การผลิตเชื้อเพลิง ไฮโดรเจน

รู้ทันพลังงาน

• ผศ.ดร.นวดล เหล่าศิริพจน์
บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม (JGSEE)

        ด้วยราคาน้ำมันดิบที่พุ่งสูงขึ้น และปริมาณการสะสมน้ำมันดิบทั่วโลกที่เริ่มลดน้อยลง ส่งผลให้ในปัจจุบันการพัฒนาเชื้อเพลิงทางเลือกใหม่ (Alternative fuels) ขึ้นมาใช้แทนที่น้ำมันดิบเป็นสิ่งที่ประเทศพัฒนาแล้วต่าง ๆ ทั่วโลก เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมนี อังกฤษ และญี่ปุ่น กำลังให้ความสนใจ และดำเนินงานวิจัยเพื่อสังเคราะห์เชื้อเพลิงประเภทใหม่จากวัตถุดิบต่าง ๆ กันอย่างแพร่หลาย

        ตัวอย่างของเชื้อเพลิงสำคัญที่ทั่วโลก กำลังให้ความสนใจศึกษาและวิจัยอยู่ได้แก่ เชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) ซึ่งถูกนำไปใช้งานควบคู่กับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cells) สำหรับผลิตกระแสไฟฟ้า และใช้แทนน้ำมันเชื้อเพลิงในรถยนต์ โดยเชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) สามารถสังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบตามธรรมชาติหลากหลาย ประเภท อาทิ วัสดุชีวมวล ก๊าซชีวภาพ ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน ข้อดีของ ไฮโดรเจน (Hydrogen) คือ เป็นเชื้อเพลิงที่สะอาด โดยเฉพาะเมื่อใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง จะไม่ก่อให้เกิดมลพิษใด ๆ รวมทั้งคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นต้นเหตุสำคัญของภาวะโลกร้อน

        การ ผลิตเชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) สามารถทำได้หลายกระบวนการ แต่กระบวนการที่ปัจจุบันมีการศึกษาวิจัยมากที่สุดและได้รับการคาดหมายว่าจะ สามารถใช้จริงในเชิงพาณิชย์ได้ง่ายที่สุด คือ กระบวนการความร้อนเคมี (Thermo-chemical Processes) เช่น กระบวนการรีฟอร์มมิง (แปรรูป) ซึ่งแบ่งออกได้เป็นอีกหลายกระบวนการย่อยขึ้นอยู่กับสารที่ใช้
        กระบวนการรีฟอร์มมิงหลัก ๆ ที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย คือ 1.กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen) สูง แต่เสียค่าใช้จ่ายน้อย จึงถูกนำมาใช้ในทางการค้าแล้ว โดยหลักการของกระบวนการนี้คือ การป้อนไอน้ำ (steam) เข้าสู่ระบบเพื่อทำปฏิกิริยากับสารไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในสถานะก๊าซ เช่น ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซชีวภาพ และเอทานอล เป็นต้น โดย ไฮโดรเจน (Hydrogen) จะถูกดึงออกจากไอน้ำ (H2O) สารไฮโดรคาร์บอน (CH) ส่วนออกซิเจนที่เหลือจากน้ำและคาร์บอนที่เหลือจากไฮโดรคาร์บอนจะรวมตัวกันเป็นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO)

        2. กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon dioxide reforming หรือ Dry reforming) เป็นกระบวนการที่คล้ายคลึงกับกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ แต่จะต่างกันตรงที่ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบ ข้อดีของกระบวนการนี้คือช่วยลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ อีกทั้งยังควบคุมระบบการทำงานได้ง่ายกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ แต่ข้อเสียคือ สัดส่วนของ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ได้จากกระบวนการนี้จะต่ำกว่ากระบวนการแรก และตัวเร่งปฏิกิริยาจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าเนื่องจากจะมีคาร์บอนจากคาร์บอน ไดออกไซด์ไปเกาะอยู่ที่บริเวณผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา

        3. กระบวนการออกซิเดชันบางส่วน partial oxidation) ซึ่งเป็นกระบวนการระหว่างสารไฮโดรคาร์บอนกับออกซิเจนกระบวนการนี้มีข้อได้ เปรียบกว่าสองกระบวนการแรก ตรงที่ไม่จำเป็นต้องป้อนพลังงานจากภายนอก เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นแบบคายความร้อน ทำให้เกิดพลังงานขึ้นภายในระบบ แต่ข้อจำกัดของกระบวนการนี้คือ ปริมาณออกซิเจนที่ป้อนเข้าสู่ระบบต้องไม่สูงจนเกินไปเนื่องจากออกซิเจนที่ เหลือจากกระบวนการจะกลับมาทำปฏิกิริยากับ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ผลิตได้ กลายเป็นน้ำ ทำให้สูญเสียผลผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen)

        นอกจากนั้น ข้อจำกัดที่สำคัญอีกประการของการใช้กระบวนการนี้ในเชิงพาณิชย์คือ ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการจะสูงกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงปกติ เนื่องจากต้องมีระบบแยกออกซิเจนจากอากาศก่อนป้อนเข้าสู่ระบบ เพราะหากไม่แยกออกซิเจนออก จะทำให้ปริมาณความเข้มข้นของ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ผลิตได้ลดลง เนื่องจากอากาศมีปริมาณไนโตรเจนสูง

        และ 4. กระบวนการร่วมระหว่างกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำกับออกซิเดชันบางส่วน หรือที่เรียกกันว่า ออโตเทอร์มัลรีฟอร์มมิง (Autothermal reforming) ซึ่งเป็นกระบวนการใหม่ที่นำข้อดีของกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำและกระบวน การออกซิเดชันบางส่วนมารวมกันโดยการป้อนทั้งน้ำและออกซิเจนเพื่อทำปฏิกิริยา กับสารไฮโดรคาร์บอน ข้อดีของกระบวนการนี้คือ สามารถผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen) ได้ในอัตราส่วนที่มากกว่ากระบวนการออกซิเดชันบางส่วน และใช้พลังงานน้อยกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ ในปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวกำลังเป็นที่นิยมและเริ่มมีการใช้งานจริงในเชิง พาณิชย์อย่างแพร่หลาย

        อย่างไรก็ดีประเทศไทยมีข้อ ได้เปรียบในการใช้เทคโนโลยีเชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) คือมีแหล่งเชื้อเพลิงที่ สามารถใช้ผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen) ได้มากมาย เช่น ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซชีวภาพ วัสดุชีวมวล ถ่านหินหรือแม้แต่เอทานอลจากพืช

        หากประเทศไทย สามารถพัฒนาเทคโนโลยีในการเปลี่ยนวัตถุดิบดังกล่าวไปเป็นก๊าซ ไฮโดรเจน (Hydrogen) เพื่อใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิงได้ ถึงแม้ในอนาคตประเทศไทยต้องซื้อเทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากต่างประเทศเข้ามา ก็จะเป็นการลดต้นทุนด้านพลังงานของประเทศได้อย่างมากมายอีกทั้งการพัฒนา เทคโนโลยีการแปรสภาพเชื้อเพลิงขึ้นมาเองเพื่อใช้กับวัตถุดิบที่มีอยู่ใน ประเทศ จะทำให้ประสิทธิภาพของระบบโดยรวม สูงกว่าการซื้อเทคโนโลยีทั้งระบบมาจากต่างประเทศ เนื่องจากคุณสมบัติที่แตกต่างกันของวัตถุดิบในแต่ละประเทศ

        อย่าง ไรก็ตาม การใช้เชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) อย่างกว้างขวางในเชิงพาณิชย์เป็นเรื่องที่ยังต้อง ใช้เวลาพัฒนาอีกค่อนข้างยาวนาน เนื่องจากต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงยังสูงมาก อีกทั้งยังต้องมีการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการขนถานและกักเก็บ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ซึ่งต้องใช้ต้นทุนสูงเช่นกัน

        หมายเหตุ : บัณฑิตวิทยาลัยร่วมด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมได้รับการสนับสนุนจากโครงการ พัฒนาบัณฑิตศึกษาและวิจัยด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา และจากสำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน บทความนี้เป็นความเห็นของผู้เขียน ซึ่งไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับความเห็นของหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง


หนังสือพิมพ์โพสต์ทูเดย์
ฉบับประจำวันจันทร์ที่ 3 ธันวาคม พ.ศ.2550 หน้า B6