เชื้อเพลิงไฮโดรเจน อีกหนึ่งทางเลือกเพื่ออนาคตของมนุษยชาติ

ปัจจุบันมนุษย์เราไม่เพียงแต่กำลังเผชิญกับปัญหาวิกฤตการระบาดของไวรัสโควิด-19 ปัญหาสภาวะโลกร้อนก็ยังคงทวีความรุนแรงและต้องการการแก้ไขอย่างเร่งด่วน ทำให้ยานพาหนะที่ใช้ไฟฟ้าหรือ EV(Electric Vehicle) กำลังมาแรงไม่ว่าจะเป็น รถ เรือ หรือแม้แต่เครื่องบิน

แต่ก่อนที่เหล่ายานพาหนะ EV นี้จะเริ่มมาเป็นตัวเลือกหลักในการเปลี่ยนผ่านการใช้พลังงานในภาคการขนส่งจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นพลังงานสะอาดนั้นยังมีอีกหนึ่งเทคโนโลยีตัวเลือกที่เคยเป็นคู่แข่งขันของ EV นั่นก็คือเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสุดยอดพลังงานสะอาดที่มีศักยภาพให้เราใช้งานได้อย่างเหลือเฟือ

ถ้าอย่างนั้นเรามาทำความรู้จักกับเชื้อเพลิงไฮโดรเจนกันก่อน เชื้อเพลิงไฮโดรเจนคืออะไร มีกี่แบบ ราคาแพงมั้ย

ไฮโดรเจนเป็นธาตุลำดับแรกในตารางธาตุและเป็นธาตุที่พบมากที่สุดในจักรวาล ไฮโดรเจนที่พบในธรรมชาติจะอยู่ในสถานะก๊าซเป็นก๊าซติดไฟ ไม่มีสีไม่มีกลิ่น ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต เมื่อเกิดการเผาไหม้จะทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนได้ผลผลิตเป็นน้ำและพลังงาน(ในรูปพลังงานความร้อน)

ดังนั้นหากเรานำเอาก๊าซไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลที่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน(สารประกอบคาร์บอนกับไฮโดรเจน CxHx) มันจะไม่มีทั้งเขม่าไอเสียและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นก๊าซเรือนกระจกออกมาจากการใช้งานเลย จัดได้ว่าเป็นพลังงานสะอาดในอุดมคติเลยทีเดียว

** แล้วทำไมการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงยังไม่เป็นที่นิยม? **

ปัจจุบันมีการใช้งานไฮโดรเจนในหลายอุตสาหกรรม เช่น

• ใช้ในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบเพื่อกำจัดซัลเฟอร์ออกจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ผลิตออกมาได้
• ในอุตสาหกรรมเคมีสำหรับการผลิตแอมโมเนียและเมทานอล
• ใช้ในอุตสาหกรรมเหล็ก

ซึ่งวิธีการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันได้แก่

• Steam Methane Reforming (SMR) วิธีนี้จะใช้ก๊าซธรรมชาติเข้าทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิและความดันสูงร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาจนได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับไฮโดรเจน ซึ่งก๊าซไฮโดรเจนส่วนใหญ่ที่ผลิตใช้อยู่ในปัจจุบันนั้นจะผลิตด้วยวิธีนี้เนื่องจากมีต้นทุนต่ำที่สุด

• Gasification วิธีนี้จะคล้ายกันกับ SMR แต่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนในรูปของแข็งเข้าทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนและไอน้ำที่อุณหภูมิสูง ได้ผลผลิตเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับไฮโดรเจนเช่นเดียวกัน แต่วิธีนี้จะมีต้นทุนสูงกว่า SMR

จะเห็นได้ว่าทั้ง 2 วิธีนี้มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาด้วยทำให้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ผลิตจากกระบวนการนี้ยังไม่ถูกจัดให้เป็นพลังงานสะอาดอยู่ดี แต่ก็ยังมีวิธีผลิตไฮโดรเจนแบบที่ปลอดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อยู่อีกหลายวิธีเช่น

