ไฮโดรเจนสีเขียว (ตราบเท่าที่ไม่คิดพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิต) MO Memoir : Thursday 24 July 2568

ช่วงที่ผ่านมาเห็นมีข่าวความพยายามเดินหน้าการใช้ไฮโดรเจนเป็น "เชื้อเพลิง" โดยอ้างว่าไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด การเผาไฮโดรเจนไม่ปลดปล่อยมลพิษ เพราะได้น้ำเป็นผลิตภัณฑ์ และเมื่อวานก็เห็นมีการเผยแพร่บทความเกี่ยวข้องกับการเดินหน้าสู่สังคม net zero emission ออกมา (ตัดมาบางส่วนที่นำมาแสดงในรูป)

แต่แก๊สไฮโดรเจน (H₂) ไม่ใช่ธาตุที่ปรากฏอย่างอิสระในปริมาณมากในธรรมชาติที่สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้โดยตรง มันจะอยู่ในรูปของสารประกอบที่มีการสร้างพันธะทางเคมีกับธาตุอื่น และการดึงมันออกมาในรูปแก๊สไฮโดรเจน ก็ต้องใส่พลังงานเข้าไป ซึ่งตรงนี้มันมีคำถามสำคัญ ๒ คำถามที่ผู้ที่ผลักดันการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสะอาดมักจะไม่อยากได้ยินหรือกล่าวถึง คำถามดังกล่าวคือ

๑. พลังงานที่ต้องใส่เข้าไปเพื่อผลิตไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง มันเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมไหม และ

๒. พลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนที่ผลิตได้ และพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิต อันไหนมีค่ามากกว่ากัน

จะว่าไป เรื่องเกี่ยวกับการผลิตไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงเนี่ย เคยเขียนไว้ในหลายบทความก่อนหน้านี้ดังนี้

รู้ทันนักวิจัย(๒๒)ไฮโดรเจนจากน้ำและแสงอาทิตย์MO Memoir : Saturday10 August 2562 

รู้ทันนักวิจัย(๒๔)ไฮโดรเจนมาจากไหน MOMemoir : Sunday 28 June 2563

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในMO Memoir : Thursday25 April 2567

ปัญหาการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์MO Memoir : Thursday7 November 2567

สำหรับวันนี้จะมาคุยกันเรื่องไฮโดรเจนสารพัดสีบ้างตามเนื้อหาในบทความ

รูปที่ ๑ เนื้อหาบทความส่วนหนึ่ง

ตัวแรกคือ "ไฮโดรเจนสีน้ำตาล" ที่ผลิตจากถ่านหิน (รูปที่ ๑) กระบวนการนี้เป็นกระบวนการเก่าใช้กันมากในปลายศตวรรษที่ ๑๘ และต้นศตวรรษที่ ๑๙ วัตถุประสงค์ของกระบวนการนี้คือผลิต coal gas ส่งไปตามท่อเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงตามบ้านเรือนต่าง ๆ (ตอนนี้เปลี่ยนมาเป็นส่งแก๊สมีเทนไปทางท่อแทน) coal gas ได้จากการเผาถ่านหิน (ที่มีองค์ประกอบหลักคือคาร์บอน) ให้มีอุณหภูมิสูง (ซึ่งแน่นอนว่าต้องมีการเผาเชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อน) ในบรรยากาศที่มีออกซิเจนจำกัด (ทำให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์ CO) หรือป้อนไอน้ำเข้าไปทำปฏิกิริยา (ทำให้เกิดไฮโดรเจนและ CO) coal gas ที่ได้จะถูกส่งไปตามระบบท่อไปยังบ้านเรือน แต่ด้วยการที่มันมีความเข้มข้น CO ที่สูง แก๊สนี้ถ้ารั่วไหลออกมาในห้องปิดก็จะมีอันตรายมาก นิยายบางเรื่องที่อิงฉากก่อนสงครามโลกครั้งที่สองหรือข่าวการฆ่าตัวตายด้วยการเปิดแก๊สที่เกิดก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ที่มีการพูดถึงการเสียชีวิตเนื่องจากเปิดเตาแก๊สทิ้งไว้ ก็เป็นเพราะ CO ที่อยู่ในแก๊ส (รูปที่ ๒)

รูปที่ ๒ กระทู้ถามในรัฐสภาของอังกฤษเกี่ยวกับการเสียชีวิตและความเข้มข้นของ CO ใน coal gas เมื่อวันที่ ๒๖ มีนาคม ค.ศ. ๑๙๒๙ (ควรต้องตรงกับพ.ศ. ๒๔๗๑ เพราะตอนนั้นไทยขึ้นปีใหม่วันที่ ๑ เมษายน)

ตัวที่สอง "ไฮโดรเจนสีเทา" (รูปที่ ๓) แก๊สไฮโดรเจนตัวนี้ได้จากปฏิกิริยา steam reforming ที่นำแก๊สธรรมชาติ (ซึ่งก็คือตัวมีเทน CH₄) มาทำปฏิกิริยากับไอน้ำโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย และใช้อุณหภูมิที่สูง (ในระดับอุตสาหกรรมจะใช้อุณหภูมิประมาณ 800-900ºC (ซึ่งแน่นอนว่าต้องมีการเผาเชื้อเพลิงเพื่อให้ความร้อน (และผลิต CO₂ ด้วย) เพราะภาพรวมของปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน และใช้ความดันในช่วง 20-30 bar) ปรกติไฮโดรเจนที่ได้จากปฏิกิริยานี้จะถูกนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารเคมีตัวอื่น ไม่มีใครเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิง เพราะพลังงานที่ได้จากการเผาไฮโดรเจนที่ผลิตได้มันต่ำกว่าที่ต้องใช้ในการผลิต

ตัวที่สาม "ไฮโดรเจนสีฟ้า" ที่เขาบอกว่าใช้แก๊สธรรมชาติเช่นเดียวกับตัวที่สอง แต่มีการกักเก็บ CO₂ ที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต (การผลิตความร้อนเพื่อเปลี่ยนมีเทนเป็นไฮโดรเจน) ว่าแต่พลังงานที่ใช้ในการทำงานเพื่อกักเก็บ CO₂ มันผลิต CO₂ ด้วยหรือเปล่า และ CO₂ นั้นถูกกักเก็บในรูปแบบใด กลายเป็นสารที่ปลอดภัยและเสถียร หรือแค่นำไปใส่หลุมฝัง (แบบเดียวกับการจัดการขยะด้วยการนำเอาขยะไปฝังกลบ ซึ่งจะว่าไปมันก็เป็นการเอาไปซ่อนให้พ้นจากสายตา ซึ่งมันก็ดูดีตราบเท่าที่หลุมฝังกลบยังไม่เต็ม)

รูปที่ ๓ ข้อความส่วนต่อเนื่องจากรูปที่ ๑

ตรงนี้ลองคิดตามดูนะครับ ถ้าต้องการนำเอาไฮโดรเจนที่ผลิตได้ไปใช้เป็นเชื้อเพลิง ทำไมจึงไม่นำเอาไฮโดรเจนที่ผลิตได้นั้นมาเผาเป็นเชื้อเพลิงในการเปลี่ยนมีเทนเป็นไฮโดรเจน จะได้ไม่ต้องมี CO₂ ให้ทำการกักเก็บ

