hydrogen storage
TRANSCRIPT
HYDROGEN STORAGE
Gilang Permata Khusuma
13708050
Tugas Teknik Material
Program Studi Teknik MaterialFakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
Institut Teknologi Bandung2012
Outline
Hydrogen Hydrogen Production Hydrogen Storage Hydrogen Storage Pruduction Resume
Hydrogen
Hidrogen (H) berat atom rata-rata 1.00794 u merupakan yang teringan dan terbanyak, 75% dari massa unsur yang ada di muka bumi ini. [1]
Pada suhu dan tekanan kamar, tidak berwarna, tidak berbau, nonmetal, tidak berasa, tidak beracun, dan gas diatomik yang mudah terbakar (H2).
Entalpi pembakaran:[2]
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) Tingkat energi adalah −13.6 eV, setara dengan photon pada
ultraviolet dengan panjang gelombang 92 nm [3]
Terdapat dua perbedaan dari isomer spin dari molekul diatomik yang berbeda akibat putaran relatif nuclei-nya. [4]
HydrogenSifat fisik dan karakteristik [5] [6]
Density (0 °C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L
Liquid density at m.p. 0.07 (0.0763 solid)[2] g·cm−3
Liquid density at b.p. 0.07099 g·cm−3
Melting point 14.01 K, -259.14 °C, -434.45 °F
Boiling point 20.28 K, -252.87 °C, -423.17 °F
Heat of fusion (H2) 0.117 kJ·mol−1
Heat of vaporization (H2) 0.904 kJ·mol−1
Molar heat capacity (H2) 28.836 J·mol−1·K−1
Stoichimetric mixture in air 29 vol %
Flammability limits in air 4-75 vol %
Detonation limits in air 18-60 vol %
Hydrogen
Industri Produksi
H2 dibutuhkan pada industri untuk memproses fossil fuels dan produksi ammonia. H2 juga digunakan sebagai reducing agent dari deposit metal. [7]
Perangkat Teknologi
H2 digunakan sebagai gas pelindung dalam beberapa metode pengelasan seperti atomic hidrogen welding.dan rotor coolant dalam genetor listrik karena mempunyai konduktivitas termal yang tinggi diantara semua gas. [8]
Nuklir
Deuterium (hidrogen-2) digunakan sebegai reaksi fisi dan fusi pada nuklir. Senyawa deuterium mempunyai aplikasi kimia dan biologi dalam kajian efek reaksi isotop. Tritium (hidrogen-3), diproduksi dalam reaktor nuklir, digunakan dalam produksi bom hidrogen, [9]
Pembawa Energi
Hidrogen bukanlah sumber energi, kecuali dalam konteks berdasar perencanaan energy fisi dari komersial nuklir yang menggunakan deuterium atay tritium. Energi matahari terjadi dari reaksi fusi hidrogen, tetapi sangat sulit untuk diterapkan di bumi. [
10]
Hydrogen Production
Hydro
Hydrogen Production[11]
• Bahan Bakar Fosil Gas Alam
a. Steam Reforming
- CH4 + H2O + heat CO + 3H2 (2.1)
- CO + H2O CO2 + H2 + heat (2.2)
b. Oksidasi Parsial
- CH4 + 0.5O2 CO + 2H2 + heat (2.3)
c. Autothermal Reforming
Kombinasi antara reaksi pada Steam Reforming dan Oksidasi Parsial pada suhu 1100 oC dan tekanan 100 bar.
Hydrogen Production[11]
• Bahan Bakar Fosil Batubara
Hidrogen dari batubara diproduksi melalui proses gasifikasi. Dalam prakteknya, temperatur tinggi dalam aliran proses mampu memaksimalkan konversi karbon ke gas.
- C(S) + H2O + heat CO + H2 (2.4)
Reaksi ini adalah reaksi endotermik yang membutuhkan tambahan panas. CO selanjutnya direaksikan sama seperti reaksi (2.2).
Hydrogen Production[11]
• Bahan Bakar Fosil CO2
Proses dalam produksi hidrogen menggunakan pengikatan karbon dioksida dikenal sebagai dekarbonasi. Proses ini mempunyai tiga opsi berbeda dalam proses pembakaran berupa:
- Post-Combustion
- Pre-Combustion
- Oxyfuel-Combustion
Hydrogen Production[11]
• Air Elekrolisis
- H2O + Listrik 0.5O2 + H2 (2.5) Termolisis
Thermal decomposition atau termolisis adalah dekomposisi kimia yang disebabkan oleh panas dan berlangsung secara endotermik.
Photocatalytic Water Splitting
Energi matahari dikonversikan menjadi hidrogen melalui proses elektrolisis dengan bantuan fotokatalis untuk meningkatkan efisiensi.
