การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวคืออะไร? กระบวนการและพื้นฐานของระบบ

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวคืออะไร? กระบวนการและพื้นฐานของระบบ

ตลาด กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ใช้ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนในการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน แม้คำอธิบายนี้จะดูเรียบง่าย แต่โครงการที่ดำเนินการจริงคือระบบที่ต้องประสานงานด้านพลังงานอย่างลงตัว ซึ่งประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ ระบบบำบัดน้ำ อิเล็กโทรไลเซอร์ การปรับสภาพก๊าซ ระบบควบคุม และมักมีระบบเก็บกักด้วย สำหรับทีมงานภาคอุตสาหกรรมที่พิจารณาใช้ไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด คำถามที่มีประโยชน์ไม่ได้มีเพียงว่า “อิเล็กโทรไลซิสคืออะไร” เท่านั้น แต่ยังรวมถึงว่าแต่ละส่วนของ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ส่งผลต่อผลผลิต ต้นทุน และความน่าเชื่อถืออย่างไร

ที่บริษัท ไฮโต เอนเนอร์ยี จำกัด เราพิจารณาระบบไฮโดรเจนภายใต้ขอบเขตเชิงปฏิบัติแบบนั้น หน่วยผลิตอาจมีศักยภาพทางเทคนิคในการผลิตไฮโดรเจนได้ แต่ผลลัพธ์ในโลกแห่งความเป็นจริงยังขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น ความพร้อมของพลังงานหมุนเวียน คุณภาพของน้ำ รูปแบบการดำเนินงาน และการเชื่อมต่อกับระบบอัดหรือระบบเก็บกัก บทความนี้อธิบายหลักการพื้นฐานโดยไม่ถือว่าค่าข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์ใดๆ เป็นข้อรับรองที่ใช้ได้กับทุกสถานที่

อะไรทำให้ไฮโดรเจนเป็น “สีเขียว”

ไฮโดรเจนมักถูกอธิบายตามแหล่งพลังงานและวิธีการผลิตที่อยู่เบื้องหลังมัน ในกรณีของ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ไฟฟ้าที่ได้จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ลม แสงอาทิตย์ หรือพลังน้ำ หรือแหล่งพลังงานต่ำคาร์บอนอื่นที่มีเอกสารรับรอง จะใช้ในการแยกน้ำด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส อุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์จะแยกโมเลกุล H₂O ออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน โดยไม่พึ่งพาการเปลี่ยนรูปเชื้อเพลิงฟอสซิล

นิยามนี้มีความสำคัญ เพราะอิเล็กโทรไลเซอร์เพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นไฮโดรเจนสีเขียว แหล่งจ่ายไฟฟ้า ความสามารถในการติดตามแหล่งที่มาของไฟฟ้า และวิธีการจัดตารางการทำงานของโรงงาน ล้วนมีผลต่อปริมาณการปล่อยคาร์บอนทั้งสิ้น สำหรับโครงการในขั้นตอนสร้างความตระหนักรู้ การมอง กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว เป็นห่วงโซ่การแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นโมเลกุล แทนที่จะมองเป็นเครื่องจักรที่ทำงานแยกต่างหาก จะช่วยให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น

กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ทีละขั้นตอน

๑. นำไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเข้าสู่ระบบ

อินพุตแรกคือพลังงานไฟฟ้า กำลังการผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมอาจเปลี่ยนแปลงได้ตามชั่วโมงและฤดูกาล ดังนั้นชั้นการแปลงพลังงานและการควบคุมจึงต้องรักษาอิเล็กโทรไลเซอร์ให้อยู่ภายในช่วงการดำเนินงานที่อนุญาต โครงการที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าอาจรวมการผลิตพลังงานหมุนเวียนเข้ากับพลังงานจากโครงข่าย ในขณะที่โครงการแบบไม่เชื่อมต่อกับโครงข่ายจำเป็นต้องมีกลยุทธ์การออกแบบการผลิต การจัดเก็บ และการจัดสรรพลังงานอย่างรอบคอบ ทางเลือกเหล่านี้กำหนดความสม่ำเสมอในการดำเนินงานของ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ได้

2. เตรียมน้ำสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส

น้ำจะไหลผ่านอุปกรณ์บำบัดก่อนเข้าสู่สแต็ก ระดับการบำบัดที่จำเป็นขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์และข้อกำหนดของผู้จัดจำหน่าย ทีมงานควรพิจารณาแหล่งน้ำ การบำบัดเบื้องต้น การทำให้บริสุทธิ์ การตรวจสอบคุณภาพน้ำ และการจัดการน้ำทิ้ง ถ้าพิจารณาคุณภาพน้ำเป็นหนึ่งในข้อตัดสินใจด้านวิศวกรรมตั้งแต่ระยะเริ่มต้น จะช่วยลดการหยุดชะงักที่หลีกเลี่ยงได้ในภายหลังของ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว .

3. แยกน้ำด้วยอิเล็กโทรไลเซอร์

ภายในอิเล็กโทรไลเซอร์ พลังงานไฟฟ้าจะขับเคลื่อนปฏิกิริยาอิเล็กโทรเคมีที่ผลิตไฮโดรเจนที่ขั้วไฟฟ้าหนึ่ง และออกซิเจนที่อีกขั้วหนึ่ง ครอบครัวเทคโนโลยีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ อิเล็กโทรไลซิสแบบด่าง (alkaline electrolysis), อิเล็กโทรไลซิสแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM electrolysis) และอิเล็กโทรไลซิสแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนอนิออน (AEM electrolysis) แต่ละแบบมีข้อแลกเปลี่ยนด้านการออกแบบที่ต่างกัน ทั้งในแง่ความดันขณะทำงาน ความเร็วในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงสภาวะ วัสดุที่ใช้ และความต้องการระบบสมดุลของพืช (balance-of-plant) การเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับสถานที่ติดตั้งเป็นหลัก ไม่ใช่จากการจัดอันดับแบบสากล

โดยเป็นค่าอ้างอิงเชิงเปรียบเทียบ ปริมาณพลังงานต่ำสุดตามทฤษฎีที่จำเป็นต่อการผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม คือประมาณ 39.4 กิโลวัตต์-ชั่วโมง สำหรับระบบเชิงพาณิชย์จริง มักต้องการพลังงานประมาณ 50–55 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม เนื่องจากความต้านทานทางไฟฟ้า การสูญเสียจากปฏิกิริยา ภาระเสริม (auxiliary loads) และสภาวะการดำเนินงาน ค่าเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการวางแผนพลังงานเบื้องต้น แต่ไม่สามารถแทนการรับประกันประสิทธิภาพเฉพาะโครงการได้

4. ตรวจสอบและยืนยันคุณภาพของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนที่ออกจากสแต็กอาจมีไอน้ำปนอยู่ และจำเป็นต้องผ่านการระบายความร้อน การแยก การทำให้แห้ง และการวัดปริมาณก่อนนำไปใช้ในขั้นตอนถัดไป ขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งาน โรงงานอาจประกอบด้วยระบบการบริสุทธิ์ การควบคุมแรงดัน การวิเคราะห์คุณภาพ และอุปกรณ์ตรวจสอบความปลอดภัย ออกซิเจนสามารถปล่อยทิ้งไป รวบรวม หรือประเมินค่าในฐานะผลิตภัณฑ์ร่วมได้ ในกรณีที่มีการใช้งานที่พิสูจน์แล้วว่าเหมาะสม ขั้นตอนการปรับสภาพนี้ถือเป็นส่วนสำคัญของ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ไม่ใช่สิ่งที่เพิ่มเติมภายหลัง

5. อัดแรง เก็บ หรือจัดส่งผลิตภัณฑ์

การผลิตและการใช้งานมักไม่เกิดขึ้นพร้อมกันอย่างแม่นยำ ดังนั้นอุปกรณ์สำหรับการเก็บและจัดส่งจึงอาจมีความสำคัญเทียบเท่ากับอิเล็กโทรไลเซอร์เอง โครงการอาจใช้ก๊าซที่ถูกอัดแรง อินเทอร์เฟซสำหรับท่อส่ง ภาชนะขนส่ง หรือเส้นทางการเก็บที่ผ่านการรับรองแล้ว หากเป้าหมายรวมถึงการเก็บพลังงานระยะยาว ระบบที่ใช้ในการผลิตจะต้องมีอินเทอร์เฟซที่ชัดเจนกับระบบการจัดการไฮโดรเจนในขั้นตอนถัดไป

