Bagaimana Tenaga Hidrogen Digunakan dalam Pengeluaran Elektrik

Penjanaan elektrik menggunakan hidrogen berlaku terutamanya melalui dua kaedah: sel bahan api dan turbin pembakaran yang telah disesuaikan untuk penggunaan hidrogen. Teknologi sel bahan api berfungsi dengan menjana kuasa menerusi proses elektrokimia, dan apabila digabungkan dengan sistem pemulihan haba, kecekapan sekitar 60% boleh dicapai. Ramai turbin pembakaran sedia ada yang pada mulanya dibina untuk operasi gas asli kini boleh mengendalikan campuran hidrogen atau malah hidrogen tulen, yang memberikan operator grid fleksibilitas yang sangat diperlukan untuk mengekalkan bekalan kuasa yang stabil. Pengeluaran hidrogen hijau melibatkan pemisahan molekul air menggunakan sumber tenaga boleh diperbaharui seperti kuasa angin dan solar melalui proses yang dikenali sebagai elektrolisis. Hidrogen hijau ini disimpan sehingga berlaku kejatuhan dalam ketersediaan tenaga boleh diperbaharui, seterusnya ia boleh ditukar semula kepada elektrik. Ambil contoh Jerman, di mana beberapa instalasi angin lepas pantai sudah mula menghasilkan hidrogen hijau. Projek-projek ini berjaya mengurangkan pergantungan terhadap loji arang batu sebanyak kira-kira 40% di sesetengah kawasan ujian, walaupun keputusan berbeza-beza bergantung kepada keadaan tempatan dan spesifikasi pelaksanaan.

Pengintegrasian Hidrogen ke dalam Grid Elektrik Sedia Ada

Hidrogen membantu menjadikan grid elektrik lebih bersih sambil mengekalkan kestabilannya. Apabila terdapat tenaga boleh baharu yang berlebihan, hidrogen menyimpannya dan kemudian membebaskannya semula apabila permintaan meningkat. Sebagai contoh, projek perintis di Denmark mendapati bahawa penyimpanan hidrogen dalam gua garam dapat mengurangkan pembaziran tenaga sebanyak 15 hingga 20 peratus setiap tahun. Kita kini melihat peningkatan dalam susunan hibrid ini, di mana ladang solar beroperasi bersama peralatan elektrolisis, walaupun untuk mengintegrasikan semua komponen ini secara lancar memerlukan pengurusan tenaga yang cukup canggih kerana aliran tenaga berlaku secara dua hala melalui sistem tersebut. Lihat sahaja apa yang sedang dilakukan di California menerusi projek Renewable Hydrogen Backbone mereka mereka menggunakan hidrogen untuk mengekalkan kestabilan grid semasa gelombang panas yang teruk yang sering mengganggu operasi biasa akhir-akhir ini.

Kajian Kes: Loji Berkuasa Hidrogen di Jerman dan Jepun

Energiepark Mainz di Jerman menggabungkan elektrolisis 6 megawatt dengan sumber tenaga angin untuk menghasilkan kira-kira 200 tan hidrogen setiap tahun. Susunan ini sebenarnya mampu membekalkan elektrik kepada lebih kurang 2,000 isi rumah ketika berlakunya pemadaman kuasa melalui sistem sel bahan api 1.4 MW. Merentasi Lautan Pasifik, Jepun telah membangunkan sesuatu yang lebih besar bernama Fukushima Hydrogen Energy Research Field, atau FH2R ringkasnya. Dengan kapasiti 10 MW, ia merupakan loji hidrogen hijau terbesar di dunia. Ia bukan sahaja membantu menyalurkan kuasa ke bahagian-bahagian Tokyo, tetapi penyelidik juga menggunakannya untuk menguji penghantaran hidrogen merentasi lautan. Apa yang menjadikan projek-projek ini menonjol adalah kadar kecekapan mengagumkan mereka iaitu kira-kira 95%. Mereka mampu mencapai prestasi tinggi ini kerana mereka menyesuaikan jumlah pengeluaran hidrogen berdasarkan keperluan grid elektrik pada setiap masa.

Cabaran dalam Mengembangkan Hidrogen untuk Kuasa Asas

Tiga halangan utama menghadkan peranan hidrogen dalam kuasa asas:

• Kos : Kos modal elektroliser kekal kira-kira tiga kali lebih tinggi berbanding turbin gas asli.
• Kehilangan kecekapan : Proses pusing semula penukaran elektrik kepada hidrogen dan kembali menyebabkan kehilangan tenaga sebanyak 30–35%.
• Infrastruktur : Kurang daripada 15% paip gas global mampu membawa campuran hidrogen melebihi 20% dengan selamat.

Ulasan industri pada tahun 2021 menekankan ketahanan sel bahan api dan pengembritan paip sebagai keutamaan penyelidikan dan pembangunan, dengan anggaran sebanyak $1.2 trilion diperlukan untuk peningkatan infrastruktur menjelang tahun 2040. Walaupun hidrogen melengkapi tenaga boleh diperbaharui, ia buat masa ini belum mencapai kesamaan kos untuk penyebaran beban asas secara meluas.

Hidrogen untuk Pemanasan: Menyahkarbon Sistem Perindustrian dan Perumahan

Peranan tenaga hidrogen dalam menyahkarbon sistem pemanasan

Kira-kira 40 peratus daripada semua pelepasan CO2 daripada penggunaan tenaga di seluruh dunia berasal daripada pemanasan menurut data IEA dari tahun lepas, justeru ramai pakar melihat hidrogen sebagai pemain utama dalam menggantikan bahan api fosil di dalam relau industri dan juga ketuhar rumah. Fakta bahawa hidrogen terbakar pada suhu hampir mencapai 2800 darjah Celsius menjadikannya sangat sesuai untuk industri berat seperti pengeluaran keluli. Beberapa ujian dengan sistem mikro gabungan kuasa dan haba sel bahan api juga menunjukkan keputusan yang mengagumkan, mencapai kecekapan kira-kira 90 peratus apabila digunakan untuk rangkaian pemanasan kawasan. Yang menariknya, hidrogen sebenarnya berfungsi agak baik dalam kira-kira 20 peratus daripada paip gas sedia ada tanpa memerlukan sebarang perubahan kepada infrastruktur, sesuatu yang boleh mempercepatkan lagi penadahap teknologi ini merentasi pelbagai sektor.

Pencampuran hidrogen dengan gas asli dalam paip

Pencampuran hidrogen ke dalam rangkaian gas sedia ada menawarkan laluan peralihan:

Ujian di Eropah menunjukkan campuran 20% boleh mengurangkan pelepasan sebanyak 6 juta tan setiap tahun sambil mengekalkan operasi yang selamat. Walau bagaimanapun, disebabkan ketumpatan tenaga isipadu hidrogen yang lebih rendah, kadar aliran mesti meningkat sebanyak 15–25% pada tahap campuran yang lebih tinggi.

Projek perintis di UK dan Belanda menggunakan hidrogen untuk pemanasan rumah

Program HyDeploy di UK berjaya mencampurkan hidrogen ke dalam bekalan gas untuk kira-kira 300 buah rumah pada kadar sekitar 20%, dan kebanyakan orang kelihatan berpuas hati dengannya - kira-kira 8 daripada 10 peserta melaporkan kepuasan. Di Belanda, perkara menjadi lebih menarik dengan eksperimen H2Stad di mana mereka benar-benar menukar 1,500 buah rumah kepada ketuhar bertenaga hidrogen. Keputusannya juga cukup mengesankan kerana ini mengurangkan pelepasan yang berkaitan dengan pemanasan hampir sebanyak 90% berbanding sistem gas asli biasa. Walaupun program ujian ini menunjukkan hidrogen boleh berfungsi pada skala yang lebih besar, terdapat beberapa kebimbangan yang perlu diperhatikan. Ujian ke atas bahan menunjukkan bahawa jika paip digunakan untuk mengalirkan hidrogen sepenuhnya sepanjang masa, jangka hayat berguna mereka mungkin berkurang antara 12% hingga 18%. Bukan berita yang baik, tetapi masih boleh dikendalikan dengan perancangan yang rapi.

Keprihatinan kecekapan dan keselamatan dalam pemanasan berasaskan hidrogen

Ketuhar hidrogen beroperasi pada kecekapan sekitar 85 hingga 90 peratus, yang sebenarnya sedikit lebih rendah berbanding gas asli yang mencapai kira-kira 94%. Perkara mengenai hidrogen ialah ia lebih mudah terbakar kerana hanya memerlukan 0.02 mJ berbanding metana yang memerlukan 0.3 mJ. Ini bermakna kita memerlukan sistem pengesanan kebocoran yang sangat baik untuk mengesan walaupun jumlah yang kecil, mungkin serendah 1% kepekatan. Menurut kajian terkini daripada DNV pada tahun 2023, hidrogen cenderung meresap melalui paip polietilena kira-kira 30 kali lebih cepat berbanding gas biasa. Disebabkan isu ini, kebanyakan rangkaian paip lama kemungkinan besar memerlukan pemasangan lapisan komposit khas pada suatu titik. Dan jangan lupa tentang pengudaraan yang betul juga. Apabila bangunan dipasang semula dengan betul, langkah ringkas ini sahaja boleh mengurangkan risiko letupan sehingga hampir 92%.

Hidrogen dalam Pengangkutan: Dari Sel Bahan Api ke Penerbangan

Kenderaan Sel Bahan Api Hidrogen sebagai Alternatif Pengangkutan Bersih

Kenderaan elektrik sel bahan api berfungsi dengan menghasilkan kuasa menerusi tindak balas kimia di dalam sel, dan secara asasnya hanya membebaskan wap air sebagai ekzos. Kelebihan utamanya ialah pengisian penuh mengambil masa kurang daripada lima minit, dan kenderaan ini boleh bergerak lebih daripada 500 kilometer sebelum perlu diisi semula. Untuk perkara seperti trak jarak jauh dan kapal kargo, ini menjadikannya lebih baik daripada bateri biasa kerana ia memampatkan lebih banyak tenaga ke dalam ruang yang lebih kecil tanpa mengorbankan terlalu banyak ruang kargo. Syarikat seperti Toyota dan Hyundai telah mula melabur secara serius dalam teknologi hidrogen untuk keperluan pengangkutan besar mereka baru-baru ini.

Penggunaan Bas dan Treler Hidrogen di California dan Korea Selatan

Projek H2 Frontier California telah menempatkan lebih daripada 50 bas bertenaga hidrogen merentasi 12 kawasan pengangkutan sejak 2023, mengurangkan pelepasan sebanyak 1,200 tan setiap tahun. Di Korea Selatan, Pelabuhan Hidrogen Ulsan mengendalikan 120 trak sel bahan api untuk pengangkutan kontena, disokong oleh elektrolizer yang dikuasakan oleh angin luar pesisir berdekatan.

Kereta Api Berkuasa Hidrogen di Jerman dan Perancis

Kereta Coradia iLint Jerman telah menyelesaikan perjalanan sejauh 220,000 kilometer tanpa pelepasan emisi pada tahun 2023. Laluan TER Occitanie di Perancis menggantikan 15 unit diesel dengan kereta hibrid hidrogen, yang menggunakan sel bahan api dipasang di atas bumbung untuk memperluaskan julat pada laluan tidak berkabel elektrik.

Aplikasi Baharu dalam Sektor Maritim dan Penerbangan

Pengendali maritim sedang menggunakan ammonia terbitan hidrogen untuk membekalkan empat kapal kargo di Laut Utara, mengurangkan pelepasan CO2 sebanyak 85% berbanding minyak bahan api berat. Dalam sektor penerbangan, pesawat serantau tanpa pelepasan emisi yang dikuasakan oleh pembakaran hidrogen cecair dijangka memulakan perkhidmatan menjelang tahun 2035, dengan prototaip semasa telah menyelesaikan penerbangan ujian sejauh 750 km.

Cabaran Infrastruktur bagi Rangkaian Pengisian Semula Hidrogen

Kurang daripada 1,000 stesen pengisian semula hidrogen wujud secara global, dengan 42% berada di Eropah dan 38% di Asia. Penyimpanan tekanan tinggi masih mahal—pada $1,800 per kg pada tahun 2024—dan kebolehterbab material paip menimbulkan cabaran untuk pengagihan skala besar.

Pengeluaran Hidrogen Hijau: Memajukan Kaedah Mampan

Hidrogen kelabu berbanding biru berbanding hijau: Kompromi alam sekitar dan ekonomi

Terdapat beberapa cara berbeza untuk menghasilkan hidrogen, dan setiap satu mempunyai kesan alam sekitar dan harga tersendiri. Hidrogen kelabu dihasilkan daripada pensuisbentukan wap metana (SMR) dan melepaskan antara 9 hingga 12 kilogram CO2 bagi setiap kilogram hidrogen yang dihasilkan. Berapakah kosnya? Sekitar $1.50 hingga $2.80 per kilogram menurut Agensi Tenaga Antarabangsa pada tahun 2023. Kemudian terdapat hidrogen biru yang pada asasnya menggunakan proses SMR yang sama tetapi ditambah dengan teknologi penangkapan karbon. Ini mengurangkan pelepasan sebanyak kira-kira 80 hingga 90 peratus, walaupun menjadikan kos lebih tinggi iaitu lebih kurang $2.50 hingga $4 per kilogram. Dan akhir sekali, kita mempunyai hidrogen hijau, yang dihasilkan apabila elektrik daripada sumber boleh diperbaharui digunakan untuk peralatan elektrolisis. Kaedah ini tidak melepaskan sebarang pelepasan langsung dan pada masa ini kosnya antara $3 hingga $5 per kilogram. Sebenarnya, kos ini telah menurun dengan ketara berbanding dahulu hanya beberapa tahun lalu apabila harganya berada di antara $4 hingga $6 per kilogram.

Kemajuan dalam elektrolisis meningkatkan pengeluaran tenaga hidrogen hijau

Elektrolizer membran penukaran proton (PEM) kini mencapai kecekapan 75–83%, meningkat daripada 60% pada tahun 2010. Sistem alkali beroperasi pada kecekapan 65–70% dengan jangka hayat melebihi 60,000 jam. Elektrolizer oksida pepejal (SOEC), yang beroperasi pada suhu 700–900°C, telah mencapai kecekapan 85% dalam ujian, menunjukkan potensi untuk pengeluaran hidrogen hijau berskala industri (ScienceDirect 2024).

Trend kos dan skala pengeluaran hidrogen bertenaga boleh diperbaharui

Kos penghasilan hidrogen melalui elektrolisis bertenaga suria telah jatuh secara mendadak, iaitu sekitar 62% sejak tahun 2015. Kini kita melihat harga antara $3 hingga $4.50 per kilogram pada tahun 2024. Di bawah sana di Australia, ladang angin menghasilkan lebih daripada 1,000 tan hidrogen hijau setiap tahun pada harga kira-kira $3.80 per kg. Sementara itu di China, pemasangan elektroliser berskala besar menjadikan pengeluaran semakin murah setiap tahun, dengan penjimatan kos sebanyak kira-kira 18% setahun. Ke depan, BloombergNEF meramalkan bahawa hidrogen hijau boleh mencapai hanya $1.50 per kg menjelang tahun 2030. Ini akan berlaku apabila sumber tenaga boleh diperbaharui terus berkembang pesat, dijangka menyumbang hampir 85% daripada semua penjanaan elektrik baharu di seluruh dunia.

Soalan Lazim

Apakah kaedah utama untuk menjana elektrik menggunakan hidrogen? Kaedah utamanya adalah melalui sel bahan api dan turbin pembakaran yang disesuaikan untuk hidrogen.
Bagaimanakah hidrogen menyumbang kepada kestabilan grid elektrik? Hidrogen menyimpan tenaga boleh baharu berlebihan, membebaskannya semasa lonjakan permintaan untuk memastikan kestabilan grid.
Apakah beberapa cabaran semasa dalam penggunaan hidrogen untuk kuasa asas? Kos tinggi, kehilangan kecekapan semasa penukaran tenaga, dan had infrastruktur merupakan cabaran utama.
Bagaimanakah hidrogen digunakan dalam sistem pemanasan? Hidrogen boleh menggantikan bahan api fosil dalam sistem pemanasan perindustrian dan perumahan, menawarkan alternatif yang mampan.
Apakah kemajuan yang telah dibuat dalam pengeluaran hidrogen hijau? Perkembangan dalam teknologi elektrolisis dan pemasangan skala besar telah mengurangkan kos dan meningkatkan kecekapan secara ketara.