FactoryTalkThai ศูนย์รวมข่าว Industrial Technology ออนไลน์ในประเทศไทย
ให้นึกภาพของเศรษฐกิจไฮโดรเจนในอนาคตที่มีโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานที่ใช้ประโยชน์จากไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำ ซึ่งมีความสำคัญต่อการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม และการขนส่งระยะไกล ขณะเดียวกันยังตอบสนองความต้องการใช้พลังงานคาร์บอนต่ำที่เพิ่มขึ้นได้ แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่โอกาสในการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานไปตลอดทั้งห่วงโซ่คุณค่าไฮโดรเจนนั้นอยู่ในระดับที่มีนัยสำคัญ
เพื่อให้วิสัยทัศน์นี้เป็นจริง องค์ประกอบต่างๆ ภายในห่วงโซ่คุณค่า รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานด้านการผลิตไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำ การกักเก็บ และการจำหน่าย จะต้องสอดคล้องกับความต้องการของภาคการใช้ไฮโดรเจนปลายสุด เช่นเดียวกันกับอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ ห่วงโซ่คุณค่าไฮโดรเจนสามารถแบ่งองค์ประกอบเป็น ต้นน้ำ (การผลิต) กลางน้ำ (การกักเก็บและขนส่ง) และปลายน้ำ (ภาคการใช้ปลายสุด) โดยองค์ประกอบห่วงโซ่มูลค่าของไฮโดรเจนแต่ละส่วนนั้น ล้วนนำมาซึ่งความท้าทายทางเทคนิค รวมทั้งด้านทางเศรษฐกิจและสังคม
ในรายงานฉบับใหม่ของ IDTechEx หัวข้อ “Hydrogen Economy 2023-2033: Production, Storage, Distribution & Applications” ได้วิเคราะห์ถึงเทคโนโลยี เศรษฐศาสตร์เทคโนโลยี กิจกรรมเชิงพาณิชย์ที่สำคัญ (รวมถึงโครงการต่างๆ ทั้งของบริษัทที่มีอยู่เดิมและบริษัทเกิดใหม่) นวัตกรรมที่สำคัญ และแนวโน้มของตลาดในทุกส่วนประกอบของห่วงโซ่คุณค่า
การผลิตไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำ (Green & Blue H₂)
ในปัจจุบัน ไฮโดรเจนกว่า 95% ของโลกมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเป็นพื้นฐานของไฮโดรเจนสีเทาและสีดำ ผลิตขึ้นโดยโรงงานแปรรูปมีเทนและแปรสภาพถ่านหินให้เป็นก๊าซ สินทรัพย์การผลิตเหล่านี้ปล่อย CO₂ จำนวนมาก ดังนั้น หลายบริษัททั่วโลกจึงมุ่งไปที่การพัฒนาสินทรัพย์การผลิตไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำขึ้นมาใหม่ ไม่ว่าจะเป็น ไฮโดรเจนสีน้ำเงิน (มาจากการแปรรูปก๊าซธรรมชาติด้วยการดักจับ CO₂ ที่ปล่อยออกมา และนำมากักเก็บ/ใช้ประโยชน์) หรือไฮโดรเจนสีเขียว (มาจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยพลังงานหมุนเวียน) โครงการเหล่านี้จะตั้งอยู่ใกล้กับผู้ใช้ในภาคอุตสาหกรรม เช่น โรงกลั่น ซึ่งอยู่ในเขตอุตสาหกรรมที่มีผู้ใช้จำนวนมาก สิ่งนี้ช่วยให้มีการขยายตัวในอนาคต เนื่องจากภาคส่วนเหล่านี้เริ่มลดการปล่อยคาร์บอน และสร้างความต้องการไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำขึ้นมา
