produksi hidrogen melalui dekomposisi metana

PROSIDING 20 13©
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Perkapalan
Sipil
PRODUKSI HIDROGEN MELALUI DEKOMPOSISI METANA
DENGAN HIGH FREQUENCY PLASMA
Andi Erwin Eka Putra
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin
Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea – Makassar, 90245
Telp./Fax: (0411) 588400
e-mail: [email protected]
Abstrak
Tujuan penelitian ini adalah untuk memproduksi hidrogen dari metana melalui
pembangkitan plasma dalam air pada tekanan atmosfer. Plasma dibangkitkan dengan
iradiasi gelombang elektromagnetik oleh 27.12 MHz radio frequency. Metana diinjeksikan ke
plasma dalam air yang telah dibangkitkan. Metode ini memproduksi produk gas yang kaya
hidrogen yang diidentifikasi dengan gas chromatograph. Metode ini juga menghasilkan rasio
mol H2/CO yang rendah. Selain itu, SED dari metode ini memperlihatkan penurunan dengan
penambahan laju input metana.
Kata Kunci: produksi hidrogen, steam methane reforming, 27.12 MHz radio frequency,
plasma dalam cairan
PENDAHULUAN
Pertumbuhan populasi dan pertumbuhan ekonomi telah meningkatkan kebutuhan energi yang luas biasa. Oleh
karena itu, sumber-sumber energi terus diidentifikasi dan dikategorikan ke dalam energi terbarukan dan nonterbarukan. Kebutuhan energi tahun 2003 – 2009 yang dilaporkan oleh Word Bank dan diperlihatkan bahwa
konsumsi energi non-terbarukan dari bahan bakar fosil seperti batu bara, oli, dan gas alam adalah sebesar ±
81% dari total konsumsi energi. Kemudian, energi dari tenaga air, nuklir, panas bumi dan tenaga surya
dilaporkan sekitar 9.3% dari total kebutuhan energi.
Pada abad ini, transportasi, pembangkit daya, dan kegiatan industry adalah umumnya digerakkan oleh bahan
bakar fosil. Harga bahan bakar oli yang terus meningkat akibat krisis oli pada tahun1973, Perang Teluk
tahun1991 yang dibarengi dengan semakin berkurangnya cadangan kandungan oli, dan dampak lingkungan
yang ditimbulkan dari hasil pembakarannya, seperti pemanasan global dan emisi rumah kaca sehingga usaha
untuk memenuhi kebutuhan energi yang ramah lingkungan adalah terus menyelidiki sumber energi alternative
dan mengoptimalkan proses inovasi di bidang rekayasa energi.
Gas alam sebagai sumber energi masa depan secara konsisten telah menjadi perhatian seluruh dunia untuk
menggantikan bahan bakar minyak. Meskipun, gas alam dianggap sebagai bahan bakar fosil non-terbarukan,
tetapi ada beberapa sumber energi terbarukan yang dapat menghasilkan metana. Metana adalah kandungan
utama gas alam. Keuntungan lain dari gas alam adalah bahan bakar fosil yang memproduksi karbon terendah
dan juga energy yang paling efisien.
Oleh karena itu, kebutuhan gas alam juga diperkirakan terus meningkat pada beberapa tahun belakangan ini
karena gas alam telah banyak digunakan sebagai suplai energi pada turbin gas dan bahan bakar alternatif pada
otomotif. Selain itu, gas alam banyak digunakan sebagai bahan baku untuk produksi ammonia, methanol, dan
lain-lain.
Sayangnya, emisi metana sebagai suatu greenhouse gas adalah sangat efektif pada kontribusi pemanasan global
dibandingkan dengan emisi CO2 dengan high global warming potential (GWP) sekitar 21-25 kali dibandingkan
dengan CO2.
Dengan demikian, metana perlu dilakukan proses lanjut untuk mengurangi dampak lingkungan yang
ditimbulkan. Teknologi untuk produksi energi bersih yang lebih efisien adalah mengkonversi metana menjadi
hydrogen rich synthesis gas (CO + H2). Saat ini, hidrogen menjadi bahan bakar gas yang ramah lingkungan
Volume 7 : Desember 2013
Group Teknik Mesin
TM7 - 1
ISBN : 978-979-127255-0-6
Produksi Hidrogen melalui Dekomposisi…
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Andi Erwin Eka Putra
Perkapalan
Sipil
dapat diaplikasikan fuel cells dan automotive fuel dan potensial untuk mereduksi secara dramatikal
ketergantungan pada bahan bakar minyak dan emisi greenhouse gas. Selain itu, pada proses pembakaran, reaksi
hidrogen dan oksigen memproduksi panas dan air dengan kebutuhan energy yang minimum sehingga dapat
mengatasi masalah suplai energi dan mengatasi efek pembakaran hidrokarbon. Umumnya, hidrogen diproduksi
dengan proses konvensional seperti steam methane reforming, partial oxidation, dan auto thermal
reforming.
Penelitian untuk produksi fuel gases menggunakan reaksi kimia plasma difokuskan pada pengontrolan laju
reaksi dan pembuatan peralatan yang sederhana. Plasma mengandung radikal reaktif, ion, dan electron
energik yang tinggi. Plasma adalah gas yang terionisasi sebagian atau seluruhnya dan dibangkitkan oleh
medan listrik yang kuat, medan magnet atau pemanasan. Molekul dari zat/bahan menjadi sangat energik
oleh kenaikan suhu dan bertransformasi dalam empat keadaan material; solid, cair, gas dan terakhir plasma.
Plasma dapat menghasilkan energi spesifik untuk menginisiasi reaksi kimia yang rumit dan tidak dapat
dihasilkan oleh mekanisme kimia konvensional.
Plasma dapat diaplikasikan untuk pelapisan permukaan dan permesinan, limbah dan gas treatment, sintesis
kimia, bahkan dalam bidang kedokteran. Oleh karena itu, teknologi plasma sangat mendukung untuk
reaksi reformasi bahan bakar untuk produksi hidrogen dengan reformasi keseluruhannya adalah sama
dengan proses konvensional. Tipe plasma untuk aplikasi dalam produksi hidrogen adalah plasmatron,
gliding arc, dielectric barrier discharge (DBD), corona, microwave/radio frequency, dan pulsed
discharge.
Plasma dibangkitkan dalam atau kontak dengan cair untuk performansi suatu proses yang sama dengan
plasma dalam gas. Teknik untuk produksi hidrogen telah dilakukan dengan plasma dalam cair.
Pembangkitan gelembung mengandung radio frequency (RF) plasma dalam water sudah diinvestigasi
untuk produksi hidrogen dan oksigen. Microwave oven yang konvensional sudah digunakan untuk mengiridiasikan 2.45 GHz microwave untuk pembangkitan plasma dalam n-dodecane sebagai heavy
hydrocarbon tanpa CO2 sebagai produk sampingan. High frequency plasma dalam cair mempunyai laju
reaksi produksi hidrogen.
Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan sebagai aplikasi plasma untuk menghasilkan hidrogen melalui
dekomposisi metana dalam air pada tekanan atmosfer. Plasma dibangkitkan dalam gelembung dalam air
dengan meng-iradiasikan High Frequency melalui elektroda. Air juga berfungsi untuk mendinginkan
elektroda selama proses dekomposisi metana berlangsung.
Metode ini mirip dengan proses Steam Methane Reforming dimana uap air untuk keperluan pada proses ini
dihasilkan dari proses penguapan cairannya sendiri (air) dimana produksi uap air ini berlangsung secara
simultan selama proses reformasi. Oleh karena itu, proses ini dapat dilakukan pada tekanan atmosfer
dengan peralatan yang simpel. Proses Steam Methane Reforming sulit dilakukan pada tekanan atmosfer
dan membutuhkan peralatan lain untuk menghasilkan uap air yang akan disuplai ke dalam reaktor
reformasi.
Proses ini diharapkan untuk pengembangan penelitian produksi hidrogen yang optimal dan efisien di masa
mendatang.
METODOLOGI PENELITIAN
Peralatan eksperimen diperlihatkan secara skematik pada gambar 1. Tabung silika transparan digunakan sebagai
reaktor dengan diameter dalam 55 mm, ketebalan 2 mm, dan tinggi 85 mm. elektroda terdiri dari tungsten
batangan 3 mm dibungkus dengan tabung kaca silika dengan diameter luar 6 mm dan ketebalan 1.5 mm sebagai
dialectric substance dan dimasukkan dari bagian bawah reaktor. Elektroda ini dihubungkan ke High Frequency
source. Sebagai counter electrode pipa tembaga dipasang sejajar dengan elektroda pada bagian atas reaktor
dengan jarak antara elektroda 2 mm. counter electrode ini juga berfungsi sebagai saluran injeksi metana ke
dalam bubble berisi plasma di air di dalam reaktor.
200 mL air murni dimasukkan ke dalam reaktor pada suhu ruangan. Suhu air tidak dikontrol selama proses
dekomposisi. Kemudian aspirator digunakan untuk memvakumkan reaktor untuk mengeluarkan udara. Plasma
ISBN : 978-979-127255-0-6
Group Teknik Mesin
TM7 - 2
Volume 7 : Desember 2013
PROSIDING 20 13©
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Perkapalan
Sipil
dibangkitkan dengan power 200 Watt dan variasi input metana diinjeksikan setelah plasma terbentuk. Gas
produk dianalisis dengan gas chromatograph untuk mengetahui kandungannya.
Gambar 1. Peralatan Penelitian untuk Dekomposisi Metana dengan 27.12 MHz RF Plasma
HASIL DAN DISKUSI
Pembangkitan plasma diantara dua elektroda di dalam air pada 200 W seperti yang diperlihatkan pada gambar 2
yang menghasilkan suhu lokal yang tinggi. plasma mengurai metana (CH4) yang dialirkan melalui pipa inlet ke
dalamnya menjadi gas produk. 200 mL air ini berfungsi sebagai pendingin elektroda sehingga dapat
mempertahankan suhu sistem sama dengan suhu lingkungan dan juga menghasilkan uap air melalui proses
penguapan oleh plasma. Uap air ini bereaksi dengan injeksi metana untuk menghasilkan produk gas melalui
penguraian oleh plasma. Gas produk tersebut mengandung hidrogen (H2), dan produk sampingan serta metana
yang tidak terurai, dengan total reaksi sebagai berikut:
CH4(g) + nH2O(l)  aH2(g) + bCO(g) + cCO2(g) + dCH4(g) + eC2H2(g) + fC2H4(g) + gC(s)
(1)
Gambar 2. Pembangkitan Plasma dalam Air pada 200 W
Volume 7 : Desember 2013
Group Teknik Mesin
TM7 - 3
ISBN : 978-979-127255-0-6
Produksi Hidrogen melalui Dekomposisi…
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Andi Erwin Eka Putra
Perkapalan
Sipil
Gambar 3. Produk Gas dari Variasi Input mzetana
Produk gas pada gambar 3 memperlihatkan bahwa reaksi yang terjadi pada proses ini terdiri dari Steam
Methane Reforming (SMR) dan Methane Cracking (MC). Produksi karbon monoksida (CO) dan karbon
dioksida (CO2) dihasilkan dari reaksi SMR seperti yang diperlihatkan pada persamaan (2) dan(3), Namum
dari analisis data, acetylene (C2H2), ethylene (C2H4) dan karbon padat (C) juga dihasilkan dari proses ini
sebagai gas sampingan yang diproduksi melalui reaksi MC seperti pada persamaan (4).
CH4 + H2O  3H2 + CO (ΔH = 206,16 kJ/mol)
(2)
CO + H2O  3H2 + CO2 (ΔH = -41,2 kJ/mol)
(3)
aCH4  xC + yH2 + zC2H2 + kC2H4
(4)
Sedangkan dekomposisi metana dalam air pada tekanan atmosfer dan power 200 W dengan 27,12 MHz RF
plasma menghasilkan rasio mol H2/CO cenderung konstan pada kisaran 3.5, seperti yang diperlihatkan pada
gambar 4. Sedangkan Specific Energy Density (SED) dari metode ini diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 4. Rasio mol H2/CO pada Variasi Input Metana
Gambar 5. Specific Energy Density (SED) pada Variasi Input Metana
ISBN : 978-979-127255-0-6
Group Teknik Mesin
TM7 - 4
Volume 7 : Desember 2013
PROSIDING 20 13©
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Perkapalan
Sipil
SIMPULAN
Proses dekomposisi metana dan uap air pada tekanan atmosfer untuk memproduksi bahan bakar gas dengan
kandungan utama hidrogen dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi pembangkitan dalam air. Metode
ini menghasilkan perbandingan mol H2/CO yang rendah dengan SED yang cenderung menurun dengan
peningkatan laju aliran input metana.
DAFTAR PUSTAKA
Energy and Mining, http://data.worldbank.org/indicator. Retrieved 16 November 2012.
Shinfuku Nomura, Andi Erwin Eka Putra, Shinobu Mukasa, Hiroshi Yamashita, and Hiromichi Toyota, Plasma
Decomposition of Clathrate Hydrates by 2.45 GHz Microwave Irradiation at Atmospheric Pressure,
Applied Physics Express, Vol. 4, No. 6, pp. 066201-1-066201-3
Andi Erwin Eka Putra, Shinfuku Nomura, ShinobuMukasa, Hiromichi Toyota, Hydrogen Production by Radio
Frequency Plasma Stimulation in Methane Hydrate at Atmospheric Pressure. International Journal of
Hydrogen Energy, 37 (2012) 16000 – 16005.
Shinfuku Nomura, Andi Erwin Eka Putra, Hiromichi Toyota, ShinobuMukasa, Hiroshi Yamashita, Fuel Gas
Production by plasma in a micorwave oven at atmospheric pressure, The ASME/JSME 2011 8th Thermal
Engineering Joint Conference (AJTEC 2011).
Shinfuku Nomura, Akihiro Kamano, ShinobuMukasa, Hiromichi Toyota, Andi Erwin Eka Putra, Clathrate
hydrates decomposition using MW, Thermal Engineering Conference 2011, Japan Society of Mechanical
Engineer (2011.10.30, Hamamatsu), Japanese Language.
Andi Erwin Eka Putra, Shinfuku Nomura, ShinobuMukasa, Hiromichi Toyota, Hydrogen Production by
Reforming Clathrate Hydrate Using the In-liquid Plasma Method, 11th International Conference on
Sustainable Energy Technologies (SET-2012), September 2-5, 2012, Vancouver, Canada.
Volume 7 : Desember 2013
Group Teknik Mesin
TM7 - 5
ISBN : 978-979-127255-0-6
Produksi Hidrogen melalui Dekomposisi…
Arsitektur
Elektro
ISBN : 978-979-127255-0-6
Geologi
Mesin
Group Teknik Mesin
TM7 - 6
Andi Erwin Eka Putra
Perkapalan
Sipil
Volume 7 : Desember 2013