บทความด้านพลังงาน

ไฮโดรเจน : อนาคตแห่งพลังงานโลก (ตอนที่ 1)

          ในปัจจุบัน หลายประเทศต่างมุ่งเป้าหมายไปที่การปลดปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ (Net Zero Emission) เนื่องจากสภาวะอากาศที่เปลี่ยนแปลงอันก่อให้เกิดภาวะโลกร้อน ดังจะเห็นได้จากการที่อุณหภูมิของโลกเพิ่มสูงขึ้น 1.1ºC เมื่อเทียบกับอุณหภูมิก่อนยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม เป็นที่เข้าใจกันว่า การบรรลุเป้า Net Zero ภายในปี 2050 เป็นสิ่งที่จำเป็นในการรักษาให้อุณหภูมิโลกเพิ่มขึ้นไม่เกิน 1.5ºC เป้าหมายใหม่นี้เองจะบรรลุได้ก็ต่อเมื่อมีการบรรเทาปัญหาการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกสู่ชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า และการใช้พลังงานหมุนเวียน (renewable) สามารถช่วยบรรเทาปัญหาการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ถึง 70% ซึ่งหนึ่งในทางเลือกที่น่าสนใจที่สุด คือ การใช้พลังงานไฮโดรเจน (Hydrogen)

รูปที่ 1 ไฮโดรเจนคู่กับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน

ที่มา: https://scitechdaily.com/worlds-most-durable-hydrogen-fuel-cell-paves-way-for-wider-application-of-green-energy/

          ปริมาณความต้องการพลังงานไฮโดรเจนกำลังพุ่งทะยานสูงขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากไฮโดรเจนสามารถเป็นพลังงานทางเลือกที่เข้ามาทดแทนการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล (Fossil Fuel) และที่สำคัญยังเป็นพลังงานสะอาดที่ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะทางอากาศอีกด้วย ดังจะเห็นได้จากในปี 2021 ความต้องการใช้ได้พุ่งไปถึง 94 ล้านตัน (Mt) ซึ่งสูงยิ่งกว่าช่วงก่อนวิกฤตการณ์ COVID-19 ระบาดเสียอีก ซึ่งความต้องการใช้อยู่ที่ 91 Mt ในปี 2019 ตัวเลขที่เพิ่มขึ้นนั้นมาจากการใช้สอยในกระบวนการกลั่นน้ำมัน และอุตสาหกรรมต่างๆ

          ไฮโดรเจนนับเป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในจักรวาล โดยมีมากถึง 75% ของสสารทั้งหมดในจักรวาล ดาวฤกษ์ทั้งหลาย รวมถึงดวงอาทิตย์ของเราเองก็มีส่วนประกอบหลักเป็นไฮโดรเจนเช่นกัน ในตารางธาตุ มีการใช้สัญลักษณ์ H แทนไฮโดรเจน บนโลกของเรานั้น จะพบไฮโดรเจนอยู่ในรูปของโมเลกุล เช่น น้ำ สารประกอบอินทรีย์ต่างๆ (organic compound) ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน และน้ำมัน เป็นต้น ซึ่งไฮโดรเจนไม่มีพิษภัยที่อุณหภูมิห้อง (room temperature) ไฮโดรเจนสามารถแปลงจากสถานะก๊าซกลายเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิ -423ºF หรือ -253ºC ซึ่งไฮโดรเจนนั้น มีข้อดีต่างๆ มากมาย เช่น ปลดปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ เป็นพลังงานหมุนเวียนที่มีจำนวนไม่จำกัด สามารถให้พลังงานได้สูงมากถึง 2.5 เท่าของก๊าซธรรมชาติ เมื่อเปรียบเทียบน้ำหนักที่เท่ากัน และสามารถนำมาทำเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) ที่มีประสิทธิภาพสูงได้อีกด้วย ไฮโดรเจนจะมีบทบาทสำคัญในการลดการปลดปล่อยคาร์บอนในหลายภาคส่วน เช่น อุตสาหกรรมเคมี โลหะ และการขนส่งระยะทางไกล เช่น รถบรรทุกของหนัก (heavy-duty truck) เป็นต้น ซึ่งจะพบได้ว่า ในหลายๆ ประเทศได้นำไฮโดรเจนเข้ามาเป็นส่วนหลักในการวางแผนยุทธศาสตร์พลังงานแห่งชาติแล้ว