• Electrolysis หรือกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้านั่นเอง ซึ่งถ้าไฟฟ้าที่ใช้ในการผลิตนั้นได้มาจากพลังงานหมุนเวียนหรือพลังงานนิวเคลียร์แล้วไฮโดรเจนที่ผลิตได้นี้จะถือว่าเป็น Green Hydrogen ที่เป็นพลังงานสะอาดอย่างที่เราต้องการ แต่ก็ต้องแลกมาด้วยต้นทุนการผลิตที่สูง

• วิธีอื่น ๆ ซึ่งยังอยู่ในขั้นตอนวิจัยและพัฒนา เช่น Solar Thermochemical Hydrogen ที่ใช้ความร้อนสูงจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงในการแยกน้ำให้เป็นก๊าซออกซิเจนกับไฮโดรเจน

ดังนั้นแล้วก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยกระบวนการต่าง ๆ จึงมีการแยกประเภทเพื่อบ่งบอกว่าเป็นไฮโดรเจนที่ผลิตมาจากกระบวนการผลิตแบบใดเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแค่ไหน

โดยจะเห็นได้ว่า Gray กับ Brown Hydrogen นั้นก็ยังมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาจากกระบวนการผลิต ส่วน Blue hydrogen นั้นจะมีการดักจับแยกเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเก็บไว้ไม่ปล่อยสู่บรรยากาศซึ่งก็จะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นแต่ย่อมแลกมาด้วยต้นทุนที่สูงขึ้นด้วย

ส่วนไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยกระบวนการ Electrolysis จะเป็น Green Hydrogen ได้ก็ต่อเมื่อพลังงานไฟฟ้าที่นำมาผลิตไฮโดรเจนนี้มาจากพลังงานหมุนเวียนเช่น ลม แสงอาทิตย์ พลังน้ำหรือพลังงานนิวเคลียร์ ถ้าไฟฟ้าที่นำมาผลิตไฮโดรเจนมาจากโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลก็จะยังไม่ถือว่าเป็น Green Hydrogen ซึ่งเชื้อเพลิงสะอาดอย่างที่เราต้องการ

ซึ่งแน่นอนว่า Green Hydrogen ในปัจจุบันยังคงมีต้นทุนการผลิตที่มากที่สุด ยังคงต้องพัฒนาหาเทคนิคการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมด้วยต้นทุนที่แข่งขันได้เพื่อทดแทนการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล

การใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในภาคขนส่ง รถไฮโดรเจนกับรถ EV ใครจะเข้าวิน?

การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในรถหรือยานพาหนะอื่น ๆ นั้นมีความพยายามคิดค้นพัฒนากันมาอย่างยาวนาน แต่ด้วยข้อจำกัดของคุณสมบัติของตัวไฮโดรเจนเอง ทำให้แทบไม่มีความหวังในการนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงแทนน้ำมันได้ เพราะตัวก๊าซไฮโดรเจนนั้นมีความหนาแน่นต่ำประกอบกับค่าความร้อนที่ต่ำทำให้การอัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนนั้นต้องอัดด้วยความดันสูงมากต้องมีการใช้ภาชนะที่ทนความดันสูงในการกักเก็บ และตัวไฮโดรเจนเองนั้นก็ยังมีคุณสมบัติที่ทำให้โลหะบางชนิดเปราะ เช่น เหล็กกล้า ทองแดง นิกเกิล ทำให้ต้นทุนการจัดเก็บและขนส่งนั้นสูงกว่าก๊าซธรรมชาติ (LNG)

แต่ปัจจุบันก็ได้มีการนำไฮโดรเจนมาประยุกต์ใช้งานร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิง(Fuel Cell) ในการนำไฮโดนเจนมาผลิตไฟฟ้าจ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ในการขับเคลื่อนรถ โดยรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนร่วมกับ Fuel Cell นี้จะเรียกว่า FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)

ซึ่งการทำงานของ Hydrogen Fuel Cell นี้จะใช้ไฮโดรเจนเข้าไปทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ โดยการทำปฏิกิริยาจะเกิดในตัวเซลล์เชื้อเพลิงได้ผลผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าและน้ำ ดังนั้นสิ่งที่ปล่อยออกมาจากท่อไอเสียของรถ FCEV นั้นก็จะมีเพียงอากาศและน้ำเท่านั้นส่วนพลังงานไฟฟ้าที่ได้มาก็จะถูกนำไปจ่ายให้กับมอเตอร์เหมือนกับรถ BEV(Battery Electric Vehicle) รถไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ในการเก็บและจ่ายไฟฟ้าให้กับมอเตอร์โดยไม่มีเครื่องยนต์เลยนั้นเอง

จากรูปเปรียบเทียบหลักการของรถ BEV และ FCEV จะเห็นได้ว่าทั้ง 2 แบบนั้นใช้มอเตอร์เป็นตัวขับเคลื่อนรถเหมือนกัน ต่างกันที่แหล่งจ่ายไฟนั้น BEV จะมาจากแบตเตอรี่ที่ทำการประจุไฟเก็บไว้ก่อนจ่ายให้มอเตอร์ ดังนั้นแบตเตอรี่ของรถ BEV จึงมีขนาดใหญ่กว่ามากและถ้าจะให้วิ่งได้ไกลก็ต้องใส่แบตเตอรี่เพิ่มเข้าไปอีก ส่วนรถ FCEV นั้นจะใช้ Fuel Cell ในการผลิตไฟฟ้าเก็บไว้ในแบตเตอรี่เพื่อสำรองไว้ใช้หรือจ่ายไฟตรงไปยังมอเตอร์เลยก็ได้

และจากคลิปวีดีโอโฆษณาของรถ Hyundai NEXO ซึ่งเป็นรถ SUV ชนิด FCEV แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่ออกมาจากท่อไอเสียของรถยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้นเราสามารถหายใจได้เหมือนกับอากาศปกติ เพราะมันจะมีก็แค่น้ำกับอากาศเท่านั้น

โดยรถ FCEV นั้นมีข้อดีก็คือระยะการวิ่งต่อการเติมเชื้อเพลิงถังหนึ่งนั้นมากกว่ารถ BEV รวมถึงระยะเวลาการเติมเชื้อเพลิงต่อครั้งก็กินเวลาประมาณ 5 นาทีซึ่งพอ ๆ กับการเติมก๊าซของรถใช้ก๊าซ NGV และเมื่อเทียบกับรถ BEV ที่ต้องใช้เวลาชาร์จ 20 นาทีถึงหนึ่งชั่วโมงต่อการชาร์จก็ถือว่าเร็วกว่ามาก

อย่างรถ Toyota Mirai 2021 ที่เพิ่งเปิดตัวไปนั้นก็เพิ่งวิ่งทำสถิติระยะทาง 1,000 กิโลเมตรด้วยการเติมเชื้อเพลิงเพียงครั้งเดียว (วิ่งกรุงเทพฯ – หาดใหญ่ได้โดยไม่ต้องแวะพักกันเลยทีเดียว)

แต่แน่นอนว่ามีข้อดีก็ย่อมมีข้อเสีย หากเทียบกันรถไฟฟ้าที่สามารถเสียบปลั๊กชาร์จไฟที่บ้านได้แต่รถไฮโดรเจนยังต้องเติมที่ปั๊มไฮโดรเจนเท่านั้น ซึ่งในบ้านเรายังไม่มีเลยซักปั๊มแต่สถานีอัดประจุไฟฟ้าสำหรับรถ BEV นั้นเริ่มมีให้เห็นได้ทั่วไปแล้วโดยเฉพาะปั๊มตามทางหลวงเส้นหลัก

และเมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว การจะมีโครงสร้างพื้นฐานทั้งระบบเพื่อรองรับรถ FCEV นั้นทำได้ล่าช้าและต้องใช้เงินลงทุนมากกว่ารถ BEV มาก รวมถึงต้นทุนของตัวรถเองที่ FCEV ก็ยังมีราคาสูงกว่ารถ BEV

ยังไม่รวมถึงประเด็นเรื่องความปลอดภัยที่อาจสร้างความกังวลให้กับผู้ใช้รถ และระบบประกอบในด้านความปลอดภัยของรถ FCEV นั้นก็ยิ่งทำให้รถ FCEV มีราคาสูงขึ้นไปอีก แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะรถ BEV หรือ FCEV ก็มีความเสี่ยงด้วยกันทั้งคู่ ดังที่เราจะเห็นว่ารถ EV ก็มีข่าวไฟไหม้วอดทั้งคันออกมาให้เห็นอยู่

ซึ่งปัจจุบันแม้ว่ารถยนต์ส่วนบุคคลที่ใช้ไฮโดรเจนยังไม่ได้รับความนิยม ในตลาดโลกที่มีการผลิตจำหน่ายและพอหาซื้อได้มีเพียงแค่ 3 รุ่นเท่านั้นได้แก Hyundai NEXO, Toyota Mirai และ Honda Clarity แต่กับการใช้งานในภาคขนส่ง อย่างเช่นรถบรรทุกนั้นมีความก้าวหน้ามากกว่า

ทั้งนี้เพราะว่ารถบรรทุกขนส่งนั้นมีเส้นทางวิ่งที่วนซ้ำ มีจุดแวะเติมเชื้อเพลิงที่สามารถทำเป็น Hub ได้ จึงมีความเหมาะสมและเริ่มมีการใช้งานแล้วในหลายประเทศ รวมถึงเริ่มมีผู้ผลิตรถบรรทุก FCEV แล้วหลายเจ้าในท้องตลาดซึ่งอาจจะเป็นใบเบิกทางไปสู่การรถ FCEV ส่วนบุคคลในอนาคต

หรือแม้แต่การพัฒนาใช้ในอุตสาหกรรมการบินแบบรักษ์โลกในอนาคตก็ยังมีผู้พัฒนาอยู่หลายราย และก็ยังมีการแข่งขันกันระหว่างเครื่องบินไฟฟ้าและเครื่องบินที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

ศักยภาพการใช้งานไฮโดรเจนในด้านอื่น

ระบบกักเก็บพลังงาน

นอกจากการใช้งานในอุตสาหกรรมและภาคขนส่งแล้ว ไฮโดรเจนยังมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้เป็นระบบกักเก็บพลังงานเพื่อเสริมความมั่นคงให้กับการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานหมุนเวียน โดยนำเอาพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจากระบบนำมาผลิตก๊าซไฮโดรเจนอัดเก็บไว้ และเมื่อมีความต้องการใช้ไฟฟ้าก็จะเอาก๊าซไฮโดรเจนที่เก็บไว้มาทำปฏิกิริยาใน Fuel Cell เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าส่งเข้าระบบ

อย่างในบ้านเราก็เริ่มมีใช้งานแล้วกับการผลิตไฟฟ้าแบบผสมผสานระหว่างพลังงานลมและระบบกักเก็บพลังงานด้วยก๊าซไฮโดรเจนและ Fell Cell เพื่อเสริมเสถียรภาพในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมให้มีความมั่นคงและมีเสถียรภาพต่อระบบไฟฟ้า

ซึ่งถ้าใครอยากรู้รายละเอียดหรือสนใจเยี่ยมชมก็ไปดูกันได้ที่ศูนย์การเรียนรู้ กฟผ. ที่ลำตะคอง (แต่คงต้องหลังช่วงโควิด)

นิวเคลียร์ฟิวชั่น

ไฮโดรเจนนั้นยังมีศักยภาพที่จะมาปลดปล่อยมนุษยชาติให้เป็นอิสระด้านพลังงาน ด้วยการนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์แบบฟิวชั่น ซึ่งถือได้ว่าเป็นความฝันอันต่อเนื่องยาวนานของมนุษย์นับตั้งแต่ที่เรามีความรู้ด้านพลังงานนิวเคลียร์

ตัวอย่างศักยภาพของพลังงานนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีให้เห็นอยู่แล้วทุกวันตั้งแต่ตื่นนอนตอนเช้ายันพระอาทิตย์ตก เพราะดวงอาทิตย์นั่นแหละคือเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในธรรมชาติที่ให้พลังงานแก่ทุกชีวิตบนโลกมาอย่างต่อเนื่องยาวนานกว่า 4,600 ล้านปีและจะยังคงส่องสว่างเจิดจรัสไปอีก 5,000 ล้านปี

ซึ่งปัจจุบันการพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่นเริ่มใกล้เคียงความจริงแล้ว อีกไม่นานหนึ่งใน Mega Project ในการก่อสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นเพื่อการทดสอบเดินเครื่องสำหรับผลิตไฟฟ้าเครื่องแรกของโลกก็จะแล้วเสร็จ (โครงการ ITER)

โครงการ ITER เป็นหนึ่งในโครงการความร่วมมือระหว่างประเทศใช้เวลาพัฒนานานกว่า 50 ปี มีเจ็ดประเทศสมาชิกหลัก คือ สหรัฐอเมริกา จีน ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ รัสเซีย อินเดีย และสหภาพยุโรป (นับรวมเป็นหนึ่งสมาชิก) วัตถุประสงค์เพื่อแสดงให้เห็นว่าเราสามารถรักษาเสถียรภาพกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นในพลาสมาได้โดยการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นในพลาสมาที่ถูกกักขังด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้า โดยข้อมูลที่ได้จากเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นนี้จะถูกใช้ในการออกแบบและสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นสำหรับการผลิตไฟฟ้าในอนาคต ซึ่งถ้าทำสำเร็จจะเป็นการพลิกอนาคตด้านพลังงานของมนุษยชาติอย่างแน่นอน

เพราะเตาปฏิกรณ์ชนิดนี้ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงซึ่งมีอยู่แล้วอย่างมหาศาลบนโลกในรูปของน้ำ และไม่มีปัญหาการจัดการกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เหมือนกับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน เนื่องด้วยผลผลิตที่ได้จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นนี้ไม่ก่อให้เกิดสารกัมมันตรังสีให้เราต้องจัดการภายหลัง

ปัจจุบันนอกจากโครงการ ITER ที่กำลังก่อสร้างในประเทศฝรั่งเศส ยังมีเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นอีกหลายเครื่องที่เริ่มเดินเครื่องแล้ว โดยมีจีนที่เริ่มก้าวเข้ามาเป็นหนึ่งในผู้นำการพัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียร์ฟิวชั่น

***********************************************************************************

จะเห็นได้ว่าไฮโดรเจนนั้นจัดเป็นแหล่งพลังงานแห่งอนาคตที่สร้างผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมน้อย แต่ก็ยังมีความท้าทายอีกมากมายที่รอการพิสูจน์สำหรับการก้าวมาเป็นหนึ่งในทางเลือกสำหรับอนาคตของมนุษยชาติ ซึ่งก็คงต้องรอดูกันต่อไป

Reference:

https://interestingengineering.com/how-and-why-hydrogen-engines-came-to-be-what-lies-ahead

https://www.autospinn.com/2020/04/electric-vehicle-types-hev-phev-bev-fcev-78020

https://interestingengineering.com/toyota-mirai-breaks-world-record-for-driving-on-hydrogen-with-623-miles