ไฮโดรเจนสารพัดสี MO Memoir : Wednesday 14 October 2569

วันนี้ facebook มีการแชร์รูปข้างล่างมาให้ดู เป็นเรื่องของการใช้สีแบ่งที่มาของไฮโดรเจน ลองดูเองก่อนนะครับ

 

เรื่องเศรษฐกิจสีเขียวกับพลังงานสะอาดหรือพลังงานสีเขียวเนี่ย ก็ได้เขียนลง blog เอาไว้หลายครั้งแล้วเช่น

"Steam reforming กับ Dry reforming (วันพฤหัสบดีที่ ๑๙ พฤศจิกายน ๒๕๕๘)"
"ฝึกงานภาคฤดูฝน ๒๕๖๔ (๑) กรีนดีเซล (Green Diesel) (วันศุกร์ที่ ๔ มิถุนายน ๒๕๖๔)"
"ฝึกงานภาคฤดูฝน ๒๕๖๔ (๒) เศรษฐกิจสีเขียว (Green Economy) (วันจันทร์ที่ ๗ มิถุนายน ๒๕๖๔)"
"ฝึกงานภาคฤดูฝน ๒๕๖๔ (๓) เชื้อเพลิงสีเขียว (Green Fuel) (วันจันทร์ที่ ๑๕ มิถุนายน ๒๕๖๔)"

ในวงการนี้มันมีบางเรื่อง บางคำถาม ที่ห้ามนำมาพูดคุย ใครเผลอเอาประเด็นเหล่านี้ขึ้นมาเมื่อใด มีหวังได้วงแตกหรือไม่ก็ถูกเชิญออกนอกวงได้ แต่บังเอิญผมไม่ได้อยู่ในวงการนั้น ก็เลยจะขอยกเรื่องเหล่านั้นมาเป็นหัวข้อสนทนา

เริ่มจาก Grey Hydrogen หรือไฮโดรเจนสีเทาก่อนที่เขาบอกว่าผลิตมาจากปฏิกิริยา Steam Reforming

ปฏิกิริยา Steam reforming เป็นปฏิกิริยาที่มีการใช้กันมานานแล้วเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากมีเทน (CH₄) ในปฏิกิริยานี้จะนำมีเทนทำปฏิกิริยากับไอน้ำโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาไปอยู่ที่ระดับ 1000ºC ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีทั้งแก๊สไฮโดรเจน, คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO), และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่เรียกรวมว่า synthesis gas หรือเรียกย่อว่า syn gas หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่าแก๊สสังเคราะห์

หลัก ๆ ของไฮโดรเจนที่ได้จะถูกนำไปใช้ในการผลิตแอมโมเนีย (NH₃) โดยแก๊สส่วนที่เหลือจะถูกนำไปผลิตเมทานอล (CH₃OH)

ไม่มีใครเขาเอากระบวนการนี้ไปผลิตไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นพลังงานสะอาดนะครับ เพราะอะไรหรือครับ ข้อความข้างบนก็บอกเอาไว้แล้ว

จริงอยู่แม้ว่าปฏิกิริยาจะเริ่มเกิดได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1000ºC แต่ในการออกแบบกระบวนการนั้นถ้าสามารถทำให้สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาจนหมดได้จะเป็นการดีที่สุด เพราะจะได้ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการแยกเอาสารตั้งต้นที่ยังไม่ทำปฏิกิริยากลับมาใช้งานใหม่ (แน่นอนว่าขั้นตอนนี้ก็มีการใช้พลังงาน) และด้วยการที่ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ดังนั้นเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดี (ผลักสมดุลเคมีไปข้างหน้าด้วยเพราะปฏิกิริยานี้ผันกลับได้) จึงจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูงในการทำปฏิกิริยา

ดังนั้นคำถามแรกที่โผล่มาก็คือ "เอาพลังงานที่ใช้มาใช้ให้ความร้อน และแหล่งที่มาของพลังงานนั้นผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่"

คำถามที่สองที่ตามมาก็คือ "ปฏิกิริยานี้มีผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สหลายตัวผสมกันอยู่ การแยกเอาไฮโดรเจนออกเพื่อไปใช้เป็นเชื้อเพลิงจำเป็นต้องมีกระบวนการแยก ซึ่งแน่นอนว่าต้องใช้พลังงาน และแหล่งที่มาของพลังงานนั้นผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่"

คำถามที่สามที่ตามมาก็คือ "ปฏิกิริยานี้มีจำนวนโมลเพิ่มขึ้น ดังนั้นเพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าได้ดีจึงควรทำปฏิกิริยาที่ความดันต่ำ แต่ในการเก็บ, ลำเลียง และจัดส่ง จำเป็นต้องอัดแก๊สไฮโดรเจนให้มีความดันสูง ซึ่งแน่นอนว่าต้องใช้พลังงาน และแหล่งที่มาของพลังงานนั้นผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่"

คำถามที่สี่ที่ตามมาก็คือ "ถ้าต้องการเฉพาะไฮโดรเจน แล้วจะทำอย่างไรกับ CO และ CO₂" และการจัดการกับแก๊สเหล่านี้แน่นอนว่าต้องใช้พลังงาน และแหล่งที่มาของพลังงานนั้นผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่"

ถ้าตอบว่าใช้พลังงานหมุนเวียน พลังงานสะอาด ก็ต้องตอบคำถามด้วยว่าต้องใช้พื้นที่ในการผลิตและเก็บสำรองพลังงานเท่าใด เพื่อให้โรงงานสามารถเดินเครื่องได้ต่อเนื่องโดยไม่หยุดพักเป็นเวลาอย่างน้อยก็ ๓๐๐ วัน โดยไม่สนว่าสภาพอากาศจะเป็นอย่างไร

ตัวที่สองคือไฮโดรเจนสีน้ำเงินหรือ Blue hydrogen ซึ่งเขาก็บอกว่ามันก็คือการเอากระบวนการไฮโดรเจนสีเทามาติดตั้งอุปกรณ์ดักจับ CO₂ เข้าไป

คำถามที่ตามมาก็คือ "การดักจับ CO₂ นี้ใช้พลังงานหรือไม่ ถ้าต้องใช้พลังงาน พลังงานนั้นมาจากไหน และที่มาของพลังงานนั้นทำให้เกิด CO₂ ด้วยหรือไม่"

และถ้าคำตอบของคำถามข้างบนคือใช้พลังงานหมุนเวียน พลังงานสะอาด ก็จะมีคำถามตามมาก็คือ "แล้วทำไมไม่เอาพลังงานสะอาดนั้นไปใช้ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจน จะได้ลดปริมาณ CO₂ ที่เกิดจากการผลิตตั้งแต่ต้นทาง"

นอกจากนี้ยังมีอีกคำถามหนึ่งก็คือ "แล้วจัดการกับ CO ที่เกิดขึ้นอย่างไร เพราะมันเป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดร่วมกับปฏิกิริยา Steam reforming"

ตรงปฏิกิริยา reforming นี้ ก็อาจมีการตอบเลี่ยงไปว่าจะใช้ปฏิกิริยา Dry reforming ในการผลิตไฮโดรเจน คือใช้มีเทนทำปฏิกิริยากับ CO₂ แทนการใช้ H₂O ซึ่งเรื่องนี้ก็เห็นมีการทำวิจัยมาหลายสิบปี มีการตีพิมพ์บทความกันมาเยอะแล้ว

ว่าแต่มีการสร้างโรงงานผลิตจริงในระดับอุตสาหกรรมกันแล้วหรือยัง :) :) :)

ประเด็นนี้เคยเขียนไว้ในบทความเรื่อง "Steam reforming กับ Dry reforming MO Memoir (วันพฤหัสบดีที่ ๑๙ พฤศจิกายน ๒๕๕๘)"

ตัวที่สามคือไฮโดรเจนสีเขียวหรือ Green hydrogen ซึ่งเขาบอกว่าใช้พลังงานหมุนเวียนในการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ โดยใช้พลังงานหมุนเวียนผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อไปแยกน้ำออกเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน

คำถามแรกที่ควรต้องถามเลยก็คือ พลังงานหมุนเวียนนั้นคือพลังงานอะไร มีให้ใช้ตลอดทั้งวันและคืนหรือไม่ ถ้าไม่มีให้ใช้ตลอด ๒๔ ชั่วโมง จะกักเก็บพลังงานนั้นอย่างไร และใช้พื้นที่มากน้อยเท่าใดในการดักจับพลังงานหมุนเวียนนั้น กล่าวคือถ้าบอกว่าใช้แสงแดด ก็ต้องตอบให้ได้ว่าต้องใช้พื้นที่เท่าใดในการติดตั้งแผงโซล่าเซลล์ พื้นที่ขนาดดังกล่าวสามารถหาได้ในทางปฏิบัติหรือไม่ (แน่นอนว่าต้องเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่มาก) และจะส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างไร และจะเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้อย่างไรสำหรับใช้ในเวลาที่ไม่มีแดด ซึ่งบางทีอาจกินเวลาติดต่อกันหลายวัน

และถ้าบอกว่าใช้พลังงานลม ก็ต้องตอบคำถามเช่นเดียวกับย่อหน้าข้างบน และต้องไม่ลืมว่าสภาพอากาศบ้านเราบางทีลมก็สงบเป็นเวลาติดต่อกันหลายวัน ที่เห็นได้ชัดก็คือช่วงที่มีฝุ่น pm 2.5 ปกคลุมเมือง

ประเด็นเรื่องพื้นที่ที่ต้องใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์นี้ เคยคำนวณเล่น ๆ ไว้ในบทความเรื่อง "รู้ทันนักวิจัย (๒๘) ผลิตปูนซิเมนต์ด้วยไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (วันศุกร์ที่ ๑๒ เมษายน ๒๕๖๗)"

คำถามถัดมาคือแล้วจะทำอย่างไรกับแก๊สออกซิเจน ถ้าตอบว่าก็ปล่อยทิ้งไป เพราะมันมีอยู่ในอากาศอยู่แล้ว ประเด็นนี้ถ้ามองในแง่ของการผลิตสารเคมีก็เหมือนกับเราผลิตสารเคมีได้พร้อมกัน 2 ตัว แต่เลือกที่จะขายเพียงแค่ตัวเดียว อีกตัวหนึ่ง (ซึ่งก็มีตลาดเหมือนกัน) กลับเลือกที่จะปล่อยทิ้ง กระบวนการผลิตที่ผลิตสารที่ต้องการได้ออกมาพร้อมกับสารอื่นอีกหนึ่งตัว ถ้าความต้องการในท้องตลาดของแต่ละตัวนั้นแตกต่างกันมาก มันก็ส่งปัญหาในเรื่องการจัดการได้ (คือผลิตได้สิ่งที่เป็นสินค้าออกมา แต่ความต้องการมันไม่สูง ทำให้ต้องทิ้งไป มันดูไม่ค่อยดีในทางเศรษฐศาสตร์)

ตัวที่สี่คือไฮโดรเจนสีน้ำตาลหรือ Brown hydrogen และตัวที่ห้าคือไฮโดรเจนสีดำหรือ Black hydrogen ซึ่งทั้งคู่เป็นไฮโดรเจนที่ผลิตจาก "ถ่านหิน" ในรูปนั้นเขาบอกว่าสีน้ำตาลปล่อย CO₂ น้อยกว่าสีดำ

ที่ต้องเน้นตรงคำว่า "ถ่านหิน" ก็เพราะว่า ถ้าเราต้องการไฮโดรเจน เราก็ควรเลือกใช้วัตถุดิบที่มีปริมาณไฮโดรเจนสูงมาเป็นสารตั้งต้น แต่ถ่านหินมีปริมาณไฮโดรเจนต่ำมา ดังนั้นจะว่าไปมันไม่มีใครเขาเอาถ่านหินมาใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตไฮโดรเจน แต่เขาเอาถ่านหินไปผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ตัวอื่น แล้วมันได้แก๊สที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ ร่วมกับแก๊สชนิดอื่นอีกสารพัดอย่าง จนเขาไม่คิดจะแยกออกมาเป็นตัวเดี่ยว ๆ

กระบวนการที่ทำให้เกิดแก๊สจากถ่านหินเห็นจะมีอยู่ ๒ กระบวนการหลัก กระบวนการแรกคือการผลิตถ่าน Coke (ถ่านที่มีสัดส่วนคาร์บอนสูง) เพื่อนำไปใช้ในการถลุงเหล็ก ในกระบวนการนี้จะเอาถ่านหินมาเผาในที่อากาศจำกัดที่อุณหภูมิสูงระดับราว ๆ 1000ºC ซึ่งองค์ประกอบในถ่านหินบางส่วนจะมีการสลายตัวกลายเป็นแก๊สที่เรียกว่า Coke oven gas ที่มักจะเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยไม่มีการแยกเอาองค์ประกอบต่าง ๆ ออกจากกัน

กระบวนการที่สองคือ Coal gasification ในกระบวนการนี้จะเผาถ่านหินในที่อากาศจำกัดที่ระดับอุณหภูมิที่สูงกว่าการผลิตถ่าน Coke และยังมีการใช้ไอน้ำเข้าไปทำปฏิกิริยา วัตถุประสงค์ของกระบวนการนี้ก็คือการผลิต Coal gas ที่เป็นแก๊สเชื้อเพลิงสามารถส่งไปตามท่อไปขายยังบ้านเรือนต่าง ๆ ได้ (แบบน้ำประปา) องค์ประกอบหลักตัวหนึ่งในแก๊สนี้ก็คือ CO ดังนั้นถ้าอ่านนิยายหรือเรื่องเก่า ๆ ยุคสมัยก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ที่มีการฆ่าตัวตายด้วยแก๊สในห้อง ก็คือ Coal gas ตัวนี้ คือปิดห้องให้สนิทแล้วเปิดแก๊สทิ้ง คนที่อยู่ในห้องก็จะได้รับพิษจาก CO แต่ปัจจุบัน Coal gas ก็ถูกแทนที่ด้วยแก๊สมีเทนแล้ว

ตัวที่หกคือไฮโดรเจนสีฟ้าอมเขียวหรือ Turquoise hydrogen ที่ได้จากปฏิกิริยา Methane pyrolysis หรือทำให้โมเลกุลมีเทน CH₄ แตกออกเป็นธาตุไฮโดรเจน (ที่เป็นแก๊ส) และคาร์บอน (ที่เป็นของแข็ง)

พันธะ C-H ของมีเทนนี่แข็งแรงมาก การจะทำให้มันแตกออกต้องใช้พลังงานที่สูง ก็เรียกว่าสูงขนาดการใช้ประโยชน์จากมีเทนในการผลิตสารตัวอื่นนอกจากไฮโดรเจนแล้วมีน้อยมาก เพราะพลังงานที่สามารถทำให้พันธะ C-H ของมีเทนแตกออกได้นั้นสามารถทำลายโมเลกุลสารที่ต้องการผลิตได้ จะมียกเว้นบ้างก็เห็นแต่กระบวนการผลิต acetylene

ซึ่งประเด็นนี้ก็นำกลับมาที่คำถามเดิมก็คือ "แหล่งที่มาของพลังงานนั้นมาจากไหน และแหล่งที่มาของพลังงานนั้นผลิต CO₂ ด้วยหรือไม่"

ตัวที่เจ็ดคือไฮโดรเจนสีชมพูหรือ Pink hydrogen และตัวที่แปดคือไฮโดรเจนสีเหลืองหรือ Yellow hydrogen ซึ่งใช้ไฟฟ้าในการแยกน้ำ โดยตัวสีชมพูใช้ไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ส่วนตัวสีเหลืองใช้ไฟฟ้าจากเครือข่ายไฟฟ้าที่มีอยู่ ดังนั้นตัวสีเหลืองนี้มันจะปล่อย CO₂ มากน้อยเท่าใดก็ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ใช้ในการผลิตไฟฟ้า

ว่าแต่จะผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีนี้ไปทำไม ถ้าต้องการไฮโดรเจนไปทำปฏิกิริยาก็แล้วไป แต่ถ้าต้องการใช้เป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อนก็ออกจากแปลก ๆ หน่อย เพราะพลังงานไฟฟ้าเองก็สามารถให้ความร้อนได้ และยังสามารถกักเก็บพลังงานในแบตเตอรี่เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าต่าง ๆ แทนการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในได้ด้วย

ตัวสุดท้ายคือไฮโดรเจนสีขาวหรือ White hydrogen ซึ่งก็เป็นตัวใหม่ แต่ในธรรมชาตินั้นมีมากน้อยแค่ไหน และมีกี่ที่ที่มีความคุ้มค่าที่จะนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ก็ต้องคอยดูกันต่อไป

การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงนั้นตามความรู้ที่มีนั้นเห็นมีอยู่เพียงแค่เรื่องเดียว คือการใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับจรวดที่ใช้ในการส่งดาวเทียมและยานอวกาศต่าง ๆ ยุคสมัยหนึ่งก็เคยมีความคิดที่จะนำมาใช้กับรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) ซึ่งต่อมาก็เงียบหายไปเลย (ปัญหาหลักตัวหนึ่งคือการกักเก็บไฮโดรเจน) ส่วนการนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้น ก็มีการทำบ้าง แต่จะเรียกว่าเพื่อการโฆษณาหรือเอาหน้าก็น่าจะได้ เพราะมันมีปัญหาอะไรตจ่อมิอะไรหลายหลาย ซึ่งก็เคยเล่าไว้ใน แต่บทความสองเรื่องข้างล่าง

"ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (วันพฤหัสบดีที่ ๒๕ เมษายน ๒๕๖๗)"

"ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ (วันพฤหัสบดีที่ ๗ พฤศจิกายน ๒๕๖๗)".

สำหรับวันนี้ก็ขอ เอวัง ด้วยประการฉะนี้