top of page
ค้นหา
รูปภาพนักเขียนNet Zero Techup
13 ก.พ. 2566ยาว 2 นาที

♻️เปลี่ยนน้ำทะเลให้กลายเป็นพลังงานไฮโดรเจน (Green Hydrogen from Seawater)

อัปเดตเมื่อ 5 มี.ค. 2566


♻️ แหล่งพลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุด! เปลี่ยนน้ำทะเลให้กลายเป็นพลังงานไฮโดรเจน


โดยทั่วไปก๊าซไฮโดรเจนจะผลิตได้จากก๊าซมีเทน (CH4) โดยอาศัยปฏิกิริยารีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) ให้ผลิตภัณฑ์ผลพลอยได้ (by-product) เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตได้นี้จะเรียกว่า Grey Hydrogen เป็นที่ทราบกันดีว่าทั้งก๊าซมีเทนและ CO2 ต่างก็เป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ Grey Hydrogen ยังสามารถผลิตได้จากถ่านหินซึ่งมีการปล่อย CO2 ที่สูงขึ้นอย่างมากต่อหน่วยไฮโดรเจนที่ผลิตได้ ไฮโดรเจนประเภทนี้จะเรียกว่า Brown Hydrogen หรือ Black Hydrogen นอกจากนี้ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซมีเทนหรือถ่านหินที่ใช้เทคโนโลยีการดับจับ CO2 ติดตั้งเพิ่มเติมในระบบ ไฮโดรเจนที่ผลิตได้นี้จะเรียกว่า Blue Hydrogen


🚩 Green Hydrogen คืออะไร และเหตุใดจึงสำคัญ


Green Hydrogen หมายถึงไฮโดรเจนที่เกิดจากการแยกอะตอมของน้ำ ออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนโดยใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน Green Hydrogen เป็นพลังงานสะอาดที่สามารถผลิตได้โดยตรง ซึ่งจะอาศัยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี (electrochemical reaction) ในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ (electrolysis of water) ก๊าซไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม จะมีความจุพลังงานมากกว่าก๊าซธรรมชาติเกือบ 2.5 เท่า นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 ก๊าซไฮโดรเจนได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) เพื่อทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลในการขับเคลื่อนยานยนต์ เรือ และเครื่องบิน เป็นต้น ในอนาคตอันใกล้นี้ ไฮโดรเจนจะเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อให้พลังงานแก่เครื่องยนต์เกือบทุกประเภทตั้งแต่รถยนต์ไปจนถึงพลังงานงานภายในอาคาร ซึ่งจะช่วยให้โลกบรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอน (carbon neutrality) ได้อย่างเป็นรูปธรรม


🚩 ทำไมต้องใช้น้ำทะเลแปลงเป็นพลังงาน?


น้ำทะเลเป็นทรัพยากรที่ไม่มีวันหมดไปจากโลกใบนี้ (ตราบจนถึงวันสิ้นโลก) อีกทั้งยังเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ซึ่งเป็นวัตถุดิบตั้งต้น (feedstock) ที่ได้จากธรรมชาติ นอกจากนี้น้ำทะเลยังมีความยั่งยืนมากกว่าน้ำจืด เนื่องจากการใช้น้ำบริสุทธิ์ในปริมาณมหาศาลเพื่อการผลิตไฮโดรเจนอาจทำให้เกิดปัญหาการขาดแคลนทรัพยากรน้ำจืดซ้ำเติมในอนาคตได้ ดังนั้น การเปลี่ยนน้ำทะเลเป็นพลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นกุญแจสำคัญที่จะช่วยให้โลกบรรลุเป้าหมายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ (net zero emissions) แม้อาจจะต้องใช้ระยะเวลานานในการพัฒนาเทคโนโลยี และการเปลี่ยนผ่านพลังงานดั้งเดิมไปสู่พลังงานสะอาด (energy transition) ก็ตาม


🚩 เราจะเปลี่ยนน้ำทะเลเป็นไฮโดรเจนได้อย่างไร?