IDTechEx คาดการณ์ว่า ตลาดไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำจะเติบโตอย่างมากในทศวรรษหน้า โดยมีมูลค่าถึง 130 พันล้านเหรียญสหรัฐภายในปี พ.ศ. 2576 ตามกำลังการผลิตที่คาดการณ์ไว้ แต่ด้านต้นน้ำเป็นเพียงส่วนหนึ่งของห่วงโซ่คุณค่าที่ยังต้องพัฒนา ในขณะที่คนส่วนใหญ่รับทราบถึงความจำเป็นของโครงสร้างพื้นฐานด้านการผลิตอย่างแท้จริง แต่หลายคนยังให้ค่าการประเมินที่ต่ำเกินไปสำหรับโครงสร้างพื้นฐานกลางน้ำ (การกักเก็บและการจำหน่าย) ที่จำเป็นต้องมีอย่างแพร่หลายเพื่อเชื่อมต่อกับสินทรัพย์ต้นน้ำและปลายน้ำ
การกักเก็บและจำหน่ายไฮโดรเจน
แม้ไฮโดรเจนจะมีคุณสมบัติด้านพลังงานที่ยอดเยี่ยม (ความหนาแน่นของพลังงาน 120 MJ/kg) แต่หนึ่งในความท้าทายหลัก คือ การกักเก็บและการขนส่งที่มีความยุ่งยาก เนื่องจากไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำมากภายใต้สภาวะโดยรอบ (0.084 kg/m³) ดังนั้น เพื่อการกักเก็บไว้ในปริมาณที่มากพอ จะต้องบีบอัดไฮโดรเจนในปริมาณมากเอาไว้ภายใต้ความดันสูง (100 ถึง 700 บาร์) หรือทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิเย็นยิ่งยวด (จุดเดือดที่ –253°C)
แม้ว่าวิธีการเหล่านี้เป็นวิธีการในเชิงพาณิชย์และใช้เทคโนโลยีที่สมบูรณ์ที่สุดก็ตาม แต่ยังมีอุปสรรคสำคัญ เพราะต้องพิจารณาถึงการใช้พลังงานจำนวนมาก จึงเป็นเหตุของการลดประสิทธิผลความจุพลังงานของไฮโดรเจน โดยขึ้นอยู่กับแรงดันที่ใช้ในการอัดความดัน ซึ่งต้องใช้พลังงานประมาณ 10-30% ของความจุพลังงานดั้งเดิมของไฮโดรเจน
การทำให้เป็นของเหลวยิ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้น โดยคิดเป็นพลังงาน 30-40% ของความจุพลังงานของไฮโดรเจน ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเคลื่อนย้ายและการกักเก็บพลังงาน ทำให้ประสิทธิภาพพลังงานทั้งไป-กลับลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ ยังมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเกี่ยวกับการกักเก็บก๊าซอัด ในขณะที่การกักเก็บ H₂ ในรูปของเหลวมีแนวโน้มที่จะเหือดหายไป จึงเป็นเหตุทำให้ไฮโดรเจนที่กับเก็บไว้บางส่วนสูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ ประเด็นเหล่านี้ทำให้การขนส่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการขนส่งระหว่างประเทศมีราคาแพงและไม่มีประสิทธิภาพ
ทางเลือกแห่งความหวังจึงอยู่ที่การกักเก็บแบบอยู่กับที่ ได้แก่ ระบบเมทัลไฮไดรด์ (metal hydride systems) ที่ใช้เพื่อการกักเก็บแบบอยู่กับที่ขนาดเล็ก และโรงเก็บใต้ดิน (เช่น ถ้ำเกลือ) ที่ใช้เพื่อการกักเก็บขนาดใหญ่ในระหว่างวันหรือตามฤดูกาล ส่วนด้านการขนส่ง ระบบท่อจะมีบทบาทสำคัญต่อการเชื่อมโยงกันระหว่างการผลิตกับการใช้งานปลายสุด นอกจากนี้ มีผู้เล่นหลายรายทั่วโลกกำลังพัฒนาระบบท่อส่ง H₂ บริสุทธิ์ขึ้นมาใหม่ บางรายต้องการเปลี่ยนจุดประสงค์ของท่อส่งก๊าซธรรมชาติที่มีอยู่เดิม ในขณะที่ผู้ให้บริการขนส่งแอมโมเนียและไฮโดรเจนอินทรีย์เหลว (LOHC — Liquid Organic Hydrogen Carriers) ถือว่ามีแนวโน้มที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการขนส่งระหว่างประเทศ เนื่องจากสามารถใช้ประโยชน์ได้จากโครงสร้างพื้นฐานการขนส่งเคมีและปิโตรเคมีที่มีอยู่แล้ว
ภาคการใช้ปลายสุดสำหรับไฮโดรเจนคาร์บอนต่ำและเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนจะมีบทบาทสำคัญต่อการลดคาร์บอนในอุตสาหกรรมที่ใช้ไฮโดรเจนตามปกติทั่วไป รวมถึงการกลั่นและการผลิตแอมโมเนียและเมทานอล ภาคอุตสาหกรรมเหล่านี้โดยส่วนใหญ่จะเริ่มต้นลดคาร์บอนด้วยการเปลี่ยนจากไฮโดรเจนสีเทาไปใช้ไฮโดรเจนสีน้ำเงินและสีเขียว อีกภาคส่วนที่มีแนวโน้มไปได้ดี คือ การผลิตเหล็กกล้า ซึ่งไฮโดรเจนสามารถใช้เป็นก๊าซรีดิวซ์ในการผลิตเหล็กพรุน หรือ DRI (Direct Reduced Iron — เหล็กที่ได้จากการนำสินแร่เหล็กผ่านกรรมวิธีลดออกไซด์โดยตรง) ผู้ผลิตเหล็กหลายรายมองว่า กระบวนการนี้เป็นอนาคตของเหล็กกล้าที่มีความยั่งยืน เนื่องจากในท้ายที่สุดแล้วกระบวนการดังกล่าวจะเข้ามาแทนการถลุงเหล็กด้วยกระบวนการเตาถลุงแบบพ่นลมร้อน (blast furnace process) ที่มีคาร์บอนเข้มข้น
การใช้ไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมเกิดใหม่ ได้แก่ การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ และเชื้อเพลิงสังเคราะห์ ตลอดจนการใช้กำลังไฟฟ้าและความร้อน (การกักเก็บพลังงาน, การกำเนิดไฟฟ้าและพลังความร้อนร่วม, การทำความร้อนสำหรับที่อยู่อาศัย/เชิงพาณิชย์, และภาคอุตสาหกรรม)
ไฮโดรเจนยังเป็นทางเลือกในการทำให้เกิดไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ในภาคการเคลื่อนที่ โดยยานยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV — Fuel Cell Electric Vehicles) กำลังได้รับความสนใจทั่วโลก โดยเฉพาะประเทศในเอเชีย ด้วยการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานการเติมเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้น และสร้างแนวคิดยานยนต์ใหม่สำหรับยานยนต์ขนาดเบา ขนาดกลาง และขนาดใหญ่ ส่วนภาคการขนส่งระยะไกล ได้แก่ ทางทะเล รถไฟ และการบิน มีเป้าหมายที่จะใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเทคโนโลยีหลักที่จะใช้ขับเคลื่อนภาคการขนส่งเหล่านี้ ซึ่งภาคการขนส่งเหล่านี้จำเป็นต้องบูรณาการเข้ากับชุดเซลล์เชื้อเพลิงให้มีประสิทธิภาพและเหมาะสมตามหลักการ ทั้งการกักเก็บไฮโดรเจน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และส่วนประกอบอื่นๆ ที่ทำให้เกิดความสมดุลของโรงงาน (BOP — Balance of Plant) โดยขณะนี้ความสนใจส่วนใหญ่ได้มุ่งไปที่เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC — Proton Exchange Membrane Fuel Cell) เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้จะเป็นกำลังให้กับกลุ่ม FCEV อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC — Solid Oxide Fuel Cells) กำลังถูกดึงขึ้นมาด้วยเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคการเดินเรือ
เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงยังสามารถนำไปใช้ในระบบไฟฟ้านอกโครงข่ายไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าสำรอง ตลอดจนการกำเนิดไฟฟ้าและพลังความร้อนร่วม (CHP — Combined Heat and Power) ซึ่งเป็นอีกกลุ่มที่กำลังเติบโตสำหรับตลาดเซลล์เชื้อเพลิง
ที่มา: IDTechEx
