ไฮโดรเจนสีเขียว (ตราบเท่าที่ไม่คิดพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊ส) MO Memoir : Wednesday 8 February 2566

ช่วงเวลาที่ผ่านมามีการพูดถึงแก๊สไฮโดรเจน (H₂) ว่าเป็นพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เป็นพลังงานสะอาดแห่งอนาคต เพราะมันไม่ปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่เป็นต้นเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดสภาวะโลกร้อนในปัจจุบัน ถึงขั้นมีการพูดถึงการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแทนน้ำมันสำหรับรถยนต์ หรือใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมเคมี

แต่พอโดนตั้งคำถามถึงแหล่งที่มาของไฮโดรเจนว่ามาได้อย่างไร เพราะที่มาหลักของไฮโดรเจนที่ใช้กันอยู่ในอุตสาหกรรมได้มาจากไฮโดรคาร์บอน และยังต้องใช้อุณหภูมิสูงในการผลิตด้วย อีกส่วนหนึ่งก็ได้มาจากการผลิตโซดาไฟ (Sodium hydroxide NaOH) ที่ใช้ไฟฟ้าที่ได้มาจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิต (ได้แก๊สไฮโดรเจนกับคลอรีน) ก็เลยต้องมีการแบ่งเกรดกันอีกว่าไฮโดรเจนนั้นได้มาด้วยวิธีการใด คือถ้าเป็นแก๊สไฮโดรเจนที่ได้จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่มีการปลดปล่อย CO₂ ก็จะเรียกว่าเป็น "ไฮโดรเจนสีเขียว (Green hydrogen)" เช่นไฮโดรเจนที่ได้จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่ผลิตจากเซลล์แสงอาทิตย์หรือพลังงานลม

แต่การเก็บพลังงานในรูปสารเคมี (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารเคมีที่เป็นแก๊ส เช่นเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแก๊สไฮโดรเจน) เพื่อที่จะนำเอาพลังงานในตัวสารเคมีนั้นไปเปลี่ยนเป็นพลังงานกล (เช่นการนำไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์สันดาปภายใน การนำไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้าจ่ายให้กับมอเตอร์) มันยังมีปัจจัยที่สำคัญมากปัจจัยอื่นอีกให้พิจารณา อันได้แก่พลังงานที่ต้องใช้ในการจัดเก็บและขนส่ง และอัตราส่วนระหว่าง "พลังงานที่ได้" ต่อ "น้ำหนักของระบบกักเก็บพลังงาน + น้ำหนักของหน่วยขับเคลื่อน"

ตัวอย่างของ "น้ำหนักของระบบกักเก็บพลังงาน + น้ำหนักของหน่วยขับเคลื่อน" ได้แก่

ในกรณีของยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในก็คือ ผลรวมของน้ำหนักของ "ถังบรรจุเชื้อเพลิง + เชื้อเพลิงที่บรรจุได้ + เครื่องยนต์" หรือ

ในกรณีของยานยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงก็คือ ผลรวมของน้ำหนักของ "ถังเก็บแก๊ส + แก๊สที่บรรจุอยู่ + เซลล์เชื้อเพลิง + มอเตอร์ไฟฟ้า"

เราสามารถใช้การเพิ่มความดันในการอัดแก๊สให้เป็นของเหลวได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิที่ทำการอัดแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (Critical temperature T_c) ของแก๊สนั้น พวกแก๊สหุงต้ม (โพรเพนและบิวเทน) จะมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง เราจึงสามารถใช้ความดันในการอัดแก๊สนี้ให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง กล่าวคือถ้าเรามีถังแก๊สเปล่าอยู่ใบหนึ่ง แล้วเราค่อย ๆ เติมแก๊สลงในถังใบนี้เรื่อยๆ ความดันในถังก็จะสูงขึ้น แต่พอถึงระดับหนึ่งแก๊สที่เติมเข้าไปจะเริ่มควบแน่นเป็นของเหลว ความดันในถังจะไม่เพิ่มสูงขึ้น และเนื่องจากของเหลวมีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊สมาก ทำให้เราสามารถเก็บแก๊ส (ในรูปของเหลว) ได้มากโดยไม่ต้องใช้ถังที่มีขนาดใหญ่หรือใช้ความดันสูง (ความดันในถังแก๊สหุงต้มที่อุณหภูมิห้องจะอยู่ที่ประมาณ 7 เท่าของความดันบรรยากาศ แต่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสัดส่วนของโพรเพนและบิวเทนด้วย)

แต่ในกรณีของแก๊สแก๊สธรรมชาติ (หรือมีเทน) นั้นแตกต่างกัน คือมันมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ที่อุณหภูมิห้องไม่ว่าเราจะอัดแก๊สด้วยอุณหภูมิเท่าใดก็ตาม มันจะไม่ควบแน่นเป็นของเหลว ดังนั้นถ้าต้องการเก็บแก๊สในปริมาณมาก ก็ต้องใช้ความดันที่สูง (แก๊สธรรมชาติใช้กับรถยนต์ที่บ้านเราเรียก NGV ในขณะที่สากลและในกฎหมายบ้านเราเขาเรียก CNG นั้น จะอัดใส่ถังที่ความดันประมาณ 200 เท่าของความดันบรรยากาศ) ถ้าจะใช้ถังขนาดใหญ่ขึ้นก็จะมีปัญหาเรื่องความหนาของวัสดุที่จะทนความดันได้ (ถังแก๊สเปล่าสำหรับรถยนต์ ถ้าเป็นแก๊สหุงต้มจะหนักประมาณ 20 กิโลกรัม แต่ถ้าเป็นแก๊สธรรมชาติจะหนักประมาณ 80-100 กิโลกรัม)

แก๊สไฮโดรเจนก็เป็นรูปแบบเดียวกับแก๊สมีเทน คือถ้าต้องการนำมาใช้งานต้องเก็บในถังความดันสูง แต่การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในจะวุ่นวายกว่าการใช้ไฮโดรคาร์บอน เนื่องจากลักษณะการจุดระเบิดของไฮโดรเจนนั้นคุมยากกว่าไฮโดรคาร์บอน การจะเอาไฮโดรเจนไปเป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนยานพาหนะจึงมุ่งเน้นไปที่การใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าไปขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าอีกทีหนึ่ง

ทีนี้เราลองมาดูหน่อยว่าถ้าจะอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น ต้องใช้พลังงานเท่าใด โดยสมมุติว่าแก๊สที่จะอัดนั้นเป็นแก๊สอุดมคติ (ดูรูปที่ ๑ ข้างล่างประกอบ)

รูปที่ ๑ การอัดแก๊สในลูกสูบทรงกระบอกพื้นที่หน้าตัด A จากปริมาณ V1 จนเหลือปริมาตร V2

จากนิยาม งาน (W) คือผลคูณระหว่าง แรง (F) กับระยะทางการเคลื่อนที่ (s) หรือ W = F x s

แต่แรงคือผลคูณระหว่าง ความดัน (P) กับพื้นที่หน้าตัด (A) หรือ F = P x A

แทนค่า F ลงไปก็จะได้ว่า W = P x (A x s)

จากรูปที่ ๑ จะเห็นว่าค่า (A x s) คือปริมาตรที่เปลี่ยนไป (∆V) เมื่อแก๊สถูกอัดจากปริมาตร V1 เหลือ V2

ดังนั้นเราจะได้ W = P x ∆V

ในกรณีของการอัดแก๊สให้มีปริมาตรต่อโมลลดลง (คือมีความดันสูงขึ้นนั่นเอง) ∆V จะมีค่าเป็นลบ ดังนั้นในการอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น เพื่อให้ค่างานที่ต้องทำมีค่าเป็นบวก ก็ต้องใส่เครื่องหมาย (-) เข้าไป ในกรณีนี้เราก็จะได้ว่างานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเพิ่มความดันให้กับแก๊สจะมีค่า W = P x (-∆V)

