BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Saat ini, ketersediaan sumber energi fosil dunia semakin menipis, sumber energi ini semakin langka dan harganya pun semakin melambung tinggi. Hal ini tidak dapat dihindarkan karena sumber energi jenis ini bersifat tidak terbarukan. Maka dari itu diperlukan penelitian dan pemanfaatan sumber energi terbarukan agar dapat memenuhi tingkat kebutuhan energi dunia. Selain dari masalah ketersediaan sumber energi, masalah lain yang juga dipertimbangkan dalam penyediaan energi adalah kondisi lingkungan. Pemanasan global, semakin menipisnya ozon, masalah polusi udara dan lain-lain juga mendorong para ilmuwan untuk terus meneliti dan mencari sumber energi yang bersih, atau paling tidak tingkat polusi yang minim. Hidrogen merupakan salah satu bentuk solusi untuk mengurangi ketergantungan terhadap sumber energi yang tidak terbarukan dan juga mengurangi polusi yang diakibatkan oleh pembakaran sumber energi fosil. Hidrogen bukan merupakan sumber energi, melainkan sebuah bentuk pembawa energi (energy carrier) yang dapat dibentuk dengan bantuan energi terbarukan seperti energi angin, surya, laut, panas bumi, biomassa, dll. Alat yang berfungsi mengkonversi energi kimia dalam hidrogen menjadi energi listrik disebut Sel Bahan Bakar. Keunggulan utama yang dimiliki Sel Bahan Bakar adalah efisiensi yang relatif tinggi apabila dibandingkan dengan pembangkit listrik lainnya. Hal ini disebabkan konversi energi terjadi secara langsung dari energi kimia menjadi energi listrik, sedangkan pada pembangkit biasa, energi kimia diubah menjadi energi kalor, energi mekanik, dan akhirnya menghasilkan energi listrik. 1
Selain itu, tingkat polusi yang dihasilkan relatif sangatlah rendah karena energi listrik pada Sel Bahan Bakar dihasilkan dari reaksi elektrokimia (bahkan pada jenis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton tidak ada polusi sama sekali) [1]. Sel Bahan Bakar memiliki prospek yang sangat baik di masa depan. Dengan tingkat efisiensi yang tinggi dan polusi rendah, tidaklah heran jika Sel Bahan Bakar menjadi salah satu fokus pengembangan teknologi di berbagai negara maju seperti Amerika Serikat, Jepang, dan negara-negara di Eropa. Pengembangan ini terus dilakukan agar di masa depan sumber energi semakin bersih, efisien, dan murah. Kendala yang dihadapi oleh Sel Bahan Bakar adalah masih tingginya biaya yang harus dikeluarkan untuk pembuatan hidrogen. Namun masalah ini pun sedang dikaji terus untuk dikomersialkan. Tantangan yang dihadapi adalah teknologi untuk mensintesis hidrogen secara massal dan menyimpan atau mendistribusikan hidrogen untuk keperluan bahan bakar Sel Bahan Bakar. 1.2. Rumusan Masalah Pemodelan Sel Bahan Bakar yang akurat dibutuhkan untuk mengintegrasikan Sel Bahan Bakar dengan peralatan-peralatan elektronika daya, beban, dan kendali sistem. Pemodelan yang dilakukan di penelitian ini dilakukan pada Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Eexchange Membrane) untuk mengidentifikasi tegangan keluaran, daya keluaran dan beberapa karakteristik lainnya. 1.3. Tujuan dan Sasaran Tujuan Tugas Akhir ini adalah : Memodelkan dan mengkaji karakteristik Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC) Sasaran Tugas Akhir ini adalah : 1. Mengetahui prinsip kerja dari PEMFC 2
