โรงไฟฟ้าไฮโดรเจน -- แนวโน้มและโอกาส

แม้ว่าโรงไฟฟ้านิวเคลียร์จะได้รับการพิจารณาว่าปลอดภัยมากมานานแล้ว แต่อุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะของญี่ปุ่นในปี 2554 ได้บีบให้วิศวกรพลังงานทั่วโลกต้องคิดถึงปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานประเภทนี้อีกครั้ง

รัฐบาลของหลายประเทศ รวมทั้งประเทศในสหภาพยุโรปจำนวนหนึ่ง ได้ประกาศเจตนารมณ์ที่ชัดเจนในการย้ายเศรษฐกิจของตนไปสู่พลังงานทางเลือก โดยไม่ต้องลงทุน โดยสัญญาว่าจะให้เงินหลายพันล้านยูโรสำหรับอุตสาหกรรมนี้ในอีก 5-10 ปีข้างหน้า และหนึ่งในประเภทที่มีแนวโน้มและปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุดคือไฮโดรเจน

หากถ่านหิน ก๊าซ และน้ำมันหมดลง แสดงว่ามีไฮโดรเจนไม่จำกัดในมหาสมุทร แม้ว่าจะไม่ได้กักเก็บไว้ในรูปแบบบริสุทธิ์ แต่อยู่ในรูปของสารประกอบทางเคมีกับออกซิเจน - ในรูปของน้ำ

ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด การรับ การขนส่ง การจัดเก็บ และการใช้ไฮโดรเจนจำเป็นต้องเพิ่มพูนความรู้ของเราเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์กับโลหะ

มีปัญหามากมายที่นี่นี่เป็นเพียงบางส่วนที่รอการแก้ปัญหา: การผลิตไอโซโทปไฮโดรเจนบริสุทธิ์สูงโดยใช้ตัวกรองเมมเบรน (เช่น จากแพลเลเดียม) การสร้างแบตเตอรี่ไฮโดรเจนที่ได้เปรียบทางเทคโนโลยี ปัญหาในการต่อสู้กับต้นทุนไฮโดรเจนของวัสดุ เป็นต้น

ไม่มีใครสงสัยในความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อมของไฮโดรเจนเมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานประเภทอื่น: ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนคือน้ำอีกครั้งในรูปของไอน้ำในขณะที่ไม่มีพิษเลย

ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสามารถนำมาใช้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในได้อย่างง่ายดาย โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงพื้นฐาน เช่นเดียวกับในกังหัน และจะได้รับพลังงานมากกว่าจากน้ำมันเบนซิน หากความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซินในอากาศอยู่ที่ประมาณ 44 MJ / kg ดังนั้นสำหรับไฮโดรเจนตัวเลขนี้จะอยู่ที่ประมาณ 141 MJ / kg ซึ่งสูงกว่า 3 เท่า ผลิตภัณฑ์จากปิโตรเลียมก็เป็นพิษเช่นกัน

การจัดเก็บและการขนส่งไฮโดรเจนจะไม่ทำให้เกิดปัญหาเฉพาะ การขนส่งนั้นคล้ายกับโพรเพน แต่ไฮโดรเจนระเบิดได้มากกว่ามีเทน ดังนั้นจึงยังมีความแตกต่างอยู่บ้าง

โซลูชันการจัดเก็บไฮโดรเจนมีดังนี้ วิธีแรกคือการบีบอัดแบบดั้งเดิมและการทำให้เป็นของเหลว เมื่อจำเป็นต้องทำให้แน่ใจว่าอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษเพื่อรักษาสถานะของเหลวของไฮโดรเจน นี้มีราคาแพง

วิธีที่สองมีแนวโน้มดีกว่า — ขึ้นอยู่กับความสามารถของฟองน้ำโลหะคอมโพสิตบางชนิด (โลหะผสมวาเนเดียม ไททาเนียม และเหล็กที่มีรูพรุนสูง) ในการดูดซับไฮโดรเจนอย่างแข็งขันและปล่อยไฮโดรเจนออกมาเมื่อให้ความร้อนต่ำ

บริษัทน้ำมันและก๊าซชั้นนำ เช่น Enel และ BP กำลังพัฒนาพลังงานไฮโดรเจนอย่างจริงจังในปัจจุบันไม่กี่ปีที่ผ่านมา Enel ของอิตาลีได้เริ่มสร้างโรงไฟฟ้าไฮโดรเจนแห่งแรกของโลก ซึ่งไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อชั้นบรรยากาศและไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก แต่จุดเผาไหม้หลักในทิศทางนี้อยู่ในคำถามต่อไปนี้: ทำอย่างไรให้การผลิตไฮโดรเจนในภาคอุตสาหกรรมมีราคาถูกลง?

