ขอบคุณภาพประกอบจากอินเตอร์เนต

การผลิตไฮโดรเจน แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (Electrolysis)

ในปัจจุบันมีธุรกิจการผลิตอิเลคโตรไลเซอร์และการสร้างโรงงานผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าอยู่ทั่วโลก เนื่องมาจากประเด็นความท้าทายในการใช้พลังงานงานไฮโดรเจนนั้นคือ การขนส่งไฮโดรเจน ซึ่งถือได้ว่าเป็นประเด็นที่มีผลต่อราคาของไฮโดรเจนโดยรวม ทำให้มีการศึกษาและทำความเข้าใจในโลจิสติกส์และเศรษฐศาสตร์ที่แตกต่างระหว่างการผลิตไฮโดรเจนแบบรวมศูนย์ขนาดใหญ่กับการผลิตแบบกระจายตัวใกล้กับผู้ใช้ โดยจะมีกระบวนการขนส่งที่แตกต่างกัน

หากพิจารณาที่ประสิทธิภาพการผลิต 100 เปอร์เซ็นต์ การผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัมต้องใช้พลังงานไฟฟ้า 39 หน่วย (kWh) หากพิจารณาราคาหน่วยไฟฟ้าที่ 2.50 บาท จะพบว่าราคาค่าไฟฟ้าในการผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัมประมาณ 100 บาท ดังนั้นจะพบว่าหากพิจารณาเปรียบเทียบกับน้ำมัน 3.8 ลิตรซึ่งให้พลังงานความร้อนเท่ากับไฮโดรเจนประมาณ 1 กิโลกรัมนั้น ในปัจจุบันจะพบว่าน้ำมันเชื้อเพลิงมีราคาเท่ากับ 110 บาท (กำหนดให้ราคา 1 ลิตรเท่ากับ 30 บาท) ดังนั้นจะเห็นได้ว่า ไฮโดรเจนมีแนวโน้มที่เป็นไปได้อย่างมากที่จะเป็นทางเลือกของพลังงานในอนาคตอันใกล้นี้ได้ อย่างไรก็ตามปัจจัยที่จะมีผลต่อราคาของไฮโดรเจนจากแยกน้ำด้วยไฟฟ้าคือ เทคโนโลยีของการผลิต

ประเด็นที่จะต้องคำนึงถึงอย่างมากในการนำเทคนิคการแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามาใช้ผลิตไฮโดรเจนเพื่อนำไปใช้เป็นพลังงานคือ พลังงานไฟฟ้าที่จะต้องใช้  หากยังมีการผลิตไฟฟ้าด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างในปัจจุบันเป็นส่วนใหญ่นั้น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าคงจะไม่ใช้ทางเลือกที่เป็นไปได้ การวิจัยและพัฒนาการผลิตไฟฟ้าด้วยแหล่งพลังงานทดแทนจึงเข้ามามีบทบาทมากยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น กรณีการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานลมในประเทศสหรัฐอเมริกามีการประมาณไว้ว่าสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 2,800 GW (ในปัจจุบัน ประเทศสหรัฐอเมริกามีความกำลังการผลิตกระแสไฟฟ้ารวมประมาณ 1,100 GW) ซึ่งเพียงพอที่จะใช้ในการผลิตไฮโดรเจนได้มากกว่า 150,000 ล้านกิโลกรัมต่อปี ซึ่งมากกว่าปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีการอุปโภคต่อปี ณ เวลานี้

ในปัจจุบัน ได้มีโครงการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจน โดยอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากการแปลงผันพลังงานทดแทนอยู่ทั่วโลก ยกตัวอย่างเช่น ในประเทศสหรัฐอเมริกา ศูนย์ปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ (National Renewable Energy Laboratory) ในรัฐโคโลราโด ร่วมกับ การไฟฟ้าท้องถิ่น บริษัท Xcel Energy ได้ดำเนินโครงการนำร่องในการใช้พลังงานลมและแสงอาทิตย์ในการผลิตไฮโดรเจนเพื่อเป็นเชื้อเพลิงให้กับรถยนต์เซล์เชื้อเพลิง ในขณะที่รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากไฮโดรเจนกลับคืนสู่ระบบไฟฟ้ากำลังในเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าสูง
การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าได้มีการดำเนินการมาตั้งแต่ช่วง ปี ค.ศ. 1920 ถึง 1930 มีการสร้างระบบแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอัลคาไลน์โดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเขื่อน และเป็นเทคโนโลยีที่มีใช้กันทั่วโลก ดังนั้นการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อใช้ในการผลิตไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่หลายฝ่ายมีประสบการณ์มาเป็นระยะเวลานานพอสมควร

ไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยวิธีแยกน้ำด้วยอิเล็กทรอไลซิสนั้น อาศัยหลักการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าในน้ำด้วยสองอิเลคโตรดคือ แอโนด (Anode) และแคโทด (Cathode) โดย โมเลกุลของน้ำถูกแยกออกเป็นไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทดและออกซิเจนที่ขั้วแอโนด ในปัจจุบันกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่มีใช้ในระดับอุตสาหกรรมมี 2 ประเภทด้วยกัน คือ

          1. กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแอลคาไลน์ (Alkaline Electrolyzers) แบ่งได้เป็น
                    1.1 แบบขั้วเดียว (Unipolar)
                    1.2 แบบขั้วคู่ (Bipolar)

          2. อิเลคโตรไลต์โพลีเมอร์ของแข็ง (Solid Polymer Electrolyte (SPE))

•  กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแอลคาไลน์

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแอลคาไลน์เป็นกระบวนการที่มีการใช้งานในเชิงพาณิชย์มาเป็นเวลากว่า 70 ปีแล้ว จึงทำให้มีการพัฒนาระบบถึงจุดที่มีความคุ้มค่าทางเศรษฐศาตร์เป็นอย่างดี กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแอลคาไลน์นั้นจะอาศัยสารละลายที่เป็นด่าง เช่น สารละลายโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์ 30 เปอร์เซ็นต์ (Potassium Hydroxide (KOH)) เป็นต้น เพื่อเพิ่มความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าของน้ำ อุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนสำหรับเทคโนโลยีนี้มีด้วยกันอยู่ 2 ประเภทคือ แบบขั้วเดียวและแบบขั้วคู่ ดังแสดงในรูปที่ 1 (ก) และ (ข) ตามลำดับ

สำหรับวัสดุที่ใช้ทำขั้วอิเลคโตรดนั้นจะเป็น นิกเกิล (Nickel) เนื่องจากมีคุณสมบัติของตัวเร่งปฎิกิริยาไฟฟ้าเคมี (Electrochemical Catalytic Properties) ผลจากงานวิจัยได้ชี้ให้เห็นว่า โลหะเจือนิกเกิล (Nickel-based Alloys) นั้นมีข้อดีหลายประการ เช่น อิเลคโตรดที่ใช้โลหะผสม Nickel-Cobalt-Molybdenum นั้น จะทนการกัดกร่อนของสารละลายได้ดี มีพื้นผิวในการทำปฎิกิริยามาก ทำให้อัตราการทำปฎิกิริยาดีขึ้น

          แบบขั้วคู่

อุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบขั้วคู่อาจเลือกให้ผลิตไฮโดรเจนโดยไม่ผสมกับออกซิเจนได้ หรือเป็นก๊าซผสมก็ได้ โดยขึ้นอยู่การออกแบบ ขั้วที่ใช้รับกระแสไฟฟ้าจากภายนอก (End Plate) จะเป็นแบบขั้วเดียว ในขณะที่ขั้วที่อยู่ระหว่างเซลล์จะเป็นแบบขั้วคู่ อิเลคโตรดที่เป็นขั้วแคโทดที่ติดอยู่ที่ด้านหนึ่งของแผ่นโลหะระหว่างเซลล์จะเป็นขั้วที่โมเลกุลของไฮโดรเจนและอิออนไฮดรอกซีถูกผลิตขึ้น โดยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ทะลุผ่านอิเลคโตรดมาจากอีกด้านหนึ่งซึ่งเป็นด้านแอโนด ที่ด้านแอโนดจะเป็นส่วนที่โมเลกุลของออกซิเจนถูกผลิตขึ้น โดยปกติในอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่จะมีหลายอิเลคโตรดต่อขนานกันทางไฟฟ้าและมีตัวแยก (Insulator)  สำหรับก๊าซที่เป็นการผสมกันของไฮโดรเจนและออกซิเจนจะถูกเรียกว่า “HHO” หรือ “Brown Gas”

          แบบขั้วเดียว

สำหรับแบบขั้วเดียวนั้นจะไม่มีการใช้อิเลคโตรดร่วมกันเหมือนในกรณีของขั้วคู่ ดังนั้นอัตราการผลิตไฮโดรเจนจึงสูงกว่า
 

    รูปที่ 1 อุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแอลคาไลน์ (ก) ขั้วเดียว (ข) ขั้วคู่


     - ระบบแอลคาไลน์ จะมีปฎิกิริยาที่ขั้วอิเลคโตรด เป็นดังนี้

ด้านแคโทด
                                 2 H2O + 2e-→ H2 + 2OH-
ด้านแอโนด
                                 2OH-→ ½ O2 + 2 H2O + 2e-

•  กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบโพลีเมอร์ของแข็ง

อุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าอีกประเภทจะใช้กระบวนการย้อนกลับของเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) อิเลคโตรดที่ใช้จะเป็นเยื่อที่นำอิออนของแข็ง (Solid Ion Conducting Membrane) โดยในปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงที่นิยมใช้ในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบโพลีเมอร์ของแข็งจะเป็นชนิด เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตรอนหรือ Proton Exchange Membrane (PEM) อิเลคโตรไลเซอร์แบบที่ใช้ PEM มีข้อดีหลายประการ อย่างไรก็ตามอิเลคโตรไลเซอร์แบบที่ใช้ PEM นี้มีแนวโน้มที่จะถูกใช้ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากแหล่งพลังงานทดแทน และกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบโพลีเมอร์ของแข็งจะใช้ในการผลิตไฮโดรเจนเป็นปริมาณมากๆเนื่องจากต้นทุนวัสดุอุปกรณ์ที่สูงมาก

ในปัจจุบันมีการวิจัยและพัฒนาอิเลคโตรไลเซอร์แบบที่ใช้ PEM เพื่อนำมาใช้แทนอิเลคโตรไลเซอร์แบบแอลคาไลน์กันอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุผลด้านข้อดีหลายประการเช่น ประสิทธิภาพการแปลงผันพลังงานและอัตราการผลิตไฮโดรเจนที่สูงกว่า รวมทั้งขนาดโดยรวมที่เล็กกว่า สำหรับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบโพลีเมอร์ของแข็งมีข้อดี ดังนี้

                - ไดอะแฟรมหรือเยื่ออิเลคโตรไลต์สามารถทำให้บางมากได้ ทำให้การนำไฟฟ้าเป็นอย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่เกิดการรั่วข้ามของก๊าซผลิตภัณฑ์
                - ไม่มีการไหลของอิเลคโตรไลต์และไม่ต้องมีการกรองนอกเซลล์
                - เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
                - ไฮโดรเจนที่ได้มีความบริสุทธิ์สูงมาก (มากกว่า 99.99% [1])
                - มีความดันสูง (ได้ถึง 200 บาร์ หากต้องการ) โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ภายนอกระบบทำให้เกิดความปลอดภัยมากยิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบโพลีเมอร์ของแข็งมีข้อเสีย ดังนี้

               - ราคาสูงกว่าอิเลคโตรไลเซอร์แบบแอลคาไลน์
               - อิเลคโตรไลต์ที่ใช้มีฤทธิ์กัดกร่อนทำให้ต้องใช้ส่วนประกอบที่มีต้นทุนที่สูงขึ้น

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างและปฏิกิริยาภายในอิเลคโตรไลเซอร์แบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตรอน เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้กับอิเลคโตรดของอิเลคโตรไลเซอร์ ที่ขั้วแอโนด (ด้านขวามือ) น้ำจะเกิดการออกซิไดซ์ ซึ่งจะได้ ออกซิเจน โปรตรอน H+ และอิเล็กตรอนอิสระ โดยที่ก๊าซออกซิเจนจะถูกปล่อยออกทางขั้วแอโนดนี้ ในขณะที่โปรตรอนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตรอนและกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทรดด้านซ้ายมือ โดยใช้อิเล็กตรอนมาจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง


 

                                                                      (ก) โครงสร้างของอิเลคโตรไลเซอร์แบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตรอน [1]
                                                                      (ข) ปฏิกิริยาภายในอิเลคโตรไลเซอร์แบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตรอน
                                                                          (ที่มา ขออภัย! คุณไม่สามารถเห็นลิ้งค์ที่โพสต์นี้ได้ กรุณาสมัครสมาชิก หรือ เข้าสู่ระบบ)


ลิ้งค์หัวข้อ: บ้านหรรษา ดอทคอม/topic/65