ไฮโดรเจนจะมีคุณสมบัติ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่นและไม่เป็นพิษภายใต้ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้อง มีความเบากว่าทั้งอากาศและฮีเลียม เมื่อนำมาเผาไฮโดรเจนจะให้เปลวไฟสีฟ้าจาง ๆ จนเกือบมองไม่เห็น แต่ถ้าอยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำกว่า -253 oC ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนสภาพจากก๊าซเป็นของเหลว [Brady 2000] [Kofstad 1992] ไฮโดรเจนแปลว่า ผู้สร้างน้ำ และเป็นโมเลกุลพื้นฐานที่ประกอบอยู่ในสสารเกือบทั้งหมดในจักรวาลนี้
สิริชนก จันทร์ใบ |
. |
. |
ไฮโดรเจนเทคโนโลยี |
ไฮโดรเจน |
ก่อนอื่นคงต้องมาทำความรู้จักกับไฮโดรเจนกันก่อน โดยไฮโดเจนหนึ่งอะตอมประกอบด้วยหนึ่งประจุบวก (โปรตอน) และหนึ่งประจุลบ (อิเล็กตรอน) เมื่อไฮโดรเจนสองอะตอมรวมตัวกันจะเกิดเป็นไฮโดรเจน 1 โมเลกุล ซึ่งถือเป็นโครงสร้างโมเลกุลพื้นฐานอย่างง่าย |
. |
ไฮโดรเจนจะมีคุณสมบัติ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่นและไม่เป็นพิษภายใต้ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้อง มีความเบากว่าทั้งอากาศและฮีเลียม เมื่อนำมาเผาไฮโดรเจนจะให้เปลวไฟสีฟ้าจาง ๆ จนเกือบมองไม่เห็น แต่ถ้าอยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำกว่า -253 oC ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนสภาพจากก๊าซเป็นของเหลว [Brady 2000] [Kofstad 1992] |
. |
ไฮโดรเจนแปลว่า ผู้สร้างน้ำ และเป็นโมเลกุลพื้นฐานที่ประกอบอยู่ในสสารเกือบทั้งหมดในจักรวาลนี้ H.Cavendish (ปี ค.ศ.1731–1810) พบได้ทั้งบนโลก ทั้งในดวงอาทิตย์และดวงดาวอื่น ๆ ที่สำคัญสามารถพบไฮโดรเจนได้ในน้ำ ซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอม (H2O) |
. |
ฉะนั้นคงไม่ผิดที่จะกล่าวว่าทะเลเป็นแหล่งเก็บไฮโดรเจนขนาดยักษ์ นอกจากนี้เรายังสามารถพบไฮโดรเจนได้ในสารอินทรีย์ทั้งหลาย เช่นใน พืชผัก ผลไม้ สัตว์ และซากพืชซากสัตว์ (ฟอสซิล) ส่วนในชั้นบรรยากาศจะสามารถพบก๊าซไฮโดรเจนได้จากปล่องภูเขาไฟ แต่เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนเบากว่าอากาศจึงหลุดลอยออกสู่ห้วงอวกาศ |
. |
การผลิตไฮโดรเจน |
กว่าร้อยปีมาแล้วที่มนุษย์ได้ผลิตและนำไฮโดรเจนมาใช้ในภาคอุตสาหกรรม และประมาณได้ว่าไฮโดรเจนที่มนุษย์ผลิตได้ทั้งหมดบนโลกใบนี้มีปริมาณมากถึง 45 ล้านตัน โดย 90% ของไฮโดรเจนที่ผลิตได้มาจากวัตถุดิบที่เป็นซากพืชซากสัตว์ (ฟอสซิล) โดยมีกลุ่มผู้บริโภคไฮโดรเจนรายใหญ่ได้แก่ กลุ่มผู้ผลิตปุ๋ย และอุตสาหกรรมปิโตรเลียม ดังรูปที่ 1 |
. |
รูปที่ 1 สัดส่วนการบริโภคไฮโดรเจน |
. |
ในช่วงห้าปีที่ผ่านมา (ค.ศ. 1999-2002) พบว่ายอดขายไฮโดรเจนเกิดการขยายตัวเพิ่มขึ้นถึงปีละ 6% เนื่องมาจากการนำไฮโดรเจนไปใช้ในการกระบวนการกลั่นน้ำมัน เพื่อให้ผลผลิตที่ได้จากการกลั่นมีคุณภาพสูงขึ้น และมีแนวโน้มว่าการนำไฮโดรเจนไปใช้ในกระบวนการกลั่นจะสูงขึ้นไปอีก |
. |
