Articles

เทคโนโลยี พลังงานไฮโดรเจน

     จากการที่น้ำมันในตลาดโลกมีราคาแพงขึ้นส่งผลกระทบต่อการใช้น้ำมันทั่วโลกโดยเฉพาะ ประเทศที่ต้องพึ่งพาการนำเข้าน้ำมันอย่างประเทศไทย มาตรการในการแก้ปัญหาอย่างหนึ่ง คือ การหาพลังงานทดแทนที่มีความยั่งยืนและไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม อาทิ พลังงานไฮโดรเจน โดยพลังงานไฮโดรเจนกำลังได้รับความสนใจจากทั่วโลกเนื่องจากสามารถผลิตได้จากหลายแหล่ง มีศักยภาพ ให้พลังงานสูง และแปลงเป็นพลังงานอื่นได้ง่าย แต่กระบวนการผลิตจะต้องมีต้นทุนต่ำ และมีความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม การพัฒนากระบวนการผลิตไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานที่สะอาด มีความยั่งยืนในระบบ และเกิดการแข่งขันทางด้านต้นทุนได้นั้นมีกระบวนการผลิตได้หลายวิธี ทั้งนี้ขึ้นกับชนิดของวัตถุดิบที่ใช้ ได้แก่ ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน พลังงานนิวเคลียร์ แหล่งทรัพยากรหมุนเวียน เช่น มวลชีวภาพ สาหร่ายหรือแบคทีเรีย และน้ำ หรือ น้ำเสีย เป็นต้น ส่วนการจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนจะเก็บไว้ในสถานะของเหลว ในวัสดุที่สามารถดูดซับและเก็บรักษาไฮโดรเจนได้ดี ขณะที่การนำก๊าซไฮโดรเจนไปใช้ประโยชน์จะอยู่ในรูปของการใช้เป็นเซลล์เชื้อเพลิง

ไฮโดรเจน พลังงานสมบูรณ์แบบ

     ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและเป็นองค์ประกอบของน้ำ ที่มีมากที่สุดบนโลก นอกจากนี้ยังเป็นธาตุที่รวมอยู่ในโมเลกุลของสารประกอบอื่นๆ เช่น สารประกอบจำพวกไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของปิโตรเลียมที่มีความสำคัญสำหรับการพัฒนาทางเศรษฐกิจของประเทศคุณสมบัติทั่วไปของไฮโดรเจน คือไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ติดไฟง่าย มีความสะอาดสูง ไม่เป็นพิษและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ประโยชน์ของการนำก๊าซไฮโดรเจนมาใช้งานคือใช้เป็นเชื้อเพลิงในการเผาไหม้และให้ความร้อนออกมา หรือใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงโดยปฏิกิริยาทางเคมีแล้วเกิดกระแสไฟฟ้าซึ่งสามารถนำไปใช้ได้ทั้งในการขับเคลื่อนรถ ผลิตกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ขนาดเล็กและอื่นๆ

คุณสมบัติของไฮโดรเจน ( Hydrogen Characteristics )

     ไฮโดรเจนเป็นโมเลกุลที่พบได้ทั่วไปตามธรรมชาติ โดยบรรยากาศในโลกมีก๊าซไฮโดรเจนประมาณ 0.1 ppm มีความแข็งแรงในการยึดโมเลกุล เท่ากับ 104 kcal/mol ดังนั้น เมื่อต้องการให้ไฮโดรเจนโมเลกุลทำปฏิกิริยา จึงต้องใช้พลังงานเพื่อทำลายความแข็งแรงในการยึดโมเลกุลดังกล่าว เช่น เพิ่มอุณหภูมิ หรือใช้สารเร่งปฏิกิริยา เป็นต้น ไฮโดรเจนอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสอยู่กลาง
ภายในนิวเคลียส ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และมีอิเลคตรอนวิ่งรอบนอกเหมือนธาตุอื่นๆ ไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป ขึ้นกับจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนที่ต่างกัน ดังนี้

