Hydrogen = พลังงานทดแทน ?

24 พฤษภาคม 2023

เมื่อเอ่ยถึงพลังงานทางเลือกสำหรับอนาคต ย่อมมี “พลังงานไฮโดรเจน” (Hydrogen, H2) รวมอยู่ด้วยอย่างแน่นอน ทั้งนี้เพราะ ไฮโดรเจนสามารถสังเคราะห์ได้จากวัตถุดิบตามธรรมชาติหลากหลายประเภท และเมื่อเกิดการเผาไหม้ ก็จะมีเพียงน้ำและออกซิเจนเท่านั้นที่เป็นผลพลอยได้ ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงอื่น ๆ ที่ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อการทำให้โลกร้อนขึ้น (Global warming) นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังให้ค่าพลังงานเชื้อเพลิงที่สูงกว่าค่าพลังงานชนิดอื่น ไม่ก่อให้เกิดกลุ่มควันฝุ่นละออง และสามารถประยุกต์ใช้กับงานที่ใช้พลังงานดั้งเดิมได้ รวมทั้งยังสามารถนำไปผลิตกระแสไฟฟ้าโดยป้อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ได้ด้วย

ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและเป็นองค์ประกอบของน้ำ (H2O) ที่มีมากที่สุดบนโลก นอกจากนี้ยังเป็นธาตุที่ รวมอยู่ในโมเลกุลของสารประกอบอื่นๆ เช่น สารประกอบจําพวกไฮโดรคาร์บอน (HC) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของปิโตรเลียมที่มีความสําคัญสําหรับการพัฒนาทางเศรษฐกิจของประเทศ คุณสมบัติทั่วไปของไฮโดรเจน คือไม่มี สี ไม่มีกลิ่น ติดไฟง่าย มีความสะอาดสูง ไม่เป็นพิษและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ไฮโดรเจนจึงถูกคาดหมายและได้รับยอมรับว่าจะเป็นแหล่งของพลังงานเชื้อเพลิงที่สำคัญอย่างมากในอนาคต โดยประเทศที่พัฒนาแล้วทั่วโลก เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมนี อังกฤษ และ ญี่ปุ่น ได้มีการวิจัยและพัฒนาในเรื่องนี้อย่างต่อเนื่อง

ล่าสุด นครลอสแองเจลิสได้ประกาศแผนงานปลดระวางโรงไฟฟ้าถ่านหิน เพื่อหันมาสร้างโรงไฟฟ้าจากพลังงานสะอาดในรัฐยูทาห์ โดยเฟสแรกจะใช้พลังงานเชื้อเพลิงจากก๊าซธรรมชาติซึ่งจะเปิดดำเนินการในปี 2025 และจะเปลี่ยนมาใช้พลังงานไฮโดรเจนอย่างสมบูรณ์ในปี 2045 ซึ่งจะทำให้โรงไฟฟ้าแห่งนี้กลายเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานไฮโดรเจนแห่งแรกในสหรัฐอเมริกา

พลังงานไฮโดรเจน เกิดจากการแยกโมเลกุลของน้ำออกเป็น ไฮโดรเจน และ ออกซิเจน โดยเชื้อเพลิงที่นำมาใช้ในกระบวนการผลิตพลังงานไฮโดรเจนในปัจจุบันมาจาก 3 แหล่งหลัก คือ 1.จากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน และ น้ำมันปิโตรเลียม 2. จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ชีวมวล พลังงานน้ำ และ พลังงานลม และ 3. จากพลังงานนิวเคลียร์

ปัจจุบัน กระบวนการผลิตพลังงานไฮโดรเจนที่ใหญ่ที่สุด ก็คือ การเปลี่ยนรูปสารไฮโครคาร์บอนด้วยไอน้ำ (Steam reforming of hydrocarbons) แต่กระบวนการผลิตในรูปแบบนี้ก็ยังส่งผลให้มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมาก ดังนั้น การผลิตพลังงานไฮโดรเจนที่เป็นพลังงานสะอาดอย่างแท้จริง (Green Hydrogen) จึงต้องใช้เชื้อเพลิงในกระบวนการผลิตที่ไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้น

อย่างไรก็ดี การพัฒนาพลังงานไฮโดรเจนที่ผ่านมายังคงมีข้อจำกัดหลัก ๆ อยู่ 3 ประการ นั่นคือ 1. ไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่จัดเก็บและขนส่งยาก 2. การผลิตไฮโดรเจนด้วยเชื้อเพลิงสะอาด (Green Hydrogen) ใช้ต้นทุนสูง 3. ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติที่ต่างจากก๊าซธรรมชาติจึงต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการนำไปประยุกต์ใช้กับงานที่ใช้พลังงานดั้งเดิม

หน่วยงานด้านพลังงานของนครลอสแองเจลิสจึงวางแผนที่จะแก้ไขข้อจำกัดเหล่านั้นไว้ดังนี้

ข้อจำกัด 1 : ไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่จัดเก็บและขนส่งยาก

เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุแรกในตารางธาตุ มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และยังมีคุณสมบัติในการกัดกร่อน จึงทำให้ยากที่จะเก็บและขนส่ง โครงการสร้างโรงไฟฟ้าของนครลอสแองเจลีสจึงวางแผนแก้ปัญหาด้วยการใช้ Salt Dome ซึ่งเป็นชั้นหินเกลือใต้ดินที่สามารถสร้างโพรงกันรั่วซึมสำหรับกักเก็บก๊าซไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี โดยโครงการนี้มีแผนที่จะสร้าง Salt Dome ให้ได้ถึง 100 แห่ง ภายในปี 2045

ข้อจำกัด 2 : การผลิตไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงสะอาดมีต้นทุนสูง

ต้นทุนหลักในการผลิต Green Hydrogen ก็คือ Electrolyzer ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการผ่านกระแสไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันเทคโนโลยีนี้มีราคาลดลงกว่า 40% จากเมื่อ 5 ปีที่แล้ว และคาดว่าราคาจะปรับลดลงอีก 1 ใน 3 ภายในปี 2025 โดยบริษัทวิจัยและที่ปรึกษาด้านพลังงาน Wood Mackenzie ระบุว่า การผลิต Green Hydrogen จะเพิ่มขึ้นอีก 12 เท่าในช่วง 5 ปีข้างหน้า ในขณะที่ต้นทุนการผลิตจะต่ำลง

นอกจากนี้ สำนักวิจัย BloombergNEF ยังคาดการณ์ว่า ราคา Green Hydrogen อาจจะลดลงเหลือแค่ 1.4 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม ในปี 2030 จากระดับ 2.5-6.8 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลกรัม ในปัจจุบัน ซึ่งถือเป็นระดับราคาที่พอจะแข่งขันในตลาดได้

แนวโน้มดังกล่าวจะทำให้โครงการโรงไฟฟ้ายูทาห์มีต้นทุนการผลิตที่ลดลง อีกทั้งยังได้ประโยชน์จากการประหยัดต่อขนาด (Economy of Scale) อีกด้วย

ทั้งนี้ บริษัท Mitsubishi Hitachi Power Systems ซึ่งเป็นผู้ชนะการประมูลโครงการโรงไฟฟ้ายูทาห์ ตั้งเป้าที่จะดำเนินโครงการนี้ให้แล้วเสร็จภายใน 10 ปี จากกรอบเวลาที่ตั้งไว้ 25 ปี และยังวางแผนให้โรงไฟฟ้าพลังงานไฮโดรเจนแห่งนี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ถึง 840 เมกะวัตต์ ซึ่งถือเป็นปริมาณมหาศาลเมื่อเทียบกับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ในปัจจุบันซึ่งมีกำลังการผลิตอยู่ที่ประมาณ 10-20 เมกะวัตต์

ข้อจำกัด 3 : ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติที่ต่างจากก๊าซธรรมชาติ

แม้ว่าไฮโดรเจนและก๊าซธรรมชาติจะมีคุณสมบัติในการเผาไหม้แล้วให้ความร้อนที่สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้เหมือนกัน แต่การเปลี่ยนจากก๊าซธรรมชาติมาใช้พลังงานไฮโดรเจน จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูงขึ้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเท่าเดิม

อย่างไรก็ดี ผู้พัฒนาโครงการโรงไฟฟ้ายูทาห์มั่นใจว่า จะสามารถหาวิธีผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานไฮโดรเจนในสเกลขนาดใหญ่ให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นได้อีก ก่อนที่จะเปิดดำเนินการโรงไฟฟ้าตามกำหนด

ความมุ่งมั่นพยายามของผู้พัฒนาเทคโนโลยีด้านนี้ ได้เปิดประเด็นเรื่องการใช้พลังงานไฮโดรเจนเพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สำหรับกลุ่มอุตสาหกรรมที่ต้องใช้พลังงานความร้อนสูงและสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมาก เช่น เหล็ก ปูนซิเมนต์ กระจก และเคมีภัณฑ์ โดยหลายบริษัทในอุตสาหกรรมนี้กำลังเรียกร้องให้มีแหล่งพลังงานทางเลือกพร้อมใช้ในราคาที่คุ้มค่าต่อการลงทุน

รายงานของ BloombergNEF ระบุว่า Green Hydrogen จะช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ถึง 1 ใน 3 ด้วย “ต้นทุนที่ควบคุมได้” ขณะที่รายงานวิจัยของ Thomas Koch Blank นักวิจัยจากสถาบัน Rocky Mountain สรุปว่า Green Hydrogen จะช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากกระบวนการผลิตในภาคอุตสาหกรรม และมีส่วนสำคัญที่จะทำให้ระบบการผลิตพลังงานของโลกสอดคล้องกับการรักษาอุณหภูมิของโลกให้เพิ่มขึ้นไม่เกิน 1.5-2.0 องศาเซลเซียส

และหากตัวเลขคาดการณ์เหล่านี้ถูกต้อง ก็คงไม่ผิดอะไรที่จะกล่าวว่า “ไฮโดรเจน” คือพลังงานสำหรับอนาคตอย่างแน่นอน