Seramik Penghasil Tenaga

Oleh : Azreen Junaida Abd Aziz & Dr Nurul Akidah Baharuddin
Institut Sel Fuel, Universiti Kebangsaan Malaysia

Bahan seramik seringkali dikaitkan dengan pembuatan tembikar, pasu dan pinggan mangkuk. Pembuatan tembikar menggunakan bahan seramik memang tidak asing lagi dengan sejarah peradaban negara khasnya dan dunia amnya. Negeri Perak dan Sarawak begitu terkenal dalam pembuatan tembikar menggunakan bahan seramik sejak dahulu sehingga sekarang. Di dalam sejarah dunia, bahan seramik telah diguna sejak zaman Neolitik untuk menghasilkan pelbagai jenis tembikar yang digunakan dalam kehidupan seharian masyarakat ketika itu. Teknologi pembuatan tembikar menggunakan bahan seramik juga semakin berkembang sehingga pinggan mangkuk yang dihasilkan daripada bahan seramik semakin mendapat tempat di hati kebanyakan masyarakat di seluruh dunia. Namun, tahukah anda, bahan seramik ini mampu dijadikan sebagai bahan utama menghasilkan elektrik?. Kedengaran aneh, tetapi teknologi ini sudah mula diguna pakai dan diaplikasikan dalam kehidupan seharian di banyak negara luar seperti Jepun, Rusia dan Amerika Syarikat.

Seramik terdiri daripada pelbagai bahan berasaskan alam semula jadi. Kebanyakkan bahan seramik terdapat sebagai mineral asli di muka bumi dan setiap negara mempunyai bahan seramik yang berbeza komposisi kimia serta strukturnya. Sebagai contoh, bauksit yang menjadi kegemparan suatu ketika dahulu di Kuantan, Pahang. Bauksit menghasilkan alumina yang banyak digunakan untuk menghasilkan perkakasan dan bahan ujian di dalam makmal sains. Kajian berkaitan keupayaan bahan seramik dijadikan peralatan memasak telah lama dijalankan dan diaplikasikan dalam kehidupan seharian kita. Jenama terkenal dunia seperti Tefal, Greenpan dan Scanpan sudah tidak asing lagi kelihatan di dapur-dapur moden kini.  Terbaru, seramik acap kali kedengaran digunakan dalam teknologi elektrik seperti menjadi penebat yang baik. Di sisi lain pula, sesetengah bahan seramik mempunyai ciri konduktor yang baik. Ciri ini menjadikannya sebagai antara bahan yang diaplikasikan penggunaannya di dalam pembuatan komponen elektrik.

Kebanyakan di antara kita biasa menyaksikan bagaimana tembikar yang telah dibentuk daripada tanah liat (bahan seramik) akan dibakar didalam relau pembakar dengan api yang sangat marak dan semestinya mempunyai suhu yang sangat tinggi. Proses ini dikatakan akan mematikan tanah liat seterusnya tembikar yang terbentuk bolehlah dijadikan perhiasan yang tahan lama. Bahkan ada tembikar yang telah diwariskan turun-temurun dan dari generasi ke generasi. Ini adalah antara ciri-ciri yang dimiliki oleh bahan seramik iaitu mempunyai keupayaan menahan suhu yang tinggi di antara 1000°C hingga 1600°C. Ciri ini menjadikan bahan seramik mampu bertahan utuh dengan sifat-sifat fizikal, mekanikal dan morfologinya. Mampu bertahan pada suhu yang sangat tinggi dan mengekalkan sifat-sifatnya, seramik dilihat sebagai suatu bahan yang sangat sesuai untuk dijadikan sebagai bahan bakar pengalir elektrik terutamanya untuk teknologi yang beroperasi pada suhu yang sangat tinggi.

