การคมนาคมกับเศรษฐกิจไฮโดรเจน

  • ไฮโดรเจนถูกมองว่าจะเป็นพลังงานหลักในการขนส่งในอนาคต แต่อนาคตนั้นอาจจะไกลออกไปกว่าที่คาดกันไว้
  • ในระยะสั้น ยานไฮบริด (hybrid) ที่ใช้ไฟฟ้า จะเพิ่มความต้องการใช้ไฟฟ้าของพื้นฐาน (base-load power) ของระบบการใช้ไฟฟ้า
  • การใช้ไฮโดรเจนจากน้ำมันดิบ สำหรับทำเป็นเชื้อเพลิงในการขนส่ง จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
  • พลังงานนิวเคลียร์สามารถใช้ผลิตไฮโดรเจนจากไฟฟ้า และในอนาคต เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบอุณหภูมิสูง อาจจะใช้ผลิตไฮโดรเจนได้ด้วยกระบวนการเคมีความร้อนสูง (thermochemical)
  • ความต้องการพลังงานในการผลิตไฮโดรเจน จะสูงเกินกว่าการผลิตไฟฟ้าที่มีอยู่ในปัจจุบัน

พลังงานนิวเคลียร์เหมาะสำหรับการขนส่งทางถนนและยานยนต์ที่ใช้ไฟฟ้า ด้วยเหตุผล 2 ประการ คือ 1) ยานไฮบริดแบบใช้ไฟฟ้า (hybrid electric vehicles) สามารถนำมาใช้ได้ เมื่อ ทำการประจุไฟฟ้า ขณะที่มีการใช้ไฟฟ้าอยู่ในช่วงต่ำของวัน (off-peak) 2) เชื้อเพลิงไฮโดรเจน สามารถได้มาจากการกลั่นน้ำมัน และได้มาจากการใช้ปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูง ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูง

ยานไฮบริดได้พลังงานจากแบตเตอรี และเครื่องยนต์สันดาปภายใน (internal combustion engine) การลงทุนที่สูงกว่า จะถูกชดเชยด้วยการต้นทุนการดำเนินการที่ต่ำกว่า และการปล่อยมลพิษออกมาน้อยกว่า การใช้แบตเตอรีที่ดีขึ้น จะทำให้การใช้ไฟฟ้าในการขับเคลื่อนดีมากขึ้น และสามารถประจุไฟฟ้าได้จากระบบไฟฟ้าหลัก เช่นเดียวกับการใช้ไฟฟ้าจากมอเตอร์ ปัจจุบัน ยานแบบ plug-in electric hybrid vehicles (PHEV) นี้ ใกล้จะประสบความสำเร็จ ในการนำมาใช้งานและเกิดความประหยัดได้แล้ว

เมื่อมีการใช้ PHEV อย่างกว้างขวาง จะทำให้มีการใช้พลังงานไฟฟ้า จากระบบสายส่งในช่วงกลางคืนที่มีการใช้น้อย (off-peak rates) เพิ่มมากขึ้น ซึ่งจะทำให้มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงขึ้น หมายความว่า สัดส่วนการผลิตไฟฟ้าของประเทศ ในส่วนของโรงไฟฟ้าที่เป็น base-load จะสูงขึ้น ซึ่งเป็นส่วนที่มีต้นทุนต่ำกว่า และถ้าเป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ก็จะทำให้ไม่มีการปล่อยก๊าซที่เป็นมลพิษออกมา (emission-free)

ไฮโดรเจน (hydrogen)

ไฮโดรเจนเป็นผลิตภัณฑ์ทางเคมีที่มีความสำคัญ มีการใช้มากในการผลิตปุ๋ยไนโตรเจน และมีการใช้ในการปรับน้ำมันดิบคุณภาพต่ำ (low-grade crude oils) ให้เป็นน้ำมันเชื้อเพลิง* และบางส่วนใช้ในกระบวนการทางเคมีประเภทอื่น โดยมีการใช้ทั่วโลกประมาณปีละ 50 ล้านตัน มีการใช้เพิ่มขึ้นปีละ 10% โดยมีหน่วยงานจำนวนมาก ที่มีประสบการณ์ในการดูแลการใช้ไฮโดรเจนในระดับที่เป็นสเกลใหญ่ ความจริงแล้วไฮโดรเจนทั้งหมดที่ใช้ในปัจจุบัน ผลิตจากก๊าซธรรมชาติ ซึ่งทำให้ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมามากขึ้น

* ไฮโดรเจนใช้เปลี่ยนทรายน้ำมัน (CH)nหรือน้ำมันดิบ (CH1.5)nไปเป็นน้ำมันเชื้อเพลิง (CH2)n

ไฮโดรเจนไม่ใช่แหล่งพลังงาน แต่เป็นตัวพาพลังงาน (energy carrier) เช่นเดียวกับไฟฟ้า เมื่อน้ำมันมีราคาแพงมากขึ้น สุดท้าย ไฮโดรเจนอาจจะเข้ามาแทนที่ เป็นเชื้อเพลิงในการขนส่ง และการใช้งานในด้านอื่นๆ พัฒนาการเหล่านี้เริ่มใกล้ความจริงมากขึ้น เช่น การพัฒนาของเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cells) ที่ใช้ไฮฺโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง แต่การบรรจุและเก็บไว้ในยานพาหนะ ยังเป็นงานหลักที่ท้ายทายนักพัฒนาอยู่

ถ้าก๊าซมีราคาแพง หรือมีการบังคับใช้เรื่องการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การใช้แหล่งผลิตไฮโดรเจนที่ไม่ใช่เชื้อเพลิงฟอสซิล จะเป็นสิ่งที่มีความจำเป็น

ไฮโดรเจนสำหรับใช้ในยานยนต์ จะมีการผลิตขึ้นในไม่ช้านี้ เมื่อมีการนำมาใช้เช่นเดียวกับไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้ประเทศอุตสาหกรรมมีการพึ่งพาน้ำมันและก๊าซ ที่ส่งมาจากที่ห่างไกลของโลกน้อยลง

ในระยะอันใกล้นี้ ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้อย่างประหยัด โดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolysis) โดยใช้ไฟฟ้าในช่วงที่มีการใช้ไฟน้อย (off-peak) ทำให้มีการใช้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มากขึ้น ในอนาคต สามารถใช้ความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์โดยตรง ในการทำให้เกิดกระบวนการทางเคมี โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูง (high-temperature reactors)

ปัจจุบันมีความต้องการไฮโดรเจน* จากโรงงานเคมีและโรงกลั่นน้ำมันในโลก ใกล้เคียงกับกำลังการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ของสหรัฐอเมริกา ความต้องการไฮโดรเจนที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อใช้กับเทคโนโลยีไฮโดรเจน โดยมีราคาเชื้อเพลิงต่ำ และมีกำลังการผลิตเพียงพอต่อความต้องการได้นั้น เหมาะที่จะใช้พลังงานนิวเคลียร์ ข้อจำกัดในเรื่องเครือข่ายท่อส่งในปัจจุบัน อาจจะทำให้หน่วยผลิตตั้งอยู่ห่างไกลจากผู้ใช้

*พลังงานความร้อน 121 MJ/kg: 6050 PJ เทียบเท่ากับ 70% ของการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงานนิวเคลียร์ของสหรัฐ

ในสหรัฐอเมริกา มีการผลิตไฮโดรเจน 11 ล้านตันต่อปี ใช้พลังงานความร้อน 48 GWt และใช้ก๊าซธรรมชาติ 5% ของสหรัฐ และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา 77 ล้านตันต่อปี แม้การคาดการณ์นี้ยังอยู่อีกไกล แต่การใช้ไฮโดรเจนสำหรับภาคการขนส่งทุกประเภทในสหรัฐ ต้องใช้ไฮโดรเจน 200 ล้านตันต่อปี*

* ไฮโดรเจน 89.88g มาจากก๊าซไฮโดรเจนปริมาตร 1 m3 ที่ STP; ไฮโดรเจน 1 ตัน มาจากก๊าซไฮโดรเจนปริมาตร 11,126 m3 ที่ STP

แต่ละตันของไฮโดรเจนที่ได้มาจากก๊าซธรรมชาติ จะทำให้มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงขึ้น 11 ตัน

