เกี่ยวกับพลังงานรุ่นใหม่ ไฮโดรเจน

เราจะมาแนะนำ “ไฮโดรเจน” พลังงานรุ่นใหม่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไฮโดรเจนแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ “ไฮโดรเจนสีเขียว” “ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน” และ “ไฮโดรเจนสีเทา” ซึ่งแต่ละประเภทมีวิธีการผลิตที่แตกต่างกัน เราจะอธิบายวิธีการผลิต คุณสมบัติทางกายภาพของธาตุ วิธีการจัดเก็บ/ขนส่ง และวิธีการใช้งานของแต่ละประเภท และผมจะอธิบายด้วยว่าทำไมไฮโดรเจนจึงเป็นแหล่งพลังงานหลักในอนาคต

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

เมื่อใช้ไฮโดรเจน สิ่งสำคัญคือต้อง "ผลิตไฮโดรเจน" ขึ้นมาก่อน วิธีที่ง่ายที่สุดคือการ "แยกน้ำด้วยไฟฟ้า" คุณอาจเคยทำในวิชาวิทยาศาสตร์ระดับประถม เติมน้ำลงในบีกเกอร์และวางขั้วไฟฟ้าลงในน้ำ เมื่อต่อแบตเตอรี่เข้ากับขั้วไฟฟ้าและให้พลังงาน ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้นในน้ำและในแต่ละขั้วไฟฟ้า
ที่ขั้วแคโทด ไอออน H+ และอิเล็กตรอนจะรวมตัวกันเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน ในขณะที่ขั้วแอโนดจะผลิตออกซิเจน อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ใช้ได้ดีสำหรับการทดลองวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน แต่สำหรับการผลิตไฮโดรเจนในระดับอุตสาหกรรม จำเป็นต้องเตรียมกลไกที่มีประสิทธิภาพและเหมาะสมสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ นั่นก็คือ “การแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้เยื่ออิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ (PEM)”
ในวิธีการนี้ เยื่อกึ่งซึมผ่านได้ที่ทำจากพอลิเมอร์ซึ่งยอมให้ไอออนไฮโดรเจนผ่านได้ จะถูกวางอยู่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ เมื่อเทน้ำลงในขั้วบวกของอุปกรณ์ ไอออนไฮโดรเจนที่เกิดจากการอิเล็กโทรไลซิสจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ไปยังขั้วลบ ซึ่งไอออนไฮโดรเจนจะกลายเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ในทางกลับกัน ไอออนออกซิเจนไม่สามารถผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้และจะกลายเป็นโมเลกุลออกซิเจนที่ขั้วบวก
นอกจากนี้ ในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบด่าง คุณจะสร้างไฮโดรเจนและออกซิเจนได้โดยการแยกขั้วบวกและขั้วลบผ่านตัวแยกซึ่งมีเพียงไอออนไฮดรอกไซด์เท่านั้นที่สามารถผ่านได้ ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีวิธีการทางอุตสาหกรรม เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง
ด้วยการดำเนินการกระบวนการเหล่านี้ในระดับใหญ่ จะสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในปริมาณมาก ในกระบวนการนี้ยังมีการผลิตออกซิเจนในปริมาณมากเช่นกัน (ครึ่งหนึ่งของปริมาตรไฮโดรเจนที่ผลิตได้) ดังนั้นจึงไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมหากปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม การแยกด้วยไฟฟ้าต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก ดังนั้นไฮโดรเจนที่ปราศจากคาร์บอนจะสามารถผลิตได้หากผลิตด้วยไฟฟ้าที่ไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น กังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์
คุณสามารถผลิต “ไฮโดรเจนสีเขียว” ได้โดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้พลังงานสะอาด

นอกจากนี้ยังมีเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวในปริมาณมาก โดยการใช้ PEM ในส่วนของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ทำให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างต่อเนื่อง

ไฮโดรเจนสีน้ำเงินที่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

แล้วมีวิธีอื่นในการผลิตไฮโดรเจนอีกไหม? ไฮโดรเจนมีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน ในรูปของสารอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาโมเลกุลมีเทน (CH4) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติ ในโมเลกุลนี้มีอะตอมไฮโดรเจนอยู่ 4 อะตอม เราสามารถผลิตไฮโดรเจนได้โดยการดึงอะตอมไฮโดรเจนเหล่านี้ออกมา
หนึ่งในกระบวนการเหล่านั้นคือกระบวนการที่เรียกว่า "การปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ" ซึ่งใช้ไอน้ำ สูตรทางเคมีของวิธีการนี้มีดังต่อไปนี้
อย่างที่คุณเห็น คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนสามารถสกัดได้จากโมเลกุลมีเทนเพียงโมเลกุลเดียว
ด้วยวิธีนี้ ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น "การปฏิรูปด้วยไอน้ำ" และ "การไพโรไลซิส" ของก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน "ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน" หมายถึงไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยวิธีนี้
ในกรณีนี้ ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์จะเกิดขึ้นเป็นผลพลอยได้ ดังนั้นจึงต้องนำไปรีไซเคิลก่อนที่จะปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ส่วนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นผลพลอยได้นั้น หากไม่นำกลับมาใช้ใหม่ จะกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “ไฮโดรเจนสีเทา”

ไฮโดรเจนเป็นธาตุประเภทใด?

ไฮโดรเจนมีเลขอะตอม 1 และเป็นธาตุแรกในตารางธาตุ
จำนวนอะตอมมีมากที่สุดในจักรวาล คิดเป็นประมาณ 90% ของธาตุทั้งหมดในจักรวาล อะตอมที่เล็กที่สุดซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนคืออะตอมไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนมีไอโซโทปสองชนิดที่มีนิวตรอนยึดติดกับนิวเคลียส ได้แก่ "ดิวเทอเรียม" ที่มีนิวตรอนยึดติดหนึ่งตัว และ "ทริเทียม" ที่มีนิวตรอนยึดติดสองตัว สารเหล่านี้ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานฟิวชั่นด้วย
ภายในดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์ เกิดปฏิกิริยาฟิวชั่นนิวเคลียร์เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้ดาวฤกษ์ส่องแสงได้
อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนแทบจะไม่พบในรูปก๊าซบนโลก ไฮโดรเจนจะเกิดเป็นสารประกอบกับธาตุอื่นๆ เช่น น้ำ มีเทน แอมโมเนีย และเอทานอล เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุเบา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลไฮโดรเจนก็จะเพิ่มขึ้น และหลุดพ้นจากแรงโน้มถ่วงของโลกไปสู่อวกาศ

วิธีการใช้ไฮโดรเจน? ใช้โดยการเผาไหม้

แล้วไฮโดรเจนซึ่งได้รับความสนใจจากทั่วโลกในฐานะแหล่งพลังงานแห่งอนาคตนั้นถูกนำไปใช้อย่างไร? มันถูกนำไปใช้ในสองวิธีหลักๆ คือ "การเผาไหม้" และ "เซลล์เชื้อเพลิง" เรามาเริ่มต้นด้วยการใช้ "การเผาไหม้" กันก่อน
การเผาไหม้มีสองประเภทหลักๆ
อย่างแรกคือใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวด จรวด H-IIA ของญี่ปุ่นใช้ก๊าซไฮโดรเจน “ไฮโดรเจนเหลว” และ “ออกซิเจนเหลว” ซึ่งอยู่ในสถานะแช่แข็งเป็นเชื้อเพลิง โดยนำทั้งสองอย่างมาผสมกัน และพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะเร่งการฉีดโมเลกุลน้ำที่เกิดขึ้น ทำให้เกิดการพุ่งขึ้นสู่ห้วงอวกาศ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นเครื่องยนต์ที่ซับซ้อนทางเทคนิค นอกจากญี่ปุ่นแล้ว มีเพียงสหรัฐอเมริกา ยุโรป รัสเซีย จีน และอินเดียเท่านั้นที่ประสบความสำเร็จในการผสมเชื้อเพลิงชนิดนี้
ประการที่สองคือการผลิตพลังงาน การผลิตพลังงานด้วยกังหันก๊าซก็ใช้วิธีการรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อผลิตพลังงานเช่นกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นวิธีการที่ใช้พลังงานความร้อนที่ผลิตจากไฮโดรเจน ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ความร้อนจากการเผาถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติจะผลิตไอน้ำเพื่อขับเคลื่อนกังหัน หากใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งความร้อน โรงไฟฟ้าก็จะปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์

