ก๊าซไฮโดรเจน: ความคาดหวังเพื่อเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืน (Hydrogen Gas: The Expectation to be a Prom
บทนำ
ปัจจุบันสังคมได้หันมาใส่ใจและให้ความสําคัญกับสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้น ทําให้เราตระหนักได้ว่ามีความจําเป็นที่ต้องลดปริมาณการใช้น้ำมันปิโตรเลียมหรือหาแหล่งพลังงานใหม่มาทดแทน เนื่องจากน้ำมันปิโตรเลียมเป็นตัวแปรสําคัญในการก่อมลภาวะ นอกจากนั้นการเกิดวิกฤติน้ำมันเมื่อปี ค.ศ. 1973 แสดงให้เห็นว่ายุคของราคาน้ำมันที่มีราคาถูกได้สิ้นสุดลงแล้ว ทําให้ราคาน้ำมันในท้องตลาดโลกเพิ่มสูงขึ้น สาเหตุหลักที่ทําให้เกิดวิกฤตินี้คือปริมาณน้ำมันดิบใต้เปลือกโลกได้ลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ตรงกันข้ามกับปริมาณการใช้ที่เพิ่มสูงขึ้น แหล่งพลังงานใหม่ที่เหมาะสมนี้จึงต้องมีราคาไม่แพง การเกิดมาทดแทนใช้เวลาไม่มาก กระบวนการผลิตเพื่อให้ได้พลังงานต้องใช้เวลาไม่นาน และมาจากแหล่งที่พบได้ทั่วไป ซึ่งแหล่งให้พลังงานดังกล่าวมีความจําเป็นกับตลาดพลังงานอย่างมาก มิเช่นนั้นแล้วเมื่อราคาน้ำมันพุ่งขึ้นสูงสุด ประเทศที่กําลังพัฒนาหรือประเทศที่ยังไม่พัฒนาอาจจะหันมาใช้แหล่งพลังงานที่มีคุณภาพต่ำเนื่องจากข้อจํากัดด้านการเงิน เช่น น้ำมันที่ไม่มีคุณภาพ (เช่น มีปริมาณซัลเฟอร์ปะปนมาก) ถ่านหิน เป็นต้น ซึ่งจะเป็นการเพิ่มมลภาวะที่เป็นปัญหาหนักอยู่แล้วในปัจจุบันให้เลวร้ายมากขึ้น J. Quakernaat (1995) ได้เสนอคุณสมบัติที่ดีของแหล่งพลังงานทดแทนว่าควรจะเป็นแหล่งพลังงานที่สร้างหรือผลิตขึ้นมาใหม่ได้ง่าย (renewable) เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีราคาไม่สูง
ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide: CO2) เป็นก๊าซหลักที่เป็นสาเหตุของการเกิดภาวะโลกร้อน การเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบนั้นจะทําให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นด้วยเสมอ เช่น การเผาไหม้น้ำมันเบนซิน ดีเซล ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น ถ้ามีการนําก๊าซไฮโดรเจน (H2) มาใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนจะสามารถลดการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เข้าสู่สิ่งแวดล้อมได้ ข้อดีที่หลากหลายของการใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานทดแทนได้กล่าวไว้ในเอกสารอ้างอิงหลายแห่ง โดยข้อดีสามารถแบ่งออกเป็น 3 ด้านหลัก คือ
1) ด้านสิ่งแวดล้อม
ข้อดีของการใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานในด้านสิ่งแวดล้อมแยกออกเป็นข้อดีในระยะสั้นและข้อดีในระยะยาว ในระยะสั้นนั้นจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าเมื่อมีการเปลี่ยนเครื่องยนต์ของยานพาหนะจากระบบการเผาไหม้น้ำมันธรรมดามาเป็นการเผาไหม้ก๊าซไฮโดรเจนนั้นจะสามารถลดการสร้างก๊าซพิษ เช่น ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide: CO) ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide: CO2) ไนโตรเจนออกไซด์หรือน็อกซ์ (Nitrogen Oxide: NOx) สารอินทรีย์ระเหยง่าย (Volatile Organic Compounds: VOCs) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (sulfur dioxide: SOx) ก๊าซไฮโดรคาร์บอนชนิดอื่นๆ และเขม่าควันเข้าสู่แหล่งชุมชนได้