1. โปรเตียม (Protium) มีจำนวนโปรตอน 1 โปรตอน มีน้ำหนักอะตอม เท่ากับ 1.0078

2. ดิวเทอเรียม (Deuterium) มีจำนวนโปรตอน 1 โปรตอน จำนวนนิวตรอน 1 นิวตรอน มีน้ำหนักอะตอม เท่ากับ 2.0141

3. ตริเที่ยม (Tritium) มีจำนวนโปรตอน 1 โปรตอน จำนวนนิวตรอน 2 นิวตรอน มีน้ำหนัก อะตอม เท่ากับ 3.0161

 

    ลักษณะทั่วไปของไฮโดรเจนทั้ง 3 สถานะ คือ ไฮโดรเจนที่เป็นของแข็งจะไม่มีสี มีโครงสร้างผลึก 6 เหลี่ยม ปริมาตรต่อโมล (Molar Volume) เท่ากับ 2.56 cm3/mol ส่วนไฮโดรเจนที่เป็นของเหลวจะไม่มีสีมีค่าความหนืด (Viscosity) ต่ำ เคลื่อนที่ได้เร็ว ขณะที่ไฮโดรเจนที่เป็นก๊าซจะไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่เป็นพิษ ก๊าซไฮโดรเจน 1 ลิตร มีมวล 0.0898 กรัม

 

รูปที่ 1 ไอโซโทป 3 ชนิด ของไฮโดรเจน
( ที่มา : http://www.tint.or.th/nkc/nkc5002/nkc5002a.html )

รูปที่ 2 คุณสมบัติทั่วไปของไฮโดรเจน
( ที่มา : http://www.enaa.or.jp/WE-NET/suiso/suiso1_e.html )

พลังงานไฮโดรเจนได้มาจากอะไร

      ปัจจุบันการผลิตไฮโดรเจนเมื่อพิจารณา จากวัตถุดิบเป็นหลักแบ่งออกเป็น 3 แหล่งหลัก คือ จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น แก๊สธรรมชาติ ถ่านหิน น้ำมันปิโตรเลียม จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ชีวมวล และน้ำ เป็นต้น และจากพลังงานนิวเคลียร์

รูปที่ 3 คุณแหล่งพลังงานไฮโดรเจน

( ที่มา : Hydrogen Production and Storage IEA,2006 )
 

เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน

เทคโนโลยีในการผลิตไฮโดรเจน สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 เทคโนโลยีหลัก ได้แก่ Thermo Chemical Processes, Electro Chemical Processes และ Photolytic Processes              

          1.Thermo-chemical Process (กระบวนการความร้อนเคมี) ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้โดยวิธีทางเคมีโดยใช้ความร้อน มีวัตถุดิบหลักที่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เช่น ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ชีวมวล เป็นต้น ผลลัพธ์ที่ได้คือก๊าซสังเคราะห์ซึ่งประกอบด้วย ไฮโดรเจน(H2), คาร์บอนมอนนอกไซด์(CO) คาร์บอนมอนนอกไซด์(CO2) น้ำ(H2O) และมีเทน(CH4) จากนั้นจะผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อทำให้ได้ไฮโดรเจนที่บริสุทธิ์ขึ้น ซึ่งการผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการความร้อนเคมี ได้แก่ กระบวนการรีฟอร์มมิ่งด้วยไอน้ำ (Steam Reforming)กระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่น (Gasification) ปัจจุบันการผลิตไฮโดรเจนจากกระบวนการรีฟอร์มมิ่งด้วยไอน้ำจากก๊าซธรรมชาติ เป็นกระบวนการที่ใช้กันแพร่หลายในเชิงพาณิชย์ ซึ่งในประเทศไทยใช้กระบวนการนี้ในการผลิตไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่างๆ          

