 2. Kebutuhan energi terhadap temperatur reaksi T reaksi (K) ΔH (J/kmol) ΔG (J/kmol) TΔS (J/kmol.K) α ( T ) ( ) ( T ) ΔG T = ΔH 1098 615,40 497,67 117,73 0,81 1102 615,46 497,24 118,21 0,81 1123 615,72 494,82 120,91 0,80 1173 616,31 489,07 127,24 0,79 1223 616,84 483,25 133,59 0,78 1227 617,03 477,32 139,99 0,77 Energi reaksi (MW) 600 500 400 300 200 100 1080 1130 1180 1230 1280 T reaksi (K) ΔH (MW) ΔG (MW) TΔS (MW) Gambar 8. Kurva kebutuhan energi reaksi vs temperatur reaksi Efisiensi sistem elektrolisa η sistem_elektrolisa 99.65 99.6 99.55 99.5 99.45 1080 1130 1180 1230 1280 T reaksi (K) Gambar 9. Kurva efisiensi sistem electrolyzer fungsi temperatur (P =10 atm)energi yang diterima sistem elektrolisa dari reaktor nuklir akan dipergunakan untuk reaksi elektrolisis pada elektrolizer dan untuk memanaskan fluida umpan agar tercapai kondisi satu fase pada hidrogen cooler, oksigen cooler, dan blower. Hasil perhitungan yang telah dilakukan untuk menganalisis penggunaan energi dalam sistem elektrolisa ditampilkan pada Gambar 9. Dari data tersebut diketahui bahwa efisiensi sistem elektrolisa akan meningkat dengan kenaikan temperatur reaksi. Efisiensi sistem kopel antara reaktor nuklir dan instalasi produksi hidrogen Efisiensi keseluruhan sistem kopel, menyatakan perbandingan kemampuan penggunaan energi di dalam sistem elektrolisa dengan total energi yang disuplai oleh MSR. Pada Tabel 3 ditampilkan data-data hasil perhitungan untuk efisiensi menyeluruh sistem kopel dan grafiknya pada Gambar 10. Tabel 3. Efisiensi sistem electrolysis dan MSR Treaksi (K) Efisiensi sistem kopel (P = 10 atm) 1098 58,59 1102 1123 59,40 1173 60,79 1232 62,07 1273 63,22 111
Pengaruh Variasi Temperatur Keluaran Molten Salt ISSN : 0854-2910 Elsa Melfiana, dkk - Teknik Fisika- UGM η ovrl 64 63 62 61 60 59 y = -3E-05x 2 + 0.0941x - 10.272 58 1080 1130 1180 1230 1280 T reaksi (K) Gambar 10. Kurva efisiensi sistem electrolyzer dan MSR (P = 10 atm) Dari data Tabel 6 dan Gambar 10, terlihat bahwa semakin besar temperatur reaksi sistem elektrolis, kemampuan penggunaan energi dalam instalasi produksi hidrogen akan semakin meningkat. KESIMPULAN Kenaikan temperatur fluida salt yang dihasilkan dari Molten Salt Reactor akan meningkat efisiensi produksi hidrogen. Hubungan antara kedua hal tersebut pada tekanan 10 atm dan temperatur antara 1198-1373 K, dapat dinyatakan dengan persamaan Y = -3E-05T 2 + 0,0941T 10,272. REFERENSI1. 1. Anonim, 2002, A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International Forum 2. Brown, L.C., Funk, J.F., Marshall, A.C., 2002, High Efficiency Generation of Hydrogen Fuels Using Nuclear Power, Nuclear Energy Research Initiative (NERI), Grant No. DE-FG03-99SF21888, U.S. Department of Energy 3. Forsberg, C.W., 2001, Generation IV Roadmap Activity Description of Generation IV Reactor and Fuel Cycle Molten Salt Reactors (MSRs) for Production of Electricity with Fissile, Fertile, and Fission Products Dissolved in a Fluoride Salt. Oak Ridge National Laboratory 4. Richard, SP., 2004, A Techno-Economic Analysis of Decentralized Electrolytic Hydrogen Production for Fuel Cell Vehicles, Master of Applied Science Thesis, Department of Mechanical Engineering. University of Victoria 112
1