สําหรับผลในระยะยาวนั้นจะกล่าวถึงการลดสภาวะเรือนกระจกของโลกและลดการบางลงของชั้นโอโซน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นี้จัดว่าเป็นก๊าซสําคัญที่ทําให้เกิดเหตุการณ์ดังกล่าวถึง 50% (และอีก 50% คือก๊าซมีเทน (methane: CH4) ก๊าซไนตรัสออกไซด์หรือก๊าซหัวเราะ (nitrous oxide หรือ laughing gas: N2O) ไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน (hydrofluorocarbons: HFCs) และเขม่าควันที่เหลือจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง) ทําให้การใช้และผลิตก๊าซไฮโดรเจนนี้ไม่เพิ่มภาวะการเกิดก๊าซเรือนกระจก (เมื่อมีการเลือกแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนที่เหมาะสม เช่น น้ำ เป็นต้น)
2) ด้านสุขภาพ
มลภาวะทางอากาศที่เราเผชิญหน้าอยู่ในปัจจุบันนี้เกิดจากการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ อย่างรวดเร็วโดยไม่ได้คํานึงถึงของเสียที่ปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม เช่น ก๊าซพิษต่างๆ ล้วนแต่ส่งผลกระทบต่อสุขภาพหรือเป็นสาเหตุของมะเร็งได้ หน่วยงานของประเทศสหรัฐอเมริกา the American Environmental Protection Agency (EPA, 2001) กล่าวว่าแหล่งที่สร้างสารพิษหลักออกมาคือการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ที่ใช้ผลิตภัณฑ์ของปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิง ทําให้เกิดก๊าซที่ก่อมลภาวะ เช่น เบนซีน (benzene) ฟอร์มัลดีไฮด์ (formaldehyde) อะซิทัลดีไฮด์ (acetaldehyde), 1,3-บิวทาไดอีน (1,3-butadiene) และอนุภาคเขม่าอื่นๆ ขณะที่เมื่อใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแล้วจะไม่มีก๊าซพิษและไม่มีสารก่อมะเร็งที่กล่าวมาดังข้างต้น
3) ด้านความแข็งแกร่งทางเศรษฐกิจ
หลังจากมีการรวมกลุ่มกันของประเทศผู้ผลิตน้ำมันเพื่อการส่งออกหรือกลุ่ม OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries) ในปี ค.ศ. 1973 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงอํานาจการต่อรองขององค์กรนี้ต่อสาธารณะ หลังจากเกิดวิกฤติน้ำมันขึ้น ประเทศผู้นําด้านอุตสาหกรรมได้เริ่มหาทางออกโดยการใช้แหล่งพลังงานอื่นเพื่อไม่ให้เศรษฐกิจของประเทศต้องขึ้นกับราคาน้ำมันเพียงอย่างเดียวแต่ก็ยังไม่สัมฤทธิ์ผล เช่น ประเทศในกลุ่ม EU (European Union) ได้นําเข้าน้ำมันดิบสูงถึง 50% ของความต้องการพลังงานทั้งหมด ดังนั้นจึงทําให้เศรษฐกิจของประเทศต้องขึ้นกับประเทศผู้ผลิตและส่งออกน้ำมัน การใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นพลังงานจึงเป็นหนึ่งทางออกเพื่อลดการขึ้นตรงของเศรษฐกิจกับราคาน้ำมัน เพราะในทุกประเทศจะมีแหล่งพลังงานเบื้องต้นเพื่อใช้ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนอยู่แล้ว
นอกจากเหตุผลที่กล่าวมาเบื้องต้น ยังพบว่าก๊าซไฮโดรเจนมีความจุพลังงานหรือมีความสามารถในการให้พลังงานได้สูงเมื่อเทียบกับการเผาไหม้เชื้อเพลิงชนิดอื่น และการนําก๊าซไฮโดรเจนไปใช้เป็นเชื้อเพลิงสามารถใช้ได้หลายรูปแบบ เช่น ใช้เป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้ให้พลังงานโดยตรง ใช้เป็นวัตถุดิบในการเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ (ผ่านเซลล์เชื้อเพลิงหรือ fuel cell) หรือใช้เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาต่างๆ (ในปฏิกิริยา hydrogenation processes)
เมื่อกล่าวถึงเซลล์เชื้อเพลิง ขณะนี้การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อเปลี่ยนพลังงานเคมีในก๊าซไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งกําลังได้รับความสนใจมากเช่นกัน เป็นการนําเซลล์ไฟฟ้าเคมีชนิดกัลวานิกส์ (Galvanic cell) มาเป็นอุปกรณ์ในการทําให้เกิดปฏิกิริยากันระหว่างก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ซึ่งก๊าซออกซิเจนได้มาจากการผ่านอากาศเข้าไปในเซลล์ ก๊าซไฮโดรเจนจะทําปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนด (anode) เพื่อให้อิเล็กตรอนและไฮโดรเจนไอออน (H+) อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอกและให้ไฟฟ้ากระแสตรงออกมา ขณะเดียวกันไฮโดรเจนไอออนจะแพร่ผ่านสารอิเล็กโทรไลท์ (electrolyte) เพื่อไปทําปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนและอิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกที่ขั้วแคโทด (cathode) แล้วได้สารผลิตภัณฑ์เป็นน้ำและมีความร้อนเกิดขึ้น
เซลล์เชื้อเพลิงชนิด proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) ซึ่งกําลังได้รับการวิจัยและพัฒนาเพื่อนําไปประยุกต์ใช้เป็นเครื่องยนต์ในรถยนต์ การเปลี่ยนพลังงานของก๊าซไฮโดรเจนลักษณะนี้โดยไม่ผ่านการเผาไหม้ นอกจากจะไม่ก่อให้เกิดมลภาวะแล้วยังทําให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพการให้พลังงานสูงกว่าเครื่องยนต์ที่เผาไหม้ถึง 1-3 เท่า อย่างไรก็ดีย่อมขึ้นกับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงและวัตถุดิบในการสังเคราะห์ให้ก๊าซไฮโดรเจนด้วย
การนําก๊าซไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงยังมีข้อจํากัดหรือข้อเสียเช่นกัน โดยข้อจํากัดหลักคือ
1. ก๊าซไฮโดรเจนที่สังเคราะห์ได้มีราคาสูง เนื่องมาจากขั้นตอนที่ใช้ในการผลิตและการทําให้ก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ยังมีขั้นตอนที่ซับซ้อนและทําปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงจึงจําเป็นต้องมีระบบหล่อเย็น ซึ่งการเพิ่มระบบนี้เมื่อนําไปใช้ในเชิงพาณิชย์จะเป็นขั้นตอนที่เสียค่าใช้จ่ายมาก และสิ่งเจือปนในก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตได้ยังมีมาก ทําให้ต้องเพิ่มปฏิกิริยาที่ทําให้ก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นตามไปด้วย
2. การกักเก็บก๊าซไฮโดรเจนและบรรจุภัณฑ์มีต้นทุนสูง ก๊าซไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำมาก เมื่อต้องการกักเก็บก๊าซไฮโดรเจนลักษณะเช่นเดียวกันกับก๊าซหุงต้ม และก๊าซธรรมชาติที่อยู่ในสถานะของเหลวในบรรจุภัณฑ์ ภาชนะนั้นต้องมีความแข็งแรงและทนต่อแรงดันสูง เพื่อให้บรรจุภัณฑ์สามารถบรรจุก๊าซได้ที่ความดันสูงๆ ทําให้ก๊าซไฮโดรเจนอยู่ในสถานะของเหลวและสามารถบรรจุก๊าซได้ปริมาณมากขึ้น แต่ผลข้างเคียงของการบรรจุก๊าซไฮโดรเจนลักษณะนี้คือ เสี่ยงต่อการระเบิดและเกิดการลุกไหม้ได้ง่าย การแก้ไขปัญหาเรื่องบรรจุภัณฑ์สามารถทําได้โดยการบรรจุก๊าซไฮโดรเจนในบรรจุภัณฑ์ที่เป็นวัสดุชนิดโลหะไฮไดรด์ (hydride) ที่สามารถดูดซับก๊าซไฮโดรเจนได้ดีที่อุณหภูมิและความดันปกติ แต่อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายก็เพิ่มสูงตามไปด้วย
จากข้อจํากัดข้างต้นทําให้มีนักวิจัยพยายามค้นคิดการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากสารตั้งต้นแล้วไปใช้ทันทีโดยไม่ต้องมีระบบกักเก็บก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งเรียกว่า hydrogen on-broad production ตัวอย่างเช่นการใช้ระบบนี้ในรถยนต์ และวัตถุดิบในการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจนอาจจะเป็นน้ำหรือเอทานอล (ethanol) ในรถยนต์จะมีถังกักเก็บน้ำหรือเอทานอลเท่านั้น แล้วสารตั้งต้นนี้จะเข้าสู่ขั้นตอนการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจน และก๊าซไฮโดรเจนที่ได้จะนําไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้าทันที ซึ่งวิธีการนี้จะไม่มีการเก็บก๊าซไฮโดรเจน แต่กระบวนการดังกล่าวยังอยู่ในขั้นการทดลองและวิจัยเพื่อพัฒนาก่อนนําไปใช้จริง
3. การใช้แหล่งวัตถุดิบเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน การเลือกแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนเบื้องต้นเป็นสารประกอบพวกไฮโดรคาร์บอนนี้จะไม่สามารถลดการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ เพราะสารตั้งต้นดังกล่าวจะให้สารผลิตภัณฑ์หลักสุดท้ายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ทําให้แม้มีการนําก๊าซไฮโดรเจนที่ได้มาเป็นแหล่งให้พลังงาน ภาวะโลกร้อนก็ยังไม่สามารถแก้ไขได้ และการลดก๊าซนี้สามารถทําได้เพียงอาศัยการสังเคราะห์แสงของพืชเป็นหลัก ซึ่งพืชและต้นไม้ก็มีปริมาณจํากัด ยังต้องอาศัยเวลา การปลูก และการดูแลเพิ่มอย่างจริงจัง แต่การใช้แหล่งตั้งต้นนี้สามารถลดปัญหาการขาดแคลนปิโตรเลียมและน้ำมันได้
กระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจน
คําถามแรกที่ต้องนึกถึงเมื่อใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง คือกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนนี้ใช้สารตั้งต้นที่มาจากแหล่งที่เกิดใหม่มาทดแทนได้เร็วหรือไม่ โดยทั่วไปก๊าซไฮโดรเจนไม่พบอิสระในธรรมชาติ ปัจจุบันนี้มีการนำก๊าซธรรมชาติมาเป็นวัตถุดิบในการผลิตก๊าซไฮโดรเจน เนื่องจากส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติคือก๊าซมีเทน (methane: CH4) ซึ่งสามารถให้ก๊าซไฮโดรเจนได้สูง นอกจากนั้นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนในธรรมชาติ เช่น ถ่านหิน วัสดุเหลือใช้จากการเกษตร และแอลกอฮอล์ที่ได้จากการหมักเศษวัสดุทางชีวภาพล้วนแล้วแต่มีไฮโดรเจนอะตอมเป็นองค์ประกอบชีวมวล และแหล่งให้พลังงานอื่นๆ ที่มาจากธรรมชาติ เช่น แรงลม แรงดันน้ำ พลังงานนิวเคลียร์ เป็นต้น ก็สามารถใช้เป็นแหล่งที่ให้พลังงานเพื่อใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจนได้เช่นกัน จะเห็นว่าวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนนั้นหลากหลาย ถ้ามีการเลือกใช้วัตถุดิบเป็นน้ำมันปิโตรเลียม ปัญหาการขาดแคลนปิโตรเลียมก็คงจะไม่สามารถแก้ไขได้
รูปของพลังงานที่มีใช้โดยทั่วไปคือ พลังงานไฟฟ้า น้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล และก๊าซธรรมชาติ พลังงานดังกล่าวล้วนได้มาจากแหล่งพลังงานเบื้องต้นชนิดอื่น เช่น ถ่านหิน ปิโตรเลียม ก๊าซมีเทนใต้พิภพ หรือพลังงานนิวเคลียร์ อย่างไรก็ดีคงไม่อาจปฏิเสธได้ว่าพลังงานในรูปไฟฟ้านั้นเป็นพลังงานที่มีการประยุกต์ใช้ในด้านอื่นๆ อย่างแพร่หลาย เนื่องจากง่ายต่อการขนส่งและแปรรูป เช่น ในโรงงานอุตสาหกรรม ในธุรกิจแทบทุกประเภท กิจกรรมในครัวเรือนและการขนส่ง เป็นต้น ดังนั้นถ้ามีการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนที่ได้จากแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนเป็นวัตถุดิบย่อมเป็นการผลิตกระแสไฟฟ้าที่ยั่งยืนด้วย
แนวคิดหลักที่ใช้ในกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนคือการแยกไฮโดรเจนอะตอมออกจากสารตั้งต้น และแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนจะเป็นตัวกําหนดกระบวนการที่ใช้ในการผลิต ในปัจจุบันกระบวนการผลิตได้แยกออกเป็น 2 กระบวนการหลัก คือกระบวนการทางเคมีและกระบวนการเชิงความร้อน โดยกระบวนการที่ดีนั้นต้องให้ผลคุ้มค่ากับการลงทุนและไม่ยุ่งยากซับซ้อนจนเกินไปเพื่อลดต้นทุนการผลิต ส่วนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนเชิงชีวภาพโดยจุลินทรีย์นั้นยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองและวิจัย
กระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีใช้แล้วในเชิงพาณิชย์มีรายละเอียดดังต่อไปนี้
Steam Reforming
กระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์ที่นิยมคือ steam reforming โดยมีสารตั้งต้นเป็นก๊าซธรรมชาติ เอทานอลหมักจากวัสดุธรรมชาติ เป็นต้น ปัจจุบัน 95% ของก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตหรือ 9,000,000 ตัน ผลิตในประเทศสหรัฐอเมริกาและใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบ หรือเรียกกระบวนการนี้เรียกว่า steam methane reformation (SMR) เนื่องจากมีเทนเป็นส่วนประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติ ประกอบด้วย 2 ขั้นตอนที่สําคัญคือ นําก๊าซธรรมชาติทําปฏิกิริยา reforming กับไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงๆ (อาจจะมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งร่วมด้วย) เพื่อให้ได้ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide: CO) และก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้นจะมีการนําไอน้ำเข้ามาทําปฏิกิริยากับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์อีกครั้งเพื่อให้ได้ก๊าซไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยานี้เรียกว่า water-gas shift reaction (WGS)
ก๊าซไฮโดรเจนที่ใช้ในปัจจุบันนี้ทั่วโลกได้มาจากการผลิตโดยวิธีดังกล่าวเป็นหลัก ปฏิกิริยาทั้งหมดเป็นปฏิกิริยาที่ย้อนกลับได้และจําเป็นอย่างยิ่งที่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาร่วมด้วย และความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาถูกควบคุมด้วยอิทธิพลทางเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamics) เพื่อให้ได้ปริมาณก๊าซไฮโดรเจนสูงๆ ซึ่งจําเป็นต้องทําปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง จากเหตุผลข้อนี้ทําให้ต้นทุนในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนสูงตามไปด้วย