สำหรับผู้อ่านที่เปรียบเทียบขนาดของระบบ 1MW-5MW หน้าผลิตภัณฑ์สามารถใช้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับความจุของระบบกับผู้จัดจำหน่ายได้ หัวเรื่องและลิงก์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถระบุประสิทธิภาพเฉพาะสถานที่ได้ การออกแบบควรครอบคลุมโปรไฟล์โหลด การบำบัดน้ำ แรงดันก๊าซ ระบบควบคุม และข้อกำหนดด้านการจัดเก็บ

อุปกรณ์หลักในระบบไฮโดรเจนสีเขียว

A ครบถ้วน กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว มักมีมากกว่าแค่สแต็ก โดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนย่อยต่าง ๆ ได้แก่ การเชื่อมต่อพลังงานหมุนเวียน หม้อแปลงและเรกติไฟเออร์ อุปกรณ์บำบัดน้ำ โมดูลอิเล็กโทรไลเซอร์ การแยกก๊าซกับของเหลว อุปกรณ์ทำให้แห้งและบริสุทธิ์ก๊าซ ระบบวิเคราะห์ไฮโดรเจน ระบบควบคุม ระบบความปลอดภัย รวมถึงการอัดก๊าซหรือการจัดเก็บในขั้นตอนต่อเนื่อง สมดุลของพืช (Balance of Plant) มักเป็นตัวกำหนดว่าแนวคิดนั้นสามารถทำงานได้อย่างราบรื่นที่สถานที่จริงหรือไม่

การควบคุมมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพลังงานมีความแปรผัน โดยระบบควบคุมจะประสานงานการเริ่มต้น การหยุด การเพิ่มหรือลดกำลัง การแจ้งเตือน การจัดการอุณหภูมิ และการตรวจสอบคุณภาพก๊าซ ผู้ซื้อควรสอบถามว่าระบบที่เสนอจะทำงานอย่างไรเมื่อทำงานที่โหลดบางส่วน หรือในระหว่างการเปิด-ปิดตามแผน แทนที่จะพิจารณาเพียงแค่ค่ากำลังขั้นต่ำที่ระบุบนป้ายชื่อ

พลังงานหมุนเวียนส่งผลต่อการออกแบบระบบอย่างไร

พลังงานหมุนเวียนคือสัญญาณนำเข้าหลักใน กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว และนำมาซึ่งความท้าทายด้านการออกแบบ กล่าวคือ ปริมาณพลังงานที่ผลิตได้อาจไม่สอดคล้องกับตารางการผลิตไฮโดรเจนที่ต้องการ สถานที่ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นหลักอาจมีกำลังไฟฟ้าสูงในช่วงกลางวัน ในขณะที่สถานที่ที่ใช้พลังงานลมเป็นหลักอาจมีรูปแบบการผลิตที่ต่างออกไป วิศวกรจึงประเมินพลังงานที่มีให้ใช้งาน โอกาสในการลดการผลิต (curtailment) ขีดจำกัดของการเชื่อมต่อกับโครงข่าย คุณภาพของพลังงาน และช่วงเวลาที่อิเล็กโทรไลเซอร์สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นี่คือเหตุผลที่การศึกษาความเป็นไปได้ที่มีประโยชน์จะเชื่อมโยงข้อมูลพลังงานเข้ากับความต้องการไฮโดรเจน โดยควรจำลองช่วงเวลาที่ไฟฟ้าพร้อมใช้งาน วิธีที่อิเล็กโทรไลเซอร์ตอบสนอง ปริมาณพลังงานที่โหลดเสริมบริโภค และปริมาตรของระบบเก็บพลังงานที่ใช้เติมช่องว่างระหว่างการผลิตกับการใช้งาน คำตอบสุดท้ายคือการกำหนดโครงสร้างระบบทั้งหมด ไม่ใช่เพียงการเลือกอิเล็กโทรไลเซอร์เพียงอย่างเดียว