ปัญหาก็คือว่า อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมากและหากการผลิตไฮโดรเจนผ่านกระแสน้ำอย่างแม่นยำผ่านการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ ดังนั้นสำหรับเศรษฐกิจในประเทศเดียววิธีการผลิตไฮโดรเจนเชิงอุตสาหกรรมนี้จะมีราคาแพงมาก: สามครั้งถ้าไม่ใช่สี่ครั้ง ในแง่ของความร้อนเทียบเท่าการเผาไหม้จากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลเซอร์อุตสาหกรรมสามารถรับก๊าซได้สูงสุด 5 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงจากอิเล็กโทรดหนึ่งตารางเมตร สิ่งนี้ทำได้ช้าและไม่สามารถทำได้ในเชิงเศรษฐกิจ

หนึ่งในวิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการผลิตไฮโดรเจนในปริมาณอุตสาหกรรมคือวิธีเคมีในพลาสมา ที่นี่ไฮโดรเจนสามารถหาได้ถูกกว่าการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ในพลาสมาตรอนที่ไม่สมดุล กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านก๊าซไอออไนซ์ในสนามแม่เหล็ก และปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานจากอิเล็กตรอนที่ "ถูกทำให้ร้อน" ไปยังโมเลกุลของก๊าซ

อุณหภูมิของก๊าซอยู่ในช่วง +300 ถึง +1,000 ° C ในขณะที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่นำไปสู่การผลิตไฮโดรเจนนั้นสูงกว่าในอิเล็กโทรไลซิส วิธีนี้ทำให้ได้ไฮโดรเจนซึ่งมีราคาแพงกว่าเชื้อเพลิงดั้งเดิมที่ได้จากไฮโดรคาร์บอนถึงสองเท่า (ไม่ใช่สามเท่า)

กระบวนการทางเคมีในพลาสมาเกิดขึ้นในสองขั้นตอน: ขั้นแรก คาร์บอนไดออกไซด์จะสลายตัวเป็นออกซิเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ จากนั้นคาร์บอนมอนอกไซด์จะทำปฏิกิริยากับไอน้ำ ซึ่งนำไปสู่ไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์แบบเดียวกับที่เริ่มต้น (ไม่ถูกบริโภค ถ้าคุณดูการแปลงลูปทั้งหมด)

ในขั้นตอนการทดลอง - การผลิตไฮโดรเจนทางเคมีในพลาสมาจากไฮโดรเจนซัลไฟด์ซึ่งยังคงเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นอันตรายในทุกที่ในการพัฒนาแหล่งก๊าซและน้ำมัน พลาสมาแบบหมุนจะขับโมเลกุลกำมะถันออกจากโซนปฏิกิริยาโดยแรงเหวี่ยง และไม่รวมปฏิกิริยาย้อนกลับของการเปลี่ยนไปเป็นไฮโดรเจนซัลไฟด์ เทคโนโลยีนี้ทำให้ราคาของไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิลประเภทดั้งเดิมเท่ากัน นอกจากนี้ กำมะถันยังถูกขุดควบคู่ไปด้วย

และญี่ปุ่นได้ดำเนินการพัฒนาพลังงานไฮโดรเจนในทางปฏิบัติแล้วในปัจจุบัน Kawasaki Heavy Industries และ Obayashi วางแผนที่จะเริ่มใช้พลังงานไฮโดรเจนเพื่อผลิตพลังงานให้กับเมือง Kobe ภายในปี 2018 พวกเขาจะกลายเป็นผู้บุกเบิกในกลุ่มผู้ที่จะเริ่มใช้ไฮโดรเจนสำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่โดยแทบไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย

โรงไฟฟ้าไฮโดรเจนขนาด 1 เมกะวัตต์จะถูกสร้างขึ้นโดยตรงในเมืองโกเบ ซึ่งจะจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับศูนย์การประชุมนานาชาติและสำนักงานสำหรับผู้อยู่อาศัยในท้องถิ่น 10,000 คน และความร้อนที่เกิดขึ้นที่สถานีในกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากไฮโดรเจนจะกลายเป็นความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับบ้านในท้องถิ่นและอาคารสำนักงาน

แน่นอนว่ากังหันก๊าซที่ผลิตโดย Kawasaki Heavy Industries จะไม่ได้รับไฮโดรเจนบริสุทธิ์ แต่จะมีส่วนผสมของเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนเพียง 20% และก๊าซธรรมชาติ 80%โรงงานแห่งนี้จะใช้รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเทียบเท่ากับ 20,000 คันต่อปี แต่ประสบการณ์นี้จะเป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาพลังงานไฮโดรเจนที่สำคัญในญี่ปุ่นและที่อื่น ๆ

ปริมาณสำรองไฮโดรเจนจะถูกเก็บไว้โดยตรงในอาณาเขตของโรงไฟฟ้า และแม้ในกรณีที่เกิดแผ่นดินไหวหรือภัยธรรมชาติอื่นๆ ก็จะมีเชื้อเพลิงอยู่ในสถานี สถานีจะไม่ถูกตัดขาดจากการสื่อสารที่สำคัญ ภายในปี 2020 ท่าเรือ Kobe จะมีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการนำเข้าไฮโดรเจนที่สำคัญ เนื่องจาก Kawasaki Heavy Industries มีแผนที่จะพัฒนาเครือข่ายโรงไฟฟ้าไฮโดรเจนขนาดใหญ่ในญี่ปุ่น