วันอาทิตย์ที่ 28 มิถุนายน พ.ศ. 2563

รู้ทันนักวิจัย (๒๔) ไฮโดรเจนมาจากไหน MO Memoir : Sunday 28 June 2563

หลายสิ่งหลายอย่างนะครับที่เขาอ้างว่ามันสะอาด ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อนำไปใช้งาน มันก็ทำให้รู้สึกเช่นนั้นได้ครับ ตราบเท่าที่ไม่ได้ไปดูว่ามันได้มายังไง มันมีทางเลือกอื่นที่ดีกว่าหรือไม่ และหลังจากใช้งานไปแล้ว มันเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจริงอย่างที่เขาอ้างหรือไม่
  
ไฮโดรเจนเป็นสารที่ไม่ได้มีอยู่อย่างอิสระในธรรมชาติ เราจำเป็นต้องผลิตมันขึ้นจากวัตถุดิบที่มีอยู่ในธรรมชาติ ไฮโดรเจนถูกมองว่าเป็นพลังงาน "สะอาด" เนื่องจากการเผาไหม้มันนั้นทำให้เกิด "น้ำ - H2O" เท่านั้น โดยไม่ทำให้เกิด "คาร์บอนไดออกไซด์ - CO2" ที่เป็นแก๊สเรือนกระจก ซึ่งถ้ามองแค่นี้มันก็ถูกอย่างที่เขาอ้าง ตราบเท่าที่ยังไม่ไปดูว่าเราไปได้ไฮโดรเจนมาจากไหน

รูปที่ ๑ เส้นทางการผลิตไฮโดรเจน (๑) คือ Steam reforming ที่เป็นเส้นทางใหญ่ที่สุดของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เส้นทาง (๒) คือกระบวนการผลิตโซดาไฟ ไฮโดรเจนส่วนหนึ่งจากกระบวนการนี้ถูกนำไปผลิต HCl ด้วยการทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนที่เกิดร่วม เส้นทาง (๓) คือกระบวนการทำให้ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง หรือดึงไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวโดยตรง ปฏิกิริยานี้ใช้การเปลี่ยนน้ำมันหนัก (เช่นน้ำมันเตา) ให้เป็นน้ำมันเบา (เช่นเบนซิน ดีเซล) ที่มีความต้องการมากกว่าและมีมูลค่าสูงกว่า และใช้ในการผลิตโอเลฟินส์ที่เป็นสารตั้งต้งของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ส่วนเส้นทางล่างสุด (๔) คือความฝันที่ยังไม่เป็นจริงเสียทีคือจากกระบวนการ Cold fusion
   
สารอินทรีย์ในธรรมชาติที่มีสัดส่วนอะตอม H ในโมเลกุลมากที่สุดคือมีเทน CH4 และบังเอิญว่าเรามีแหล่งแก๊สมีเทนอยู่ตามธรรมชาติในปริมาณมากด้วย แต่ปัญหาก็คือพันธะ C-H ของมีเทนนั้นมีพลังงานพันธะที่สูงเมื่อเทียบกับพันธะ C-H ของคาร์บอนอิ่มตัวด้วยกัน ทำให้การแตกพันธะ C-H ของมีเทนไม่ใช่เรื่องง่าย กระบวนการหลักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีที่ใช้ผลิตไฮโดรเจนจากมีเทนคือปฏิกิริยา steam reforming (รูปที่ ๑ (๑)) โดยนำมีเทนมาทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (ระดับ 1,000ºC) และยังต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยอีก ผลิตภัณฑ์ที่ได้เรียกว่าแก๊สสังเคราะห์ (synthesis gas หรือนิยมเรียกกันย่อ ๆ ว่า syn gas) ที่ประกอบด้วย CO, CO2 และ H2 
   
กระบวนการที่สอง (รูปที่ ๑ (๒)) ที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนอีกแหล่งหนึ่งได้แก่การผลิตโซดาไฟ (NaOH) ที่ได้จากการนำเอาสารละลายเกลือ (NaCl) มาเข้ากระบวนการ electrolysis ที่ใช้กระแสไฟฟ้า ในกระบวนการนี้จะได้แก๊สไฮโดรเจนและคลอรีนเป็นผลพลอยได้ (บางโรงงานอาจเอาไฮโดรเจนและคลอรีนไปผลิตเป็นกรดเกลือ HCl ต่อเลย จะได้ไม่มีปัญหาเรื่องการเก็บแก๊สคลอรีนที่เป็นแก๊สพิษ) พวกอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันหรือปิโตรเคมีจะไม่นิยมใช้กระบวนการนี้ (เพราะไม่รู้ว่าจะเอาสารละลายโซดาไฟกับแก๊สคลอรีนไปทำอะไร ต้องหาตลาดให้มันอีก) เว้นแต่จะเป็นกระบวนการที่มีความจำเป็นต้องใช้แก๊สคลอรีน (เช่นในการผลิตไวนิลคลอไรด์ H2C=CHCl) 
   
