การผลิตไฮโดรเจน

การผลิตไฮโดรเจน เป็นกระบวนการสร้างไฮโดรเจนจากสารเคมีอื่น เทคโนโลยีการผลิตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันคือการนำสารไฮโดรคาร์บอนมาทำการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลด้วยไอน้ำ (steam reforming) นอกจากนั้นก็ยังมีวิธีการแยกสลายสารที่อยู่ในสถานะของเหลวด้วยไฟฟ้า (electrolysis) และ การแยกสลายสารด้วยความร้อน (thermolysis)

Steam reforming
พลังงานจากซากดึกดำบรรพ์ เป็นแหล่งผลิตหลักของอุตสาหกรรมไฮโดรเจน จากแก๊สธรรมชาติด้วยประสิทธิภาพ 80% หรือจากสารไฮโดรคาร์บอนอื่นด้วยประสิทธิภาพแตกต่างกันไป ขั้นตอนแรก ไอน้ำ (H2O) ที่อุณหภูมิ 700-1100°C ทำปฏิกิริยาดูดความร้อนกับมีเทน (CH4) จะได้ซินแก๊ส (syngas) ตามสูตร

CH4 + H2O → CO + 3H2

ขั้นตอนที่สอง ปฏิกิริยาคายความร้อนที่เรียกว่า water gas shift reaction จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ ต่ำลงประมาณ 130°C จะได้ไฮโดรเจนเพิ่มชึ้น

CO + H2O → CO2 + H2

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใส่น้ำ (ไอน้ำ) เข้าไป อะตอมของออกซิเจน (O) จะถูกดึงออกจากน้ำ ไปทำปฏิกิริยาออกซิเดชันกับ CO ได้ CO2 เกิดความร้อนทำให้ขบวนการดำเนินต่อไป ความร้อนที่ต้องการขับเคลื่อนขบวนการนี้ทั่วไปแล้วได้มาจากการเผาบางส่วนของมีเทน

การแยกเอา CO2 ออก 
ขบวนการนี้ จะได้ CO2 ออกมาด้วย ถ้าโรงผลิตนี้ ผลิตแต่ไฮโดรเจนอย่างเดียว วิธีกำจัด CO2 โดยไม่ให้มีผลกระทบกับสิ่งแวดล้อม สามารถทำได้โดยการฉีดมันเข้าไปในถังเก็บน้ำมันหรือแก๊ส

วิธีผลิตอื่น ๆ จากซากดึกดำบรรพ์

Partial oxidation เป็นปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อสารผสมระหว่างเชี้อเพลิงบางชนิดและอากาศถูกเผาเป็นบางส่วนในขบวนการ reformer เหมือน steam reformer แล้วได้ไฮโดรเจนออกมาในรูปซินแก๊สเหมือนกัน มีสองแบบคือ thermal partial oxidation (TPOX) กับ catalytic partial oxidation (CPOX) หลักการก็คือ การนำแก๊สธรรมชาติหรือเชื่อเพลิงไฮโดรคาร์บอนหนัก (น้ำมันร้อน) ไปผสมกับออกซิเจนจำนวนจำกัดในขบวนการคายความร้อน น้ำจะถูกเติมลงไปเพื่อให้ได้ทั้งความร้อนสูงและเพื่อการควบคุมเขม่า
TPOX จะขึ้นอยุ่กับส่วนผสมของอากาศกับเชื้อเพลิง อุณหภูมิจะอยู่ที่ 1200°C หรือสูงกว่า
CPOX จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อลดอุณหภูมิลงให้เหลือ 800-900°C

เราจะใช้ TPOX หรือ CPOX ขึ้นอยู่กับสารซัลเฟอร์ในเชื้อเพลิงที่นำมาใช้ CPOX จะถูกใช้เมื่อปริมาณซัลเฟอร์ต่ำกว่า 50 ppm แต่จากการค้นคว้าเร็ว ๆ นี้ CPOX สามารถใช้กับปริมาณซัลเฟอร์ได้ถึง 400 ppm
Plasma reforming ใช้ความร้อนสูงจากการ arc ไปเผาสารไฮโดรคาร์บอน ได้ไฮโดรเจน คารืบอนและน้ำ, วิธีพลาสมาฟอร์มิง
Coal Gasification การทำให้ถ่านหินแปรสภาพเป็นแก๊ส

ผลิตจากน้ำ
ขบวนการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วยไฟฟ้า
แบ่งออกเป็น 3 แบบใหญ่ ๆ ตามชนิดของเซลล์คือ  solid oxide electrolysis cells (SOEC's), polymer electrolyte membrane cells (PEM) and alkaline electrolysis cells (AEC's) SOEC ทำงานที่อุณหภูมิสูง ราว 800°C PEM electrolysis cells ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ซึ่งง่ายที่สุด ส่วน AEC ใช้ KOH (potassium carbonate) ชนิดเข้มข้นเป็น electrolyte และทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 200 °C

ขบวนการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วยไฟฟ้า
น้ำจะแตกตัวได้เองที่อุณหภูมิ 2500 °C ซึ่งการผลิตวิธีนี้ใช้อุณหภูมิสูงเกินกว่าระบบท่อและอุปกรณ์จะรับได้ ต้องใช้ตัวช่วยเพื่อให้อุณหภูมิลดลงมา

ขบวนการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วย photobiological
เป็นการใช้สาหร่ายผลิตไฮโดรเจน ในขบวนการสังเคราะห์แสงของสาหร่าย ถ้าขาดซัลเฟอร์ มันจะผลิตไฮโดรเจนออกมา แทนที่จะเป็นอ๊อกซิเจน อัตราการเปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์ให้เป็นไฮโดรเจนก็จะสูงกว่า 10 เปอร์เซนต์ โดยผลิตได้ถึง 12 cc ต่อ ชม.

ขบวนการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วย photocatalytic
เหมือนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า แต่ใช้ตัว photocatalyst แขวนไว้ในน้ำ แทนที่จะใช้ photovoltaic ซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น

Sulfur-iodine cycle
เป็นขบวนการทางเคมีที่มีประสิทธิภาพในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำได้ดีกว่ามาก ๆ ซัลเฟอร์และไอโอดีนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และไม่ใช่วัสดุสิ้นเปลือง เหมาะกับการผลิตไฮโดรเจนด้วยอุณหภูมิสูงจากเตาปฏิกรนิวเคลียร์หรือระบบผลิตพลังแสงอาทิตย์เข้มข้น concentrating solar power systems (CSP)

Biohydrogen routes
มวลชีวภาพและเชื้อเพลิงขยะ สามารถนำมาผลิตไฮโดรเจนได้ ด้วยวิธีการแปรสภาพเป็นแก๊ส 

การหมัก
การหมักเป็นการเปลี่ยนสารอินทรีย์ให้เป็นแก็สไฮโดรเจนชีวภาพโดยใช้แบคทีเรียที่มีระบบการย่อยหลาย ๆ อย่างทั้งแบบใช้แสงและแบบไม่ใช้แสง เช่นแบคทีเรียแบบใช้แสง ชื่อ Rhodobacter sphaeroides SH2C สามารถเปลี่ยนโมเลกุลของกรดไขมันเล็ก ๆ ให้เป็นไฮโดรเจนได้

Synthetic biology
Biocatalysed electrolysis
นอกเหนือจากการหมักแบบมืด ก็คือ electrohydrogenesis (การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยการใช้จุลินทรีย์) การใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ ทำให้น้ำเสียหรือซากพืชต่าง ๆ สามารถถูกนำมาใช้ผลิตพลังงานได้ Biocatalysed electrolysis ไม่เหมือน biological electrolysis เพราะ biological ทำให้สาหร่ายผลิตไฮโดรเจนได้ทันที แต่ biocatalysed electrolysis จะผลิตไฮโดรเจนได้โดยต้องผ่านเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ก่อน ขบวนการนี้ใช้ได้กับพืชน้ำ เช่น ต้นกก หญ้าหวาน cordgrass ข้าว มะเขือเทศ lupines และสาหร่าย เป็นต้น

ไฮโดรเจนหมุนเวียน
ปัจจุบัน สามารถผลิตไฮโดรเจนได้จากพลังงานหมุนเวียน เช่นใช้แก๊สจากการฝังกลบขยะ หรือใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเพื่อผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกจากน้ำ เป็นต้น
อ้างอิง

หมวดหมู่:ไฮโดรเจน