ทั้งนี้ในส่วนของภาคอุตสาหกรรมประเภทอื่น และในห้องทดลองยังพบว่ามีการนำไฮโดรเจนมาใช้ด้วย โดยก๊าซไฮโดรเจนอัดสามารถหาซื้อได้ในท้องตลาดตามร้านขายก๊าซแบบขายปลีกทั่วไป |
. |
รูปที่ 2 ก๊าซไฮโดรเจนอัดที่ขายตามท้องตลาด |
. |
กระบวนการสกัดไฮโดรเจนมีอยู่หลากหลายและอาศัยเทคนิคที่ต่างกัน วัตถุดิบที่ใช้ส่วนใหญ่จะเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน เช่น ถ่านหิน น้ำมัน หรือก๊าซธรรมชาติ แต่ผลผลิตได้จากวัตถุดิบดังกล่าวจะสร้างผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งแวดล้อมถ้าไม่มีการจัดการที่ดี |
. |
ลองจินตนาการถึงโรงผลิตไฮโดรเจนศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่แปลงก๊าซธรรมชาติให้เป็นไฮโดรเจนเพื่อป้อนให้กับรถยนต์นับล้านคัน และยวดยานเหล่านั้นก็จะสัญจรแบบไร้จากก๊าซเสีย คงช่วยให้เราได้อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ดีขึ้น การผลิตไฮโดรเจนในโรงผลิตศูนย์กลางขนาดใหญ่ทำให้ง่ายต่อการดักจับอนุภาคอันตราย เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดีกว่าการดักจับก๊าซที่รถยนต์แต่ละคันช่วยกันผลิต |
. |
ถ้าพูดถึงแหล่งพลังงานหมุนเวียนแล้ว ส่วนใหญ่จะเป็นแหล่งพลังงานที่เกิดการแปรผันตามสภาพอากาศและฤดูกาลเป็นหลัก ดังนั้นระบบผลิตพลังงานที่ต้องอาศัยแหล่งพลังงานหมุนเวียนจำเป็นต้องใช้หน่วยกักเก็บพลังงานสำรองเพื่อรักษาสมดุลที่เกิดการแปรผันจากปัจจัยภายนอก ทั้งนี้แหล่งพลังงานหมุนเวียนมักจะอยู่ห่างไกลจากผู้บริโภคดังนั้นต้องมีระบบขนส่งหรือลำเลียงพลังงาน ความต้องการทั้งการกักเก็บพลังงานและการลำเลียงพลังงานสามารถตอบสนองได้ด้วยเทคโนโลยีไฮโดรเจน |
. |
แหล่งพลังงานหมุนเวียนแบบใหม่ที่จะเป็นแหล่งพลังงานในอนาคตนั้นคงต้องออกแบบมาให้รองรับระบบขนส่งด้วย เพราะว่าพลังงานกว่าหนึ่งในสามจะหมดไปกับระบบขนส่ง (อ้างอิงข้อมูลการใช้พลังงานของกลุ่มประเทศผู้นำด้านอุตสาหกรรม) ซึ่งเป็นที่คาดหมายกันว่าพลังงานหมุนเวียนด้วยไฮโดรเจนจะกลายเป็นเชื้อเพลิงที่สำคัญในอนาคต โดยไฮโดรเจนที่สกัดได้จากไบโอแมสมีศักยภาพในการแข่งขันเทียบเท่ากับไฮโดรเจนที่ผลิตได้จากก๊าซธรรมชาติในบางพื้นที่ [PYNE 8/1999] |
. |
นอกจากนี้จากข้อมูลการศึกษาของ NHE ในปี ค.ศ. 1997 และ Ford ในปี ค.ศ. 1998 ได้ระบุว่าในอนาคตประเทศนอรเวย์จะสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในราคาที่ถูกกว่าราคาน้ำมันเบนซินในปัจจุบันที่รวมภาษีแล้ว ด้วยการใช้กระบวนการอิเล็กโตรไลซิสซึ่งเป็นการใช้พลังงานไฟฟ้าสกัดไฮโดรเจนจากน้ำ โดยไฟฟ้าที่ได้มาจากโรงไฟฟ้าพลังงานน้ำ |
. |
ดังนั้นในลำดับถัดไปจะได้กล่าวถึงการผลิตไฮโดรเจนที่มีอยู่ด้วยกันหลายวิธี และกระบวนการที่เป็นที่นิยมใช้กันได้แก่การผลิตไฮโดรเจนจากสารไฮโดรคาร์บอน แต่ก็ยังมีวิธีการใหม่ ๆ ที่น่าสนใจที่จะได้กล่าวถึงด้วย อย่างเช่นการใช้พลังงานหมุนเวียนแบบใหม่ในการผลิตไฮโดรเจน บางกระบวนการที่ว่านั้นได้รับการทดสอบมาเป็นอย่างดีแล้วว่าสามารถใช้ผลิตไฮโดรเจนได้จริงและให้ผลคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ แต่บางกระบวนการก็ยังอยู่ในขั้นวิจัยและพัฒนา เช่นการผลิตไฮโดรเจนจากสารชีวภาพด้วยการสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติ |
. |
อาจกล่าวได้ว่าไฮโดรเจนในนาม ตัวนำพลังงาน จะเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่แท้จริงเพราะสามารถใช้ได้ไม่มีวันหมด และน่าจะเป็นหนึ่งในคำตอบสุดท้ายที่จะเป็นแหล่งพลังงานถาวร รวมทั้งช่วยลดปัญหาภาวะโลกร้อนไปพร้อม ๆ กันได้ อาจจะออกมาในรูปของโรงผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานไฟฟ้าจากอิเล็กโตรไลเซอร์ขนาดใหญ่ และไฟฟ้าอาจได้มาจากโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ |
. |
การผลิตไฮโดรเจนจากซากพืชซากสัตว์ (Fossil Raw Materials) |
โดยภาพรวมแล้วการผลิตไฮโดรเจนจากสารประกอบไฮโดรคาร์บอน หรือจากซากพืชซากสัตว์ จะอาศัยหลักการการให้ความร้อนไปยังวัตถุดิบที่อยู่ภายในเตาปฏิกรณ์อุณหภูมิสูง ซึ่งบางกรณีจะผสมไอน้ำ ออกซิเจน หรืออากาศ เข้าไปด้วย |
. |
ภายใต้กระบวนการดังกล่าวโมเลกุลของน้ำและโมเลกุลของวัตถุดิบจะแตกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจน (H2) ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ดังนั้นก๊าซไฮโดรเจนที่ได้มาจากทั้งไอน้ำและสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่แตกตัว แต่ในบางกรณีจะเป็นการให้ความร้อน (Heat) ในภาวะไร้อากาศ (สุญญากาศ) เพื่อทำให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและคาร์บอน |
. |
กระบวนการออกซิเดชันถ่านหินเพียงบางส่วน |
กระบวนการออกซิเดชันถ่านหินเพียงบางส่วน หรือแก๊สซิฟิเคชัน เป็นวิธีการเก่าแก่ที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจนในโรงผลิตก๊าซสมัยก่อน เพื่อลำเลียงก๊าซสู่ผู้บริโภคผ่านท่อลำเลียงเข้าสู่ตัวเมือง ก๊าซที่ได้มีปริมาณไฮโดรเจนอยู่สูงถึง 60% แต่ทั้งนี้กลับให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่สูงมากเช่นกัน |
. |
โดยทั่วไปกระบวนการนี้จะอาศัยการฮีตถ่านหินให้มีอุณหภูมิสูงถึง 900oC ซึ่งจะทำให้ถ่านหินอยู่ในสภาวะก๊าซ และส่งต่อไปผสมกับไอน้ำอีกที ทั้งนี้กระบวนการต้องเติมตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ด้วย ที่ใช้อยู่จะเป็น นิกเกิล |
. |
กระบวนการแก๊สซิฟิเคชั่นเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนมาก แต่โดยหลักการแล้วเป็นกระบวนการที่อาศัยกรรมวิธีในการแปลงถ่านหินให้เป็น ก๊าซไฮโดรเจน (H2) ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เท่านั้น บางกรรมวิธีก็ต้องใช้ไอน้ำและออกซิเจนเข้าไปผสมที่อุณหภูมิสูงด้วย นอกจากนี้การใช้วัตถุดิบบางตัวจะยังผลให้เกิดสารประกอบซัลเฟอร์และไนโตรเจนในผลิตภัณฑ์ แต่ |
. |