กระบวนการที่สามที่เป็นแหล่งที่มาของไฮโดรเจนคือ thermal cracking/catalytic cracking/catalytic dehydrogenation (รูปที่ ๑ (๓)) สำหรับโรงกลั่นน้ำมันกระบวนการ cracking เป็นการทำให้โมเลกุลไฮโดรคาร์บอนขนาดใหญ่แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง แต่สำหรับปิโตรเคมีจะเป็นการผลิตสารประกอบโอเลฟินส์ (พวกที่มีพันธะไม่อิ่มตัว C=C) เพื่อนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารอื่นต่อ ปฏิกิริยา thermal cracking นี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ส่วนจะใช้อุณหภูมิระดับไหนก็ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น ถ้าเป็นพวกไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลใหญ่ก็อาจอยู่ที่ระดับราว ๆ 500ºC ถ้าเป็นอีเทนก็อยู่ที่ระดับราว ๆ 900ºC ถ้าเป็นโรงงานที่อยู่ในกลุ่มอุตสาหกรรมที่มีโรงโอเลฟินส์ตั้งอยู่ด้วย ก็สามารถรับเอาไฮโดรเจนจากโรงงานผลิตโอเลฟินส์มาใช้ (ถ้าเขามีเหลือขายให้) แต่สำหรับโรงงานที่ตั้งอยู่โดดเดี่ยวหรือแยกห่างออกมานั้น (เช่นโรงงานผลิตเหล็กกล้าที่ปรกติก็ไม่ได้ตั้งอยู่ร่วมกับนิคมอุตสาหกรรมปิโตรเคมี) ก็อาจตั้งหน่วย thermal cracking ขึ้นมาเองโดยใช้แก๊สปิโตรเลียมเหลว (LPG) เป็นสารตั้งต้น
  
ทั้งสามกระบวนการหลักที่กล่าวมาข้างต้นจะเห็นว่ามีการใช้ "ความร้อน" และ "กระแสไฟฟ้า" เพื่อให้ได้มาซึ่งแก๊สไฮโดรเจน และในปัจจุบันการให้ได้มาซึ่งความร้อนและกระแสไฟฟเในการผลิตในระดับอุตสาหกรรม ยังพึ่งพาการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นหลักที่เป็นตัวปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ถึงแม้ว่าการผลิตไฟฟ้านั้นอาจจะมีจากแหล่งอื่นที่ไม่ได้มีการปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์อยู่บ้างก็ตาม
  
กระบวนการที่สี่หรือ Cold fusion นั้นเคยเล่าไว้บ้างแล้วใน Memoir ฉบับวันเสาร์ที่ ๑๐ สิงหาคม ๒๕๖๒ เรื่อง "รู้ทันนักวิจัย (๒๒) ไฮโดรเจนจากน้ำและแสงอาทิตย์" คือเมื่อกว่า ๓๐ ปีที่แล้วมีความคาดหวังกันสูงว่าจะสามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เรียกว่า cold fusion ได้ ซึ่งจะทำให้ได้แหล่งพลังงานที่มีการปลดปล่อยกัมมันตรังสีที่ต่ำกว่า nuclear fission ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันมาก และสามารถที่จะนำเอาความร้อนที่ได้นั้นไปผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อทำการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน จากนั้นก็จะแยกเอาดิวทีเรียมออกจากน้ำเพื่อนำมาป้อนเข้าสู่กระบวนการ cold fusion ส่วนไฮโดรเจนที่เป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการแยกน้ำนั้นก็จะกลายมาเป็นเชื้อเพลิงสะอาด
  
บทความเรื่อง cold fusion นี้ (รูปที่ ๒) เป็นที่ฮือฮามากในช่วงเดือนมีนาคม-เมษายน ค.ศ. ๑๙๘๙ (พ.ศ. ๒๕๓๒) เรียกว่าเป็นข่าวใหญ่ในตอนนั้นเลย ทำให้หลายคณะวิจัยพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองดังกล่าว แต่ดูเหมือนจะไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้ ผ่านไปเพียงแค่เดือนเดียวพอเข้าต้นเดือนพฤษภาคมข้อสงสัยเรื่องความถูกต้องของการทำ cold fusion นี้ก็สะสมมากขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงกับมีบทความตีพิมพ์ออกมา (รูปที่ ๓)
  
แต่จะว่าไปแล้วดูเหมือนว่าปัจจุบันก็ยังมีบางกลุ่มวิจัยยังทำวิจัยเรื่องนี้อยู่ เพียงแต่มันแทบจะไม่มีข่าวให้เห็น คงเกรงว่าจะเกิดเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ซ้ำรอย
  
 รูปที่ ๒ บทความที่เป็นต้นเรื่อง cold fusion ที่ทำให้เกิดข่าวดังไปทั่วโลกเมื่อ ๓๐ ปีที่แล้ว ก่อนที่จะพบต่อมาว่าเป็นการทดลองที่ยังไม่มีใครสามารถทำซ้ำได้

