BAB I
PENDAHULUAN
Kompor air merupakan salah satu pengembangan dalam bidang energi alternatif hidrogen dengan memanfaatkan proses elektrolisa air. Proses elektrolisa air memisahkan molekul air menjadi gas hidrogen dan oksigen dengan cara mengalirkan arus listrik ke elektrolit (larutan air dan katalis NaCl) melalui elektroda Aluminium. Gas hidrogen dan oksigen dijadikan bahan bakar bagi “Kompor Air” untuk menyalakan api.
Download File + Gambar Full DOCX dan PDF pada link Dibawah Artikel
Elektroliser dirancang menggunakan 6 tabung. Larutan maksimal setiap tabung, 500mL air dan katalis NaCl 6 gram. Kestabilan proses elektrolisa diatur berdasarkan arus yang mengalir dan temperatur pada proses tersebut. Rangkaian kontrol arus menggunakan MOSFET IRFZ44 sebagai pensaklar daya, dimana data akan diolah oleh mikrokontroler Atmega16, dan DAC MAX518 sebagai pengkonversi data digital menjadi analog. Rangkaian sensor arus memanfaatkan resistor 0.1 Ohm dan operational-amplifier untuk mendeteksi arus pada elektroliser. Temperatur elektroliser (tempat berlangsungnya elektrolisa) dideteksi oleh sensor DS18S20.
Kompor air dapat menyalakan api dengan arus maksimal 16A (3 tabung dihubung seri dengan arus maksimal 8A) dan setting point temperatur sebesar 30 0C. Konsumsi daya 202.4 Watt dapat mendidihkan air 500 mL dalam waktu 23 menit 12 detik.
Kompor air merupakan pengembangan aplikasi dari sumber energi alternatif hidrogen, dibantu gas oksigen. Gas hidrogen dan oksigen (dikenal dengan gas HHO) dijadikan bahan bakar kompor air, dihasilkan melalui proses elektrolisa (peristiwa memisahkan molekul air menjadi hidrogen dan oksigen dengan cara memberikan arus listrik) pada elektroliser (alat tempat berlangsungnya proses elektrolisa). Kompor air tidak membutuhkan bahan bakar yang berasal dari minyak bumi atau pun gas alam, yang dibutuhkan sebagai bahan dasar adalah air dan sumber listrik serta elektroda, sehingga mudah didapatkan.
Sumber arus yang besar dan katalis NaCl (Natrium Clorida) yang dilarutkan dalam air untuk mempercepat reaksi, serta temperatur yang tinggi dapat meningkatkan jumlah produksi hidrogen dan oksigen. Namun, arus yang terlalu besar, penggunaan katalis NaCl dan temperatur yang terlalu tinggi dapat menimbulkan panas dan meningkatkan suhu ruang elektroliser dan hal ini berdampak negatif pada tabung elektroliser.
Berdasarkan pejelasan paragraf diatas, dibutuhan unit pengaturan berupa kontrol arus dan temperatur pada elektroliser untuk mencegah terjadinya ledakan, karena hidrogen merupakan gas yang mudah meledak apabila bercampur dengan gas oksigen dan terkena nyala api. Dengan adanya pengontrolan arus dan temperatur serta konstruksi yang tepat akan menjadikan kompor air lebih aman dan mudah untuk dioperasikan oleh pengguna.
 |
| Kompor Air |
BAB II
DASAR TEORI
1. Elektrolisa
Proses elektrolisa memisahkan molekul air menjadi gas hidrogen dan oksigen dengan cara mengalirkan arus listrik ke elektroda tempat larutan elektrolit (air+katalis) berada. Reaksi elektrolisa tergolong reaksi redoks tidak spontan, reaksi itu dapat berlangsung karena pengaruh energi listrik. Proses ini ditemukan oleh Faraday tahun 1820. Pergerakan elektron pada proses elektolisa dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Elektrolisa Air [2]
Persamaan kimia elektrolisa air adalah sebagai berikut:
energi (listrik) + 2 H2O → O2 + 2 H2 (2.1)
Terjadi tekanan listrik pada elektroda negatif (katoda) untuk mendorong elektron ke dalam air dan pada anoda (elektroda positif) terjadi penyerapan elektron. Molekul air dekat katoda terbagi menjadi ion hidrogen positif (H+) dan ion hidroksida (OH-).
(H2O → H⁺ + OH⁻) (2.2)
H⁺ merupakan proton terbuka, bebas untuk menangkap elektron e⁻ dari katoda, kemudian menjadi atom hidrogen biasa dan netral.