วิธีการใช้ไฮโดรเจน? การใช้งานในฐานะเซลล์เชื้อเพลิง

อีกวิธีหนึ่งในการใช้ไฮโดรเจนคือการใช้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งแปลงไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้าโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โตโยต้าได้รับความสนใจในญี่ปุ่นจากการนำเสนอรถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแทนรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ในฐานะทางเลือกแทนรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมาตรการรับมือกับภาวะโลกร้อน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรากำลังทำกระบวนการย้อนกลับเมื่อเราแนะนำวิธีการผลิต "ไฮโดรเจนสีเขียว" สูตรทางเคมีมีดังนี้
ไฮโดรเจนสามารถผลิตน้ำ (น้ำร้อนหรือไอน้ำ) พร้อมกับการผลิตไฟฟ้าได้ และยังเป็นวิธีที่น่าสนใจเพราะไม่ก่อให้เกิดภาระต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าค่อนข้างต่ำเพียง 30-40% และต้องใช้แพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น
ปัจจุบัน เราใช้เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ (PEFC) และเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงใช้ PEFC ดังนั้นจึงคาดว่าจะแพร่หลายมากขึ้นในอนาคต

การจัดเก็บและการขนส่งไฮโดรเจนปลอดภัยหรือไม่?

ถึงตอนนี้ เราคิดว่าคุณคงเข้าใจแล้วว่าก๊าซไฮโดรเจนผลิตและใช้งานอย่างไร แล้วเราจะจัดเก็บไฮโดรเจนนี้อย่างไร? เราจะขนส่งมันไปยังที่ที่ต้องการได้อย่างไร? และเรื่องความปลอดภัยในเวลานั้นจะเป็นอย่างไร? เราจะอธิบายให้ฟัง
อันที่จริง ไฮโดรเจนก็เป็นธาตุที่อันตรายมากเช่นกัน ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เราใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซในการลอยบอลลูน ลูกโป่ง และเรือเหาะบนท้องฟ้า เพราะมันมีน้ำหนักเบามาก อย่างไรก็ตาม ในวันที่ 6 พฤษภาคม 1937 ได้เกิดเหตุการณ์ "การระเบิดของเรือเหาะฮินเดนเบิร์ก" ขึ้นที่รัฐนิวเจอร์ซีย์ สหรัฐอเมริกา
นับตั้งแต่เกิดอุบัติเหตุ ก็เป็นที่รับรู้กันอย่างกว้างขวางว่าก๊าซไฮโดรเจนเป็นอันตราย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อติดไฟ มันจะระเบิดอย่างรุนแรงเมื่อผสมกับออกซิเจน ดังนั้น “ควรอยู่ห่างจากออกซิเจน” หรือ “ควรอยู่ห่างจากความร้อน”
หลังจากดำเนินการตามขั้นตอนเหล่านี้แล้ว เราจึงได้คิดค้นวิธีการขนส่งขึ้นมา
ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นถึงแม้จะเป็นแก๊ส แต่ก็มีปริมาตรมาก วิธีแรกคือการใช้แรงดันสูงและอัดให้แน่นเหมือนกระบอกสูบเวลาทำเครื่องดื่มอัดลม เตรียมถังแรงดันสูงพิเศษและเก็บไว้ภายใต้สภาวะแรงดันสูง เช่น 45 เมกะปาสคาล
โตโยต้า ซึ่งเป็นผู้พัฒนาเทคโนโลยีรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง (FCV) กำลังพัฒนาถังไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ทำจากเรซิน ซึ่งสามารถทนแรงดันได้ถึง 70 MPa
อีกวิธีหนึ่งคือการลดอุณหภูมิลงเหลือ -253 องศาเซลเซียส เพื่อผลิตไฮโดรเจนเหลว และจัดเก็บและขนส่งในถังฉนวนกันความร้อนพิเศษ เช่นเดียวกับ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) เมื่อนำเข้าก๊าซธรรมชาติจากต่างประเทศ ไฮโดรเจนจะถูกทำให้เป็นของเหลวระหว่างการขนส่ง ทำให้ปริมาตรลดลงเหลือ 1/800 ของปริมาตรในสถานะก๊าซ ในปี 2020 เราได้สร้างยานขนส่งไฮโดรเจนเหลวลำแรกของโลกสำเร็จ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่เหมาะสำหรับรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำความเย็น
มีวิธีการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนในถังแบบนี้อยู่แล้ว แต่เราก็กำลังพัฒนาวิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนแบบอื่นๆ ด้วยเช่นกัน
วิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนคือการใช้โลหะผสมสำหรับจัดเก็บไฮโดรเจน ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติในการแทรกซึมเข้าไปในโลหะและทำให้โลหะเสื่อมสภาพ นี่เป็นแนวคิดที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1960 โดย เจ.เจ. ไรลีย์ และคณะ การทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถจัดเก็บและปล่อยไฮโดรเจนได้โดยใช้โลหะผสมของแมกนีเซียมและวานาเดียม
หลังจากนั้น เขาได้พัฒนาสารชนิดหนึ่งขึ้นมาได้สำเร็จ เช่น แพลเลเดียม ซึ่งสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ถึง 935 เท่าของปริมาตรเดิม
ข้อดีของการใช้โลหะผสมนี้คือสามารถป้องกันอุบัติเหตุการรั่วไหลของไฮโดรเจน (โดยเฉพาะอุบัติเหตุระเบิด) ดังนั้นจึงสามารถจัดเก็บและขนส่งได้อย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม หากไม่ระมัดระวังและวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม โลหะผสมสำหรับกักเก็บไฮโดรเจนอาจปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมาได้เมื่อเวลาผ่านไป แม้แต่ประกายไฟเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดอุบัติเหตุระเบิดได้ ดังนั้นจึงควรระมัดระวัง
นอกจากนี้ยังมีข้อเสียคือ การดูดซับและคายไฮโดรเจนซ้ำๆ จะทำให้วัสดุเปราะและลดอัตราการดูดซับไฮโดรเจนลง
อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ท่อ มีเงื่อนไขว่าต้องเป็นก๊าซที่ไม่ถูกอัดและมีความดันต่ำเพื่อป้องกันไม่ให้ท่อเปราะ แต่ข้อดีคือสามารถใช้ท่อก๊าซที่มีอยู่แล้วได้ บริษัท โตเกียวแก๊ส ได้ดำเนินการก่อสร้างโครงการ Harumi FLAG โดยใช้ท่อส่งก๊าซของเมืองเพื่อส่งไฮโดรเจนไปยังเซลล์เชื้อเพลิง

สังคมแห่งอนาคตที่สร้างขึ้นด้วยพลังงานไฮโดรเจน

สุดท้ายนี้ เรามาพิจารณาบทบาทที่ไฮโดรเจนสามารถมีต่อสังคมกัน
ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น เราต้องการส่งเสริมสังคมปลอดคาร์บอน โดยเราใช้ไฮโดรเจนในการผลิตไฟฟ้าแทนการใช้เป็นพลังงานความร้อน
แทนที่จะใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดใหญ่ ครัวเรือนบางแห่งได้นำระบบต่างๆ เช่น ENE-FARM มาใช้ ซึ่งใช้ไฮโดรเจนที่ได้จากการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม คำถามที่ว่าควรจัดการกับผลพลอยได้จากกระบวนการปฏิรูปอย่างไรยังคงเป็นปัญหาอยู่

ในอนาคต หากการหมุนเวียนของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น เช่น การเพิ่มจำนวนสถานีเติมไฮโดรเจน ก็จะสามารถใช้ไฟฟ้าได้โดยไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แน่นอนว่าไฟฟ้าสามารถผลิตไฮโดรเจนสีเขียวได้ ดังนั้นจึงใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากแสงแดดหรือลม พลังงานที่ใช้ในการแยกด้วยไฟฟ้าควรเป็นพลังงานที่ใช้ในการควบคุมปริมาณการผลิตไฟฟ้าหรือชาร์จแบตเตอรี่แบบชาร์จได้เมื่อมีพลังงานส่วนเกินจากพลังงานธรรมชาติ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไฮโดรเจนอยู่ในสถานะเดียวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ หากเป็นเช่นนั้น ในที่สุดก็จะสามารถลดการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนได้ วันที่เครื่องยนต์สันดาปภายในจะหายไปจากรถยนต์กำลังใกล้เข้ามาอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ยังสามารถผลิตไฮโดรเจนได้จากอีกช่องทางหนึ่ง ที่จริงแล้ว ไฮโดรเจนยังเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ และยังเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโค้กในอุตสาหกรรมเหล็กอีกด้วย หากนำไฮโดรเจนที่ผลิตได้นี้เข้าสู่ระบบการจัดจำหน่าย ก็จะสามารถหาแหล่งที่มาได้หลายแหล่ง ก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตได้ด้วยวิธีนี้ยังสามารถจัดหาได้จากสถานีเติมไฮโดรเจนอีกด้วย

ลองมองไปในอนาคตให้ไกลกว่านี้ ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปก็เป็นปัญหาอย่างหนึ่งของวิธีการส่งพลังงานโดยใช้สายไฟ ดังนั้นในอนาคต เราจะใช้ไฮโดรเจนที่ส่งผ่านทางท่อ เหมือนกับถังกรดคาร์บอนิกที่ใช้ในการผลิตเครื่องดื่มอัดลม และซื้อถังไฮโดรเจนไว้ที่บ้านเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับทุกครัวเรือน อุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่ไฮโดรเจนกำลังกลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้น น่าสนใจที่จะได้เห็นอนาคตเช่นนี้