Pemodelan Numerik Produksi Gas Hidrogen Pada Alkaline Water Electrolyzers

Rahman, Wildan Alfa (2025) Pemodelan Numerik Produksi Gas Hidrogen Pada Alkaline Water Electrolyzers. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 6007231005-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (6MB) | Request a copy

Abstract

Alkaline Water Electrolyzers (AWE) merupakan sistem saluran listrik tertutup yang mengubah energi listrik menjadi gas hidrogen dan oksigen. Keberadaan gas di dalam sistem akan mempengaruhi efisiensi proses elektrolisis. Oleh karena itu perlu dipelajari lebih lanjut bagaimana fenomena aliran gas yang dihasilkan oleh reaksi elektrolisis air pada alkaline water electrolyzer utamanya pada fenomena hidrodinamik gas dan pengaruh pada overpotential. Dalam penelitian kali ini dilakukan pemodelan numerik dengan parameter yang mempengaruhi proses produksi gas dalam sistem Alkaline Water Electrolyzer (AWE). Parameter pertama adalah nilai tegangan (1.5-5.5 V) yang mempengaruhi sistem yang mempengaruhi activation current density untuk menghasilkan gas H2 dan O2. Jarak antara kedua elektroda (2-40 mm) yang mempengaruhi ohmic resistance. Ketiga adalah luas permukaan elektroda, tinggi elektroda (10-100 mm), yang mempengaruhi kapasitas reaksi. Serta terakhir adalah kecepatan elektrolit (1-3 L/min) yang mempengaruhi pelepasan gas dari zona elektroda. Pemodelan numerik dilakukan menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent dengan kondisi steady, eularian multiphase dengan tiga fasa berupa KOH, H2 dan O2 serta menggunakan model turbulen standard k-epsilon. Hasil dari penelitian ini adalah seiring dengan naiknya tegangan operasi pada sistem meningkatkan produksi gas tetapi menurunkan energy efficiency akibat dominasi dari ohmic drop. Pengurangan jarak antar elektroda dapat mengurangi ohmic drop tetapi memberikan kenaikan activation overpotential sehingga current density dan menurunkan energy efficiency. Dengan menambahkan luas active area melalui menambah tinggi elektroda menjadi 100 mm pada jarak antar elektroda 2 mm terbukti efektif menaikkan produksi gas dengan nilai 0.969 gr/hari untuk gas hidrogen dan 5.129 gr/hari untuk gas oksigen dengan energy efficiency sebesar 53.09%. Di sisi lain, peningkatan debit aliran elektrolit membantu mempercepat transport ion OH- dan mengurangi hambatan elektrolit tetapi dapat memicu ketidakstabilan current density sehingga menurunkan energy efficiency. Studi ini menyimpulkan bahwa dalam strategi optimasi sistem AWE lebih efektif dengan dilakukan optimasi geometri dan kontrol terhadap kecepatan elektrolit yang mengalir di dalam sistem daripada hanya menaikkan tegangan operasi.
==========================================================================================================================================
Alkaline Water Electrolyzers (AWE) are closed electrical circuit systems that convert electrical energy into hydrogen and oxygen gas. Gas presence within the system affects the electrolysis process efficiency. Therefore, further investigation is needed to understand the gas flow phenomena generated by water electrolysis reactions in AWE, particularly the hydrodynamic behavior of gas and its influence on overpotential. This research conducted numerical modelling of parameters influencing gas production in an AWE system. The first parameter is voltage (1.5-5.5 V), which impacts the activation current density for H2 and O2 gas production. Second is the inter-electrode distance (2-40 mm), affecting ohmic resistance. The third is the electrode surface area, varied by electrode height (10–100 mm). Lastly, electrolyte velocity (1-3 L/min) affects gas release from the electrode zone. Numerical modelling used ANSYS Fluent software under steady-state conditions, employing a Eulerian multiphase model with three phases (KOH, H2, and O2) and a standard k-epsilon turbulence model. Results show that increasing operating voltage enhances gas production but lowers energy efficiency due to dominant ohmic drop. Reducing inter-electrode distance decreases ohmic drops but leads to increased activation overpotential, affecting current density and reducing energy efficiency. Increasing active area by raising electrode height to 100 mm at a 2 mm inter-electrode distance effectively increased gas production to 0.969 gr/day for hydrogen and 5.129 gr/day for oxygen, with a energy efficiency of 53.09%. Conversely, increasing electrolyte flow rate speeds up OH⁻ ion transport and reduces electrolyte resistance but can trigger current density instability, thereby lowering energy efficiency. This study concludes that optimizing AWE systems is more effective through geometric optimization and controlling electrolyte flow rate rather than solely increasing operating voltage.

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	alkaline water electrolysis, simulasi numerik, eularian multiphase. energy efficiency, optimasi geometri, alkaline water electrolysis, numerical modelling, eularian multiphase. energy efficiency, geometric optimization
Subjects:	Q Science > QD Chemistry > QD553 Electrochemistry. Electrolysis T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ324.5 Fuel systems T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ808 Renewable energy sources. Energy harvesting. T Technology > TP Chemical technology > TP255 Electrochemistry, Industrial.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Mechanical Engineering > 21101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	Wildan Alfa Rahman
Date Deposited:	04 Aug 2025 06:39
Last Modified:	04 Aug 2025 06:39
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/125476

Actions (login required)

View Item