รูปที่ 2 รถบรรทุกพลังงานไฮโดรเจน ผลิตโดยบริษัทฮุนได (Hyundai)

ที่มา: https://trucknbus.hyundai.com/global/en/products/truck/xcient-fuel-cell

          การใช้ไฮโดรเจนรูปแบบใหม่เป็นสัญญาณบ่งบอกถึงความก้าวหน้าไปสู่อนาคต ดังจะเห็นได้จากรถไฟพลังงานไฮโดรเจน (Hydrogen Fuel Cell Train) ขบวนแรกที่ได้เริ่มใช้งานแล้วในประเทศเยอรมนีเพื่อเป็นทางเลือกแทนที่รถไฟที่ใช้น้ำมันดีเซล โดยปัจจุบันประเทศเยอรมนีมีรถไฟที่ขับเคลื่อนด้วยดีเซลอยู่ประมาณ 20% ดังนั้นจึงมีความต้องการเปลี่ยนเป็นรถไฟพลังงานไฮโดรเจนอยู่ถึง 2,500 – 3,000 คัน นอกจากนี้ ยังมีโครงการนำร่องและโครงการสาธิตอีกกว่า 100 โครงการที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในการขนส่งสินค้า โดยบริษัทใหญ่หลายแห่งกำลังทำการเซ็นสัญญาความร่วมมือเพื่อให้มั่นใจได้ว่า จะได้รับมอบเชื้อเพลิงไฮโดรเจนตามที่วางแผนไว้ ในภาคส่วนพลังงาน การใช้พลังงานจากไฮโดรเจน และแอมโมเนียกำลังเป็นที่จับตามองมากๆ ซึ่งมีการประกาศว่า เมื่อนำพลังงานของโครงการทั้งหมดมารวมกัน จะมีค่าสูงถึงเกือบ 3.5 GW ภายในปี 2030 เลยทีเดียว และหากพิจารณาถึงนโยบายและมาตรการที่รัฐบาลทั่วโลกได้ดำเนินการไปแล้วนั้น สามารถคาดการณ์ได้ว่า ปริมาณความต้องการไฮโดรเจนอาจจะพุ่งสูงถึง 115 Mt ภายในปี 2030 ซึ่งการใช้ไฮโดรเจนในรูปแบบใหม่จะต่ำกว่า 2 Mt

รูปที่ 3 รถไฟพลังงานไฮโดรเจน ประเทศเยอรมนี พัฒนาโดยบริษัท Alstom สัญชาติฝรั่งเศส

ที่มา: https://www.smithsonianmag.com/smart-news/hydrogen-powered-passenger-trains-are-now-running-in-germany-180980706/

          ในปี 2021 ปริมาณไฮโดรเจนส่วนใหญ่ที่นำมาใช้ ผลิตมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งก่อให้เกิดมลภาวะ และไม่ได้ส่งผลดีต่อการบรรเทาวิกฤตการณ์การเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) แต่อย่างใด การผลิตไฮโดรเจนที่ปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยมีน้อยกว่า 1 Mt ในปี 2021

          ไฮโดรเจนมักถูกใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมเป็นหลัก โดย 33% ของปริมาณการใช้ทั้งหมดทั่วโลกจะอยู่ในภาคอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมัน 27% อยู่ในภาคอุตสาหกรรมการผลิตแอมโมเนีย 27% อยู่ในภาคอุตสาหกรรมการผลิตเมทานอล และ 3% เป็นภาคอุตสาหกรรมการผลิตโลหะ ในประเทศสหรัฐอเมริกา จะพบว่าไฮโดรเจนที่ผลิตได้เกือบทั้งหมดจะถูกนำมาใช้ในกระบวนการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม การผลิตแอมโมเนีย และการผลิตเมทานอล มีเพียงแค่ 10% เท่านั้นที่นำไปใช้ในการชุบโลหะ (Treating Metals) กระบวนการผลิตอาหาร และอื่นๆ นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังสามารถนำมาใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ภาคการขนส่ง และกระบวนการสร้างความร้อนอีกด้วย

