การผลิตไฮโดรเจน: ไฮโดรเจนผลิตขึ้นอย่างไรและคืออะไร

ไฮโดรเจนมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะที่เป็นพลังงานสะอาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในมุมมองของอนาคตที่เป็นมิตรกับสภาพอากาศมากขึ้น แต่คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าไฮโดรเจนแท้จริงแล้วคืออะไรและผลิตได้อย่างไร ในบทความนี้ เราจะพูดถึงพื้นฐานและเทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจนและสิ่งที่ทำให้ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่พิเศษ

พูดง่ายๆ คือ ไฮโดรเจน คือก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส ซึ่งได้รับการยอมรับว่าเป็นธาตุทางเคมีที่ง่ายที่สุดและมีมากที่สุดในจักรวาล ไฮโดรเจนประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก โปรตอน และอิเล็กตรอน

ซึ่งมีการตอบสนองอย่างรวดเร็วและสามารถผสมผสานกับธาตุอื่นๆ เพื่อสร้างสารประกอบ เช่น น้ำ และยังทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงที่ทรงพลังและสามารถใช้เพื่อผลิตไฟฟ้า ขับเคลื่อนยานพาหนะ และสร้างความร้อนได้ ในฐานะเป็นพลังงานสะอาด ไฮโดรเจนมีศักยภาพในการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและเป็นพลังงานที่ยั่งยืน

มีเทคโนโลยีหลายอย่างสำหรับการผลิตไฮโดรเจน ซึ่งสามารถใช้ได้โดยขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะและทรัพยากรที่มีอยู่ ต่อไปนี้เป็นวิธีการทั่วไป:
 

• การเปลี่ยนรูปก๊าซธรรมชาติด้วยไอน้ำ: ในปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการผลิตไฮโดรเจน ในกระบวนการนี้ ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งประกอบด้วยมีเทนเป็นหลัก จะได้รับความร้อนด้วยไอน้ำที่มีอยู่ในตัวเร่งปฏิกิริยา เปรียบการเปลี่ยนรูปด้วยไอน้ำว่าเป็น"การทำให้ก๊าซธรรมชาติแตกตัว"
  
  ในกระบวนการนี้ มีเทนในก๊าซธรรมชาติจะทำปฏิกิริยากับไอน้ำ ทำให้เกิดไฮโดรเจน (H2) และคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไฮโดรเจนที่ได้จะผ่านการทำให้บริสุทธิ์และสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในยานพาหนะ ใช้ผลิตไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิง หรือในการใช้งานด้านอุตสาหกรรมต่างๆ กระบวนการนี้มีราคาไม่แพง แต่ก็มีข้อเสียด้วย คือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาเป็นผลพลอยได้ ซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

• การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า: ในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า น้ำจะถูกแยกออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยอาศัยกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์จะทำให้เกิดกระบวนการนี้

• การผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงอาทิตย์: ในวิธีนี้ พลังงานแสงอาทิตย์จะถูกใช้แทนพลังงานไฟฟ้าในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้แสงอาทิตย์โดยตรงหรือโดยการรวบรวมรังสีจากแสงอาทิตย์ด้วยความช่วยเหลือจากกระจกหรือกล่องเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ เทคโนโลยีใหม่นี้สามารถใช้ได้ในประเทศที่มีแสงแดดเพียงพอและสามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างคุ้มค่า

• การผลิตไฮโดรเจนทางเคมีความร้อน (การผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ): จุลินทรีย์บางชนิด เช่น แบคทีเรียหรือสาหร่ายบางชนิด สามารถผลิตไฮโดรเจนผ่านการหมักหรือการสังเคราะห์แสง วิธีการนี้ยังคงอยู่ระหว่างการพัฒนา แต่มีศักยภาพในการเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่ยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามข้อเสียของการผลิตประเภทนี้คือทรัพยากรมีจำกัด

โปรดทราบว่ากระบวนการผลิตไฮโดรเจนไม่ได้มีความยั่งยืนหรือเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเท่ากันทั้งหมด ความยั่งยืนของการผลิตไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ใช้และการปล่อย CO2 ในระหว่างกระบวนการผลิต เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากไฮโดรเจนในฐานะแหล่งพลังงานสะอาด จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนในการผลิตไฮโดรเจน

การใช้พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม หรือพลังงานน้ำ สามารถลดการปล่อย CO2 ได้อย่างมากในการผลิตไฮโดรเจน ซึ่งช่วยให้มีความยั่งยืนยิ่งขึ้น การผลิตไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม นี่เป็นก้าวสำคัญในการบรรลุอนาคตคาร์บอนต่ำและจัดการกับการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่มีแนวโน้มมากที่สุด กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าช่วยให้ผลิตไฮโดรเจนได้อย่างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไฟฟ้าที่ใช้มาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เทคโนโลยีเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการทำให้ไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาดที่ยั่งยืนสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เราได้พิจารณารายละเอียดของเทคโนโลยีต่างๆ และพิจารณาข้อดีและข้อเสียของแต่ละเทคโนโลยี

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า PEM หรือเรียกอีกอย่างว่าการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน จะแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้เมมเบรนโพลิเมอร์และกระแสไฟฟ้า

ข้อดี:

• การสตาร์ทที่รวดเร็วและการปรับตัวให้เข้ากับโหลดที่แปรผันได้อย่างรวดเร็ว
• ประสิทธิภาพสูงในการทำงานด้วยโหลดบางส่วน
• อุณหภูมิการทำงานต่ำ (50-80 °C) ลดการใช้วัสดุราคาแพง
• ขนาดกะทัดรัดและผนวกรวมเข้ากับระบบที่มีอยู่ได้ง่าย
• ความพร้อมทางเทคโนโลยีระดับสูง (TRL 7-8)

ข้อเสีย:

• มีความไวต่อสิ่งเจือปนในน้ำ จึงต้องมีการบำบัดน้ำล่วงหน้า
• อายุการใช้งานที่จำกัดของเซลล์เชื้อเพลิง PEM (ประมาณ 10,000 ชั่วโมงการใช้งาน)
• ต้นทุนสูงกว่าเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอัลคาไลน์

ในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอัลคาไลน์ น้ำจะถูกแยกออกเป็นส่วนประกอบของไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ของอัลคาไลน์ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นสารละลายน้ำของโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์

ข้อดี:

• ต้นทุนลดลงเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า PEM
• ทนทานต่อสิ่งปนเปื้อนในน้ำ
• อายุการใช้งานของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ยาวนาน (ประมาณ 40,000-80,000 ชั่วโมงการใช้งาน)
• ความพร้อมทางเทคโนโลยีระดับสูงสุด (TRL 8-9)

ข้อเสีย:

• อัตราการทำปฏิกิริยาช้ากว่าเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า PEM
• อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น (70-100°C) ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้น
• การรวมเข้ากับระบบที่มีอยู่แล้วทำได้ยากขึ้น เนื่องจากพารามิเตอร์การทำงานที่แตกต่างกัน

SOEC ย่อมาจาก Solid Oxide Electrolysis Cell และหมายถึงเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งจะแปลงน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงและมีออกไซด์ของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์

ข้อดี:

• ประสิทธิภาพสูงและการนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ได้เนื่องจากอุณหภูมิการทำงานสูง (800–1000 °C)
• ความยืดหยุ่นในการใช้เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ (เช่น ไอน้ำ, CO2)

ข้อเสีย:

• อุณหภูมิการทำงานสูงต้องใช้วัสดุราคาแพงและฉนวนกันความร้อนแบบพิเศษ
• สตาร์ทและปรับตัวให้เข้ากับโหลดที่แปรผันได้ช้า
• ขนาดที่ใหญ่ขึ้นและการรวมระบบที่ซับซ้อน
• ประสบการณ์การใช้งานบนพื้นที่ขนาดใหญ่มีเพียงเล็กน้อย

AEM ย่อมาจาก Anion Exchange Membrane และหมายถึงเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้เมมเบรนพิเศษที่ช่วยให้ไอออนที่มีประจุลบซึมผ่านได้ และแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้กระแสไฟฟ้า

ข้อดี:

• ต้นทุนลดลงเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า PEM
• ทนทานต่อสิ่งปนเปื้อนในน้ำ
• การทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า (ประมาณ 60-80°C)

ข้อเสีย:

• การพัฒนาและการใช้งานในเชิงพาณิชย์ที่จำกัดเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอัลคาไลน์และ PEM
• ความท้าทายที่อาจเกิดขึ้นกับความเสถียรของเมมเบรนในระยะยาว
• ไม่มีการติดตั้งขนาดใหญ่ ความพร้อมทางเทคโนโลยีอยู่ในระดับต่ำ