และเพื่อเป็นการเพิ่มปริมาณก๊าซไฮโดรเจนที่สังเคราะห์ได้สามารถทําได้โดยคัดแยกก๊าซไฮโดรเจนหรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกระหว่างปฏิกิริยาดําเนินไปเพื่อเป็นการรบกวนสมดุลของปฏิกิริยาและใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม อิทธิพลของชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยาก็เป็นอีกตัวแปรที่สามารถเพิ่มอัตราการผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้ ดังนั้นงานวิจัยด้านการศึกษาและพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสําหรับกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนแบบ steam reforming reaction จึงกําลังได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน
กรณีใช้สารตั้งต้นเป็นแอลกอฮอล์ชนิดอื่น เช่น เอทานอล (ethanol) เมทานอล (methanol) เป็นต้น ก็ได้รับความสนใจจากนักวิจัย เนื่องจากได้จากการหมักวัสดุจากธรรมชาติหรือวัสดุเหลือใช้จากเกษตรกรรม อย่างไรก็ดี แอลกอฮอล์มีข้อด้อยกว่าก๊าซมีเทน (เช่น จากก๊าซธรรมชาติ) คือเกิดสารผลิตภัณฑ์ชนิดอื่นปะปนออกมากับก๊าซไฮโดรเจนที่สังเคราะห์ได้ ทําให้ต้องเพิ่มขั้นตอนการทําให้ก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ ค่าใช้จ่ายก็สูงตามมาด้วย และตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้มักเกิดการเสื่อมสภาพ (deactivation) ในระหว่างปฏิกิริยาได้ง่าย ดังนั้นการใช้สารตั้งต้นเป็นเอทานอลหรือแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นแอลกอฮอล์ชนิดอื่นๆ จึงอยู่ในขั้นตอนการวิจัย
Partial Oxidation
ปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบบางส่วนหรือ partial oxidation เป็นเทคนิคที่เกิดขึ้นโดยจําเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา บางครั้งเรียกว่า gasification ซึ่งกล่าวง่ายๆ ก็คือ เป็นปฏิกิริยาที่ใช้ความร้อนในการผลิตก๊าซไฮโดรเจน โดยทั่วไปแล้วสารตั้งต้นที่นิยมใช้มักเป็นสารประกอบทางอินทรีย์ เช่น ก๊าซมีเทน หรือเอทานอล เป็นต้น โดยทั่วไปปฏิกิริยานี้มักทําที่อุณหภูมิสูงกว่า 700°C ปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบบางส่วนของก๊าซมีเทน ทําให้ได้ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาแบบคายความร้อนปานกลาง และให้ H2/CO ≈ 2 ซึ่งเป็นอัตราส่วนที่เหมาะสมต่อปฏิกิริยา Fischer-Tropsch synthesis หรือกระบวนการ syn gas แต่เมื่อพิจารณาในกรณีการให้ก๊าซไฮโดรเจนนั้นยังไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับปฏิกิริยา steam reforming reaction โดยตัวแปรที่ควบคุมว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นแบบออกซิเดชันบางส่วนหรือออกซิเดชันสมบูรณ์ (full combustion) คือปริมาณของก๊าซออกซิเจนที่เข้าทําปฏิกิริยานั่นเอง
ชีวมวล (biomass) เป็นวัตถุดิบที่กําลังนิยมนํามาใช้ในการผลิตพลังงาน ในสหรัฐอเมริการมีการนําชีวมวล เช่น วัสดุเหลือใช้จากเกษตรกรรม มูลสัตว์ ขี้เถ้าจากการเผาไหม้ กระดาษที่ใช้แล้ว เป็นต้น มาใช้ในการผลิตเป็นพลังงานมากขึ้นเป็นอันดับสองรองจากพลังงานน้ำ ในกรณีใช้ชีวมวลเหล่านี้เป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจน ปฏิกิริยาที่นิยมใช้คือ gasification, pyrolysis, hydrolysis เป็นต้น ในบางกรณีอาจจะทําปฏิกิริยาต่อด้วย steam reforming และ WGS เพื่อเพิ่มปริมาณก๊าซไฮโดรเจน
เทคโนโลยีของปฏิกิริยา gasification ที่มีสารตั้งต้นเป็นชีวมวลได้รับการพัฒนาจนขณะนี้สามารถนําไปใช้ได้แล้วในเชิงพานิชย์ โดยมีหลักการเหมือนดังปฏิกิริยาออกซิเดชันบางส่วน สารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือก๊าซไฮโดรเจน ก๊าซมีเทน ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ (NOx) อย่างไรก็ดี ปฏิกิริยานี้ยังให้สารผลิตภัณฑ์ที่เป็นน้ำมันดินหรือ tar และเขม่าเกิดขึ้นในปริมาณที่มากกว่าปฏิกิริยา steam reforming ส่วนปริมาณก๊าซไฮโดรเจนที่สังเคราะห์ได้ก็ยังน้อยกว่าด้วย ดังนั้นจึงมีการประยุกต์ปฏิกิริยานี้โดยการนําตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมมาใช้ร่วมด้วยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจนที่ได้
Electrolysis of Water
เป็นกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีโดยผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปในน้ำซึ่งรู้จักกันดีในชื่อปฏิกิริยาการแยกสลายน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolysis reaction) กระแสไฟฟ้านี้จะทําให้เกิดการแตกตัวของอะตอมไฮโดรเจนและอะตอมออกซิเจนออกจากกัน แล้วอะตอมชนิดที่เหมือนกันจะเกิดการรวมตัวกันให้ก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน
เมื่อพิจารณาการได้มาซึ่งก๊าซไฮโดรเจนโดยวิธีนี้ กระแสไฟฟ้าที่ใช้ในปฏิกิริยาได้มาจากแหล่งพลังงานตั้งต้นอื่น ถ้าจะนำก๊าซไฮโดรเจนนี้มาเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้เซลล์เชื้อเพลิง พบว่าค่าพลังงานไฟฟ้าที่ได้นั้นยังไม่คุ้มค่ากับต้นทุนในการแยกสลายน้ำด้วยไฟฟ้าดังกล่าว เพราะราคาต้นทุนเกือบทั้งหมดของกระบวนการนี้ขึ้นกับมูลค่าของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในการแยกสลายน้ำ ถึงแม้ว่าแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนนี้จะใช้เพียงน้ำซึ่งมีมากในโลกก็ตาม กระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากน้ำนี้จึงจําเป็นต้องได้รับการวิจัยและพัฒนาต่อไปเพื่อลดมูลค่าและต้นทุนในระหว่างการผลิต นอกจากนั้นต้องพิจารณาถึงแหล่งให้พลังงานไฟฟ้าเบื้องต้นด้วย ถ้ามาจากแหล่งที่ใช้แล้วหมดไป เช่น ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน หรือน้ำมันปิโตรเลียมย่อมไม่เหมาะสม ควรจะเป็นแหล่งที่สามารถเกิดมาทดแทนใหม่ได้เร็ว เช่น พลังงานไฟฟ้าจากลม แสงอาทิตย์ หรือพลังน้ำ เป็นต้น จึงจะทําให้กระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
Photoprocesses
กระบวนการแยกสลายน้ำโดยใช้แสงเป็นกระบวนการที่มีนักวิจัยจํานวนมากให้ความสนใจ โดยผู้เริ่มต้นงานวิจัยด้านนี้คือ Akira Fujishima และ Kenichi Honda ในปี ค.ศ. 1972 เทคโนโลยีของกระบวนการทางแสงที่ใช้ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนสามารถแยกออกเป็น 4 ชนิด ตามวัตถุประสงค์การใช้ ประสิทธิภาพ การพัฒนาต่อยอด และการใช้ประโยชน์ในระยะยาว ซึ่งระบบการผลิตทั้ง 4 ชนิดคือ เซลล์ไฟฟ้าแสงอาทิตย์ (photovoltaic cells) ที่ต่อกับเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer) เซลล์ไฟฟ้าเคมีแสงอาทิตย์ (photoelectro-chemical cells) พร้อมอิเล็กโทรดกึ่งตัวนํา 1-2 ขั้ว กระบวนการเชิงชีวภาพของจุลินทรีย์โดยใช้แสง (photobiological systems) และระบบการย่อยสลายโดยใช้แสง (photodegradation systems)
กระบวนการที่ใช้ในการเปลี่ยนพลังงานแสงมาอยู่ในรูปที่ใช้ประโยชน์ได้ง่ายแยกออกเป็น 2 กระบวนการหลักคือ กระบวนการทางความร้อนของแสง (solar thermal process) และกระบวนการทางโฟตอนของแสง (solar photonic process) ในกระบวนการแรกนั้นพลังงานแสงจะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปพลังงานความร้อน ซึ่งอาจจะนําไปใช้ประโยชน์โดยตรงโดยการสะสมพลังงานความร้อนในตัวกลางต่างๆ เช่น น้ำ หินที่ปราศจากน้ำ เป็นต้น หรือพลังงานความร้อนนี้อาจจะเปลี่ยนให้อยู่ในรูปพลังงานกลหรือพลังงานไฟฟ้าโดยใช้อุปกรณ์ที่จําเพาะ เช่น หม้อต้มไอน้ำ (steam turbine) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ส่วนกระบวนการทางโฟตอนของแสงคือการใช้วัสดุที่จําเพาะในการดูดซับแสงโฟตอน และวัสดุนี้จะไม่เปลี่ยนพลังงานของโฟตอนเป็นพลังงานความร้อนทั้งหมด แล้ววัสดุนี้จะเปลี่ยนพลังงานของโฟตอนเป็นพลังงานไฟฟ้า (เช่น เซลล์โฟโตวอลตาอิค (photovoltaic cell)) หรืออาจจะสะสมพลังงานของโฟตอนไว้ในรูปพลังงานเคมี เช่นในปฏิกิริยา endergonic reaction ซึ่งเป็นปฏิกิริยาเคมีที่สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีการดูดกลืนพลังงานแสงเข้าไป (พลังงานจะสะสมไว้ในพันธะเคมีของสารที่เกิดขึ้น) ตัวอย่างที่ชัดเจนคือการสังเคราะห์แสงของพืชที่เปลี่ยนพลังงานแสงมาอยู่ในรูปพลังงานเคมีหรือพลังงานพันธะในน้ำตาลหรือแป้งที่พืชสังเคราะห์ได้ เช่นเดียวกันกับการเปลี่ยนน้ำไปเป็นก๊าซออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจนโดยใช้แสง เป็นต้น อย่างไรก็ดีกระบวนการนี้ยังเป็นกระบวนการที่มีราคาสูง ซึ่งปัจจุบันนิยมนําพลังงานที่ได้จากกระบวนการทางแสงมาใช้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงมากกว่า จากที่กล่าวมาจะเห็นว่ามีเทคโนโลยีการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจนที่หลากหลายเพื่อให้เห็นพัฒนาการของแต่ละเทคโนโลยีสู่ระดับพานิชย์ที่ชัดเจน
สรุป
บทความนี้ได้กล่าวถึงความสําคัญ ข้อดี ข้อเสียของการใช้ก๊าซไฮโดรเจนและกระบวนการที่ใช้ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนซึ่งเป็นอีกหนึ่งทางเลือกของพลังงานในอนาคต เนื่องจากแหล่งให้ก๊าซไฮโดรเจนพบมากและหลากหลายในธรรมชาติ นอกจากนั้นก๊าซไฮโดรเจนยังมีความจุพลังงานที่สูง สังเคราะห์ได้จากทรัพยากรที่เกิดมาทดแทนได้ในระยะเวลาสั้น เป็นพลังงานที่สะอาด เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ดีระบบการสังเคราะห์ก๊าซไฮโดรเจนจําเป็นต้องได้รับการพัฒนาเพื่อลดต้นทุนการผลิตและมีความบริสุทธิ์เพียงพอ เมื่อมีการนําก๊าซไฮโดรเจนมาใช้ประโยชน์ได้มากขึ้นจะสามารถลดสภาวะโลกร้อนที่กําลังส่งผลรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ ในปัจจุบันได้
บทความวิชาการโดยรัชนีกร วันจันทึก ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 16 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2554 หน้า 131-140 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com