ช่วงเวลาเดียวกันนั้น ในขณะที่มีความเชื่อว่าจะมีไฮโดรเจนราคาถูกในเวลาไม่นาน งานวิจัยในอีกสาขาหนึ่งก็มีการทำกันอย่างแพร่หลาย นั่นก็คือ "เซลล์เชื้อเพลิงหรือ Fuel cell" มีทั้งการศึกษาทั้งภาคปฏิบัติและภาคทฤษฎีกันอย่างแพร่หลาย ก่อนที่จะมีการแตกแนวทางออกไปเป็นการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล (biomass, การผลิตไฮโดรเจนจาก "ไฮโดรคาร์บอน" แล้วป้อนให้เซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง รวมทั้งการใช้สารอินทรีย์โมเลกุลเล็กเป็นเชื้อเพลิงของเซลล์เชื้อเพลิง
  
การเปลี่ยนชีวมวล (ซึ่งรวมเชื้อเพลิงฟอสซิลด้วย) เป็นพลังงานความร้อน แล้วจึงนำเอาพลังงานความร้อนนั้นไปเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือขับเคลื่อนยานพาหนะ เมื่อเทียบกับการใช้ทำให้ชีวมวลสลายตัวเพื่อนำเอาเฉพาะไฮโดรเจนมาเป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงนั้น กระบวนการใดมีความคุ้มค่าไม่ว่าจะเป็นในแง่ของเศรษฐศาสตร์หรือสิ่งแวดล้อมนั้น ก็คงตอบได้ไม่ยากด้วยการมองรอบตัวเราว่าในขณะนี้ในชีวิตประจำวันเราใช้วิธีการใดอยู่
  
รูปที่ ๓ บทความหนึ่งที่กล่าวถึงความพยายามที่จะทำซ้ำผลการทดลอง บทความต้นฉบับนั้นยาวกว่านี้ ผมตัดข้อความมาบางส่วนเฉพาะตรงเนื้อหาส่วนที่เกี่ยวกับความพยายามที่จะทำซ้ำการทดลองด้วยคณะวิจัยอื่น แต่ไม่ประสบความสำเร็จ หรือพบว่าสิ่งที่มีการกล่าวอ้างนั้นเป็นผลจาก error ในการทำการทดลอง
  
ชีวมวลประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนเป็นหลัก การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลจำเป็นต้องทิ้งคาร์บอนออกไปในรูปของ CO2 ดังนั้นการเอาไฮโดรเจนที่ได้จากชีวมวลไปใช้เป็นเชื้อเพลิง "สะอาด" มันก็อ้างได้ถ้าหากจำกัดการมองเพียงแค่ว่าตอนใช้งานไฮโดรเจน โดยห้ามมองย้อนกลับไปว่าไฮโดรเจนนั้นได้มาอย่างไร
  
ในทำนองเดียวกันความพยายามที่จะเปลี่ยน CO2 กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้นด้วยการอ้างว่าเป็นการลดภาวะโลกร้อนด้วยการนำเอา CO2 มาใช้ประโยชน์นั้น มันก็อ้างได้ตราบเท่าที่ไม่หันไปมองว่าได้ไฮโดรเจนนั้นมาอย่างไร (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO2 หรือไม่) และพลังงานจำนวนมากที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อเปลี่ยน CO2 นั้นให้กลายเป็นสารอินทรีย์ได้มาจากไหน (ได้จากกระบวนการที่ปลดปล่อย CO2 หรือไม่)
  
ความพยายามที่จะเปลี่ยน CO2 กลับไปเป็นสารอินทรีย์ที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนในโมเลกุลสูงขึ้น (โดยเฉพาะพวกที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว) ด้วยการใช้ไฮโดรเจนที่แยกออกมาจากน้ำนั้นมีอยู่ แต่วัตถุประสงค์หลักนั้นไม่ใช่เพื่อการลดภาวะโลกร้อน แต่เป็นการผลิตเชื้อเพลิงเหลวให้กับอากาศยาน ลองนึกภาพกองเรือที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่มีอากาศยานประจำอยู่ที่ท่องเที่ยวไปในท้องทะเล สิ่งหนึ่งที่เป็นขีดจำกัดของกองเรือนี้คือเชื้อเพลิงอากาศยาน ไฮโดรเจนนั้นสามารถใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเรือเป็นตัวผลิต ส่วน CO2 นั้นก็อาจได้จากอากาศหรือน้ำทะเล ดังนั้นถ้าสามารถทำได้ กองเรือนี้ก็จะไม่ต้องกังวลเรื่องการส่งกำลังบำรุง โดยเฉพาะเชื้อเพลิงอากาศยาน

เวลาที่ผมอ่านโครงการที่มีคนขอให้ช่วยพิจารณา เนื้อหาส่วนบทนำหรือที่มาของปัญหานั้นเป็นส่วนหนึ่งที่ผมให้ความสำคัญมากเพราะเป็นส่วนที่แสดงให้เห็นว่าผู้ที่ทำวิจัยเรื่องนั้นมองเห็นภาพรวมของงานทั้งหมดหรือเปล่ามาอันที่จริงมันมีที่มาที่ไปอย่างไร หรือสักแต่ว่าเห็นบทความโน้นบทความนี้เขาว่าอะไร ก็ว่าตามนั้นไปโดยที่ไม่ได้พิจารณาถึงความสมเหตุสมผลของข้ออ้าง

ไม่มีความคิดเห็น: