Ammonia kepada Hidrogen: Bagaimana Korea Selatan membina rantaian bekalan bahan api yang lebih bersih

Mengapa penyelidik Korea Selatan mempertaruhkan ammonia untuk menghasilkan hidrogen bersih

Saintis Korea Selatan telah menunjukkan cara menghasilkan hidrogen tanpa membakar bahan api fosil, iaitu dengan memecahkan ammonia kepada hidrogen dan nitrogen pada suhu tinggi. Di Institut Penyelidikan Tenaga Korea, para jurutera melaporkan sebuah reaktor yang beroperasi pada suhu sekitar 1,112 darjah Fahrenheit (kira-kira 600 C) dan menghasilkan hidrogen dengan ketulenan 99.97 peratus. Hasil itu sesuai untuk sel bahan api yang boleh membekalkan kuasa kepada kenderaan atau bangunan. Projek ini bertujuan mengurangkan karbon dioksida daripada rantaian bekalan hidrogen sambil menggunakan bahan dan proses yang boleh dikembangkan skalanya.

Hidrogen sudah digunakan dalam kereta api, kapal terbang bagi penerbangan ujian, kereta, bas dan kapal. Namun, kebanyakan hidrogen hari ini dihasilkan daripada gas asli melalui pembentukan semula metana wap, yang membebaskan karbon dioksida. Kaedah pengeluaran bersih semakin berkembang, termasuk elektrolisis air yang dikuasakan angin dan matahari. Pengangkutan hidrogen pula menjadi satu lagi cabaran. Ketumpatan gas ini sangat rendah, maka ia perlu dimampatkan atau dicairkan pada suhu amat rendah untuk dihantar bagi jarak jauh. Ammonia, bahan kimia yang lazim digunakan untuk baja, menawarkan penyelesaian alternatif. Ia berbentuk cecair dalam keadaan sederhana dan membawa hidrogen dalam ikatan molekulnya. Jika ammonia boleh dipecahkan di destinasi menjadi hidrogen bersih dan nitrogen, ia menjadi penghubung praktikal antara kawasan yang mempunyai bekalan tenaga boleh baharu yang banyak dengan kawasan yang mempunyai permintaan tinggi.

Di dalam reaktor KIER: menukar ammonia kepada hidrogen gred bahan api

Pemecahan ammonia ialah proses kimia yang mudah. Molekul ammonia, NH3, terurai menjadi hidrogen dan nitrogen apabila dipanaskan dengan kehadiran pemangkin. Dalam tindak balas seimbang, dua molekul ammonia menghasilkan satu molekul nitrogen dan tiga molekul hidrogen. Rutenium, logam berharga yang berkaitan dengan platinum, lazim dipilih sebagai pemangkin kerana berfungsi dengan baik pada suhu sekitar 600 C. Sistem KIER menggunakan laluan pemangkin itu, kemudian menulenkan aliran gas untuk menghasilkan hidrogen gred sel bahan api.

Apabila hidrogen keluar daripada unit pemecah, ia bercampur dengan nitrogen dan kesan ammonia yang belum bertindak balas. Penjerapan ayunan tekanan, langkah penulenan standard di loji penapisan, mengasingkan gas-gas tersebut. Lapisan bahan berliang memerangkap bahan cemar pada tekanan tinggi dan melepaskan hidrogen berketulenan tinggi apabila tekanan diturunkan. Beberapa lapisan bergilir-gilir antara proses penjerapan dan penjanaan semula bagi menghasilkan bekalan berterusan. KIER menerangkan sebuah reaktor yang ditempatkan dalam rangka logam berbentuk segi empat sama dengan paip, hos, tolok dan silinder, serta sistem kawalan yang mengitar semula sebahagian gas proses untuk mengekalkan suhu tinggi tanpa membakar bahan api hidrokarbon. Pendekatan itu mengelakkan pelepasan karbon dioksida secara langsung pada titik penukaran.

Mengapa ammonia ialah pembawa hidrogen yang berkesan

Hidrogen sukar disimpan dan dihantar. Hidrogen cecair memerlukan tangki kriogenik pada suhu kira-kira minus 253 C. Kehilangan akibat penyejatan perlu dikawal, manakala pengangkutannya memerlukan modal yang besar. Ammonia mencair pada suhu kira-kira minus 33 C atau di bawah tekanan sederhana. Industri kimia sudah mengangkutnya ke seluruh dunia dalam jumlah yang besar. Bagi sektor tenaga, ini bermakna pengeluar boleh mensintesis ammonia di kawasan yang mempunyai tenaga boleh baharu yang murah, menghantarnya dengan kapal dan memecahkannya berhampiran pengguna akhir.

Ujian industri di Korea Selatan sedang membina keyakinan terhadap model ini. Syzygy Plasmonics dan Lotte Chemical telah menguji sistem pemecahan ammonia serba elektrik di Ulsan. Unit itu mencapai kecekapan tenaga 81 peratus, penukaran 99 peratus dan menghasilkan kira-kira 290 kilogram hidrogen sehari. Penggunaan tenaga yang dilaporkan ialah kira-kira 11 kilowatt jam bagi setiap kilogram hidrogen, dengan reka bentuk menyasarkan 8 kWh bagi setiap kilogram. Rakan kongsi itu merancang untuk membangunkan loji komersial kecil bagi membekalkan permintaan tempatan. Hasil seperti ini menunjukkan laluan import yang boleh memenuhi keperluan Korea, Jepun dan rantau lain yang memerlukan banyak tenaga.