คำถามเชิงปฏิบัติที่ควรถามก่อนระบุรายละเอียดอุปกรณ์

• แหล่งพลังงานหมุนเวียนใดจะจัดหา กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว และจะบันทึกแหล่งที่มาของพลังงานนั้นอย่างไร
• แอปพลิเคชันปลายทางต้องการปริมาณไฮโดรเจน แรงดัน ความบริสุทธิ์ และตารางการจัดส่งแบบใด
• มีแหล่งน้ำใดพร้อมใช้งาน และต้องใช้ระบบบำบัดน้ำแบบใด
• อิเล็กโทรไลเซอร์จะเริ่มทำงาน หยุดทำงาน หรือทำงานที่โหลดย่อยบ่อยแค่ไหน
• ระบบเก็บไฮโดรเจน การอัดแรง ระบบระบายอากาศ ระบบตรวจจับ และระบบความปลอดภัยใดบ้างที่อยู่ภายในขอบเขตของโครงการ
• ตัวเลขประสิทธิภาพใดบ้างที่วัดภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดไว้ และตัวเลขใดบ้างที่ต้องตรวจสอบความถูกต้องในสถานที่จริง

การตอบคำถามเหล่านี้ตั้งแต่เนิ่นๆ จะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดทั่วไปในการวางแผน คือ การกำหนดขนาดของระบบก่อนแล้วจึงพบภายหลังว่า กำลังไฟฟ้า น้ำ ก๊าซ หรือระบบควบคุมต่างหากที่เป็นข้อจำกัดที่แท้จริง

เหตุใดกระบวนการนี้จึงมีความสำคัญต่อการวางแผนโครงการแบบธุรกิจต่อธุรกิจ

สำหรับผู้บริหารระดับสูงที่ตัดสินใจในองค์กรธุรกิจ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ไม่เพียงเป็นเส้นทางเชิงเทคนิคเท่านั้น แต่ยังเป็นการฝึกบูรณาการโครงการด้วย วัตถุประสงค์ควรเป็นห่วงโซ่ที่โปร่งใส ตั้งแต่ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ไปจนถึงไฮโดรเจนที่ใช้งานได้จริง โดยสมมุติฐานทั้งหมดต้องมองเห็นได้ชัดเจนที่ทุกจุดเชื่อมต่อ แนวทางนี้จะทำให้การเปรียบเทียบตัวเลือกต่างๆ การระบุโครงสร้างพื้นฐานที่ขาดหาย และการจัดทำขอบเขตการจัดซื้อจัดจ้างอย่างสมจริง เป็นเรื่องที่ทำได้ง่ายขึ้น

ไฮโดรเจนสีเขียวสามารถสนับสนุนกลยุทธ์ด้านพลังงานสะอาดและการเก็บพลังงานได้ ก็ต่อเมื่อออกแบบระบบทั้งระบบให้สอดคล้องกับสถานที่นั้นๆ โดยเริ่มจากการวิเคราะห์รูปแบบการผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน และการใช้งานไฮโดรเจนที่เฉพาะเจาะจง จากนั้นจึงกำหนดขอบเขตของอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า ระบบปรับคุณภาพ และระบบจัดเก็บให้สอดคล้องกับข้อมูลพื้นฐานเหล่านั้น วิธีนี้จะทำให้ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว ยึดมั่นอยู่บนพื้นฐานของการตัดสินใจเชิงวิศวกรรม ซึ่งสามารถตรวจสอบและปรับปรุงได้

คำถามที่พบบ่อย

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวเพียงวิธีเดียวหรือไม่

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากแหล่งพลังงานหมุนเวียน คือความหมายทั่วไปของคำนี้ ยังมีวิธีอื่นในการผลิตไฮโดรเจน แต่การจัดหมวดหมู่วิธีเหล่านั้นขึ้นอยู่กับวัตถุดิบและแหล่งพลังงานที่ใช้

กระบวนการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวใช้ไฟฟ้าเท่าใด

ค่าต่ำสุดเชิงทฤษฎีอยู่ที่ประมาณ 39.4 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของไฮโดรเจน แต่ปริมาณไฟฟ้าที่ระบบจริงต้องการสูงกว่านั้น และแปรผันตามเทคโนโลยี อุปกรณ์เสริม สภาวะการปฏิบัติงาน และการออกแบบโครงการ โดยโดยทั่วไปแล้ว การประมาณค่าเบื้องต้นมักใช้ช่วงค่าประมาณ 50–55 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมเป็นเกณฑ์อ้างอิงทางวิศวกรรม

สามารถจัดการกับความแปรผันของพลังงานหมุนเวียนได้หรือไม่

ได้ แต่ต้องพิจารณาไว้ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ ทั้งระบบควบคุม กลยุทธ์การปฏิบัติงาน โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงาน และการจัดเก็บไฮโดรเจน ล้วนมีผลต่อความสามารถของระบบในการรับมือกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีความแปรผัน