-
MAKALAH
ENERGI TERBARUKAN
Dosen: Ir. Endah Retno Dyartati, MT
Technology Applications for Bioethanol Fuel Cells
(Aplikasi Teknologi untuk Sel Bahan Bakar Bioethanol)
Oleh
Agus Kurniawan, ST
S951108001
Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Program Studi Magister
Teknik Mesin
Universitas Sebelas Maret Surakarta
2011
-
2
Daftar Isi
Abstrak..................................................................................................................................
4
1. Pendahuluan.
.................................................................................................................
4
2. Tinjauan Pustaka.
..........................................................................................................
5
2.1. Bioethanol.
..............................................................................................................
5
2.2. Fuel Cell.
................................................................................................................
7
3. Bioethanol Fuel Cell.
....................................................................................................
12
4. Technolgy Application for Bioethanol Fuel Cell.
........................................................... 14
4.1. Tenaga Pembangkit.
.............................................................................................
15
4.2. Pembangkit
kogenerasi.........................................................................................
16
4.3. Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs).
.....................................................................
16
4.4. Pesawat.
...............................................................................................................
18
5. Kesimpulan.
.................................................................................................................
19
6. Referensi.
....................................................................................................................
20
-
3
Daftar Gambar
Gambar 1. Demonstrasi model dari sebuah sel bahan bakar metanol
langsung. Tumpukan
bahan bakar sel yang sebenarnya bentuk kubus berlapis di tengah
model ......... 9
Gambar 2. Diagram block dari sel bahan bakar.
.................................................................
10
Gambar 3. Pembangunan suhu tinggi PEMFC: Bipolar plat elektrode
dengan di-giling
struktur gas saluran, dibuat dari komposit konduktif (yang
disempurnakan
dengan grafit, karbon hitam, serat karbon, dan / atau nanotube
karbon untuk
konduktivitas lebih); makalah karbon berpori ; reaktif lapisan,
biasanya pada
membran polimer yang diterapkan; polimer membran.)
.................................... 11
Gambar 4. Fuel Cell Electric Vehicle
...................................................................................
19
-
4
TECHNOLOGY APPLICATIONS FOR BIOETHANOL FUEL CELLS (Aplikasi
Teknologi untuk Sel Bahan Bakar Bioethanol)
Abstrak
Salah satu aplikasi dari bahan bakar bioethanol adalah menjadi
bahan bakar untu fuel cell.
Aplikasi yang dapat diterapkan adalah direct ethanol fuel cell
(DEFC). Pada perkembangan
DEFC dapat diaplikasikan pada pembangkit-pembangkit tegangan
seperti Technofil telah
menghasilkan 1,5 W Etanol Fuel prototipe cell langsungPrototipe
terdiri dari dua sel bahan
bakar monoplanar memberikan tegangan output dari 0,9-0,5 V
tergantung pada beban.
Aplikasi yang lain yang dilakukan tim dari University of Applied
Sciences di Offenburg
membuat kendaraan pertama di dunia yang sekarang didukung oleh
DEFC di Shell Eco-
marathon di Perancis. Mobil "Schluckspecht" menghadiri test
drive sukses di Sirkuit Nogaro
didukung oleh tumpukan DEFC memberikan tegangan output dari 20
sampai 45 V
(tergantung pada beban). Juga dalam stack pengisi daya ponsel
dibangun menampilkan
tegangan dari 2V ke 7V dan kekuatan dari 800mW untuk 2W dibangun
dan diuji. Namun
demikian masih perlu diadakan penelitian lebih lanjut karena
banyak orang yang
mengatakan bahwa energi ini belum dapat digunakan dalam kurun
waktu 5 10 tahun ke
depan karena efisiensinya masih sangat rendah.
Kata kunci: Fuel Cells, Bioethanol, Aplikasi Teknologi
1. Pendahuluan.
Bioetanol adalah bentuk energi terbarukan yang dapat diproduksi
dari bahan baku
pertanian. Hal ini dapat dibuat dari tanaman yang sangat umum
seperti tebu, singkong
kentang, dan jagung. Ada perdebatan yang cukup tentang bagaimana
bioetanol akan
berguna dalam menggantikan bensin. Kekhawatiran tentang produksi
dan penggunaan
berhubungan dengan harga makanan meningkat karena jumlah besar
lahan yang
diperlukan untuk tanaman, serta keseimbangan energi dan polusi
dari seluruh siklus
produksi etanol, terutama dari jagung. Perkembangan terakhir
dengan produksi etanol
selulosa dan komersialisasi dapat meredakan beberapa
kekhawatiran ini.
Bahan bakar etanol adalah etanol (etil alkohol), jenis alkohol
yang sama ditemukan
dalam minuman beralkohol. Hal ini paling sering digunakan
sebagai bahan bakar motor,
-
5
terutama sebagai aditif biofuel untuk bensin. Dunia produksi
etanol untuk bahan bakar
transportasi tiga kali lipat antara 2000 dan 2007 dari 17
milliar menjadi lebih dari 52 milliar
liter. Dari 2007 sampai 2008, pangsa etanol dalam jenis bensin
menggunakan bahan bakar
global meningkat dari 3,7% menjadi 5,4%. Pada tahun 2010
produksi bahan bakar etanol di
seluruh dunia mencapai 22,95 milliar US galon cair (bg) (86,9
milliar liter), dengan Amerika
sebagai produsen teratas dengan 13,2 bg (50 miliar liter),
akuntansi untuk 57,5 persen dari
produksi global. BBM Etanol memiliki "bensin galon setara" (GGE)
nilai 1,5 galon AS (5,7 L).
Bahan bakar etanol secara luas digunakan di Brazil dan di
Amerika Serikat, dan
bersama-sama kedua negara bertanggung jawab untuk 88 persen dari
produksi bahan
bakar etanol dunia pada tahun 2010. Sebagian besar mobil di AS
berjalan pada campuran
hingga etanol 10%, dan penggunaan bensin etanol 10% yang
diamanatkan di beberapa
negara bagian AS dan kota-kota. Sejak tahun 1976 pemerintah
Brazil telah membuat wajib
untuk berbaur etanol dengan bensin, dan sejak tahun 2007
campuran hukum etanol sekitar
25% dan bensin 75% (E25). Pada Desember 2010 Brasil memiliki
armada 12 juta flex-bahan
bakar mobil dan truk ringan dan lebih dari 500 ribu flex-bahan
bakar sepeda motor secara
teratur menggunakan bahan bakar etanol rapi (dikenal sebagai
E100).