Hydrogen Production[11]
• Biomass
• Hydrogen Solar Production Company Inc.
Hydrogen Production[11]
Basic Measurement: [12]
System Gravimetric Capacity System Volumetric Capacity
Hydrogen Production [11]
Distribusi:
HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE
Hydrogen Storage
GASEOUS HYDROGEN
- Composite Tanks
- Glass Microspheres
LIQUID HYDROGEN
- Cryogenic Liquid Hydrogen
- NaBH4 Solutions
- Organic Liquids
SOLID HYDROGEN
- High Surface Area
- Rechargeble Hydride
- Chemical Hydride
Hydrogen Storage
Tangki komposit [13]
Target yang diharapkan dari penggunaannya adalah berat yang ringan, nilainya yang komersial, kemudahan proses dan uji keselamatan.
Dibutuhkan pengembangan secara spesifik, antara lain: Material embrittlement. Konstruksi material. Penggunaan tekanan optimal dalam proses.
Hydrogen Storage
Tangki komposit
HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE
Hydrogen Storage
Glass microspheres [14]
Konsep dasar
1. hollow glass spheres diisi dengan H2 pada tekanan tinggi (350-700 bar) dan suhu tinggi (ca. 300 °C) oleh permeasi dalam vessel bertekanan tinggi. [
2. microspheres didinginkan mencapai suhu kamar dan ditransfer ke tangki bertekanan rendah.
3. microspheres dipanaskan mencapai 200-300 °C untuk mengatur pelepasan dari H2.
Masalah utama dari glass microspheres adalah sifat volumetric density yang dapat dicapai rendah dan tekanan yang digunakan pada saat pengisian dam kebocoran hidrogen pada suhu kamar.
Hydrogen Storage
Cryogenic hydrogen [15]
Mengacu pada hidrogen cair (LH2) dengan kepadatan 70.8 kg/m3 pada titik didih normal (–253 °C).
Hanya 20 % H2 yang dapat digunakan secara praktek. Secara volumetric, nilainya mencapai 80 kg/m3.
Walaupun begitu, 30-40% energi hilang ketika LH2 diproduksi dan dibutuhkan super-insulated cryogenic.
Hydrogen Storage
Cryogenic hydrogen
.
Hydrogen Storage
Larutan Borohydride (NaBH4) [16]
Digunakan sebagai liquid storage medium hydrogen dengan reaksi kalatis:
- NaBH4(l) + 2H2O (l) 4H2(g) + NaBO2(s) (3.1)
Biaya spesifik (USD/kg) dari hydrogen storage menggunakan NaBH4 dihitung sebesaer:
- Cost H2 = 4.69 × Cost NaBH4 (3.2)
Kelebihan utama penggunaan larutan NaBH4 adalah faktor keselamatan dan kemudahan kontrol H2. Sedangkan kerugian yang terjadi adalah produk reaksi harus dikembalikan menjadi NaBH4.
Hydrogen Storage
Rechargeable organic liquids [16]
Beberapa cairan organic dapat digunakan secara tidak langsung untuk menyimpan hidrogen dalam bentuk cair dengan mengikuti tiga mekanisme:
1. Dehidrogenisasi cairan organic
2. Refilling tangki berisi hasil dehidrogenisasi dengan H2.
3. Rehidrogenisasi H2 yang terdeplet liquid
Salah contohnya adalah methylcyclohexane (C7H14) and toluene (C7H8):
- C7H14 (l) ⇔ C7H8 (l) + 3 H2 (g) (3.3)
Reaksi tersebut menghasilkan kepadatan penyimpanan energi secara gravimetric dan volumetric sebesar 6.1wt.% H2 and 43 kg H2/m3.
Hydrogen Storage
Material berbasis Carbon [17]
Molekul H2 murni hanya berguna pada suhu cryogenic dan ikatan kovalen H terbebas hanya pada suhu tinggi sehingga secara ekstrim, high surface area dari carbon sangat dibutuhkan untuk memunculkan mekanisme ikatan secara fisik dan kimia.
Sifat permukaan dan butiran dibutuhkan untuk menaikan potensi penyimpanan pada suhu kamar dan ekonomis.
Hydrogen Storage
Material berbasis Carbon
Withers, Fullerene S&T, 1997)
Hydrogen Storage
High Surface Area Lainnya [16]
Material yang terkarakterisasi oleh high surface area dapat secara fisik mengadsorbsi molekul H2. Walaupun begitu, reversibilitas dari penggunaan suhu ruang masih menjadi pertanyaan umum dalam riset dan pengembangannya. Contoh dari high surface area material adalah zeolites, metal oxide frameworks (MOFs) dan clathrate hydrates.