2. Membuat pemodelan PEMFC dalam bentuk model matematis 3. Membuat pemodelan dan simulasi PEMFC pada software Simulink 4. Melakukan validasi model, yakni membandingkan beberapa karakteristik utama dengan hasil yang didapat dari hasil percobaan (data diambil dari referensi) 5. Menganalisis karakteristik pengasutan (start-up) dan keadaan mantap (steady state) serta perhitungan biaya bahan bakar hidrogen per kwh dari model PEMFC yang dibuat 1.4. Batasan Masalah Batasan masalah yang dipakai dalam penelitian ini adalah: [1][5] 1. Gas yang dimodelkan adalah gas ideal 2. Suhu kerja Sel Bahan Bakar berada di bawah 100 o C, dan produk hasil reaksi berupa fasa cair. 3. Dalam penggabungan beberapa sel membentuk sebuah tumpukan (stack) diasumsikan setiap sel memiliki karakteristik yang sama sehingga parameter keseluruhannya adalah hasil penggabungan parameter setiap sel. 4. Suhu yang digunakan untuk proses termodinamika adalah suhu rata-rata pada stack dimana variasi suhu di dalam stack diabaikan. 5. Tekanan uap di anoda adalah 50% dari tekanan uap saturasi, sedangkan tekanan uap di katoda adalah 100% dari tekanan uap saturasi. Pemodelan dan analisis dilakukan dengan menggunakan bantuan software Simulink/MATLAB. 1.5. Metodologi Penelitian Untuk menyelesaikan pengerjaan tugas akhir ini dan mencapai tujuan spesifik yang telah ditetapkan, dilakukan tahapan-tahapan sebagai berikut : 3
1. Studi literatur dan pengumpulan data-data sekunder mengenai teori dasar karakteristik Sel Bahan Bakar, serta studi mengenai bentuk pemodelan sistem Sel Bahan Bakar. 2. Perancangan model matematis dari PEMFC untuk disimulasikan dengan menggunakan software Simulink/MATLAB. 3. Perancangan model dengan menggunakan software Simulink/MATLAB. 4. Mencari data referensi yang dapat dibandingkan hasilnya. Salah satunya adalah dengan meminta langsung data hasil percobaan kepada penulis jurnal internasional yang telah melakukan percobaan dengan PEMFC. 5. Validasi model, yakni dengan membandingkan karakteristik utama PEMFC dengan data yang didapat dari hasil percobaan referensi. 6. Simulasi model Sel Bahan Bakar untuk beberapa karakteristik yang ingin diketahui. 7. Diskusi dan evaluasi hasil validasi dan simulasi yang dilakukan. Dalam tahapan ini akan dianalisis bagaimana hasil dari validasi dan simulasi yang dilakukan, sekaligus menjawab beberapa pertanyaan yang diajukan untuk dapat diambil kesimpulan 1.6. Sistematika Pembahasan Rencana penulisan laporan penelitian tugas akhir ini terdiri dari 6 (enam) bab yang tersusun sebagai berikut : Bab I Pendahuluan Membahas tentang hal-hal mendasar di penelitian tugas akhir yang telah dikerjakan, yaitu latar belakang, perumusan masalah, tujuan, ruang lingkup, metodologi, serta sistematika pembahasan laporan penelitian tugas akhir. Bab II Gambaran Umum Teknologi Sel Bahan Bakar Membahas teori-teori dasar yang berkenaan dengan Sel Bahan Bakar, jenis-jenis Sel Bahan Bakar yang telah dikembangkan, perbandingan karakteristik dan aplikasi Sel Bahan Bakar, serta alasan pemilihan PEMFC untuk dimodelkan. 4
Bab III Perumusan Model Matematis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton Membahas tentang konsep energi pada termodinamika Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC), pemodelan tegangan keluaran pada Sel Bahan Bakar, mekanisme difusi pada elektroda PEMFC, efisiensi PEMFC, dan kesetimbangan energi termodinamika dari PEMFC. Bab IV Pemodelan dan Simulasi Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton menggunakan Software Simulink/MATLAB Membahas tentang pengembangan model Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell / PEMFC) dalam software simulink/matlab. Pada bab ini terlebih dahulu didefinisikan nilai dari beberapa konstanta dan parameter yang digunakan dalam simulasi. Bab V Validasi dan Analisis Hasil Simulasi Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton Membandingkan karakteristik utama PEMFC yang didapat dari simulasi model dengan data percobaan yang didapat dari referensi. Selain itu dilakukan pula simulasi model PEMFC untuk mencari beberapa karakteristik lainnya serta menghitung biaya bahan bakar pembangkitan per kwh. Bab VI Kesimpulan dan Saran Berisi tentang kesimpulan dari laporan penelitian tugas akhir, yakni pencapaian tujuan yang diajukan di bab pendahuluan serta saran-saran dan rekomendasi untuk pengembangan selanjutnya. 5