BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Gambaran umum hidrogen

Hidrogen telah digunakan bertahun-tahun sebelum akhirnya dinyatakan sebagai unsur

yang unik oleh Cavendish di tahun 1776. Dinamakan hidrogen oleh Lavoisier, hidrogen

adalah unsur yang terbanyak dari semua unsur di alam semesta. Elemen-elemen yang berat

pada awalnya dibentuk dari atom-atom hidrogen atau dari elemen-elemen yang mulanya

terbuat dari atom-atom hidrogen. Hidrogen diperkirakan membentuk komposisi lebih dari

90% atom-atom di alam semesta (sama dengan tiga perempat massa alam semesta). Dalam

keadaan yang normal, gas hidrogen merupakan campuran antara dua molekul, yang

dinamakan ortho- dan para- hidrogen, yang dibedakan berdasarkan spin elektron-elektron dan

nukleus.Hidrogen normal pada suhu ruangan terdiri dari 25% para hidrogen dan 75% ortho-

hidrogen. Bentuk ortho tidak dapat dipersiapkan dalam bentuk murni. Karena kedua bentuk

tersebut berbeda dalam energi, sifat-sifat kebendaannya pun juga berbeda. Titik-titik lebur

dan didih parahidrogen sekitar 0.1 derajat Celcius lebih rendah dari hidrogen normal.

Hidrogen (hidrogenium, simbol H), dalam tabel periodik unsur memiliki Ar =

1,00797, nomor atom 1, konfigurasi elektron 1s1. Biasanya dalam oksidasi dinyatakan +1,

tapi dalam garam tipe hidrida -1 adalah juga mungkin. Tiga isotop dengan Ar 1, 2 dan 3 telah

diketahui; isotop dengan Ar 3 adalah tidak stabil. Perbedaan dalam massa isotop relatif adalah

sedemikian besar sehingga sifat kinetika dan fisik juga sangat berbeda. Isotop dengan massa

relatif 2 dinamakan Deuterium (simbol D), dan pada massa relatif 3 dinamakan Tritium

(Simbol T). Pada atom nukleus, semua muatan positif tunggal dinamakan proton, deuteron,

dan triton. Sifat termodinamika dan fisik dari hidrogen padatan dapat dilihat pada Tabel 2.1,

sifat termodinamika dan fisik dari hidrogen cair dapat dilihat pada Tabel 2.2 serta sifat

termodinamika dan fisik dari hidrogen gas dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.1 Sifat termodinamika dan fisik dari hidrogen gas

Sifat Hidrogen

Para- Normal

Densitas pada 0 oC, (mol/cm3) × 103 0,05459 0,04460

Faktor kompresibilitas, Z = PV/RT, pada 0 oC 1,0005 1,00042

Kompresibilitas adiabatik, (–∂V/V∂P)s, pada 300 K, MPa-1 b 7,12 7,03

Koefisien ekspansi volume, (–∂V/V∂T)p, pada 300 K, K-1 0,00333 0,00333

Cp pada 0 oC, J/(mol.K) c 30,35 28,59

Cv pada 0 oC, J/(mol.K) c 21,87 20,30

Entalpi pada 0 oC, J/mol c d 7656,6 7749,2

Energi dalam pada titik lebur, J/mol c d 5384,5 5477,1

Entropi pada titik lebur, J/(mol.K) c d 127,77 139,59

Kecepatan suara, m/s 1246 1246

Viskositas, mPas (=cp) 0,00839 0,00839

Konduktivitas termal pada titik lebur, mW/(cm.K) 1,841 1,740

Konstanta dielektrik pada titik lebur 1,00027 1,000271

Kompresibilitas isotermal, 1/V(∂V/V∂P)T , Mpa-1 b -9,86 -9,86

Koefisien difusi-diri pada 0 oC, cm2/s – 1,285

Difusivitas gas dalam air pada 25 oC, cm2/s – 4,8 × 10-5

Diameter benturan, σ, m × 1010 – 2,928

Parameter interaksi, Є/k, K – 37,00

Panas disosiasi pada 298,16 K, kJ/mol c 435,935 435,881

Catatan : a semua nilai pada 101,3 kPa (1 atm)

b untuk konversi Mpa ke atm, dibagi dengan 0,101

c untuk konversi J ke cal, dibagi dengan 4,184

d titik dasar (nilai nol) untuk entalpi, energi dalam, dan entropi adalah 0 K untuk

gas ideal pada tekanan 101,3 kPa (1 atm)

Sumber : Othmer, K., 1967

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.2 Sifat termodinamika dan fisik dari hidrogen cair

Sifat Hidrogen

Para- Normal

Titik lebur, K (triple point) 13,803 13,947

Titik didih normal, K 20,268 20,380

Suhu kritis, K 32,976 33,18

Tekanan kritis, kPaa 1298,8 1315

Densitas pada titik didih, mol/cm3 0,03511 0,03520

Densitas pada titik lebur, mol/cm3 0,038207 0,03830

Faktor kompresibilitas, Z = PV/RT

pada titik lebur

titik didih

0,001606

0,01712

0,001621

0,01698

Titik kritis 0,3025 0,3191

Kompresibilitas adiabatik, (–∂V/V∂P)s, MPa-1 b

pada triple point

titik didih

0,00813

0,0119

0,00813

0,0119

Koefisien ekspansi volume, (–∂V/V∂T)p, K-1

pada triple point

titik didih

0,0102

0,0164

0,0102

0,0164

Panas penguapan, J/molc

pada triple point

titik didih

905,5

898,3

911,3

899,1

Cp, J/(mol.K) c

pada triple point

titik didih

13,13

19,53

13,23

19,70

Cv, J/(mol.K) c

pada triple point

titik didih

9,50

11,57

9,53

11,60

Entalpi, J/mol c d

pada triple point

titik didih

-622,7

-516,6

438,7

548,3

Energi dalam, J/mol c d

pada triple point

-622,9

435,0

Universitas Sumatera Utara

titik didih -519,5 545,7

Entropi , J/(mol.K) c d

pada triple point

titik didih

10,0

16,08

28,7

34,92

Kecepatan suara, m/s

pada triple point

titik didih

1273

1093

1282

1101

Viskositas, mPas (=cp)

pada triple point

titik didih

0,026

0,0133

0,0256

0,0133

Konduktivitas termal, mW/(cm.K)

pada triple point

titik didih

0,73

0,99

0,73

0,99

Konstanta dielektrik

pada triple point

titik didih

1,252

1,230

1,253

1,231

Tegangan muka, mN/m(=dyne/cm)

pada triple point

titik didih

2,99

1,93

3,00

1,94

Kompresibilitas isotermal, 1/V(∂V/V∂P)T , Mpa-1 b

pada triple point

titik didih

–0,0110

–0,0199

–0,0110

–0,0199

Catatan : a untuk konversi kPa ke mm Hg, dikali dengan 7,5

b untuk konversi Mpa ke atm, dibagi dengan 0,101

c untuk konversi J ke cal, dibagi dengan 4,184

d titik dasar (nilai nol) untuk entalpi, energi dalam, dan entropi adalah 0 K untuk

gas ideal pada tekanan 101,3 kPa (1 atm)

Sumber : Othmer, 1967

2.2 Penggunaan Hidrogen

Sejumlah besar H2 diperlukan dalam industri petrokimia dan kimia. Penggunaan

terbesar H2 adalah untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam pembuatan ammonia.

Konsumen utama dari H2 di kilang petrokimia meliputi hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi,

Universitas Sumatera Utara

dan penghidropecahan (hydrocracking). H2 memiliki beberapa kegunaan yang penting. H2

digunakan sebagai bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak

tak jenuh dan minyak nabati (ditemukan di margarin), dan dalam produksi metanol. Ia juga

merupakan sumber hidrogen pada pembuatan asam klorida. H2 juga digunakan sebagai

reduktor pada bijih logam. Selain digunakan sebagai pereaksi, H2 memiliki penerapan yang

luas dalam bidang fisika dan teknik. Ia digunakan sebagai gas penameng di metode

pengelasan seperti pengelasan hidrogen atomik. H2 digunakan sebagai pendingin rotor di

generator pembangkit listrik karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi di

antara semua jenis gas. H2 cair digunakan di riset kriogenik yang meliputi kajian

superkonduktivitas. Oleh karena H2 lebih ringan dari udara, hidrogen pernah digunakan

secara luas sebagai gas pengangkat pada kapal udara balon.

Baru-baru ini hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan nitrogen

(kadangkala disebut forming gas) sebagai gas perunut untuk pendeteksian kebocoran gas

yang kecil. Aplikasi ini dapat ditemukan di bidang otomotif, kimia, pembangkit listrik,

kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi. Hidrogen adalah zat aditif yang diperbolehkan

penggunaanya dalam ujicoba kebocoran bungkusan makanan dan sebagai antioksidan.

Isotop hidrogen yang lebih langka juga memiliki aplikasi tersendiri. Deuterium

(hidrogen-2) digunakan dalam reactor candu sebagai moderator untuk memperlambat

neutron. Senyawa deuterium juga memiliki aplikasi dalam bidang kimia dan biologi dalam

kajian reaksi efek isotop. Tritium (hidrogen-3) yang diproduksi oleh reaktor nuklir digunakan

dalam produksi bom hidrogen, sebagai penanda (www.Wikipedia.com).

2.3 Gas alam (natural gas)

Gas alam sering juga disebut sebagai gas bumi atau gas rawa, adalah bahan bakar

fosil berbentuk gas yang terutama terdiri dari metana CH4). Ia dapat ditemukan di ladang

minyak, ladang gas bumi dan juga tambang batu bara. Ketika gas yang kaya dengan metana

diproduksi melalui pembusukan oleh bakteri anaerobik dari bahan-bahan organik selain dari

fosil, maka ia disebut biogas. Sumber biogas dapat ditemukan di rawa-rawa, tempat

pembuangan akhir sampah, serta penampungan kotoran manusia dan hewan.

Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4), yang merupakan molekul

hidrokarbon rantai terpendek dan teringan. Gas alam juga mengandung molekul-molekul

hidrokarbon yang lebih berat seperti etana (C2H6), propana (C3H8) dan butana (C4H10), selain

juga gas-gas yang mengandung sulfur (belerang). Gas alam juga merupakan sumber utama

untuk sumber gas helium.

Universitas Sumatera Utara

Metana adalah gas rumah kaca yang dapat menciptakan pemanasan global ketika

terlepas ke atmosfer, dan umumnya dianggap sebagai polutan ketimbang sumber energi yang

berguna. Meskipun begitu, metana di atmosfer bereaksi dengan ozon, memproduksi karbon

dioksida dan air, sehingga efek rumah kaca dari metana yang terlepas ke udara relatif hanya

berlangsung sesaat. Sumber metana yang berasal dari makhluk hidup kebanyakan berasal dari

rayap, ternak (mamalia) dan pertanian (diperkirakan kadar emisinya sekitar 15, 75 dan 100

juta ton.

Tabel 2.3 komposisi natural gas

Komponen % volume

Metana (CH4) 88,5

Etana (C2H6) 3,638

Propana (C3H8) 1,926

Isobutana (i-C4H10) 0,37

N-Butana (n-C4H10) 0,466

Iso pentana (i-C5H12) 0,159

n-pentana (n-C5H12) 0,11

Hexana (C6H14) 0,171

Karbon dioksida (CO2) 2,336

Nitrogen (N2) 1,938

Hidrogen Sulfida (H2S) 0,028

Sumber : (http//:www. Wikipedia. Com)

Nitrogen, helium, karbon dioksida (CO2), hidrogen sulfida (H2S), dan air dapat juga

terkandung di dalam gas alam. Merkuri dapat juga terkandung dalam jumlah kecil.

Komposisi gas alam bervariasi sesuai dengan sumber ladang gasnya.

Campuran organosulfur dan hidrogen sulfida adalah kontaminan (pengotor) utama

dari gas yang harus dipisahkan . Gas dengan jumlah pengotor sulfur yang signifikan

dinamakan sour gas dan sering disebut juga sebagai "acid gas (gas asam)". Gas alam yang

telah diproses dan akan dijual bersifat tidak berasa dan tidak berbau. Akan tetapi, sebelum

gas tersebut didistribusikan ke pengguna akhir, biasanya gas tersebut diberi bau dengan

menambahkan thiol, agar dapat terdeteksi bila terjadi kebocoran gas. Gas alam yang telah

Universitas Sumatera Utara

diproses itu sendiri sebenarnya tidak berbahaya, akan tetapi gas alam tanpa proses dapat

menyebabkan tercekiknya pernafasan karena ia dapat mengurangi kandungan oksigen di

udara pada level yang dapat membahayakan.

Gas alam dapat berbahaya karena sifatnya yang sangat mudah terbakar dan

menimbulkan ledakan. Gas alam lebih ringan dari udara, sehingga cenderung mudah tersebar

di atmosfer. Akan tetapi bila ia berada dalam ruang tertutup, seperti dalam rumah, konsentrasi

gas dapat mencapai titik campuran yang mudah meledak, yang jika tersulut api, dapat

menyebabkan ledakan yang dapat menghancurkan bangunan. Kandungan metana yang

berbahaya di udara adalah antara 5% hingga 15%.

Ledakan untuk gas alam terkompresi di kendaraan, umumnya tidak mengkhawatirkan

karena sifatnya yang lebih ringan, dan konsentrasi yang diluar rentang 5 - 15% yang dapat

menimbulkan ledakan (http://www. Wikipedia.com).

2.4 Pemanfaantan Gas alam (natural gas)

Secara garis besar pemanfaatan gas alam dibagi atas 3 kelompok yaitu :

• Gas alam sebagai bahan bakar, antara lain sebagai bahan bakar Pembangkit Listrik

Tenaga Gas/Uap, bahan bakar industri ringan, menengah dan berat, bahan bakar

kendaraan bermotor (BBG/NGV), sebagai gas kota untuk kebutuhan rumah tangga

hotel, restoran dan sebagainya.

• Gas alam sebagai bahan baku, antara lain bahan baku pabrik pupuk, petrokimia,

metanol, bahan baku plastik (LDPE = low density polyethylene, LLDPE = linear low

density polyethylene, HDPE = high density polyethylen, PE= poly ethylene, PVC=poly

vinyl chloride, C3 dan C4-nya untuk LPG, CO2-nya untuk soft drink, dry ice

pengawet makanan, hujan buatan, industri besi tuang, pengelasan dan bahan

pemadam api ringan.

• Gas alam sebagai komoditas energi untuk ekspor, yakni Liquefied Natural Gas

(LNG).

• Teknologi mutakhir juga telah dapat memanfaatkan gas alam untuk air conditioner

(AC=penyejuk udara), seperti yang digunakan di bandara Bangkok, Thailand dan

beberapa bangunan gedung perguruan tinggi di Australia.

Pemanfaatan gas alam di Indonesia dimulai pada tahun 1960-an dimana produksi gas

alam dari ladang gas alam PT Stanvac Indonesia di Pendopo, Sumatera Selatan dikirim

melalui pipa gas ke pabrik pupuk Pusri IA, PT Pupuk Sriwidjaja di Palembang.

Universitas Sumatera Utara

Perkembangan pemanfaatan gas alam di Indonesia meningkat pesat sejak tahun 1974, dimana

PERTAMINA mulai memasok gas alam melalui pipa gas dari ladang gas alam di

Prabumulih, Sumatera Selatan ke pabrik pupuk Pusri II, Pusri III dan Pusri IV di Palembang.

Karena sudah terlalu tua dan tidak efisien, pada tahun 1993 Pusri IA ditutup,dan digantikan

oleh Pusri IB yang dibangun oleh putera-puteri bangsa Indonesia sendiri. Pada masa itu Pusri

IB merupakan pabrik pupuk paling modern di kawasan Asia, karena menggunakan teknologi

tinggi. Di Jawa Barat, pada waktu yang bersamaan, 1974, PERTAMINA juga memasok gas

alam melalui pipa gas dari ladang gas alam di lepas pantai (off shore) laut Jawa dan kawasan

Cirebon untuk pabrik pupuk dan industri menengah dan berat di kawasan Jawa Barat dan

Cilegon Banten. Pipa gas alam yang membentang dari kawasan Cirebon menuju Cilegon,

Banten memasok gas alam antara lain ke pabrik semen, pabrik pupuk, pabrik keramik, pabrik

baja dan pembangkit listrik tenaga gas dan uap.

Selain untuk kebutuhan dalam negeri, gas alam di Indonesia juga di ekspor dalam bentuk

LNG (Liquefied Natural Gas)

Salah satu daerah penghasil gas alam terbesar di Indonesia adalah Nanggröe Aceh

Darussalam. Sumber gas alam yang terdapat di di daerah Kota Lhokseumawe dikelola oleh

PT Arun NGL Company. Gas alam telah diproduksikan sejak tahun 1979 dan diekspor ke

Jepang dan Korea Selatan. Selain itu di Krueng Geukuh, Nanggröe Aceh Barôh (kabupaten

Aceh Utara) juga terdapat PT Pupuk Iskandar Muda pabrik pupuk urea, dengan bahan baku

dari gas alam (http://www. Wikipedia.com diakses tanggal1 Mei 2009).

2.5 Cadangan gas alam dunia

Berdasarkan data dari Natural Gas Fundamentals, Institut Francais Du Petrole pada

tahun 2002, cadangan terbukti (proved reserves) gas alam dunia ada sekitar 157.703 109 m3

atau 142 Gtoe (1000 m3 = 0,9 toe). Jumlah cadangan ini jika dengan tingkat konsumsi

sekarang akan dapat bertahan sampai lebih dari 60 tahun. Apabila kita bandingkan dengan

cadangan minyak dunia, maka berdasarkan tingkat konsumsi sekarang, minyak bumi hanya

akan dapat bertahan sampai 40 tahun ke depan saja. Namun demikian, penemuan baru

cadangan gas alam umumnya lebih cepat daripada tingkat konsumsinya. Pada tahun 1970,

cadangan terbukti gas alam dunia hanya sekitar 35 Gtoe. Dengan asumsi konsumsi sebesar 47

Gtoe, berarti selama 30 tahun terakhir tambahan cadangan gas alam adalah sebesar 154 Gtoe.

Dengan menggunakan metode estimasi yang konvensional, total sumber gas alam dunia

dapat mencapai 450 gtoe, sedangkan apabila estimasi berdasarkan unconventional yang

tingkat ketidakpastiannya lebih tinggi maka sumber gas alam dapat mencapai 650 gtoe.

Universitas Sumatera Utara

Cadangan gas alam tersebar di seluruh benua, dengan cadangan terbukti (proved reserves)

terbesar berada pada negara-negara pecahan Uni Soviet dan Timur Tengah (http://www.

Wikipedia.com diakses tanggal1 Mei 2009)..

2.6 Proses Pembuatan hidrogen

Kriteria seleksi proses dalam pembuatan gas hidrogen difokuskan dalam beberapa

faktor : kandungan hidrogen dalam umpan; hidrogen yang dihasilkan dari proses; yang

meliputi biaya dari umpan; biaya modal dan operasi; energi yang dibutuhkan; pertimbangan

lingkungan; penggunaan yang diharapkan dari hidrogen.

Secara mendasar, spesifikasi proses komersial untuk pabrik hidrogen diperoleh dari

steam reforming, oksidasi parsial, gasifikasi batubara, dan elektrolisa air. Di seluruh dunia,

hidrogen sebagai bahan baku untuk industri kimia diperoleh sebagai berikut: 77% dari gas

alam/petroleum, 18% dari batubara, 4% dari elektrolisa air, dan 1% dari proses lain.

Semua proses ini menghasilkan hidrogen dari hidrokarbon dan air. Mekanisme

reaksinya adalah sebagai berikut :

(Othmer, 1967)

Sekarang ini hidrogen digunakan hampir secara eksklusif sebagai suatu bahan kimia

industri, dimana kapasitas itu diterapkan untuk suatu penggunaan yang luas, mencakup

produksi amoniak (untuk pabrik fertilizer), refineri yang digunakan untuk proses desulfurisasi

dan lain-lain, serta untuk produksi methanol. Produksi tahunan dunia adalah sekitar 500

milyar Nm3. Produsen yang paling besar adalah produk udara, yang beroperasi lebih dari 50

pabrik individu, yang menghasilkan lebih dari 25 juta Nm3 per hari, dan 7 sistem perpipaan

secara total lebih dari 340 juta. Produksi curah hidrogen (hampir 50%) dihasilkan oleh proses

Steam Methane Reforming, yang mana proses tersebut adalah dalam skala besar merupakan

rute ekonomis. (Dutton, G., 2002)

Universitas Sumatera Utara

2.6.1 Steam Methane Reforming (SMR) atau cracking

Dari buku (McGraw.Hill.Dictionary.Of.Engineering.eBook) Cracking adalah suatu

proses yang dilakukan untuk mereduksi berat molekular senyawa hidrokarbon dengan cara

memecah ikatan molekul-molekul dengan berbagai metode (thermal, catalytic,

hidrocracking).

Proses Steam Methane Reforming (SMR) terdiri atas 4 langkah proses:

a. Pemanasan stok umpan dan pemurnian (dibutuhkan karena katalis memiliki

sensitivitas yang tinggi oleh ketidakmurnian, contohnya: sulfur, mercury, dan logam

lainnya)

b. Steam reformer

c. CO shift

d. PSA purification (menyerap campuran lainnya selain dari H2 untuk menghasilkan H2

mencapai 80 – 90%.

Reaksi reformer (untuk methana) :

CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2 (ΔH0 = +164kJ /mol; secara umum beroperasi pada suhu

850- 900 oC)

CH4 + H2O ↔ CO2 + 3H2 (ΔH0 = +205kJ /mol )

- Beroperasi pada tekanan < 40 bar

- Reaksi sangat endotermis

- Konversi penguapan oleh steam dan suhu yang tinggi; konversi akan berkurang

dengan tekanan yang tinggi.

- Membutuhkan katalis nikel yang aktif

- Kemungkinan untuk tingkatan reaksi oleh adsorpsi CO2, memungkinkan suhu reaksi

untuk menjadi berkurang sampai 550 oC.

Reaksi CO shift :

CO + H2O ↔ CO2 + H2

- Menggunakan katalis CO shift : besi oksida (secara konvensional suhu tinggi 340 –

460 oC), (suhu sedang) besi + tembaga oksida (suhu tinggi dimodifikasi 310 – 370 oC), tembaga, seng, aluminium (suhu rendah 180 – 280 oC)

- Ukuran pabrik kecil dan sedang yang memiliki reactor shift suhu sedang yang tunggal

- Pabrik skala besar memiliki 2 reaktor suhu sedang atau suhu tinggi ditambah reaktor

suhu sedang

Ukuran pabrik yang umum :

Universitas Sumatera Utara

Kecil 500 - 3000 Nm3/jam

Sedang mencapai 25,000 Nm3/jam

Besar lebih dari 25,000 Nm3/jam

Sangat besar over 150,000 Nm3/jam

(Dutton, G., 2002)

2.6.2 Oksidasi parsial

Hidrogen juga dapat dibentuk oleh non-katalisis oksidasi parsial hidrokarbon. Banyak

umpan hidrokarbon yang dapat dimampatkan atau dipompa mungkin digunakan. Efisiensi

proses secara keseluruhan adalah hanya 50% (dibandingkan SMR pada 65 – 75%). Oksigen

murni diperlukan sebagai umpan.

Reaksi reformer – oksidasi parsial :

Gas alam : CH4 + ½ O2 → CO + 2H2 (1350 oC)

Batu bara : C + ½ O2 → CO (1350 oC)

- Proses gas sintesis

- Menggunakan banyak bahan bakar fosil dan dapat beroperasi pada tekanan tinggi

(>100 bar)

Daftar sumber hidrogen terdiri atas tiga model teknologi :

a. Catalytic Steam Reforming (CSR) melibatkan reaksi bahan bakar hidrokarbon dan

steam dalam kehadiran katalis dimana dibutuhkan sumber panas eksternal. Proses ini

memiliki efisiensi yang tinggi.

b. Auto Thermal Reforming (ATR) melibatkan reaksi bahan bakar hidrokarbon dan

steam dalam kehadiran katalis dan oksigen dimana beberapa bahan bakar yang

digunakan untuk menghasilkan hidrogen dibutuhkan panas untuk reaksi. Proses ini

dapat digunakan pada banyak perbedaan tipe dari bahan bakar.

c. Catalytic Partial Oxidation Reforming (CPOX) adalah serupa seperti auto thermal

reforming (ATR) tetapi menggunakan sistem operasi yang lebih simpel dan

sederhana.

(Dutton, G., 2002)

2.6.3 Integrated gasification combined cycle (IGCC)

Dalam sistem IGCC, gasifier batubara konversi batubara di pulverisasi kedalam gas

sintesis (campuran H2 dan CO) dengan penambahan steam dan oksigen. Gas sintesis ini

Universitas Sumatera Utara

selanjutnya dibersihkan dari kotorannya dan digunakan untuk menghasilkan energi dalam

turbin gas. (secara alternatif gas yang diproduksi dapat digunakan untuk menghasilkan

hidrogen, bahan kimia, atau bahan bakar lainnya).

Panas yang terbuang dari turbin gas digunakan dalam turbin steam untuk

menghasilkan banyak elektrisitas. Telnologi gasifier terintegrasi dengan siklus yang

dikombinasikan dalam jalan ini menawarkan efisiensi sistem yang tinggi dan tingkatan polusi

yang sangat rendah. Sistem dirancang untuk menangani berbagai umpan, mencakup batubara

dengan kandungan sulfur yang tinggi dan rendah, antrasit, dan biomassa. Secara umum

sistem memiliki rentang dalam ukuran dari 200 – 800 MWe. Secara umum pabrik

menawarkan suatu peningkatan 10% dalam efisiensi suhu melebihi stasiun pembakaran

batubara konvensional.

Efisiensi operasi dalah diantara 29 – 41%, tergantung pada karakteristik bahan bakar

(yaitu kandungan sulfur, kandungan abu, dan nilai kalori), tipe dari sistem IGCC (yaitu

entrained, moving-bed atau fluidized bed) dan puncak suhu turbin gas. Dalam kaitan efisiensi

rendah dan biaya, IGCC hanya merupakan teknologi demonstrasi, akan tetapi hal itu

diharapkan bahwa teknologi generasi kedua akan merealisasikan efisiensi dari 45 – 50% dan

mengurangi biaya. (Dutton, G., 2002)

2.6.4 Pirolisis

Hidrokarbon dapat dikonversi menjadi hidrogen tanpa menghasilkan CO2, jika

hidrokarbon tersebut didekomposisi pada suhu yang tinggi dalam ketidakhadiran oksigen

(pirolisis). Sebagai contoh methana dapat di cracked dalam katalis seperti karbon (golongan

karbon, seperti jelaga C60, grafit atau karbon aktif). Dalam prinsipnya, pirolisis dapat juga

diaplikasikan lebih jauh kedalam hidrokarbon kompleks, biomassa, limbah padat kota.

(Dutton, G., 2002)

2.6.5 Elektrolisis air

Hidrogen dapat dihasilkan dari air yang dielekrolisis. Jika elektrolitas dihasilkan dari

teknologi renewable (seperti solar, hidro, angin, pasang surut), maka proses tersebut disebut

bebas karbon. Pemecahan elektrokimia dari air telah diketahui melalui reaksi :

H2O → H2 + ½ O2

Pabrik elektrolisis komersial secara umum mencapai efisiensi 70 – 75%.

Ada 2 tipe dasar dari elektrolizer:

Universitas Sumatera Utara

a. Alkalin cair

b. Membran pertukaran proton

Secara umum tekanan beroperasi pada 50 bar (750 psig) yang mana tidak cukup

pembebanan silinder tekanan tinggi. Konsumsi listrik dari proses elektrolisis dapat direduksi

dengan operasi pada suhu tinggi (900 – 1000 oC). Untuk penyimpanan hidrogen, dapat

dilakukan menggunakan kompresor atau disebut elektrolizer tekanan tinggi. (Dutton, G.,

2002)

2.6.6 Produksi hidrogen secara biologi

Hidrogen dapat dihasilkan secara biologi dalam 2 proses :

a. Proses fotosintesis

b. Proses fermentasi

Ganggang hijau dapat menangkap energi dari sinar matahari. Dibawah kondisi

anaerobik, ganggang hijau menghasilkan enzim hidrogenase yang mana dapat menghasilkan

hidrogen dari air dengan proses yang diketahui sebagai bio-fotolisis. Kondisi ini harus diatur

secara hati-hati sewaktu enzim hidrogenase bekerja dalam fase gelap dan sangat sensitif pada

kehadiran oksigen yang dihasilkan dari fotosintesis. Ada dua tahapan proses yang digunakan

untuk memaksimalkan produk hidrogen. Tantangan riset yang utama adalah:

a. Peningkatan produksi hidrogen oleh suatu faktor 10, atau lebih.

b. Peningkatan efisiensi konversi energi solar dari 5% menjadi 10% atau lebih.

c. Memproduksi sel membran tidak hidup oleh oksigen dan hidrogen untuk

menghasilkan enzim

Proses biologi yang kedua untuk menghasilkan hidrogen adalah dengan menggunakan

fermentasi tanpa membutuhkan cahaya. Ini dilakukan dalam keadaan gelap, dimana proses

anaerobik dilaksanakan oleh banyak spesies bakteri, satu diantaranya adalah Clostridia.

Reaksi melibatkan enzim hidrogenase yang bertindak untuk menghasilkan hidrogen (dan

karbon dioksida):

C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2

Secara teoritis, hidrogen yang dihasilkan adalah 0,5 m3 H2/kg karbohidrat. Bakteri

fermentasi dikalikan secara cepat dan dapat menghasilkan kuantitas yang banyak dari

hidrogen, tetapi parameter rancangan dan operasional ini adalah belum mapan. (Dutton, G.,

2002)

Universitas Sumatera Utara

2.7 Pemilihan Proses

Dari beberapa jenis proses pembuatan hidrogen yang ada, dapat dipilih proses

yang akan dipakai berdasarkan bahan baku, jenis produksi maupun kemurnian produk.

Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan di atas dipilihlah proses cracking atau yang

biasa di sebut steam reforming.

Alasan dipilihnya proses itu adalah:

a. Merupakan proses yang paling efisien untuk mengubah gas alam menjadi hidrogen

sampai saat ini.

b. Panas yang digunakan dapat diperoleh dari panas yang sebelumnya.

c. Teknologi sudah terbukti.

d. Biaya Produksi paling murah. (www.wikipedia.org.com)

2.8 Deskripsi Proses

2.8.1 Unit untuk menghilangkan kandungan sulfur (desulphurization)

(R-201 A,B)

Gas alam (natural gas) yang disalurkan langsung melalui pipeline dari PGN

bertekanan sekitar 15 bar dan suhu 20 0C, dengan menggunakan kompresor ( C-101)

dinaikkan tekanannya hingga mencapai tekanan sekitar 26 bar dan sebagian akan dialirkan

sebagai bahan bakar di steam furnace. Gas bertekanan dari kompresor dilewatkan melalui

feed preheater (E-401) dengan memakai gas yang keluar dari unit high temperatur CO shift

conversion sebagai media pemanas hingga suhu mencapai 415 0C. Gas alam yang telah

dipanaskan sampai mencapai 415 0C ini akan melewati unit desulphurization (R-201) untuk

dihilangkan kandungan sulfurnya agar tidak meracuni katalis pada vessel yang lainnya. Di

dalam unit desulpurization bisa dibagi menjadi dua tahapan proses. Pada tahap pertama,

kandungan organik sulfur di konversi menjadi H2S pada suhu sekitar 415 0C dengan katalis

cobalt-molybdenum (Co-Mo). Pada tahap kedua H2S di adsorbsi oleh senyawa Zinc Oxide

(ZnO). Gas alam yang keluar dari unit desulpurization tekananya menjadi 25 bar dan

suhunya 425 0C dan kandungan sulfur harus lebih kecil dari 0,5 ppm. Kandungan sulfur harus

dihilangkan karena akan menutupi permukaan katalis.

ZnO + H2S ZnS + H2O

Universitas Sumatera Utara

2.8.2 Unit Steam Reforming dengan memakai katalis Nikel (R-301)

Gas alam yang telah melewati unit desulpurization, dicampur dengan sejumlah steam

superheated yang tekananya 25 bar, temperatur 300 0C dimana perbandingan gas alam

dengan steam adalah 3 mol H2O/mol C (Leiby, 1994). Sebelum masuk ke unit steam

reformer (R-301), gas alam ini terlebih dahulu lewatkan melalui preheater berupa coil di

dalam steam reformer sampai suhu 5000C. kemudian masuk ke suatu pipa yang terdapat

didalam steam reformer (R-301) dan di panaskan lewat pembakaran (burner). Didalam pipa

tersebut, dengan katalis nikel pada suhu 8000C - 9000C gas alam diubah menjadi gas proses

yang terdiri dari H2,CO,CO2 serta sejumlah kecil CH4, N2 dan steam yang tidak

terdekomposisi. Saat gas keluar dari sistem steam reformer (R-301) suhunya mencapai 820 0C dan tekananya 25 bar dan harus didinginkan dengan cara melewatkannya dari waste Heat

Boiler (Boiler yang bekerja dengan menyerap panas) (E-301). Dalam proses pendinginan

dihasilkan Steam.

2.8.3 Unit Pengubah CO dengan suhu tinggi (High Temperatur CO Shift Convertion) (R-

401)

Gas proses yang keluar dari steam reformer (R-301) akan memasuki unit pengubah

CO ( R-401) yang berisi katalis Fe dan Cr untuk meningkatkan gas H2. Gas proses tersebut

masuk melalui bagian atas, mengalir kebagian bawah dan terjadilah proses pengubahan gas

CO menjadi CO2.

Fe dan Cr

CO + H2O CO 2 + H2

Reaksi proses adalah eksotermik, temperatur gas proses yang keluar dari unit pengubah CO

(R-401) meningkat menjadi sekitar 450 0C.

2.8.4 Unit Pendinginan gas proses (E-401), (E-402), (E-403), (E-404)

Gas proses yang keluar dari unit pengubah CO kemudian didinginkan dengan cara

melewatkannya pada alat penukar panas feed preheater (E-401) dimana panas yang

berpindah digunakan sebagai media pemanas umpan gas alam sebelum masuk ke reaktor

desulphurisasi, sehingga temperatur gas proses turun menjadi 299 0C. Gas proses dilewatkan

kembali melalui penukar panas water cooler I (E-402) dengan menggunakan air pendingin

biasa hingga temperatur gas proses turun menjadi 150 0C. Gas proses kembali dilewatkan

melalui penukar panas water cooler II (E-403) dengan menggunakan air pendingin biasa,

hingga temperatur gas proses turun menjadi 55 0C. Kemudian gas proses didinginkan kembali

Universitas Sumatera Utara

didalam water cooler III (E-404) dengan menggunakan air pendingin biasa. Sehingga suhu

gas proses akhir setelah pendinginan sekitar 30 0C.

Adanya proses pendinginan ini akan menyebabkan terjadinya kondensat. Kondesat ini

akan ditampung dan dipisahkan dari gas pada alat knok out drum (D-401) secara gravitasi.

Dimana, fase cair dari H2O akan turun kebawah drum, sedangkan fase gas akan naik keatas

drum. Dalam hal ini itu perlu diingat bahwa tidak boleh ada steam yang lolos bersama gas,

sebab alat yang dipakai selanjutnya PSA (Pressure swing adsorpsion) (A-501), sangat peka

terhadap kerusakan yang disebabkan oleh uap air.

2.8.5 Unit penyerap kotoran preassure swing adsorbtion (PSA) (A-501)

Preses gas yang telah didinginkan dan telah dipisahkan kandungan airnya kemudian

dilewatkan melalui alat PSA (pressure swing adsorpsion) (D-501), yang bertujuan untuk

memurnikan/ memisahkan H2 dari impuritisnya misalnya H2O CO,CO2 dan CH4 yang tidak

bereaksi..

Kandungan CO dan CO2 yang tersisa dalam H2 maksimum 20 ppm sedangkan CH4-

nya maksimum 50 ppm. Saat berlangsungnya proses diPSA ini, tidak dapat dihindari

terjadinya penghilangan atau terikutnya sejumlah kecil H2 dan gas-gas yang harus dibuang

(dipisahkan). Gas yang diinginkan dari unit PSA ini hanya Hidrogen. Gas-gas buangan yang

dihasilkan unit PSA akan dipakai untuk bahan bakar dari Steam Reformer, setelah dahulu

disimpan dalam sebuah tangki yang disebut Surge Drum.

Sistim PSA ini terdiri dari 4 vessel adsorber A, B, C, D. Masing-masing vessel terdiri

dari 3 bagian adsorben (penyerap) yang berlainan :

- Pada bagian atas, berisi Zeolite berfungsi untuk menyerap CO2

- Pada bagian tengan, berisi Activated Carbon berfungsi untuk menyerap CH4

- Pada bagian bawah, berisi Activated Alumina berfungsi untuk menyerap H2O

Ada 4 cara PSA bekerja secara kontiniu

1. Adsorption

Proses gas masuk dari bawah vessel sehingga impuritis dari proses gas diserap oleh

adsorbent dan keluar melalui bagian atas vessel. Kemurnian H2 yang keluar sekitar

99,99 % dengan impuritis CH4 (< 5 ppm) dan CO2 (<5 ppm).

Universitas Sumatera Utara

2. Regenerassi

Tahap regenerasi dimulai dengan depresurisai, selama proses ini gas yang dihasilkan

proses depresurisasi digunakan untuk purging vessel lain yang mengalami proses

regenerasi.

3. Purging

Pada tahap ini tekanan gas dalam vessel sangat rendah mendekati ambient pressure

dan proses purging ini diambilkan dari gas vessel lain yang sedang dalam proses

depressurisasi. Gas hasil proses ini disebut purge gas (sebagai bahan baku CO2

plantdan bahan bakar burner reformer).

4. Repressurization

Pada tahap ini tekanan vessel yang tadinya rendah dinaikkan sampai mencapai

tekanan operasi adsorbsi (25 bar).

Gas hidrogen yang telah dimurnikan akan meninggalkan PSA dengan laju alir yang

konstan, dengan tekanan sekitar 24,5 bar sedikit dibawah tekanan gas sewaktu gas memasuki

alat PSA.

2.9 Spesifikasi Bahan Pendukung

2.9.1. Air

− Rumus molekul : H2O

− Berat molekul : 18

− Berat jenis : 1 gr/cm3 (pada suhu 25 0C)

− Titik lebur : 0 0C

− Titk didih : 100 0C

(Othmer, 1967)

2.9.2. Katalis Zink Oksida

− Rumus kimia : ZnO

− Berat molekul : 81,39 gr/mol

− Berat jenis : 5,47 gr/cm3

− Titik lebur : 1800 0C

− Kenampakan : butir–butir dengan diameter rata-rata 366 nm

(Othmer, 1967)

Universitas Sumatera Utara

2.9.3 Katalis Ni

− Rumus kimia : Ni

− Berat molekul : 58,69 gr/mol

− Berat jenis : 8,90 (20 0C) gr/cm3

− Titik lebur : 1425 0C

− Titik didih : 29000C

(Othmer, 1967)

2.9.4 Metana (CH4)

Fungsi : merupakan komponen unsur terbesar (88,85%) di dalam biogas.

− Berat molekul : 16,043 g/mol

− Temperatur kritis : -82,7 0C

− Tekanan kritis : 45,96 bar

− Fasa padat

− Titik cair : -182,5oC

− Panas laten : 58,68 kJ/kg

− Fasa cair

− Densitas cair : 500 kg/m3

− Titik didih : -161,6oC

− Panas laten uap : 510 kJ/kg

− Fasa gas

− Densitas gas : 0,717 kg/m3

− Faktor kompresi : 0,998

− Spesifik graffiti : 0,55

− Cp : 0,035 kJ/mol.K

− Cv : 0,027 kJ/mol.K

− Kelarutan : 0,054 vol/vol

− Viskositas : 0,0001027 poise

(Anonim

, 2007)

Universitas Sumatera Utara

2.19.5 Ethana (C2H

5)

− Berat molekul : 30,069 g/mol

− Temperatur kritis : 32,2 0C

− Tekanan kritis : 40,2 bar

− Fasa padat

− Titik cair : -183,3oC

− Panas laten : 94,977 kJ/kg

− Fasa cair

− Densitas cair : 546,59 kg/m3

− Titik didih : -88,7oC

− Panas laten uap : 488,76 kJ/kg

− Fasa gas

− Densitas gas : 2,054 kg/m3

− Faktor kompresi : 0,9912

− Spesifik graffiti : 1,047

− Pesifik Volume :0,799m3/kg

− Cp : 0,053 kJ/mol.K

− Cv : 0,044 kJ/mol.K

− Kelarutan : 0,052 vol/vol

− Viskositas : 0,0000855 poise

(Anonim

, 2007)

2.9.6 Propane (C3H

8)

− Berat molekul : 44,1 g/mol

− Densitas cair : 1,83 kg/m3

− Densitas gas : 0,5077 kg/m3

− Titik cair : -187,6oC

− Titik didih : -42,09oC

− Kelarutan dalam air : 0,1 gr/cm3

(Othmer, 1967)

Universitas Sumatera Utara

Gas Alam

Demin Water

Desulfurisasi CO Converter(HTS)

Sistem PendingiCWS

PSAH2 99,999 % 25 Bar150 oC

MixingPoint Steam reformer

KODStorage

Tank

Reformer Fuel

Flue Gas

Buffer Tank

PSA OFF Gas

WHB

Air Kondesasi

Reformer Fuel + PSA Off GasUdara

CWR

15 Bar17 oC

25 Bar30 oC

25 Bar415 oC

24,5 Bar425 oC

25 Bar350 oC

Supeheated steam25 Bar300 oC

25 Bar850 oC

25 Bar350 oC

5 Bar28 oC

25 Bar430 oC

25 Bar55 oC

25 Bar30 oC

60 Bar52 oC

Gbr 2.1 Blok Diagram Proses Pembuatan Gas Hidrogen dari Gas Alam dengan Proses

Cracking/ Steam Reforming

Universitas Sumatera Utara