ตัวที่สี่ "ไฮโดรเจนสีชมพู" และตัวที่ห้า "ไฮโดรเจนสีเขียว" ทั้งสองตัวนี้มาจากการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า แตกต่างกันตรงที่ตัวสีชมพูใช้ไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ (แน่นอนว่ามีปัญหาเรื่องของเสียกัมมันตภาพรังสี แต่ทำงานได้ต่อเนื่องทั้งวันและผลิตไฟฟ้าได้ในปริมาณมาก) ส่วนตัวสีเขียวนั้นใช้พลังงานหมุนเวียน (แน่นอนว่าในแต่ละวันจะทำงานได้กี่ชั่วโมงก็ขึ้นอยู่กับลมฟ้าอากาศและระยะเวลาในแต่ละวัน)

คำถามสำคัญสำหรับไฮโดรเจนสองตัวสุดท้ายนี้คือ ในเมื่อผลิตไฟฟ้าได้แล้วทำไมต้องเอาไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นไปเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจน ไม่นำไปใช้ประโยชน์เลย เช่นนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อน (แทนการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตไฮโดรเจนสีเทาหรือสีฟ้า หรือนำไปใช้แทนการเผาไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตอื่น), นำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานเพื่อการขับเคลื่อนยานพาหนะ (แทนการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง หรือการใช้เซลล์เชื้อเพลิง และปัจจุบันก็มีรถไฟฟ้าวิ่งกันเกลื่อนแล้ว) และระบบสายส่งไฟฟ้ามันก็มีกระจายไปทั่วอยู่แล้ว ในขณะที่ระบบท่อส่งไฮโดรเจนนั้นยังไม่มี และถ้าขนส่งโดยรถ ก็จะมีคำถามตามมาอีกว่ารถบรรทุกที่ใช้ขนแก๊สนั้นใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงด้วยหรือเปล่า

ตรงนี้เขาก็จะมีข้อแก้ตัวว่าจะเอาช่วงเวลาที่ความต้องการใช้ไฟฟ้านั้นน้อยกว่ากำลังการผลิต ก็จะได้นำเอากำลังการผลิตส่วนเกินมาผลิตไฮโดรเจนเก็บไว้ ในกรณีของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ถ้าให้เอามาชาร์จแบตเก็บไว้ก็ไม่รู้เหมือนกันว่าแบตต้องมีขนาดเท่าใด แต่ถ้าเป็นกรณีของพลังงานหมุนเวียนเช่นลมและแสงอาทิตย์ก็น่าพิจารณาอยู่เหมือนกัน

ในปัจจุบันวิธีการที่บ้านเราใช้กันในการลดปัญหากำลังการผลิตสูงกว่าความต้องการ ในกรณีที่เป็นไฟฟ้าที่ผลิตจากเขื่อนเก็บน้ำก็จะใช้การสูบน้ำย้อนกลับไปเก็บเหนือเขื่อนใหม่ อีกแนวทางคือการคิดค่าไฟตามเวลา โดยช่วงเวลาที่ความต้องการใช้นั้นต่ำกว่ากำลังการผลิต ก็จะตั้งราคาไว้ถูกกว่าช่วงเวลาที่ความต้องการไฟฟ้าสูง เพื่อจูงใจให้กระจายการใช้งานออกไปตลอดทั้งวันไม่ให้แตกต่างกันมาก (เช่นผู้ที่ติดตั้งมิเตอร์สำหรับชาร์จรถที่บ้าน การไฟฟ้าก็จะให้เปลี่ยนมิเตอร์เป็นคิดค่าไฟตามช่วงเวลาการใช้งาน แทนที่จะเป็นแบบที่คิดคงที่ตลอดทั้งวัน)

เก็บตกจากการประชุมวิชาการ ๒๕๖๘ MO Memoir : Sunday 25 May 2568

พูดอย่างไรให้คนอื่นเชื่อโดยไม่คิด ผมสอนไม่เป็นหรอก แต่ฟังอย่างไรไม่ให้ถูกหลอก พอให้คำแนะนำได้ :) :) :)

เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมาได้เข้าร่วมงานประชุมวิชาการแห่งหนึ่ง ก็เลยมีเรื่องมาเล่าสู่กันฟัง อันที่จริงพอเข้าร่วมงานเหล่านี้มา ๓๐ ปี ก็เห็นว่าเรื่องเดิม ๆ มันก็วนกลับมาอีก ก็เลยขอเลือกมาสัก ๓ เรื่องมาเล่าสู่กันฟัง

๑. พลังงานของวัตถุดิบ ควรต้องมีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้ในการแปรรูปวัตถุดิบเป็นเชื้อเพลิง

ในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบเพื่อแยกออกเป็นผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงต่าง ๆ นั้น พลังงานที่ใช้ในการแยกน้ำมันดิบออกเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ นั้นจะน้อยว่าพลังงานที่มีอยู่ในตัวน้ำมันดิบเริ่มต้น กล่าวอีกอย่างก็คือเราสามารถดึงเอาผลิตภัณฑ์น้ำมันที่กลั่นได้เพียงบางส่วนกลับมาเป็นแหล่งพลังงานเพื่อการกลั่น เราก็ยังเหลือผลิตภัณฑ์น้ำมันเพื่อจำหน่ายอยู่เยอะ

ในการผลิตเอทานอลที่ได้จากการหมัก (เข้มข้นเพียงประมาณ 10%) ให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเอทานอลเพื่อใช้กับเครื่องยนต์เบนซินนั้น (เข้มข้น 99.5%) วิธีการหลักคือการกลั่นซึ่งใช้พลังงานมาก ประเด็นที่ควรถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกเอทานอลความเข้มข้นต่ำออกจากน้ำเพื่อผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงนั้น กับพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้ ส่วนไหนมีค่ามากกว่ากัน

ถ้าหากพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่กลั่นได้มีค่ามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการกลั่นแยก เราก็ควรจะได้เห็นโรงงานผลิตเอทานอลนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก โดยจะยังมีเอทานอลเหลือสำหรับขาย แต่ถ้าพลังงานที่ได้จากการนำเอาเอทานอลที่กลั่นได้นั้นมากกว่าพลังงานที่ต้องใช้เป็นเชื้อเพลิงในการกลั่นแยก ในทางเศรษฐศาสตร์มันก็จะไม่มีความคุ้มค่าในการผลิตเอทานอลความเข้มข้นสูงเพื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลว เพราะมันต้องมีการนำเอาเชื้อเพลิงอื่นมาใช้เพิ่มเติมอีก และในทางปฏิบัติที่เรามักเห็นกันก็คือ จะมีการใช้เชื้อเพลิงอื่น (ที่ปลดปล่อย CO₂ เยอะกว่าเอทานอลอีก) มาใช้เป็นแหล่งพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในการกลั่นเอทานอล (ที่เขาบอกว่าเป็นเชื้อเพลิงสะอาด)

รูปที่ ๑ แผนผังอย่างง่ายของการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็น "เชื้อเพลิงสะอาด" ???

เรื่องการผลิตไฮโดรเจนหรือมีเทนจากชีวมวล (biomass) เนี่ยมีการทำกันมานานแล้ว ที่เห็นในบ้านเราก็ราว ๆ ๓๐ ปีแล้ว ตอนนั้นทำเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) แต่เอาเข้าจริงก็ไม่มีใครเคยลองเอาแก๊สที่ได้ไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงเลย เพราะคนที่ทำงานทางด้านตัวเร่งปฏิกิริยา (กลไกการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงก็มีพื้นฐานเดียวกันกับตัวเร่งปฏิกิริยา) ต่างรู้ดีว่าองค์ประกอบของแก๊สที่ได้นั้นมันเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยา มันทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้ในเวลาอันสั้น

การทำให้ชีวมวลสลายตัวกลายเป็นแก๊สจะใช้ความร้อนเป็นหลัก ผลิตภัณฑ์ที่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดชีวมวลและอุณหภูมิที่ใช้ กระบวนการที่ใช้คือ pyrolyis (สลายตัวโดยไม่มีอากาศ) หรือ gasification (สลายตัวโดยมีการป้อนอากาศในปริมาณไม่มากเข้าร่วม โดยอาจมีการใช้แหล่งพลังงานอื่นให้ความร้อนร่วมด้วย) แก๊สที่ได้มีชื่อว่า synthesis gas แต่มักจะเรียกกันสั้น ๆ ว่า syn gas ชีวมวลบางส่วนจะสลายตัวเป็นแก๊สโดยมีส่วนที่เหลือเป็นของแข็ง (ขี้เถ้า (ash), ถ่าน) หรือของเหลวจุดเดือดสูง (tar ที่ได้จากการทำให้แก๊สที่ได้นั้นเย็นตัวลงก่อนนำแก๊สไปใช้งาน) ในช่วงที่เชื้อเพลิงขาดแคลน (เช่นช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๒) ก็มีการใช้กระบวนการ gasification นี้เปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สเชื้อเพลิงเพื่อใช้กับรถยนต์ โดยความร้อนที่ใช้ในการสลายตัวนั้นก็ได้มาจากการเผาชีวมวลบางส่วนนั่นเอง

ทีนี้มาดูการเปลี่ยนชีวมวลเป็นแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นพลังงานสะอาดสำหรับผลิตไฟฟ้ากันบ้าง อาจกล่าวได้ว่าวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าคือการใช้เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งตรงนี้ก่อนหน้านี้สมัยที่คิดจะใช้ไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิงก็มีการอ้างกันว่ามันมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งมันก็สูงกว่าจริงแต่มีข้อแม้ว่าห้ามถามว่าการผลิตไฮโดรเจนเพื่อให้ได้มาเป็นเชื้อเพลิงนั้นมีการสูญเสียพลังงานเท่าใด ไม่งั้นเขาจะเลิกคุยด้วย มาคราวนี้ก็ได้มาเจอทำนองเดียวกันอีก แต่เป็นว่าเป็นการจ่ายไฟฟ้าให้กับโรงไฟฟ้าพลังงานสะอาด

ลองพิจารณาแผนผังอย่างง่ายของการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลด้วยกระบวนการ pyrolysis หรือ gasification เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้าในรูปที่ ๑ (งานนี้เป็นการจำลองกระบวนการบนคอมพิวเตอร์) การทำให้ชีวมวลสลายตัวเป็น syn gas นั้นใช้อุณหภูมิที่สูง (เขาบอกว่าในช่วง 800-1000ºC) จากนั้นก็นำ syn gas นั้นไปเข้ากระบวนการเพื่อเปลี่ยนแก๊สบางส่วนให้กลายเป็นไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น (converter) ทำการแยกไฮโดรเจนออกมา (separation) และทำให้ไฮโดรเจนที่ได้นั้นมีความบริสุทธิ์มากพอที่จะใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ (purification)

การทำให้ชีวมวลสลายตัว, กระบวนการเพิ่มปริมาณไฮโดนเจนให้กับ syn gas, กระบวนการแยก และการทำให้บริสุทธิ์ ต่างก็ต้องใช้พลังงาน คำถามก็คือพลังงานที่ต้องใช้ในกระบวนการเหล่านี้เมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนนั้น ส่วนไหนมากกว่ากัน และพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้ มาจากกระบวนการที่ผลิต CO₂ หรือไม่

และที่สำคัญคือกระบวนการนี้ควรต้องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องตลอด ๒๔ ชั่วโมง ได้อย่างน้อยตลอดทั้งปี โดยไม่ขึ้นกับลมฟ้าอากาศและแสงอาทิตย์

ถ้าพลังงานที่ใช้ในขั้นตอนเหล่านี้มาจากพลังงานที่ไม่ผลิต CO₂ การเอาพลังงานนี้ไปผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรงจะไม่เหมาะสมกว่าหรือ โดยเฉพาะพลังงานที่สามารถสร้างอุณหภูมิสูงจนทำให้ชีวมวลสลายตัวได้ ความร้อนระดับนี้สามารถผลิตไอน้ำความดันสูงเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าได้อย่างสบาย

๒. ใช้เยอะ ๆ ก็ได้ 100% ทุกตัว

งานนี้เป็นการเปรียบเทียบความสามารถในการกรองของเยื่อแผ่น 3 ชนิดที่แตกต่างกัน ผู้นำเสนอบอกว่าแผ่นเยื่อทั้ง 3 ชนิดมีประสิทธิภาพในการกรองที่ดีเยี่ยมเหมือนกัน คือสามารถแยกสารได้ 100% (รูปที่ ๒ ซ้าย) ผมก็บอกเขาไปว่าผลการทดลองนี้ใช้เปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำงานไม่ได้ เพราะใช้ขนาดของแผ่นเยื่อที่ใหญ่เกินไป ทำให้สามารถเห็นประสิทธิภาพการกรองนั้นสูงถึง 100% ทุกตัว แม้ว่าในความเป็นจริงมันจะแตกต่างกันก็ตาม

รูปที่ ๒ ประสิทธิภาพการกรองด้วยเยื่อแผ่นกรอง 3 ชนิด รูปซ้ายเป็นรูปที่มีการนำเสนอ ส่วนรูปขวาควรจะเป็นผลการทดลองที่ได้ถ้าหากมีการลดขนาดเยื่อแผ่นให้ต่ำลง โดยให้ค่าสูงสุดที่กรองได้นั้นต่ำกว่า 100%

เพื่อให้เห็นภาพจะขอสมมุติว่า ถ้าต้องการกรองสารได้ทั้งหมด ถ้าใช้แผ่นเยื่อ A ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.5 m², ถ้าใช้แผ่นเยื่อ B ต้องใช้พื้นที่การกรอง 0.7 m² และถ้าใช้แผ่นเยื่อ C ต้องใช้พื้นที่การกรอง 1.0 m²

แต่ถ้าในการทดลองนั้นนำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดที่มีพื้นที่ผิวการกรอง 1.5 m² มาทำการทดลอง สิ่งที่เราจะเห็นก็คือแผ่นเยื่อทุกชนิดจะสามารถกรองสารได้ 100% เหมือนกัน แต่ถ้าเรานำแผ่นเยื่อแต่ละชนิดมาเพียง 0.4 m² มาทำการทดลอง เราก็จะเห็นผลการทดลองดังรูปที่ ๒ ขวา คือประสิทธิภาพในการกรองของแผ่นเยื่อแต่ละตัวนั้นไม่เท่ากัน

ตัวเลข 100% มันดูดีก็จริง แต่บ่อยครั้งที่มันซ่อนความไม่เหมาะสมอยู่

๓. เก็บตัวอย่างครั้งแรกที่เวลาเท่าใด

เรื่องนี้ก็มาในทำนองเดียวกันกับเรื่องที่ ๒ คือเขาบอกว่าพบว่าเกิดการดูดซับสมบูรณ์ได้ภายในการเก็บตัวอย่างมาวิเคราะห์ตั้งแต่ครั้งแรก (รูปที่ ๓ ซ้าย)

แล้วหลังจากเริ่มการทดลอง เขารอนานเท่าใดจึงเก็บตัวอย่างครั้งแรก จากรูปที่เขานำเสนอคำตอบก็คือ 15 นาที ผมก็บอกเขาไปว่าการทดลองแบบนี้ถ้าใส่สารดูดซับเข้าไปเยอะ ๆ แล้วรอนาน ๆ ก่อนเก็บตัวอย่างครั้งแรก มันก็ได้ตัวเลข 100% เหมือนกันหมด ถ้าต้องการเปรียบเทียบอัตราเร็วในการดูดซับ ก็ควรต้องเก็บตัวอย่างให้เร็วขึ้นกว่านี้อีก (ดังเช่นรูปที่ ๓ ขวา) และควรใช้ปริมาณสารดูดซับให้น้อยกว่านี้ (ไม่ให้สูงถึง 100%) จะได้เปรียบเทียบได้ว่าสารดูดซับแต่ละชนิดเมื่อดูดซับได้จนอิ่มตัวแล้ว ตัวไหนสามารถดูดซับได้มากกว่ากัน โดยดูจากปริมาณสารที่เหลือ

ผลการทดลองที่เขาว่าดี ยิ่งควรต้องได้รับการตรวจสอบว่ามันได้มาด้วยวิธีการที่ถูกต้องและเหมาะสม

รูปที่ ๓ รูปซ้ายคือผลการทดลองที่มีการนำเสนอ แต่ถ้าเริ่มเก็บตัวอย่างแรกให้เร็วขึ้น ก็คงจะได้ผลดังรูปขวา

ปัญหาการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน MO Memoir : Wednesday 1 May 2567

เนื่องจากเราไม่สามารถทำให้ไฮโดรเจน (Hydrogen H₂) กลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องด้วยการใช้ความดันเพียงอย่างเดียว การใช้ไฮโดรเจนกับยานพาหนะจึงต้องใช้การกักเก็บในรูปถังความดันสูง ทำให้เกิดปัญหาเรื่องน้ำหนักและปริมาตรของถังบรรจุที่ต้องใช้เพื่อให้ยานพาหนะนั้นสามารถเดินทางได้เป็นระยะทางที่เหมาะสม และยังมีปัญหาเรื่องการลำเลียงไฮโดรเจนจากแหล่งผลิตไปยังสถานีบริการ แบบเดียวกับที่บ้านเรามีปัญหาในการส่ง CNG ไปยังปั๊มเติมต่าง ๆ (ภาษา "สากลและกฎหมายไทย" เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันที่ใช้กับยานพาหนะว่า CNG ที่ย่อมาจาก Compressed Natural Gas ส่วนยานยนต์ที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงเรียกว่า NGV ที่ย่อมาจาก Natural Gas Vehicle กล่าวคือถ้าต้องการกล่าวถึงแก๊สเติมรถก็ต้องเรียก CNG ถ้าต้องการกล่าวถึงรถที่ใช้ CNG เป็นเชื้อเพลิงก็ต้องเรียก NGV)

พอเห็นว่าการนำเอาไฮโดรเจนไปใช้เป็นเชื้อเพลิงหลักยังห่างไกลจากความเป็นจริงเพราะยังมีอีกหลากหลายปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก (ถึงขนาดเริ่มมีการประกาศปิดปั๊มเติมไฮโดรเจนแล้ว) ก็เริ่มมีการเปลี่ยนเรื่องคุยด้วยการหยิบยกเอาแอมโมเนีย (Ammonia NH₃) ขึ้นมาพูดแทน (ส่วนเรื่องไฮโดรเจนที่คุยโอ้อวดไว้ว่าเป็นพลังงานแห่งอนาคตอันใกล้นี้ก็ลืม ๆ ไปก่อน)

Coal gasification เป็นปฏิกิริยาระหว่างถ่านหินกับไอน้ำที่อุณหภูมิสูง แก๊สผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีคาร์บอนมอนอกไซด์ (Carbon monoxide CO) และไฮโดรเจนเป็นตัวหลัก แก๊สที่ได้จากปฏิกิริยานี้สามารถนำไปเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงเหลวด้วยกระบวนการ Fischer-Tropsch synthesis หรือแยกเอาไฮโดรเจนไปใช้ในปฏิกิริยา Coal liquefaction ซึ่งสองกระบวนการนี้จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นไฮโดรคาร์บอนเหลว หรือจะนำไปสังเคราะห์เป็นเมทานอล (Methanol CH₃OH) หรือจะแยกเอาไฮโดรเจนไปผลิตเป็นแอมโมเนีย

รูปที่ ๑ การใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์นั้นมีมานานแล้ว ตั้งแต่ยุคทศวรรษ ๑๙๓๐ (ก่องสงครามโลกครั้งที่ ๒ อีก) ถ้านับจนถึงปัจจุบันก็เรียกว่าเกือบ ๑๐๐ ปีแล้ว

แอมโมเนียที่ผลิตขึ้นส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้ในการผลิตปุ๋ยเคมี (ปุ๋ยไนโตรเจนพวกยูเรีย) หรือสารประกอบไนเทรต (เช่นแอมโมเนียมไนเทรตและกรดไนตริก) แต่เนื่องจากมันเป็นแก๊สที่ติดไฟได้ แม้ว่าจะจุดติดยากและให้ค่าพลังงานความร้อนต่ำ ก็ยังเคยมีคนพยายามนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน (รูปที่ ๑) เมื่อเกือบ ๑๐๐ ปีที่แล้ว

รูปที่ ๒ คุณสมบัติของแอมโมเนียเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น (จากบทความเรื่อง "Ammonia as zero-carbon fuel for Internal Combustion Enginer: "where are we today?" 15th International Conference on Engines & Vehicles (ICE2021) โดย Prof. Christine Mounaim-Rousselle)

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Enginer - ICE) ที่เราใช้งานกันหลัก ๆ ในชีวิตประจำวันคือเครื่องยนต์แก๊ซโซลีนหรือที่บ้านเราเรียกเครื่องเบนซิน และเครื่องยนต์ดีเซล เครื่องยนต์สองแบบนี้มีรูปแบบการจุดระเบิดเชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน โดยเครื่องยนต์เบนซินจะใช้การผสมอากาศกับเชื้อเพลิงให้กลายเป็นไอผสมเนื้อเดียวกันก่อน จากนั้นจึงค่อยใช้ประกายไฟจากหัวเทียนจุดระเบิดไอผสม ให้เปลวไฟที่เกิดขึ้นวิ่งแผ่กระจายออกไปจากเขี้ยวหัวเทียน (ตำแหน่งจุดระเบิด) ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลนั้นจะใช้การอัดอากาศเพียงอย่างเดียวให้มีปริมาตรเล็กลง ซึ่งจะทำให้อากาศที่ถูกอัดนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น จากนั้นจึงฉีดน้ำมันให้สัมผัสกับอากาศร้อน น้ำมันนั้นก็จะลุกติดไฟได้เองทันที

ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ทั้งสองแบบจึงต้องการเชื้อเพลิงที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน คือเครื่องยนต์เบนซินต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่าอุณหภูมิจุดติดไฟได้ตนเองหรือ auto-ignition temperature ที่สูง เพื่อป้องกันไม่ให้ไอผสมในกระบอกสูบเกิดการจุดระเบิดขึ้นเองก่อนเปลวไฟจะวิ่งไปถึง ในขณะที่เครื่องยนต์ดีเซลต้องการเชื้อเพลิงที่มีค่า auto-ignition temperature ที่ต่ำ เพื่อให้เชื้อเพลิงติดไฟได้ทันทีเมื่อสัมผัสกับอากาศร้อน

แอมโมเนียมึค่าอุณหภูมิ auto-ignition temperature ที่สูงกว่าไฮโดรเจนและมีเทน (รูปที่ ๒) ดังนั้นการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวในเครื่องยนต์ดีเซลจึงไม่ใช่เรื่องง่ายในทางปฏิบัติ ที่ทำได้ง่ายกว่าคือการใช้ในรูปของเชื้อเพลิงผสม คือการใช้ร่วมกับน้ำมันดีเซล โดยให้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดติดไฟก่อนจากนั้นจึงค่อยเผาแอมโมเนียร่วม (การใช้ CNG (มีเทน) เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลก็มีการทำแบบนี้มาก่อน แต่ไม่ค่อยแพร่หลาย ที่ทำกันมากกว่าคือแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเบนซินด้วยการเปลี่ยนฝาสูบและติดตั้งหัวเทียน)

เครื่องยนต์เบนซินที่ใช้หัวเทียนจุดระเบิดดูแล้วน่าจะช่วยแก้ปัญหาเรื่องการเผาแอมโมเนียได้ แต่มันก็มีปัญหาอื่นตามมาอีก ปัญหาแรกคือพลังงานกระตุ้นที่ใช้ในการจุดระเบิดแอมโมเนียมีค่าสูง ในบ้านเราเองมีแอมโมเนียรั่วจากโรงงานผลิตน้ำแข็งหลายครั้งแต่ไม่เคยมีการระเบิด แต่ตรงนี้ก็แก้ได้ง่ายด้วยการออกแบบหัวเทียนที่เหมาะสม แต่มันมีอีก ๓ ปัญหาที่แก้ยากกว่าก็คือการที่มันมีความเร็วเปลวไฟของการเผาไหม้ (flame speed) ต่ำ, มีระยะห่างผนังที่เปลวไฟดับ (quenching distance) ที่กว้าง และเกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในปริมาณมาก

รูปที่ ๓ ตัวอย่างการออกแบบห้องเผาไหม้แอมโมเนีย พึงสังเกตว่าจะวางตำแหน่งจุดระเบิดไว้ตรงกลางห้องเผาไหม้ที่เป็นทรงกลม (รูปจากสิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ 3,455,282)

ในเครื่องยนต์เบนซินที่ใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงนั้น เขี้ยวหัวเทียนที่เป็นตัวจุดระเบิดไอดีจะอยู่ทางด้านบนใกล้กับฝาสูบ การจุดระเบิดจะเกิดขึ้นที่นี่และวิ่งแผ่กระจายออกไป โดยเชื้อเพลิงควรต้องเผาได้ไหม้หมดโดยเร็วเพื่อให้เกิดแก๊สร้อนความดันสูงอย่างรวดเร็วเพื่อผลักดันลูกสูบเคลื่อนที่ลงล่าง เปลวไฟการเผาไหม้ที่เคลื่อนที่ช้าจะทำให้ความดันในกระบอกสูบนั้นเพิ่มขึ้นช้ากว่า ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพที่จะได้

(ในทางทฤษฎี เครื่องยนต์เบนซินทำงานตาม OTTO cycle ซึ่ง ณ จังหวะจุดระเบิดนั้นความดันในห้องเผาไหม้จะต้องเพิ่มขึ้นทันทีโดยไม่มีการเปลี่ยนปริมาตร ยิ่งความดันสุดท้ายที่ได้นั้นสูงเท่าใด ประสิทธิภาพการเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานก็จะมากขึ้น แต่ในความเป็นจริงนั้นลูกสูบไม่ได้อยู่นิ่ง มีการเคลื่อนที่ขึ้นลง ถ้าการเผาไหม้ยังคงเกิดขึ้นในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลง ความดันสูงสุดที่ได้ก็จะลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงตามไปด้วย)

รูปที่ ๓ เป็นตัวอย่างหนึ่งของวิธีการแก้ปัญหาที่มีการจดสิทธิบัตรไว้ กล่าวคือออกแบบห้องเผาไหม้ให้มีลักษณะเป็นทรงกลมโดยวางตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนไว้ที่จุดศูนย์กลาง ทรงกลมนั้นเกิดจากโครงสร้างของฝาสูบที่เว้าขึ้นด้านบน และพื้นผิวด้านบนของลูกสูบที่เว้าลงล่าง ดังนั้นเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ถึงตำแหน่งสูงสุด (ศูนย์ตายบนหรือ top dead centre) ก็จะเกิดห้องเผาไหม้ที่มีรูปร่างทรงกลม ระยะจากเขี้ยวหัวเทียนไปยังผนังในทิศทางต่าง ๆ ก็จะเท่ากันหมด (รัศมีของทรงกลม) ตรงนี้จะแตกต่างจากเครื่องยนน์เบนซินปรกติที่ตำแหน่งเขี้ยวหัวเทียนจะอยู่ใกล้กับด้านบนของผนังฝาสูบ ซึ่งจะทำให้ระยะทางที่เปลวไฟต้องวิ่งจากบนลงล่างนั้นมีค่าเป็นอย่างน้อยสองเท่าของรัศมีทรงกลม แต่ด้วยการที่ไฮโดรคาร์บอนและไฮโดรเจนมีความเร็วในการเผาไหม้ที่สูง มันจึงไม่มีปัญหาเผาเชื้อเพลิงไม่ทันเวลา

รูปที่ ๔ องค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้แอมโมเนีย (บน) เทียบกับมีเทน (ล่าง) แกนนอนคือ mixture equivalent ratio คืออัตราส่วน (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศที่ทำการเผาไหม้จริง) ต่อ (ความเข้มข้นเชื้อเพลิงในส่วนผสมที่ stoichiometric ratio) กล่าวคือถ้ามีค่ามากกว่า 1 คืออากาศไม่เพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ ถ้าถ้าน้อยกว่า 1 คืออากาศเพียงพอสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์และยังมีออกซิเจนเหลือ ถ้าเท่ากับ 1 คืออากาศพอดีสำหรับการเผาไหม้สมบูรณ์ (ไม่มีออกซิเจนเหลือ) ที่เรียกว่า stoichiometric ratio ทิศทางของสเกลนี้มันจะกลับกับ Air/Fuel ratio ที่ทางเครื่องกลใช้กัน

การมี quenching distance ที่กว้างจะทำให้มีไอผสมที่ไม่ถูกเผาไหม้ในปริมาณมากขึ้น (คือส่วนที่อยู่ระหว่างผนังกับตำแหน่งที่เปลวไฟดับ) ตรงนี้จะส่งผลต่อมลภาวะที่จะออกทางท่อไอเสีย รูปที่ ๔ เป็นตัวอย่างองค์ประกอบแก๊สไอเสียที่เกิดจากการเผาแอมโมเนียและมีเทนที่สัดส่วนอากาศต่างกัน โดยการเผาเป็นแบบจุดให้เป็นเปลวไฟลุกไหม้ต่อเนื่องแล้ววัดองค์ประกอบที่ตำแหน่ง 40 มิลลิมเตรทางด้าน downstream ของจุดที่เกิดความร้อนมากที่สุด (รูปแบบการเผาไหม้แตกต่างไปจากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์เบนซิน) พึงสังเกตว่าการเผาแอมโมเนียนั้น ถ้าเผาไหม้ในสภาวะที่มีอากาศมากเกินพอจะเกิดแก๊สไนตริกออกไซด์ (Nitric oxide NO) สูงกว่าการเผามีเทนถึง 10 เท่า และยังเกิดไนโตรเจนไดออกไซด์ (Nitrogen dioxide NO₂) ที่เมื่อละลายน้ำแล้วจะกลายเป็นกรดไนตริก (HNO₃)

