การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว: วิธีที่เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสแบบ AEM สนับสนุนการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว: วิธีที่เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสแบบ AEM สนับสนุนการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม

สำหรับทีมงานในภาคอุตสาหกรรม การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ไม่ใช่เพียงการเลือกเซลล์แยกน้ำเท่านั้น แต่เป็นการตัดสินใจเชิงระบบซึ่งรวมถึงการจัดหาไฟฟ้า การบำบัดน้ำ การอัดแรงดัน การจัดเก็บ ความต้องการไฮโดรเจน และการดำเนินงานของโรงงาน ดังนั้นจุดเริ่มต้นที่มีประโยชน์จึงไม่ใช่คำถามว่า “เทคโนโลยีใดเหมาะสม?” แต่คือ “โครงการนี้จำเป็นต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขการดำเนินงานแบบใด?”

ไฮโดรเจนสีเขียวเกิดขึ้นเมื่อกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าได้รับพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ผลลัพธ์ด้านภูมิอากาศขึ้นอยู่กับเงื่อนไข: กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ระบุว่า ไฮโดรเจนที่ผลิตผ่านกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าอาจไม่ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเลย ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของไฟฟ้า ความแตกต่างนี้มีความสำคัญต่อการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม กล่าวคือ เซลล์แยกน้ำที่มีคาร์บอนต่ำแต่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่มีคาร์บอนสูง หรือไม่สอดคล้องกันอย่างเหมาะสม ย่อมไม่เทียบเท่ากับระบบไฮโดรเจนสีเขียวที่ออกแบบมาอย่างดี

ในบริบทนี้ อิเล็กโทรไลเซอร์แบบใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนแอนไอออน (AEM) กำลังได้รับความสนใจในฐานะสะพานเชื่อมระหว่างวิธีการอัลคาไลน์ที่มีอยู่แล้วกับระบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน เครื่องกำเนิดไฮโดรเจนสำหรับอุตสาหกรรม โซลูชันที่ใช้เทคโนโลยี AEM อาจเหมาะสมในกรณีที่โครงการต้องการความสามารถในการปรับขนาดได้ตามความต้องการ ความเข้ากันได้กับพลังงานหมุนเวียน และการประเมินอย่างรอบคอบเกี่ยวกับวัสดุ องค์ประกอบเสริมของระบบ (balance-of-plant) และข้อกำหนดด้านการปฏิบัติงาน

เริ่มต้นจากการวิเคราะห์ห่วงโซ่มูลค่าของไฮโดรเจนสีเขียว ไม่ใช่จากสแต็กอิเล็กโทรไลเซอร์

การประเมินการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวอย่างเป็นรูปธรรมควรเริ่มต้นจากรวมทั้งห่วงโซ่มูลค่า ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนจะถูกแปลงเป็นกระแสตรง น้ำที่ผ่านการกลั่นให้บริสุทธิ์จะไหลเข้าสู่อิเล็กโทรไลเซอร์ ไฮโดรเจนที่ได้จะถูกทำให้แห้ง บีบอัด หรือเก็บชั่วคราว จากนั้นจึงส่งมอบผลิตภัณฑ์ไปยังการใช้งานปลายทาง เช่น การกลั่นน้ำมัน การผลิตสารเคมี การขนส่ง การทำความร้อน การรองรับสมดุลของระบบไฟฟ้า หรือการจัดเก็บพลังงาน แต่ละจุดเชื่อมต่อสามารถส่งผลต่อเศรษฐศาสตร์ของโครงการและประสิทธิภาพด้านการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

ตัวอย่างเช่น สถานที่ที่มีการผลิตพลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์แบบแปรผันจำเป็นต้องมีแผนที่ชัดเจนสำหรับช่วงเวลาในการดำเนินงาน การเพิ่มหรือลดกำลังการผลิต การลดการผลิตลงชั่วคราว และการใช้ไฮโดรเจนเป็นสื่อกักเก็บพลังงาน สถานที่ที่มีความต้องการไฮโดรเจนจากภาคอุตสาหกรรมอย่างสม่ำเสมอ จำเป็นต้องกำหนดคุณภาพของไฮโดรเจน แรงดัน และความน่าเชื่อถือของการจัดส่งก่อนเลือกอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ใช่รายละเอียดทางวิศวกรรมที่เล็กน้อย แต่เป็นปัจจัยที่กำหนดว่า การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวจะถูกประเมินในฐานะสินทรัพย์ด้านพลังงาน ระบบจัดหาแก๊สสำหรับกระบวนการผลิต หรือทั้งสองอย่างพร้อมกัน

ความต้องการที่มีอยู่แล้วยังให้บริบทที่สำคัญอีกด้วย รายงานจากสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) แสดงอย่างต่อเนื่องว่า การใช้ไฮโดรเจนยังคงกระจุกตัวอยู่ในภาคอุตสาหกรรมที่มีอยู่เดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการกลั่นน้ำมันและผลิตสารเคมี สำหรับภาคเหล่านี้ คำถามด้านการลดคาร์บอนมักเกี่ยวข้องกับวิธีการแทนที่หรือเสริมแหล่งจัดหาไฮโดรเจนที่มีอยู่ในปัจจุบัน โดยยังคงรักษาความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในการดำเนินงานไว้

อะไรคือจุดที่ทำให้เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสแบบ AEM แตกต่างออกไป

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ AEM ใช้เมมเบรนที่นำไอออนแอนไอออนได้เพื่อแยกด้านไฮโดรเจนและด้านออกซิเจนของเซลล์ออกจากกัน โดยโดยรวมแล้ว เทคโนโลยีนี้มีเป้าหมายเพื่อรวมคุณลักษณะการปฏิบัติงานบางประการที่พบในแบบจำลองอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้เมมเบรนแบบกะทัดรัด เข้ากับศักยภาพในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะทรานซิชันที่ไม่ใช่โลหะมีค่าสูง รายงานวิจารณ์เกี่ยวกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ AEM ระบุว่า แนวทางตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวอาจเป็นข้อได้เปรียบเหนือระบบอื่นที่พึ่งพาตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโตรเคมีจากโลหะมีค่าแบบดั้งเดิมมากกว่า

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้หมายความว่า AEM จะเป็นคำตอบสากลสำหรับทุกกรณี ความทนทานของเมมเบรน ความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยา กลยุทธ์การใช้สารอิเล็กโทรไลต์ คุณภาพน้ำ การจัดการความร้อน และรูปแบบการปฏิบัติงานจริง ล้วนต้องได้รับการตรวจสอบและยืนยันให้สอดคล้องกับแต่ละโครงการเป็นรายกรณี การเปรียบเทียบเพียงแค่ประสิทธิภาพโดยรวมหรือชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยาอาจทำให้พลาดเงื่อนไขสำคัญที่มีผลต่อความสามารถในการใช้งานได้อย่างต่อเนื่องในระยะยาว

สำหรับทีมงานที่รับผิดชอบการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม การตีความที่ถูกต้องจะต้องวัดผลได้: เทคโนโลยี AEM อาจขยายขอบเขตของสถาปัตยกรรมการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวที่ใช้งานได้จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการแบบโมดูลาร์ แต่ความเหมาะสมสุดท้ายขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพที่ได้รับการยืนยันแล้วภายใต้รอบการทำงานที่วางแผนไว้ และจุดที่เชื่อมต่อกับระบบ

วิธีประเมินเทคโนโลยี AEM สำหรับโครงการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม

1. กำหนดขอบเขตการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

บันทึกแหล่งที่มาของไฟฟ้า วิธีการจัดหาไฟฟ้า รูปแบบการดำเนินงานที่คาดการณ์ไว้ รวมทั้งการมีส่วนร่วมกับระบบเก็บพลังงานหรือโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้กรณีการคำนวณการปล่อยก๊าซสามารถตรวจสอบได้ และป้องกันไม่ให้การเปรียบเทียบเทคโนโลยีแยกขาดจากความเป็นจริงของการจัดหาไฟฟ้า

2. วิเคราะห์รูปแบบความต้องการไฮโดรเจน

ระบุความต้องการรายชั่วโมง รายวัน และตามฤดูกาล ความดันและระดับความบริสุทธิ์ที่จำเป็น ภาระงานที่มีความสำคัญสูง และระยะเวลาที่การจ่ายเชื้อเพลิงสามารถหยุดได้ โครงการที่มีข้อตกลงรับซื้อแบบยืดหยุ่นอาจให้คุณค่ากับลักษณะการดำเนินงานที่แตกต่างจากโครงการที่ใช้แทนระบบผลิตไฮโดรเจนแบบต่อเนื่อง

3. ประเมินการเชื่อมต่อของระบบ

ประเมินระบบการบำบัดน้ำ การแปลงพลังงาน ระบบระบายความร้อน การจัดการก๊าซ การอัดก๊าซ ระบบความปลอดภัย และระบบเก็บกักอย่างรวมถึงกัน ในหลายโครงการ ทางเลือกสำหรับส่วนประกอบอื่นๆ ของโรงงาน (Balance-of-Plant) มีอิทธิพลต่อต้นทุนและการปฏิบัติงานมากเท่ากับเซลล์เชื้อเพลิงเอง ดังนั้น ก่อนเปรียบเทียบอุปกรณ์ ควรกำหนดขอบเขตการประยุกต์ใช้งานให้ชัดเจน

4. ยืนยันกรณีการใช้งานจริง

ขอให้ผู้จัดจำหน่ายนำเสนอข้อมูลประสิทธิภาพที่สอดคล้องกับรูปแบบภาระงานที่ตั้งใจใช้งานจริง ไม่ใช่เพียงแต่ภายใต้สภาวะมาตรฐานเท่านั้น ยืนยันว่าสมมุติฐานการใช้งาน แผนบำรุงรักษา และสาธารณูปโภคภายในสถานที่ใดบ้างที่รวมอยู่ในขอบเขตงาน การตัดสินใจเลือกเทคโนโลยีจะมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น เมื่อการสนทนาพร้อมผู้จัดจำหน่ายมีพื้นฐานจากความต้องการจริงของรอบการใช้งาน (Duty Cycle)

จุดที่ระบบ AEM แบบโมดูลาร์สามารถนำมาใช้ได้

ความจุแบบโมดูลาร์สามารถช่วยให้ทีมงานแบ่งระยะการดำเนินโครงการตามความพร้อมของแหล่งพลังงานหมุนเวียน ความต้องการไฮโดรเจน และโครงสร้างพื้นฐานของสถานที่ Hyto Energy จัดหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์สำหรับทีมงานที่พิจารณาความจุในการผลิตไฮโดรเจนแบบปรับขนาดได้ 100KW-500KW และ 1MW-5MW ความจุที่เหมาะสมไม่ได้ระบุไว้เพียงแค่จากชื่อหมวดหมู่เท่านั้น แต่ควรจับคู่กับความต้องการที่ยืนยันแล้ว ความพร้อมของพลังงานหมุนเวียน และข้อกำหนดด้านการจัดการไฮโดรเจนในขั้นตอนถัดไป

สำหรับโครงการเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนเชิงอุตสาหกรรม การติดตั้งแบบเป็นระยะยังช่วยให้สอดคล้องกับการจัดซื้อเครื่องจักร การเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า การนำระบบจัดเก็บมาใช้งานจริง และการบรรลุเป้าหมายด้านการรับซื้อไฮโดรเจนจากลูกค้าได้ง่ายขึ้น ความยืดหยุ่นนี้จะมีคุณค่าหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับตารางเวลาของโครงการและต้นทุนของสินทรัพย์ที่ใช้งานไม่เต็มประสิทธิภาพ

คำถามที่ควรนำมาพิจารณาในการทบทวนเชิงเทคนิค

• โปรไฟล์ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนใดจะรองรับการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว และจะมีหลักฐานยืนยันอย่างไร
• การใช้งานปลายทางต้องการไฮโดรเจนในอัตราการไหล แรงดัน ความบริสุทธิ์ และความพร้อมใช้งานระดับใด
• สมมุติฐานเกี่ยวกับคุณภาพน้ำและเงื่อนไขการจัดการความร้อนคืออะไร
• จะตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบอิเล็กโทรไลซิส AEM ภายใต้สภาวะการใช้งานที่มีโหลดบางส่วนและสภาวะการเปลี่ยนแปลงโหลดได้อย่างไร
• องค์ประกอบของระบบสมดุล (balance-of-plant) ใดบ้างที่รวมอยู่ในโครงการ และใครเป็นผู้รับผิดชอบในการบูรณาการระบบ
• กลยุทธ์การจัดเก็บหรือการบีบอัดแบบใดที่ช่วยปกป้องกระบวนการอุตสาหกรรมเมื่อการผลิตพลังงานหมุนเวียนเปลี่ยนแปลง

ข้อสรุปเชิงปฏิบัติ

เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิส AEM ควรเข้าร่วมการสนทนาเรื่องการลดคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากเปิดโอกาสอีกทางหนึ่งในการออกแบบระบบที่ผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานหมุนเวียน คุณค่าของเทคโนโลยีนี้ไม่ใช่การรับประกันโดยทั่วไปว่าจะมีต้นทุนต่ำกว่าหรือให้สมรรถนะเหนือกว่า แต่คือโอกาสในการประเมินสถาปัตยกรรมเทคโนโลยีแบบใหม่เทียบกับเงื่อนไขจริงของสถานที่นั้นๆ

สำหรับโครงการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว โครงการที่แข็งแกร่งที่สุดคือโครงการที่พิจารณาเชื่อมโยงแหล่งไฟฟ้าหมุนเวียน ภาระการใช้งานจริง แหล่งน้ำ ระบบอิเล็กโทรไลซิส การจัดเก็บ และการจำหน่ายออก (offtake) ไว้ด้วยกันในการประเมินครั้งเดียว เมื่อขอบเขตเหล่านี้ชัดเจนแล้ว AEM จะสามารถเปรียบเทียบได้อย่างเป็นธรรมกับตัวเลือกระบบอิเล็กโทรไลเซอร์อื่นๆ และทีมงานภาคอุตสาหกรรมจะสามารถก้าวข้ามเป้าหมายเชิงกว้างไปสู่แผนการนำเทคโนโลยีไปใช้งานจริงที่อิงหลักฐานเชิงประจักษ์