เกี่ยวกับไฮโดรเจนพลังงานรุ่นต่อไป

เราจะมาแนะนำ “ไฮโดรเจน” ซึ่งเป็นพลังงานรุ่นต่อไปที่เป็นกลางทางคาร์บอน ไฮโดรเจนแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ “ไฮโดรเจนสีเขียว” “ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน” และ “ไฮโดรเจนสีเทา” โดยแต่ละประเภทมีวิธีการผลิตที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ เราจะอธิบายวิธีการผลิตแต่ละวิธี คุณสมบัติทางกายภาพของธาตุ วิธีการจัดเก็บ/ขนส่ง และวิธีการใช้งาน และเราจะแนะนำด้วยว่าเหตุใดไฮโดรเจนจึงเป็นแหล่งพลังงานหลักรุ่นต่อไป

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

เมื่อใช้ไฮโดรเจน สิ่งสำคัญคือต้อง “ผลิตไฮโดรเจน” อยู่แล้ว วิธีที่ง่ายที่สุดคือ “การอิเล็กโทรไลต์น้ำ” บางทีคุณอาจเคยทำตอนวิทยาศาสตร์ชั้นประถม เติมน้ำลงในบีกเกอร์และใส่อิเล็กโทรดลงในน้ำ เมื่อแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดและจ่ายพลังงาน ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้นในน้ำและในแต่ละอิเล็กโทรด
ที่แคโทด H+ และอิเล็กตรอนจะรวมกันเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน ในขณะที่แอโนดจะผลิตออกซิเจน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้เหมาะสำหรับการทดลองวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน แต่เพื่อผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรม จะต้องมีการเตรียมกลไกที่มีประสิทธิภาพซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก นั่นคือ “อิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ (PEM)”
ในวิธีนี้ เมมเบรนกึ่งซึมผ่านของพอลิเมอร์ที่ช่วยให้ไอออนไฮโดรเจนผ่านได้ จะถูกประกบไว้ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ เมื่อเทน้ำลงในขั้วบวกของอุปกรณ์ ไอออนไฮโดรเจนที่ผลิตขึ้นโดยอิเล็กโทรไลซิสจะเคลื่อนผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านไปยังขั้วลบ ซึ่งไอออนเหล่านี้จะกลายเป็นไฮโดรเจนโมเลกุล ในทางกลับกัน ไอออนออกซิเจนไม่สามารถผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้และกลายเป็นโมเลกุลออกซิเจนที่ขั้วบวก
นอกจากนี้ ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำด่าง คุณจะสร้างไฮโดรเจนและออกซิเจนได้โดยการแยกขั้วบวกและขั้วลบผ่านตัวแยกซึ่งมีเพียงไอออนไฮดรอกไซด์เท่านั้นที่จะผ่านได้ นอกจากนี้ยังมีวิธีการทางอุตสาหกรรม เช่น การอิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง
การดำเนินการดังกล่าวในระดับขนาดใหญ่จะทำให้ได้ไฮโดรเจนจำนวนมาก นอกจากนี้ ยังผลิตออกซิเจนได้ในปริมาณมาก (ครึ่งหนึ่งของปริมาณไฮโดรเจนที่ผลิตได้) จึงไม่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมหากปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก ดังนั้นจึงสามารถผลิตไฮโดรเจนที่ปราศจากคาร์บอนได้หากผลิตด้วยไฟฟ้าที่ไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น กังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์
คุณสามารถรับ “ไฮโดรเจนสีเขียว” ได้โดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้พลังงานสะอาด

นอกจากนี้ยังมีเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวในปริมาณมาก โดยการใช้ PEM ในส่วนอิเล็กโทรไลเซอร์ ทำให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างต่อเนื่อง

ไฮโดรเจนสีฟ้าที่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

แล้วมีวิธีอื่นใดอีกในการผลิตไฮโดรเจน? ไฮโดรเจนมีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติและถ่านหินในรูปของสารอื่นนอกเหนือจากน้ำ ตัวอย่างเช่น พิจารณามีเทน (CH4) ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติ อะตอมไฮโดรเจนมีสี่อะตอม คุณจะได้ไฮโดรเจนได้โดยการนำไฮโดรเจนนี้ออก
วิธีหนึ่งคือกระบวนการที่เรียกว่า “การปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ” ซึ่งใช้ไอน้ำ สูตรทางเคมีของวิธีนี้คือดังต่อไปนี้
ดังที่คุณเห็น คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนสามารถสกัดได้จากโมเลกุลมีเทนโมเลกุลเดียว
ด้วยวิธีนี้ ไฮโดรเจนจึงสามารถผลิตได้ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การ "ปฏิรูปด้วยไอน้ำ" และ "การไพโรไลซิส" ของก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน "ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน" หมายถึงไฮโดรเจนที่ผลิตขึ้นด้วยวิธีนี้
อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกผลิตเป็นผลพลอยได้ ดังนั้น คุณต้องรีไซเคิลสิ่งเหล่านี้ก่อนที่จะถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นผลพลอยได้ หากไม่สามารถกู้คืนได้ จะกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนที่เรียกว่า “ไฮโดรเจนสีเทา”

ไฮโดรเจนเป็นธาตุประเภทใด?