1. Zeolites: aluminosilicate kompleks dengan ukuran pore yang teratur and high surface areas.
2. Metal oxide frameworks (MOFs): Struktur ZnO yang terhubung dengan cincin benzen. [18]
3. Clathrate hydrates: H2O (es) struktur sangkar, yang berisi molekul CH4 and CO2.
Hydrogen Storage
Rechargeable Hydride [19]
Sandrock, after JALCOM, 1999.
Hydrogen Storage
Alanate [20]
Suhu kinetik rendah dan reversibilitas alanate dipengaruhi oleh penambahan katalis (contoh Ti). Mekanisme katalis ini berupa 4-5 wt% H2, dimana NaAlH4 tidak dapat memenuhi target berat dan bermasalah dengan pyrophoricity dan biaya.
Hydrogen Storage
Borohydride [21]
Borohydride mempunyai kapasitas potensial yang tinggi dibandingkan dengan alanate. Walupun begitu, studi yang mencakup hal ini masih lebih sedikit dibandingkan alanate. Secara umum borohydride lebih stabil dan tidak reversibel dibandingkan alanate,
.
Hydrogen Storage
Chemical Hydride (H2O reaktif) [22]
Dalam bentuk ini, hidrat dapat dipompa dan dikontrol secara aman melalui reaksi hidrolisis yang berlangsung secara eksotermik. Kepadatan potensi energi secara teori sekitar 5-8wt.% H2.
Chemical Hydride (Termal) [23]
Ammonia borane adalah bagian dari chemical hydrides yang dapat digunakan untuk menyimpan hydrogen dalam fasa solid state.
Hydrogen Storage
Chemical Hydride
Hydrogen Storage
Perbandingan Metode
Züttel, 2003a
Method % Weight H Volume 1kg H
H Gas 200 bar 100 .06m^3
H Liquid 100 .014m^3
C-Nanotube ~6-8 .02m^3
MgH2 7.6 .009m^3
NaAlH4 7.5 (5.6) .010m^3
Hydrogen Storage
Mekenisme energi secara umum [24]
hydrides absorb hydrogen secara eksotermal hydrides melepas hydrogen secara endotermal hydrogen mencapai kesetimbangan tekana dengan solid
P = exp(-H/RT + S/R) or lnP = -H/RT + lnPTinf
d(lnP)/d(1/T) = H/R
H=heat of formation, R=gas constant, T=abs. temp.
P is called the plateau pressure
plot of lnP vs 1/T is a straight line (van’t Hoff plot) slope of plot gives you heat of formation
Hydrogen Storage
Mekanisme Energi
Züttel, 2003a
Hydrogen Storage
Mekanisme Energi
Züttel, 2003a
Hydrogen Storage
Produksi
Gaseous H2 Storage:C-fibre composite vessels (350-700 bar). [25]
Liquid H2 Storage:Cryogenic insulated [26]
Solid H2 Storage:
Additions, Ballmill [27]
Hydrogen Storage
Produksi [27]
Gaseous H2 Storage:C-fibre composite vessels (350-700 bar).
Liquid H2 Storage:Cryogenic insulated
Solid H2 Storage:
Additions, Ballmill
Tantangan Hydrogen Storage
The requirements for effective on-board hydrogen storage are (FreedomCAR/DOE, Japan and IEA targets) are comparable: [28]
Appropriate thermodynamics (favourable enthalpies of hydrogen absorption and desorption),
High storage capacity (specific capacity to be determined by usage), Effective heat transfer, High gravimetric and volumetric densities Long cycle lifetime for hydrogen absorption/desorption, High mechanical strength and durability, Safety under normal use and acceptable risk under abnormal conditions, Cheap components and materials
Tantangan Hydrogen Storage
Capacity [29]
Tantangan Hydrogen Storage
Jinsong Zhang. Purdue University. A Review of Heat Transfer Issues in Hydrogen Storage Technologies
Hydrogen storage properties Requirement
Capacity (mass%) >6 %
Capacity (g/l) >60
Hydrogen absorption rate <5min
Hydrogen desorption rate <3h
plateaus pressure Near several Bar at room temp.
Security No ignition, explosion, poison
Cyclic life >500
Working temperature 25-100oC
Tantangan Hydrogen Storage
“It has become increasingly clear that hydrogen as an energy carrier is ‘in’ and carbonaceous fuels are ‘out’. Hydrogen energy is high efficiency and near zero emissions. The hydrogen economy is coming.” James A. Ritter, Materials today, September 2003
Resume [16]
Gaseous H2 Storage:Status: Commercially available, but costly.
Best option: C-fibre composite vessels (6-10 wt% H2 at 350-700 bar).
