ความเข้าใจเรื่องการจัดเก็บไฮโดรเจน: คู่มือฉบับสมบูรณ์ทั่วโลก

ไฮโดรเจนได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็นตัวพาพลังงานที่สำคัญในการเปลี่ยนผ่านสู่โลกที่ยั่งยืน ศักยภาพในการลดคาร์บอนในภาคส่วนต่างๆ ทั้งการขนส่ง อุตสาหกรรม และการผลิตไฟฟ้า มีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม การยอมรับพลังงานไฮโดรเจนอย่างกว้างขวางขึ้นอยู่กับการพัฒนาโซลูชันการจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า คู่มือฉบับนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนที่แตกต่างกัน ความท้าทาย และความก้าวหน้าล่าสุดที่ขับเคลื่อนนวัตกรรมในสาขาที่สำคัญนี้

ความสำคัญของการจัดเก็บไฮโดรเจน

แม้ว่าไฮโดรเจนจะมีอยู่มากมาย แต่ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของสารประกอบ เช่น น้ำ (H2O) หรือไฮโดรคาร์บอน (เช่น มีเทน CH4) การสกัดไฮโดรเจนบริสุทธิ์ต้องใช้พลังงาน และการจัดเก็บก็มีความท้าทายเฉพาะตัวเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำและติดไฟได้ง่าย การจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพมีความสำคัญด้วยเหตุผลหลายประการ:

• การส่งเสริมยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน: การจัดเก็บไฮโดรเจนให้เพียงพอในรถยนต์เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEVs) มีระยะทางการขับขี่ที่ใช้งานได้จริง
• การบูรณาการแหล่งพลังงานหมุนเวียน: ไฮโดรเจนสามารถทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์พลังงาน โดยจัดเก็บพลังงานหมุนเวียนส่วนเกิน (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม) ในช่วงที่มีการผลิตสูง และปล่อยออกมาเมื่อมีความต้องการสูง ซึ่งมีส่วนช่วยให้กริดมีความเสถียร
• การลดคาร์บอนในกระบวนการอุตสาหกรรม: กระบวนการอุตสาหกรรมหลายอย่างต้องการไฮโดรเจนเป็นวัตถุดิบ การจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพช่วยให้สามารถจัดหาไฮโดรเจนที่ผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล
• การสร้างเศรษฐกิจไฮโดรเจนทั่วโลก: โซลูชันการจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพมีความสำคัญต่อการอำนวยความสะดวกทางการค้าไฮโดรเจนระหว่างประเทศ ทำให้ประเทศที่มีทรัพยากรพลังงานหมุนเวียนอุดมสมบูรณ์สามารถส่งออกไฮโดรเจนไปยังประเทศที่มีความต้องการพลังงานสูงขึ้น

วิธีการจัดเก็บไฮโดรเจน

เทคโนโลยีการจัดเก็บไฮโดรเจนสามารถแบ่งออกเป็นวิธีการจัดเก็บทางกายภาพและทางเคมีได้เป็นหลัก แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียในแง่ของความสามารถในการจัดเก็บ ประสิทธิภาพพลังงาน ต้นทุน และความปลอดภัย

1. การจัดเก็บทางกายภาพ

การจัดเก็บทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บไฮโดรเจนในรูปของก๊าซหรือของเหลวภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันที่เฉพาะเจาะจง

a) ก๊าซไฮโดรเจนอัด

การจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนอัดเกี่ยวข้องกับการอัดไฮโดรเจนให้มีความดันสูง (โดยทั่วไปคือ 350-700 บาร์ และสูงถึง 1000 บาร์ในบางการใช้งาน) และจัดเก็บในภาชนะรับแรงดันที่แข็งแรง นี่เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างสมบูรณ์และมีโซลูชันเชิงพาณิชย์

ข้อดี:

• เทคโนโลยีค่อนข้างง่าย
• เวลาในการเติมเชื้อเพลิงรวดเร็ว
• โครงสร้างพื้นฐานสำหรับการจัดการก๊าซเป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลาย

ข้อเสีย:

• ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรต่ำ (เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงเหลว)
• การใช้พลังงานสูงสำหรับการอัด
• ข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บแรงดันสูง
• ถังเก็บน้ำหนักมากและเทอะทะ

ตัวอย่าง:

ก๊าซไฮโดรเจนอัดถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน FCEVs ตัวอย่างเช่น NEXO FCEV ของ Hyundai ใช้ถังไฮโดรเจนแรงดันสูงสามถัง โดยมีความจุในการจัดเก็บ 6.33 กก. ที่ 700 บาร์ ให้ระยะทางมากกว่า 600 กม. (มาตรฐาน WLTP)

b) ไฮโดรเจนเหลว

การจัดเก็บไฮโดรเจนเหลวเกี่ยวข้องกับการทำให้ไฮโดรเจนเย็นลงถึงจุดเดือดที่อุณหภูมิต่ำมาก (-253°C) เพื่อควบแน่นให้เป็นของเหลว ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรได้อย่างมากเมื่อเทียบกับก๊าซอัด

ข้อดี:

• ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรสูงกว่าก๊าซอัด
• ความดันในการจัดเก็บต่ำกว่า

ข้อเสีย:

• การใช้พลังงานสูงสำหรับการทำให้เป็นของเหลว
• การสูญเสียจากการระเหย (การระเหยของไฮโดรเจนเนื่องจากการรั่วไหลของความร้อนเข้าสู่ถัง)
• โครงสร้างพื้นฐานความเย็นที่ซับซ้อนและมีราคาแพง

ตัวอย่าง:

ไฮโดรเจนเหลวถูกใช้ในโครงการอวกาศ (เช่น กระสวยอวกาศของ NASA) และกำลังได้รับการสำรวจสำหรับการใช้งานด้านการขนส่งระยะไกล เช่น เครื่องบินและเรือ ตัวอย่างเช่น Airbus กำลังพัฒนากเครื่องบินที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ซึ่งจะใช้การจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว

2. การจัดเก็บทางเคมี

การจัดเก็บทางเคมีเกี่ยวข้องกับการจัดเก็บไฮโดรเจนในสารประกอบ ซึ่งจะปล่อยไฮโดรเจนออกมาเมื่อทำปฏิกิริยากับตัวกระตุ้น เช่น ความร้อน หรือตัวเร่งปฏิกิริยา

a) โลหะไฮไดรด์

โลหะไฮไดรด์เป็นสารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับโลหะหรือโลหะผสมบางชนิด ไฮโดรเจนจะถูกเก็บไว้ในโครงตาข่ายของโลหะและสามารถปล่อยออกมาได้โดยการให้ความร้อนแก่ไฮไดรด์

ข้อดี:

• ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรสูงกว่าก๊าซอัด
• การจัดเก็บค่อนข้างปลอดภัย
• ศักยภาพในการจัดเก็บแบบย้อนกลับได้ (เติมไฮโดรเจนใหม่)

ข้อเสีย:

• น้ำหนักของวัสดุโลหะไฮไดรด์สูง
• จลนศาสตร์การปล่อยไฮโดรเจนค่อนข้างช้า
• ต้นทุนสูงของวัสดุโลหะไฮไดรด์บางชนิด
• ความท้าทายในการจัดการความร้อนระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

ตัวอย่าง:

แลนทานัม นิกเกิล ไฮไดรด์ (LaNi5H6) และแมกนีเซียมไฮไดรด์ (MgH2) เป็นตัวอย่างของโลหะไฮไดรด์ที่กำลังมีการศึกษาสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงความสามารถในการจัดเก็บและจลนศาสตร์ของไฮโดรเจนผ่านการผสมโลหะและการสร้างโครงสร้างนาโน ตัวอย่างเช่น นักวิจัยในญี่ปุ่นกำลังทำงานอย่างแข็งขันเกี่ยวกับระบบที่ใช้ MgH2 ซึ่งปรับปรุงด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

b) ไฮไดรด์เคมี

ไฮไดรด์เคมีคือสารประกอบที่ปล่อยไฮโดรเจนออกมาเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำหรือสารอื่น ตัวอย่างเช่น โซเดียม โบรโมไฮไดรด์ (NaBH4) และแอมโมเนีย โบรอน (NH3BH3)

