การผลิตไฮโดรเจน

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

Steam reforming

 

ไดอะแกรมแสดงชั้นตอนการทำ steam reforming ของมีเทน

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

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

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

CO + H₂O → CO₂ + H₂

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใส่น้ำ(ไอน้ำ)เข้าไป อะตอมของอ๊อกซิเจน (O) จะถูกดึงออกจากน้ำ ไปทำปฏิกิริยาอ๊อกซิเดชั่นกับ CO ได้ CO₂ เกิดความร้อนทำให้ขบวนการดำเนินต่อไป ความร้อนที่ต้องการขับเคลื่อนขบวนการนี้ทั่วไปแล้วได้มาจากการเผาบางส่วนของมีเทน

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

วิธีผลิตอื่นๆจากซากดึกดำบรรพ์

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

เราจะใช้ TPOX หรือ CPOX ขึ้นอยู่กับสารซัลเฟอร์ในเชื้อเพลิงที่นำมาใช้ CPOX จะถูกใช้เมื่อ ปริมาณซัลเฟอร์ต่ำกว่า 50 ppm แต่จากการค้นคว้าเร็วๆนี้ CPOX สามารถใช้กับปริมาณซัลเฟอร์ได้ถึง 400 ppm

• Plasma reforming ใช้ความร้อนสูงจากการ arc ไปเผาสารไฮโดรคาร์บอน ได้ไฮโดรเจน คารืบอนและน้ำ
• Coal Gasification การทำให้ถ่านหินแปรสภาพเป็นแก๊ส ดูการแปรสภาพเป็นแก๊ส

ผลิตจากน้ำ

ขบวนการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วยไฟฟ้า

 

Electrolysis

แบ่งออกเป็น 3 แบบใหญ่ๆตามชนิดของเซลล์คือ 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

 

การใช้สาหร่ายผลิตไฮโดรเจน

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

เป็นขบวนการทางเคมีที่มีประสิทธิภาพในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำได้ดีกว่ามากๆ ซัลเฟอร์และไอโอดีนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และไม่ใช่วัสดุสิ้นเปลือง เหมาะกับการผลิตไฮโดรเจนด้วยอุณหภูมิสูงจากเตาปฏิกรนิวเคลียร์หรือระบบผลิตพลังแสงอาทิตย์เข้มข้น concentrating solar power systems (CSP)

Biohydrogen routes

มวลชีวภาพและเชื้อเพลิงขยะ สามารถนำมาผลิตไฮโดรเจนได้ ด้วยวิธีการแปรสภาพเป็นแก๊ส

การหมัก

การหมักเป็นการเปลี่ยนสารอินทรีย์ให้เป็นแก็สไฮโดรเจนชีวภาพโดยใช้แบคทีเรียที่มีระบบการย่อยหลายๆอย่างทั้งแบบใช้แสงและแบบไม่ใช้แสง เช่นแบคทีเรียแบบใช้แสง ชื่อ Rhodobacter sphaeroides SH2C สามารถเปลี่ยนโมเลกุลของกรดไขมันเล็กๆให้เป็นไฮโดรเจนได้

Synthetic biology

 

electrolysis cell โดยใช้จุลินทรีย์

Biocatalysed electrolysis

นอกเหนือจากการหมักแบบมืด ก็คือ electrohydrogenesis (การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยการใช้จุลินทรีย์) การใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ ทำให้น้ำเสียหรือซากพืชต่างๆสามารถถูกนำมาใช้ผลิตพลังงานได้ Biocatalysed electrolysis ไม่เหมือน biological electrolysis เพราะ biological ทำให้สาหร่ายผลิตไฮโดรเจนได้ทันที แต่ biocatalysed electrolysis จะผลิตไฮโดรเจนได้โดยต้องผ่านเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ก่อน ขบวนการนี้ใช้ได้กับพืชน้ำเช่น ต้นกก หญ้าหวาน cordgrass ข้าว มะเขือเทศ lupines และสาหร่าย เป็นต้น

ไฮโดรเจนหมุนเวียน

ปัจจุบัน สามารถผลิตไฮโดรเจนได้จากพลังงานหมุนเวียน เช่นใช้แก๊สจากการฝังกลบขยะ หรือใช้ไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนเพื่อผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกจากน้ำ เป็นต้น

อ้างอิง

1. [1], วิธีพลาสมาฟอร์มิง