ในอดีตมีการทดลองการแยกอะตอมของน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนโดยใช้ไฟฟ้ามานานกว่า 200 ปี นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1800 ซึ่งไม่ได้เป็นเรื่องใหม่แต่อย่างใด อีกทั้งนักวิทยาศาสตร์ได้มีความรู้ความเข้าใจกันดีเกี่ยวกับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าลงไปในน้ำ ทำให้แร่ธาตุที่มีประจุบวก รวมทั้ง hydrogen ions (H3O+) ที่เกิดจากการแตกตัวของน้ำ เคลื่อนที่ไปที่แผ่นเพลตขั้วลบ (negative electrode) ที่เรียกว่า แคโทด (cathode) และ แร่ธาตุที่มีประจุลบ รวมทั้งไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) ที่เกิดจากการแตกตัวของน้ำ เคลื่อนที่ไปที่แผ่นเพลตขั้วบวก (positive electrode) ที่เรียกว่า เเอโนด (anode) หากมีพลังงานไฟฟ้ามากเพียงพอก็จะเกิดกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส แยกอะตอมของน้ำออกเป็นก๊าซออกซิเจนเกิดขึ้นที่ขั้วบวก และก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ขั้วลบ


อย่างไรก็ดี ถึงแม้จะมีความเรียบง่ายของเคมีพื้นฐาน แต่การทำให้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสมีประสิทธิภาพสูงสุดนั้น นับเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีต้นทุนสูง เนื่องจากการแตกตัวของน้ำเป็นสิ่งที่ไม่เอื้ออำนวยต่อหลักอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic) จึงต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยา และอิเล็กโทรดที่ออกแบบเป็นพิเศษ อีกทั้งพลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี หรือแม้แต่สิ่งเจือปนเพียงเล็กน้อยก็สามารถทำลายโครงสร้างที่บอบบางของเซลล์เชื้อเพลิงได้ ซึ่งนำไปสู่การอุดตันภายในเมมเบรน (membrane pores) การสึกกร่อนของอิเล็กโทรดซึ่งมีราคาแพง อีกทั้งยังเกิดผลิตภัณฑ์ผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ (unwanted by-products) เป็นต้น


🚩 เทคโนโลยี Water Electrolysis สำหรับการผลิตไฮโดรเจนสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท หลักๆ ได้แก่

🔹️ เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบอัลคาไลน์ (Alkaline Electrolytic Cells)

🔹️ เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบโพลิเมอร์ (Polymer Electrolytic Cells)

🔹️ เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบออกไซด์ของแข็ง (Oxide Electrolytic Cells)


ในบรรดาเซลล์อิเล็กโทรไลต์ทั้ง 3 ประเภทนี้ เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบอัลคาไลน์เป็นเทคโนโลยีแรกที่ใช้ในเชิงพานิชย์ ซึ่งมีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ (70% ∼ 80%) แต่ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไฮโดรเจนขนาดใหญ่เนื่องจากใช้งานง่ายและราคาต่ำ นอกจากนี้ เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสของน้ำที่ใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบอัลคาไลน์ ถือเป็นเทคโนโลยีที่เก่าแก่ที่สุด มีความก้าวหน้าที่สุดทางอุตสาหกรรม และมีราคาถูกที่สุด โดยอิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์ (Alkaline Water Electrolysers, AWE) จะมีคุณลักษณะเฉพาะคือการใช้พลังงานไฟฟ้าที่สูงกว่าเล็กน้อย เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลเซอร์แบบแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane Electrolysers, PEM) และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของไอน้ำ (Electrolysis of Water Vapor) แต่ถ้าเปรียบเทียบในแง่ของความทนทาน ความเที่ยงตรง และความปลอดภัยนั้น อิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์ (AWE) จะมีความได้เปรียบและเหนือกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์แบบแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ทั้งนี้เซลล์เชื้อเพลิงประเภทแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane) จะหมายถึงเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์แบบโพลิเมอร์เมมเบรน (Polymer Electrolyte Membrane) นั่นเอง


อิเล็กโทรไลเซอร์แบบแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) มีราคาแพงกว่าในแง่ของ CAPEX เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลเซอร์แบบอัลคาไลน์ (AWE) อีกทั้งน้ำที่ใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นจะต้องมีความบริสุทธิ์สูงกว่า อย่างไรก็ตาม PEM พบว่ามีศักยภาพสูงกว่า AWE ในแง่ของการปรับปรุงทางเทคนิคและการลดต้นทุน ปัจจุบัน นักวิจัยเริ่มให้ความสนใจมากขึ้นสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM สำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเล ซึ่งกำลังอยู่ในระหว่างการตรวจสอบที่ระดับเมกะวัตต์ ข้อดีหลักอย่างหนึ่งของระบบอิเล็กโทรลิซิสชนิด PEM คือความเป็นไปได้ในการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง (>99.99%) และมีความดันสูงภายใต้โครงสร้างเดียวกัน ระบบอิเล็กโทรไลซิสชนิด PEM ยังสามารถออกแบบให้เป็นโมดูลาร์ (modular) ที่สามารถปรับขนาดได้ง่าย อีกทั้งสามารถสตาร์ทเครื่องทำงานได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะในช่วงที่กระแสไฟฟ้าเกิดความผันแปรที่มาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น


🚩 อุปสรรคของการใช้น้ำทะเลคืออะไร?


✅️ คลอไรด์ไอออน (chloride ions) ในน้ำทะเลเป็นปัญหาหลัก โดยผ่านการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation) ที่ขั้วแอโนดทำให้เกิดก๊าซคลอรีน (chlorine) ซึ่งปฏิกิริยาข้างเคียง (side reaction) ที่เกิดขึ้นนี้ ไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า (electrochemical efficiency) ของเซลล์เชื้อเพลิงเท่านั้น แต่คลอรีนยังเป็นก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงมาก ซึ่งจะทำให้อิเล็กโทรดเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วและทำให้เซลล์เชื้อเพลิงหยุดการทำงาน


✅️ การแยกเกลือออกจากน้ำทะเล (desalinating) ก่อนส่งไปยังกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสสามารถขจัดปัญหาการกัดกร่อนจากก๊าซคลอรีนได้ แต่ต้องใช้พลังงานและพื้นที่ในการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มเติม ทำให้ต้นทุนด้านพลังงานในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลมีต้นทุนที่สูงกว่ามูลค่าของไฮโดรเจนที่ผลิตได้ ดังนั้น การผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิสในเชิงพานิชย์ ยังมีต้นทุนที่สูงมาก โดยเฉพาะในขั้นตอนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล และการทำให้น้ำมีความบริสุทธิ์ (purification) เพื่อให้ได้น้ำที่ปราศจากไอออน (deionized water) ในปริมาณมากๆ ใช้ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด


🚩 ปัญหาการกัดกร่อนสามารถแก้ได้อย่างไร?


✅️ นักวิจัยของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ได้ทำการค้นคว้าเทคนิคในการป้องกันไม่ให้น้ำทะเลกัดกร่อนขั้วแอโนดเนื่องจากมีปริมาณเกลือสูง พวกเขาพบว่าการเคลือบขั้วแอโนดด้วยชั้นประจุลบ (layers of negative charges) จำนวนมาก สามารถช่วยลดการสลายตัวของโลหะของขั้วแอโนด โดยพวกเขาได้ใช้เหล็ก (iron) นิเกิลไฮดรอกไซด์ (nickel hydroxide) และนิเกิลซัลไฟด์ (nickel sulphide) เป็นสารเคลือบผิวที่ให้ประจุลบเพื่อปกป้องขั้วแอโนดในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ส่งผลให้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นถึง 10 เท่า อีกทั้งช่วยเร่งกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเล หากไม่มีการเคลือบผิวที่ขั้วแอโนดพบว่า ขั้วแอโนดสามารถทำงานในน้ำทะเลได้เพียง 12 ชั่วโมงเท่านั้น


✅️ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Adelaide ประสบความสำเร็จในการแยกไฮโดรเจนจากน้ำทะเลโดยไม่ต้องผ่านการบำบัด (pre-treatment) ในการผลิต Green Hydrogen โดยพวกเขาได้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาถูกอย่างโคบอลต์ออกไซด์ (cobalt oxide) และโครเมียมออกไซด์ (chromium oxide) เคลือบบนพื้นผิว ทำให้อีเล็กโทรไลเซอร์สามารถผลิตไฮโดรเจนในเชิงพาณิชย์ได้ ที่สำคัญคือน้ำทะเลถูกใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นโดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการบำบัดแต่อย่างใด เช่น การแยกตะกอนด้วยวิธีรีเวอร์สออสโมซิส (reverse osmosis desolation), การทำให้บริสุทธิ์ (purification) หรือการทำปฏิกิริยาอัลคาไลเซชั่น (alkalisation) เป็นต้น จากผลการทดลองพบว่า ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาราคาถูกนี้ ให้ผลใกล้เคียงกับประสิทธิภาพการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทแพลทินัม/อิริเดียม (platinum/iridium) ที่มีราคาเเพงในน้ำบริสุทธิ์ที่ปราศจากไอออน ทำให้มีข้อได้เปรียบหลักคือ ไม่จำเป็นต้องบำบัดน้ำทะเลให้มีระดับความบริสุทธิ์เหมือนกับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ทั่วไป (conventional) รวมถึงไม่จำเป็นต้องมีการแยกเกลือ (desalination) และการแยกไอออน (deionisation) ออกแต่อย่างใด ซึ่งล้วนแต่เป็นการเพิ่มต้นทุนการดำเนินงาน การบำรุงรักษา และการติดตั้งอีกด้วย


อย่างไรก็ตาม กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำทะเลยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรลิซิสในน้ำบริสุทธิ์ ปัญหาการกัดกร่อนอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาข้างเคียง (side reaction) ของอิเล็กโทรด (electrode) ทำให้เกิดก๊าซคลอรีนที่ขั้วแอโนด (anode) นับเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง โดยขั้นถัดไป ทีมนักวิจัยจะขยายขนาดของระบบ (scale up) โดยใช้อิเล็กโทรไลเซอร์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์ เช่น การผลิตไฮโดรเจนจากเซลล์เชื้อเพลิง และการสังเคราะห์แอมโมเนีย เป็นต้น


🚩 แนวคิดกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลนอกชายฝั่ง


การผลิตไฮโดรเจนนอกชายฝั่งโดยใช้พลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนนั้น มอบโอกาสมากมายสำหรับระบบพลังงานไฟฟ้าแห่งอนาคต ในยุโรปมีการขยายกำลังการผลิตพลังงานลมนอกชายฝั่งอย่างรวดเร็วและต่อเนื่องในพื้นที่ทะเลเหนือ (North Sea) ผนวกกับการปลดระวางแท่นขุดเจาะน้ำมันและก๊าซธรรมชาติที่หมดอายุการใช้งาน นับเป็นโอกาสสำคัญสำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลนอกชายฝั่งด้วยการติดตั้งเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ขนาดใหญ่ในพื้นที่นอกชายฝั่งสำหรับเชิงพานิชย์ ที่สำคัญคือสามารถขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนจากพลังงานลมนอกชายฝั่งและโซลาร์ฟาร์ม นอกจากนี้ ยังสามารถช่วยลดต้นทุนการขนส่ง และหลีกเลี่ยงการลงทุนขนาดใหญ่ของระบบโครงข่ายไฟฟ้า (electrical grids) อีกทั้งยังสามารถใช้โครงสร้างโครงสร้างพื้นฐานของแท่นผลิตก๊าซธรรมชาติที่มีอยู่แล้วได้อีกด้วย


นอกจากนี้ ยังมีแนวคิดในการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำทะเลนอกชายฝั่งในประเทศญี่ปุ่น เสนอโดยนักศึกษาภาคฤดูร้อนของ DNV GL ภายใต้โครงการที่ชื่อว่า Jidai โดยจะใช้พลังงานไฟฟ้าจากกังหันลมลอยน้ำนอกชายฝั่ง ไฮโดรเจนที่ผลิตได้จะถูกจัดเก็บในถังความดัน 700 บาร์ ขนาด 400 ตัน และทำการขนส่งทางเรือไปยังชายฝั่งเพื่อแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าต่อไป


🚩 แหล่งที่มาของข้อมูลเเละรูปภาพ:













---------------------------------------------------

ติดตามข้อมูลข่าวสารผ่านช่องทางต่างๆ ได้ที่


ดู 915 ครั้ง0 ความคิดเห็น

Comments

Post: Blog2_Post
bottom of page