Salah satu teknologi yang menggunakan bioethanol adalah fuel
cell (bahan bakar sel).
Pada kesempatan ini akan dibahas teknologi aplikasi bioethanol
sebagai fuel cell.
2. Tinjauan Pustaka.
2.1. Bioethanol.
Etanol merupakan sumber energi terbarukan karena energi yang
dihasilkan dengan
menggunakan sumber daya, sinar matahari, yang tidak dapat habis.
Penciptaan dimulai
dengan fotosintesis etanol menyebabkan bahan baku, seperti tebu
atau jagung, untuk
tumbuh. Ini bahan baku diproses menjadi etanol.
Sekitar 5% dari etanol yang dihasilkan di dunia pada tahun 2003
adalah sebenarnya
merupakan produk minyak bumi. Hal ini dilakukan oleh hidrasi
katalitik dari etilen dengan
asam sulfat sebagai katalis. Hal ini juga dapat diperoleh
melalui etilen atau asetilena, dari
kalsium karbida, batubara, gas minyak, dan sumber lainnya. Dua
juta ton yang berasal dari
petroleum etanol yang diproduksi setiap tahunnya. Para pemasok
utama adalah tanaman di
Amerika Serikat, Eropa, dan Afrika Selatan. Minyak etanol
diturunkan (etanol sintetis) secara
kimiawi identik dengan bio-etanol dan dapat dibedakan hanya
dengan penanggalan
radiokarbon.
Bio-etanol biasanya diperoleh dari konversi bahan baku berbasis
karbon. Bahan baku
pertanian dianggap terbarukan karena mereka mendapatkan energi
dari matahari
-
6
menggunakan fotosintesis, asalkan semua mineral yang dibutuhkan
untuk pertumbuhan
(seperti nitrogen dan fosfor) dikembalikan ke tanah. Etanol
dapat diproduksi dari berbagai
bahan baku seperti gula tebu, ampas tebu, miskantus, bit gula,
sorgum, gandum,
switchgrass, barley, rami, kenaf, kentang, ubi jalar, singkong,
bunga matahari, buah,
molase, jagung, brangkasan, biji-bijian, gandum, jerami, kapas,
biomassa lainnya, serta
berbagai jenis limbah selulosa dan harvestings, mana memiliki
yang terbaik baik-ke-roda
penilaian.
Sebuah proses alternatif untuk menghasilkan bio-etanol dari
ganggang sedang
dikembangkan oleh perusahaan Algenol. Daripada tumbuh ganggang
dan kemudian panen
dan fermentasi ganggang tumbuh di bawah sinar matahari dan
menghasilkan etanol secara
langsung yang dihapus tanpa membunuh ganggang. Hal ini diklaim
dapat menghasilkan
proses 6.000 galon AS per acre (56.000 liter per ha) per tahun
dibandingkan dengan 400
galon AS per hektar (3.750 l / ha) untuk produksi jagung.
Saat ini, proses generasi pertama untuk produksi etanol dari
jagung menggunakan
hanya sebagian kecil dari tanaman jagung: jagung kernel diambil
dari tanaman jagung dan
hanya pati, yang mewakili sekitar 50% dari massa kernel kering,
berubah menjadi etanol.
Dua jenis proses generasi kedua sedang dalam pengembangan. Tipe
pertama
menggunakan enzim dan fermentasi ragi untuk mengkonversi
selulosa tanaman menjadi
etanol sedangkan tipe kedua menggunakan pirolisis untuk
mengkonversi seluruh tanaman
baik minyak bio-cairan atau syngas. Proses generasi kedua juga
dapat digunakan dengan
tanaman seperti rumput, kayu atau bahan limbah pertanian seperti
jerami.
Langkah-langkah dasar untuk produksi etanol skala besar adalah:
mikroba (ragi)
fermentasi gula, distilasi, dehidrasi (persyaratan bervariasi,
lihat campuran Etanol bahan
bakar, di bawah), dan denaturasi (opsional). Sebelum fermentasi,
beberapa tanaman
memerlukan sakarifikasi atau hidrolisis dari karbohidrat seperti
selulosa dan pati menjadi
gula. Sakarifikasi selulosa disebut cellulolysis (lihat etanol
selulosa), enzim yang digunakan
untuk mengkonversi pati menjadi gula.
Proses reaksi kimia yang terjadi dalam proses pembuatan
bioethanol adalah sebagai
berikut.
2.1.1. Glukosa (gula sederhana) dibuat di pabrik dengan
fotosintesis.
2.1.2. Selama fermentasi etanol, glukosa terurai menjadi etanol
dan karbon dioksida.
-
7
2.1.3. Selama pembakaran etanol bereaksi dengan oksigen untuk
menghasilkan karbon
dioksida, air, dan panas:
Setelah dua kali lipat reaksi pembakaran karena dua molekul
etanol yang diproduksi
untuk setiap molekul glukosa, dan menambahkan semua tiga reaksi
bersama-sama, ada
jumlah yang sama dari setiap jenis atom pada setiap sisi dari
persamaan, dan reaksi bersih
untuk produksi secara keseluruhan dan konsumsi etanol
adalah:
cahaya panas
Panas dari pembakaran etanol digunakan untuk menggerakkan piston
dalam mesin
dengan memperluas gas dipanaskan. Dapat dikatakan bahwa sinar
matahari digunakan
untuk menjalankan mesin (seperti halnya dengan sumber energi
terbarukan, karena sinar
matahari adalah satu-satunya energi ditambahkan ke planet
ini).
Glukosa itu sendiri tidak satu-satunya zat dalam tumbuhan yang
difermentasi. Fruktosa
gula sederhana juga mengalami fermentasi. Tiga senyawa lainnya
di pabrik dapat
difermentasi setelah melanggar mereka dengan hidrolisis ke dalam
molekul glukosa atau
fruktosa yang membentuk mereka. Pati dan selulosa adalah molekul
yang string molekul
glukosa, dan sukrosa (gula meja biasa) adalah molekul glukosa
terikat pada sebuah molekul
fruktosa. Energi untuk membuat fruktosa di pabrik pada akhirnya
berasal dari metabolisme
glukosa yang dibuat oleh fotosintesis, dan sehingga sinar
matahari juga memberikan energi
yang dihasilkan oleh fermentasi molekul-molekul lainnya.
Etanol juga dapat diproduksi industri dari etena (etilena).
Penambahan air untuk ikatan
ganda mengkonversi etena untuk etanol:
Hal ini dilakukan dalam kehadiran asam yang mengkatalisis
reaksi, tetapi tidak
dikonsumsi. Etena ini diproduksi dari minyak bumi oleh retak
uap.
Ketika etanol dibakar di atmosfer daripada oksigen murni, reaksi
kimia lainnya terjadi
dengan komponen yang berbeda dari atmosfer seperti nitrogen
(N2).
2.2. Fuel Cell.
Sebuah sel bahan bakar adalah perangkat yang mengubah energi
kimia dari bahan
bakar menjadi listrik melalui reaksi kimia dengan oksigen atau
oksidator lainnya. Hidrogen
adalah bahan bakar yang paling umum, tetapi hidrokarbon seperti
gas alam dan alkohol
seperti metanol terkadang digunakan . Sel bahan bakar berbeda
dari baterai dalam bahwa
mereka membutuhkan sumber konstan bahan bakar dan oksigen untuk
menjalankan, tetapi
-
8
mereka dapat menghasilkan listrik terus menerus selama
masukan-masukan yang
disediakan.
Fisikawan Welsh William Grove mengembangkan sel bahan bakar
mentah pertama
pada tahun 1839. Penggunaan komersial pertama sel bahan bakar
itu dalam program ruang
angkasa NASA untuk menghasilkan tenaga untuk probe, satelit dan
kapsul ruang. Sejak itu,
sel bahan bakar telah digunakan dalam banyak aplikasi lain. Sel
bahan bakar yang
digunakan untuk listrik utama dan cadangan untuk bangunan
komersial, industri dan
perumahan dan di daerah terpencil atau tidak dapat diakses.
Mereka digunakan untuk
kendaraan sel bahan bakar, termasuk mobil, bus, forklift,
pesawat terbang, kapal, sepeda
motor dan kapal selam.
Ada banyak jenis sel bahan bakar, tetapi mereka semua terdiri
dari sebuah anoda (sisi
negatif), katoda (sisi positif) dan elektrolit yang memungkinkan
biaya untuk bergerak di
antara dua sisi dari sel bahan bakar. Elektron diambil dari
anoda ke katoda melalui sebuah
sirkuit eksternal, menghasilkan listrik arus searah. Seperti
perbedaan utama antara jenis sel
bahan bakar adalah elektrolit, sel bahan bakar diklasifikasikan
berdasarkan jenis elektrolit
yang mereka gunakan. Sel bahan bakar datang dalam berbagai
ukuran. Sel bahan bakar
individu menghasilkan jumlah yang sangat kecil listrik, sekitar
0,7 volt, sehingga sel-sel yang
"ditumpuk", atau ditempatkan secara seri atau sirkuit paralel,
untuk meningkatkan tegangan
dan arus keluaran untuk memenuhi kekuatan sebuah aplikasi
persyaratan generasi. [2]
Selain listrik, sel bahan bakar menghasilkan air, panas dan,
tergantung pada sumber bahan
bakar, jumlah yang sangat kecil nitrogen dioksida dan emisi
lainnya. Efisiensi energi dari sel
bahan bakar umumnya antara 40-60%, atau sampai dengan 85%
efisien jika panas limbah
ditangkap untuk digunakan.
-
9
Gambar 1. Demonstrasi model dari sebuah sel bahan bakar metanol
langsung. Tumpukan bahan bakar sel yang sebenarnya bentuk kubus
berlapis di tengah model
Sel bahan bakar tercipta dalam banyak varietas, namun mereka
semua bekerja dengan
cara umum yang sama. Mereka terdiri dari tiga segmen yang
terjepit bersama-sama: anoda,
elektrolit, dan katoda. Dua reaksi kimia terjadi pada interface
dari tiga segmen yang
berbeda. Hasil bersih dari dua reaksi adalah bahan bakar yang
dikonsumsi, air atau karbon
dioksida dibuat, dan arus listrik dibuat, yang dapat digunakan
untuk perangkat daya listrik,
biasanya disebut sebagai beban.
Pada anoda katalis mengoksidasi bahan bakar, biasanya hidrogen,
mengubah bahan
bakar menjadi ion bermuatan positif dan elektron bermuatan
negatif. Elektrolit adalah zat
khusus dirancang sehingga ion dapat melewati itu, tetapi
elektron tidak bisa. Elektron
dibebaskan perjalanan melalui kawat menciptakan arus listrik.
Ion-ion perjalanan melalui
elektrolit ke katoda. Setelah mencapai katoda, ion-ion yang
bersatu kembali dengan elektron
dan dua bereaksi dengan bahan kimia ketiga, biasanya oksigen,
untuk membuat air atau
karbon dioksida.
Fitur desain yang paling penting dalam sel bahan bakar
adalah:
Zat elektrolit. Substansi elektrolit biasanya mendefinisikan
jenis sel bahan bakar.
Bahan bakar yang digunakan. Bahan bakar yang paling umum adalah
hidrogen.
-
10
Katalis anoda, yang memecah bahan bakar menjadi elektron dan
ion. Katalis anoda
biasanya terbuat dari bubuk platina sangat halus.
Katalis katoda, yang ternyata ion menjadi limbah bahan kimia
seperti air atau karbon
dioksida. Katalis katoda sering terdiri dari nikel.
Sebuah sel bahan bakar yang khas menghasilkan tegangan dari 0,6
V ke 0,7 V pada beban
dinilai penuh. Tegangan berkurang dengan meningkatnya saat ini,
karena beberapa faktor:
Aktivasi kerugian.
Ohmic kerugian (drop tegangan akibat resistansi komponen sel dan
interkoneksi).
Hilangnya transportasi massal (deplesi reaktan di situs katalis
di bawah beban tinggi,
menyebabkan cepat hilangnya tegangan).
Untuk memberikan jumlah yang diinginkan energi, sel-sel bahan
bakar dapat
dikombinasikan secara seri dan sirkuit paralel, di mana hasil
seri tegangan tinggi, dan
paralel memungkinkan arus yang lebih tinggi harus diberikan.
Seperti desain ini disebut fuel
cell stack. Luas permukaan sel dapat ditingkatkan, untuk
memungkinkan kuat arus dari
setiap sel.
Gambar 2. Diagram block dari sel bahan bakar.
Dalam sel hidrogen-oksigen desain membran pertukaran proton
archetypical BBM atau
proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), sebuah
proton-melakukan membran
polimer, (elektrolit), memisahkan anoda dan katoda sisi. Ini
disebut "solid polimer elektrolit
sel bahan bakar" atau solid polymer electrolyte fuel cell
(SPEFC) pada awal tahun 1970,
yaitu mekanisme pertukaran proton dan dipahami dengan baik.
Di sisi anoda berdifusi, hidrogen pada katalis anoda nanti
terurai menjadi proton dan
elektron. Proton ini seringkali bereaksi dengan oksidan
menyebabkan mereka untuk menjadi
apa yang sering disebut sebagai multi-difasilitasi membran
proton. Proton dilakukan melalui
membran ke katoda, tetapi elektron dipaksa untuk perjalanan
dalam sirkuit eksternal
(memasok listrik) karena membran elektrik isolasi. Pada katoda
katalis, molekul oksigen
-
11
bereaksi dengan elektron (yang telah dijalani melalui sirkuit
eksternal) dan proton untuk
membentuk air - dalam contoh ini, produk limbah saja, baik cair
atau uap.
Selain jenis hidrogen murni, ada hidrokarbon bahan bakar untuk
sel bahan bakar,
termasuk diesel, metanol (lihat: sel bahan bakar metanol
langsung dan sel bahan bakar
metanol langsung) dan hidrida kimia. Produk limbah dengan jenis
bahan bakar karbon
dioksida dan air.
Gambar 3. Pembangunan suhu tinggi PEMFC: Bipolar plat elektrode
dengan di-giling struktur gas saluran, dibuat dari komposit
konduktif (yang disempurnakan dengan grafit, karbon hitam, serat
karbon, dan / atau nanotube karbon untuk konduktivitas lebih);
makalah karbon berpori ; reaktif lapisan, biasanya pada membran
polimer yang diterapkan; polimer membran.)
Komponen yang berbeda dari PEMFC adalah (i) bipolar piring, (ii)
elektroda, (iii) katalis,
(iv) membran, dan (v) hardware yang diperlukan. Bahan yang
digunakan untuk bagian yang
berbeda dari sel bahan bakar berbeda menurut jenis. Pelat
bipolar dapat dibuat dari
berbagai jenis bahan, seperti, logam, logam dilapisi, grafit,
grafit fleksibel, C-C komposit,
karbon-komposit polimer. Elektroda membran perakitan (MEA), yang
disebut sebagai
jantung dari PEMFC dan biasanya terbuat dari membran pertukaran
proton terjepit di antara
-
12
dua kertas karbon dilapisi katalis. Platinum dan / atau sejenis
logam mulia biasanya
digunakan sebagai katalis untuk PEMFC. Elektrolit bisa menjadi
membran polimer.
Ada dua jenis fuel cells yang menggunakan proses dengan
temperature yang cukup
tinggi yaitu Oksida Padat Fuel Cell atau Solid Oxide Fuel Cell
(SOFC) dan Karbonat sel
bahan bakar cair atau Molten carbonate fuel cell (MCFC).
Sel bahan bakar oksida padat menggunakan bahan padat, yang
paling sering disebut
bahan keramik zirkonia yttria-stabil (YSZ), sebagai elektrolit.
Karena SOFCs yang
seluruhnya terbuat dari bahan padat, mereka tidak terbatas pada
bidang datar konfigurasi
jenis lain dari sel bahan bakar dan sering dirancang sebagai
tabung digulung. Mereka
membutuhkan suhu operasi yang tinggi (800 C hingga 1000 C) dan
dapat dijalankan
pada berbagai bahan bakar termasuk gas alam.
Reaksi kimia yang terjadi:
Anoda : 2H2 + 2O2 2H2O + 4e
Katoda : O2 + 4e 2O2
Reaksi keseluruhan : 2H2 + O2 2H2O
Sel bahan bakar cair karbonat membutuhkan suhu operasi yang
tinggi (650 C), mirip
dengan (SOFC). MCFC menggunakan garam kalium karbonat lithium
sebagai elektrolit, dan
pada suhu tinggi, garam ini mencair ke dalam keadaan cair yang
memungkinkan untuk
pergerakan muatan (dalam kasus ini, ion karbonat negatif) dalam
sel.
Reaksi Kimia yang terjadi:
Anoda : CO3-2 + H2 H2O + CO2 + 2e
-
Katoda : CO2 + O2 + 2e- CO3
-2
Reaksi keseluruhan : H2 + O2 H2O
3. Bioethanol Fuel Cell.
Meskipun penggunaan bioetanol dalam sel bahan bakar belum
komersial dan bervariasi,
teknis aplikasi etanol secara langsung disebut direct ethanol
fuel cell (DEFC) adalah
mungkin. DEFC sistem adalah subkategori dari proton-pertukaran
sel bahan bakar, juga
dikenal sebagai polimer elektrolit membran sel bahan bakar
(PEMFC). Fitur yang
membedakan mereka ke sel bahan bakar lainnya termasuk menurunkan
suhu / tekanan
rentang dan membran polimer elektrolit khusus. Ketika bioetanol
diterapkan pada sel-sel
bahan bakar, etanol tidak direformasi, namun diberi makan
langsung ke bahan bakar sel.
-
13
Menggunakan bioetanol dalam aplikasi DECF memiliki beberapa
keunggulan. Seperti
diumpankan langsung ke dalam DEFC, rumit katalitik reforming
tidak diperlukan.
Selanjutnya, penyimpanan etanol jauh lebih mudah daripada
hidrogen yang biasanya
digunakan untuk sel bahan bakar. Penyimpanan etanol cair tidak
perlu dilakukan pada
tekanan tinggi, seperti yang diperlukan untuk hidrogen, yang
merupakan gas bahan bakar
dalam kondisi normal. Dengan demikian, penggunaan etanol akan
mengatasi baik
penyimpanan dan infrastruktur tantangan hidrogen untuk aplikasi
sel bahan bakar. Selain
itu, energi kepadatan etanol jauh lebih besar daripada hidrogen
bahkan sangat terkompresi.
Selain penggunaan etanol dalam teknologi DEFC, kendaraan juga
bisa dilengkapi
dengan multi-bahan bakar on-board reformis. Perangkat ini terus
menerus bisa
menghasilkan hidrogen keluar dari etanol dan akan memungkinkan
kendaraan untuk
menggunakan kombinasi konvensional dan biaya lebih rendah sistem
pengisian bahan
bakar. Atau, komersial ukuran multi-bahan bakar reformis bisa
menghasilkan hidrogen dari
biofuel di tempat di stasiun ritel, distribusi hidrogen
menghindari mahal infrastruktur.
Menggunakan Etanol dalam sel bahan bakar bukan metanol yang
lebih beracun. Etanol
merupakan alternatif yang menarik untuk metanol karena
dilengkapi dengan rantai pasokan
yang sudah di tempat. Etanol juga tetap bahan bakar lebih mudah
untuk bekerja dengan
untuk digunakan secara luas oleh konsumen.
Etanol adalah cairan yang kaya hidrogen dan memiliki kepadatan
energi yang lebih
tinggi (8,0 kWh / kg) dibandingkan dengan metanol (6,1kWh / kg).
Etanol dapat diperoleh
dalam jumlah besar dari biomassa melalui proses fermentasi dari
sumber daya terbarukan
seperti dari tebu, gandum, jagung, atau bahkan jerami.
Bio-etanol yang dihasilkan (atau bio-
etanol) adalah dengan demikian menarik karena tumbuh tanaman
untuk biofuel menyerap
banyak karbon dioksida yang dipancarkan ke atmosfer dari bahan
bakar yang digunakan
untuk menghasilkan biofuel, dan dari pembakaran biofuel sendiri.
Hal ini kontras tajam
dengan penggunaan bahan bakar fosil. Penggunaan etanol juga akan
mengatasi kedua
penyimpanan dan tantangan infrastruktur hidrogen untuk aplikasi
sel bahan bakar. Dalam
sel bahan bakar, oksidasi dari bahan bakar apapun memerlukan
penggunaan katalis dalam
rangka mencapai kepadatan arus yang diperlukan untuk sel bahan
bakar komersial, dan
berbasis platinum katalis adalah beberapa bahan yang paling
efisien untuk oksidasi molekul
organik kecil.
Para DEFC, mirip dengan direct methanol fuel cell (DMFC),
bergantung pada oksidasi
etanol pada lapisan katalis untuk membentuk karbon dioksida. Air
dikonsumsi di anoda dan
diproduksi pada katoda. Proton (H +) yang diangkut melintasi
membran pertukaran proton
ke katoda dimana mereka bereaksi dengan oksigen untuk
menghasilkan air. Elektron yang
-
14
diangkut melalui buah sirkuit eksternal dari anoda ke katoda,
memberikan kekuatan untuk
perangkat yang tersambung. Setengah-reaksi adalah:
Anoda (Oxidation)
Katoda (Reduction)
Keseluruhan reaksi (redoxreaction)
Permasalahan yang ada adalah katalis berbasis platinum mahal,
eksploitasi sehingga
praktis etanol sebagai bahan bakar untuk sel bahan bakar proton
exchange membran (PEM)
membutuhkan katalis baru. Electrocatalysts berstrukturnano baru
(HYPERMEC oleh ACTA
SpA misalnya) telah dikembangkan, yang didasarkan pada non-logam
mulia, preferentially
campuran Fe, Co, Ni pada anoda, dan Ni, Fe atau Co sendirian di
katoda. Dengan etanol,
kerapatan daya setinggi 140 mW / cm pada 0,5 V telah diperoleh
pada 25 C dengan diri
pernapasan sel yang berisi komersial pertukaran anion membran.
Katalis ini tidak
mengandung logam mulia. Dalam prakteknya partikel logam kecil
yang tetap ke substrat
sedemikian rupa sehingga mereka menghasilkan katalis yang sangat
aktif.
Polimer bertindak sebagai elektrolit. Muatan dibawa oleh ion
hidrogen (proton). Etanol
cair (C2H5OH) adalah dioksidasi pada anoda dalam kehadiran air,
menghasilkan ion
hidrogen CO2, dan elektron. Ion hidrogen perjalanan melalui
elektrolit. Mereka bereaksi
pada katoda dengan oksigen dari udara dan elektron dari air
membentuk sirkuit eksternal.
Bio-Etanol sel bahan bakar berbasis dapat meningkatkan
keseimbangan baik-ke-roda
dari arena biofuel dari peningkatan tingkat konversi sel bahan
bakar dibandingkan dengan
mesin pembakaran internal. Tapi tokoh-tokoh dunia nyata mungkin
hanya dicapai dalam
beberapa tahun sejak pengembangan metanol langsung dan sel bahan
bakar ethanol
tertinggal sel bahan bakar bertenaga hidrogen.
4. Technolgy Application for Bioethanol Fuel Cell.
Pada perkembangan DEFC telah menghasilkan beberapa temuan.
Technofil telah
menghasilkan 1,5 W Etanol Fuel prototipe cell langsung.