(H⁺ + e⁻ → H) (2.3)
Atom hidrogen ini berkumpul dengan atom hidrogen lain dan membentuk molekul gas dalam bentuk gelembung dan kemudian naik ke permukaan.
H + H → H₂ (2.4)
Elektroda positif telah menyebabkan ion hidroksida (OH⁻) untuk bergerak ke anoda. Ketika mencapai anoda, anoda melepas kelebihan elektron yang diambil oleh hidroksida dari atom hidrogen sebelumnya, kemudian ion hidroksida bergabung dengan molekul hidroksida yang lain dan membentuk 1 molekul oksigen dan 2 molekul air:
4 OH⁻ → O2 + 2 H2O + 4e⁻ (2.5)
Molekul oksigen ini sangat stabil dan kemudian gelembungnya naik ke permukaan. Demikian seterusnya dan terjadi pengulangan proses. Reaksi-reaksi di katoda (reduksi) hanya bergantung pada jenis kation dalam larutan. Jika kation berasal dari logam dengan potensial elektrode lebih kecil/rendah maka air yang akan tereduksi.
2. Elektrolit
Elektrolit merupakan gabungan antara air dan katalis. Katalis merupakan suatu zat yang dapat mempercepat suatu laju reaksi, namun ia sendiri secara kimiawi, tidak berubah pada akhir reaksi [4]. Katalis digunakan untuk mempercepat laju reaksi menghasilkan gas HHO pada proses elektrolisa. Katalis yang digunakan adalah natrium klorida (NaCl). NaCl sebanyak 6 gr dilarutkan kedalam 500 mL air. Penggunaan natrium klorida dikarenakan natrium memiliki potensial elektrode standar yang lebih negatif dari pada air dengan demikian natrium tidak akan bereaksi namun air yang akan bereaksi. Selain itu, natrium klorida juga mudah didapat. Potensial elektrode standar Natrium (Na) adalah -2,71 dan air (H20) adalah -0,83.
3. Elektroda
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam. Elektroda dalam sel elektrolisa disebut sebagai anoda dan katoda. Anoda didefinisikan sebagai elektroda positif dimana elektron datang dari sel elektrolisa dan oksidasi terjadi, sedangkan katoda didefinisikan sebagai elektroda negatif dimana elektron memasuki sel elektrolisa dan reduksi terjadi.Salah satu elektroda yang digunakan adalah Aluminium. Penggunaan aluminium (Al) sebagai elektroda dikarenakan Al merupakan logam aktif yang memiliki potensial elektroda lebih negatif dari pada air (E Al = -1,66 dan E H2O = - 0,83) dengan demikian air yang akan bereaksi [3].
Proses Perancangan Kompor Air
1. Desain Konstruksi “Kompor Air”
Gambar 3.1 menunjukkan desain konstruksi “Kompor Air”.
Gambar 2.5 Konstruksi “Kompor Air”
Keterangan:
Kotak Kontrol
LCD
Kabel Elektroda Positif
Kabel Elektroda Negatif
Kipas
Tabung Elektroliser
Selang Vakum
Valve searah
Burner Kompor
Kompor
Elektroliser terbuat dari 6 tabung plastik berdiameter 6 cm pada bagian atas, berdiameter 7 cm pada bagian bawah dan tinggi 17.5 cm. Keenam tabung tersebut ditempatkan di acrylic dengan tebal 5mm, panjang 23 cm, lebar 16 cm, dan tinggi 8 cm. Setiap tabung dapat menampung kapasitas air maksimal 500mL. Untuk 500 mL air, dicampur dengan 6 gram katalis NaCl. Perancangan ini bertujuan untuk menghasilkan gas HHO yang lebih banyak (multi cell).
Bagian atas setiap tabung diberi 5 lubang. Lubang 1 berukuran 0.5 cm berada di tengah sekat sebagai lubang tempat keluarnya gas HHO dan 4 lubang lainnya berukuran 0.3 cm sebagai tempat melekatkan elektroda yang diletakkan di dalam elektroliser (2 lubang untuk melekatkan katoda dan 2 lubang untuk melekatkan anoda) agar dapat disambungkan ke sumber tegangan..
Dua dari enam tabung tersebut dilengkapi sensor temperatur (DS18S20) untuk mendeteksi temperatur air pada tabung elektroliser karena proses elektrolisa untuk menghasilkan gas HHO akan memproduksi sejumlah panas dan apabila panas yang dihasilkan terlalu tinggi dapat mengurangi efisiensi proses tersebut dan dapat mengakibatkan rusak/melelehnya tabung elektroliser. Dua buah kipas berukuran 8x8 cm diletakkan pada bagian atas tabung dan akan aktif ketika temperatur air pada tabung elektroliser lebih besar dari temperatur setting point.
Selang vakum sebagai tempat penyalur gas HHO dilengkapi dengan katup searah agar gas HHO tidak kembali ke elektroliser, sehingga meminimalisir terjadinya ledakan. Desain elektroliser dapat dilihat pada gambar 2.6, gambar 2.7 dan gambar 2.8.
Gambar 2.6 Elektroliser
Gambar 2.7 Tabung Elektroliser
Gambar 2.8 Tutup Tabung Elektroliser (Lubang sensor hanya
terdapat pada 2 tutup saja)
Sensor temperatur hanya terdapat pada 2 tabung saja. Hal ini berdasarkan hasil percobaan saat semua tabung diberi sensor temperatur kemudian diolah oleh mikrokontroler, menunjukkan temperatur yang hampir sama. Sehingga sensor temperatur yang digunakan hanya pada dua tabung saja.
Elektroda terbuat dari jaring-jaring aluminium. Katoda berdiameter 4 cm dan tinggi 16 cm, sedangkan anoda memiliki diameter yang lebih kecil yaitu 2 cm. Desain elektroda pada “Kompor Air” dapat dilihat pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Elektroda 1. Kutub Katoda, 2. Kutub Anoda,
3. Elektroda Dirangkai Jadi Satu
Terdapat 6 titik api pada burner kompor, sebagai tempat menyala api. Setiap titik api berasal dari satu tabung elektroliser. Perancangan burner kompor ditunjukkan oleh gambar 2.10.
Gambar 2.10 Burner Kompor HHO
2. Desain Elektrik “Kompor Air”
Gambar 2.11 Blok Diagram Alat “Kompor Air“
Berdasarkan blok diagram di atas dapat dijelaskan sistem kerja dari “Kompor Air” sebagai berikut:
Tombol Start mengindikasikan proses dimulai
Power Supply akan mensupply tegangan DC ke mikrokontroler dan IC (integrated circuit) yang digunakan pada proyek ini. Sedangkan Regulator switching akan mensupply tegangan DC ke elektroliser.
Rangkaian kontrol arus akan mengontrol besar arus pada elektroliser dan sensor arus akan mendeteksi besarnya arus pada elektroliser. Sedangkan besar temperatur pada elektroliser akan dideteksi oleh sensor temperatur.
Besar arus pada pada elektroliser berada pada rentang 0A – 8A, driver kontrol arus difungsikan untuk mengatur besar kecil nilai arus pada elektroliser. Sedangkan untuk temperatur akan diatur pada temperatur 30 0C.
Mikrokontroler merupakan pusat pegontrol seluruh sistem yang ada pada elektroliser (pengaturan arus dan temperatur) untuk menghasilkan nyala api pada ”Kompor Air”.
LCD digunakan untuk menampilkan parameter-parameter berupa arus dan temperatur pada elektroliser saat proses elektrolisa berlangsung.
Kipas digunakan untuk menurunkan temperatur tabung elektroliser apabila terjadi peningkatan temperatur yang berlebih (> setting point).
Ketika tombol stop aktif, maka proses elektrolisa berakhir/berhenti, ditandai dengan padamnya nyala api.
3. Rangkaian Sensor Arus dan Kontrol Arus
Gambar 2.12 Blok Diagram Kontrol Arus dan Sensor Arus
Arus yang digunakan pada elektroliser sebesar 16 Ampere (8 A untuk 3 tabung yang disusun seri, terdapat 6 tabung elektroliser) dan tegangan sebesar 12 Vdc. Setting point temperatur maksimum pada tabung elektroliser sebesar 30 0C.
Pemilihan parameter arus dikarenakan faktor energi yang terbuang dan pemilihan temperatur 30 0C berdasarkan hasil percobaan. Apabila pada tabung elektroliser terjadi panas yang terlalu tinggi dapat merusak konstruksi dari tabung elektroliser, berupa lelehan.
Jumlah energi yang digunakan pada proses elektrolisa dihitung menggunakan persamaan 3.1 dan jumlah energi yang terbuang menggunakan persamaan 3.3 serta untuk mencari persentase energi yang hilang, gunakan persamaan 3.4.
E=V.I.t
∆T=T_f- T_s
H_lost=∆T- T_f
%_lost = H_lost/E ×100%
Tabel 2.1 menunjukkan hasil perhitungan persentase energi yang terbuang dan tabel 2.2 menunjukkan energi yang digunakan pada pengggunaan arus tertentu serta persentase energi yang terbuang.
Tabel 2.1 Energi yang terbuang
Tabel 2.2 Energi yang digunakan dan persentase energi yang hilang
NB: Tanda minus (-) menunjukkan energi yang terbuang.
Berdasarkan tabel 2.2 dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi arus yang digunakan maka energi yang terbuang akan semakin kecil. Namun, pada proyek ini, tabung elektroliser yang digunakan terbuat dari plastik, apabila arus yang digunakan terlalu besar, hal tersebut dapat merusak tabung elektroliser.
Terdapat 6 tabung elektroliser pada proyek ini. Dimana setelah dilakukan pengukuran, setiap tabung memiliki tahanan ± 0.5Ω. Untuk mendapatkan arus 8A (sesuai perancangan) dengan tegangan input 12V, maka tabung tersebut dihubung seri sebanyak 3 tabung. Dengan perhitungan sebagai berikut:
Diketahui : R1=R2 =R3= 0.5 Ω
R_seri=R1+R2+R3= 1.5 Ω
V_input=12 V
Ditanya : Berapa Arus yang mengalir ?
Penyelesaian :
V=I .R
I= V/R
I= (12 V)/(1.5 Ω )
I=8 Ampere
Resistor 0.1 Ohm digunakan sebagai pendeteksi arus yang mengalir pada elektroliser. Pemilihan resistor sebesar 0.1 Ohm dimaksudkan untuk menghindari rugi daya yang tinggi.Perhitugan rugi daya tersebut adalah sebagai berikut:
P = I² x R = 8² x 0.1 Ohm = 6.4 watt.
Oleh karena itu resistor yang digunakan sebesar 0.1 Ohm dengan daya 10 watt.
Op-Amp LM358 digunakan sebagai penguat tegangan pada resistor 0.1 ohm. Oleh karena, tegangan pada resistor tersebut bernilai kecil (lebih kecil dari 5V), dan mikrokontroler tidak dapat memproses apabila tegangan yang masuk ke ADC lebih kecil dari 5V.
Perhitungan penguatan pada op-amp LM358 sebagai berikut:
(I input = 8 ampere)
Tegangan pada resistor 0.1 ohm = IxR
= 8 x 0.1 = 0.8 volt
Tegangan ini harus dikuatkan menjadi 5V, sehingga membutuhkan penguatan sebesar:
Penguatan = 5/0,8 = 6,25 kali
Untuk mendapatkan penguatan sebesar 6.25 kali, dipilih R13 dan R7 sebesar 2,2 ohm serta VR1 dan VR2 sebesar 100 kΩ. Dengan perhitungan sebagai berikut:
Penguatan Maksimum = VR1/R7 +1 = 100k/2200 +1 = 46,45 kali
Nilai VR1 atau VR2 diatur untuk mendapatkan penguatan seperti yang diinginkan.
Pengontrolan arus dilakukan oleh mikrokontroler Atmega16 dengan menerima input dari sensor arus berupa data analog (tegangan 0V sampai dengan 5V) dan mengubahnya menjadi data digital dengan memanfaatkan ADC pada mikrokontroler. Output mikrokontroler berupa data digital akan diubah oleh MAX518 menjadi data analog (0.1V - 3.5V) karena TL494 merupakan pembangkit sinyal PWM yang tidak dapat memproses sinyal digital. Sinyal output DAC MAX518 tersebut akan dibandingkan dengan sinyal gigi gergaji yang terdapat pada IC TL494 sehingga menimbulkan sinyal PWM.
Output dari IC TL494 ini akan diberikan ke driver MOSFET MAX4420 dan diteruskan ke gate MOSFET. Fungsi dari driver MOSFET MAX4420 adalah untuk memperbaiki sinyal PWM sehingga mengurangi disipasi daya pada MOSFET.
4.Sensor Temperatur
Gambar 2.13 Skematik rangkaian sensor temperatur
Proses elektrolisa air selain menghasilkan gas HHO sebagai bahan bakar juga akan menghasilkan sejumlah panas yang dapat mempengaruhi proses tersebut. Oleh karena itu diperlukan perancangan terhadap parameter temperatur pada elektroliser sebagai berikut:
Temperatur yang dibaca oleh sensor temperatur DS18S20 akan diproses oleh mikrokontroler ATMega16 menggunakan pengontrolan on-off.
Apabila temperatur elektroliser melebihi temperatur setting point (>30 ᵒC), Atmega16 akan memerintahkan kipas untuk aktif.
Apabila temperatur elektroliser bernilai dibawah temperatur setting point (<30 ᵒC), Atmega16 akan memerintahkan kipas untuk tidak aktif.
Pengaturan setting point pada nilai 30 ᵒC berdasarkan hasil percobaan, ketika temperatur elektroliser berada pada setting point 100 ᵒC dan 50 ᵒC, menyebabkan tabung elektroliser meleleh. Ketika temperatur diatur pada setting point 30 ᵒC, tabung elektroliser dalam kondisi baik. Rangkaian skematik sensor temperatur dirancang seperti di atas (lihat gambar 3.9).
5. Nyala Api “Kompor Air” Berdasarkan Arus
Berdasarkan hasil uji coba, nyala api “Kompor Air” akan berbeda tergantung dari besar arus yang digunakan. Semakin besar arus yang digunakan maka api akan semakin besar. Hal ini terbukti dengan menggunakan persamaan Hukum Faraday, dimana semakin besar arus yang digunakan maka jumlah gas HHO yang dihasilkan akan semakin banyak. Sehingga, apabila arus yang digunakan besar, maka nyala api akan besar, begitu pula sebaliknya.
Perhitungan hukum Faraday sebagai berikut:
Dimana : W=E x F
E= (A_(r atau ) M_r)/n
F=(I x t)/96.500
Sehingga : W= (A_(r ).I.t)/(n.96500)
Keterangan:
W = berat zat hasil elektrolisis
E = Massa ekivalen zat elektrolisis
F = Jumlah arus listrik
Ar = M assa atom relatif
Mr = Massa molekul relatif
n = jumlah elektron yang terlibat
i = arus (ampere)
t = waktu (detik)
96500 Coulomb adalah konstanta Faraday
Reaksi pada katoda (Ar H=1, jumlah elektron yang terlibat = 1): H⁺ + e⁻ → H
Reaksi pada anoda (Ar O=16, jumlah elektron yang terlibat = 4): 4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4e⁻
Reaksi utuh elektrolisa adalah:
2H₂O → O₂ + 2 H₂
Sehingga, Jumlah gas HHO = (1 x jlh. gas oksigen) + (2 x jlh. gas hidrogen)
Bila diketahui :
- Ar H=1, Ar O=16
- t 1 = 24 menit =1440 detik
- I 1 = 5 Ampere
- I 2 = 1 Ampere
Ditanya : massa gas HHO yang dihasilkan pada I1 dan I2?
Penyelesaian :
Massa gas HHO pada I1 (ar.l.t)/(n.905000)
Reaksi pada katoda (massa hidrogen):
W=(A_r .I .t)/(n .96500)=(1 .5 .1440)/(1 .96500)=0.0746 gram
Reaksi pada anoda (massa oksigen):
W=(A_r .I .t)/(n .96500)=(16 .5 .1440)/(4 .96500)=0.2984 gram
Jumlah. Gas HHO = ( 2 x 0.0746) + (1 x 0.2984) = 0.4476 gram
Massa gas HHO pada I 2
Reaksi pada katoda (massa hidrogen):
W=(A_r .I .t)/(n .96500)=(1 .1 .1440)/(1 .96500)=0.01492 gram
Reaksi pada anoda (massa oksigen):
W=(A_r .I .t)/(n .96500)=(16 .1 .1440)/(4 .96500)=0.05968 gram
Jumlah. Gas HHO = ( 2 x 0.0.1492) + (1 x 0.05968) = 0.08952 gram
Jadi, jumlah gas HHO akan semakin banyak bila arus semakin besar. Sehingga arus yang besar akan meghasilkan nyala api yang besar pula. Namun pada proyek ini arus maksimal adalah 16 A ( 8 A pada 3 tabung disusun seri) dikarenakan kondisi konstruksi yang terbuat dari plastik akan meleleh bila terjadi panas yang berlebih akibat dari penggunaan arus yang terlalu tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
Herring S., 2004, High Temperature Electrolysis, Idaho National Engineering and
Environmental Laboratory, Gaithersburg
Young, Stuart A. 1991. Apparatus and Method For Generating Hydrogen and
Oxygen By Electrolytic Dissociation of Water. United States Patent, Patent
Number 5037518
http://www.detik.com/alat-pengubah-air-jadi-gas-ditemukan-di-mampang
