เกี่ยวกับพลังงานไฮโดรเจนรุ่นต่อไป

เราจะแนะนำ “ไฮโดรเจน” ซึ่งเป็นพลังงานเจเนอเรชั่นถัดไปที่มีคาร์บอนเป็นกลาง ไฮโดรเจนแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ “ไฮโดรเจนสีเขียว” “ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน” และ “ไฮโดรเจนสีเทา” ซึ่งแต่ละประเภทมีวิธีการผลิตที่แตกต่างกัน นอกจากนี้เรายังจะอธิบายวิธีการผลิตแต่ละวิธี คุณสมบัติทางกายภาพเป็นองค์ประกอบ วิธีจัดเก็บ/ขนส่ง และวิธีการใช้งาน และฉันจะแนะนำด้วยว่าเหตุใดจึงเป็นแหล่งพลังงานที่โดดเด่นในยุคต่อไป

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

เมื่อใช้ไฮโดรเจน สิ่งสำคัญคือต้อง “ผลิตไฮโดรเจน” อยู่แล้ว วิธีที่ง่ายที่สุดคือการ "เติมน้ำด้วยไฟฟ้า" บางทีคุณอาจเคยเรียนวิชาวิทยาศาสตร์ในโรงเรียนประถม เติมน้ำลงในบีกเกอร์และอิเล็กโทรดในน้ำ เมื่อแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดและเติมพลังงาน ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้นในน้ำและในแต่ละอิเล็กโทรด
ที่ขั้วแคโทด H+ และอิเล็กตรอนจะรวมกันเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน ในขณะที่ขั้วบวกจะผลิตออกซิเจน อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ใช้ได้ดีสำหรับการทดลองวิทยาศาสตร์ในโรงเรียน แต่เพื่อผลิตไฮโดรเจนเชิงอุตสาหกรรม จะต้องเตรียมกลไกที่มีประสิทธิภาพซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ นั่นก็คือ “อิเล็กโตรไลซิสโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรน (PEM)”
ในวิธีนี้ เมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านของโพลีเมอร์ที่ช่วยให้ไอออนไฮโดรเจนผ่านได้จะถูกประกบอยู่ระหว่างขั้วบวกและแคโทด เมื่อน้ำถูกเทลงในขั้วบวกของอุปกรณ์ ไอออนไฮโดรเจนที่เกิดจากอิเล็กโทรลิซิสจะเคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านไปยังแคโทด ซึ่งจะกลายเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ในทางกลับกัน ไอออนของออกซิเจนไม่สามารถผ่านเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านได้และกลายเป็นโมเลกุลของออกซิเจนที่ขั้วบวก
นอกจากนี้ ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสด้วยน้ำอัลคาไลน์ คุณยังสร้างไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ด้วยการแยกแอโนดและแคโทดผ่านเครื่องแยก ซึ่งมีเพียงไฮดรอกไซด์ไอออนเท่านั้นที่สามารถผ่านได้ นอกจากนี้ยังมีวิธีการทางอุตสาหกรรม เช่น การอิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง
เมื่อดำเนินการตามกระบวนการเหล่านี้ในปริมาณมาก ก็สามารถได้รับไฮโดรเจนปริมาณมาก ในกระบวนการนี้ ยังมีการผลิตออกซิเจนจำนวนมาก (ปริมาณไฮโดรเจนครึ่งหนึ่งที่ผลิตได้) เพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อมหากปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก จึงสามารถผลิตไฮโดรเจนที่ปราศจากคาร์บอนได้หากผลิตด้วยไฟฟ้าที่ไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น กังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์
คุณสามารถได้รับ "ไฮโดรเจนสีเขียว" ได้จากการนำน้ำอิเล็กโทรไลต์มาใช้พลังงานสะอาด

นอกจากนี้ยังมีเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวนี้ในปริมาณมาก การใช้ PEM ในส่วนอิเล็กโตรไลเซอร์จะทำให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างต่อเนื่อง

ไฮโดรเจนสีน้ำเงินผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล

แล้วมีวิธีอื่นใดในการสร้างไฮโดรเจนอีกบ้าง? ไฮโดรเจนมีอยู่ในเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน ซึ่งเป็นสสารอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ตัวอย่างเช่น พิจารณามีเทน (CH4) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติ มีอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอมอยู่ที่นี่ คุณสามารถได้ไฮโดรเจนโดยการนำไฮโดรเจนนี้ออกมา
หนึ่งในนั้นคือกระบวนการที่เรียกว่า "การปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ" ซึ่งใช้ไอน้ำ สูตรทางเคมีของวิธีนี้มีดังนี้
อย่างที่คุณเห็น คาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจนสามารถสกัดได้จากโมเลกุลมีเทนเพียงโมเลกุลเดียว
ด้วยวิธีนี้ ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น "การปฏิรูปไอน้ำ" และ "ไพโรไลซิส" ของก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน “ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน” หมายถึงไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยวิธีนี้
อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ถูกผลิตเป็นผลพลอยได้ ดังนั้นคุณต้องรีไซเคิลก่อนที่จะปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ ผลพลอยได้จากคาร์บอนไดออกไซด์หากไม่นำกลับมาใช้ใหม่จะกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนหรือที่เรียกว่า "ไฮโดรเจนสีเทา"

ไฮโดรเจนเป็นธาตุชนิดใด?

ไฮโดรเจนมีเลขอะตอม 1 และเป็นธาตุแรกในตารางธาตุ
จำนวนอะตอมมีขนาดใหญ่ที่สุดในจักรวาล คิดเป็นประมาณ 90% ขององค์ประกอบทั้งหมดในจักรวาล อะตอมที่เล็กที่สุดประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนคืออะตอมไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนมีสองไอโซโทปที่มีนิวตรอนติดอยู่กับนิวเคลียส “ดิวเทอเรียม” ที่มีพันธะนิวตรอนหนึ่งตัว และ “ทริเทียม” ที่มีพันธะนิวตรอนสองตัว สิ่งเหล่านี้ยังเป็นวัสดุสำหรับการผลิตพลังงานฟิวชันอีกด้วย
ภายในดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์ นิวเคลียร์ฟิวชันจากไฮโดรเจนไปเป็นฮีเลียมกำลังเกิดขึ้น ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำหรับดาวฤกษ์ที่จะส่องแสง
อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนไม่ค่อยมีอยู่ในรูปของก๊าซบนโลก ไฮโดรเจนเกิดสารประกอบกับองค์ประกอบอื่นๆ เช่น น้ำ มีเทน แอมโมเนีย และเอธานอล เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุเบา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลไฮโดรเจนจะเพิ่มขึ้น และหลุดออกจากแรงโน้มถ่วงของโลกออกสู่อวกาศ

วิธีการใช้ไฮโดรเจน? ใช้โดยการเผาไหม้

แล้ว “ไฮโดรเจน” ที่ได้รับความสนใจจากทั่วโลกในฐานะแหล่งพลังงานแห่งยุคหน้าถูกนำมาใช้อย่างไร? ใช้ในสองวิธีหลัก: "การเผาไหม้" และ "เซลล์เชื้อเพลิง" เริ่มจากการใช้คำว่า "เบิร์น" กันก่อน
การเผาไหม้ที่ใช้มีอยู่ 2 ประเภทหลักๆ
อย่างแรกคือเชื้อเพลิงจรวด จรวด H-IIA ของญี่ปุ่นใช้ก๊าซไฮโดรเจน “ไฮโดรเจนเหลว” และ “ออกซิเจนเหลว” ซึ่งอยู่ในสถานะแช่แข็งเป็นเชื้อเพลิงเช่นกัน ทั้งสองนี้รวมกันและพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในขณะนั้นจะช่วยเร่งการฉีดโมเลกุลของน้ำที่สร้างขึ้นและบินไปในอวกาศ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นเครื่องยนต์ที่มีความยากลำบากทางเทคนิค ยกเว้นญี่ปุ่น มีเพียงสหรัฐอเมริกา ยุโรป รัสเซีย จีน และอินเดียเท่านั้นที่รวมเชื้อเพลิงนี้ได้สำเร็จ
ประการที่สองคือการผลิตพลังงาน การผลิตไฟฟ้าจากกังหันก๊าซยังใช้วิธีการรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อสร้างพลังงาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันเป็นวิธีการดูพลังงานความร้อนที่ผลิตโดยไฮโดรเจน ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน ความร้อนจากการเผาไหม้ถ่านหิน น้ำมัน และก๊าซธรรมชาติจะผลิตไอน้ำที่ขับเคลื่อนกังหัน หากใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งความร้อน โรงไฟฟ้าจะมีคาร์บอนเป็นกลาง

วิธีการใช้ไฮโดรเจน? ใช้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง

อีกวิธีหนึ่งในการใช้ไฮโดรเจนก็คือเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งแปลงไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้าโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โตโยต้าดึงดูดความสนใจในญี่ปุ่นด้วยการโน้มน้าวรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนแทนรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เป็นทางเลือกแทนรถยนต์ที่ใช้น้ำมัน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของมาตรการรับมือภาวะโลกร้อน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรากำลังดำเนินการย้อนกลับเมื่อเราแนะนำวิธีการผลิต "ไฮโดรเจนสีเขียว" สูตรทางเคมีมีดังนี้
ไฮโดรเจนสามารถผลิตน้ำ (น้ำร้อนหรือไอน้ำ) ขณะผลิตไฟฟ้าได้ และสามารถประเมินได้เนื่องจากไม่สร้างภาระต่อสิ่งแวดล้อม ในทางกลับกัน วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานค่อนข้างต่ำที่ 30-40% และต้องใช้แพลตตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จึงต้องมีต้นทุนเพิ่มขึ้น
ปัจจุบันเราใช้เซลล์เชื้อเพลิงโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEFC) และเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) โดยเฉพาะรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงใช้ PEFC คาดว่าจะแพร่หลายในอนาคต

การจัดเก็บและการขนส่งไฮโดรเจนปลอดภัยหรือไม่?

ถึงตอนนี้ เราคิดว่าคุณคงเข้าใจแล้วว่าก๊าซไฮโดรเจนถูกสร้างและใช้อย่างไร แล้วคุณจะเก็บไฮโดรเจนนี้ได้อย่างไร? คุณจะได้รับมันในจุดที่คุณต้องการได้อย่างไร? แล้วเรื่องความปลอดภัยในขณะนั้นล่ะ? เราจะอธิบาย
ที่จริงแล้วไฮโดรเจนก็เป็นองค์ประกอบที่อันตรายมากเช่นกัน ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เราใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซในการลอยบอลลูน ลูกโป่ง และเรือบินบนท้องฟ้า เพราะมันเบามาก อย่างไรก็ตาม เมื่อวันที่ 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2480 ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ สหรัฐอเมริกา “เรือเหาะระเบิดฮินเดนเบิร์ก” เกิดขึ้น
นับตั้งแต่เกิดอุบัติเหตุเป็นที่ทราบกันดีว่าก๊าซไฮโดรเจนเป็นอันตราย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกิดเพลิงไหม้จะระเบิดอย่างรุนแรงพร้อมกับออกซิเจน ดังนั้น “เก็บให้ห่างจากออกซิเจน” หรือ “เก็บให้ห่างจากความร้อน” จึงเป็นสิ่งจำเป็น
หลังจากใช้มาตรการเหล่านี้แล้ว เราก็เกิดวิธีจัดส่งขึ้น
ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง แม้ว่าจะยังคงเป็นก๊าซ แต่ก็มีขนาดใหญ่มาก วิธีแรกคือการใช้แรงดันสูงและบีบอัดเหมือนกระบอกเมื่อทำเครื่องดื่มอัดลม เตรียมถังแรงดันสูงแบบพิเศษและเก็บไว้ภายใต้สภาวะแรงดันสูง เช่น 45Mpa
โตโยต้า ซึ่งเป็นผู้พัฒนารถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง (FCV) กำลังพัฒนาถังไฮโดรเจนแรงดันสูงแบบเรซินที่สามารถทนต่อแรงดัน 70 MPa
อีกวิธีหนึ่งคือการทำให้เย็นลงถึง -253°C เพื่อผลิตไฮโดรเจนเหลว และจัดเก็บและขนส่งในถังฉนวนความร้อนแบบพิเศษ เช่นเดียวกับ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) เมื่อนำเข้าก๊าซธรรมชาติจากต่างประเทศ ไฮโดรเจนจะถูกทำให้เป็นของเหลวในระหว่างการขนส่ง โดยลดปริมาตรลงเหลือ 1/800 ของสถานะก๊าซ ในปี 2020 เราได้เสร็จสิ้นโครงการขนส่งไฮโดรเจนเหลวแห่งแรกของโลก อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่เหมาะกับรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงเพราะต้องใช้พลังงานมากในการทำความเย็น
มีวิธีการจัดเก็บและขนส่งในถังลักษณะนี้ แต่เรากำลังพัฒนาวิธีอื่นในการกักเก็บไฮโดรเจนด้วย
วิธีการเก็บรักษาคือการใช้โลหะผสมในการกักเก็บไฮโดรเจน ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติในการเจาะโลหะและทำให้เสื่อมสภาพได้ นี่คือเคล็ดลับการพัฒนาที่พัฒนาขึ้นในสหรัฐอเมริกาในช่วงทศวรรษ 1960 เจเจ ไรลีย์ และคณะ การทดลองแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนสามารถเก็บและปล่อยออกมาได้โดยใช้โลหะผสมของแมกนีเซียมและวาเนเดียม
หลังจากนั้นเขาก็ประสบความสำเร็จในการพัฒนาสาร เช่น แพลเลเดียม ซึ่งสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ 935 เท่าของปริมาตรของมันเอง
ข้อดีของการใช้โลหะผสมนี้คือสามารถป้องกันอุบัติเหตุการรั่วไหลของไฮโดรเจนได้ (ส่วนใหญ่เป็นอุบัติเหตุจากการระเบิด) จึงสามารถจัดเก็บและขนส่งได้อย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม หากคุณไม่ระวังและปล่อยทิ้งไว้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ถูกต้อง โลหะผสมในการกักเก็บไฮโดรเจนสามารถปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมาเมื่อเวลาผ่านไป แม้แต่ประกายไฟเล็กๆ น้อยๆ ก็อาจทำให้เกิดอุบัติเหตุระเบิดได้ ดังนั้นควรระวังด้วย
นอกจากนี้ยังมีข้อเสียคือการดูดซึมและการคายไฮโดรเจนซ้ำ ๆ ทำให้เกิดการเปราะและลดอัตราการดูดซึมไฮโดรเจน
อีกอย่างคือการใช้ท่อ มีเงื่อนไขว่าจะต้องไม่อัดและมีแรงดันต่ำเพื่อป้องกันการเปราะของท่อแต่ข้อดีคือสามารถใช้ท่อแก๊สที่มีอยู่ได้ Tokyo Gas ดำเนินการก่อสร้างธง Harumi โดยใช้ท่อส่งก๊าซในเมืองเพื่อจ่ายไฮโดรเจนให้กับเซลล์เชื้อเพลิง

สังคมแห่งอนาคตที่สร้างโดยพลังงานไฮโดรเจน

สุดท้ายนี้ เรามาดูบทบาทของไฮโดรเจนในสังคมกัน
ที่สำคัญกว่านั้น เราต้องการส่งเสริมสังคมที่ปราศจากคาร์บอน เราใช้ไฮโดรเจนเพื่อผลิตไฟฟ้าแทนพลังงานความร้อน
แทนที่จะเป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนขนาดใหญ่ บางครัวเรือนได้นำระบบต่างๆ เช่น ENE-FARM ซึ่งใช้ไฮโดรเจนที่ได้จากการปฏิรูปก๊าซธรรมชาติเพื่อผลิตไฟฟ้าตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม คำถามที่ว่าจะทำอย่างไรกับผลพลอยได้จากกระบวนการปฏิรูป

ในอนาคตหากการหมุนเวียนของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น เช่น เพิ่มจำนวนสถานีเติมไฮโดรเจน ก็จะสามารถใช้ไฟฟ้าได้โดยไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แน่นอนว่าไฟฟ้าผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ดังนั้นจึงใช้ไฟฟ้าที่สร้างจากแสงแดดหรือลม พลังงานที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรไลซิสควรเป็นพลังงานเพื่อระงับปริมาณการผลิตไฟฟ้าหรือเพื่อชาร์จแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เมื่อมีพลังงานส่วนเกินจากพลังงานธรรมชาติ กล่าวอีกนัยหนึ่งไฮโดรเจนอยู่ในตำแหน่งเดียวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ หากสิ่งนี้เกิดขึ้น ก็จะสามารถลดการผลิตพลังงานความร้อนได้ในที่สุด วันที่เครื่องยนต์สันดาปภายในหายไปจากรถยนต์กำลังใกล้เข้ามาอย่างรวดเร็ว

ไฮโดรเจนสามารถหาได้จากเส้นทางอื่นเช่นกัน ในความเป็นจริง ไฮโดรเจนยังคงเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโซดาไฟ เหนือสิ่งอื่นใด มันเป็นผลพลอยได้จากการผลิตโค้กในการผลิตเหล็ก ถ้าคุณใส่ไฮโดรเจนนี้ในการแจกแจง คุณจะสามารถรับได้จากหลายแหล่ง ก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตในลักษณะนี้จะถูกส่งโดยสถานีไฮโดรเจนเช่นกัน

มาดูอนาคตกันดีกว่า ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปยังเป็นปัญหาเกี่ยวกับวิธีการส่งสัญญาณที่ใช้สายไฟในการจ่ายพลังงาน ดังนั้นในอนาคตเราจะใช้ไฮโดรเจนที่ส่งทางท่อเหมือนกับถังกรดคาร์บอนิกที่ใช้ทำเครื่องดื่มอัดลม และซื้อถังไฮโดรเจนที่บ้านเพื่อผลิตไฟฟ้าให้กับทุกครัวเรือน อุปกรณ์เคลื่อนที่ที่ใช้แบตเตอรี่ไฮโดรเจนกำลังกลายเป็นเรื่องธรรมดา มันจะน่าสนใจที่จะเห็นอนาคตเช่นนี้