รูปที่ 4 กระบวนการผลิตไฮโดรเจน การเก็บรักษา การขนส่ง และการใช้งานในธุรกิจต่างๆ

          เนื่องจากไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นมาจากแหล่งพลังงานอื่นๆ ดังนั้นไฮโดรเจนจะถูกจัดเป็นพาหะพลังงาน (Energy Carrier) มากกว่าเป็นแหล่งพลังงาน (Energy Source) และเมื่อไฮโดรเจนถูกผลิตออกมาแล้วนั้น ก็สามารถนำไปเก็บรักษา ขนส่ง และนำไปใช้ในรูปแบบต่างๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน กระบวนการผลิตแอมโมเนีย เชื้อเพลิงชีวภาพ (Biofuel) และ อุตสาหกรรมโลหะและการเชื่อมโลหะ เป็นต้น

          ในปัจจุบัน จะเห็นได้ว่า มีการจำแนกไฮโดรเจนออกเป็นสีต่างๆ หลากหลายสี แต่ในความเป็นจริงแล้ว สีดังกล่าวไม่ใช่สีจริงของไฮโดรเจน เพราะไฮโดรเจนเองเป็นธาตุที่ไร้สี ไร้กลิ่น และยังเป็นก๊าซที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษเมื่อเกิดการเผาไหม้อีกด้วย ดังนั้นสีที่ใช้ในการจำแนกไฮโดรเจน แบ่งแยกตามปริมาณการปลดปล่อยคาร์บอนที่เกิดจากกระบวนการผลิตไฮโดรเจน สีที่ใช้ในการจำแนกไฮโดรเจนสามารถดูได้ที่ตารางที่ 1

ตารางที่ 1 การจำแนกไฮโดรเจนตามแหล่งกำเนิดพลังงาน และความเข้มข้นของคาร์บอน

รูปที่ 5 การจำแนกที่มาของไฮโดรเจนด้วยสีต่างๆ

ที่มา: https://jpt.spe.org/twa/the-color-palette-of-the-colorless-hydrogen

ไฮโดรเจนสามารถถูกผลิตขึ้นมาจากการแยกออกมาจากสารประกอบในรูปแบบต่างๆ ไฮโดรเจนในปัจจุบันกว่า 80% นั้นมาจากโรงงานที่ผลิตไฮโดรเจนโดยเฉพาะ ส่วนอีก 20% นั้นเป็นผลผลิตข้างเคียงที่่เกิดจากกระบวนการผลิตสารชนิดอื่น กระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่เป็นที่นิยมแพร่หลายที่สุด 4 กระบวน คือ

1. Steam-Methane Reforming: กระบวนการนี้มีการใช้กันเป็นที่แพร่หลายสำหรับการผลิตไฮโดรเจน โดยมีก๊าซธรรมชาติเป็นแหล่งเชื้อเพลิงหลัก จากสถิติข้อมูลพบว่า ¾ ของการผลิตไฮโดรเจนทั่วโลกรายปี และ 95% ของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนโดยเฉพาะ (Dedicated Hydrogen Production) ใช้วิธีการนี้ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งวิธีการนี้ประกอบไปด้วย 3 ขั้นตอนด้วยกัน ขั้นตอนแรก คือ ไอน้ำร้อนอุณหภูมิ 700 – 1000ºC เข้าทำปฏิกิริยากับมีเทนโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ช่วยในการผลิตไฮโดรเจน คาร์บอนมอนอกไซด์ และคาร์บอนไดออกไซด์ปริมาณเพียงเล็กน้อย หลังจากนั้นจึงเข้าสู่ขั้นตอนที่ 2 คือ คาร์บอนมอนอกไซค์เข้าทำปฏิกิริยากับไอน้ำ ปฏิกิริยาคายความร้อนนี้มีชื่อเรียกว่า ปฏิกิริยา Water-Gas Shift โดยมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ในการผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรเจนออกมา ต่อจากนั้น ก๊าซไฮโดรเจนจึงถูกทำให้บริสุทธิ์ (Purified) ด้วยการแยกคาร์บอนไดออกไซด์และสารปนเปื้อนอื่นๆ ออก โดยมักใช้กระบวนการดูดซับสลับความดัน (Pressure-Swing Adsorption) กระบวนการนี้สามารถใช้กับเชื้อเพลิงประเภทอื่นด้วยเช่นกัน เช่น เอทานอล โพรเพน หรือน้ำมัน เป็นต้น

รูปที่ 6 กระบวนการ steam-methane reforming

ที่มา: https://www.researchgate.net/figure/Simplified-process-flow-diagram-of-steam-methane-reforming-with-carbon-capture-and_fig2_358087280

