Download ppt - Hydrogen Storage

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.


• 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).


• 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


• 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.


• Biomass

• Hydrogen Solar Production Company Inc.


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


Capacity [29]


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


“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