Prototipe terdiri dari dua sel bahan
bakar monoplanar memberikan tegangan output dari 0,9-0,5 V
tergantung pada beban.
-
15
Pada tanggal 13 Mei 2007 tim dari University of Applied Sciences
di Offenburg melakukan
kendaraan pertama di dunia yang sekarang didukung oleh DEFC di
Shell Eco-marathon di
Perancis. Mobil "Schluckspecht" menghadiri test drive sukses di
Sirkuit Nogaro didukung
oleh tumpukan DEFC memberikan tegangan output dari 20 sampai 45
V (tergantung pada
beban).
Berbagai prototipe Sel Bahan Bakar Etanol langsung Stack pengisi
daya ponsel dibangun
menampilkan tegangan dari 2V ke 7V dan kekuatan dari 800mW untuk
2W dibangun dan
diuji.
Walaupun tidak sepenuhnya menggunakan DEFC ada beberapa aplikasi
teknologi dari fuel
sel dalam kehidupan sehari-hari.
4.1. Tenaga Pembangkit.
Sel bahan bakar stasioner digunakan untuk pembangkit listrik
komersial, industri dan
perumahan utama dan cadangan. Sel bahan bakar yang sangat
berguna sebagai sumber
daya di lokasi terpencil, seperti pesawat ruang angkasa, stasiun
cuaca terpencil, taman
besar, pusat komunikasi, lokasi pedesaan termasuk stasiun
penelitian, dan dalam aplikasi
militer tertentu. Sebuah sel bahan bakar sistem yang berjalan
pada hidrogen dapat kompak
dan ringan, dan tidak memiliki bagian yang bergerak besar.
Karena sel bahan bakar tidak
memiliki bagian yang bergerak dan tidak melibatkan pembakaran,
dalam kondisi ideal
mereka dapat mencapai hingga kehandalan 99,9999%.
Karena bahan bakar cellelectrolyzer sistem tidak menyimpan bahan
bakar dalam diri
mereka sendiri, melainkan bergantung pada unit penyimpanan
eksternal, mereka dapat
berhasil diterapkan dalam skala besar penyimpanan energi, daerah
pedesaan menjadi salah
satu contoh. Ada berbagai jenis sel bahan bakar stasioner
sehingga efisiensi bervariasi,
tetapi kebanyakan antara 40% dan energi 60%. Namun, ketika
limbah panas sel bahan
bakar digunakan untuk memanaskan bangunan dalam sistem
kogenerasi efisiensi ini dapat
meningkat menjadi 85%. Hal ini secara signifikan lebih efisien
daripada pembangkit listrik
batubara tradisional, yang efisiensinya hanya sekitar sepertiga
energi. Dengan asumsi
produksi pada skala, sel bahan bakar dapat menghemat 20-40%
biaya energi ketika
digunakan dalam sistem kogenerasi. Sel bahan bakar juga jauh
bersih dari pembangkit
listrik tradisional, sebuah sel bahan bakar pembangkit listrik
menggunakan gas alam
sebagai sumber hidrogen akan menciptakan kurang dari satu ons
pencemaran (selain CO2)
untuk setiap kW 1.000 dihasilkan, dibandingkan dengan 25 pon
polutan yang dihasilkan oleh
sistem pembakaran konvensional. Sel Bahan Bakar juga
menghasilkan emisi oksida
nitrogen 97% kurang dari konvensional batu bara pembangkit
listrik.
-
16
Coca-Cola, Google, Sysco, FedEx, UPS, Ikea, Staples, Whole
Foods, Insang Bawang,
Nestle Waters, Pepperidge Farm, Sierra Nevada Brewery, Super
Store Industri, Brigestone-
Firestone, Nissan Amerika Utara, Kimberly-Clark, Michelin dan
lebih telah menginstal sel
bahan bakar untuk membantu memenuhi kebutuhan tenaga pembangkit
mereka. Salah satu
program percontohan tersebut beroperasi pada Stuart Island di
negara bagian Washington.
Ada Stuart Pulau Inisiatif Energi telah membangun, lengkap loop
tertutup sistem: Solar
panel listrik suatu electrolyzer yang membuat hidrogen. Hidrogen
disimpan dalam 500 galon
AS (1.900 L) pada 200 pon per inci persegi (1.400 kPa), dan
menjalankan sebuah sel bahan
bakar Relion untuk menyediakan listrik penuh untuk penduduk.
4.2. Pembangkit kogenerasi.
Kombinasi panas dan daya (CHP) sistem sel bahan bakar, termasuk
gabungan panas
dan tenaga Mikro (MicroCHP) sistem yang digunakan untuk
menghasilkan baik listrik dan
panas untuk rumah (lihat sel bahan bakar rumah), bangunan kantor
dan pabrik. Sel-sel
bahan bakar stasioner sudah dalam fase produksi massal. Sistem
ini menghasilkan tenaga
listrik konstan (menjual kelebihan daya kembali ke grid jika
tidak dikonsumsi), dan pada saat
yang sama menghasilkan udara panas dan air dari limbah panas.
MicroCHP biasanya
kurang dari 5 kwe untuk sel bahan bakar rumah atau usaha
kecil.
Panas limbah dari sel bahan bakar dapat dialihkan selama musim
panas langsung ke
tanah memberikan pendinginan lebih lanjut saat limbah panas
selama musim dingin dapat
dipompa langsung ke gedung. University of Minnesota memiliki hak
paten untuk jenis
sistem.
Co-generasi sistem dapat mencapai efisiensi 85% (40-60% +
sisanya listrik sebagai
termal) sel bahan bakar fosfat asam (PAFC). Terdiri dari segmen
terbesar produk CHP yang
ada di seluruh dunia dan dapat memberikan efisiensi
dikombinasikan mendekati 90%.
Karbonat cair dan Sel Bahan Bakar Oksida Padat juga digunakan
untuk gabungan panas
dan pembangkit listrik dan memiliki efisien energi listrik
sekitar 60%.
4.3. Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs).
Meskipun saat ini tidak ada kendaraan sel bahan bakar yang
tersedia untuk penjualan
komersial, lebih dari 20 prototipe FCEVs dan mobil demonstrasi
telah dirilis sejak 2009.
Demonstrasi model termasuk Kejelasan Honda FCX, Toyota FCHV-adv,
dan Mercedes-
Benz F-Cell. [59] Pada Juni 2011 FCEVs demonstrasi telah
didorong lebih dari 4.800.000
km (3.000.000 mil), dengan lebih dari 27.000 pengisian bahan
bakar kendaraan.
Demonstrasi sel telah diproduksi dengan "driving range lebih
dari 400 km (250 mil) antara
pengisian bahan bakar. Mereka dapat mengisi bahan bakar dalam
waktu kurang dari 5
-
17
menit. The US Department Program Fuel Cell Energi Teknologi
mengklaim bahwa, pada
2011, sel bahan bakar mencapai 53-59% efisiensi pada daya dan
efisiensi kendaraan 42-
53% pada daya penuh, dan daya tahan lebih dari 120.000 km
(75.000 mil) dengan
degradasi kurang dari 10%, ganda yang dicapai pada tahun 2006.
Dalam analisis-Nah
untuk-roda simulasi, bahwa "energi ini tidak mengatasi kendala
ekonomi dan pasar".
General Motors dan mitra-mitranya memperkirakan bahwa sebuah sel
dalam mil per
perjalanan bahan bakar kendaraan listrik berjalan pada
dikompresi gas hidrogen yang
dihasilkan dari gas alam dapat menggunakan energi sekitar 40%
lebih sedikit dan
memancarkan gas rumah kaca 45% kurang dari sebuah kendaraan
pembakaran internal.
Seorang insinyur memimpin dari Departemen Energi yang timnya
sedang menguji sel bahan
bakar mobil mengatakan pada 2011 bahwa potensi banding adalah
bahwa ini adalah fungsi
penuh kendaraan tanpa pembatasan jangkauan atau tingkat
pengisian bahan bakar
sehingga mereka pengganti langsung untuk kendaraan apapun.
Misalnya, jika Anda
berkendara sebuah SUV berukuran penuh dan menarik perahu sampai
ke pegunungan,
Anda dapat melakukan bahwa dengan teknologi ini dan Anda tidak
bisa dengan arus
baterai-satunya kendaraan, yang lebih diarahkan untuk mengemudi
kota.
Beberapa ahli percaya bahwa sel bahan bakar mobil tidak akan
pernah menjadi
ekonomi kompetitif dengan teknologi lainnya atau bahwa itu akan
memakan waktu beberapa
dekade bagi mereka untuk menjadi menguntungkan. Pada Juli 2011,
Ketua dan CEO
General Motors , Daniel Akerson, menyatakan bahwa sementara
biaya mobil sel bahan
bakar hidrogen menurun: ". Mobil ini masih terlalu mahal dan
mungkin tidak akan praktis
sampai periode 2020. Analisis mengutip kurangnya infrastruktur
hidrogen yang luas di
Amerika Serikat sebagai tantangan yang berkelanjutan untuk Bahan
Bakar komersialisasi
your Electric Vehicle. Pada tahun 2006, sebuah studi untuk IEEE
menunjukkan bahwa untuk
hidrogen dihasilkan melalui elektrolisis air: "Hanya sekitar 25%
dari daya yang dihasilkan
dari angin, air, atau matahari dikonversi untuk penggunaan
praktis." Penelitian ini lebih lanjut
mencatat bahwa "Listrik diperoleh dari sel bahan bakar hidrogen
tampaknya menjadi empat
kali lebih mahal dari listrik diambil dari jaringan transmisi
listrik. Karena kerugian energi
tinggi [hidrogen] tidak dapat bersaing dengan listrik."
Selanjutnya , studi ini menemukan:
"Gas alam reformasi bukan solusi yang berkelanjutan. Jumlah
besar energi yang dibutuhkan
untuk mengisolasi senyawa hidrogen dari alam (air, gas alam,
biomassa), paket gas ringan
dengan kompresi atau pencairan,. mentransfer pembawa energi
kepada pengguna,
ditambah energi yang hilang ketika dikonversi menjadi listrik
dengan sel bahan bakar yang
berguna, daun sekitar 25% untuk penggunaan praktis. Meskipun
demikian, beberapa
produsen mobil besar telah mengumumkan rencana untuk
memperkenalkan model produksi
mobil sel bahan bakar pada tahun 2015. Toyota telah menyatakan
bahwa pihaknya
-
18
berencana untuk memperkenalkan seperti kendaraan dengan harga
sekitar US $ 50.000.
Pada bulan Juni 2011, Mercedes-Benz mengumumkan bahwa mereka
akan memindahkan
tanggal produksi dijadwalkan mobil sel mereka bahan bakar dari
2015 hingga 2014,
menyatakan bahwa "Produk ini siap untuk pasar teknis ...
Masalahnya adalah infrastruktur.."
Pada tahun 2003 Presiden AS George Bush mengusulkan Hydrogen
Fuel Initiative
(HFI). Hal ini bertujuan untuk lebih mengembangkan sel bahan
bakar hidrogen dan teknologi
infrastruktur dengan tujuan memproduksi kendaraan sel bahan
bakar komersial. Pada tahun
2008, AS telah menyumbang 1 miliar dolar untuk proyek ini.
Administrasi Obama telah
berusaha untuk mengurangi dana untuk pengembangan kendaraan sel
bahan bakar,
menyimpulkan bahwa teknologi kendaraan lain akan menyebabkan
pengurangan cepat
emisi dalam waktu singkat. Steven Chu, Sekretaris Energi AS,
menyatakan bahwa
kendaraan hidrogen "tidak akan praktis selama 10 sampai 20 tahun
mendatang". Dia
mengatakan Technology Review MIT bahwa ia skeptis tentang
penggunaan hidrogen dalam
transportasi karena dari empat masalah:.. "cara kita mendapatkan
hidrogen terutama adalah
dari reformasi gas [alami] ... Kau memberikan sebagian dari
kandungan energi gas alam ...
