ความยืดหยุ่นของเชื้อเพลิงที่ใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง ปูทางไปสู่เศรษฐกิจไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) สามารถที่จะสร้างบทบาทสำคัญต่อการผลิตไฟฟ้าได้ในอนาคต โดยเปลี่ยนผ่านจากการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนแบบดั้งเดิม ไปเป็นเชื้อเพลิงที่ปล่อยมลพิษต่ำหรือเป็นศูนย์ ด้วยความยืดหยุ่นของเชื้อเพลิงที่ใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์แข็ง หรือ SOFC (solid oxide fuel cells) ถือเป็นข้อเสนอที่สร้างความได้เปรียบในการแข่งขันเหนือเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน หรือ PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) ที่มีบทบาทอยู่ในปัจจุบัน แต่ก็มีข้อจำกัดที่สามารถดำเนินการได้เพียงเฉพาะไฮโดรเจน

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีกระแสเศรษฐกิจไฮโดรเจนที่ดูเหมือนโฆษณาเกินจริง แต่นั่นอาจเป็นเรื่องที่เสี่ยงแบบไม่ฉลาดนักกับความคาดหวังที่ว่า อุปทานไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงทั้งสีเขียวหรือสีน้ำเงินนั้น กำลังจะมาถึงในอีกไม่นาน และพร้อมจะตอบสนองความต้องการได้ทั้งหมดในอนาคตอันใกล้ นี่จึงเป็นโอกาสสำคัญต่อการพิสูจน์ถึงการมีอยู่ของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC

รายงาน IDTechEx ฉบับใหม่เรื่อง ‘Solid Oxide Fuel Cells 2023-2033: Technology, Applications and Market Forecasts’ มีเนื้อหาครอบคลุมตั้งแต่ภาพรวมของตลาดเซลล์เชื้อเพลิง SOFC รวมถึงการประเมินแนวโน้มเทคโนโลยีที่สำคัญ ผู้เล่นหลัก รวมทั้งคาดการณ์ตลาดในอีก 10 ปี ทั้งในด้านอุปสงค์ของ SOFC (หน่วย เมกะวัตต์) และมูลค่าตลาด (ดอลลาร์สหรัฐ) โดยแบ่งตามพื้นที่การใช้งาน ซึ่งโดยภาพรวมแล้ว IDTechEx คาดการณ์ว่า มูลค่าตลาดจะสูงถึง 6.8 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี ค.ศ. 2033

ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ทำงานได้กับไฮโดรเจนเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่สำหรับ SOFC สามารถทำงานได้กับเชื้อเพลิงหลายชนิด เช่น ไฮโดรเจน LNG ก๊าซชีวภาพ เมทานอล แอมโมเนีย e-fuels และอื่นๆ โดยที่ก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) เป็นเชื้อเพลิงที่ถูกนำมาใช้มากที่สุดจากหลายๆ ประเภทของการใช้งาน แต่อย่างไรก็ตาม LNG ไม่ใช่วิธีการที่จะนำพาไปสู่คาร์บอนต่ำในระยะยาว เนื่องจากในทุกขั้นตอนของ LNG ทั้งการกักเก็บ ขนส่ง การใช้ก๊าซ จะเกิดการเล็ดลอดของมีเทน (methane slip) สู่บรรยากาศ นอกจากนี้ ยังต้องใช้พลังงานสูงมากเพื่อการหล่อเย็นและใช้ในกระบวนการทำกลับให้เป็นก๊าซอีก

การใช้ประโยชน์จากก๊าซมีเทน (CH₄) ยังก่อให้เกิดทั้งคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ในขณะเดียวกันก็ยังนำเมทานอลมาใช้เพื่อกำจัดการปล่อย CO ด้วย อย่างไรก็ตาม แม้จะมีป้ายฉลากแจ้งเตือนว่ามีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) แต่การที่จะลดสิ่งที่ปล่อยออกมา อย่างเช่น ซัลเฟอร์ออกไซด์ ไนตรัสออกไซด์ และสารอินทรีย์ ให้สำเร็จได้นั้น ก็อยู่ที่การเอาใจใส่ของโรงไฟฟ้าถ่านหิน ขณะที่ยังมีเชื้อเพลิงอีกหลายชนิดที่อยู่ในภาคส่วนของการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์หรือต่ำ อย่างเช่น ไฮโดรเจน แอมโมเนีย และ e-fuels โดยที่ลักษณะธรรมชาติของคำว่า ‘เขียว’ ที่สัมพัทธ์กับเชื้อเพลิงเหล่านี้ ต่างก็ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของวัตถุดิบตั้งต้นที่นำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิง ยกตัวอย่าง แอมโมเนียสีเขียว ส่วนใหญ่เป็นผลผลิตที่ได้จากวิธีการของไฮโดรเจนสีเขียว

ไปดูข้อด้อยหลักของเชื้อเพลิงแห่งความหวังที่จะพาไปสู่คาร์บอนต่ำ ตามข้อสังเกตของ IDTechEx คือ ไฮโดรเจน แอมโมเนีย และมีเทน (ก๊าซธรรมชาติ) โดยที่การใช้มีเทนในเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ถูกพิจารณาว่าเป็นคาร์บอนต่ำเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปดีเซล หรือโรงไฟฟ้าถ่านหิน ส่วนไฮโดรเจนมีประเด็นสำคัญ คือ ความหนาแน่นพลังงานโดยปริมาตรของไฮโดรเจนนั้นอยู่ในระดับต่ำ และยังต้องกักเก็บไว้ที่อุณหภูมิ –263°C ซึ่งต้องใช้พลังงานมากเพื่อให้ไปถึงจุดนั้นและรักษาสภาพนั้นเอาไว้

ในขณะที่แอมโมเนีย ไม่จำเป็นต้องมีการดักจับคาร์บอน แต่สิ่งที่ต้องการ คือ โครงสร้างพื้นฐานใหม่สำหรับการเก็บบรรจุ และยังเป็นพิษร้ายแรงเมื่อเกิดการรั่วไหล อีกสิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณา คือ แอมโมเนียสีเขียวเป็นอนุพันธ์ของไฮโดรเจนสีเขียว ดังนั้นการที่จะได้มาซึ่งแอมโมเนียสีเขียว จำเป็นต้องได้ไฮโดรเจนสีเขียวอย่างอุดมสมบูรณ์มาก่อนเป็นอันดับแรก

ส่วนมีเทน ผลพลอยได้จากมีเทน คือ คาร์บอน นั่นหมายความว่า จำเป็นต้องมีการดักจับคาร์บอนเพื่อทำให้การปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ และนี่อาจเป็นปัญหาได้เนื่องจากทำให้ต้นทุนและความซับซ้อนเพิ่มขึ้น มีเทนเป็นส่วนประกอบขั้นพื้นฐานของ LNG ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกที่มีการใช้งานมากที่สุด และถือเป็นเชื้อเพลิงในโครงสร้างพื้นฐานมาหลายทศวรรษ อีกทั้งยังอ่อนไหวต่อการเล็ดลอดออกไปของมีเทน (สูญเสียมีเทน) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่แรงมาก ในขณะที่ ‘e-methane’ ต้องใช้คาร์บอนส่วนใหญ่ที่มาจากแหล่งอุตสาหกรรม ซึ่งจะต้องยุติลงในที่สุด

มีกรณีศึกษาที่น่าสนใจ สามารถพิจารณาได้จากการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ทางทะเล ในปีที่ผ่านมาพบว่า มีแนวโน้มเกิดขึ้นในหมู่บริษัทต่างๆ ที่ผลิตพลังงานแบบอยู่กับที่ขนาดใหญ่เพื่อมุ่งสู่ภาคการเดินเรือ ตัวอย่างเช่น Bloom Energy และ Ceres Power สร้างความร่วมมือกัน และประกาศโครงการนำร่องเพื่อสำรวจในภาคส่วนทางทะเล ขณะที่อีกรายหนึ่ง Alma Clean Power กำลังมุ่งดำเนินการไปที่ทางทะเลเพียงอย่างเดียว โดยพัฒนาระบบเครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยแอมโมเนีย ซึ่งทั้งแอมโมเนียและมีเทนต่างมีการขนส่งทางทะเลกันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ในทางตรงกันข้าม ไฮโดรเจนกลับไม่มีความได้เปรียบในการแข่งขันเมื่อเทียบกับแอมโมเนียและมีเทนที่ใช้ในภาคส่วนทางทะเล แต่ถึงกระนั้น แบบแรกยังเป็นที่ต้องการมากกว่าแบบหลัง เนื่องจากไม่มีการปล่อยมลพิษเมื่อใช้แอมโมเนียในเซลล์เชื้อเพลิง SOFC

มองไปในอนาคต โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่เศรษฐกิจไฮโดรเจนที่เติบโตพุ่งขึ้นมา เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ได้รับการคาดหมายว่าจะเป็นผู้ครองตลาด อย่างไรก็ตาม โอกาสของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ก็มี ด้วยข้อเสนอที่น่าสนใจในช่วงนี้ที่ยังอยู่ระหว่างการวางโครงสร้างพื้นฐานท่อส่งและดำเนินการกับเชื้อเพลิงเพื่อให้ใช้ประโยชน์ได้ง่าย จากการประเมินโดย IDTechEx พบว่า มีจำนวนซัพพลายเออร์เกือบ 30 รายที่มีพร้อมจำหน่าย SOFC ในเชิงพาณิชย์ (หรือใกล้เปิดตัว) แสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่นของเซลล์เชื้อ SOFC ซึ่งความยืดหยุ่นของเชื้อเพลิงนี้ หมายถึง การดำเนินการโดยมีตัวเลือกเชื้อเพลิงที่ใช้ได้ทั้งวันนี้และอนาคต ทำให้เห็นได้ว่า SOFC มีตำแหน่งทางเทคโนโลยีที่สามารถเปลี่ยนผ่านวิธีการผลิตกำลังไฟฟ้าได้ ขณะเดียวกัน ก็ปลดล็อกความสามารถในการผลิตกำลังไฟฟ้าที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ได้โดยใช้เชื้อเพลิง เช่น แอมโมเนีย

ที่มา: IDTechEx