ในกรณีของแก๊สอุดมคตินั้น ผลคูณของค่า PV จะคงที่ กล่าวคือถ้าเราเริ่มจากแก๊สปริมาตร 1 หน่วยที่ความดันบรรยากาศ แล้วเราต้องการอัดแก๊สนั้นให้มีความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศ ปริมาตรแก๊สจะลดเหลือ 1/100 เท่าของปริมาตรเดิม หรือเหลือเพียง 0.01 เท่าของปริมาตรเดิม

ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ แก๊ส 1 โมลจะมีปริมาตรประมาณ 25 ลิตรหรือ 0.025 m³ (ขอปัดตัวเลขให้มันกลม ๆ นะครับ) ถ้าเราต้องการอัดแก๊สตัวนี้ให้มีความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศ ปริมาตรแก๊สก็จะเหลือ 0.025/100 หรือ 0.00025 m³

ดังนั้นปริมาตรที่เปลี่ยนไป (∆V) คือ 0.025 - 0.00025 = -0.02475 m³

ค่าความดัน 100 เท่าของความดันบรรยากาศก็ประมาณ 1 x 10⁷ Pascal

ดังนั้นงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊ส W = (1 x 10⁷) x (0.02475) = 247500 J/mol

แก๊สไฮโดรเจน 1 mol ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน 0.5 mol ได้น้ำ 1 mol จากค่า Enthalpy of formation จะได้ว่าปฏิกิริยานี้คายพลังงานออกมาประมาณ 286000 J

ดังนั้นหักลบพลังงานที่จะได้กับพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สแล้ว จะเหลือเพียง 38500 J/mol หรือประมาณ 13% ของพลังงานที่ควรได้ (นี่ขนาดยังไม่คิดว่าในความเป็นจริงยังมีการสูญเสียพลังงานระหว่างการอัดอีก) และถ้าอัดให้มีความดันมากกว่านี้ (เกินกว่า 115 เท่า) ก็พบว่าพลังงานที่ใช้ในการอัดจะมากกว่าพลังงานที่จะได้จากแก๊สเสียอีก

ในกรณีของแก๊สธรรมชาติ (มีเทน (CH₄) นั้น การเผาไหม้มีเทน 1 mol จะคายพลังงานออกมาประมาณ 890000 J หรือประมาณ 3 เท่าของพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจน จึงทำให้เราสามารถเก็บแก๊สมีเทนได้ที่ความดันที่สูงกว่า (โดยที่ค่าพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สยังไม่สูงเกินค่าพลังงานที่จะได้จากแก๊ส) แต่นั่นก็ต้องแลกมาด้วยน้ำหนักของถังเก็บแก๊สที่เพิ่มมากขึ้น (และปริมาตรของถังเก็บที่กินพื้นที่มากขึ้นด้วย)

ตรงนี้ดูง่าย ๆ ได้จากกรณีรถยนต์นั่งส่วนบุคคล (เช่นขนาดที่เอามาทำรถแท๊กซี่) ที่บรรจุเชื้อเพลิวเต็มถัง ถ้าใช้น้ำมันจะวิ่งได้ไกล (แบบรถไม่ติดนะ) กว่า 600 กิโลเมตร ถ้าใช้แก๊สหุงต้มจะได้ประมาณ 400 กิโลเมตร แต่ถ้าใช้แก๊สธรรมชาติจะเหลือประมาณ 200 กิโลเมตร คือในบ้านเรารถใช้แก๊สหุงต้มหรือแก๊สธรรมชาติเป็นรถที่มีถังน้ำมันแล้วนำมาดัดแปลงติดถังแก๊สไว้ในกระโปรงหลัง ถ้าใช้ถังขนาดใหญ่ก็จะกินพื้นที่เก็บของท้ายรถมากขึ้น และมีน้ำหนักไปตกหลังล้อหลังมากขึ้นตลอดเวลา (คือน้ำหนักถังแก๊ส)

เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมก็มีอยู่นานแล้ว

เทคโนโลยีการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนก็มีอยู่นานแล้ว

ประเด็นสำคัญคือแก๊สไฮโดรเจนที่ผลิตได้นั้นมันผลิตที่ความดันเริ่มต้นเท่าใด ถ้าแก๊สที่ผลิตได้มีความดันต่ำในขณะที่การนำไปใช้งานต้องการความดันสูง ก็จะต้องมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่ต้องใช้ในการอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น (ไม่ว่าจะเป็นการนำไปใช้กับยานพาหนะหรือในอุตสาหกรรม)

และในปัจจุบันเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่สามารถใช้เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ ก็ยังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และในบางภาคส่วน (เช่นยานยาต์) อาจจัดได้ว่าเป็นคู่แข่งสำคัญตัวหนึ่งของเทคโยโลยีไฮโดรเจนก็ได้

ความพยายามหนึ่งที่จะแก้ปัญหาความดันที่ต้องใช้ในการเก็บไฮโดรเจนก็คือการใช้สารดูดซับช่วยในการดูดซับแก๊สไฮโดรเจนเอาไว้ ทำให้สามารถเก็บไฮโดรเจนได้มากขึ้นที่ความดันเดิม แต่วิธีการนี้ก็มีปัญหาคือ ตัวสารดูดซับเองเป็นวัสดุที่มีรูพรุนขนาดเล็ก (เพื่อให้มีพื้นที่ผิวดูดซับมา) และปฏิกิริยาการดูดซับเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน จึงมีปัญหาเรื่องอัตราการคายแก๊สออกมาเมื่อต้องการให้มันคายแก๊สมามาก ๆ เร็ว ๆ (เช่นต้องการเร่งเครื่องแซง) เพราะมันมีเรื่องของความล่าช้าในการที่โมเลกุลแก๊สจะแพร่ออกมาจากรูพรุนได้ และอุณหภูมิที่ต้องใช้อีก มันไม่เหมือนกับถังแก๊สความดันที่ทำเพียงแค่เปิดวาล์วให้กว้างขึ้น

ในปัจจุบันจึงมีการฉีกแนวออกไปเป็นการใช้แอมโมเนีย (Ammonia NH₃) เป็นเชื้อเพลิงแทนไฮโดรเจนเพราะการเผาไหม้แอมโมเนียไม่ทำให้เกิด CO₂ นอกจากนี้เราสามารถอัดแก๊สแอมโมเนียให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องได้เหมือนกับแก๊สหุงต้ม แต่คำถามก็คือแอมโมเนียได้มาจากไหน กระบวนการผลิตหลักในปัจจุบันได้จากการทำปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน (ที่บอกว่าเป็นไฮโดรเจนสีเขียว) กับไนโตรเจนที่อุณหภูมิและความดันสูง ไนโตรเจนนั้นได้จากการกลั่นแยกอากาศ (ที่ต้องใช้พลังงานกับระบบทำความเย็นเพื่อให้อากาศกลายเป็นของเหลว) และต้องมีการใส่พลังงานเพื่อเพิ่มความดันและอุณหภูมิให้กับแก๊สทั้งสองชนิดเพื่อให้มันทำปฏิกิริยา ซึ่งก็นำมาสู่คำถามถัดมาคือแล้วพลังงานที่ต้องใช้ในการเพิ่มความดันและอุณหภูมินั้นได้มาจากไหน ผลิต CO₂ หรือไม่ พลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตกับที่จะได้จากแอมโมเนียอันไหนมากกว่ากัน ประเด็นเหล่านี้กลุ่มที่นำเสนอเรื่องเศรษฐกิจสีเขียวหรือ Green Economy มักจะไม่กล่าวถึง

เรื่องเอาแอมโมเนียมาเป็นเชื้อเพลิงเอาไว้ว่าง ๆ ถ้ามีเวลาก็จะหาโอกาสเขียนสักที วันนี้คงพอแค่นี้ก่อน