เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีชื่อเรียกต่างๆ นานาว่าเป็นเชื้อเพลิงสะอาด เชื้อเพลิงคาร์บอนเป็นศูนย์เป็นเชื้อเพลิงที่เข้าถึงได้มากที่สุดและเป็นเชื้อเพลิงแห่งอนาคต เชื้อเพลิงคือสิ่งที่สามารถทำปฏิกิริยากับสารอื่น ๆ เพื่อปลดปล่อยพลังงานและการมีอยู่ของไฮโดรเจนในทรัพยากรภายในประเทศ เช่น ชีวมวล ก๊าซธรรมชาติ พลังงานนิวเคลียร์ ทำให้เป็นเชื้อเพลิงแห่งอนาคต สามารถผลิตได้โดยใช้พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และลม คุณสมบัติทั้งหมดนี้รวมกันเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกสำหรับการขนส่ง การผลิตไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา และระบบสำรองพลังงาน
ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่สมบูรณ์แบบในหลาย ๆ ด้าน เป็นการเผาไหม้ที่สะอาดที่สุดและมีประสิทธิภาพมากที่สุด สร้างวงจรพลังงานที่หมุนเวียนได้และไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ไฮโดรเจนจะรวมตัวทางเคมีกับองค์ประกอบส่วนใหญ่ ดังนั้นจึงถูกใช้เป็นสารเคมีทางอุตสาหกรรมในการใช้งานที่หลากหลายเป็นเวลาหลายปี ด้วยวิธีการผลิตที่มีมากมาย มาดูการผลิตไฮโดรเจนกัน
ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่ง่ายที่สุดเนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีของโปรตอนเพียงหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ซึ่งทำให้ง่ายต่อการทำปฏิกิริยากับสารต่างๆ เพื่อแปลงร่างให้อยู่ในรูปแบบที่สามารถแก้ปัญหาที่สำคัญบางประการของเชื้อเพลิงในอนาคตได้ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตอย่างหมดจด มีหลายวิธีที่ใช้ในอุตสาหกรรมในการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน มีการพูดถึงบางส่วนด้านล่าง:
กระบวนการอิเล็กโทรไลต์: วิธีการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้กระแสไฟฟ้าเรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส จะเห็นได้ชัดเจนว่ากระแสไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์หรือลม จะถือว่าไฮโดรเจนที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ด้วยเช่นกัน และมีประโยชน์มากมายในการปล่อยมลพิษ โครงการพลังงานสู่ไฮโดรเจนกำลังเริ่มต้นขึ้น โดยมีการใช้ไฟฟ้าหมุนเวียนส่วนเกิน (หากมี) เพื่อผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรลิซิส
มีเทนไพโรไลซิส: การผลิตไฮโดรเจนโดยใช้ก๊าซมีเทนไพโรไลซิสเป็นกระบวนการ "ไม่มีก๊าซเรือนกระจก" ในขั้นตอนเดียว การพัฒนาการผลิตในปริมาณมากโดยใช้วิธีนี้เป็นกุญแจสำคัญในการทำให้ลดคาร์บอนได้เร็วขึ้นโดยใช้ไฮโดรเจนในกระบวนการทางอุตสาหกรรม การขนส่งด้วยรถบรรทุกหนักไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง และการผลิตพลังงานไฟฟ้ากังหันก๊าซ ไพโรไลซิสมีเทนใช้ก๊าซมีเทน CH4 ที่ฟองขึ้นผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง (1340 K, 1065 ° C หรือ 1950 ° F) เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน H2 ที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษในปริมาณมาก ต้นทุนต่ำ และผลิตคาร์บอนที่เป็นของแข็งที่ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ C โดยไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก
CH4 (g) → C(s) + 2 H2 (g) ΔH° = 74 kJ/โมล
มีเทนไพโรไลซิสอยู่ในระหว่างการพัฒนาและถือว่าเหมาะสำหรับการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากในเชิงพาณิชย์
การปฏิรูปด้วยไอน้ำ (วิธีอุตสาหกรรม): ไฮโดรเจนมักถูกผลิตขึ้นโดยใช้ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกำจัดไฮโดรเจนออกจากไฮโดรคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงมาก โดย 48% ของการผลิตไฮโดรเจนมาจากการปฏิรูปไอน้ำ ไฮโดรเจนจำนวนมากในเชิงพาณิชย์มักถูกผลิตขึ้นโดยการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติด้วยการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในชั้นบรรยากาศหรือด้วยการจับโดยใช้ CCS และการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การปฏิรูปด้วยไอน้ำเรียกอีกอย่างว่ากระบวนการของ Bosch และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการเตรียมไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรม
ที่อุณหภูมิสูง (1000–1400 K, 700–1100 °C หรือ 1300–2000 °F) ไอน้ำจะทำปฏิกิริยากับมีเทนเพื่อให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์และ H2
CH4 + H2O → CO + 3 H2
กระบวนการทางชีวภาพ: กระบวนการทางชีวภาพใช้จุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียและสาหร่ายขนาดเล็กและสามารถผลิตไฮโดรเจนผ่านปฏิกิริยาทางชีวภาพ ในการแปลงมวลชีวภาพของจุลินทรีย์ จุลินทรีย์จะสลายอินทรียวัตถุ เช่น ชีวมวลหรือน้ำเสียเพื่อผลิตไฮโดรเจน ในขณะที่ในกระบวนการทางชีววิทยาภาพถ่าย จุลินทรีย์ใช้แสงแดดเป็นแหล่งพลังงาน
กระบวนการขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์: ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์นั้นโดยทั่วไปแล้วจะใช้แสงจากแสงอาทิตย์หรือการแผ่รังสีเพื่อสร้างไฮโดรเจน โดยทั่วไปมีสามกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในประเภทนั้น ได้แก่ ภาพถ่ายทางชีวภาพ, เคมีไฟฟ้าภาพถ่าย, เทอร์โมเคมีจากแสงอาทิตย์ กระบวนการทางชีววิทยาภาพถ่ายใช้กิจกรรมสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติของแบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวเพื่อผลิตไฮโดรเจน กระบวนการทางเคมีไฟฟ้าด้วยภาพถ่ายใช้เซมิคอนดักเตอร์พิเศษเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน การผลิตไฮโดรเจนด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้นเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาการแยกตัวของน้ำซึ่งมักเกิดขึ้นพร้อมกับสปีชีส์อื่นๆ เช่น ออกไซด์ของโลหะ
การใช้งานจริงในอุตสาหกรรมเทคโนโลยี
การใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์
ไฮโดรเจนถือเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและไม่มีการปล่อยคาร์บอน การใช้ไฮโดรเจนในยานยนต์เป็นจุดสนใจหลักของการวิจัยและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง ในประเทศอย่างสหรัฐอเมริกา พวกเขามีสถานีเติมไฮโดรเจนด้วย ยานพาหนะที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนส่วนใหญ่เป็นรถยนต์และรถโดยสารประจำทางที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ยานพาหนะเหล่านี้บางคันสามารถเผาไหม้ไฮโดรเจนได้โดยตรง เซลล์เชื้อเพลิงที่มีราคาสูงและสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีอยู่อย่างจำกัด ทำให้รถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีจำนวนจำกัด แม้แต่เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็ยังถูกใช้ในรถไฟในเยอรมนี และพบว่าในอีก XNUMX ปีข้างหน้า เซลล์ดังกล่าวอาจถึงบริเตนใหญ่ ฝรั่งเศส อิตาลี ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา สำหรับรถยนต์ส่วนตัว ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ XNUMX รายกำลังพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (FCEV) สำหรับการใช้งานส่วนตัว โมเดลที่โดดเด่น ได้แก่ Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo และ BMW
ในการผลิตไฟฟ้า
เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนผลิตไฟฟ้าโดยการรวมอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่คล้ายกับแบตเตอรี่เพื่อผลิตไฟฟ้า น้ำ และความร้อนเพียงเล็กน้อย มีเซลล์เชื้อเพลิงหลายประเภทสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กสามารถให้พลังงานแก่คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป แม้กระทั่งโทรศัพท์มือถือ และการใช้งานทางการทหาร เซลล์เชื้อเพลิงขนาดใหญ่สามารถจ่ายไฟฟ้าสำรองหรือจ่ายไฟฉุกเฉินในอาคารและจ่ายไฟฟ้าในสถานที่ที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า
นอกเหนือจากนั้นไฮโดรเจนยังถูกใช้ในแอพพลิเคชั่นทางทะเล แอพพลิเคชั่นอวกาศ และการผลิตพลังงานสำรองเป็นหลัก
ความท้าทายที่ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงทดแทน
เราเคยได้ยินมาเสมอว่าเหรียญมีสองด้าน เช่นเดียวกับเชื้อเพลิงใหม่ในอนาคต พูดถึงความท้าทายในการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในอุตสาหกรรม ค่อนข้างสมเหตุสมผลและหลีกเลี่ยงไม่ได้ บางส่วนของพวกเขามีการระบุไว้ด้านล่าง:-
การสกัดไฮโดรเจน
แม้จะมีอยู่มากมายในจักรวาล แต่การสกัดก็ค่อนข้างยาก ไฮโดรเจนไม่มีอยู่ในตัวของมันเอง ดังนั้นจำเป็นต้องสกัดจากน้ำผ่านอิเล็กโทรลิซิสหรือแยกออกจากเชื้อเพลิงฟอสซิลคาร์บอน กระบวนการทั้งสองนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อให้บรรลุ พลังงานนี้สามารถมากกว่าพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจนเองและยังมีราคาแพงอีกด้วย
ต้นทุนวัตถุดิบและการลงทุนต่อไป
ในการสกัดไฮโดรเจน โลหะมีค่า เช่น แพลทินัมและอิริเดียม จำเป็นต้องใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและมีอิเล็กโทรไลเซอร์เพียงไม่กี่ตัวสำหรับอิเล็กโทรไลซิส ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมทั้งหมดนี้ทำให้ต้นทุนวัตถุดิบสูงขึ้น ต้นทุนที่สูงทำให้บางส่วนไม่สามารถลงทุนในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ เทคโนโลยี. จำเป็นต้องลดต้นทุนดังกล่าวเพื่อทำให้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่เป็นไปได้สำหรับทุกคน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจำเป็นต้องลงทุนเพื่อพัฒนาให้กลายเป็นแหล่งพลังงานที่สามารถนำไปใช้ได้จริง นอกจากนี้ยังต้องใช้เจตจำนงทางการเมืองในการลงทุนเวลาและเงินในการพัฒนาเพื่อปรับปรุงและทำให้เทคโนโลยีเติบโตเต็มที่
โครงสร้างพื้นฐานและการจัดเก็บไฮโดรเจน
เชื้อเพลิงฟอสซิลถูกใช้มานานหลายทศวรรษแล้ว โครงสร้างพื้นฐานสำหรับแหล่งจ่ายไฟนี้มีอยู่แล้ว การนำเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมาใช้ในวงกว้างสำหรับยานยนต์จะต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานการเติมเชื้อเพลิงใหม่เพื่อรองรับ แม้ว่าสำหรับการใช้งานในระยะยาว เช่น สำหรับ HGV และรถบรรทุกส่งมีแนวโน้มว่าจะมีการเติมเชื้อเพลิงตั้งแต่ต้นจนจบ
การจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนนั้นซับซ้อนกว่าที่จำเป็นสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล นี่หมายถึงค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการพิจารณาเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน
เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นตัวเลือกเชื้อเพลิงทางเลือกที่ยั่งยืนและดีที่สุดสำหรับอนาคตอันใกล้ และการใช้งานนั้นมีความสำคัญไม่เพียงต่อสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่สำหรับความต้องการเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นด้วย นักวิจัยและบริษัทที่มีนวัตกรรมควรทุ่มเทความพยายามในการจัดหาไฮโดรเจนเช่นเดียวกับน้ำ ไม่เพียงแต่สำหรับใช้ในอุตสาหกรรมเท่านั้น แต่สำหรับใช้ส่วนตัวด้วย
ชีบา เชาฮัน
-
ชีบา เชาฮันhttps://www.eletimes.com/author/sheebaแนวโน้มใหม่ของเทคโนโลยี Wide Band Gap Semiconductors (SiC และ GaN) สำหรับการใช้งานยานยนต์และการประหยัดพลังงาน
-
ชีบา เชาฮันhttps://www.eletimes.com/author/sheebaรูปแบบของโรงงานของเรา: การผลิตในยุคหลังโรคระบาด