ไฮโดรเจนมีเลขอะตอมเท่ากับ 1 และเป็นธาตุแรกในตารางธาตุ
จำนวนอะตอมมีจำนวนมากที่สุดในจักรวาล คิดเป็นประมาณร้อยละ 90 ของธาตุทั้งหมดในจักรวาล อะตอมที่เล็กที่สุดที่ประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนคืออะตอมไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนมีไอโซโทป 2 ชนิดที่มีนิวตรอนเกาะอยู่กับนิวเคลียส ไอโซโทป 1 ชนิดมีพันธะนิวตรอนที่เรียกว่า “ดิวทีเรียม” และไอโซโทป 2 ชนิดมีพันธะนิวตรอนที่เรียกว่า “ทริเทียม” ซึ่งทั้งสองชนิดนี้เป็นวัสดุสำหรับการผลิตพลังงานฟิวชันด้วย
ภายในดวงดาวเช่นดวงอาทิตย์ กำลังเกิดปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์จากไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ซึ่งถือเป็นแหล่งพลังงานให้ดวงดาวส่องแสง
อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนแทบจะไม่มีอยู่จริงในรูปของก๊าซบนโลก ไฮโดรเจนจะรวมตัวกับธาตุอื่นๆ เช่น น้ำ มีเทน แอมโมเนีย และเอธานอล เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุเบา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลไฮโดรเจนก็จะเพิ่มขึ้น และหลุดพ้นจากแรงโน้มถ่วงของโลกไปสู่อวกาศ

ไฮโดรเจนใช้อย่างไร? การใช้โดยการเผาไหม้

แล้ว “ไฮโดรเจน” ซึ่งได้รับความสนใจจากทั่วโลกในฐานะแหล่งพลังงานยุคใหม่นั้น จะถูกนำไปใช้งานอย่างไร? การใช้งานนั้นมีอยู่ 2 วิธีหลักๆ คือ “การเผาไหม้” และ “เซลล์เชื้อเพลิง” มาเริ่มกันที่การใช้ “การเผาไหม้” กันก่อน
การเผาไหม้ที่ใช้มีอยู่ 2 ประเภทหลักๆ
เชื้อเพลิงจรวดแบบแรกคือเชื้อเพลิงจรวด จรวด H-IIA ของญี่ปุ่นใช้ก๊าซไฮโดรเจน “ไฮโดรเจนเหลว” และ “ออกซิเจนเหลว” ซึ่งอยู่ในสถานะเย็นจัดเป็นเชื้อเพลิง ทั้งสองอย่างนี้ผสมกันและพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในขณะนั้นจะเร่งการฉีดโมเลกุลน้ำที่เกิดขึ้นและบินขึ้นสู่อวกาศ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นเครื่องยนต์ที่มีความท้าทายทางเทคนิค ยกเว้นญี่ปุ่น มีเพียงสหรัฐอเมริกา ยุโรป รัสเซีย จีน และอินเดียเท่านั้นที่ผสมเชื้อเพลิงนี้ได้สำเร็จ
ประการที่สองคือการผลิตไฟฟ้า การผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันก๊าซยังใช้วิธีการรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อสร้างพลังงาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง เป็นวิธีที่พิจารณาถึงพลังงานความร้อนที่ผลิตโดยไฮโดรเจน ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ความร้อนจากการเผาถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติจะผลิตไอน้ำที่ขับเคลื่อนกังหัน หากใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งความร้อน โรงไฟฟ้าจะปล่อยคาร์บอนเป็นกลาง

ไฮโดรเจนมีประโยชน์อย่างไร? ใช้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง

อีกวิธีหนึ่งในการใช้ไฮโดรเจนคือใช้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งแปลงไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โตโยต้าได้ดึงดูดความสนใจในญี่ปุ่นด้วยการนำเสนอรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแทนรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เพื่อเป็นทางเลือกแทนรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมาตรการรับมือกับภาวะโลกร้อน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรากำลังดำเนินการตามขั้นตอนย้อนกลับเมื่อเราแนะนำวิธีการผลิต "ไฮโดรเจนสีเขียว" สูตรทางเคมีมีดังนี้
ไฮโดรเจนสามารถสร้างน้ำ (น้ำร้อนหรือไอน้ำ) ได้ในขณะผลิตไฟฟ้า และสามารถประเมินได้เนื่องจากไม่ก่อให้เกิดภาระต่อสิ่งแวดล้อม ในทางกลับกัน วิธีนี้มีประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าค่อนข้างต่ำที่ 30-40% และต้องใช้แพลตตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงต้องมีต้นทุนที่เพิ่มขึ้น
ปัจจุบันเราใช้เซลล์เชื้อเพลิงโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC) และเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) โดยเฉพาะอย่างยิ่งรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้ PEFC จึงคาดว่าจะแพร่หลายต่อไปในอนาคต

การเก็บและขนส่งไฮโดรเจนปลอดภัยหรือไม่?

ตอนนี้เราคิดว่าคุณคงเข้าใจแล้วว่าก๊าซไฮโดรเจนผลิตและใช้อย่างไร แล้วเราจะจัดเก็บไฮโดรเจนนี้อย่างไร จะนำมันไปไว้ในที่ที่ต้องการได้อย่างไร แล้วเรื่องความปลอดภัยล่ะ เราจะอธิบายให้ฟัง
ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่อันตรายมากเช่นกัน ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เราใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซในการลอยบอลลูน บอลลูน และเรือเหาะในท้องฟ้าเนื่องจากมีน้ำหนักเบามาก อย่างไรก็ตาม เมื่อวันที่ 6 พฤษภาคม 1937 ที่รัฐนิวเจอร์ซี สหรัฐอเมริกา ได้เกิด "การระเบิดของเรือเหาะฮินเดนเบิร์ก"
ตั้งแต่เกิดอุบัติเหตุขึ้น เป็นที่ทราบกันดีว่าก๊าซไฮโดรเจนนั้นเป็นอันตราย โดยเฉพาะเมื่อเกิดการติดไฟ จะระเบิดอย่างรุนแรงร่วมกับออกซิเจน ดังนั้น “เก็บให้ห่างจากออกซิเจน” หรือ “เก็บให้ห่างจากความร้อน” จึงเป็นสิ่งสำคัญ
หลังจากดำเนินการตามมาตรการเหล่านี้แล้ว เราจึงได้เลือกวิธีการจัดส่ง
ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นแม้ว่าจะยังเป็นก๊าซอยู่ก็ตาม แต่ก็มีขนาดใหญ่มาก วิธีแรกคือใช้แรงดันสูงและอัดให้แน่นเหมือนกระบอกสูบเมื่อทำเครื่องดื่มอัดลม เตรียมถังแรงดันสูงพิเศษและจัดเก็บภายใต้สภาวะแรงดันสูง เช่น 45Mpa
โตโยต้าซึ่งพัฒนายานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง (FCV) กำลังพัฒนาถังไฮโดรเจนเรซินแรงดันสูงที่สามารถทนต่อแรงดัน 70 MPa
อีกวิธีหนึ่งคือการทำให้อุณหภูมิลดลงถึง -253°C เพื่อผลิตไฮโดรเจนเหลว จากนั้นจึงจัดเก็บและขนส่งในถังเก็บความร้อนพิเศษ เช่นเดียวกับ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) เมื่อนำเข้าก๊าซธรรมชาติจากต่างประเทศ ไฮโดรเจนจะถูกทำให้เป็นของเหลวระหว่างการขนส่ง โดยลดปริมาตรลงเหลือ 1/800 ของสถานะก๊าซ ในปี 2020 เราได้สร้างตัวพาไฮโดรเจนเหลวตัวแรกของโลกสำเร็จ อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ไม่เหมาะสำหรับยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากต้องใช้พลังงานมากในการทำให้เย็นลง
มีวิธีการจัดเก็บและขนส่งในถังแบบนี้ แต่เรากำลังพัฒนาวิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนแบบอื่นอยู่ด้วย
วิธีการจัดเก็บคือการใช้โลหะผสมไฮโดรเจนสำหรับจัดเก็บ ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติในการแทรกซึมโลหะและทำให้โลหะเสื่อมสภาพ นี่คือเคล็ดลับการพัฒนาที่ได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1960 JJ Reilly และคณะ การทดลองแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนสามารถจัดเก็บและปลดปล่อยได้โดยใช้โลหะผสมแมกนีเซียมและวาเนเดียม
หลังจากนั้นเขาได้พัฒนาสารชนิดหนึ่ง เช่น แพลเลเดียม ซึ่งสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้มากกว่าปริมาตรของมันเองถึง 935 เท่าได้สำเร็จ
ข้อดีของการใช้โลหะผสมชนิดนี้คือสามารถป้องกันอุบัติเหตุจากการรั่วไหลของไฮโดรเจนได้ (โดยเฉพาะอุบัติเหตุจากการระเบิด) ดังนั้นจึงสามารถจัดเก็บและขนส่งได้อย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม หากคุณไม่ระมัดระวังและทิ้งไว้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ถูกต้อง โลหะผสมที่จัดเก็บไฮโดรเจนอาจปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมาได้ในระยะยาว แม้แต่ประกายไฟเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดอุบัติเหตุจากการระเบิดได้ ดังนั้นจึงต้องระมัดระวัง
นอกจากนี้ยังมีข้อเสียคือ การดูดซับและการแยกไฮโดรเจนซ้ำๆ ทำให้เกิดความเปราะบางและลดอัตราการดูดซึมไฮโดรเจน
อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ท่อ โดยมีเงื่อนไขว่าจะต้องไม่บีบอัดและมีแรงดันต่ำเพื่อป้องกันไม่ให้ท่อเปราะ แต่ข้อดีก็คือสามารถใช้ท่อก๊าซที่มีอยู่แล้วได้ Tokyo Gas ดำเนินการก่อสร้าง Harumi FLAG โดยใช้ท่อก๊าซของเมืองเพื่อส่งไฮโดรเจนไปยังเซลล์เชื้อเพลิง