R&D issues: Fracture mechanics, safety, compression energy, and reduction of volume.
Liquid H2 Storage:Status: Commercially available, but costly.
Best option: Cryogenic insulated dewars (ca. 20 wt% H2 at 1 bar and -253°C).
R&D issues: High liquefaction energy, dormant boil off, and safety.
Solid H2 Storage:Status: Very early development (many R&D questions).
Best option: Too early to determine. Many potential options: Rechargeable hydrides, chemical hydrides (H2O &s thermally reactive), carbon, and other high surface area materials.
Most-developed option: Metal hydrides (potential for > 8 wt.% H2 and > 90 kg/m3 H2-storage capacities at 10-60 bar).
R&D issues: Weight, lower desorption temperatures, higher desorption kinetics, recharge time and pressure, heat management, cost, pyrophoricity, cyclic
life, container compatibility and optimisation.
Referensi
Note:
1. Palmer, D. (13 September 1997). "Hidrogen in the Universe". NASA.
2. Committee on Alternatives dan Strategies for Future Hidrogen Production dan Use, US National Research Council, US National Academy of Engineering (2004). The Hidrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, dan R&D Needs. National Academies Press. p. 240.
3. http://jupiter.phy.umist.ac.uk/~tjm/ISPhys/l7/ispl7.html.
4. http://www.uigi.com/hidrogen.html.
5. http://en.wikipedia.org/wiki/hidrogen
6. Los Alamos National Laboratory(2000). Hidrogen Gas Safety Self Study.
7. Chemistry Operations (2003-12-15). "Hydrogen". Los Alamos National Laboratory.
8. Durgutlu, Ahmet (2003). "Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel". Materials & Design 25 (1): 19–23.
9. Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191.
10. http://www.world-nuclear.org/info/inf66.html.
11. IEA-Hydrogen Co-ordination Group. Hydrogen Implementing Agreement.”HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE -R&D PROPERTIES and GAPS –”
12. http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review10/st001_ahluwalia_2010_o_web.pdf
13. Hydro-Pac, Inc., High-Pressure Hydrogen Compressor Data Sheet, http://www.hydropac.com/
14. Jinsong Zhang. Purdue University. A Review of Heat Transfer Issues in Hydrogen Storage Technologies
15. Wolf, J., 2002, “Liquid-Hydrogen Technology for Vehicles,” MRS Bull., 27_9_, pp. 684–687.
Referensi
Note:
16. IEA-Hydrogen Co-ordination Group. Hydrogen Implementing Agreement.”HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE -R&D PROPERTIES and GAPS –”
17. A.C. Dillon, K.E.H. Gilbert, J. L. Alleman. National Renewable Energy Laboratory. CARBON NANOTUBE MATERIALS FOR HYDROGEN STORAGE.
18. Nathaniel L. Rosi,1 Juergen Eckert,2,3 Mohamed Eddaoudi(16 September 2002). Hydrogen Storage in Microporous Metal-Organic Frameworks
19. Kim, K. J., Montoya, B., Razani, A., and Lee, K.-H., 2001, “Metal Hydride Compacts of Improved Thermal Conductivity,” Int. J. Hydrogen Energy,26_6_, pp. 609–613.
20. http://hydpark.ca.sandia.gov
21. Ritter, J. A., Ebner, A. D., Gadre, S. A., Prozorov, T., and Wang, J., 2004, “Development of Complex Hydride Hydrogen Storage Materials and Engineering Systems,” Proceedings of the 2004 Annual U.S. DOE Hydrogen Program Review.
22. James, B. D., 2003, “An Overview of Chemical Hydrides,” ORNL Hydrogen Storage Workshop, http://www.ms.ornl.gov/hsw/presentation/May7/ BJAMES1.PPT
23. N. Mohajeri, A. T-Raissi, K. Ramasamy, O. Adebiyi, and G. Bokerman. Florida Solar Energy Center. Ammonia-Borane Complex for Hydrogen Storage
24. R.J. Westerwaal & W. G. Haije. ECN Hydrogen and Clean Fossil Fuels.Evaluation solid-state hydrogen storage systems
25. Vieira, A. H2 HIGH PRESSURE ON-BOARD STORAGE CONSIDERING SAFETY ISSUES
26. S. D. Augustinovicz. Kennedy Space Center NASA. “Cryogenic Insulation System for Soft Vacuum”
27. Dr. Viktor P. Balema. Sigma-Aldrich Materials Science. Mechanical Processing in Hydrogen Storage Research and Development
28. DOE Hydrohen and Fuel Cells Program Record
29. U.S. Department of Energy’s System Targets for On-Board Vehicular Hydrogen Storage