ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนคือผู้เปลี่ยนเกม มันมีศักยภาพจะเปลี่ยนโลกด้วยการจ่ายและกักเก็บพลังงานสีเขียว มันอาจใช้ขับเคลื่อนรถบรรทุก เรือ เครื่องบิน หรือแม้แต่ทั้งเมืองได้ แต่ถ้าจะทำให้การปฏิวัติไฮโดรเจนเกิดขึ้นจริง มนุษยชาติต้องเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคและเศรษฐกิจหลายอย่าง งั้นเตรียมตัวดำดิ่งสู่ระดับอะตอม แล้วมาดูกันว่าไฮโดรเจนมีดีพอจะเปลี่ยนโลกไหม!

ถ้าคุณเปิดหนังสือเรื่องจักรวาล คุณจะเจอไฮโดรเจนตั้งแต่บทแรกเลย นั่นเพราะมันคือหนึ่งในหน่วยประกอบพื้นฐานของจักรวาล มันคิดเป็น 90% ของอะตอมในดวงดาว ^[1-4] และบนโลก ไฮโดรเจนก็เป็นส่วนประกอบหลักของน้ำ พืช และแม้แต่ DNA ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ^[4-7].

มันยังเป็นเชื้อเพลิงที่ให้พลังงานสูงมากด้วย ซึ่งเป็นเหตุผลที่ NASA ใช้มันส่งจรวดไปสำรวจอวกาศ ^[8,9,10]. เห็นได้ชัดว่าไฮโดรเจนพามนุษยชาติไปได้สูงขึ้นอยู่แล้ว และที่ดีที่สุดคือ มันไม่ปล่อย CO₂ เลย!

แล้วทำไมมันถึงยังไม่ใช่ตัวเลือกพลังงานอันดับหนึ่งของโลก? คือว่ามันไม่ง่ายขนาดนั้น.

ไฮโดรเจนบริสุทธิ์สกัดจากโลกได้ยาก แม้จะมีแหล่งสะสมตามธรรมชาติอยู่ก็ตาม ^[11-17]. ปกติมันจะจับกับธาตุอื่นเป็นสารประกอบ ตัวอย่างเช่น เมื่อจับกับออกซิเจน มันจะกลายเป็นน้ำ หรือ H₂O. มันยังจับกับคาร์บอนเพื่อกลายเป็นก๊าซฟอสซิล หรือที่เรียกกันว่ามีเทน หรือ CH₄ ได้ด้วย.

ดังนั้นถ้าจะได้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ ก็ต้องแยกมันออกจากธาตุที่มันจับอยู่ด้วย เมื่อแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำ ก็จะปล่อยออกซิเจนออกมา เมื่อแยกมันออกจากก๊าซฟอสซิล ก็จะปล่อยคาร์บอนออกมา เพราะงั้นการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจะดีหรือร้ายต่อโลก ก็ขึ้นอยู่กับว่าไฮโดรเจนนั้นผลิตอย่างไร.

ตอนนี้มีวิธีหลักในการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอยู่สามแบบ เรียกว่า สีเทา สีน้ำเงิน และสีเขียว: ^[18-21]

ทุกวันนี้ ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ^[22-28] และชนิดที่พบบ่อยที่สุดคือ ไฮโดรเจนสีเทา ที่ผลิตจากก๊าซฟอสซิล แต่ไม่ว่าจะใช้ก๊าซ ถ่านหิน หรือน้ำมัน การผลิตไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลก็ปล่อย CO₂ จำนวนมากสู่บรรยากาศ ^{[19,26,27,28]}. น่าเศร้าที่วิธีเหล่านี้คิดเป็นกว่า 99% ของการผลิตไฮโดรเจนทั้งหมด ^[23,24,28]. เจ็บเลย!

จริง ๆ แล้ว แค่การผลิตไฮโดรเจนสีเทาอย่างเดียวก็ปล่อย CO₂ มากกว่าทั้งสหราชอาณาจักรและออสเตรเลียรวมกัน ^[28,29]!

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีที่เรียกว่าการดักจับและกักเก็บคาร์บอน ทำให้โรงไฟฟ้าดัก CO₂ ที่ปล่อยออกมา แล้วเก็บไว้ใต้ดินได้ ^[30,31,32]. เมื่อจับคู่กับการผลิตไฮโดรเจน ผลลัพธ์นี้เรียกว่า ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน ^[33,34].

แต่วิธีนี้แม้จะลดการปล่อย CO₂ ได้ แต่ตอนนี้ยังมีแนวโน้มให้มีเทน (CH₄) รั่วไหล ^[34-37] ซึ่งอาจแย่ต่อบรรยากาศมากกว่า 80 เท่าในช่วง 20-ปี ^[38,39,40]. งานวิจัยชิ้นหนึ่งยังพบว่า ถ้าทำผิดวิธี การปล่อย CH₄ ที่เพิ่มขึ้นอาจสูงจนเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลไปตั้งแต่แรกยังดีกว่า ^[35].

สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ตามหาจริง ๆ คือ เอลโดราโดแห่งพลังงานสะอาด ที่เรียกว่า ไฮโดรเจนสีเขียว มันผลิตจากน้ำด้วยกระบวนการเคมีที่เรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส: ^[41-45]

ลองนึกภาพถังน้ำใบใหญ่ หรือ H₂O. ถ้าจะเอาไฮโดรเจนออกมา คุณต้องตัดพันธะระหว่างมันกับออกซิเจนก่อน วิธีทำคือใช้ไฟฟ้าแยกพันธะในโมเลกุลน้ำออก แล้วได้ก๊าซไฮโดรเจนอันล้ำค่า ง่ายนิดเดียว!

ทั้งหมดนี้ใช้พลังงานหมุนเวียนอย่างพลังงานแสงอาทิตย์และลมได้ โดยแทบไม่มีการปล่อยก๊าซเลย ^[41-45].

ไฮโดรเจนสีเขียว นี้มีศักยภาพจะพลิกโฉมโลก ^{[21,28,43,44,45]}. อุตสาหกรรมอย่างการผลิตปิโตรเคมีและการผลิตเหล็ก ^[44-47] ซึ่งคิดเป็นราว 3.6% และ 7.2% ของการปล่อยก๊าซทั่วโลก ^[48] เริ่มสะอาดขึ้นด้วยการใช้ไฮโดรเจนสีเขียวแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล บางประเทศกำลังลงทุนกับมันเพื่อลดคาร์บอนจากการผลิตแอมโมเนีย ซึ่งเป็นสารประกอบที่ใช้ในปุ๋ย และจะลดการปล่อยก๊าซทั่วโลกได้อีก 1-2% ^{[44-46,49-53]}.

ผู้เชี่ยวชาญกำลังศึกษาการใช้มันในระบบขนส่งด้วย รถยนต์มีความสำคัญน้อยกว่า เพราะรถยนต์ไฟฟ้าทำได้ดีอยู่แล้ว แต่รถบรรทุกระยะไกล การขนส่งทางเรือนานาชาติ และเครื่องบินระยะไกล มีความสำคัญกว่า เพราะพวกมันใช้แบตเตอรี่หนัก ๆ เป็นพลังงานไม่ได้ ไฮโดรเจนสีเขียวจึงเป็นทางเลือกที่เหมาะมาก ^{[21,28,44,45,54]}.

ในทางทฤษฎี (และตราบใดที่ผลิตอย่างยั่งยืน) การปล่อยโดยตรงเพียงอย่างเดียวจากการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็คือน้ำ จริง ๆ แล้วน้ำนี้ยังถูกใช้บนกระสวยอวกาศของ NASA ซึ่งนักบินอวกาศดื่มมันด้วย! ^[55,56]

แล้วมีข้อแม้อะไร?

คือถ้าเผาไฮโดรเจนตรง ๆ มันก็อาจทำให้ไนโตรเจนในอากาศเกิดปฏิกิริยาและสร้างไนโตรเจนออกไซด์ ซึ่งเป็นมลพิษทางอากาศที่อันตราย ^[57-61].

ถึงจะยังสะอาดกว่าการเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล แต่ทางเลือกที่สะอาดที่สุดคือไม่เผามันเลย แล้วใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ที่เปลี่ยนพลังงานเคมีของไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้าโดยตรง ^[62-65]. วิธีนี้ไม่เพียงมีประสิทธิภาพกว่า แต่ยังไม่ปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ และแน่นอนว่า CO₂ ก็เป็นศูนย์! ^{[57-59,63-65]}

ฟังดูดีใช่ไหม? แล้วทำไมไฮโดรเจนที่ผลิตทุกวันนี้ถึงมี สีเขียว ไม่ถึง 1%? ^[23,24,28] ทำไมทุกคนไม่หันมาใช้เวอร์ชันที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมนี้?

ตอนนี้ไฮโดรเจนมีราคาแพง และต้องใช้ไฟฟ้ามากในการผลิต ^[66-69]. ถ้าคุณอยากให้มือถือใช้พลังงานจากไฮโดรเจนสีเขียว แทนที่จะชาร์จตรงด้วยพลังงานหมุนเวียน คุณต้องเปลี่ยนไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นไฮโดรเจนก่อน แล้วใช้เซลล์เชื้อเพลิงเปลี่ยนมันกลับเป็นไฟฟ้า การทำแบบนี้อาจเสียพลังงานไปถึง 70% ของพลังงานที่คุณจะได้ หากชาร์จมือถือจากแผงโซลาร์เซลล์โดยตรงตั้งแต่แรก! ^[70,71,72]

ดูเหมือน สีเขียว ไฮโดรเจน จะไม่ค่อยคุ้มเงินเท่าไร แล้วทำไมคนถึงควรใช้มันจ่ายพลังงานให้บ้านและเมืองล่ะ?

คำตอบอยู่ที่คุณสมบัติอันทรงพลังที่สุดอย่างหนึ่งของไฮโดรเจน… ความสามารถในการกักเก็บพลังงานจำนวนมากไว้ใช้ในอนาคต.

กังหันลมต้องมีลม และแผงโซลาร์เซลล์ต้องมีแสงแดด ดังนั้นในวันที่มืดและไร้ลม ก๊าซและถ่านหินจึงมักต้องเข้ามาช่วยให้ไฟฟ้ายังเดินต่อไปได้ แต่มีไอเดียที่เขียวกว่านั้น:

จ่ายพลังงานให้บ้านด้วยพลังงานหมุนเวียนผ่านโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะที่ยืดหยุ่น และสร้างฟาร์มลมกับฟาร์มโซลาร์ให้มากพอจะผลิตพลังงานส่วนเกิน จากนั้นส่งไฟฟ้าส่วนเกินไปยังโรงผลิตไฮโดรเจนสีเขียว เพื่อใช้ผลิตไฮโดรเจน แล้วเก็บไฮโดรเจนนี้ไว้ใช้ผลิตไฟฟ้าเมื่อแสงอาทิตย์และลมผลิตพลังงานไม่พอต่อความต้องการ ^[73-76].

และถ้ายังไม่พอ ไฮโดรเจนยังเก็บใต้ดินในปริมาณมหาศาลได้นาน ๆ ในเหมืองเก่า ถ้ำเกลือ หรือแม้แต่แหล่งกักเก็บน้ำมันและก๊าซที่ใช้หมดแล้ว ^[77-80]. นั่นหมายความว่าใช้ได้ตลอดปี แม้แต่ในช่วงฤดูหนาวที่หนาวเย็น.

สิ่งนี้เรียกว่าการกักเก็บข้ามฤดูกาล และหลายประเทศกำลังลงทุนกับมันอยู่แล้ว ^{[23,81,82,83]}. สักวันหนึ่งมันอาจช่วยกำจัดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ ยิ่งไปกว่านั้น แหล่งไฮโดรเจนขนาดใหญ่นี้ยังทำให้ประเทศต่าง ๆ มีอิสระด้านพลังงานมากขึ้น พึ่งพาการนำเข้าพลังงานน้อยลง จึงไม่ต้องพึ่งประเทศอื่นเพื่อให้ไฟยังติดอยู่ ^[84,85,86].

แต่แบตเตอรี่ทำแบบเดียวกันไม่ได้เหรอ?

ไม่เชิง ปริมาณแบตเตอรี่ที่ต้องใช้เพื่อกักเก็บพลังงานสำรองให้เมืองนานหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน จะแพงกว่ามาก ๆ ^[87-90]. แต่ไฮโดรเจนสามารถกักเก็บในปริมาณมากได้ในราคาถูกมาก และอาจแก้ปัญหาการกักเก็บพลังงานนี้ได้ ^[91,92].

แล้วไฮโดรเจนจะมีบทบาทในการลดคาร์บอนของโลกได้ไหม? ได้ แต่ต้องเป็นไฮโดรเจนสีเขียวที่ผลิตจากพลังงานหมุนเวียน ^[93] และต้นทุนต้องสมเหตุสมผลด้วย ^[66-69]. การจะทำแบบนั้นได้ ต้องขยายและปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐาน และใช้พลังงานหมุนเวียนในวงกว้าง.

แต่มีข่าวดี! ตอนนี้พลังงานลมและแสงอาทิตย์ถูกกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลแล้ว ^[27,94-97]. และด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ในช่วงหลัง ราคาการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวก็ลดลงอย่างรวดเร็ว ^[98-102].

ดังนั้น หากมนุษยชาติสนับสนุนเทคโนโลยีเกิดใหม่นี้ ไฮโดรเจนสีเขียวก็อาจเป็นหนึ่งในดาวเด่นที่เรารอคอยอยู่.