สังคมแห่งอนาคตที่สร้างด้วยพลังงานไฮโดรเจน

สุดท้ายนี้ มาพิจารณาบทบาทที่ไฮโดรเจนสามารถมีต่อสังคมกันดีกว่า
ที่สำคัญกว่านั้น เราต้องการส่งเสริมสังคมปลอดคาร์บอน โดยเราใช้ไฮโดรเจนเพื่อผลิตไฟฟ้าแทนที่จะเป็นพลังงานความร้อน
แทนที่จะใช้โรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดใหญ่ บางครัวเรือนได้นำระบบเช่น ENE-FARM มาใช้ ซึ่งใช้ไฮโดรเจนที่ได้จากการแปรรูปก๊าซธรรมชาติเพื่อผลิตไฟฟ้าตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม คำถามที่ว่าจะทำอย่างไรกับผลพลอยได้จากกระบวนการปฏิรูปนั้นยังคงอยู่

ในอนาคต หากการหมุนเวียนของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น เช่น การเพิ่มจำนวนสถานีเติมไฮโดรเจน ก็จะสามารถใช้ไฟฟ้าได้โดยไม่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ แน่นอนว่าไฟฟ้าผลิตไฮโดรเจนสีเขียว จึงใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากแสงอาทิตย์หรือลม พลังงานที่ใช้ในการแยกด้วยไฟฟ้าควรเป็นพลังงานที่ระงับปริมาณการผลิตพลังงานหรือชาร์จแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เมื่อมีพลังงานส่วนเกินจากพลังงานธรรมชาติ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไฮโดรเจนอยู่ในตำแหน่งเดียวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ หากเป็นเช่นนี้ ก็จะสามารถลดการผลิตพลังงานความร้อนได้ในที่สุด วันที่เครื่องยนต์สันดาปภายในจะหายไปจากรถยนต์กำลังใกล้เข้ามาอย่างรวดเร็ว

ไฮโดรเจนสามารถหาได้จากอีกทางหนึ่งเช่นกัน ในความเป็นจริง ไฮโดรเจนยังคงเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ นอกจากนี้ยังเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโค้กในโรงงานเหล็กอีกด้วย หากคุณนำไฮโดรเจนนี้ไปใช้ในการจ่าย คุณจะได้แหล่งไฮโดรเจนหลายแหล่ง ก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยวิธีนี้ยังจัดหาโดยสถานีไฮโดรเจนด้วย

ลองมองไปในอนาคต ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปก็เป็นอีกปัญหาหนึ่งสำหรับวิธีการส่งที่ใช้สายส่งไฟฟ้า ดังนั้น ในอนาคต เราจะใช้ไฮโดรเจนที่ส่งผ่านท่อส่งไฟฟ้า เช่นเดียวกับถังกรดคาร์บอนิกที่ใช้ในการผลิตน้ำอัดลม และซื้อถังไฮโดรเจนไว้ที่บ้านเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับทุกครัวเรือน อุปกรณ์พกพาที่ใช้แบตเตอรี่ไฮโดรเจนกำลังกลายเป็นเรื่องธรรมดา การได้เห็นอนาคตเช่นนี้จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจ