พลังงานนิวเคลียร์อาจจะเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สะอาด

กว่าร้อยปีมาแล้ว ที่มีการฝันกันถึงภาพเศรษฐกิจที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน โดยเป็นเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพ เมื่อเผาไหม้แล้วปล่อยออกมาแต่เพียงน้ำเท่านั้น ในวันนี้ ภาพเหล่านั้นอาจจะกลายเป็นจริง ผู้ที่วางนโยบายพลังงานทั่วโลก ต่างก็มีความเชื่อมั่นมากขึ้น ถึงศักยภาพของไฮโดรเจน ในการเป็นเชื้อเพลิงสำหรับการคมนาคม ซึ่งใช้พลังงานถึงหนึ่งในสามของความต้องการพลังงานในแต่ละปี

ปัญหาสำคัญที่ต้องหาทางแก้ก่อนคือ การพัฒนาแหล่งพลังงาน และระบบการขนส่งไฮโดรเจนปริมาณมากไปยังผู้ใช้ ซึ่งมีทั้งเทคโนโลยีเดิมและเทคโนโลยีใหม่หลายชนิดที่อยู่ระหว่างการศึกษา แต่ตัวเลือกที่เด่นที่สุดอย่างหนึ่งในการผลิตไฮโดรเจนในอนาคตคือพลังงานนิวเคลียร์

   

มีความสนใจที่จะให้มีการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ด้วยปัจจัยทางด้านสิ่งแวดล้อม ด้านการเมืองและด้านเทคโนโลยี:

  • ความวิตกกันระดับนานาชาติ เกี่ยวกับมลภาวะในอากาศ และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิล;
  • ความไม่มั่นคงทางการเมืองของแหล่งผลิตน้ำมันของโลก; และ
  • ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งจะทำให้ยานที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากไฮโดรเจน เป็นจริงขึ้นมาในเวลาอันใกล้นี้

เซลล์เชื้อเพลิงใช้การรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนทำให้เกิดไฟฟ้า และสิ่งที่เกิดตามมามีเพียงแต่ไอน้ำเท่านั้น ในห้าปีสุดท้าย ความหนาแน่นของกำลัง (power density) ซึ่งเป็นสัดส่วนพลังงานที่ให้ออกมาต่อขนาด มีค่าเพิ่มขึ้นสิบเท่า ขณะที่ต้นทุนลดลงสิบเท่า บริษัทขนาดใหญ่ที่ผลิตรถยนต์ มีโครงการพัฒนายานยนต์ที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง ขณะที่ผู้เชี่ยวชาญคาดการณ์ว่า รถยนต์ที่ใช้ไฟฟ้าจากพลังงานไฮโดรเจนจะปรากฏบนถนนของอเมริกาในอีกไม่กี่ปีนี้ ในระยะยาว การเปลี่ยนไปใช้การคมนาคมโดยใช้ไฮโดรเจนเป็นหลักจะใช้เวลาอีกหลายสิบปี ทั้งนี้ เนื่องจาก การใช้เชื้อเพลิงตามที่ฝันไว้นั้นต้องผลิตไฮโดรเจนปริมาณสูงมาก

David Lewis ผู้อำนวยการ Argonne's Chemical Technology Division กล่าวว่า คนอเมริกันขับรถประมาณปีละเกือบสามล้านล้านไมล์ (trillion miles) ถ้าคิดว่ารถที่ใช้ไฟฟ้านั้นมีประสิทธิภาพสองเท่า ของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้กันทุกวันนี้ คุณจะต้องใช้ไฮโดรเจน 34 ล้านเมตริกตัน เพื่อให้เพียงพอต่อระยะทางที่ใช้นั้น หมายความว่า ต้องเพิ่มการผลิตทั่วโลกขึ้นอีก 70% จึงจะเพียงพอต่อการใช้สำหรับการคมนาคมเฉพาะในอเมริกา

ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาล แต่ไฮโดรเจนที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงนั้น ต้องการในรูปของก๊าซ ซึ่งมีอยู่น้อยมากในธรรมชาติและต้องผลิตขึ้นมา ปัจจุบันการผลิตทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ50 เมตริกตันต่อปี ส่วนใหญ่เป็นการใช้สำหรับอุตสาหกรรมน้ำมันและการผลิตปุ๋ย

ประมาณ 95% ของไฮโดรเจน ผลิตขึ้นจากกระบวนการกลั่นมีเทน หรือก๊าซธรรมชาติ ซึ่งให้ไฮโดรเจนออกมา แต่จุดประสงค์หลักของการใช้พลังงานไฮโดรเจน คือการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แต่กระบวนการกลั่นต้องทำให้สารเหล่านี้เป็นไอ โดยการเผาก๊าซธรรมชาติ ทำให้มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา

   

Leon Walters วิศวกรของ Argonne กล่าวว่า การใช้กระบวนการกลั่นในการผลิตไฮโดรเจน สำหรับใช้ในการคมนาคมนั้น จะต้องมีการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ แต่น่าจะดีกว่า ถ้าใช้กระบวนการผลิตไฮโดรเจน ที่ไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกออกมา

การแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำ

วิธีหนึ่งที่ทำได้ คือการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) โดยใช้ไฟฟ้าในการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน วิธีการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์นี้ มีการใช้กันมากว่าร้อยปีแล้ว

Walters กล่าวว่า ถ้ารถที่ใช้ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าของเครื่องยนต์สันดาปภายใน การผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าก็มีต้นทุนใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซินที่ราคา 1.5 เหรียญต่อแกลลอน เครื่องแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า (hydrogen electrolyzers) สามารถติดตั้งที่มุมหนึ่งของสถานีเติมน้ำมัน และในไม่ช้าอาจจะมีสถานีเติมเชื้อเพลิงที่บ้าน แบบเดียวกับปลั๊กไฟฟ้าในโรงรถ

มีหน่วย electrolysis ขนาดใหญ่เดินเครื่องอยู่ทั่วโลก ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการเติมเชื้อเพลิง สำหรับรถยนต์สาธารณะ และเป็นแหล่งสำรองพลังงานให้กับอาคารขนาดใหญ่

แต่การจะแทนที่เชื้อเพลิงที่ใช้กับรถยนต์สำหรับการคมนาคม ด้วยการใช้ไฮโดรเจนผลิตไฟฟ้านั้น ต้องใช้กำลังไฟฟ้าในการผลิต 241 พันเมกะวัตต์ (gigawatts) ซึ่ง Walters อธิบายว่า “ปริมาณนี้เทียบเท่ากับโรงไฟฟ้าขนาด 1,000-megawatt จำนวน 241 โรง ซึ่งเห็นได้ชัดว่า มันจะไม่เกิดขึ้นภายในเวลา 5 หรือ 10 ปีนี้แน่”

ไฟฟ้าที่ต้องใช้เพิ่มขึ้นนี้มาจากไหน ?

“เทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน (renewable energy) เช่น ลม แสงอาทิตย์ ความร้อนใต้พื้นโลก เป็นแหล่งสนับสนุนที่สำคัญ เทคโนโลยีเหล่านี้นำมาใช้ผลิตไฟฟ้าได้เป็นช่วงๆ แต่สามารถนำมาใช้ผลิตไฮโดรเจนและเก็บเอาไว้ เมื่อมีกระแสลมพัด เมื่อเวลาที่มีแสงอาทิตย์ แต่โอกาสที่จะทำให้มีประสิทธิภาพ ในการผลิตไฟฟ้าได้ขนาด 241 gigawatts นั้น ค่อนข้างเลือนลาง ตัวอย่างเช่น คุณต้องใช้กังหันลม 640,000 หน่วย ซึ่งต้องใช้พื้นที่ 71,000 ตารางไมล์ หรือขนาดเท่ากับ พื้นที่ของรัฐโอไฮโอรวมกับรัฐอินเดียนา”

Walters กล่าวว่า “เทคโนโลยีพลังงาน ที่สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้มากขนาดนั้น โดยไม่ทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจก มีเพียงพลังงานนิวเคลียร์เท่านั้น ”

   

แต่ไม่มีใครคาดว่าจะใช้วิธีการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) ทั้งหมด เขากล่าวว่า “อาจจะใช้วิธีแยกออกจากไอน้ำ (steam reforming) ร่วมกับการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) ซึ่งจะทำให้มีแหล่งผลิตไฮโดรเจน ออกสู่ตลาดได้ในเวลาอันใกล้มากขึ้น ส่วนในระยะยาว ต้องทำให้มีศักยภาพสูงขึ้น โดยการพัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ก้าวหน้า เพื่อใช้ความร้อนเป็นแหล่งผลิตไฮโดรเจนในระดับที่ต้องการใช้”

สุดท้าย พลังงานนิวเคลียร์จะกลายเป็นจุดเชื่อมต่อที่สำคัญของระบบการผลิตพลังงาน วิสัยทัศน์ข้อนี้ปรากฏเป็นหลักการข้อหนึ่ง ในข้อเสนอของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เรื่องนิวเคลียร์รุ่นที่ 4 (Department of Energy's Generation-IV Nuclear deliberations) ซึ่งเป็นความร่วมมือกับอีก 10 ประเทศ ในการพัฒนาโครงการนิวเคลียร์นิวเคลียร์รุ่นที่ 4 เพื่อการวิจัยและพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ระยะต่อไป ซึ่งภาพของพลังงานนิวเคลียร์ในอนาคต จะไม่ได้ถูกมองว่าเป็นแต่เพียงแหล่งในการผลิตไฟฟ้าเท่านั้น

David Wade วิศวกรนิวเคลียร์ของ Argonne กล่าวว่า “ความก้าวหน้าของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอนาคต จะสามารถให้ความร้อนในการผลิตไฮโดรเจน เท่าที่เรารู้ พลังงานนิวเคลียร์ เป็นหนทางเดียว ที่ผลิตความร้อนปริมาณมาก โดยไม่ต้องเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลจำนวนมาก แต่ทุกวันนี้ พลังงานนิวเคลียร์ยังมีความร้อนสูงไม่พอ”

อุณหภูมิของสารระบายความร้อนใเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน มีอุณหภูมิประมาณ 400 องศาเซลเซียส หรือ 750 ฟาเรนไฮต์ แต่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบก้าวหน้ารุ่นใหม่ มีหลายชนิดที่มีอุณหภูมิของสารระบายความร้อนสูงถึง 900 เซลเซียส หรือ 1,650 ฟาเรนไฮต์ ซึ่งใช้เวลาในการพัฒนา ประมาณ 20 หรือ 30 ปี

เทคโนโลยีอย่างหนึ่ง ที่โครงการนิวเคลียร์รุ่นที่ 4 จะมีการพัฒนาต่อไป คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็ว ระบายความร้อนด้วยโลหะเหลว (liquid-metal-cooled fast reactor) เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ ไม่เพียงแต่ให้ความร้อนออกมาเท่านั้น แต่ยังสามารถทำให้เกิดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เพิ่มขึ้นใหม่ จากการเปลี่ยนยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่ใช่วัสดุฟิสไซล์ ให้เป็นพลูโตเนียม ซึ่งเป็นวัสดุฟิสไซล์ได้ด้วย

Wade กล่าวอีกว่า “ถ้าใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อให้พลังงานสำหรับการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากในระดับโลก เราจำเป็นต้องผลิตเชื้อเพลิงขึ้นมาใหม่ เนื่องจากแหล่งที่มีอยู่ในธรรมชาติอาจจะหมดไปภายใน 50 ปี”

“เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยโซเดียม (Sodium-cooled fast reactors) สามารถให้ความร้อน โดยมีอุณหภูมิของสารหล่อเย็น 600 องศาเซลเซียส หรือ 1,100 ฟาเรนไฮต์ มากพอที่จะใช้เปลี่ยนรูปของไอสำหรับผลิตไฮโดรเจน ประสบการณ์การเดินเครื่องเท่าที่ผ่านมา อยู่ในระดับดีมาก ห้องปฏิบัติการอาร์กอน (Argonne) มีประสบการณ์ในการเดินเครื่อง ของเครื่องปฏิกรณ์ทดลองแบบ Experimental Breeder Reactor II โดยมีความปลอดภัยและวางใจได้มาเป็นเวลา 30 ปี ที่ Argonne-West ในรัฐ Idaho”

“โครงการนิวเคลียร์ของรัสเซีย มีการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยตะกั่ว ซึ่งสามารถให้ความร้อนได้ 850 ถึง 900 องศาเซลเซียส (1,560 - 1,650 F) ซึ่งสูงพอที่จะใช้ในเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน แบบที่ใช้เคมีความในร้อน (thermochemical) ในการแยกออกจากน้ำ ”

   

การผลิตไฮโดรเจนโดยแยกจากน้ำ

Wade กล่าวว่า มีการพัฒนาเทคนิคการแยกด้วยเคมีความร้อนอยู่ทั่วโลก โดยทั่วไป กระบวนการนี้จะใช้อุณหภูมิ 700 – 900 องศาเซลเซียส (1,290 - 1,650 F) ร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ทำให้โมเลกุลของน้ำแยกตัวออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีจะใช้หมุนเวียนอยู่ในระบบ โดยป้อนน้ำเข้าไปและได้ไฮโดรเจนกับออกซิเจนออกมา

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบอุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยก๊าซ (Gas-cooled, high-temperature reactors) ทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส (1,650 F) ดูจะเป็นแหล่งความร้อนในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำด้วยเคมีความร้อนได้เหมือนกัน ปัจจุบัน มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนี้อยู่บ้างแล้วในอังกฤษและฝรั่งเศส แต่กำลังจะเลิกใช้ เนื่องจากไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ขณะที่สหรัฐอเมริกาและเยอรมันกำลังพัฒนา เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ (gas-cooled reactors) รุ่นที่ 2 อัฟริกาใต้ คาดว่าเครื่องปฏิกรณ์ต้นแบบในเชิงพาณิชย์ จะออกสู่ตลาดได้ภายใน 10 ปีนี้ ส่วนญี่ปุ่นมีแผนที่จะสร้างต้นแบบของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยก๊าซฮีเลียม เพื่อใช้เป็นแหล่งผลิตความร้อน

Wade กล่าวว่า กระบวนการเคมีความร้อน (Thermochemical processes) ยังไม่มีการใช้ในเชิงพาณิชย์ เนื่องจาก วิธีการเปลี่ยนรูปไอของก๊าซธรรมชาติ ยังมีราคาถูกกว่า และยังสามารถรองรับตลาดได้ แต่เริ่มมีความวิตกกันในเรื่องของสิ่งแวดล้อมและการพึ่งพาพลังงานที่มีการปล่อยก๊าซที่ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก

Wade สรุปว่า การเปลี่ยนไปสู่เศรษฐกิจไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ต้องใช้เวลาอีกอย่างน้อย 30 ปี แต่จะทำให้ได้พลังงานที่สะอาด มีแหล่งเชื้อเพลิงปริมาณมาก สำหรับใช้ในการขนส่ง ในครัวเรือน และในอุสาหกรรม

 
ถอดความจาก Nuclear plants may be clean hydrogen source
เวบไซต์ http://www.anl.gov/