โดยสรุปแล้วกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีส่วนประกอบของก๊าซ CO และ CO2 ในผลิตภัณฑ์ ซึ่งก๊าซดังกล่าวจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งแวดล้อมจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีวิธีการจัดการที่ดี [Winter et al 1988] จากข้อมูลเมื่อปี ค.ศ. 2002 มีโรงแปรรูปถ่านหินอยู่ ทั้งในยุโรป อเมริกาใต้ และสหรัฐอเมริกา ทำให้งานวิจัยและพัฒนาทางด้านนี้ได้รับความสนใจอย่างสูงจากกลุ่มอุตสาหกรรมผู้ผลิตถ่านหิน |
. |
การสกัดก๊าซธรรมชาติด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง |
อาจกล่าวได้ว่าการสกัดก๊าซธรรมชาติด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงเป็นวิธีการที่มีต้นทุนการผลิตต่ำที่สุดในบรรดากรรมวิธีการผลิตไฮโดรเจนทั้งหลาย กระบวนการนี้ถูกใช้เพื่อการผลิตไฮโดรเจนกว่าครึ่งหนึ่งของปริมาณไฮโดรเจนทั้งหมดที่มนุษย์ผลิตได้บนโลกใบนี้ โดยไอน้ำที่ใช้จะมีอุณหภูมิอยู่ที่ 700–1000 oC ขณะที่ถูกป้อนเข้าสู่เตาปฏิกรณ์พร้อม ๆ กับก๊าซมีเธน (ก๊าซธรรมชาติ) และตัวเร่งปฏิกิริยา ณ ความดัน 3–25 บาร์ (bar) |
. |
. |
ก๊าซธรรมชาติที่ใช้ในกระบวนการนี้นอกจากจะใช้เพื่อเป็นวัตถุดิบแล้ว ปริมาณกว่าหนึ่งในสามของก๊าซธรรมชาติต้องถูกใช้เพื่อสร้างพลังงานให้กับเตาปฏิกรณ์ ดังนั้นการศึกษาและวิจัยเพื่อพัฒนาและเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตต้องทำอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เกิดความคุ้มค่าสูงสุดในการใช้พลังงานความร้อน ทั้งยังต้องคงความเป็นธุรกิจที่สร้างผลกำไร [Gaudernack 1998] |
. |
เตาปฏิกรณ์ไอน้ำขนาดใหญ่จะสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ถึง 100,000 ตันต่อปี ซึ่งเพียงพอที่จะตอบสนองการใช้พลังงานของรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงกว่าล้านคันต่อปี ถ้าประเมินไว้ว่ารถหนึ่งคันวิ่งได้ระยะทางเฉลี่ย 16,000 กิโลเมตรต่อปี ทั้งนี้กระบวนการสกัดก๊าซธรรมชาติด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงจะสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอัตราสูงถึง 7.05 กิโลกรัมต่อไฮโดรเจนผลผลิตที่ได้ 1 กิโลกรัม [Princeton University 1997] |
. |
เตาปฏิกรณ์ไอน้ำขนาดเล็กมีอยู่ด้วยกันสองชนิด คือ แบบธรรมดาที่เรียกว่า “down-sized reformers” ซึ่งเป็นเตาที่นิยมใช้งานกับเซลล์เชื้อเพลิงโดยเฉพาะ ส่วนชนิดที่สองจะเป็นเตาที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าและสามารถทำงานได้ภายใต้ภาวะความดันและอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเตาปกติ |
. |
ขณะเดียวกันมีความพยายามที่จะสร้างเตาปฏิกรณ์ไอน้ำดัดแปลงที่มีการติดตั้งระบบกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในตัว ซึ่งจะช่วยให้อุณหภูมิในการผลิตไฮโดรเจนต่ำลง อุณหภูมิการทำงานที่ลดลงดังกล่าวจะส่งผลให้ต้นทุนการผลิตและการดำเนินการลดลงด้วย ทำให้ไฮโดรเจนที่จะผลิตได้มีราคาถูกลงกว่าเดิม 25–30% [US DOE, Hydrogen Program 2000] |
. |
การสกัดน้ำมันและก๊าซธรรมชาติด้วยวิธี Auto-thermal |
วิธีออโตเทอร์มอลนี้เป็นการผสมผสานระหว่างกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันกับวิธีการสกัดด้วยไอน้ำ ในกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันบางส่วน เป็นการนำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนมาให้ความร้อนในสภาพที่มีออกซิเจนน้อย ๆ ซึ่งคำว่าออโตเทอร์มอลสื่อถึงการแลกเปลี่ยนความร้อนของกระบวนการผลิตนั่นเอง |
. |
โดยความร้อนที่เกิดจากการคายความร้อนของปฏิกิริยาออกซิเดชันบางส่วนจะถูกกระบวนการสกัดด้วยไอน้ำดูดไปใช้เพื่อสกัดไฮโดรเจน โดยภายในเตาปฏิกรณ์จะมีส่วนผสมของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ออกซิเจน ไอน้ำ และตัวเร่งปฏิกิริยา |
. |
ไฮโดรเพาเวอร์ หรือโรงผลิตไฮโดรเจนในประเทศนอร์เวย์ (Norsk Hydro) ก็อาศัยหลักการเช่นเดียวกันดังที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น แต่จะใช้อากาศแทนออกซิเจนบริสุทธิ์เพราะอากาศไม่ต้องหาซื้อ ยิ่งไปกว่านั้น อากาศจะช่วยให้เตาปฏิกรณ์ใช้พลังงานน้อยกว่าเพราะไนโตรเจนในอากาศเผาไหม้ได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ทำให้ความเร็วเปลว Flame Velocity หรือความเร็วของก๊าซเผาไหม้มีความเร็วในการไหลตัวลดลงจึงนำไปใช้ปั่นกังหันพลังก๊าซเพื่อผลิตกำลังได้ |
. |
สำหรับวัตถุดิบที่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนหนักที่มีส่วนผสมของซัลเฟอร์อยู่สูงไม่เหมาะแก่การสกัดด้วยไอน้ำ จึงมีเพียงแค่กระบวนการแก๊สซิฟิเคชันเท่านั้นที่จะใช้สกัดไฮโดรเจนจากน้ำมันหนักได้ เช่น กระบวนการ Texaco ที่ต้องเติมไอน้ำและออกซิเจน ณ อุณหภูมิควบคุมในช่วง 1300–1500 oC เท่านั้น การควบคุมอัตราส่วนออกซิเจนต่อไอน้ำให้คงที่เป็นวิธีการเดียวที่จะช่วยให้กระบวนการแยกก๊าซ Gasification นี้ไม่ต้องการพลังงานเพิ่มเติมจากภายนอก |
. |
กระบวนการ CO–shift |
กรรมวิธีในการสกัดไฮโดรเจนที่ได้กล่าวมาข้างต้นนั้นนอกจากจะให้ไฮโดรเจนเป็นสารผลิตภัณฑ์แล้วยังให้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ในปริมาณที่สูงมากเช่นกัน ดังนั้นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์สามารถนำไปใช้ต่อได้อีกในกระบวนการที่เรียกว่า กระบวนการ CO–shift เพื่อช่วยให้การสกัดไฮโดรเจนได้ปริมาณมากขึ้น กระบวนการดังกล่าวแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน |
. |
ในขั้นแรกดังสมการข้างล่าง ไอน้ำสารตั้งต้นจะถูกป้อนเข้าไปในเตาในขณะที่เตามีอุณหภูมิ 300–500 oC ในขั้นนี้เราจะได้ CO เป็นสารผลิตภัณฑ์ ลำดับต่อมาในขั้นตอนที่สองที่เรียกว่า CO-shift ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ได้จากขั้นตอนแรกจะทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่ 200oC ที่เติมเข้าไปใหม่ในขั้นตอนนี้ โดยแต่ละขั้นตอนจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างชนิดกัน |
. |
การแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ CO2 |
สุดท้ายผลิตภัณฑ์ที่ได้จะประกอบไปด้วยก๊าซไฮโดรเจน (H2) และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเราต้องการเพียงแค่ก๊าซไฮโดรเจนอย่างเดียวจึงจำเป็นต้องแยกเอา CO2 ออก ปกติแล้วจะใช้กระบวนการดูดซับด้วยแอมีน (amine-สารตระกูลแอมโมเนีย) สำหรับตัวดูดซับและเยื่อดูดซับชนิดอื่นยังอยู่ในขั้นวิจัยและพัฒนา |
. |
การฝังเก็บ CO2 |
คงไม่ดีแน่ถ้ามนุษย์ยังคงปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นไปสะสมในชั้นบรรยากาศ ดังนั้นจึงต้องคิดหาวิธีเก็บก๊าซดังกล่าวแบบถาวร อาจจะเป็นบ่อน้ำมันหรือบ่อก๊าซธรรมชาติร้าง ไม่ก็เป็นแหล่งน้ำใต้ดินเปล่าที่เรียกว่า ชั้นหิน Aquifers จากแนวความคิดดังกล่าวจึงได้มีการศึกษาเขตพื้นที่ในแถบยุโรปโดยกลุ่มความร่วมมือสหภาพยุโรป |
. |
ข้อมูลในปี ค.ศ. 1996 แสดงถึงศักยภาพในการกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ถึง 806 ล้านล้านตัน เนื้อที่โดยส่วนใหญ่จะเป็นชั้นน้ำใต้ดินในประเทศนอร์เวย์ที่สามารถรองรับการกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ถึง 476 ล้านล้านตัน และยังมีบ่อก๊าซธรรมชาติและบ่อน้ำมันร้างที่สามารถกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อีกกว่า 10.3 ล้านล้านตัน |
. |
คาดว่าแหล่งฝากเก็บดังกล่าวจะสามารถรองรับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่จะผลิตได้ในแถบยุโรปตะวันตกไปได้อีกกว่าหลายร้อยปี [Holloway et al. 1996] ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1996 บริษัท Statoil ได้ฝังเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปในชั้นหินใต้ดิน Aquifers ไปแล้วถึงหนึ่งล้านตันต่อปีที่ Utsira formation ณ บริเวณ ทุ่ง Sleipner ประเทศนอร์เวย์ |
. |
โดยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นั้นเป็นผลผลิตจากการสกัดก๊าซธรรมชาติของบริษัท Statoil ซึ่งดำเนินการภายใต้ข้อกำหนดของสหภาพยุโรป นอกจากจะฝังเก็บแล้วก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังสามารถนำไปใช้ควบคุมความดันในขั้นตอนการผลิตน้ำมันแทนการใช้ก๊าซธรรมชาติได้ |
. |
ส่วนแนวความคิดในเรื่องการฝังเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในประเทศสหรัฐอเมริกาเคยมีปรากฏว่าจะทำการฝังไว้ใต้ทะเลลึก แต่ก็ยังไม่มีใครสามารถรับรองได้แน่ชัดว่าระยะเวลาในการเก็บจะยาวนานสักเท่าไร และจะมีผลกระทบอย่างไรต่อสภาพแวดล้อม ดังนั้นวิธีการนี้จึงไม่ได้รับความสนใจจากกลุ่มสหภาพยุโรป |
. |
การสกัดด้วยความร้อน |
การใช้ความร้อนในการสกัดก๊าซไฮโดรเจนนี้จะไม่สร้างก๊าซก่อภาวะเรือนกระจกในสารผลิตภัณฑ์เลย เพราะจะอาศัยความร้อนเท่านั้นในการทำให้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนแตกตัวที่อุณหภูมิสูงมาก ๆ ในสภาวะขาดออกซิเจน โดยผลิตภัณฑ์ที่ได้จะเป็นก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอน ดังสมการข้างล่าง |
. |
CH4 -> C + 2H2 |
. |
ดังนั้นจะเหลือเพียงคาร์บอนที่ต้องถูกกำจัดหรือจัดเก็บ |