แต่ถ้าเผาในสภาวะอากาศน้อยเกินไป นอกจากจะเหลือแอมโมเนียในปริมาณมากแล้ว ยังจะเกิดไนตรัสออกไซด์ (Nitrous oxide N₂O) ขึ้นอีกด้วย

และที่สำคัญคือ N₂O นี้เป็น green house gas ที่แรงกว่า CO₂ 200-300 เท่า (ข้อมูลหลายแหล่งให้ตัวเลขแตกต่างกันอยู่ แต่ก็อยู่ในระดับที่สูงกว่า 200)

กรองไอเสีย (ตัวเร่งปฏิกิริยาสามทางหรือ catalytic converter) ของเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะใช้ไฮโดรคาร์บอนที่หลงเหลือจากการเผาไหม้ และ CO ในการทำลาย NOx ในกรณีของการเผาไหม้แอมโมเนียนั้นแก๊สไอเสียจะไม่มีไฮโดรคาร์บอนและ CO สำหรับกำจัด NOx การกำจัด NOx ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอีกกลุ่มหนึ่งที่เรียก DeNOx catalyst (อ่านว่า "ดีน็อก") โดยจะใช้แอมโมเนียเป็นตัวทำลาย NOx นั่นก็คือถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีออกซิเจนมากเกินพอ ก็ต้องมีการแบ่งแอมโมเนียมาส่วนหนึ่งมาผสมกับไอเสียก่อนผ่านเข้าสู่ระบบกำจัด แต่ถ้าเครื่องยนต์ทำงานในช่วงที่มีแอมโมเนียหลงเหลือจากการเผาไหม้ ก็สามารถใช้แอมโมเนียที่หลงเหลือนั้นเป็นตัวกำจัด NOx ได้ แต่ทั้งนี้ไม่ว่าจะเป็นกรณีไหนก็ต้องไม่ให้มีแอมโมเนียหลงเหลือในแก๊สที่ผ่านการกำจัด NOx เพราะแอมโมเนียก็เป็นแก๊สพิษตัวหนึ่งเช่นกัน

แต่มันก็มีปัญหาตรงที่ ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกำจัด NOx ด้วยแอมโมเนียนั้นจะมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ไม่กว้าง (ส่วนจะอยู่ตรงช่วงไหนก็ขึ้นอยู่กับว่าใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวไหน) ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นสูงเกินไป แอมโมเนียที่ป้อนเข้าไปกำจัด NOx จะกลายเป็น NOx เสียเอง ทำให้แก๊สปล่อยทิ้งมี NOx เพิ่มมากกว่าเดิมอีก แต่ถ้าอุณหภูมิแก๊สนั้นต่ำเกินไป จะมีแอมโมเนียเพิ่มเข้ามาในแก๊สปล่อยทิ้ง สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การควบคุมอุณหภูมินี้ไม่ใช่ปัญหา เพราะต้องออกแบบระบบเพื่อควบคุมช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ตอนติดตั้งแล้ว แต่สำหรับรถยนต์นั้นไม่ใช่ เพราะมันไม่มีที่ให้ติดตั้ง

รูปที่ ๕ ตัวอย่างการคำนวณที่ต้องใช้ในการผลิตแอมโมเนียเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง

สุดท้าย บรรดาเชื้อเพลิงที่บอกว่าเป็น "Green" ทั้งหลาย พอถามว่าแล้วพลังงานที่ใช้ในการผลิตได้มาจากไหน ยังได้มาจากพลังงานจากการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลอยู่หรือไม่ พอเจอคำถามนี้เข้าไปก็มักจะตอบกันว่าใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ผลิต CO₂ รูปที่ ๕ เป็นตัวอย่างแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำที่บอกว่าจะนำมาใช้ในการผลิต "Green ammonia" ซึ่งได้แก่พลังงาน น้ำ, นิวเคลียร์, ลม และแสงอาทิตย์ (ด้านซ้ายสุดของรูป) ซึ่งจะว่าไปพลังงานน้ำก็เอาแน่เอานอนไม่ได้ แถมยังมีข้อจำกัดที่ภูมิประเทศที่เหมาะสมกับการสร้างเขื่อนไม่ได้มีมาก ส่วนพลังงานนิวเคลียร์ก็โดนต่อต้านอยู่แล้ว (โรงงานนิวเคลียร์ที่มีอยู่เดิมพอหมดอายุการใช้งานก็มีการเรียกร้องกันให้ปิดถาวรไปเลย) ทางเลือกที่เหลืออยู่ก็มีเพียงแค่แสงอาทิตย์กับพลังงานลม ที่ต่างก็มีปัญหาเรื่องสถานที่ติดตั้งที่เหมาะสมเช่นกัน

และที่สำคัญคือมักจะอ้างว่าใช้พลังงานเท่านั้นเท่านี้จากแหล่งพลังงานนี้ แต่ไม่ยักเห็นการคำนวณว่าถ้าต้องการพลังงานขนาดดังกล่าวจากลมหรือแสงอาทิตย์ ต้องใช้พื้นที่ในการติดตั้งแค่ไหนสำหรับโรงงานที่ต้อง "เดินเครื่อง ๒๔ ชั่วโมงทุกสภาพลมฟ้าอากาศ" และสถานที่ที่มีความเหมาะสมและพื้นที่ที่มีอยู่นั้น สามารถทำการสร้างโรงไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้ได้หรือไม่ เพราะถ้าต้นทางไม่เกิด ขั้นตอนถัดมามันก็เกิดไม่ได้

ด้วยเหตุนี้บทความเมื่อวันที่ ๑๒ เมษายนที่ผ่านมาถึงได้เกริ่นไว้ว่า

"วงการนี้เขาก็อยู่กันแบบนี้แหละ เขาชอบให้เราฟังอย่างเดียว ไม่อยากให้เราถาม บางคำถามถือว่าเป็นคำถามต้องห้ามด้วยซ้ำ ขืนถามไปเขาก็เลิกคุยด้วย"

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

รู้ทันนักวิจัย (๒๒) ไฮโดรเจนจากน้ำและแสงอาทิตย์ MO Memoir : Saturday 10 August 2562

"สิ่งแรกที่คุณควรมีก็คือภาพกว้างของทางเลือกทั้งหมด แต่ละทางมันมีที่มาที่ไปอย่างไร ข้อดีข้อเสียของแต่ละทางเลือก และพัฒนาการของทางเลือกเหล่านั้น ก่อนที่จะตัดสินใจว่าจะเลือกทำอะไร จากนั้นจึงค่อยไปติดต่อกับอาจารย์ผู้ที่เชี่ยวชาญในสาขานั้น ๆ เพราะถ้าคุณเดินเข้าไปหาอาจารย์ที่ทำวิจัยด้านใดด้านหนึ่งนั้น แน่นอนว่าเขาต้องบอกว่าสิ่งที่เขากำลังทำอยู่นั้นเป็นคำตอบสุดท้าย เขาจะไม่เปิดช่องให้คุณได้เห็นทางเลือกอื่น ที่อาจจะดีกว่าและ/หรือเหมาะสมกว่า"
  

ผมเคยบอกด้วยข้อความทำนองนี้ให้กับลูกศิษย์ที่ทำงานเป็นนักวิจัยให้กับบริษัท เมื่อเขาแวะมานั่งคุยว่าทางบริษัทเขาควรเลือกทำวิจัยในแนวใด

