Hydrogen: Pryd mae tanwydd carbon isel yn fwyaf defnyddiol ar gyfer datgarboneiddio?

Ai hydrogen yw’r ateb ar gyfer dyfodol carbon isel, neu a yw’n  tynnu sylw oddi wrth ddatrysiadau go iawn? Mae un peth yn sicr – rhaid i'r glo, yr olew a'r nwy naturiol sydd ar hyn o bryd yn pweru llawer o fywyd bob dydd gael eu diddymu'n raddol o fewn y degawdau nesaf.  O'r ceir yr ydyn ni’n eu gyrru i'r ynni sy'n cynhesu ein cartrefi, mae'r tanwyddau ffosil hyn wedi'u gwreiddio'n ddwfn yn y gymdeithas, a'r economi fyd-eang. Ond ai'r ateb gorau ym mhob achos i'w defnyddio hydrogen yn eu lle – tanwydd sydd yn cynhyrchu anwedd dŵr yn unig, a dim CO₂, pan gaiff ei losgi?

Dyma chwe arbenigwr ym maes peirianneg, ffiseg a chemeg yn mynd i’r afael â’r cwestiwn.

Diwydiant trwm

Stephen Carr, Darlithydd mewn Ffiseg Ynni, Prifysgol De Cymru

Diwydiant yw'r sector sydd ail waethaf o ran creu llygredd yn y DU ar ôl trafnidiaeth. Mae’n gyfrifol am 21% o gyfanswm allyriadau carbon y DU. Daw cyfran fawr o'r allyriadau hyn o brosesau sy'n ymwneud â gwres, boed yn tanio odynau i dymheredd uchel iawn i gynhyrchu sment neu’n creu stêm i'w ddefnyddio mewn ffyrnau sy'n gwneud bwyd.  Mae'r rhan fwyaf o'r gwres hwn yn cael ei gynhyrchu ar hyn o bryd drwy ddefnyddio nwy naturiol, y bydd angen ei gyfnewid â thanwydd di-garbon, neu drydan.

Gadewch i ni edrych yn fanwl ar un diwydiant: cynhyrchu cerameg. Yma, mae angen gwres o dymheredd uchel ac uniongyrchol, lle mae'r fflam neu nwyon poeth yn cyffwrdd â'r deunydd sy'n cael ei wresogi.  Llosgwyr nwy naturiol sy’n cael eu defnyddio ar hyn o bryd ar gyfer hyn. Gall biomas gynhyrchu gwres di-garbon, ond mae cyflenwadau biomas yn gyfyngedig ac nid dyma’r ffordd orau o wresogi’n uniongyrchol. Byddai defnyddio odyn trydan yn effeithlon, ond byddai'n golygu ailwampio'r offer presennol.  Mae costau cymharol uchel hefyd ynghlwm wrth gynhyrchu trydan.

Gallai cyfnewid nwy naturiol â hydrogen mewn llosgwyr fod yn rhatach yn gyffredinol, a dim ond ychydig o newidiadau fyddai eu hangen i offer. Mae’r Pwyllgor ar y Newid yn yr Hinsawdd, sy'n cynghori Llywodraeth y DU, yn adrodd y gallai hydrogen ddisodli 90 TWh o ynni tanwydd ffosil diwydiannol y flwyddyn (sy'n cyfateb i gyfanswm defnydd blynyddol Cymru) erbyn 2040. Hydrogen fydd yr opsiwn rhataf yn y rhan fwyaf o achosion, ac ar gyfer 15 TWh o ynni tanwydd ffosil diwydiannol, hydrogen yw'r unig ddewis amgen addas.

Mae hydrogen eisoes yn cael ei ddefnyddio mewn prosesau diwydiannol fel mireinio olew, lle mae'n cael ei ddefnyddio i adweithio â chyfansoddion sylffwr diangen a'u dileu. Gan fod y rhan fwyaf o hydrogen sy’n cael ei ddefnyddio ar hyn o bryd yn y DU yn deillio o danwyddau ffosil, bydd angen cynyddu capasiti ynni adnewyddadwy i ddarparu hydrogen gwirioneddol wyrdd cyn iddo allu disodli'r tanwyddau ffosil uchel eu carbon sy'n pweru prosesau diwydiannol.

Mae'r un rheol yn berthnasol i bob un o'r sectorau hyn – dim ond mor wyrdd â'r broses a'i cynhyrchodd y mae hydrogen.  Bydd hydrogen gwyrdd yn rhan o'r ateb ar y cyd â thechnolegau a mesurau eraill, gan gynnwys batris lithiwm-ion, ac effeithlonrwydd ynni. Ond bydd y tanwydd carbon isel yn fwyaf defnyddiol o ran datgarboneiddio'r mannau hynny sy'n anodd eu cyrraedd ar hyn o bryd, megis cerbydau trwm a ffwrneisi diwydiannol.

Ffyrdd a Rheilffyrdd

Hu Li, Athro Cysylltiol Peirianneg Ynni, Prifysgol Leeds

Daeth trafnidiaeth i fod yn brif ffynhonnell allyriadau nwyon tŷ gwydr y DU yn 2016, gan gyfrannu tua 28% o gyfanswm y wlad.

Gallai disodli peiriannau hylosgi mewnol ceir teithwyr a cherbydau ysgafn gyda batris gyflymu'r broses o ddatgarboneiddio trafnidiaeth ffyrdd, ond nid yw trydaneiddio'n opsiwn cystal ar gyfer cerbydau trwm fel lorïau a bysiau. O'i gymharu â gasolin a disel, mae dwysedd ynni batri (a fesurir mewn megajouliau fesul cilogram) yn 1% yn unig. Ar gyfer lori 40 tunnell, mae angen ychydig dros bedair tunnell o gelloedd batri lithiwm-ion am ystod o 800 cilometr, o'i gymharu â dim ond 220 cilogram o ddisel.

Gyda Llywodraeth y DU yn bwriadu gwahardd cerbydau tanwydd ffosil o 2035, gallai celloedd tanwydd hydrogen gyfrannu’n fawr at ddatgarboneiddio prosesau cludo nwyddau a thrafnidiaeth gyhoeddus, lle mae 80% o'r galw am hydrogen yn y maes trafnidiaeth yn debygol o fod.

Mae cell danwydd yn cynhyrchu trydan drwy adwaith cemegol rhwng yr hydrogen a'r ocsigen sydd wedi eu storio, ac mae’n cynhyrchu dŵr ac aer poeth fel sgil-gynnyrch. Mae gan gerbydau sy'n cael eu pweru gan gelloedd tanwydd hydrogen ystod yrru debyg a gellir rhoi tanwydd newydd iddynt yr un mor gyflym â cherbydau peiriannau hylosgi mewnol, rheswm arall pam mae tanwydd hydrogen yn ddefnyddiol ar gyfer trafnidiaeth trwm a thros bellteroedd hir.

Gellir cludo tanwydd hydrogen fel nwy hylifol neu gywasgedig gan bibellau nwy naturiol sydd eisoes ar waith, a fydd yn arbed miliynau ar seilwaith ac yn golygu y gellir dechrau eu defnyddio’n gynt.  Gall peiriannau hylosgi mewnol presennol hyd yn oed ddefnyddio hydrogen, ond mae problemau gyda chwistrelliad tanwydd, llai o allbwn pŵer, storio ac allyriadau ocsidiau nitrogen (NOₓ), sy'n gallu adweithio yn yr is-atmosffer i ffurfio osôn – nwy tŷ gwydr. Dylid anelu yn y pen draw at ddisodli peiriannau hylosgi mewnol gyda chelloedd tanwydd hydrogen mewn cerbydau sy'n rhy fawr ar gyfer batris lithiwm-ion. Ond yn y cyfamser, gallai eu defnyddio ar y cyd â thanwyddau eraill neu ddefnyddio dulliau disel-hydrogen hybrid helpu i leihau allyriadau.