[Untuk] transportasi, kita tidak memiliki penyimpanan yang baik
Mekanisme belum ... Sel
bahan bakar tidak ada, dan infrastruktur distribusi belum ada di
sana ... Dalam rangka untuk
mendapatkan penyebaran yang signifikan., Anda perlu empat
terobosan teknologi yang
signifikan [78] Kritik tidak setuju. Mary. Nichols. , Ketua
Sumber Daya Udara California
Dewan, mengatakan: "Sekretaris Chu telah tegas mengatur
pikirannya terhadap hidrogen
sebagai bahan bakar mobil penumpang. Terus terang, penjelasannya
tidak masuk akal bagi
saya. Mereka tidak didasarkan pada fakta-fakta seperti yang kita
tahu mereka. "
4.4. Pesawat.
Boeing peneliti dan mitra industri di seluruh Eropa melakukan
tes penerbangan
eksperimental pada Februari 2008 pesawat berawak didukung hanya
oleh sel bahan bakar
dan baterai ringan. Fuel Cell Pesawat Demonstran, seperti yang
disebut, menggunakan
Membran Proton Exchange (KEP) sel bahan bakar / lithium-ion
sistem baterai hybrid untuk
tenaga motor listrik, yang digabungkan dengan baling-baling
konvensional. [96] Pada tahun
2003, dunia ini baling-baling pesawat pertama didorong akan
didukung sepenuhnya oleh
sebuah sel bahan bakar diterbangkan. Sel bahan bakar adalah
tumpukan desain yang unik
FlatStackTM yang memungkinkan sel bahan bakar untuk
diintegrasikan dengan permukaan
aerodinamis pesawat.
Ada beberapa sel bahan bakar kendaraan bertenaga udara tak
berawak (UAV). Sebuah
bahan bakar sel Horizen UAV mengatur aliran rekor jarak untuk
UAV kecil di tahun 2007.
[98] Pihak militer terutama tertarik dalam aplikasi ini karena
kebisingan yang rendah, tanda
-
19
tangan termal rendah dan kemampuan untuk mencapai ketinggian
tinggi. Pada tahun 2009
Naval Research (NRL s) Laboratorium Ion Tiger dimanfaatkan
sebuah sel bahan bakar
hidrogen-powered dan terbang selama 23 jam dan 17 menit [99].
Boeing menyelesaikan tes
pada Eye Phantom, tinggi-ketinggian, daya tahan lama (Hale)
untuk digunakan untuk
penelitian dan pengawasan conduce terbang di 20.000 m (65.000
kaki) sampai empat hari.
Pada suatu waktu sel bahan bakar adalah juga digunakan untuk
menyediakan daya listrik
tambahan pesawat, menggantikan generator bahan bakar fosil yang
sebelumnya digunakan
untuk memulai. Mesin dan kekuatan pada kebutuhan papan listrik
sel bahan bakar dapat
membantu pesawat mengurangi emisi CO2 dan polutan lainnya dan
kebisingan.
Gambar 4. Fuel Cell Electric Vehicle
5. Kesimpulan.
Meskipun penggunaan bioetanol dalam sel bahan bakar belum
komersial dan bervariasi,
namun ada satu teknologinya yaitu teknis aplikasi etanol secara
langsung disebut direct
ethanol fuel cell (DEFC). Ketika bioetanol diterapkan pada
sel-sel bahan bakar, etanol tidak
direformasi, namun diberi makan langsung ke bahan bakar sel.
Menggunakan bioetanol dalam aplikasi DECF memiliki beberapa
keunggulan. Seperti
diumpankan langsung ke dalam DEFC, rumit katalitik reforming
tidak diperlukan.
Selanjutnya, penyimpanan etanol jauh lebih mudah daripada
hidrogen yang biasanya
digunakan untuk sel bahan bakar. Penyimpanan etanol cair tidak
perlu dilakukan pada
tekanan tinggi, seperti yang diperlukan untuk hidrogen, yang
merupakan gas bahan bakar
dalam kondisi normal. Dengan demikian, penggunaan etanol akan
mengatasi baik
-
20
penyimpanan dan infrastruktur tantangan hidrogen untuk aplikasi
sel bahan bakar. Selain
itu, energi kepadatan etanol jauh lebih besar daripada hidrogen
bahkan sangat terkompresi.
Pada perkembangan DEFC dapat diaplikasikan pada
pembangkit-pembangkit tegangan
sepert Technofil telah menghasilkan 1,5 W Etanol Fuel prototipe
cell langsungPrototipe
terdiri dari dua sel bahan bakar monoplanar memberikan tegangan
output dari 0,9-0,5 V
tergantung pada beban. Aplikasi yang lain yang dilakukan tim
dari University of Applied
Sciences di Offenburg membuat kendaraan pertama di dunia yang
sekarang didukung oleh
DEFC di Shell Eco-marathon di Perancis. Mobil "Schluckspecht"
menghadiri test drive
sukses di Sirkuit Nogaro didukung oleh tumpukan DEFC memberikan
tegangan output dari
20 sampai 45 V (tergantung pada beban). Juga dalam stack pengisi
daya ponsel dibangun
menampilkan tegangan dari 2V ke 7V dan kekuatan dari 800mW untuk
2W dibangun dan
diuji.
Namun demikian masih perlu diadakan penelitian lebih lanjut
karena banyak orang yang
mengatakan bahwa energi ini belum dapat digunakan dalam kurun
waktu 5 10 tahun ke
depan karena efisiensinya masih sangat rendah.
6. Referensi.
6.1. FCT Fuel Cells: Types of Fuel Cells
(http://www.eere.energy.gov /
hydrogenandfuelcells / fuelcells / fc_types.html).
6.2. Fuel cell in the data center Munich
(http://www.t-systems.com / tsi / servlet / content /
t-systems.de / en / 228788).
6.3. India orders 10.000 fuel cell emergency power systems
(http://
www.fuelcellsworks.com / Supppage9369.html ).
6.4. COGEN EUROPE (http://www.cogen.org/).
6.5. SFC Energy (http://www.sfc.com/en/).
6.6. Ensol Systems Inc. (http://www.ensolsystems.com).
6.7. Biofuel Technology Handbook, Dominik Rutz & Rainer
Janssen 2008.