         2.Electro-chemical Process (กระบวนการไฟฟ้าเคมี) เป็นการใช้ไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยไฟฟ้าที่มาจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าทุกชนิดสามารถใช้ได้กับกระบวนการนี้ ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน รวมทั้งจากพลังงานนิวเคลียร์

      3.Bio-chemecal Process (กระบวนการชีวเคมี) กระบวนการนี้เป็นการผลิตไฮโดรเจนโดยการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อแยกน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน มีการใช้แสงแดดและกระบวนการทางชีวภาพของสาหร่ายเซลล์เดียวและแบคทีเรียในการแยกน้ำให้ เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

การจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจน
            1. การเก็บในรูปของเหลว จะต้องเก็บในถังความดันที่มีอุณหภูมิต่ำมากถึง -273 องศาเซลเซียส และมีปัญหาในปล่อยกก๊าซทิ้งเพื่อควบคุมความดันในถังเก็บอีกทั้งต้องเสียค่าพลังงานไฟฟ้ามากในการทําให้อุณหภูมิต่ำซึ่งสูงถึงหนึ่งในสามของพลังงานไฮโดรเจน
            2. การเก็บไว้ในท่อถ่านนาโน (Carbon nanotube) โดยใช้ คุณสมบัติ การดูดซับทางกายภาพของถ่านซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันที่อุณหภูมิต่ำ 70 เคลวิน ความดัน 40 บาร์ จะเก็บไฮโดรเจนได้ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ำหนักกึ่งอยู่ระหว่างการพัฒนา เทคโนโลยีเพื่อให้เก็บไฮโดรเจนได้มากขึ้นและนํามาใช้งานต่อไป
            3.การเก็บในรูปสารประกอบเคมี   จะเป็นในลักษณะการใช้โลหะไฮดรายด์ ซึ่งต้องอาศัยน้ำหนักและอุณหภูมิที่เหมาะสม โดยสามารถ เก็บได้ประมาณ 2-3 เปอร์เซ็นต์ และนี่นับเป็นปัญหาของการเก็บในรูปแบบนี้เพราะถังมีน้ำค่อนข้างมากหากจะเก็บในรูปแบบนี้ และ ต้องมาระบายความร้อนออกจากถังโดยใช้โลหะไฮดรายด์ และเก็บในรูปของสารประกอบไฮดรายจำพวกโซเดียม โพแทสเซียมไฮดรายด์ ลิเทียมไฮดรายด์ หรือโซเดียมไฮดรายด์ ซึ่งสามารถคลายไฮโดรเจนออกมา โดยทำปฏิกิริยากับน้ำ จนได้โซเดียมไฮดรอก ไซด์และก๊าซไฮโดรเจนแต่เมื่อนําโซเดียมไฮดรอกไซด์มาให้ความร้อน จะได้โซเดียมไฮดรายด์กับก๊าซออกซิเจนกลับมาใหม่ จึงถือได้ว่าโซเดียมไฮดรายด์เป็นเสมือนพาหะพลังงานที่สามารถอยู่ในรูปของ เม็ดเคลือบผิวกันน้ำสำหรับการขนส่ง


 ความก้าวหน้าทางด้านการวิจัย

      ในส่วนของประเทศไทย พพ.ได้ดำเนินงานวิจัยพื้นฐานด้านพลังงานไฮโดรเจนอย่างต่อเนื่อง เพื่อเตรียมความพร้อมรองรับการใช้ พลังงานไฮโดรเจนของประเทศในอนาคต ซึ่งโครงการที่ได้ดำเนินการไปแล้ว ได้แก่