Mae'n bwysig iawn ystyried o ble y daw'r hydrogen, fodd bynnag. Gellir cynhyrchu hydrogen drwy rannu dŵr â thrydan mewn proses o'r enw electrolysis. Os yw’r trydan yn cael ei gynhyrchu gan ffynonellau adnewyddadwy fel solar a gwynt, gelwir y tanwydd dilynol yn hydrogen gwyrdd.  Gellir ei ddefnyddio ar ffurf nwy hylifol neu gywasgedig a'i droi'n fethan, methanol, amonia a thanwydd hylifol synthetig eraill.

Ond mae bron pob un o'r 27 o oriau-terawat (TWh) o hydrogen a ddefnyddir yn y DU ar hyn o bryd yn cael ei chynhyrchu drwy danwyddau ffosil, sy'n cynhyrchu naw tunnell o CO₂ am bob tunnell o hydrogen.  Dyma'r opsiwn rhataf ar hyn o bryd, er bod rhai arbenigwyr yn rhagweld y bydd hydrogen gwyrdd yn gystadleuol o ran cost erbyn 2030. Yn y cyfamser, bydd angen i lywodraethau gynyddu'r gwaith o gynhyrchu cerbydau â chelloedd tanwydd hydrogen a thanciau storio ac adeiladu llawer o bwyntiau cyflenwi tanwydd i gerbydau.

Gall hydrogen chwarae rhan allweddol yn y gwaith o ddatgarboneiddio teithio ar y rheilffyrdd hefyd, ynghyd â thanwyddau carbon isel eraill, megis biodanwyddau.  Yn y DU, mae 6,049 cilometr o brif linellau trên yn cael eu pweru gan drydan – mae hynny'n 38% o'r cyfanswm.  Mae trenau sy'n cael eu pweru gan gelloedd tanwydd hydrogen yn opsiwn, heb allyriadau, yn lle trenau disel.

Y Coradia iLint, a ddaeth i wasanaeth masnachol yn yr Almaen yn 2018, yw trên hydrogen cyntaf y byd.  Yn ddiweddar, lansiodd y DU brofion prif linell ar eu trên hydrogen eu hunain, er mai nod treial y DU yw ôl-ffitio trenau disel presennol yn hytrach na dylunio ac adeiladu rhai cwbl newydd.

Hedfan

Valeska Ting, Athro Nanoddeunyddiau Clyfar, Prifysgol Bryste

O'r holl sectorau y mae angen i ni eu datgarboneiddio, efallai mai teithio awyr yw'r mwyaf heriol.  Er y gall ceir a chychod newid yn realistig i fatris neu dechnolegau hybrid, mae pwysau hyd yn oed y batris ysgafnaf yn gwneud teithiau awyr trydan hir yn anodd.

Mae awyrennau cysyniadol un sedd fel y Solar Impulse yn cynhyrchu eu hynni o'r haul, ond ni allant gynhyrchu digon ar sail effeithlonrwydd celloedd solar yn unig ar hyn o bryd, felly mae'n rhaid iddynt hefyd ddefnyddio batris. Ymhlith yr opsiynau eraill mae tanwydd synthetig neu fiodanwyddau, ond gallai'r rhain ohirio neu leihau allyriadau carbon, yn hytrach na'u dileu'n gyfan gwbl, fel y gallai tanwydd di-garbon fel hydrogen gwyrdd.

Mae hydrogen yn ysgafn iawn ac mae'n cynnwys tair gwaith mwy o ynni fesul cilogram na thanwydd jet, a dyna pam y mae'n cael ei ddefnyddio'n draddodiadol i bweru rocedi. Mae cwmnïau gan gynnwys Airbus eisoes yn datblygu awyrennau masnachol heb allyriadau sy'n rhedeg ar hydrogen. Mae hyn yn cynnwys ailgynllunio eu fflyd yn radical  i ddarparu ar gyfer tanciau tanwydd hydrogen hylifol.

Fodd bynnag, mae rhai heriau technegol. Mae hydrogen yn nwy ar dymheredd ystafell, felly mae angen tymheredd isel iawn ac offer arbennig i'w storio fel hylif. Mae hynny'n golygu mwy o bwysau, ac o ganlyniad, mwy o danwydd. Fodd bynnag, mae ymchwil rydym yn ei wneud yn y Bristol Composites Institute yn helpu gyda dylunio cydrannau awyrennau ysgafn wedi eu creu o ddeunyddiau cyfansawdd. Rydym hefyd yn edrych ar ddeunyddiau nanohydraidd sy'n gweithredu fel sbyngau moleciwlaidd, yn amsugno ac yn storio hydrogen ar ddwyseddau uchel fydd yn gallu cael ei storio mewn awyrennau gaiff eu dylunio yn y dyfodol.

Mae Ffrainc a’r Almaen yn buddsoddi biliynau mewn awyrennau teithwyr wedi eu pweru gan hydrogen. Ond er bod diwydiant yn prysur ddatblygu’r awyrennau newydd hyn, bydd angen i feysydd awyr rhyngwladol hefyd fuddsoddi'n gyflym mewn seilwaith i storio a darparu hydrogen hylifol i'w hail-danwyddo.  Mae perygl y gallai fflydoedd o awyrennau hydrogen gael eu creu cyn bod cadwyn cyflenwi tanwydd ddigonol i'w cynnal.

Gwresogi

Tom Baxter, Uwch Ddarlithydd er Anrhydedd mewn Peirianneg Cemegol, Prifysgol Aberdeen ac  Ernst Worrell, Athro Ynni, Adnoddau a Newid Technolegol, Prifysgol Utrecht

Os yw argymhellion  Grŵp Seneddol yr Holl Bleidiau ar Hydrogen yn cael eu derbyn, mae Llywodraeth y DU yn debygol o gefnogi hydrogen fel tanwydd newydd ar gyfer gwresogi adeiladau yn ei phapur gwyn nesaf. Yr opsiwn arall ar gyfer datgarboneiddio rhwydwaith gwresogi nwy Prydain yw trydan. Felly pa un sy'n debygol o fod y dewis gorau – boeler hydrogen ym mhob cartref neu bwmp gwres trydan?

Yn gyntaf, mae angen ystyried pris tanwydd.  Pan fo hydrogen yn cael ei gynhyrchu drwy electrolysis, mae rhwng 30-40% o'r egni trydan gwreiddiol yn cael ei golli. Gall un cilowat-awr (kWh) o drydan mewn pwmp gwres gynhyrchu 3-5 kWh o wres, tra bo’r un kWh o drydan yn creu dim ond 0.6-0.7 kWh o wres gyda boeler hydrogen.  Mae hyn yn golygu y bydd angen pedair gwaith mwy o dyrbinau a phaneli solar i wresogi cartref drwy danwydd hydrogen o’i gymharu â phwmp gwres.  Gan fod angen cymaint llai o egni ar bympiau gwres yn gyffredinol i gyflenwi'r un faint o wres, mae'r angen i storio ynni gwyrdd wrth gefn lawer yn llai. Hyd yn oed os gellir lleihau'r colledion hyn drwy dechnoleg uwch, bydd hydrogen yn parhau'n gymharol ddrud, o ran ynni ac arian.

Felly nid yw defnyddio hydrogen i wresogi cartrefi yn rhad i ddefnyddwyr.  Mae’n wir bod cost uwch ar y dechrau i osod pwmp gwres trydan. Gallai hynny fod yn anfantais ddifrifol i aelwydydd sy'n cyfri’r ceiniogau, er bod pympiau gwres yn cynhesu eiddo gan ddefnyddio tua chwarter yr ynni sydd ei angen ar gyfer hydrogen. Dros amser, byddai biliau tanwydd is yn talu ar ei ganfed, o ran y gost gosod gychwynnol.

Nid yw disodli nwy naturiol â hydrogen yn rhwydwaith gwresogi'r DU yn debygol o fod yn syml ychwaith.  Fesul cyfaint, mae dwysedd ynni nwy hydrogen tua thraean nwy naturiol, felly bydd trosi i hydrogen nid yn unig yn gofyn am foeleri newydd, ond hefyd yn gofyn am fuddsoddi mewn gridiau i gynyddu faint o danwydd y gallant ei ddarparu.  Mae’r ffaith bod moleciwlau hydrogen mor fach yn golygu eu bod yn llawer mwy tueddol o ollwng nag yw moleciwlau nwy naturiol. Gallai sicrhau bod y system dosbarthu nwy bresennol yn addas ar gyfer hydrogen fod yn eithaf costus.

