Technology Applications for Bioethanol Fuel Cells_agus Kurniawan_s951108001

5/16/2018 Technology Applications for Bioethanol Fuel Cells_agus Kurniawan_s951108...

http://slidepdf.com/reader/full/technology-applications-for-bioethanol-fuel-cellsagus-kurn

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 MesinProgram Studi Magister Teknik Mesin

Universitas Sebelas MaretSurakarta

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 Offenburgmembuat 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 wajibuntuk 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 denganasam 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 400galon 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 sinarmatahari 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 bahanbakar 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.


http://slidepdf.com/reader/full/technology-applications-for-bioethanol-fuel-cellsagus-kurni

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 gassaluran, dibuat dari komposit konduktif (yang disempurnakan dengan grafit, karbon hitam, seratkarbon, dan / atau nanotube karbon untuk konduktivitas lebih); makalah karbon berpori ; reaktiflapisan, 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 + 2O –2 → 2H2O + 4e –

Katoda : O2 + 4e – → 2O –2

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 untukpergerakan muatan (dalam kasus ini, ion karbonat negatif) dalam sel.

Reaksi Kimia yang terjadi:

Anoda : CO3-2 + H2 → H2O + CO2 + 2e-

Katoda : CO2 + ½O2 + 2e- → CO3-2

Reaksi keseluruhan : H2 + ½O2 → 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 bahanbakar. 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 ² 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 ethanoltertinggal 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 CO 2)

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 ¼ 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". Diamengatakan 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 untuktenaga 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 tidakdireformasi, 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.

http://www.t-systems.com/



http://www.fuelcellsworks.com/


http://www.cogen.org/



http://www.sfc.com/en/



http://www.ensolsystems.com/







Technology Applications for Bioethanol Fuel Cells_agus Kurniawan_s951108001

Documents

Transcript of Technology Applications for Bioethanol Fuel Cells_agus Kurniawan_s951108001