       โครงการพัฒนาสาธิตการผลิตและจัดเก็บไฮโดรเจน ได้ศึกษาวิจัยและพัฒนาสาธิตระบบการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ และการจัดเก็บในรูปของแข็งและก๊าซความดันสูง ซึ่ง พพ.ได้ต้นแบบระบบผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการ steam reformation จากก๊าซธรรมชาติกำลังการผลิต 90 ลิครต่อวัน และต้นแบบอุปกรณ์การจัดเก็บไฮโดรเจนในรูปแบบเมทัลไฮไดร์ขนาด 300 ลิตร และระบบการจัดเก็บไฮโดรเจน

     โครงการตรวจสอบ ติดตามและปรับปรุงใช้ PEMFC ในรถยนต์เพื่อพัฒนาต้นแบบ เป็นโครงการพัฒนาสาธิตการใช้ PEMFC ในรถยนต์สามล้อ ได้ดำเนินการศึกษาวิจัยและพัฒนาต้นแบบรถยนต์สามล้อเซลล์เชื้อเพลิงคันแรกในประเทศไทยและโครงการตรวจสอบ ติดตามและปรับปรุงใช้ PEMFC ในรถยนต์เพื่อพัฒนาต้นแบบ ได้ดำเนินการปรับปรุงยานยนต์ต้นแบบสามล้อเซลล์เชื้อเพลิง ให้ระบบขับเคลื่อนรถยนต์มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้น
 

ข้อจำกัดและแนวทางแก้ไข
       ถึงแม้พลังงานไฮโดรเจนจะเป็นพลังงานที่มีประสิทธิภาพ แต่พบว่าการผลิตยังมีต้นทุนสูง เนื่องจากต้องทำในระบบปิด รวมไปถึงการเพิ่มผลผลิตของก๊าซที่ได้ในแต่ละครั้ง นอกจากนี้ยังเกิดปัญหาในการจัดเก็บ โดยเฉพาะการผลิตในเชิงพาณิชย์ ซึ่งต้องมีภาชนะขนาดใหญ่และเพียงพอในการจัดเก็บ รวมไปถึงความปลอดภัยในการใช้งาน แต่อย่างไรก็ตามกระบวนการผลิตที่มีต้นทุนสูงอยู่ในขณะนี้ สามารถชดเชยได้โดยการพยายามเพิ่มผลผลิตในแต่ละครั้งรวมไปถึงการค้นหาแหล่งวัตถุดิบใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพในการผลิตก๊าซไฮโดรเจน และต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างต่อเนื่อง (เกรียงศักดิ์,2549; Energy Plus, 2547)

 

สรุป
      พลังงานไฮโดรเจนกำลังเป็นพลังงานคลื่นลูกใหม่สำหรับศตวรรษที่ 21 โดยประเทศไทยในฐานะที่เป็นประเทศที่มีการบริโภคพลังงานและมีการนำเข้าในปริมาณที่สูง โดยเฉพาะการใช้ในภาคการขนส่งที่มีสัดส่วนการใช้พลังงานสิ้นเปลืองมาก รวมทั้งทำให้เกิดมลพิษอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อม การลดการสิ้นเปลืองพลังงานและมลพิษจากภาคขนส่ง นับเป็นสิ่งท้าทายของประเทศไทยซึ่งเป็นประเทศเกษตรกรรมที่มีวัตถุดิบหลายชนิดที่สามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตพลังงานไฮโดรเจนได้ ไม่ว่าจะเป็นพืชที่มีส่วนประกอบของน้ำตาลหรือพืชจำพวกแป้ง สาหร่ายหรือแบคทีเรียบางชนิด น้ำ รวมไปถึงน้ำเสีย แต่ทั้งนี้จะต้องแก้ไขปัญหาในการผลิตดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น จึงจะทำให้ประเทศไทยสามารถพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตพลังงานไฮโดรเจนเพื่ออนาคตได้ ซึ่งเป็นการเตรียมความพร้อมเพื่อเข้าสู่ยุคเศรษฐกิจไฮโดรเจนต่อไป

 

อ้างอิง

v
Copyrights © 2014 & All Rights Reserved by ENCOS Co.,Ltd.