จากจุดนี้จะเห็นว่า เมื่อเศรษฐกิจไฮโดรเจนเกิดขึ้นแล้ว จะเกี่ยวโยงไปถึงอุตสาหกรรมการกลั่นและอุตสาหกรรมเคมีทั่วโลก โดยยังไม่รวมถึงปัญหาใหญ่ในเรื่องการเก็บและการควบคุมดูแล เมื่อนำมาใช้ในรถยนต์ สำหรับการนำไฮโดรเจนมาใช้เป็นเชื้อเพลิง พลังงานหลักที่ต้องนำมาใช้ในการผลิตไฮโดรเจน คือการผลิตด้วยไฟฟ้า

หมายความว่า ความต้องการใช้ไฟฟ้าจะสูงขึ้น เมื่อมีการใช้รถยนต์แบบไฮบริดกว้างขวางออกไป การประจุไฟฟ้าให้กับแบตเตอรีโดยใช้ไฟบ้าน มีราคาถูกกว่าการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน ความต้องการนี้จึงควรจะอยู่ในแผนการสร้างโรงไฟฟ้าแห่งใหม่ด้วย

 
  ช่างเทคนิคกำลังตรวจสอบเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในยานอวกาศ Gemini 7 ในปี 1965 (ภาพจาก the Science Service Historical Image Collection)

พลังงานนิวเคลียร์กับการผลิตไฮโดรเจน (Nuclear energy and hydrogen production)

ปัจจุบัน มีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้าอยู่แล้ว จึงสามารถนำมาใช้ผลิตไฮโดรเจนได้ทันที ถ้ามีความต้องการสูงขึ้น

บทบาทการพัฒนาของพลังงานนิวเคลียร์ ในเรื่องการผลิตไฮโดรเจน ในช่วง 3 ทศวรรษต่อไป อาจจะสูงขึ้นเนื่องจาก:

  • การผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolysis) ใช้ช่วงเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าน้อย (off-peak)
  • การใช้ความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์ ช่วยแยกไอของก๊าซธรรมชาติ
  • การแยกไอน้ำความร้อนสูงมากโดยใช้ไฟฟ้า (high-temperature electrolysis) โดยใช้ความร้อนและไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ และ
  • การผลิตไฮโดรเจนโดยใช้ปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูง (high-temperature thermochemical) โดยใช้ความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์

ประสิทธิภาพของกระบวนการผลิต (พลังงานความร้อนต่อไฮโดรเจน) จะเพิ่มขึ้นจาก 25%ในปัจจุบัน ที่ใช้เครื่องปฏิกรณ์ ทำให้เกิดการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (ประสิทธิภาพ 33% ของเครื่องปฏิกรณ์ คูณกับ 75% ของ cell) เป็น 36% เมื่อใช้เครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เป็นประมาณ 45% เมื่อใช้การแยกไอน้ำความร้อนสูงด้วยไฟฟ้า (high-temperature electrolysis) และเป็นประมาณ 50% เมื่อใช้วิธีการผลิตด้วยปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูงโดยตรง*

* เมื่อไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า จะมีประสิทธิภาพ 30-40% และมีประสิทธิภาพรวม 15-20% เมื่อส่งแรงให้กับล้อรถ ขณะที่การใช้ plug-in electric hybrid vehicles หรือ PHEV ที่มีประสิทธิภาพ 25-30%

การใช้ไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์ สำหรับผลิตไฮโดรเจน โดยการแยกน้ำที่อุณหภูมิต่ำ (Low-temperature electrolysis) มีการใช้ในระดับเล็กอยู่แล้วในปัจจุบัน แต่ทำให้ได้ไฮโดรเจนที่มีต้นทันสูงกว่า (บางแห่งมีต้นทุน $4-6 ต่อกิโลกรัม เมื่อเทียบกับต้นทุน $1.00-1.50 เมื่อผลิตจากก๊าซธรรมชาติ แต่บางแห่งมีราคาใกล้เคียงกัน โดยมีต้นทุน 4c/kWh เมื่อผลิตด้วยไฟฟ้า และมีต้นทุน US$ 9.50/GJ เมื่อผลิตจากก๊าซธรรมชาติ)

นักวิจัยของสหรัฐที่ Idaho National Laboratory ร่วมกับ Ceramatec ได้ทำการสาธิตการแยกไอน้ำอุณหภูมิสูงด้วยไฟฟ้า (High-temperature electrolysis) ที่อุณหภูมิ 800?C หรือสูงกว่า ที่แสดงให้เห็นแล้วว่าได้รับผลดี

 
 
ปัจจุบัน ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมด ผลิตจากก๊าซธรรมชาติในกระบวนการกลั่นน้ำมัน

ไฮโดรเจนจากความร้อนของพลังงานนิวเคลียร์ (Hydrogen from nuclear heat)

มีการพัฒนาการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ โดยใช้กระบวนการเคมีความร้อน (thermochemical processes) โดยตรงหลายวิธี การผลิตด้วยวิธีที่ประหยัด จะต้องทำให้มีอุณหภูมิสูง เพื่อให้อะตอมของแต่ละธาตุแยกจากกัน และทำให้มีประสิทธิภาพการผลิตสูงขึ้น กระบวนการผลิตด้วยเคมีความร้อนอีกวิธีหนึ่ง คือการใช้กรดกำมะถัน (sulfuric acid) ที่มีอุณหภูมิสูง (800-1000?C) และมีความดันต่ำ เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic) ซึ่งจะแยกตัวออกเป็นออกซิเจน กับซัลเฟอร์ไดออกไซด์

H2SO4 ==> H2O + SO2 + 1/2O2

นอกจากนั้น ยังมีอีกหลายวิธี ในการใช้กระบวนการ iodine-sulfur (IS) จะรวมไอโอดีนเข้ากับ SO2 และน้ำ ทำให้ได้ ไฮโดรเจนไอโอไดด์ (hydrogen iodide) ก่อนจะแยกออกเป็นไฮโดรเจนกับไอโอดีน กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยา Bunsen ซึ่งให้ความร้อนออกมา (exothermic) และเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิไม่สูง (120?C)

I2 + SO2 + 2H2O ==> 2HI + H2SO4

ไฮโดรเจนไอโอไดด์แยกออกเป็นไฮโดรเจนกับไอโอดีน ที่อุณหภูมิประมาณ 350?C เป็นปฏิกิริยาแบบดูดความร้อน (endothermic)

2HI ==> H2 + I2

ไฮโดรเจนสามารถขนส่งไปโดยใช้ความดันสูง
ปฏิกิริยารวมจึงอยู่ในรูป

H2O ==> H2 + 1/2O2

ตัวทำปฏิกิริยา (reagents) อื่นที่นอกเหนือจากน้ำ สามารถนำกลับมาใช้หมุนเวียนในกระบวนการ

องค์การพลังงานปรมาณูแห่งประเทศญี่ปุ่น (Japan Atomic Energy Authority) หรือ JAEA ได้สาธิตการผลิตไฮโดรเจนระดับห้องปฏิบัติการ และระดับตั้งโต๊ะ ด้วยกระบวนการไอโอดีน-ซัลเฟอร์ (IS process) สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 30 ลิตรต่อชั่วโมง

ห้องปฏิบัติการ Sandia National Laboratory ของสหรัฐอเมริกา และ CEA ของฝรั่งเศส กำลังพัฒนา IS process อยู่เช่นกัน โดยมีจุดมุ่งหมายที่จะนำไปใช้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบอุณหภูมิสูง (high-temperature reactors)

General Atomic ได้ทำห้องปฏิบัติการต้นแบบ เพื่อใช้ในการผลิตไฮโดรเจน ด้วยปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูง (thermochemical) ซึ่งจะเสร็จสมบูรณ์ในปี 2006 จากนั้น จะสร้างโรงงานผลิตไฮโดรเจนต้นแบบ ขนาด 10 MW ซึ่งใช้ความร้อนจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ก่อนที่จะสร้างโรงงานผลิตไฮโดรเจน ด้วยปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูง โดยใช้พลังงานนิวเคลียร์ ในปี 2015

เศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจน ขึ้นกับประสิทธิภาพของวิธีการที่ใช้ กระบวนการที่ใช้ IS cycle ร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูง คาดว่าจะผลิตไฮโดรเจนได้ในราคา $1.50 ถึง $2.00 ต่อกิโลกรัม โดยมีออกซิเจนเป็นผลพลอยได้ที่มีค่าออกมาด้วย

นอกจากนั้น ยังมีโครงการที่จะทำให้ กระบวนการของปฏิกิริยาเคมีความร้อนสูง มีประสิทธิภาพการผลิตโดยรวม สูงกว่า 50% และการสร้างโรงงานผลิตร่วม (combined cycle) ซึ่งจะผลิตไฮโดรเจนและไฟฟ้า โดยอาจจะมีประสิทธิภาพได้ถึง 60%

 
 
เครื่อง electrolyser กำัลังเติมไฮโดรเจนให้กับรถยนต์ Ford Focus

รูปแบบของเครื่องปฏิกรณ์ที่ต้องการ (production reactor requirements)

อุณหภูมิที่ต้องการ อยู่ที่ประมาณ 750-1000?C แต่ถ้าอุณหภูมิสูงถึง 1000?C ประสิทธิภาพการเปลี่ยนสารประกอบไฮโดรเจน จะสูงกว่าที่อุณหภูมิ 750?C ประมาณ 3 เท่า โรงงานเคมีจะต้องสร้างให้อยู่ใกล้กับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยอยู่แยกกันเพื่อความปลอดภัย และอาจจะต้องมีระบบตัวกลางที่ใช้ฮีเลียมฟลูออรีนเหลว

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่เหมาะสำหรับการนำมาใช้ผลิตไฮโดรเจน มี 3 แบบ โดยมีเพียงแบบแรก ที่สามารถพัฒนาต่อไปใช้ได้

  • เครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงหล่อเย็นด้วยก๊าซ (high-temperature gas-cooled reactor, HTGR) เป็นเครื่องปฏิกรณ์ชนิด pebble bed หรือ hexagonal fuel block แบบหนึ่ง เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 285 MWe จะทำงานที่อุณหภูมิ 950?C แต่สามารถปรับให้สูงกว่านี้ได้
  • เครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงแบบก้าวหน้า (advanced high-temperature reactor, AHTR) เป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้เชื่อเพลิงเป็น เม็ดเชื้อเพลิงหุ้มด้วยกราไฟท์ผสม (coated-particle graphite-matrix fuel) และใช้ฟลูออรีนเหลวเป็นสารหล่อเย็น การทำงานคล้ายกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ HTGR แต่ใช้ความดันต่ำ (น้อยกว่า 1 บรรยากาศ) และอุณหภูมิสูง ทำงานมีการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดีกว่า เครื่องปฏิกรณ์ที่พบ ขนาด 1000 mwe/2000 mwt
  • เครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็วหล่อเย็นด้วยตะกั่ว (lead-cooled fast reactor) ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าแบบ HTGR แบบที่พัฒนาได้ดีที่สุด เป็นเครื่องปฏิกรณ์ Russian BREST ของรัสเซีย ทำงานที่อุณหภูมิ 540?C สหรัฐอเมริกามีโครงการสร้างเครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ ชื่อว่า STAR-H2 ทำงานที่อุณหภูมิ 780?C ใช้สำหรับผลิตไฮโดรเจน และแบบที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ใช้สำหรับผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล (desalination)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาด 600 MWt สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 200 ตันต่อวัน ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการใช้ ในอุตสาหกรรมปัจจุบัน

ในการประชุม Generation IV International Forum สถาบันวิจัยพลังงานปรมาณูแห่งประเทศเกาหลี (Korean Atomic Energy Research Institute, KAERI) ได้เสนอการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงมาก (Very High Temperature Reactor, VHTR) สำหรับผลิตไฮโดรเจน โดยเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 300 MWt สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 30,000 ตันต่อปี KAERI คาดว่าการออกแบบด้านรูปแบบ (concept) จะสำเร็จในปี 2008 การออกแบบทางวิศวกรรมจะสำเร็จในปี 2014 การก่อสร้างจะเริ่มในปี 2016 และจะเดินเครื่องได้ในปี 2020

KAERI มีโครงการวิจัยร่วมกับมหาวิทยาลัย Tsinghua ประเทศจีน ในเรื่องการผลิตไฮโดรเจนโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ HTR-10 ของจีน และก่อตั้ง South Korea-US Nuclear Hydrogen Joint Development Center ร่วมกับบริษัท General Atomics ของสหรัฐ ในปี 2005

มีการใช้เกลือฟลูออไรด์เหลว (molten fluoride salts) เป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนความร้อน ระหว่างโรงงงานนิวเคลียร์ กับโรงงานเคมี โดยอุตสาหกรรมอลูมิเนียม มีประสบการณ์ในการจัดการระบบนี้ได้อย่างปลอดภัย มีการใช้เกลือเหลวเหล่านี้ในระบบหล่อเย็นทุติยภูมิของโรงไฟฟ้าที่ใช้ฮีเลียม กับ Brayton cycle ทำให้ประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนสูงขึ้น จาก 48% ที่ 750?C เป็น 59% ที่ 1000?C

 
 
สถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในแคลิฟอร์เนีย

ทิศทางข้างหน้า (Moving forward)

เมื่อปี 2004 การประเมินขององค์การพลังงานปรมาณูแห่ง ประเทศญี่ปุ่น (JAEA) ชี้ให้เห็นว่า ในปี 2010 จะมีการยืนยันได้ถึงความปลอดภัยของเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูง (high-temperature reactors) และความแน่นอนในการใช้งานเทคโนโลยีนี้ สำหรับใช้ร่วมกับโรงงานไอโอดีน-ซัลเฟอร์ (IS plant) ในการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการเคมีความร้อนสูง โดยเมื่อเดือนเมษายน 2004 เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูงสำหรับทดสอบทางวิศวกรรม (High-Temperature Engineering Test Reactor) หรือ HTTR สามารถทำอุณหภูมิของสารหล่อเย็นให้ออกมาได้ 950?C ซึ่งเป็นครั้งแรกในโลก และจะเป็นแนวทางในการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการเคมีความร้อนสูง (thermochemical hydrogen production)

ส่วนโรงงานต้นแบบในโครงการทดสอบการผลิตไฮโดรเจน 30 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง จากเครื่องปฏิกรณ์ขนาด 400 kW ที่ใช้ฮีเลียมเป็นสารหล่อเย็น ยังอยู่ในระหว่างการทดสอบความเป็นไปได้ทางวิศวกรรม ของกระบวนการไอโอดีน-ซัลเฟอร์ (IS process) หลังจากปี 2010 โรงงานไอโอดีน-ซัลเฟอร์ จะมีกำลังผลิตไฮโดรเจน 1000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง (90 กิโลกรัมต่อชั่วโมง หรือ 2 ตันต่อวัน) โดยเชื่อมต่อกับเครื่องปฏิกรณ์ HTTR ซึ่งระบบการผลิตรวมนี้ เราจะได้เห็นในปี 2020

องค์การพลังงานปรมาณูแห่ง ประเทศญี่ปุ่น (JAEA) วางแผนที่จะใช้เครื่องปฏิกรณ์ GTHTR300C ขนาด 600 MW สำหรับผลิตไฮโดรเจน โดยใช้ระบบกังกันก๊าซสำหรับผลิตไฟฟ้า ร่วมกับกระบวนการไอโอดีน-ซัลเฟอร์ สำหรับผลิตไฮโดรเจน ซึ่งจะสร้างเครื่องแรกขึ้นมาใช้ได้ในปี 2020 ทำให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 60,000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง หรือ 130 ตันต่อวัน เพียงพอที่จะใช้กับรถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงประมาณ 1 ล้านคัน (คิดที่ไฮโดรเจน 1 ตันต่อวัน ใช้ได้กับรถ 7,700 คัน)

เมื่อพิจารณาด้านเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจน ด้วยกระบวนการเคมีความร้อนสูงแล้วดูมีอนาคตที่ดี บริษัท General Atomics มีโครงการผลิตไฮโดรเจนในราคา 1.53 US$ ต่อกิโลกรัม โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์ HTGR ขนาดกำลัง 2400 MWt ทำงานที่อุณหภูมิ 850?C โดยมีประสิทธิภาพรวม 42% และจะได้ราคา 1.42 $ ต่อกิโลกรัม ที่อุณหภูมิ 950?C โดยมีประสิทธิภาพ 52% (ทั้งสองแนวทางใช้ 10.5% discount rate) ขณะที่ราคาในปี 2003 การผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกก๊าซธรรมชาติ มีราคา 1.40 US$ ต่อกิโลกรัม โดยทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้ต้นทุนสูงขึ้นเป็น 1.60 US$ ต่อกิโลกรัม แต่ละโรงงานมีกำลังการผลิตไฮโดรเจน 800 ตันต่อวัน เพียงพอที่จะใช้รถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงได้ 1.5 ล้านคัน (คิดที่ไฮโดรเจน 1 ตันต่อวัน ใช้ได้กับรถ 1800 คัน)

ในขณะเดียวกันนี้ ไฮโดรเจนก็สามารถผลิตได้ด้วยวิธีการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolysis) โดยใช้ไฟฟ้าจากแหล่งใดก็ได้ ถ้าไม่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล อาจจะใช้เชื้อเพลิงประเภทอื่น เช่น พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ แต่ก็ยังมีปัญหาเรื่องความไม่แน่นอน และเรื่องของการกักเก็บพลังงานอยู่ ขณะที่พลังงานนิวเคลียร์จะมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ถ้านำมาใช้ผลิตไฮโดรเจน โดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานทั้งความร้อนและไฟฟ้า

 
 
ถังบรรจุไฮโดรเจนแบบถังคู่ Thiokol

การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในการคมนาคม

การเผาไหม้ของไฮโดรเจนทำให้เกิดแต่เพียงไอน้ำ โดยไม่มีคาร์บอนไดออกไซด์ หรือคาร์บอนมอนอกไซด์

ไฮโดรเจนสามรถเผาไหม้ได้ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในธรรมดา โดยมีการติดตั้งในรถทดลองบางคัน มีการนำไปทดลองใช้ในเครื่องบิน ในอนาคตอันไม่ไกลนี้ จะมีการพัฒนาเทคโนโลยี ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน ที่สามารถใช้เชื้อเพลิงไฮโรเจน บริษัทผลิตรถยนต์หลายแห่ง มีการเปิดตัวรถยนต์ที่ใช้พลังงานจากไฮโดรเจน

ในที่สุดแล้ว ดูเหมือนคำตอบจะอยู่ที่ เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cells) ซึ่งใช้หลักการของแบตเตอรีแบบเติมเชื้อเพลิงได้ โดยได้ไฟฟ้ามาจากปฏิกิริยาเคมี ขณะที่แบตเตอรีธรรมดา มีส่วนประกอบที่ให้พลังงานติดตั้งมาจากโรงงาน ส่วนเซลล์เชื้อเพลิงได้เชื้อเพลิงมาจากแหล่งภายนอก โดยทำให้ไฮโดรเจนเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิต่ำ แล้วให้ไฟฟ้าออกมา ในทางทฤษฎี ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงาน จากปฏิกิริยาเคมีให้เป็นไฟฟ้า เพื่อขับให้ล้อรถยนต์หมุน อยู่ที่ประมาณ 60% แต่การนำมาใช้งานจริง ประสิทธิภาพครึ่งหนึ่งของค่านี้ ก็ถือว่ายอมรับได้ ยกเว้นในเซลล์เชื้อเพลิง higher-temperature solid oxide fuel cells ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 46%

ปัญหาหลักของการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงของรถยนต์ คือเรื่องการกักเก็บ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะเก็บอย่างง่ายๆ ในถังขนาดเล็ก อย่างเช่นน้ำมันเชื้อเพลิง หรือก๊าซธรรมชาติ (LNG) ทางเลือกหนึ่ง คือการเก็บที่อุณหภูมิต่ำ ที่ความดันสูง หรืออยู่ในรูปสารประกอบทางเคมี เช่น ไฮไดรด์ (hydride) ซึ่งดูจะเป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพสูง แม้ว่าจะมีปัญหาที่ไม่สามารถเติมเชื้อเพลิงให้กับรถยนต์ได้โดยตรง ปัจจุบัน เทคโนโลยีหลักที่ใช้อยู่ คือการใช้ถังความดันสูง โดยมีความดันสูงเป็น 345 เท่าของความดันบรรยากาศ (34.5 MPa, 5000 psi) และมีปริมาตร 10 เท่าของถังน้ำมัน ข้อจำกัดนี้รวมกับน้ำหนักของถังบรรจุจึงยังคงเป็นปัญหาของระบบการกักเก็บ ซึ่งมีน้ำหนักประมาณ 50 เท่าของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน เป้าหมายในปี 2010 คาดว่าจะพัฒนาจนมีน้ำหนักลดลง 20 เท่า และในวันนี้อาจจะทำให้น้ำหนักลดลงได้แล้ว 10 เท่า

การเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ในรูปของเชื้อเพลิงไฮไดรด์ โดยทำให้อยู่ในรูป sodium borohydride (NaBH4) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงความแน่นสูง (high energy density) เมื่อถูกเร่งปฏิกิริยา จะปล่อยไฮโดรเจนออกมา เหลือแต่บอเรต (NaBO2) ซึ่งนำกลับมาใช้ใหม่ได้

ปัจจุบัน มีการทดลองใช้เซลล์เชื้อเพลิง ในรถยกที่ใช้พลังงานไฟฟ้า และคาดว่าจะการนำมาใช้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ราคาต้นทุนนั้น เห็นได้ชัดว่าสูงกว่าแบตเตอรี 3 เท่า แต่มีอายุการใช้งานยาวกว่า 2 เท่า รถยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงของไฮโดรเจนนั้น คาดว่าจะออกสู่ตลาดได้อย่างเร็ว หลังจากปี 2010 ไปแล้ว ญี่ปุ่นตั้งเป้าที่จะมีรถยนต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง 5 ล้านคัน บนถนนในปี 2020 (ปัจจุบัน รถยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า ทำงานโดยเก็บไฟฟ้าด้วยแบตเตอรี ซึ่งมีข้อจำกัดในเรื่องระยะเวลาในการเก็บ และการประจุไฟฟ้าใหม่ที่ทำได้ช้า)

เซลล์เชื้อเพลิงในปัจจุบัน ออกแบบมาโดยประกอบด้วย แผ่นขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว อยู่ภายในกรอบ Dr Ballard ซึ่งเป็นผู้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง แบบที่ใช้การแลกเปลี่ยนโปรตอนผ่านแผ่นเยื่อบาง (membrane) ได้เสนอว่า ควรมีการออกแบบการจัดรูปใหม่ เพื่อให้ต้นทุนต่ำลง และทำให้เทคโนโลยีชนิดนี้ มีการใช้อย่างกว้างขวาง ขณะที่บางคนคิดว่า เซลล์เชื้อเพลิงนั้นมีความซับซ้อน และยังไม่มีเหตุผลที่คาดว่าราคาจะถูกลง

เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจน สามารถใช้กับโรงไฟฟ้าขนาดเล็ก ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิสูง และไม่มีปัญหาในเรื่องการเก็บไฮโรเจน ญี่ปุ่นมีแผนที่จะใช้หน่วยของเซลล์เชื้อเพลิงแบบผลิตร่วม (cogeneration fuel cell) สำหรับผลิตไฟฟ้าและความร้อน โดยได้รับทุนอุดหนุนจากรัฐบาล ซึ่งจะหมดลงในปี 2012 และจะมีจำนวนลดลงตามเวลา จาก US$ 50,000 ลงไป เหลือ $6000

ทุกวันนี้ เซลล์เชื้อเพลิงมีราคาสูงกว่าเครื่องยนต์ดาปภายในมาก เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงมีต้นทุนสูงกว่า $1000 per kilowatt ขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในมีต้นทุน $100/kW

ถอดความจาก Transport and the Hydrogen Economy
เวบไซต์ www.world nuclear