Tugas teknik material membahas tentang penyimpanan hidrogen yang meliputi produksi hidrogen, metode penyimpanan hidrogen secara gas, cair, dan padat, serta tantangan dalam penyimpanan hidrogen."

1. Tugas Teknik Material
HYDROGEN STORAGE
Gilang Permata Khusuma
13708050
Program Studi Teknik Material
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
Institut Teknologi Bandung
2012

2. Outline
 Hydrogen
 Hydrogen Production
 Hydrogen Storage
 Hydrogen Storage Pruduction
 Resume

3. 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]

4. Hydrogen
Sifat 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 %

5. 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]

6. Hydrogen Production

7. 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.

8. Hydrogen Production[11]
• Bahan Bakar Fosil
 Batubara
Hidrogen dari batubara diproduksi melalui proses gasifikasi.
Dalam prakteknya, temperatur tinggi dalam aliran proses
mampu memaksimalkan konversi karbon ke gas.
- C(S) + H2O + heat  CO + H2 (2.4)
Reaksi ini adalah reaksi endotermik yang membutuhkan
tambahan panas. CO selanjutnya direaksikan sama seperti
reaksi (2.2).

9. Hydrogen Production[11]
• Bahan Bakar Fosil
 CO2
Proses dalam produksi hidrogen menggunakan pengikatan
karbon dioksida dikenal sebagai dekarbonasi. Proses ini
mempunyai tiga opsi berbeda dalam proses pembakaran
berupa:
- Post-Combustion
- Pre-Combustion
- Oxyfuel-Combustion

10. Hydrogen Production[11]
• Air
 Elekrolisis
- H2O + Listrik  0.5O2 + H2 (2.5)
 Termolisis
Thermal decomposition atau termolisis adalah dekomposisi
kimia yang disebabkan oleh panas dan berlangsung secara
endotermik.
 Photocatalytic Water Splitting
Energi matahari dikonversikan menjadi hidrogen melalui
proses elektrolisis dengan bantuan fotokatalis untuk
meningkatkan efisiensi.

11. Hydrogen Production[11]
• Biomass
• Hydrogen Solar Production Company Inc.

12. Hydrogen Production[11]
Basic Measurement: [12]
 System Gravimetric Capacity
 System Volumetric Capacity

13. Hydrogen Production [11]
Distribusi:
HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE

14. 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

15. 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.

16. Hydrogen Storage
 Tangki komposit
HYDROGEN PRODUCTION and STORAGE

17. 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.

18. 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 LH 2 diproduksi
dan dibutuhkan super-insulated cryogenic.

19. Hydrogen Storage
 Cryogenic hydrogen
.

20. 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.

21. 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.% H 2
and 43 kg H2/m3.

22. 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.

23. Hydrogen Storage
 Material berbasis Carbon
Withers, Fullerene S&T, 1997)

24. 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.

25. Hydrogen Storage
 Rechargeable Hydride [19]
Sandrock, after JALCOM, 1999.

26. 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.

27. 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,
.

28. 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.

29. Hydrogen Storage
 Chemical Hydride

30. Hydrogen Storage
 Perbandingan Metode
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
Züttel, 2003a

31. 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

32. Hydrogen Storage
 Mekanisme Energi
Züttel, 2003a

33. Hydrogen Storage
 Mekanisme Energi
Züttel, 2003a

34. 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]

35. Hydrogen Storage
Produksi [27]
Gaseous H2 Storage:
C-fibre composite vessels (350-700 bar).
Liquid H2 Storage:
Cryogenic insulated
Solid H2 Storage:
Additions, Ballmill

36. 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

37. Tantangan Hydrogen Storage
 Capacity [29]

38. Tantangan Hydrogen Storage
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
Jinsong Zhang. Purdue University. A Review of Heat Transfer Issues in Hydrogen Storage
Technologies

39. Tantangan Hydrogen Storage
 “It has become increasingly clear that hydrogen as an energy carrier is ‘in’ and
carbonaceous fuels are ‘out’. Hydrogen energy is high efficiency and near zero
emissions. The hydrogen economy is coming.” James A. Ritter, Materials today,
September 2003

40. 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.

41. 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.

42. 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