Mari kita mengenali satu teknologi hijau untuk menghasilkan elektrik yang semakin mendapat tempat di mata dunia. Hampir menyerupai sel bateri litium yang kerap kali kita gunakan, sel ini lebih berskala besar dan mampu menggantikan sistem grid bekalan elektrik kepada pengguna secara komersial. Sel bahan bakar yang juga dikenali sebagai sel bahan api dan sel fuel merupakan salah satu teknologi menghasilkan tenaga elektrik menggunakan tindak balas elektrokimia yang seterusnya menghasilkan elektrik. Elektron yang dipecahkan daripada molekul hidrogen dengan tindak balas bersama oksigen di dalam litar akan dialirkan melalui tindak balas elektrokimia, natijahnya menghasilkan elektrik.Teorinya begitu mudah, namun hasilnya begitu hebat!.

Sel fuel terdiri daripada beberapa komponen iaitu elektrolit dan diapit oleh dua elektrod yang dinamakan katod dan anod. Terdapat pelbagai jenis sel fuel yang setiap satunya dibezakan oleh jenis bahan elektrolit yang digunakan. Bagi sel fuel berasaskan seramik atau lebih dikenali sebagai sel fuel oksida pepejal, kesemua komponen utama sel dihasilkan daripada bahan berasaskan seramik yang berkualiti tinggi serta mempunyai ciri-ciri pemilihan fizikal, mekanikal, elektrik dan morfologi yang sesuai. Sel fuel ini sangat mesra alam memandangkan hanya menghasilkan elektrik dan membebaskan air serta haba sebagai bahan buangan. Hampir tidak ada karbon yang dibebaskan melalui proses penghasilan elektrik ini. Inilah teknologi yang boleh diistiharkan sebagai sangat mesra alam jika ukurannya pada kadar pembebasan karbon ke alam sejagat. Bahan buangan juga bukanlah dibuang terus, sebaliknya diguna pakai untuk proses lain yang memerlukan haba dan air yang panas.Contohnya air panas untuk mengewap bahan masakan di dapur komersial agar makanan terus kekal panas. Haba juga boleh dialirkan untuk teknologi penghasilan tenaga elektrik yang lain yang memerlukan suapan haba.

Sel fuel oksida pepejal tidak perlu dicas sebagaimana bateri biasa sebaliknya pembekalan tenaga elektrik akan terus dijana selama mana fuel disuapkan ke dalam sistemnya.  Walau bagaimanapun, suhu operasi teknologi sel fuel oksida pepejal ini sangat tinggi iaitu sekitar 500°C – 1000°C. Sekarang kita dapat lihat kenapa seramik sesuai dijadikan bahan asas dalam penghasilan komponen sel fuel oksida pepejal. Keupayaan menahan suhu operasi yang tinggi tidak syak lagi menyebabkan bahan seramik muncul sebagai bahan baru untuk menghasilkan elektrik yang berkapasiti tinggi dan efektif.

Kelebihan teknologi sel fuel berasaskan seramik ini ialah kuasa elektrik yang dihasilkan adalah tinggi bagi memenuhi keperluan penggunaan domestik dan kadar kecekapan penghasilan tenaganya juga tinggi iaitu mencakupi sehingga 60%. Tidak banyak pembuangan tenaga terjadi ketika proses berlangsung. Kos penyelenggaraan sistem sel fuel oksida pepejal ini juga dijangka sangat minima kerana tidak menggunakan sebarang alat mekanikal bergerak yang memerlukan penyelenggaraan yang lebih kerap. Semua proses berlaku secara elektrokimia di dalam sistemnya sendiri. Bahkan kebarangkalian untuk berlaku kebocoran juga sangat minima kerana sel fuel oksida pepejal menggunakan seramik pepejal dan bukanlah cecair. Kadar kebocoran menjadi tinggi sekiranya bahan yang digunakan adalah cecair.

Di Jepun, sebuah daerah yang bernama Yanamashi di kaki gunung Fuji telah diistiharkan sebagai lembah sel fuel. Pelan untuk menjadikan Yamanashi sebagai bandar yang menggunakan sepenuhnya teknologi sel fuel telah menggarapkan penggunaan kesemua hasil daripada teknologi ini untuk mengupayakan penggunaan tenaga elektrik disitu. Elektrik rumah dikuasakan oleh teknologi sel fuel, kereta bergerak menggunakan teknologi sel fuel dan juga peralatan pertanian sepenuhnya diupayakan dengan teknologi sel fuel. Lembah ini dijangka akan menjadi yang pertama seumpamanya dalam menggunakan sepenuhnya teknologi sel fuel berbagai jenis.

Seramik terbahagi kepada tiga kategori bahan iaitu oksida, bukan oksida dan bahan campuran. Seramik oksida terdiri daripada alumina, berilium, seria dan zirkonia. Seramik bukan oksida pula terdiri daripada borida, nitrat dan silika manakala seramik campuran terdiri daripada bahan diperkuatkan, fiber diperkuatkan dan kombinasi bahan oksida dan bukan oksida. Menariknya, dalam penghasilan komponen sel fuel oksida pepejal, keseluruhan komponennya yang melibatkan elektrolit, katod dan anod adalah diperbuat daripada bahan seramik. Antara bahan seramik yang popular digunakan dalam penghasilan bahan sel fuel ini ialah zirkonia, seria, lantanum, strontium dan banyak lagi.

Sel fuel oksida pepejal yang dibangunkan pada masa kini lebih terjurus kepada sel pegun. Sel pegun ialah sel yang dibina di sesuatu kawasan dan tidak dialihkan sepanjang operasi penggunaannya. Dengan menyasarkan untuk bekalan tenaga elektrik domestik, sel pegun ini kebiasaannya mampu menghasilkan tenaga antara 1kW sehingga 10MW. Keupayaan ini bergantung kepada jumlah sel tunggal yang digunakan untuk membentuk timbunan sel yang seterusnya akan menyalurkan tenaga elektrik mengikut keperluan. Untuk pembangunan sel-sel mudah alih bagi kegunaan seperti telefon mudah alih dan komputer riba pula, kajian yang lebih mendalam aktif dijalankan oleh para penyelidik di seluruh dunia. Ini kerana, sel fuel oksida pepejal dicipta untuk membekalkan tenaga pada kadar yang tinggi dan kegunaan yang besar seperti rumah, hotel dan industri. Sel mudah alih pula haruslah mampu beroperasi pada suhu yang rendah, sedangkan sel fuel oksida pepejal berasaskan seramik ditemui bekerja baik pada suhu yang sangat tinggi. Namun, usaha untuk menurunkan suhu operasi ini tidak pernah dipandang enteng oleh penyelidik masa kini. Pelbagai campuran seramik dihasilkan dengan objektif untuk berupaya beroperasi pada suhu yang rendah giat dilaksanakan.

Di Universiti Kebangsaan Malaysia, teknologi ini secara aktif dijalankan kajian oleh sekumpulan penyelidik dari Institut Sel Fuel (Kumpulan Sel Fuel Oksida Pepejal). Tumpuan diberikan untuk menghasilkan bahan seramik berkeupaayaan tinggi yang mampu beroperasi pada suhu sederhana dan rendah bagi memenuhi keperluan tenaga diperbaharui negara untuk masa hadapan. Teknologi ini diyakini mampu memberi manfaat kepada negara selaras dengan hasrat negara untuk mengurangkan pembebasan karbon. Kemampuan teknologi sel fuel oksida pepejal ini menghasilkan tenaga elektrik dengan kecekapan yang tinggi dijangkakan akan menjadi pembekal tenaga boleh diperbaharui masa hadapan. Kadar kebergantungan kepada tenaga tidak boleh diperbaharui diharap dapat dikurangkan apabila teknologi sel fuel ini mengambil tempatnya dalam penghasilan tenaga elektrik hijau negara. Ini sekaligus akan mengurangkan pembebasan karbon ke udara kita. Ia dilihat lebih bersifat hijau dan mesra alam.

Kredit foto : Azreen Junaida Abd Aziz & Dr Nurul Akidah Baharuddin

*penulis boleh dihubungi menerusi email p102345@siswa.ukm.edu.my / akidah@ukm.edu.my