. |
กระบวนการผลิตคาร์บอนบริสุทธิ์และไฮโดรเจน |
คาร์บอนดำคือคาร์บอนบริสุทธิ์อาจเรียกอีกอย่างว่า เขม่า หรือ สูท (Soot) ก็ได้ สามารถนำไปผลิตเป็นยางรถยนต์หรือใช้ในอุตสาหกรรมถลุงแร่โลหะได้ แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่าการนำคาร์บอนไปใช้ในทางอุตสาหกรรมจะถือเป็นการจัดเก็บคาร์บอนได้อย่างถาวร เพราะว่าคาร์บอนในกระบวนการผลิตสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อยู่ดี แต่ทั้งนี้ถ้าเก็บในรูปผงคาร์บอนจะสามารถจัดเก็บได้ง่าย ปลอดภัย และใช้เนื้อที่น้อยกว่าการจัดเก็บก๊าซ ทั้งยังมีข้อจำกัดอื่น ๆ น้อยกว่า |
. |
ทำให้บริษัท Kvaerner พยายามพัฒนาจนได้กระบวนการ Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (KCB&H) ซึ่งเป็นกระบวนการผลิตคาร์บอนบริสุทธ์แบบไร้ก๊าซเสีย เพราะกระบวนการ CB&H ธรรมดาจะก่อมลพิษเป็นจำนวนมาก แต่วิธีการ KCB&H นี้สะอาดกว่าและผลผลิตที่ได้นอกจากคาร์บอนก็จะได้ก๊าซไฮโดรเจนอีกด้วย โดยในเดือนมิถุนายน ปี ค.ศ. 1999 โรงผลิตคาร์บอนด้วยกระบวนการ KCB&H ได้เปิดทำการเป็นครั้งแรก |
. |
ในกระบวนการ KCB&H ต้องใช้เตาปฏิกรณ์อุณหภูมิสูง โดยอาศัยหัวเผาพลาสมา (ไอก๊าซร้อน) ในการแตกตัวสารตั้งต้นเป็นไฮโดรเจน ก๊าซร้อนหรือพลาสมาได้มาจากการใช้ไฮโดรเจนผลิตภัณฑ์บางส่วนหมุนเวียนมาใช้ ความร้อนที่ให้แก่ก๊าซมาจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Heat Exchanger) ซึ่งต้องการพลังงานในทางทฤษฎี 1 kWh (กิโลวัตต์ชั่วโมง) ต่อการผลิตก๊าซไฮโดรเจนหนึ่งลูกบาศก์เมตร (m3) |
. |
แต่ในความเป็นจริงต้องให้พลังงานมากกว่านั้นถึงสองเท่าตัว เพราะว่าอุณหภูมิที่ต้องให้กับเตาสูงมาก ๆ ส่วนพลังงานบางส่วนสามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ในรูปของไอน้ำ ทั้งนี้วัตถุดิบที่สามารถป้อนให้กับระบบเป็นได้ตั้งแต่สารประกอบไฮโดรคาร์บอนในรูปของก๊าซจนกระทั่งน้ำมันหนืด [Hildrum 1998] |
. |
พลาสเมตรอน (Plasmatron) |
ณ มหาวิทยาลัย MIT (Massachusetts Institute of Technology) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้มีการนำไอก๊าซร้อน พลาสมา มาใช้เพื่อแยกสกัดสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ซึ่งมีข้อดีตรงที่สามารถใช้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนได้ทั้งที่เป็นก๊าซ กระทั่งเป็นของเหลวหนืดอย่างน้ำมันหนัก (Heavy Oil Fractions) |
. |
นอกจากนี้การแปรรูปด้วยพลาสมายังสามารถทำได้ในโหมด Pyrolytic นั่นคือการใช้ความร้อนในการแยกหรือย่อยสารอินทรีย์ในภาวะไร้อากาศหรือไร้ออกซิเจน (เช่นเดียวกับกระบวนการ KCB&H ที่ได้กล่าวมาข้างต้น) ทำให้คาร์บอนไม่ก่อตัวเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เตาปฏิกรณ์พลาสมานี้ยังสามารถออกแบบให้มีขนาดกะทัดรัดและเบากว่าเตาแบบเก่าได้ เพราะว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนั้นรวดเร็วกว่ามาก |
. |
ทั้งนี้ทางมหาวิทยาลัย MIT ยังได้ขยายการศึกษาไปยังการใช้พลาสมากับกระบวนการแก๊สซิฟิเคชัน (ออกซิเดชันเพียงบางส่วน) และการสกัดด้วยไอน้ำที่มีอุณหภูมิในการทำงานสูงถึงกว่า 2000 ๐C ซึ่งจะให้ไฮโดรเจนผลผลิตในปริมาณมากถึง 80–90% ของปริมาณสารตั้งต้น แต่กระบวนการนี้มีข้อเสียตรงที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า |
. |
ดังนั้นทาง MIT จึงตั้งเป้าไว้ว่าจะพัฒนาต่อไปให้กระบวนการผลิตกินไฟลดลง ให้เหลือเพียง 5% เทียบกับพลังงานความร้อนที่ไฮโดรเจนผลิตภัณฑ์จะให้ได้ เพราะปัจจุบันกินไฟอยู่ที่ระดับ 20% [L.Bromberg et al. 1997/1998] |
. |
การผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานหมุนเวียน |
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าไฮโดรเจนในโลกนี้มีอยู่เป็นจำนวนมากในรูปของสารประกอบอินทรีย์และในน้ำกว่า 70% ของพื้นผิวโลกปกคลุมไปด้วยน้ำ ซึ่งถ้าคิดเป็นเปอร์เซ็นต์ไฮโดรเจนโดยน้ำหนักจะมีปริมาณไฮโดรเจนในน้ำถึง 11.2% ซึ่งนับว่าเป็นแหล่งวัตถุดิบขนาดยักษ์ในการผลิตไฮโดรเจน |
. |
ข้อดีของการใช้ไฮโดรเจนคือ สามารถนำกลับมาหมุนเวียนใช้ได้ไม่มีวันหมด ถือเป็นแหล่งพลังงานทดแทนแบบใหม่อย่างแท้จริงเพราะไฮโดรเจนเสมือนเป็นเพียงตัวกลางที่ถูกยืมมาใช้ในการผลิตพลังงาน ขณะสร้างพลังงานไฮโดรเจนเพียงแค่เกิดการรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศกลายเป็นน้ำและคายพลังงานออกมาเท่านั้น แล้วน้ำที่ได้สามารถนำกลับมาสกัดเป็นไฮโดรเจนได้อีก |
. |
ในการแยกสกัดน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนต้องการพลังงานจากภายนอก อาจจะเป็นพลังงาน ความร้อน ไฟฟ้า แสง หรือพลังงานเคมี ก็สามารถใช้ได้ทั้งนั้น ดังนั้นถ้าเราสามารถนำแหล่งพลังงานหมุนเวียนมาใช้ในการสกัดได้จะถือว่าไฮโดรเจนผลผลิตได้มาอย่างสะอาดและจะเป็นตัวนำพลังงานอย่างแท้จริง |
. |
รูปที่ 3 อิเล็กโตรไลเซอร์สำหรับติดตั้งในโรงรถที่บ้าน (ตู้เล็ก ๆ ข้างหน้า) ของบริษัท Ford |
. |
ดังนั้นในลำดับต่อไปจะเป็นตัวอย่างการใช้พลังงานหมุนเวียนเพื่อการผลิตไฮโดรเจน โดยมีเนื้อหาครอบคลุมถึงไบโอแมสที่ใช้ฟอสซิลเป็นสารตั้งต้นด้วย |
. |
กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ |
กระบวนการนี้เป็นการแยกสกัดน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยมีอิเล็กโตรไลเซอร์ทำหน้าที่ในการแยกน้ำด้วยพลังงานไฟฟ้า ดังสมการ |
2H2O + energy -> 2H2 + O2 |
. |
ซึ่งเป็นปฏิกิริยาผันกลับของเซลล์เชื้อเพลิงนั่นเอง โดยชนิดของอิเล็กโตรไลเซอร์สามารถจำแนกได้ตามชนิดของสารละลายอิเล็กโตรไลต์ที่ใช้ ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กโตรไลเซอร์หรือเซลล์เชื้อเพลิง ก็จะคล้ายกับเซลล์แบตเตอรี่ที่สามารถนำแต่ละเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มขนาดความจุได้ |
. |
รูปที่ 4 อิเล็กโตรไลเซอร์ที่ป้อนด้วยอากาศ 2 เครื่อง โดยแต่ละเครื่องผลิตก๊าซได้ 200 Nm3/h |
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด