เศรษฐกิจไฮโดรเจน

เศรษฐกิจไฮโดรเจน เป็นระบบที่ถูกนำเสนอเพื่อนำไฮโดรเจนมาใช้เป็นพลังงานแทนพลังงานจากฟอสซิล มีผู้สนับสนุนในเรื่องนี้เป็นจำนวนมาก ในการใช้เป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อนยานพาหนะ เป็นพลังงานในอาคารและอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์ต่าง ๆ แต่ไฮโดรเจนอิสระไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ต้องสกัดออกมาจากสารอื่น มีวิธีสกัดหลายวิธี ดังนั้น ความเป็นไปได้ในการนำมาใช้ ขึ้นอยู่กับกรรมวิธีในการผลิตว่ามีแหล่งผลิตจากที่ใด ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเป็นอย่างไร และเป็นการผลิตพลังงานที่ยั่งยืนหรือไม่

เหตุผล
ไฮโดรเจนถูกนำเสนอเพื่อที่จะแก้ปัญหาผลกระทบทางด้านลบอันเนื่องมาจากการใช้เชื้อเพลิงที่เป็นไฮโดรคาร์บอน

ในสถาวะปัจจุบัน การขนส่งต้องใช้เชื้อเพลิงปิโตรเลียมเป็นหลัก ทำให้เกิดคาร์บอนไดอ๊อกไซด์และมลภาวะอื่น ๆ ความต้องการเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่องจากประเทศจีน อินเดีย และประเทศที่กำลังพัฒนาทั้งหลาย

ผู้สนับสนุนในการนำไฮโดรเจนมาใช้ให้เหตุผลว่า จะช่วยลดผลกระทบจากมลพิษได้มากถ้าสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในจุดที่ใช้งานได้เลย

ไฮโดรเจนให้พลังงานต่อหน่วยสูง การนำไปใช้กับเครื่องสันดาปภายใน อาจให้ประสิทธิภาพสูงถึง 38% สูงกว่าการใช้แก๊สโซลีนกว่า 8% ถ้าใช้ทั้งเซลล์เชื้อเพลิงและมอเตอร์ไฟฟ้า จะได้ประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องสันดาปภายใน 2-3 เท่า แต่เซลล์เชื้อเพลิงมีราคาสูงมาก ประมาณ 165,000 บาทต่อกิโลวัตต์ (ราคาในปี 2002) มีประสิทธิภาพในทางเทคนิคแต่ไม่มีประสิทธิภาพทางเศรษฐศาสตร์, Sustainable energy : choosing among options

ปัญหาอีกอย่างหนึ่งคือประเด็นทางด้านการเก็บรักษาและความบริสุทธ์ของไฮโดรเจนเมื่อนำมาใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงต้องการไฮโดรเจนบริสุทธ์ถึง 99.9999%

ภาพรวม: ตลาดไฮโดรเจนในปัจจุบัน
อุตสาหกรรมการผลิตไฮโดรเจนใหญ่และกำลังเจริญเติบโต ในปี 2004 มีการผลิตไฮโดรเจนถึง 57 ล้านตัน เทียบเท่ากับน้ำมันดิบ 170 ล้านตัน หรือพลังงาน 248.7 GW อัตราเพิ่ม 10% ต่อปี มูลค่าการผลิตไฮโดรเจน ในสหรัฐปี 2005 เท่ากับ 135 พันล้านเหรียญ

ไฮโดรเจนถูกนำไปใช้เป็นสองลักษณะใหญ่ๆคือ ใช้ผลิตแอมโมเนีย (NH3) เพื่อใช้ทำปุ๋ยเพื่อการเกษตรและอีกลักษณะคือใช้เปลี่ยนปิโตรเลียมหนักให้เบาลงเพื่อนำมาเป็นเชื้อเพลิง (hydrocracking) ยิ่งราคาน้ำมันมีราคาแพง ทำให้บริษัทน้ำมันหันมาผลิตน้ำมันจากสารคุณภาพต่ำเช่น ทรายน้ำมัน และ หินน้ำมัน ปัจจุบันมีผู้ผลิตรายย่อยเกิดขึ้นมาก เป็นการผลิตและจำหน่ายให้ผู้ใช้โดยตรง

ปัจจุบัน ไฮโดรเจนถูกผลิตจากแก๊สธรรมชาติ 40% จากน้ำมัน 30% จากถ่านหิน 18% จากการแยกน้ำเพียง 4% ใน 4 ขบวนการนี้ แสดงให้เห็นถึงข้อจำกัดทางด้านเทอร์โมไดนามิคส์ที่ทำให้การผลิตไฮโดรเจนโดยวิธีเผาแก๊สธรรมชาติบางส่วนให้ประสิทธิภาพสูงสุด

 การผลิต การเก็บรักษา และโครงสร้างพื้นฐาน
กรรมวิธีการผลิต

การเก็บรักษา

โครงสร้างพื้นฐาน

เซลล์เชื้อเพลิง: ทางเลือกแทนเครื่องสันดาปภายใน
ไฮโดรเจนสามารถเป็นเชี้อเพลิงแทนเชื้อเพลิงจากฟอสซิลได้ ถึงแม้ว่าไฮโดรเจนสามารถใช้ในเครื่องสันดาปภายในได้แต่เซลล์เชื้อเพลิงในฐานะที่เป็นไฟฟ้าเคมี ในทางทฤษฏีแล้วมีข้อได้เปรียบเหนือเครื่องยนต์ความร้อน แต่เซลล์เชื้อเพลิงมีค่าใช้จ่ายในการผลิตสูงกว่าเครื่องสันดาปภายในมาก ถ้าเซลล์เชื้อเพลิงมีราคาใกล้เคียงกับเครื่องสันดาปภายในหรือกังหันแก๊ส โรงไฟฟ้าที่ใช้แก๊สคงหันมาใช้เทคโนโลยีนี้มากขึ้น

แก๊สไฮโดรเจนที่ใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงต้องเป็นแบบเกรดสูง ซึ่งจะบริสุทธ์กว่าเกรดธรรมดาถึง 5 เท่า แต่แก๊สไฮโดรเจนเกรดธรรมดาถึงแม้จะมีคาร์บอนและซัลเฟอร์ผสม ก็สามารถผลิตจากขบวนการผลิตแบบ steam reforming ถูก ๆ ได้ เซลล์เชื้อเพลิงต้องการความบริสุทธ์ของไฮโดรเจนสูงมาก เพราะสิ่งสกปรกจะทำให้อายุการทำงานของอุปกรณ์ภายในสั้นลงอย่างรวดเร็ว

ประสิทธิภาพโดยการเป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะ
ด้วยเทคโนโลบีปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีการ steam reforming จะมีประสิทธิภาพราว 75-80% ในการทำให้บริสุทธ์และอัดความดันก็ต้องการพลังงานเพิ่มขึ้น การขนส่งไปสถานีจ่ายด้วยรถบรรทุกหรือมางท่อก็ต้องการพลังงานเพิ่มขึ้น ทั้งหมดนี้รวมแล้วประมาณ 50 MJ/kg ลบด้วยพลังงานของไฮโดรเจน 141 MJ/kg หารด้วยพลังงานมั้งหมด จะได้ประสิทธิภาพพลังงานเหลือเพียง 60% เท่านั้น เปรียบเทียบกับน้ำมันเบนซินที่ผ่านขบวนการผลิตจนถึงผู้บริโภค จะได้ประสิทธิภาพพลังงานถึง 80% แต่ถ้าผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าส่งถึงผู้บริโภคจะมีประสิทธิภาพถึง 95% และเครื่องยนต์พลังไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์พลังไฮโดรเจน 3-4 เท่า

ในการศึกษาประสิทธิภาพตั้งแต่โรงงานถึงผู้ใช้ของยานพาหนะใช้ไฮโดรเจน เปรียบเทียบกับพาหนะอื่น ๆ ในนอร์เวย์พบว่าพาหนะที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพเป็นที่สาม เท่ากับรถไฟฟ้าที่ใช้ electrolysis และพาหนะที่ใช้ไฮโดรเจนกับเครื่องสันดาปภายในมีประสิทธิภาพเป็นที่หก ถึงแม้ว่าจะใช้ไฮโดรเจนจาก reformation แทนที่จะเป็น electrolysis หรือได้รับจากโรงงานแก๊สธรรมชาติ รถไฟฟ้าก็ยังมีประสิทธิภาพราว 25-35% (13% ถ้าเป็นสันดาปภายใน) 14% สำหรับแก๊สโซลีนสันดาปภายใน 27% สำหรับ hybrid 17% สำหรับ ดีเซล

ความปลอดภัย
ไฮโดรเจนเป็นแก๊สติดไฟง่าย และไม่มีกลิ่น และสามารถระเบิดรุนแรงได้ ดูบทความความปลอดภัยของไฮโดรเจน

สิ่งแวดล้อม
นักสิ่งแวดล้อมกล่าวว่า "ในการแก้ปัญหาแก๊สเรือนกระจก ไฮโดรเจนเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพต่ำที่สุด และมีราคาแพงที่สุด" และ "การนำพลังงานที่สกปรกมาฟอกให้สะอาด ไม่ได้แก้ปัญหามลภาวะแต่อย่างใด เพียงแต่ย้ายปัญหาไปรอบ ๆ เท่านั้นเอง"

มีความกังวลหลายเรื่องเกี่ยวกับผลกระทบของการผลิตไฮโดรเจน การนำเชื้อเพลิงฟอสซิลมาทำ reforming ทำให้เกิดคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ขึ้นไปบนชั้นบรรยากาศมากกว่าการนำไปใช้โดยตรงกับเครื่องสันดาปภายในเสียอีก ในทางเดียวกัน ถ้าใช้วิธี electrolysis แต่ใช้ไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ก็ทำให้เกิดคาร์บอนไดอ๊อกไซด์เหมือนกัน

การใช้ไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนในกระบวนการ electrolysis ต้องใช้พลังงานมากกว่านำไฟฟ้าไปให้พลังกับรถไฟฟ้า เพราะเกิดการสูญเสียในขบวนการผลิตมีหลายขั้นตอน

เครื่องสันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอาจทำให้เกิดไนตรัสอ๊อกไซด์และมลภาวะอื่น ๆ อากาศที่ป้อนเข้าไปในกระบอกสูบมี ไนโตรเจนประมาณ 78% และ โเลกุลของ N2 มีพลังงานผูกมัดอยู่ 226 กิโลแคลอรี/mol ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนมีพลังมากพอที่จะแยกการผูกมัดนี้ และทำให้เกิดส่วนประกอบที่ไม่ต้องการ เช่น กรดไนตริค (HNO3) และแก๊สไฮโดรเจนไซยาไนด์ (HCN) ซึ่งเป็นพิษทั้งสองตัว สารประกอบไนโตรเจนที่ออกมาจากเครื่องสันดาปภายในเป็นต้นเหตุของหมอกและควัน ไฮโดรเจนที่ใช้ในการขนส่งจะใช้เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งไม่ทำให้เกิดแก๊สเรือนกระจก ผลิตแต่น้ำ 

ยังมีข้อกังวลในเรื่องความเป็นไปได้ของการรั่วไหลของแก๊สไฮโดรเจนที่อาจสร้างปัญหาได้ โมเลกุลของไฮโดรเจนรั่วออกจากภาชนะที่ใส่มันอยู่เสมอ สันนิษฐานว่าแก๊สไฮโดรเจนอาจเปลี่ยนรูปเป็นธาตุดั้งเดิมของมัน คือ H ในชั้นสตราโตสเฟีย และกลายเป็นตัวเร่งให้โอโซนหายไป อย่างไรก็ตามปัญหานี้ อาจไม่ส่งผลอย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณของไฮโดรเจนที่รั่วไหล มีน้อยกว่าที่มีการคาดการณ์ไว้มาก ตัวอย่างเช่น ในเยอรมนี อัตราการรั่วมีประมาณ 0.1% เท่านั้น (น้อยกว่าแก๊สธรรมชาติรั่วที่ 0.7%) อย่างมากสุด ก็ไม่เกิน 1% ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน

ค่าใช้จ่าย

ไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธ์สูง ต้องใช้พลังไฟฟ้ามากกว่า 35 kWh หรือ 35x9.36=327.6 Mega Joule เพื่อผลิตไฮโดรเจน 1 kg (141 MJ) แสดงว่า พลังงานที่ใช้ในการผลิตมากกว่าพลังงานที่ได้รับ

ท่อส่งไฮโดรเจนแพงกว่าสายส่งไฟฟ้า ไฮโดรเจนมีปริมาตรมากกว่าแก๊สธรรมชาติถึง 3 เท่าในปริมาณความร้อนที่ผลิตได้เท่า ๆ กัน ไฮโดรเจนทำให้เหล็กเปราะเร็ว ทำให้ค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงสูง อัตราการรั่วเพิ่ม และค่าวัสดุสูง

การจัดตั้งให้เป็นยุคไฮโดรเจน ต้องลงทุนสูงด้านโครงสร้างพื้นฐานในการเก็บรักษาและแจกจ่ายไปให้รถ ตรงข้ามกับรถไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรีซึ่งพร้อมใช้งานอยู่แล้ว ไม่ต้องขยายโครงสร้างพื้นฐานอะไรเพื่อทำสายส่งและจำหน่าย เพราะโรงไฟฟ้าปัจจุบันมีไฟฟ้าเหลือใช้ในเวลากลางคืนมาก อาจพอเพียงสำหรับการชาร๋จแบตเตอรีของรถทุกคันถ้าเปลี่ยนมาเป็นรถไฟฟ้า

ไฮโดรเจน-ทางเลือกแทนที่จะเป็นยุคไฮโดรเจนสมบูรณ์แบบ

เศรษฐกิจแอมโมเนีย
ทางเลือกที่จะใช้ไฮโดรเจนในทางอื่นนอกจากเป็นเชื้อเพลิงคือนำไปผสมกับไนโตรเจนเพื่อผลิตแอมโมเนีย ทำให้ง่ายต่อการทำเป็นของเหลว ง่ายต่อการขนส่ง และง่ายต่อการนำไปใช้ ไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม โดยใช้เป็นเชื้อเพลิงสะอาดและหมุนเวียน

นำไปผลิตแอลกอฮอล์

ผลิตไฟฟ้าเข้าสายส่ง และเซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลสังเคราะห์
ตามยุทธศาสตร์ในการผลิตหลากหลาย สามารถผลิตเชื้อเพลิงได้หลายอย่างง่ายกว่าและอาจจะมีประสิทธภาพกว่าผลิตแต่ไฮโดรเจนเพียงอย่างเดียว ตัวเก็บพลังงานระยะสั้น (หมายถึงเก็บแล้วใช้เลย) อาจทำเป็นแบตเตอรีหรือตัวเก็บประจุยิ่งยวด ตัวเก็บพลังงานระยะยาว (หมายถึงเก็บไว้แต่ยังไม่ใช้) อาจทำด้วยมีเทนหรือแอลกอฮอล์สังเคราะห์ ใช้งานกับรถไฟฟ้า

 ดูเพิ่ม 
Energy portal
Renewable energy portal
Sustainable development portal
United States Hydrogen Policy
Alternative fuel
Biobased economy
Energy development
Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative
HOPE Curriculum (Hydrogen Outreach Program for Education)
Hydrogen energy plant in Denmark
Qazvin hydrogen power plant
Hydrogen internal combustion engine vehicle
Hydrogen prize
ยานพาหนะพลังไฮโดรเจน
International Centre for Hydrogen Energy Technologies
International Journal of Hydrogen Energy
Lolland Hydrogen Community

อ้างอิง

หมวดหมู่:ไฮโดรเจน