Daripada makmal ke jalan raya dan kapal: bagaimana hal ini boleh mengubah pengangkutan

Kenderaan sel bahan api memerlukan hidrogen yang sangat bersih kerana pemangkin dalam susunan membran elektrolit polimer sensitif terhadap bendasing. Tahap ketulenan 99.97 peratus yang dilaporkan KIER memenuhi keperluan itu. Laluan penggunaan yang berkemungkinan ialah hab serantau yang menerima ammonia, memecahkannya di lokasi dan mengagihkan hidrogen tulen ke stesen pengisian bahan api. Limbungan kapal, pelabuhan dan taman logistik merupakan lokasi semula jadi untuk sistem awal kerana tempat-tempat itu sudah mengendalikan bahan berbahaya dan aliran tenaga yang besar.

Enjin yang menggunakan ammonia secara langsung

Jurutera di Korea turut meneroka penggunaan ammonia secara langsung sebagai bahan api. Gabungan yang diketuai Institut Jentera dan Bahan Korea bersama Hyundai Motor dan Kia memperkenalkan enjin tekanan tinggi yang menyuntik ammonia tulen terus ke dalam kebuk pembakaran. Pasukan itu meningkatkan kestabilan dan kuasa dengan menyelaraskan suntikan bahan api berbilang peringkat dengan pemasaan injap boleh ubah serta sistem pencucuhan yang diperkukuh. Sistem rawatan selepas pembakaran proprietari mengurangkan nitrogen oksida dan ammonia yang tidak terbakar bagi menangani isu kualiti udara. Reka bentuk ini menghapuskan keperluan reformer ammonia gas, sekali gus memudahkan sesetengah aplikasi. Ia disasarkan untuk pendorongan marin, bekalan kuasa luar grid dan kenderaan tugas berat, dengan rancangan penggunaan bagi 2027 masih dalam penelitian.

Membina rantaian bekalan: kapal, tangki dan kilang

Perdagangan hidrogen berskala besar akan bergantung pada kapal dan kemudahan penyimpanan khusus. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering memperoleh Kelulusan Prinsip daripada American Bureau of Shipping bagi tangki pembawa hidrogen yang menggunakan penebat vakum untuk mengekalkan suhu kriogenik sekitar minus 253 C. Syarikat itu dan rakan kongsinya sedang mengkaji kapal pembawa hidrogen cecair berkapasiti 80,000 meter padu. Kemajuan tangki hidrogen cecair berjalan seiring dengan armada kapal pembawa ammonia sedia ada, yang boleh menyokong penghantaran tenaga secara selari.

Kapasiti pembuatan di darat juga sedang ditingkatkan. Hyundai Motor mula membina kemudahan baharu di Ulsan untuk menghasilkan sel bahan api hidrogen generasi seterusnya dan elektroliser membran elektrolit polimer. Projek itu melibatkan pelaburan lebih daripada 644 juta dolar. Kilang tersebut dijadual siap pada 2027 dan menghasilkan kira-kira 30,000 unit sel bahan api setiap tahun. Matlamatnya adalah untuk meningkatkan prestasi dan mengurangkan kos, serta menempatkan teknologi utama pengeluaran hidrogen di Korea.

Apa kata pemimpin industri

Para eksekutif HD KSOE melihat pencapaian penting tangki itu sebagai sebahagian daripada usaha lebih luas untuk menyahkarbonkan pengangkutan tenaga.

Kami akan terus bekerjasama dengan syarikat global terkemuka untuk memacu peralihan tenaga dan mencapai matlamat sifar bersih.

Gabungan tangki, enjin dan pembuatan sel bahan api baharu menunjukkan usaha terselaras untuk mengembangkan projek perintis menjadi rantaian bekalan penuh.

Pengeluaran hidrogen bersih semakin pelbagai di Korea

Makmal Korea sedang memajukan pelbagai laluan penghasilan hidrogen bersih. Institut Jentera dan Bahan Korea membangunkan sistem elektrolisis oksida pepejal 20 kilowatt yang menghasilkan hidrogen dengan cekap selama lebih 3,000 jam. Elektrolisis oksida pepejal beroperasi pada suhu tinggi, membolehkannya menggunakan haba daripada proses industri untuk mengurangkan penggunaan elektrik. Pendekatan ini sesuai digabungkan dengan kilang keluli dan loji kimia.

Pasukan lain pula meneroka kimia pelengkap. Saintis di KIER melaporkan pemangkin yang menukarkan karbon dioksida kepada karbon monoksida, bahan utama untuk bahan api sintetik. Kumpulan akademik telah menunjukkan kaedah menghasilkan ammonia hijau pada suhu bilik menggunakan sel elektrokimia. Negara termasuk Jepun dan Korea telah menyatakan minat untuk mengimport ammonia hijau yang dikaitkan dengan projek tenaga angin dan solar, memandangkan molekul ini lebih mudah disimpan dan dihantar berbanding hidrogen.

Ammonia mesti bersih untuk merealisasikan manfaat iklim

Ada satu perkara penting yang perlu diberi perhatian. Ammonia yang dihasilkan daripada hidrogen fosil mempunyai jejak karbon yang besar. Memecahkan ammonia itu di destinasi tidak menghapuskan pelepasan huluan tersebut. Penganalisis turut mengingatkan bahawa pembakaran bersama ammonia atau hidrogen di loji janakuasa arang batu atau gas hanya memberikan manfaat iklim yang kecil setelah mengambil kira keseluruhan kos tenaga dan logistik. Kegunaan awal hidrogen yang paling berpotensi ialah sektor yang sukar dielektrikkan, seperti keluli, bahan kimia, pengangkutan laut dan penyimpanan tenaga bermusim. Para perancang Korea sedang menimbang pertukaran itu ketika menetapkan sasaran dan piawaian.

Risiko, kecekapan dan perkara yang perlu diperhatikan seterusnya

Penggunaan tenaga ialah ukuran penting. Ujian pemecahan ammonia di Ulsan melaporkan penggunaan kira-kira 11 kilowatt jam bagi setiap kilogram hidrogen, dengan reka bentuk menyasarkan 8 kWh bagi setiap kilogram. Angka yang lebih rendah akan mengurangkan kos. Sebagai perbandingan, nilai pemanasan rendah hidrogen ialah kira-kira 33 kilowatt jam bagi setiap kilogram. Penambahbaikan pemangkin, penyepaduan haba dan pemanasan elektrik boleh mengurangkan penalti tenaga bagi proses pemecahan.

Keselamatan dan pelepasan memerlukan reka bentuk yang teliti. Ammonia beracun dan berbau kuat, maka pengendali memerlukan pemantauan, pengudaraan dan pelan kecemasan. Apabila digunakan dalam enjin, rawatan selepas pembakaran diperlukan untuk mengawal nitrogen oksida. Pengendali akan memantau ketahanan pemangkin dan membran serta jadual penyelenggaraan pemampat dan pam. Syarikat sedang mereka bentuk sistem pemecahan yang beroperasi sepenuhnya dengan elektrik, sekali gus memudahkan penggunaannya dengan tenaga angin dan solar. KIER juga sedang mengkaji sel bahan api hidrogen untuk bangunan, menunjukkan bahawa penggunaan dalam pengangkutan dan bekalan kuasa pegun mungkin berkembang serentak.

Perkara Utama

• KIER menunjukkan proses pemecahan ammonia pada suhu hampir 600 C yang menghasilkan hidrogen dengan ketulenan 99.97 peratus tanpa membakar bahan api fosil pada titik penukaran.
• Proses ini menggunakan pemangkin rutenium dan penjerapan ayunan tekanan untuk menulenkan hidrogen bagi sel bahan api.
• Syzygy dan Lotte menguji sistem pemecahan serba elektrik di Ulsan dengan kecekapan 81 peratus, penukaran 99 peratus, pengeluaran kira-kira 290 kilogram sehari dan penggunaan tenaga sekitar 11 kWh bagi setiap kilogram, dengan reka bentuk menyasarkan 8.
• Ammonia berfungsi sebagai pembawa hidrogen yang praktikal kerana ia mencair dalam keadaan sederhana dan mempunyai infrastruktur pengangkutan global yang mantap.
• KIMM, Hyundai dan Kia memperkenalkan enjin tekanan tinggi yang menggunakan ammonia tulen, dengan rawatan selepas pembakaran untuk mengurangkan pelepasan, disasarkan bagi kegunaan marin, luar grid dan tugas berat menjelang 2027.
• HD KSOE menerima Kelulusan Prinsip bagi tangki hidrogen cecair bersaiz besar dan sedang mengkaji konsep kapal pembawa berkapasiti 80,000 meter padu.
• Hyundai sedang membina kilang bernilai 644 juta dolar di Ulsan untuk menghasilkan sel bahan api dan elektroliser membran elektrolit polimer, dengan sasaran mengeluarkan 30,000 unit sel bahan api setahun menjelang 2027.
• Korea turut memajukan elektrolisis oksida pepejal untuk hidrogen hijau serta pemangkin untuk menukarkan karbon dioksida kepada bahan asas bagi bahan api bersih.
• Penganalisis mengingatkan bahawa pembakaran bersama hidrogen atau ammonia di loji janakuasa bahan api fosil menawarkan manfaat iklim yang terhad setelah tenaga rantaian bekalan diambil kira. Oleh itu, kegunaan utama termasuk sektor keluli, bahan kimia, pengangkutan laut dan penyimpanan bermusim.
• Perkara utama yang perlu diperhatikan termasuk penggunaan tenaga bagi setiap kilogram dalam proses pemecahan, kawalan nitrogen oksida, amalan keselamatan pengendalian ammonia, sumber ammonia hijau dan demonstrasi berskala besar.