UNIVERSITAS INDONESIA 2012 Material Selection for Compressed Natural Gas (CNG) M.Ekaditya Albar / 1106154305 ME T A L L U R G Y A N D MA T E R I A L E N G I N E E R I N GCompressed Natural Gas (CNG) Gasalam(naturalgas)merupakansalahsatubahanbakarfosilyangmelimpahdi dunia.Gasalamdiproduksidarisumurgasataubersamaandenganprosespengolahan minyakmentah(crudeoil).Kegunaanutamagasalamdiberbagainegarasaatiniadalah sebagai pembangkit listrik dan sumber energi untuk berbagai proses industri [1]. CNGmerupakansalahsatusumberenergialternatifyangdisimpandalamtekanan tinggi danmulaibanyak digunakan sebagaibahan bakar kendaraan.CNG dapatmengurangi emisikarbondioksida(CO2)hinggamencapai30%,emisikarbonmonoksida(CO)hingga 90%dannitrogenoksidahingga95%[2].Alasanrendahnyaemisigasbuanginilahyang menyebabkanCNGmulaidigunakansebagaibahanbakarkendaraan.Adanyatuntutandi beberapanegaratentangpenggunaanenergialternatifdanpenguranganpolusidiudara menyebabkantingginyaketertarikanakanpenggunaangasalamdalambidangtransportasi.Perbandingan emisi gas yang dihasilkan dari berbagai bahan bakar, termasukgas alam dapat dilihat pada tabel di bawah ini [3]: Tabel 1. Tingkat emisi dari berbagai bahan bakar (Pounds per Billion Btu of Energy Input) PolutanGas AlamMinyakBatu Bara Karbon dioksida Karbon monoksida Nitrogen oksida Sulfur dioksida Partikulat Merkuri 117,000 40 92 1 7 0.000 164,000 33 448 11222 4 0.007 208,000 208 457 2591 2744 0.016 KandungangasalamyangdigunakandalamCNGbisaberbedaantarsatuwilayah denganwilayahlainnya.Adanyaperbedaaninikemungkinanakibatpengaruhprocessing atau transmisi dari gas alam tersebut [4]. Namun, secara umum gas alam memiliki kandungan metana (CH4) berkisar antara 80 sampai 95%. Selain itu, gas alam juga mengandung senyawa hidrokarbon lainnya, seperti etana dan propana serta gas-gas seperti nitrogen, helium, karbon dioksidahydrogensulfide(H2S)danuapair.Padakondisimurni,gasalambersifattidak berwarna,tidakberasa,dantidakberbau(odorless).Untukalasankeamanan,gasalam ditambahkansuatuzatpembau,yaituMercaptan,agardapatmendeteksiadanyakebocoran pada gas alam. Meskipun peranan dari gas alam ini masih belumbisa menggantikan peranan bahanbakarminyaksebagaisumberutamabahanbakar,namunpengembanganterus menerus dan semakinbanyaknyastasiunbahanbakar gas diharapkan dapatmengakomodasi kebutuhan akan bahan bakar ini. Tabel 2. Komposisi kimia yang terkandung dalam gas alam [5] Senyawa dalam CNGRumus Kimia% CNG content MethaneCH470-90% EthaneC2H60-20% PropaneC3H80-20% ButaneC4H100-20% Carbon DioxideCO20-8% OxygenO20-0.2% NitrogenN20-5% Hydrogen SulphideH2S0-5% Rare GasA,He,Ne,XeTrace Metanaberadadalamfasagaspadasuhudiatas-161oC[1].Metanamerupakangas yangsangatringandengannilaispecificgravitysebesar0.55.Karenasifatnyayangsangat ringan,gasmetanadapatterdisipasididalamudara.Sifatfisikdarimetanasering dibandingkandenganbahanbakarlainnya.Specificgravityuntukgasalamsecaraumum bernilai 0.6. Aplikasi CNG Seperti yang telah dijelaskan di atas, aplikasi dari CNG paling banyak digunakan pada bidang transportasi yang meliputi berbagai jenis kendaraan, seperti [6]: Bahan bakar bus Bahan bakar kendaraan pribadi Bahan bakar truk Stasiun pengisian CNG Tangki CNG Untuk digunakan sebagai bahan bakar pada kendaraan, gas alam harus dikompresi (atau dicairkan)untukmengurangikebutuhanstoragevolume.BesarnyatekananpadaCNG umumnya2400,3000dan3600psiatau165,206dan248bar.Padatekanandansuhu atmosfer,gasalamberadapadafasagasdanmemilikidensitasyangrendah.Gasalam disimpanpadakondisiyangdikompresidengantekananyangtinggipadasuatupressure vessel karena nilai volumetric energy density (Joule/m3) yang rendah.Meskipun berbagai jenis kendaraan dapat menggunakan gas alam sebagai bahan bakar, baikdalambentukgasmaupunliquid,kebanyakankendaraanmenggunakanfasagasyang telahdikompresidengantekanansekitar200bar(2.06x107 Pa)[5].Silinderatautangki CNGmemilikiketebalandindingyanglebihtebaldaripadatangkibahanbakarminyak sehinggajumlahbahanbakaryangdapattersimpandalamtangkiCNGmenjadilebihkecil.Skema desain tangki untuk CNG dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Skema desain tangki CNG [7] Bejanabertekanan (pressure vessel) untuk CNGdibuat dibawahstandarinternasional seperti ISO 11439:2000, ANSI/IAS NGV 2-1998, ISO 9809-1/1999, ASME Section VIII Div (1)danlain-lain.Standar-standarinidigunakanagarmemenuhisyaratsuatubejana bertekanandigunakansebagaitangkipenyimpanCNG.Persamaandariberbagaistandar tersebutadalahadanyamekanismeleakage-before-breakpadakondisioperasiyang normal.Halinidilakukanagartangkidapattetapberoperasisesuaiumurdesainnyadan hanya dapat failure jika terjadi kebocoran (leakage). Jika terjadi kebocoran pada tangki CNG, kemungkinan penyebabnya adalah akibat penjalaran retak fatik [8]. Berbagai pengujian harus dilakukansebelumtangkiCNGinidapatdigunakan.Pengujian-pengujianyangdilakukan antara lain: -Hydraulic pressure cycle testing Pengujiandenganmenggunakanairdanmekanismeperpatahanyangterjadiharus leaking, bukan rupture. -Low temperature pressure cycling Pengujiantekananhidrolikyangdilakukanpadasuhu-40oF(-40oC)laludipanaskan hingga suhu 149oF (65oC) dan kembali dilakukan pengujian tekanan. -Drop impact testing Tangkidijatuhkandariketinggian1.8mdenganposisihorizontal,vertikaldanpada sudut 45o. -Bonfire test of hydrogen tank Pengujianinidilakukanuntukmemastikangasdapatkeluarsebelumsilinder mengalami rupture ketika terekspos panas atau api. -Environmental exposure test Pengujian ini biasanya dilakukan terhadap tangki tipe 3 yang diletakkan di dalamsalt bath dan terekspos larutan dengan berbagai konsentrasi. Ketika terekspos, tangki juga diberi tekanan dengan fluida sebagai simulasi filling dan emptying. -CNG permeation test Menghitung besarnya CNG yang mengalami permeasi di dalam sealed chamber. -Gunfire test -Hydraulic crush test Pengujian biasanya dilakukan untuk tangki CNG tipe 3 yang menggunakanhydraulic ramuntukpercobaanmembenturkan(crush)tangkibertekanan.Pengujiandiakhiri padabeban150,000kgf(1.47MN)ketikadindingbetonpadakeduasisidariram retak atau hancur. TangkiuntukCNGberbentuksilinderpadabagiandindingsertabentukdomepada kedua ujungnya. Silinder CNG dibuat dengan dinding yang tebal dari material yang memiliki kekuatanyangtinggisepertibaja,aluminiumataukomposityangmampumenahangaya bertekanantinggididalamtangki.Material-materialtersebutdidesainagarmemiliki ketahananterhadaptekanantinggi,diatastekananserviceyangnormal.Bisaanyamaterial-material ini didesain dengansafety factor lebih besar dari 2 [9]. Sampai dengan saat ini, ada empatjenismaterialyangdigunakansebagaitangkiCNG,yaitu:Tipe1,2,3dan4dimana tipe 1merupakanmaterialyang tersusun