Mewn tai dwysedd uchel dinesig, gallai systemau gwresogi ardal – yn dosbarthu gwres gwastraff o weithfeydd pŵer a ffatrïoedd i gartrefi – fod yn well opsiwn mewn hinsawdd sy’n cynhesu, gan eu bod, fel pympiau gwres, yn gallu oeri cartrefi yn ogystal â'u cynhesu.

Yn anad dim, mae hyn yn pwysleisio pwysigrwydd effeithlonrwydd ynni, yr hyn y mae'r Asiantaeth Ynni Ryngwladol yn ei alw'n danwydd cyntaf adeiladau. Ôl-ffitio adeiladau gydag inswleiddiad i'w gwneud yn effeithlon o ran ynni a newid boeleri am bympiau gwres yw'r llwybr mwyaf addawol i'r mwyafrif helaeth o adeiladau.  Dylid cadw hydrogen ar gyfer ei ddefnyddio mewn sefyllfaoedd lle nad oes llawer o opsiynau gwahanol, neu ddim dewis o gwbl.  Nid yw gwresogi gofod cartrefi ac adeiladau, ac eithrio mewn enghreifftiau prin fel cartrefi arbennig o hen, yn un o’r sefyllfaoedd hynny.

Storio trydan ac ynni

Petra de Jongh, Athro Catalyddion a Deunyddiau Storio Ynni, Prifysgol Utrecht

Mae gan danwydd ffosil rai nodweddion sy'n ymddangos yn amhosibl eu curo.  Maen nhw'n llawn ynni, maen nhw'n hawdd eu llosgi ac maen nhw'n gydnaws â'r rhan fwyaf o beiriannau a generaduron.  Mae cynhyrchu trydan drwy ddefnyddio nwy, olew neu lo yn rhad, ac mae'n cynnig sicrwydd llwyr ynghylch faint o drydan a gewch ar unrhyw adeg, a'r gallu i’w reoli.

Nod oes gennym, ar y llaw arall, ryw lawer o reolaeth dros faint o drydan gwynt neu solar y gallwn ei gynhyrchu.  Mae'n anodd hyd yn oed ragweld yn ddigonol pryd y bydd yr haul yn disgleirio neu y bydd y gwynt yn chwythu, felly mae allbwn pŵer adnewyddadwy yn amrywio.  Dim ond ychydig o amrywiadau y gall gridiau trydan eu goddef, felly mae gallu storio trydan yn allweddol i’r newid o danwydd ffosil.

Mae hydrogen yn ymddangos yn ddelfrydol ar gyfer ymateb i'r her hon. O'i gymharu â batris, mae capasiti storio hydrogen yn ddiderfyn – nid yw'r trydaneiddiwr sy'n ei gynhyrchu o ddŵr byth yn llenwi. Gellir trosi hydrogen yn ôl i drydan drwy ddefnyddio cell danwydd hefyd, er bod cryn dipyn o ynni'n cael ei golli yn y broses.

Yn anffodus, hydrogen yw'r nwy ysgafnaf ac felly mae'n anodd ei storio a'i gludo.  Gellir ei hylifo neu ei storio ar bwysedd mawr iawn. Ond wedyn mae'r gost – mae hydrogen gwyrdd yn dal i fod ddwy i dair gwaith yn ddrutach na'r ynni a gynhyrchir o nwy naturiol, ac mae'r costau hyd yn oed yn uwch os mai dim ond yn ysbeidiol y defnyddir trydaneiddiwr.  Yn ddelfrydol, gallem adael i hydrogen adweithio gyda CO₂, naill ai wedi'i gipio o'r awyr neu wedi'i gymryd o nwyon hylifol, i gynhyrchu tanwyddau hylif adnewyddadwy niwtral o ran carbon, opsiwn yr ydym yn ymchwilio iddo yn Sefydliad Debye ym Mhrifysgol Utrecht.