2. Coal Gasification: ในถ่านหินประกอบไปด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และซัลเฟอร์ ในการผลิตไฮโดรเจนนั้น จะนำถ่านหินไปเผาบางส่วน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าช่วยทำให้เกิดความร้อน และปฏิกิริยาทางเคมีที่ทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้น ซึ่งจะไปทำปฏิกิริยากับถ่านหิน แล้วจึงเกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ขึ้นมา คาร์บอนมอนอกไซด์นี้จะเข้าทำปฏิกิริยากับไอน้ำ แล้วจึงผลิตไฮโดรเจนออกมาด้วยปฏิกิริยาคายความร้อนที่เรียกว่า Water-Gas Shift แล้วตามมาด้วยกระบวนการทำให้สารบริสุทธิ์ (Purification Process) ซึ่งคล้ายคลึงกับกระบวนการ Steam-Methane Reforming วิธีการนี้นับเป็น 23% ของการผลิตไฮโดรเจนทั่วโลกโดยเฉพาะ

รูปที่ 7 กระบวนการ Coal Gasification

ที่มา http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/environmental/l5/1.html

3. Electrolysis: กระบวนการนี้เป็นการแยกไฮโดรเจนและออกซิเจนออกจากกันในโมเลกุลน้ำ โดยทำในเครื่องมือที่เรียกว่า Electrolyzer ซึ่งใช้ไฟฟ้าในการแยกน้ำให้กลายเป็นไฮโดรเจน และออกซิเจน (ในเทคโนโลยีบางประเภท ใช้ความร้อนด้วยเช่นกัน) ในปัจจุบันนี้ มีเพียง 0.1% ของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนโดยเฉพาะ (Dedicated Hydrogen Production) เท่านั้นที่ใช้วิธีการ Electrolysis สำหรับ Electrolyzer นั้นประกอบไปด้วย 2 ขั้ว คือ ขั้วแอโนด (Anode) และแคโธด (Cathode) จุ่มในน้ำ และในบางประเภท ก็มีอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ด้วยเช่นกัน วิธีการนี้ใช้การปล่อยกระแสไฟฟ้าไปที่แคโธด และให้กระแสไฟฟ้าส่งผ่านโดยมีน้ำเป็นสื่อกลาง ส่งผลให้โมเลกุลน้ำแยกตัวออกมาเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ณ วันนี้มีเทคโนโลยี Electrolysis อยู่หลักๆ 3 ประเภท คือ Alkaline Electrolysis, Proton Exchange Membrane (PEM) Electrolysis และ Solid Oxide Electrolysis Cells

รูปที่ 8 กระบวนการ Electrolysis

ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis_of_water

4. Methane Pyrolysis: กระบวนการนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ โดยทำให้มีเทนแยกตัวออกมาเป็นไฮโดรเจน และคาร์บอนในสถานะของแข็ง (Solid Carbon) ด้วยอุณหภูมิที่สูง และเนื่องจากคาร์บอนที่เกิดขึ้นเป็นสถานะของแข็ง การปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จึงต่ำกว่าการใช้วิธี Steam Methane Reforming ในปัจจุบัน เหล่านักวิจัยกำลังพยายามศึกษาหาวิธีที่จะเอาชนะอุปสรรคต่างๆ เช่น การสร้างอุณหภูมิที่สูงมาก ความบริสุทธิ์ของก๊าซไฮโดรเจน และการแยกคาร์บอนที่อยู่ในสถานะของแข็งออกจากก๊าซไฮโดรเจน

รูปที่ 9 กระบวนการ methane pyrolysis

ที่มา: https://www.chemengonline.com/methane-pyrolysis-process-leverages-natural-gas-for-co2-free-h2-generation/

ฝ่ายนวัตกรรมและพัฒนาการกำกับกิจการพลังงาน

สำนักงานคณะกรรมการกำกับกิจการพลังงาน

ธันวาคม 2565

ข้อมูลอ้างอิง

“Global Hydrogen Review 2022.”, International Energy Agency, Sep. 2022.

“Hydrogen.”, International Renewable Energy Agency, https://www.irena.org/Energy-Transition/Technology/Hydrogen. Accessed 27 Dec. 2022.

Joshi, Chernyakhovskiy, and Chung. “Hydrogen 101: Frequently Asked Questions About Hydrogen for Decarbonization.”, National Renewable Energy Laboratory, Jul. 2022.

Koonaphapdeelert, Sirichai. “Transfer Workshop: Hydrogen Production and Utilization in Thailand.” Energy Research and Development Institute-Nakornping Chiang Mai University, Nov. 2022.