ataslogamsedangkan tipe 2,3 dan 4menggunakan materialkomposityanglebihringansekaligusmengurangiproporsidarilogamitusendiri [10-11].PenggunaanmateriallogamdanataukompositsebagaitangkiCNGsangat memperhatikanproporsitekananyangdapatditanggungolehmasing-masingmaterial. Silinder komposityang digunakanbisaanya tersusun atasserat dengan kekuatan tinggiyang digulung(wrapped)disekitarcylinderlinerdandiikatdenganmenggunakanresinseperti epoksi. Kombinasi antar serat dan resin ini dapat menghasilkan sifat yang sangat kuat. Tabel 3. Proporsi tekanan gas internal dari material tangki CNG [9] Tipe Tangki CNG Proporsi Tekanan (%) LogamKomposit Tipe 1 Tipe 2 Tipe 3 Tipe 4 100 55 20 - - 45 80 100 1.Tipe 1 TangkiCNGtipe1hanyatersusunataslogam,dimanalogamyangbisaadigunakan adalahbajaataupaduanaluminium.Tipe1banyakdigunakansebagaitangki penyimpanan pada natural gas vehicle (NGV) karena sifat material logam yang cukup baik. Baja telah digunakan sebagai NGVsejak tahun 1940. Tangkiyang terbuat dari bajatergolongmurahdanmemilikidayatahanyanglama,namunberat.Berbagai treatmentsepertikontrolkomposisikimia,processingdanthermaltreatment dilakukanuntukmemperbaikisifatfisikdankimiadaribajadanaluminium.Selain itu,tipe1jugalebihamandibandingmaterialberbasiskompositkarenamaterialini tahan terhadap kerusakan eksternal. Tanki CNG tipe 1 a.Material baja Biasanya menggunakan baja AISI 4130X-low alloy; Tahanterhadapefekpanasatauapi(tahanduakalilebihlamapadastandard bonfire test dibanding material lain); Memiliki kekuatan impak yang lebih besar dibanding aluminium; Titik leleh lebih tinggi; Dapat digunakan minimal selama 20 tahun sebagai tangki CNG; dan Heat treatment dengan quenching dan tempering dilakukan untuk mendapatkan kekuatan, kekerasan dan ketangguhan yang diinginkan. b.Material aluminium Biasanya menggunakan aluminium 6061-T6 (Al-Mg-Si); Sifat mekanis cukup baik; Ringan dan mudah difabrikasi; Karenaukurannyayangringan,makatangkiyangterbuatdarialuminium memiliki ukuran yang lebih tebal; Untuk mencegah korosi, logam Al harus di-coating (dicat) dan tidak mengalami kontak dengan logam lain agar mencegah korosi galvanic; dan Rawanmengalamikorosipermukaandalambentukpittingsehinggadapat mengurangi ketebalan dinding tangki dan menyebabkan failure. 2.Tipe 2 Tersusun atas metal liner yang diperkuat dengan gulungan serat (glass atau karbon) yang continuous (hoop-wrapped) pada di sekitar tengah tangki (tanpa dome); Kurang berat tapi lebih mahal dibanding tipe 1; Desain hoop-wrapped lebih aman dibandingkan desain full-wrapped karena adanya redundancy pada design liner. SeratyangbisaadigunakanadalahseratjenisE-glass,namunsaatinibanyak dilakukan pengembangan penggunaan serat karbon sebagai pengganti E-glass. LogamyangdigunakansebagailineradalahbajaAISI4130X-lowalloyatau aluminium paduan AA 6061-T6.Desainaluminiumhoop-wrappedpadaNaturalGasVehicle(NGV)pertamakali digunakan pada tahun 1982 dan desain steel hoop-wrapped pertama kali digunakan pada tahun 1984; dan Rawanmengalamikorosipermukaandalambentukpittingsehinggadapat mengurangi ketebalan dinding tangki dan menyebabkan failure. Tanki CNG tipe 2 3.Tipe 3 Tersusunatasfull-wrappedcylinderyangmengandungmetallineryangdigulung dengan continuous filament pada keseluruhan tangki; Ringan tapi mahal; Pada tipe ini, kekuatan dari komposit lebih mendominasi dibanding logam; Memiliki daya tahan yang lebih lama dibanding tipe 2; dan Lebih tahan kebocoran dibanding tipe 4 karena adanya metal liner; Tanki CNG tipe 3 4.Tipe 4 Tersusun atas full-wrapped cylinder dengan liner yang terbuat dari polimer plastic yang rapat dan non-load-bearing; Sangat ringan tapi sangat mahal; Penanggung beban utama adalah komposit, yaitu serat karbon; Durability dari komposit menentukan tingkat keamanan dari tangki; Plastic liner dapat dibuat dengan menggunakanrotational molding atau extrusion; dan Merupakan desain yang paling ringan dibanding desain tangki yang lain; Tanki CNG tipe 4 Kegunaangasalamsebagaisumberenergialternatifpadaaplikasiotomotifbelum digunakansecaraluaskarenaharganyayangmahaldandayatahan(durability)daritanki penyimpananyangmasih terbilang rendah [12]. Salah satu penyebabmahalnyaharga tangki CNG adalah mahalnya bahan baku serat karbon yang digunakan pada tangki silinder tipe 2, 3 dan 4. Analisis cost menunjukkan bahwa harga material cost untuk serat karbon berkontribusi sebesr 40% dari harga material tangki tersebut secara keseluruhan. Material Selection untuk Tangki CNG [13] Pressurevesselataubejanabertekanan(dalamhaliniadalahtangkiCNG),didesain untukmenahangasatauliquidpadatekananyangjauhberbedadengantekanannormal. Berbagaibentuktangkiyangselamainidigunakansebagaibejanabertekananantaralain spheres,cylindersdancones.Namun,karenasulitnyamanufakturbentuklingkaranatau sphere, maka desain dengan bentuk silinder lebih banyak digunakan. Besarnya tegangan pada dinding tangki yang tipis dapat didapat dengan persamaan: tpR2= o (1) Dimana: t: ketebalan dinding p: tekanan Untuk mengurangi biaya dan massa, dinding bejana dibuat tipis. Kondisi yang harus dipenuhi oleh tangki CNG (safety requirements) adalah sebagai berikut: 1.Untuk bejana bertekanan kecil, harus mengalami yield before break; 2.Untuk bejana bertekanan besar, harus mengalami leak before break (tangki CNG). Sepertiyangtelahdijelaskanpadabagiansebelumnya,tangkiCNGtergolongbejana bertekanantinggidanharusmemilikimekanismeleak-before-break.Padakasusini,retak dapat bergerak dengan lambat karena adanya korosi atau beban siklik sehingga butuh adanya inspeksiberkalauntukmemastikankeamanandaritangkiCNG.Untukmemastikan keamanan,retakdibuatcukupbesarsehinggadapatmenembuspermukaandalamdanluar ketikabejanaberada dalam kondisistabil sehingga kita dapatmendeteksi adanya kebocoran danmelakukanlangkahantisipasi.Olehkarenaitu,kondisiinihanyaakantercapaiapabila working stress selalu kurang dari sama dengan stress (f). 2 /1tCKCto =(2) Diameter dari retakyang dapat menyebabkan kebocoran harussama dengant. namun, kita tetap harus memperhatikan constrain bahwa working stress harus selalu kurang dari sama dengan f. Ini berarti: fpRto 2>(3) Dengan mensubstitusi persamaan (2) dan (3) akan menghasilkan (dimana = f): 2214CK pRfC(((

=ot (4) Berdasarkanpersamaan(4),tekananmaksimumyangdapatditanggungsecaraamanoleh material ditentukan oleh performance index (M), yaitu: fCKMo211= (5) Untukmengakomodirmasalahekonomi(cost),tangkidiusahakanuntuktetapringan sehinggaukurandindingtangkidibuatmenjadikecilatautipis.Berdasarkanpersamaan(1), ukuran dinding yang tipis dapat dicapai dengan nilai fyang besar, sehingga: fM o =2(6) Denganmenggunakanpersamaan(5)dan(6),kitadapatmencarimaterialapayangcocok digunakan sebagai tangki CNG dengan menggunakan diagram di bawah ini: Chart material untuk pressure vessel [13] Sesuaidenganrangematerialpadadiagramdiatas,materialyangcocokdigunakan sebagaitangkiCNGadalahengineeringalloys(bajadanataualuminiumpaduan)dan komposit seperti yang telah dibahas sebelumnya pada bagian tangki CNG. Permasalahannya sekarangadalahmenentukandiantarakeempattipematerialuntuktangkiCNGtersebut manayanglebihbaikdigunakandarisegiekonomisdansifatmekanis.Prosespemilihan material dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: Searching Region 1) Criteria of Material MaterialyangdibutuhkanuntuktangkiCNGumumnyaringantapitetapmemenuhi standarkeamananuntukpressurevessel.StandaryangdigunakanuntuktangkiCNG sebagaibahanbakarkendaraan(NaturalGasVehicle,NGV)diaturdalamISO11439, ECER110danNGV2000.KriteriamaterialyangdigunakansebagaitangkiCNG berdasarkan standar-standar tersebut antara lain: Memiliki umur fatik yang melebihi specified service life; Ketikafailureterjadi,mekanismeyangdiinginkanadalahkebocoran(leak)bukan rupture; Ketikadilakukanhydrostaticbursttests,memilikistressratiofactoryangmelebihi nilai yang dimiliki oleh material yang digunakan; Safety factor > 2; Cylinder metal liner terbuat dari pipa yang seamless; Service pressure: 200 bar (2900 psi) atau 245 bar (3600 psi); Serviceconditions:memilkiservicepressure1000kalipertahundariservicelife-nya (maksimum 20 tahun), suhu operasi -40oC sampai 65oC dengan toleransi suhu yang meningkat sampai 82oC; Burst pressure: Stressratio:stresspadaseratpadaspecifiedminimumburstpressuredibagidengan stresspadaseratsaatworkingpressure.Sedangkanburstratio:actualburstpressure dari silinder dibagi dengan working pressure. Cycleperformance:tangkisilindertidakbolehgagalsebelummencapaispecified servicelifedalamsetahundikalidengan1000siklus.Silinderyangmelebihinilai tersebut gagalhanya denganmekanismeleakage, bukanrupture. Jadi,silinder dengan umur15tahunharusmemilikiminimal15000siklusuntukberoperasidanmengalami leakage ketika siklus ini terlewati. Composite Flaw Tolerance: pembuat tangki menentukan ukuran cacat maksimum yang diperbolehkanpadadindingsilinderlogam.Ukurancacatinidi-machiningpada dinding silinder dan harus dapat terdeteksi oleh Non-Destructive Examination (NDE). DamageResistance:ketikadilakukandroptest,baikdalamprosesinstalasiatau service, gas hanya boleh mengalami leakage dan tidak mengalami bursting. BonfireTest:tangkisilinderdanfittingharustetapamanketikatangkimengalami pemanasan pada suhu tinggi atau terekspos api. PenetrationTest:tangkisilindertidakbolehmengalamipecahanfragmentketika diberikan penetrasi dalam bentuk impak. EnvironmentalTest: tangkibertekanandialirifluidadengankonsentrasitertentuserta pada suhu dan siklus tertentu. Larutan uji yang digunakan antara lain: NaOH, methanol ataugasoline,danNH4NO3.Tekananyangdiberikanantara20sampai260barpada suhu ruang, suhu tinggi (82oC) dan suhu rendah (-35oC). Hasil yang nantinya diperoleh harus memiliki nilai burst pressure lebih dari 1.8 kali dari service pressure. Skema environmental test untuk tangki CNG 2) Pairwise Comparison Property Decision Number 123456789101112131415161718192021 Fracture Toughness 111111 Impact Strength 001111 UTS011001 Young Modulus 000001 Density001110 Fatigue Strength 001101 Corrosion Resistance 000010 3) Weighing Factors No.PropertyPositive DecisionsWeighting Factors 1 2 3 4 5 6 7 Fracture Toughness Impact Strength UTS Young Modulus Density Fatigue Strength Corrosion Resistance 6 4 3 1 3 3 1 0.29 0.19 0.14 0.05 0.14 0.14 0.05 Total211 4) Candidate Materials Material 1 (MPa.m) 2 (J) 3 (MPa) 4 (GPa) 5 (kg/m3) 6 (MPa) 7* AA 6061 - T6295031069270096.52 AISI 4130X - low alloy steel488767020580302252 AA 6061-T6 / S-Glass hoop736621877726101903 AA 6061-T6 / S-Glass full83703648832540240.54 Plastic / E-Glass full947625008026802931 *ketahanan terhadap korosi dinyatakan dengan nilai 1-5, dimana nilai 1 artinya ketahanan korosinya buruk dan nilai 5 artinya ketahanan korosinya excellent. 5) Scaled Property and Weighted Property (WP) Index Material Scaled PropertiesWeighted Property Index 1234567 AA 6061-T631588.53494405043.9 AISI 4130X-low alloy steel511001810032775058.6 AA 6061-T6 / S-Glass hoop7876603897657573.0 AA 6061-T6 / S-Glass full8881100411008210086.6 Plastic / E-Glass full100876939951002584.7 6) Ranking of Materials Material Relative Cost Cost of Unit Strength x 100 Weighted Property Index Figure of Merit Rank AA 6061-T61.000.9843.944.884 AISI 4130X-low alloy steel1.331.7758.633.095 AA 6061-T6 / S-Glass hoop1.670.2273.0329.652 AA 6061-T6 / S-Glass full3.330.2686.6336.151 Plastic / E-Glass full3.670.4484.7193.763 7) Conclusion Berdasarkanmetodependekatanmaterialselectionyangtelahdilakukan,materialyang cocok digunakan sebagai tabung CNG adalah material AA 6061-T6/S-Glass full wrapped. Materialinitersusunatas paduan aluminium sebagailineryang dilapisi dengankomposit seratS-Glassdibagianluarnya.Materialinimerupakansalahsatujenismaterialtabung CNGtipe3yangmemilikisifatmekanisyangmemenuhistandartangkiyangaman, ringan dan cukup terjangkau harganya. REFERENSI 1.Gas Engineers Handbook. 1965: Industrial Press, Inc. 2.TheAdvantagesofCompressedNaturalGas,U.S.d.o.Energy,Editor.2010: Nebraska. 3.Administration,E.I.NaturalGasIssues&Trends.1998;Availablefrom: www.eia.doe.gov. 4.ChristopherF.Blazek,J.G.,PatriciaFreeman,FuelCompositionEffectsOnNatural Gas Vehicle Emiossions. National Renewable Energy Laboratory. 5.Semin,A.I.,RosliAbuBakar,AnOverviewofCompressedNaturalGasasan AlternativeFuelandMalaysianScenario.EuropeanJournalofScientificResearch, 2009. 34: p. 6-15. 6.GmbH,M.I.,CNGCylinders:High-techforStorage,TransportationandPower: Germany. 7.Divisions, O.,Auto Firewith Compresses Natural Gas(CNG) Fuel Tank Explosion. 2007, Fire Department of Seattle: Seattle. 8.Gas cylinders High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles. 2000, ISO 11439:2000. 9.Nelson, S.C.,Overviewof the Safety Issues associatedwith theCompressed Natural GasFuelSystemandElectricDriveSysteminAHeavyHybridElectricVehicle. 2002, Oak Ridge National Laboratory10.Compressed Natural Gas Storage Optimization for Natural Gas Vehicles. 1996, Gas Research Institute. 11.R.Wilcox,e.a.,Risk-BasedTechnologyMethodologyfortheSafetyAssessmentof MarineCompressedNaturalGasFuelSystem,inInternationalCooperationon Marine Engineering Systems/The Society of Naval Architects and Marine Engineers. 2000. 12.Starbuck,J.M.,LowerCostCompositeMaterialsforCNGStorage.OakRidge National Laboratory, 2009. 13.Ashby,M.F.,MaterialsSelectioninMechanicalDesign,2ndedition.1999,Oxford: Butterworth-Heinemann.