ไฮโดรเจนสีเขียวคืออะไร และทำไมวัสดุซัลเฟอร์จึงสำคัญ
ไฮโดรเจนสีเขียวคือการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำหรือชีวมวลด้วยแหล่งพลังงานหมุนเวียนโดยไม่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์สุทธิ เป้าหมายคือเปลี่ยนแสงแดด ไฟฟ้าสะอาด หรือความร้อนจากชีวมวลให้เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่สะอาด ใช้ได้ทั้งในเซลล์เชื้อเพลิง การผลิตแอมโมเนีย เหล็ก ปูนซีเมนต์ และเคมีภัณฑ์ ลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในห่วงโซ่อุตสาหกรรม
หัวใจของความก้าวหน้าล่าสุดคือวัสดุเร่งปฏิกิริยาแบบใหม่ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง สามารถผลิตไฮโดรเจนจากน้ำได้โดยไม่ต้องใช้โลหะราคาแพง การวิจัยจากสถาบันหนึ่งได้สร้างวัสดุในกลุ่ม metal organic frameworks หรือ MOFs ที่ปรับโครงสร้างได้ตามต้องการ และใช้เคมีของซัลเฟอร์รูปแบบแปลกใหม่เพื่อดูดกลืนแสงและขับเคลื่อนปฏิกิริยา แนวทางนี้ไม่ใช่แค่การปรับปรุงเล็กน้อย แต่คือการออกแบบเทคโนโลยีพลังงานใหม่ตั้งแต่ระดับโครงสร้างโมเลกุล เพื่อให้การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวง่ายขึ้น ถูกลง และต่อยอดสู่ระดับอุตสาหกรรมได้จริง
วัสดุเร่งปฏิกิริยาซัลเฟอร์ BVR-19 พลิกกฎการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ
งานของทีมวิจัยที่นำโดย Kyriakos Stylianou จากสถาบันหนึ่งได้สร้างวัสดุเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงสำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำที่มีประสิทธิภาพสูงและทำงานได้รวดเร็ว วัสดุนี้จัดอยู่ในกลุ่ม MOFs ชื่อ BVR-19 ซึ่งมีพันธะซัลไฟด์ต่อซัลไฟด์รูปแบบผิดปกติ เมื่อโดนแสงพันธะดังกล่าวจะแตกชั่วคราว เกิดชนิดซัลเฟอร์ที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง ช่วยขับเคลื่อนการแยกน้ำให้ปล่อยไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
จุดหักมุมคือ BVR-19 ใช้องค์ประกอบอินทรีย์ที่มีซัลเฟอร์เป็นตัวดูดกลืนแสงและเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งที่ต้องการ แทนที่จะพึ่งโลหะเป็นหลัก ผลคือวัสดุนี้ไม่ต้องใช้วัสดุเร่งปฏิกิริยาโลหะราคาแพงเพิ่มเติม ทำให้ระบบการผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงออกแบบง่ายลงและมีศักยภาพลดต้นทุนที่สำคัญ นอกจากนี้ BVR-19 ยังสามารถเกิดขึ้นเองในสารละลายน้ำที่อุณหภูมิห้อง ลดพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิต คำกล่าวว่า "Our work provides a blueprint for designing better materials that can bring down the cost of green hydrogen" แสดงชัดว่านี่คือชุดกติกาใหม่ในการออกแบบวัสดุสำหรับเชื้อเพลิงจากแสงแดด
จากโรงงานน้ำตาลสู่ไฮโดรเจนสีเขียว กากอ้อยไม่ใช่ขยะอีกต่อไป
ในอีกแนวทางหนึ่ง นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยหนึ่งได้จำลองกระบวนการอุตสาหกรรมแบบใหม่ที่เปลี่ยนเศษซากอ้อยบดหรือ bagasse ให้กลายเป็นไฮโดรเจนสีเขียวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นกว่าที่เคยคิด โลกผลิตอ้อยประมาณ 1.4 พันล้านตันต่อปี ทำให้มีเศษอ้อยราว 540 ล้านตันเกิดขึ้นเป็นของเหลือจากโรงงานน้ำตาลอยู่แล้ว ปกติหลายประเทศนำ bagasse ไปใช้ในกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันเพื่อผลิตไฟฟ้า แต่กระบวนการขนาดใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันกลับให้ผลค่อนข้างแย่ ทั้งประสิทธิภาพพลังงานต่ำ ปริมาณไฮโดรเจนไม่สูง และสร้างทาร์กับก๊าซไม่พึงประสงค์จำนวนมาก
แบบจำลองใหม่ที่เรียกว่า sorption enhanced chemical looping gasification หรือ SECLG แสดงให้เห็นว่าการแก๊สซิฟิเคชัน bagasse สามารถให้ไฮโดรเจนที่บริสุทธิ์กว่า มีผลผลิตสูงกว่า และปล่อยทาร์ คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจนในระดับต่ำลงเมื่อเทียบกับระบบเดิม กระบวนการนี้ใช้ตัวพาออกซิเจนแบบออกไซด์โลหะที่ต่างกันเพื่อดูผลต่อปริมาณไฮโดรเจนและตัวแปรอื่น แนวคิดสำคัญคือกากอ้อยเกิดขึ้นอยู่แล้วในระบบการผลิตน้ำตาล ไม่ต้องผลิตชีวมวลเพิ่ม จึงเป็นเส้นทางการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวที่ยั่งยืนกว่าทั้งในมุมทรัพยากรและของเสีย
ทำไมเทคโนโลยีพลังงานใหม่นี้จึงสำคัญต่ออุตสาหกรรมหนักและชีวิตคนทั่วไป
ทุกวันนี้ไฮโดรเจนถูกใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์ การผลิตแอมโมเนีย การกลั่นโลหะ และอุตสาหกรรมพลาสติกแล้ว แต่การผลิตส่วนใหญ่ยังพึ่งกระบวนการ reforming จากก๊าซธรรมชาติที่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมาก เมื่อมีทั้งวัสดุเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจากน้ำ และกระบวนการ SECLG จากกากอ้อย เราเริ่มเห็นภาพโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจนสีเขียวที่หลากหลายและไม่ผูกติดกับเชื้อเพลิงฟอสซิลเพียงเส้นทางเดียว
สำหรับอุตสาหกรรมเหล็กและปูนซีเมนต์ การใช้ไฮโดรเจนสีเขียวจากกากอ้อยที่มีผลผลิตสูงและทาร์ต่ำ หมายถึงต้นทุนการประมวลผลและทำความสะอาดก๊าซลดลงอย่างมีนัยสำคัญ เพราะต้องใช้อุปกรณ์เสริมสำหรับจัดการก๊าซสกปรกน้อยลง งานจำลองชี้ว่ากระบวนการใหม่สร้างก๊าซสังเคราะห์ที่มีไฮโดรเจน 10–35 เปอร์เซ็นต์ พร้อมลดทาร์จากระดับ 10–100 กรัมต่อหนึ่งลูกบาศก์เมตรมาตรฐานของก๊าซลงได้ อีกด้านหนึ่ง วัสดุซัลเฟอร์อย่าง BVR-19 ทำให้ระบบผลิตไฮโดรเจนด้วยแสงมีโอกาสต้นทุนต่ำลง เพราะไม่ต้องใช้โลหะราคาแพงและผลิตได้ที่อุณหภูมิห้อง ผลรวมคือเส้นทางสู่ไฮโดรเจนที่สะอาดขึ้นและเข้าถึงได้สำหรับผู้บริโภคปลายทาง
โอกาสและข้อจำกัดต่อไปของไฮโดรเจนสีเขียว
แม้เทคโนโลยีเหล่านี้ยังอยู่ในช่วงการวิจัยและจำลองกระบวนการ แต่สัญญาณต่ออนาคตค่อนข้างชัด การค้นพบวัสดุเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงแบบ BVR-19 ทำให้เกิดกฎการออกแบบใหม่สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงจากแสงแดด และให้เครื่องมือเพิ่มเติมในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ด้านผู้พัฒนา SECLG ก็กำลังสร้างโมเดล proof of concept เพิ่มเติมและทดลองต่อเนื่องเพื่อยืนยันว่ากระบวนการดังกล่าวเหมาะสำหรับระดับอุตสาหกรรมจริง
ความท้าทายยังมีทั้งด้านการลงทุนโครงสร้างพื้นฐาน การเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียน และการกำหนดมาตรฐานไฮโดรเจนสีเขียวในตลาด อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีพลังงานชุดนี้ตอบโจทย์คอขวดสำคัญในการขยายการผลิตไฮโดรเจน เช่น ต้นทุนวัสดุเร่งปฏิกิริยา การจัดการของเสียจากกระบวนการแก๊สซิฟิเคชัน และคุณภาพก๊าซสังเคราะห์สำหรับใช้ในเหล็กและซีเมนต์ บทสรุปเชิงความเห็นคือ หากสังคมยอมมองไฮโดรเจนสีเขียวเกินกว่าแค่โครงการนำร่อง แต่เป็นหัวใจของระบบพลังงานใหม่ วัสดุซัลเฟอร์และกากอ้อยที่เคยมองว่าเป็นของเหลือ อาจกลายเป็นฐานเชื้อเพลิงสะอาดของเศรษฐกิจในอนาคต