สัก ๓๐ กว่าปีที่แล้ว มีการฮือฮาว่าต่อไปเราจะมีพลังงานจากไฮโดรเจนใช้อย่างเหลือเฟือ เพราะปฏิกิริยา "Cold Fusion" กำลังจะกลายเป็นจริง ตรงนี้ก็ต้องขออธิบายก่อนว่า Cold Fusion นั้นคืออะไร คือพลังงานนิวเคลียร์ในปัจจุบันนั้นเราได้มาจากปฏิกิริยา Fission (การแตกตัว) ของอะตอมยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม ปฏิกิริยานี้มีข้อดีตรงที่ว่าเราทำให้มันเกิดได้ที่อุณหภูมิต่ำ ควบคุมอัตราการเกิดได้ แต่ก็มีข้อเสียตรงที่ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาการแตกตัวนั้นเป็นธาตุกัมมันภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมาก ทำให้เกิดปัญหาในการกำจัด
 

ปฏิกิริยาการหลอมรวมหรือ Fusion ของนิวเคลียสอะตอมธาตุเบา (เช่นไฮโดรเจน) เข้าด้วยกันก็มีการคายพลังงานออกมา แต่ปัญหาของปฏิกิริยานี้ก็คือมันต้องใช้อุณหภูมิที่สูงจึงจะเกิดขึ้นได้ และสิ่งที่ทางทหารทำกันก็คือการใช้ระเบิดนิวเคลียร์ฟิสชั่นเป็นตัวทำให้เกิดความร้อนสูงก่อน แล้วจึงค่อยเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันตามมา แต่การสร้างอุณหภูมิสูงด้วยเทคนิคนี้ไม่สามารถนำมาใช้ในการผลิตพลังงานเพื่อใช้ในชีวิตประจำวันได้ จำเป็นต้องหาวิธีการอื่นที่ปลอดภัยและควบคุมได้ง่ายกว่าแทน
 

ความฝันตอนนั้นคือถ้าสามารถควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้ เราก็จะมีพลังงานสะอาดใช้กันอย่างเหลือเฟือ เพราะผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยานี้มีเกิดธาตุกัมมันตภาพรังสีต่ำกว่านิวเคลียร์ฟิสชันมาก แถมยังเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสีที่เป็นธาตุเบา ที่มีครึ่งชีวิตที่สั้น ถ้าทำได้ก็จะทำให้มีพลังงานไฟฟ้าใช้อย่างเหลือเฟือ สามารถนำไปใช้ในการแยกน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน โดยไฮโดรเจนส่วนหนึ่งที่ผลิตได้จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน และส่วนที่เหลือก็จะนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อการเผาไหม้ทั่วไป หรือนำไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) ทำให้มีงานวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนกันอย่างแพร่หลาย เพื่อเตรียมรองรับไฮโดรเจนที่จะมีให้อย่างเหลือเฟือจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟิวชัน
 

ช่วงปีพ.ศ. ๒๕๓๒ (ปีค.ศ. ๑๙๘๙) นักวิจัยกลุ่มหนึ่งได้ทำการประกาศข่าวที่เป็นที่ฮือฮาไปทั่วโลก คือสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้โดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูง ที่เรียกว่า "Cold Fusion" แต่ปรากฏว่าการทดลองนั้นไม่สามารถทำซ้ำได้ เรื่องมันก็เลยเงียบลงอย่างรวดเร็ว
 

เมื่อไฮโดรเจนจากนิวเคลียร์ฟิวชันไม่เกิด งานวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงก็เริ่มไปแล้ว มันก็เลยทำให้เกิดงานวิจัยแนวใหม่ขึ้นมา นั่นก็คือการผลิตไฮโดรเจนจากสารอินทรีย์ต่าง ๆ เพื่อเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชิ้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิง (บ้านเราก็ทำกันเยอะ) โดยอ้างว่าเซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่นักวิจัยจะไม่ยอมกล่าวถึงความสูญเสียที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตไฮโดรเจนจากสารอินทรีย์ ซึ่งถ้านำมาพิจารณาร่วมแล้ว ก็คงจะเห็นคำตอบชัดเจนว่าระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ต่างใช้สารอินทรีย์เป็นเชื้อเพลิงตั้งต้น เทคนิคไหนมีประสิทธิภาพสูงกว่ากันและใช้งานได้จริงในทางปฏิบัติ ด้วยการมองไปรอบ ๆ ตัวเรา ว่าเราไม่เห็นอะไร
 

ถัดจากสารอินทรีย์ก็เห็นจะเป็นการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ แต่ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจกันนิดนึงว่า ในการแตกโมเลกุลน้ำเพื่อให้กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจนนั้น ไม่ว่าจะใช้กระบวนการใดก็ตาม มันจะต้องใช้พลังงานไม่น้อยกว่าค่า ๆ หนึ่ง ซึ่งก็คือ Enthalpy of formation ของน้ำ ส่วนที่ว่าต้องใช้เกินค่านี้ไปเท่าใดนั้น ก็ขึ้นอยู่กับว่าจากพลังงานตั้งต้นที่ใส่เข้าไปนั้น มีความสูญเสียไปเท่าใด

รูปที่ ๑ แผนผังการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำด้วยการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ผ่านทาง (1) Photocatalyst (2) Solar cell และ (3) ความร้อน

รูปที่ ๑ ข้างบนแสดงแผนผังกระบวนที่เป็นไปได้ในการผลิตไฮโดรเจนด้วยการแตกสลายโมเลกุลน้ำโดยใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ ที่เคยเห็นผ่านตานั้นก็มีอยู่ด้วยกัน ๓ กระบวนการดังนี้
 

กระบวนการแรกเป็นการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แสงเป็นตัวกระตุ้น (ที่เรียกว่า photocatalyst) โดยตัวเร่งปฏิกิริยาจะสัมผัสกับโมเลกุลน้ำ (จะโดยการแช่น้ำหรือการผ่านไอน้ำก็ตามแต่) พลังงานจากแสงอาทิตย์ (ปรกติก็อยู่ในช่วง UV) จะไปกระตุ้นโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาให้มีความว่องไวสูงขึ้น จนสามารถแยกโมเลกุลน้ำออกเพื่อทำให้เกิดแก๊สไฮโดรเจนได้ กระบวนการนี้มักจะพบเห็นได้ในบทความที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา
 

กระบวนการที่สองน่าจะเป็นกระบวนการที่ตรงไปตรงมาที่สุด คือเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงก่อนด้วยการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) จากนั้นจึงค่อยนำกระแสไฟฟ้าที่ได้นั้นไปแยกสลายโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนอีกที พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ในช่วงนี้จะอยู่ในช่วง visible light เป็นหลัก
 

กระบวนการที่สามเป็นการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังงานความร้อนก่อน จากนั้นจึงค่อยนำความร้อนที่ได้นั้นไปผลิตกระแสไฟฟ้า (เส้นทาง 3a ในรูป) แล้วค่อยนำเอากระแสไฟฟ้าไปแยกสลายโมเลกุลน้ำเพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจน หรือนำความร้อนนั้นส่งเข้าสู่กระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า Thermochemical cycle (เส้นทาง 3b ในรูป) เช่น Sulphur-Iodine, Copper-Chlorine

เวลาที่ฟังนักวิจัยที่ทำวิจัยในแต่ละแนวทางนั้นนำเสนอผลงานวิจัยของเขา เราก็มักจะไม่ได้ยินเขาเอ่ยถึงทางเลือกอื่น เขามักจะเอ่ยถึงแต่ว่าสิ่งที่เขาทำอยู่นั้น ดีกว่าของเดิมที่คนอื่นทำอยู่ (ที่ทำแบบเดียวกัน) อย่างไร แต่ถ้าเราจะเป็นคนจ่ายเงินซื้อเทคโนโลยีหรือว่าจ้างให้เขาพัฒนาให้มันสามารถใช้งานได้จริงในทางปฏิบัติในเชิงพาณิชย์ ในแต่ละทางเลือกมันก็มีอยู่ด้วยกันหลายประเด็นให้พิจารณา (ที่นักวิจัยมักจะไม่เอ่ยถึง) ในที่นี้จะขอยกตัวอย่างสัก ๓ ประเด็นไว้ให้นำไปคิดต่อเล่น ๆ ก็คือ ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานรูปอื่น, คุณภาพของน้ำที่ใช้ในกระบวนการ และสารเคมีอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องที่ต้องใช้
 

ประเด็นประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานรูปอื่นนั้น ในส่วนของ photocatalyst และ solar cell จะขึ้นอยู่กับการพัฒนาคุณสมบัติสารกึ่งตัวนำที่ใช้รับพลังงานแสงอาทิตย์ ในขณะที่การเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนนั้นจะขึ้นอยู่กับการออกแบบโครงสร้างพื้นที่รวบรวมแสงและหน่วยรับพลังงานแสง photocatalyst และ solar cell ยังมีข้อดีตรงที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานรูปอื่นได้ที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่การเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานความร้อนก่อนนั้นกระทำที่อุณหภูมิสูงกว่า
 

ประเด็นเรื่องคุณภาพน้ำที่ใช้เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะตรงนี้มักจะไม่มีการกล่าวถึงในงานวิจัย เป็นเรื่องปรกติที่การทำวิจัยนั้นจะใช้น้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงระดับห้องปฏิบัติการเคมี (ซึ่งจะผลิตด้วยวิธีการใดก็ตามแต่ ไม่ว่าจะเป็นการกลั่น, แลกเปลี่ยนไอออน หรือ reverse osmosis) และที่สำคัญก็คือยิ่งจำเป็นต้องใช้น้ำบริสุทธิ์มากเท่าใด ย่อมหมายถึงการต้องใช้พลังงานและค่าใช้จ่ายด้านสารเคมีที่ต้องใช้ในการปรับสภาพน้ำที่เพิ่มมากขึ้น ส่วนนี้เป็นค่าใช้จ่ายที่ซ่อนอยู่ ที่ทำให้เกิดเงื่อนไขขั้นต่ำที่จะทำให้กระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำคุ้มค่าก็คือ พลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนที่ได้จากการสลายโมเลกุลน้ำนั้น ต้อง "สูงกว่า" พลังงานที่ต้องใช้ในการปรับสภาพน้ำและเดินเครื่องระบบโดยรวม ถ้าพิจารณาเฉพาะเรื่องคุณภาพของน้ำแล้ว การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าน่าจะได้เปรียบกว่ากระบวนการอื่นตรงที่ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำบริสุทธิ์ (และอันที่จริงน้ำบริสุทธิ์สูงก็นำไฟฟ้าได้ไม่ดีด้วย) สามารถใช้น้ำที่มีเกลือแร่ละลายปนอยู่ได้
 

ประเด็นสุดท้ายคือเรื่องสารเคมีที่ต้องใช้ในกระบวนการ ประเด็นนี้น่าจะเป็นจุดอ่อนของ Thermochemical cycle ที่อาจมีการใช้สารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ส่งผลถึงการออกแบบระบบหมุนเวียนสารเคมีที่ใช้ในระบบ ที่ต้องทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีที่ไหลหมุนเวียนอยู่ได้ ดังนั้นไม่ต้องแปลกใจถ้าพบว่า งานวิจัยด้านนี้จะมีการเน้นไปที่การสร้างแบบจำลอง (simulation) เพราะมันไม่มีช่องให้ใส่พารามิเตอร์การกัดกร่อนเข้าไปในโปรแกรม ผลการคำนวณจึงมักออกมาในทางทำได้ ส่วนในความเป็นจริงนั้นจะทำได้จริงหรือไม่เป็นอีกเรื่องหนึ่ง
 

แต่ไม่ว่าจะเลือกใช้กระบวนการใดนั้น ทุกกระบวนการก็ยังมีคำถามสำคัญอีกคำถามหนึ่งที่ต้องตอบก็คือ "จะจัดเก็บไฮโดรเจนที่ผลิตได้อย่างไร" เพราะถ้าไม่สามารถกักเก็บได้ ก็จะไม่มีพลังงานใช้งานในช่วงที่ไม่มีแสงอาทิตย์ หรือแหล่งที่ต้องการใช้พลังงานต้องอยู่เคียงข้างกับแหล่งผลิตพลังงาน ไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่ไม่สามารถอัดให้เป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง การเก็บที่อุณหภูมิห้องต้องเก็บในถังความดันสูง ซึ่งแน่นอนว่าต้องใช้พลังงานมากในการอัดให้กลายเป็นแก๊สความดันสูง (และก็อย่าลืมบวกพลังงานตรงนี้เข้าไปในสมการดุลพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตด้วย) อีกแนวทางหนึ่งที่เห็นมีการวิจัยการเก็บโมเลกุลแก๊สก็คือ การใช้ของแข็งรูพรุนสูงทำหน้าที่ดูดซับเอาไว้ แต่ตรงนี้มันก็มีประเด็นตรงที่ว่า อะไรที่มันดูดซับแก๊สได้ดีมันก็มักจะไม่ค่อยยอมคายแก๊สที่ดูดซับเอาไว้ ดังนั้นถ้าไม่สามารถทำให้สารดูดซับนั้นคายแก๊สออกได้เร็วตามที่เราต้องการได้ มันก็จะมีปัญหาเรื่องป้อนเชื้อเพลิงเข้าเครื่องยนต์ไม่ทัน

เมื่อกลางสัปดาห์ที่ผ่านมาผมได้รับข้อความจากผู้ที่ทำงานในบริษัทแห่งหนึ่งถามผมว่าเขาอยากจะศึกษาการทำวิจัยเรื่องหนึ่ง (ที่ไม่ใช่เรื่องนี้) เขาควรจะต้องเข้าไปหาอาจารย์มหาวิทยาลัยท่านไหนดี ซึ่งผมก็ได้ให้เหตุผลกับเขาไปแล้วว่าทำไมจึงขออนุญาตไม่แนะนำแม้จะรู้ว่างานด้านนั้นมีใครทำอยู่ที่ไหนบ้างก็ตาม บทความฉบับนี้เป็นเพียงแค่ตัวอย่างขยายความของคำตอบที่ได้ตอบเขาไป

บางที ตามความคิดเล่น ๆ ของผมนะครับ ในแง่ของการลดภาระโลกร้อน การอยู่เฉย ๆ โดยไม่ทำการทดลองอะไรมันอาจจะดีกว่าการทำวิจัยในสิ่งที่รู้คำตอบอยู่แต่ต้น (จากผลการคำนวณที่อาศัยข้อมูลและผลการทดลองที่มีเผยแพร่หรือเป็นที่รู้จักกันทั่วไป) แล้วว่ามันไม่คุ้มหรือไม่เหมาะสม เพราะการอยู่เฉย ๆ โดยไม่ทำอะไรมันไม่มีการใช้พลังงานให้สิ้นเปลือง แต่การทำวิจัยมันมีทั้งการใช้พลังงานและการผลิตขยะที่ต้องมีการตามกำจัด