ข้อดี:

• ความสามารถในการจัดเก็บไฮโดรเจนสูง
• เสถียรที่อุณหภูมิห้อง

ข้อเสีย:

• การปล่อยไฮโดรเจนแบบผันกลับไม่ได้สำหรับไฮไดรด์เคมีบางชนิด (ต้องมีการสร้างใหม่)
• ความซับซ้อนของปฏิกิริยาและการจัดการผลิตภัณฑ์พลอยได้
• ต้นทุนสูงของไฮไดรด์เคมีบางชนิด

ตัวอย่าง:

โซเดียม โบรโมไฮไดรด์ (NaBH4) ถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันเซลล์เชื้อเพลิงบางอย่าง งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่การพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างโบรโมไฮไดรด์ที่ใช้แล้วใหม่ แอมโมเนีย โบรอน (NH3BH3) เป็นไฮไดรด์เคมีที่น่าสนใจอีกชนิดหนึ่ง แต่การสร้างใหม่ยังคงเป็นความท้าทาย นักวิจัยในเยอรมนีและสหรัฐอเมริกากำลังสำรวจเส้นทางต่างๆ เพื่อการสร้างใหม่ที่มีประสิทธิภาพของวัสดุเหล่านี้

c) ตัวพาไฮโดรเจนอินทรีย์เหลว (LOHCs)

LOHCs เป็นของเหลวอินทรีย์ที่สามารถจับไฮโดรเจนแบบผันกลับได้ผ่านปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันและดีไฮโดรจิเนชัน ตัวอย่าง ได้แก่ โทลูอีน/เมทิลไซโคลเฮกเซน และ ไดเบนซิลโทลูอีน/เพอร์ไฮโดร-ไดเบนซิลโทลูอีน

ข้อดี:

• ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรสูง
• ขนส่งและจัดเก็บได้ง่ายโดยใช้โครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่
• ค่อนข้างปลอดภัยและเสถียรภายใต้สภาวะแวดล้อม

ข้อเสีย:

• การใช้พลังงานสูงสำหรับการไฮโดรจิเนชันและดีไฮโดรจิเนชัน
• ต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาและวัสดุ LOHC
• ความเป็นไปได้ของการทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ทำงาน
• การเสื่อมสภาพบางส่วนของ LOHC ในหลายรอบ

ตัวอย่าง:

ระบบโทลูอีน/เมทิลไซโคลเฮกเซนเป็นหนึ่งใน LOHCs ที่มีการศึกษามากที่สุด ไฮโดรเจนจะถูกเติมลงในโทลูอีนเพื่อสร้างเมทิลไซโคลเฮกเซน ซึ่งสามารถขนส่งและจัดเก็บได้ จากนั้นไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาโดยการดีไฮโดรจิเนชันเมทิลไซโคลเฮกเซนกลับไปเป็นโทลูอีน บริษัทต่างๆ ในญี่ปุ่นและเยอรมนีกำลังพัฒนาและใช้งานโซลูชันการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนโดยใช้ LOHC อย่างแข็งขัน Chiyoda Corporation ในญี่ปุ่นได้สาธิตห่วงโซ่อุปทานไฮโดรเจนทั่วโลกโดยใช้เทคโนโลยี SPERA Hydrogen™ ซึ่งใช้ระบบ LOHC โทลูอีน/เมทิลไซโคลเฮกเซน โดยขนส่งไฮโดรเจนจากบรูไนไปยังญี่ปุ่น

3. การจัดเก็บด้วยวัสดุ (การดูดซับ)

วิธีการนี้ใช้วัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูง เช่น ถ่านกัมมันต์ โครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOFs) และท่อนาโนคาร์บอน เพื่อดูดซับโมเลกุลไฮโดรเจน

ข้อดี:

• ความดันในการจัดเก็บค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับก๊าซอัด
• ศักยภาพในการจัดเก็บไฮโดรเจนได้สูงที่อุณหภูมิต่ำ

ข้อเสีย:

• ความสามารถในการจัดเก็บไฮโดรเจนต่ำที่อุณหภูมิแวดล้อม
• ต้นทุนสูงของวัสดุขั้นสูงบางชนิด (เช่น MOFs)
• ความท้าทายในการสังเคราะห์วัสดุและการขยายขนาด

ตัวอย่าง:

นักวิจัยทั่วโลกกำลังพัฒนาและจำแนกลักษณะของ MOFs และวัสดุที่มีรูพรุนขนาดนาโนอื่นๆ สำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนอย่างแข็งขัน ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยในสหรัฐอเมริกา ยุโรป และเอเชีย กำลังสังเคราะห์ MOFs ที่มีคุณสมบัติการดูดซับไฮโดรเจนที่ดีขึ้น เช่น พื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นและการมีปฏิสัมพันธ์ที่แรงขึ้นกับโมเลกุลไฮโดรเจน การค้นหาสัสดุที่สามารถจัดเก็บไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิและความดันใกล้เคียงสภาวะแวดล้อมยังคงเป็นเป้าหมายหลัก

ความท้าทายและทิศทางในอนาคตของการจัดเก็บไฮโดรเจน

แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในเทคโนโลยีการจัดเก็บไฮโดรเจนแล้ว แต่ก็ยังมีความท้าทายหลายประการ:

• ต้นทุน: การลดต้นทุนของระบบจัดเก็บไฮโดรเจนเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้พลังงานไฮโดรเจนสามารถแข่งขันกับเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมได้ ซึ่งรวมถึงการลดต้นทุนของวัสดุ การผลิต และโครงสร้างพื้นฐาน
• ประสิทธิภาพพลังงาน: การปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานของกระบวนการจัดเก็บไฮโดรเจน เช่น การอัด การทำให้เป็นของเหลว และการไฮโดรจิเนชัน/ดีไฮโดรจิเนชัน เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานโดยรวมของห่วงโซ่คุณค่าไฮโดรเจน
• ความจุในการจัดเก็บ: การเพิ่มความจุในการจัดเก็บไฮโดรเจนตามน้ำหนัก (gravimetric) และตามปริมาตร (volumetric) ของระบบจัดเก็บเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่พื้นที่และน้ำหนักเป็นปัจจัยสำคัญ เช่น การขนส่ง
• ความปลอดภัย: การรับรองความปลอดภัยในการจัดเก็บและจัดการไฮโดรเจนเป็นสิ่งสำคัญสูงสุด ซึ่งรวมถึงการพัฒนากระบวนการและเทคโนโลยีด้านความปลอดภัยที่แข็งแกร่งเพื่อป้องกันการรั่วไหลและการระเบิด
• ความทนทาน: การเพิ่มความทนทานและอายุการใช้งานของระบบจัดเก็บไฮโดรเจนเป็นสิ่งสำคัญในการลดต้นทุนการบำรุงรักษาและรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาว
• โครงสร้างพื้นฐาน: การพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจนที่กว้างขวาง รวมถึงสถานีเติมเชื้อเพลิงและท่อส่ง เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการยอมรับพลังงานไฮโดรเจนอย่างแพร่หลาย
• ความเสถียรของวัสดุ: การเพิ่มความเสถียรในระยะยาวของวัสดุที่ใช้ในการจัดเก็บทางเคมีเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพและรักษาประสิทธิภาพในช่วงระยะเวลาที่ยาวนาน

ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาในอนาคตมุ่งเน้นไปที่การแก้ไขความท้าทายเหล่านี้และการพัฒนาโซลูชันการจัดเก็บไฮโดรเจนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ พื้นที่เป้าหมายหลักบางประการ ได้แก่:

• วัสดุขั้นสูง: การพัฒนาวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติการจัดเก็บไฮโดรเจนที่ดีขึ้น เช่น MOFs โครงข่ายอินทรีย์โคเวเลนต์ (COFs) และโลหะผสมที่มีความเอนโทรปีสูง
• นาโนเทคโนโลยี: การใช้นาโนเทคโนโลยีเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุจัดเก็บที่มีอยู่และสร้างแนวคิดการจัดเก็บใหม่
• การอัดที่อุณหภูมิต่ำมาก (Cryo-compression): การผสมผสานการทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำมากเข้ากับการอัดเพื่อให้ได้ความหนาแน่นไฮโดรเจนสูงที่แรงดันปานกลาง
• การจัดเก็บด้วยไฟฟ้าเคมี: การสำรวจวิธีการทางไฟฟ้าเคมีสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน เช่น แบตเตอรี่ไฮโดรเจน
• วัสดุอเนกประสงค์: การพัฒนาวัสดุที่สามารถทำงานได้หลายอย่าง เช่น การจัดเก็บไฮโดรเจนและการผลิตไฟฟ้า
• กระบวนการสร้างใหม่ที่ปรับปรุงแล้ว: การพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่ามากขึ้นสำหรับการสร้างไฮไดรด์เคมีที่ใช้แล้วใหม่
• ระบบ LOHC ที่ปรับให้เหมาะสม: การออกแบบระบบ LOHC ที่มีอุณหภูมิไฮโดรจิเนชัน/ดีไฮโดรจิเนชันต่ำลงและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรมากขึ้น

ความคิดริเริ่มและการลงทุนทั่วโลก

รัฐบาลและอุตสาหกรรมทั่วโลกกำลังลงทุนอย่างมหาศาลในการวิจัยและพัฒนาการจัดเก็บไฮโดรเจน ตัวอย่าง ได้แก่:

• โครงการไฮโดรเจนของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE): สนับสนุนการวิจัย การพัฒนา และโครงการสาธิตที่มุ่งส่งเสริมเทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิง รวมถึงการจัดเก็บไฮโดรเจน
• กลยุทธ์ไฮโดรเจนของสหภาพยุโรป: มุ่งมั่นที่จะเร่งการพัฒนาและใช้งานเทคโนโลยีไฮโดรเจนทั่วยุโรป รวมถึงการจัดเก็บไฮโดรเจน
• Hydrogen Council: โครงการริเริ่มระดับโลกที่นำโดย CEO จากบริษัทชั้นนำด้านพลังงาน การขนส่ง อุตสาหกรรม และการลงทุน ที่มีวิสัยทัศน์ร่วมกันและเป้าหมายระยะยาวสำหรับไฮโดรเจนในการส่งเสริมการเปลี่ยนผ่านพลังงาน
• กลยุทธ์ไฮโดรเจนแห่งชาติ: หลายประเทศ รวมถึงออสเตรเลีย แคนาดา เยอรมนี ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ ได้พัฒนากลยุทธ์ไฮโดรเจนแห่งชาติ ซึ่งรวมถึงเป้าหมายและการสนับสนุนทางการเงินสำหรับการวิจัยและใช้งานการจัดเก็บไฮโดรเจน

บทสรุป

การจัดเก็บไฮโดรเจนเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ช่วยให้พลังงานไฮโดรเจนสามารถนำไปใช้อย่างแพร่หลายได้ แม้ว่าจะยังมีความท้าทายอยู่ แต่ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องกำลังขับเคลื่อนนวัตกรรมในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรรม และการออกแบบระบบ เมื่อเทคโนโลยีไฮโดรเจนมีความสมบูรณ์มากขึ้นและต้นทุนลดลง การจัดเก็บไฮโดรเจนจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการลดคาร์บอนในภาคส่วนต่างๆ และสร้างอนาคตพลังงานที่ยั่งยืนให้กับโลก กุญแจสำคัญในการปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของไฮโดรเจนอยู่ที่การแสวงหาโซลูชันการจัดเก็บที่มีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และคุ้มค่าอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของเศรษฐกิจไฮโดรเจนทั่วโลก การทำงานร่วมกันระหว่างประเทศและการแบ่งปันความรู้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเร่งความคืบหน้าในสาขาที่สำคัญนี้