รูปแบบและเทคโนโลยีสำหรับ การผลิตไฮโดรเจน

       ไฮโดรเจน (Hydrogen ) เป็นธาตุที่เบาที่สุดและเป็นองค์ประกอบของน้ำ (H2O) ที่มีมากที่สุดบนโลก นอกจากนี้ยังเป็นธาตุที่ รวมอยู่ในโมเลกุลของสารประกอบอื่นๆ เช่น สารประกอบจําพวกไฮโดรคาร์บอน (HC) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของปิโตรเลียมที่มีความสําคัญสําหรับการพัฒนาทางเศรษฐกิจของประเทศ คุณสมบัติทั่วไปของไฮโดรเจน คือไม่มี สี ไม่มีกลิ่น ติดไฟง่าย 

        มีความสะอาดสูง ไม่เป็นพิษและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ไฮโดรเจนจึงถูกคาดหมายและได้รับยอมรับว่าจะเป็นแหล่งของพลังงานเชื้อเพลิงที่สำคัญอย่างมากในอนาคต โดยประเทศที่พัฒนาแล้วทั่วโลก เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมนี อังกฤษ และ ญี่ปุ่น ได้มีการวิจัยและพัฒนาในเรื่องนี้อย่างต่อเนื่อง 

ชนิดของพลังงานไฮโดรเจน

      ปัจจุบันไฮโดรเจนสามารถถูกผลิตได้จากวัตถุดิบหลากหลายชนิด เช่น น้ำ ก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน หรือเชื้อเพลิงฟอสซิลชนิดอื่น ๆ เป็นต้น โดยแต่ละชนิดก็จะมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ใน

กระบวนการผลิตที่แตกต่างกันขึ้นอยู่การเผาไหมว่าเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์หรือไม่ ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้สีหลายสีเพื่ออธิบายถึงความสมบูรณ์ของระดับการเผาไหม้แต่เพื่อให้เกิดประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมมาก

ที่สุดพลังงานไฮโดรเจนควรจะต้องผลิตจากแหล่งพลังงานที่สะอาดโดยไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการผลิต แทนที่จะใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเป็นวิธีมาตรฐานในปัจจุบัน

ไฮโดรเจนสีน้ำตาล/เทา(Brown / Grey Hydrogen): วิธีหนึ่งในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนคือกระบวนการทำให้เป็นก๊าซ Gasification หรือ Steam Methane Reforming (SMR) โดยใช้เชื้อเพลิง

ไฮโดรคาร์บอนหรือฟอสซิล เช่น ถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น และจะได้สารผลิตภัณฑ์เป็นก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์โดยปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกปล่อยออกมาจะมี

จำนวนเท่ากับก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้น วิธีการนี้จึงไม่ได้ช่วยลดรอยเท้าคาร์บอนได้ถึงแม้จะใช้ก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นพลังงานสะอาดก็ตาม

  ไฮโดรเจนสีฟ้า (Blue Hydrogen): เป็นการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนหรือฟอสซิลเป็นวัตถุดิบในการผลิตเช่นเดียวกัน แต่มีการใช้เทคโนโลยีดักจับและกักเก็บก๊าซคาร์บอน (Carbon Capture &Storage Technology) เพื่อดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไว้แล้วอัดเก็บไว้ใต้ดินที่ปลอดภัย หรือเอาไปผลิตเป็นเชื้อเพลิงหมุนเวียนรูปแบบอื่น ๆ ได้ต่อไป

 ไฮโดรเจนสีเขียว(Green Hydrogen)

            เป็นการผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าซึ่งไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา โดยใช้น้ำเป็นวัตถุดิบ อีกหนึ่งวิธีในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวก็คือการใช้ชีวมวลหรือขยะอินทรีย์เป็นเชื้อเพลิงแทนถ่านหินในกระบวนการ Gasification โดยกระบวนการนี้จะมีรอยเท้าคาร์บอนเป็นศูนย์เนื่องจากปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ต้นไม้ดูดไปในช่วงชีวิตของมันจะมีค่าเท่ากับปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกปล่อยออกมาจากการเผาเพื่อ

ผลิตไฮโดรเจน และหลังจากนั้นหากมีการใช้เทคโนโลยีดักจับและกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะทำให้รอยเท้าคาร์บอนติดลบ นั่นคือ การดึงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับมาจากชั้นบรรยากาศ 

รูปแบบและเทคโนโลยี สำหรับการผลิตไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนที่นำมาใช้งานสามารถผลิตได้จากแหล่งไฮโดรเจนด้วยกระบวนการต่าง ๆ ได้หลายวิธีการ ดังต่อไปนี้

1. การสลายตัวด้วยความร้อน (Thermolysis)

   เป็นการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้น้ำเป็นวัตถุดิบตั้งต้นแล้วใช้ความร้อนสูงในการสลายน้ำให้ได้ออกมาเป็นไฮโดรเจนไอออน (H+) ออกซิเจนไอออน (O2-) ก๊าซไฮโดรเจน (H2) ก๊าซออกซิเจน (O2) ไฮดรอกไซด์ไอออน (OH-) ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ (H2O2) และไฮโดรเพอรอกซิล แต่การสลายตัวเกิดได้น้อยถึงแม้จะใช้อุณหภูมิสูงมาก นอกจากนี้ในการประยุกต์ใช้กระบวนการนี้ในอุตสาหกรรมหรือในเชิงพาณิชย์อุปกรณ์หรือวัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิตต้องมีความคงทนต่อการทำงานในอุณหภูมิสูงได้

2. กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง (Photocatalytic Process)

เป็นกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจน โดยใช้สารกึ่งตัวนำเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ซึ่งรับโฟตอน(photon) จากแสงอาทิตย์ไปกระตุ้นอิเล็กตรอน (electron) ทำให้นํ้าแตกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน จากนั้นจึงผ่านกระบวนการทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่นิยมใช้ได้แก่ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Titanium Dioxide, TiO2) ทังเสตนออกไซด์ (Tungsten (III) Oxide,WO3) และแพลทินัม (Platinum, Pt) เป็นต้น ประสิทธิภาพของกระบวนการขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกสมบัติรวม และพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ข้อจำกัดของกระบวนการนี้ คือ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ต้องมีความทนทานต่อการกัดกร่อนในนํ้า

3. Steam Methane Reforming

เป็นการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติโดยตัวเร่งปฏิกิริยาที่นิยมใช้ คือ นิกเกิล และอุณหภูมิที่ใช้จะอยู่ในช่วง 500-1,000 องศาเซลเซียส โดยผลผลิตที่ได้จะประกอบด้วยก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นหลัก และได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นํ้า และก๊าซมีเทน เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมซึ่งวิธีนี้ไม่ได้ช่วยให้ลดรอยเท้าคาร์บอน ถ้าหากไม่มีการใช้เทคโนโลยีกักเก็บและดูดซับคาร์บอนเข้าร่วมด้วย

4. กระบวนการไอนํ้า-เหล็ก (Steam-Iron Process)

เป็นกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่สามารถผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยอาศัยปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชันของเหล็กออกไซด์ หรือแมกนีไทต์ ซึ่งผลที่ได้นอกจากได้ก๊าซไฮโดรเจนยังได้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย

5. การแยกสลายน้ำด้วยไฟฟ้า (Electrolysis)

เป็นกระบวนการการให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าของเซลล์เคมีไฟฟ้า เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน ทำให้โมเลกุลน้ำถูกแยกออกเป็นก๊าซออกซิเจนและก๊าซออกซิเจน โดยการแยกสลายนํ้าด้วยไฟฟ้าจะต้องใช้ค่าโวลต์ที่สูงกว่า 1.229 โวลต์ ข้อดีของการผลิตก๊าซไฮโดรเจนจากวิธีนี้จะมีความบริสุทธิ์สูง และไม่มีการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนข้อเสียคือค่าใช้จ่ายด้านกระแสไฟฟ้าสูง

6. การผลิตไฮโดรเจนชีวภาพ (Biohydrogen Production)

เป็นการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยกระบวนการทางชีวภาพผ่านสิ่งมีชีวิตจำพวกจุลินทรีย์ โดยส่วนมากจะใช้นํ้า ของเสียอินทรีย์ หรือชีวมวลเป็นสารตั้งต้นหลัก โดยอาจต้องใช้เอนไซม์หรือสารประกอบจำพวกโปรตีนช่วยเร่งปฏิกิริยา โดยการผลิตไฮโดนเจนชีวภาพสามารถจำแนกเป็นประเภทที่ใช้แสงและไม่ใช้แสงในการผลิต

      7.การผลิตไฮโดรเจนด้วยการหมัก (Fermentation Hydrogen Production)

เป็นการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้กระบวนการทางชีวเคมี โดยทำให้สารอินทรีย์ย่อยสลายและมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยอาศัยเอนไซม์ที่ผลิตจากจุลินทรีย์ สามารถจำแนกได้หลายแบบ ได้แก่ การหมักแบบไม่ใช้แสงและการหมักแบบใช้แสง การหมักแบบไม่ใช้แสงพบในแบคทีเรียที่ไม่ใช้อากาศ

       8. การสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)

เป็นกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่พบมากในสาหร่าย โดยใช้แสงอาทิตย์มากระตุ้นให้โมเลกุลของนํ้าแตกออกเป็นไฮโดรเจนไอออน ก๊าซออกซิเจน และอิเล็กตรอน โดยข้อจำกัดหลักของการผลิตไฮโดรเจนผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงในการใช้งานเชิงอุตสาหกรรม คือมีค่าใช้จ่ายในการผลิตสูง

      9.การแยกด้วยเมมเบรน (Membrane Separation)

    เป็นกระบวนการแยกก๊าซผสมด้วยเมมเบรนสังเคราะห์ เช่น การแยกก๊าซไฮโดรเจนออกจากก๊าซผสมที่มีก๊าซไนโตรเจนและก๊าซมีเทน การแยกก๊าซไฮโดรเจนจากกระบวนการกลั่นนํ้ามัน และการแยกก๊าซมีเทนออกจากก๊าซชีวภาพ เป็นต้น ปกติการแยกก๊าซด้วยเมมเบรนนิยมใช้เมมเบรนพอลิเมอร์ที่ไม่มีรูพรุน โดยการแยกก๊าซแต่ละชนิดออกจากกันจะอาศัยคุณสมบัติการละลายและความสามารถในการแพร่ที่ต่างกันของก๊าซแต่ละชนิด