แอมโมเนียสู่ไฮโดรเจน: เกาหลีใต้กำลังสร้างห่วงโซ่อุปทานเชื้อเพลิงที่สะอาดขึ้นอย่างไร

เหตุใดนักวิจัยเกาหลีใต้จึงเดิมพันกับแอมโมเนียเพื่อปลดล็อกไฮโดรเจนสะอาด

นักวิทยาศาสตร์เกาหลีใต้สาธิตวิธีผลิตไฮโดรเจนโดยไม่เผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ด้วยการแยกแอมโมเนียให้เป็นไฮโดรเจนและไนโตรเจนที่อุณหภูมิสูง วิศวกรจากสถาบันวิจัยพลังงานเกาหลี (KIER) รายงานว่าเครื่องปฏิกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิใกล้ 1,112 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 600 องศาเซลเซียส) และผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์ 99.97 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเหมาะสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ขับเคลื่อนยานพาหนะหรือจ่ายพลังงานให้อาคาร โครงการนี้มีเป้าหมายลดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จากห่วงโซ่อุปทานไฮโดรเจน พร้อมใช้วัสดุและกระบวนการที่ขยายกำลังผลิตได้

ปัจจุบันมีการใช้ไฮโดรเจนกับรถไฟ เครื่องบินในการบินทดสอบ รถยนต์ รถโดยสาร และเรือ อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ในปัจจุบันผลิตจากก๊าซธรรมชาติด้วยกระบวนการรีฟอร์มมิงมีเทนด้วยไอน้ำ ซึ่งปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ วิธีผลิตที่สะอาดกำลังขยายตัว รวมถึงการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่ใช้พลังงานลมและแสงอาทิตย์ แต่อีกความท้าทายคือการขนส่งไฮโดรเจน ก๊าซชนิดนี้มีความหนาแน่นต่ำมาก จึงต้องอัดความดันหรือทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำจัดเมื่อต้องขนส่งระยะไกล แอมโมเนียซึ่งเป็นสารเคมีที่คุ้นเคยในการผลิตปุ๋ย เป็นทางเลือกหนึ่ง เพราะอยู่ในสถานะของเหลวได้ภายใต้สภาวะปานกลาง และกักเก็บไฮโดรเจนไว้ในพันธะโมเลกุล หากสามารถแยกแอมโมเนีย ณ ปลายทางให้เป็นไฮโดรเจนสะอาดและไนโตรเจนได้ ก็จะเป็นสะพานเชื่อมที่ใช้งานได้จริงระหว่างพื้นที่ซึ่งมีพลังงานหมุนเวียนอุดมสมบูรณ์กับพื้นที่ที่มีความต้องการสูง

ภายในเครื่องปฏิกรณ์ KIER: เปลี่ยนแอมโมเนียเป็นไฮโดรเจนเกรดเชื้อเพลิง

การแยกแอมโมเนียเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ตรงไปตรงมา เมื่อได้รับความร้อนในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา โมเลกุลแอมโมเนีย NH3 จะแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและไนโตรเจน ตามสมการที่ดุลแล้ว แอมโมเนียสองโมเลกุลจะให้ไนโตรเจนหนึ่งโมเลกุลและไฮโดรเจนสามโมเลกุล รูทีเนียม ซึ่งเป็นโลหะมีค่าที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับแพลทินัม เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่นิยมใช้ เพราะทำงานได้ดีที่อุณหภูมิราว 600 องศาเซลเซียส ระบบของ KIER ใช้กระบวนการเร่งปฏิกิริยานี้ ก่อนปรับปรุงกระแสก๊าซให้ได้ไฮโดรเจนเกรดเซลล์เชื้อเพลิง

เมื่อไฮโดรเจนออกจากเครื่องแยก จะปะปนกับไนโตรเจนและแอมโมเนียที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาในปริมาณเล็กน้อย จากนั้นจึงแยกก๊าซด้วยการดูดซับแบบสลับความดัน ซึ่งเป็นขั้นตอนทำให้บริสุทธิ์ที่ใช้กันทั่วไปในโรงกลั่น วัสดุพรุนในถังดูดซับสิ่งปนเปื้อนภายใต้ความดัน และปล่อยไฮโดรเจนความบริสุทธิ์สูงเมื่อปรับลดความดัน ถังหลายชุดจะสลับกันทำงานระหว่างการดูดซับและการฟื้นสภาพ เพื่อให้ได้ผลผลิตอย่างต่อเนื่อง KIER ระบุว่าเครื่องปฏิกรณ์ติดตั้งอยู่ในโครงโลหะทรงสี่เหลี่ยม มีท่อ สายยาง เกจวัด และกระบอกสูบ พร้อมระบบควบคุมที่นำก๊าซกระบวนการบางส่วนกลับมาใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิสูง โดยไม่ต้องเผาเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรง ณ จุดแปรรูป

เหตุใดแอมโมเนียจึงเป็นตัวพาไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพ

การจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนทำได้ยาก ไฮโดรเจนเหลวต้องใช้ถังแช่เย็นจัดที่อุณหภูมิประมาณลบ 253 องศาเซลเซียส ต้องจัดการการสูญเสียจากการระเหย และมีต้นทุนการขนส่งสูง แอมโมเนียกลายเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิประมาณลบ 33 องศาเซลเซียส หรือภายใต้แรงดันไม่สูงมาก อุตสาหกรรมเคมีมีระบบขนส่งแอมโมเนียปริมาณมากทั่วโลกอยู่แล้ว สำหรับภาคพลังงาน นั่นหมายความว่าผู้ผลิตสามารถสังเคราะห์แอมโมเนียในพื้นที่ที่มีพลังงานหมุนเวียนราคาถูก ขนส่งทางเรือ แล้วแยกแอมโมเนียใกล้ผู้ใช้ปลายทาง

การทดลองในภาคอุตสาหกรรมของเกาหลีใต้กำลังสร้างความน่าเชื่อถือให้กับแนวทางนี้ Syzygy Plasmonics และ Lotte Chemical ทดสอบระบบแยกแอมโมเนียที่ใช้ไฟฟ้าทั้งหมดในเมืองอุลซาน เครื่องดังกล่าวมีประสิทธิภาพด้านพลังงาน 81 เปอร์เซ็นต์ อัตราการเปลี่ยนแอมโมเนีย 99 เปอร์เซ็นต์ และผลิตไฮโดรเจนได้ราว 290 กิโลกรัมต่อวัน มีรายงานว่าใช้พลังงานประมาณ 11 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม โดยแบบที่กำลังพัฒนาตั้งเป้าไว้ที่ 8 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม พันธมิตรทั้งสองมีแผนพัฒนาโรงงานเชิงพาณิชย์ขนาดเล็กเพื่อรองรับความต้องการในท้องถิ่น ผลลัพธ์เช่นนี้ชี้ให้เห็นแนวทางนำเข้าพลังงานที่อาจรองรับเกาหลี ญี่ปุ่น และภูมิภาคอื่นที่ต้องการพลังงานสูง

จากห้องทดลองสู่ถนนและท้องทะเล: สิ่งนี้อาจเปลี่ยนการขนส่งอย่างไร

ยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงต้องใช้ไฮโดรเจนที่บริสุทธิ์มาก เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาในชุดเซลล์ชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนมีความไวต่อสิ่งเจือปน ความบริสุทธิ์ 99.97 เปอร์เซ็นต์ที่ KIER รายงานสอดคล้องกับข้อกำหนดดังกล่าว แนวทางใช้งานที่เป็นไปได้คือการตั้งศูนย์กลางระดับภูมิภาคเพื่อรับแอมโมเนีย แยกแอมโมเนียในพื้นที่ และกระจายไฮโดรเจนบริสุทธิ์ไปยังสถานีเติมเชื้อเพลิง อู่ต่อเรือ ท่าเรือ และศูนย์โลจิสติกส์เป็นทำเลที่เหมาะสำหรับระบบระยะแรก เพราะมีความพร้อมในการจัดการวัตถุอันตรายและการใช้พลังงานปริมาณมากอยู่แล้ว

เครื่องยนต์ที่ใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงโดยตรง

วิศวกรในเกาหลีกำลังศึกษาการใช้แอมโมเนียเป็นเชื้อเพลิงโดยตรงด้วย แนวร่วมที่นำโดยสถาบันวิจัยเครื่องจักรและวัสดุแห่งเกาหลี ร่วมกับ Hyundai Motor และ Kia เปิดตัวเครื่องยนต์แรงดันสูงที่ฉีดแอมโมเนียบริสุทธิ์เข้าสู่ห้องเผาไหม้โดยตรง ทีมงานเพิ่มเสถียรภาพและกำลังด้วยการประสานการฉีดเชื้อเพลิงหลายขั้นตอนเข้ากับจังหวะวาล์วแปรผันและระบบจุดระเบิดที่เสริมประสิทธิภาพ ชุดบำบัดไอเสียที่พัฒนาขึ้นเฉพาะช่วยลดไนโตรเจนออกไซด์และแอมโมเนียที่เผาไหม้ไม่หมด เพื่อแก้ปัญหาคุณภาพอากาศ การออกแบบนี้ไม่ต้องใช้เครื่องรีฟอร์มเมอร์แอมโมเนียให้เป็นก๊าซ จึงช่วยให้การใช้งานบางประเภทเรียบง่ายขึ้น โดยวางเป้าหมายไว้ที่ระบบขับเคลื่อนทางทะเล การผลิตไฟฟ้าในพื้นที่นอกโครงข่าย และยานพาหนะงานหนัก ขณะที่กำลังทบทวนแผนการใช้งานในปี 2027

สร้างห่วงโซ่อุปทาน: เรือ ถังเก็บ และโรงงาน

การค้าไฮโดรเจนขนาดใหญ่จะต้องอาศัยเรือและระบบจัดเก็บเฉพาะทาง HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering ได้รับการอนุมัติในหลักการจาก American Bureau of Shipping สำหรับถังบรรทุกไฮโดรเจนที่ใช้ฉนวนสุญญากาศเพื่อรักษาอุณหภูมิเย็นจัดใกล้ลบ 253 องศาเซลเซียส บริษัทและพันธมิตรกำลังศึกษาการพัฒนาเรือบรรทุกไฮโดรเจนเหลวขนาด 80,000 ลูกบาศก์เมตร ความคืบหน้าด้านถังไฮโดรเจนเหลวเกิดขึ้นควบคู่กับกองเรือบรรทุกแอมโมเนียที่มีอยู่ ซึ่งสามารถรองรับการขนส่งพลังงานไปพร้อมกันได้

กำลังการผลิตในภาคอุตสาหกรรมภายในประเทศก็กำลังเพิ่มขึ้นเช่นกัน Hyundai Motor เริ่มก่อสร้างโรงงานแห่งใหม่ในอุลซานเพื่อผลิตเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนรุ่นใหม่และเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โครงการนี้มีมูลค่าการลงทุนมากกว่า 644 ล้านดอลลาร์ โรงงานมีกำหนดแล้วเสร็จในปี 2027 และจะผลิตเซลล์เชื้อเพลิงได้ประมาณ 30,000 หน่วยต่อปี แผนดังกล่าวมุ่งยกระดับประสิทธิภาพและลดต้นทุน ตลอดจนตั้งฐานเทคโนโลยีสำคัญด้านการผลิตไฮโดรเจนไว้ในเกาหลีใต้

สิ่งที่ผู้นำอุตสาหกรรมกล่าว

ผู้บริหาร HD KSOE มองว่าความสำเร็จด้านถังบรรทุกเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามในวงกว้างเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนจากการขนส่งพลังงานทางเรือ

เราจะร่วมมือกับบริษัทชั้นนำระดับโลกอย่างต่อเนื่อง เพื่อขับเคลื่อนการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานและบรรลุเป้าหมายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์

การพัฒนาถังบรรทุก เครื่องยนต์ และการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงควบคู่กัน สะท้อนความพยายามที่ประสานกันเพื่อเปลี่ยนโครงการนำร่องให้เป็นห่วงโซ่อุปทานเต็มรูปแบบ

เกาหลีใต้กำลังกระจายแนวทางผลิตไฮโดรเจนสะอาด

ห้องปฏิบัติการในเกาหลีกำลังพัฒนาแนวทางผลิตไฮโดรเจนสะอาดหลายรูปแบบ สถาบันวิจัยเครื่องจักรและวัสดุแห่งเกาหลี (KIMM) พัฒนาระบบแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบออกไซด์ของแข็งกำลัง 20 กิโลวัตต์ ซึ่งผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อเนื่องนานกว่า 3,000 ชั่วโมง กระบวนการนี้ทำงานที่อุณหภูมิสูง จึงนำความร้อนจากกระบวนการอุตสาหกรรมมาใช้เพื่อลดการใช้ไฟฟ้าได้ แนวทางดังกล่าวอาจเหมาะกับโรงถลุงเหล็กและโรงงานเคมี

ทีมวิจัยอื่นกำลังศึกษาเคมีที่ช่วยเสริมแนวทางเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จาก KIER รายงานการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งเป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับเชื้อเพลิงสังเคราะห์ ขณะที่กลุ่มนักวิชาการสาธิตวิธีผลิตแอมโมเนียสีเขียวที่อุณหภูมิห้องโดยใช้เซลล์ไฟฟ้าเคมี ประเทศต่าง ๆ รวมถึงญี่ปุ่นและเกาหลีแสดงความสนใจนำเข้าแอมโมเนียสีเขียวที่ผลิตจากโครงการพลังงานลมและแสงอาทิตย์ เนื่องจากโมเลกุลชนิดนี้จัดเก็บและขนส่งได้ง่ายกว่าไฮโดรเจน

แอมโมเนียต้องสะอาดจึงจะสร้างประโยชน์ด้านสภาพภูมิอากาศได้

อย่างไรก็ตาม มีข้อควรระวังสำคัญ แอมโมเนียที่ผลิตจากไฮโดรเจนฟอสซิลมีการปล่อยคาร์บอนสูง การแยกแอมโมเนียนี้ ณ ปลายทางไม่ได้กำจัดการปล่อยก๊าซจากขั้นตอนต้นน้ำ นักวิเคราะห์ยังเตือนด้วยว่า การเผาแอมโมเนียหรือไฮโดรเจนร่วมกับถ่านหินหรือก๊าซในโรงไฟฟ้าให้ประโยชน์ด้านสภาพภูมิอากาศเพียงเล็กน้อย เมื่อคำนึงถึงพลังงานและต้นทุนโลจิสติกส์ตลอดทั้งระบบแล้ว การใช้งานไฮโดรเจนที่มีศักยภาพสูงในระยะแรกจึงอยู่ในภาคส่วนที่เปลี่ยนไปใช้ไฟฟ้าได้ยาก เช่น เหล็ก เคมีภัณฑ์ การขนส่งทางทะเล และการกักเก็บพลังงานตามฤดูกาล ผู้วางแผนในเกาหลีกำลังพิจารณาข้อแลกเปลี่ยนเหล่านี้ในการกำหนดเป้าหมายและมาตรฐาน

ความเสี่ยง ประสิทธิภาพ และสิ่งที่ต้องจับตาต่อไป

การใช้พลังงานเป็นตัวชี้วัดสำคัญ การทดลองเครื่องแยกแอมโมเนียในอุลซานรายงานการใช้พลังงานประมาณ 11 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม โดยแบบที่กำลังพัฒนาตั้งเป้าลดลงเหลือ 8 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ตัวเลขที่ต่ำลงจะช่วยลดต้นทุน เมื่อเทียบกันแล้ว ค่าความร้อนต่ำของไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 33 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม การปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้ความร้อนร่วมกัน และการให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า อาจช่วยลดพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกแอมโมเนีย

ความปลอดภัยและการปล่อยมลพิษต้องได้รับการออกแบบอย่างรอบคอบ แอมโมเนียเป็นพิษและมีกลิ่นฉุน ผู้ปฏิบัติงานจึงต้องมีระบบตรวจวัด การระบายอากาศ และแผนฉุกเฉิน หากใช้ในเครื่องยนต์ จำเป็นต้องมีระบบบำบัดไอเสียเพื่อควบคุมไนโตรเจนออกไซด์ ผู้ปฏิบัติงานจะติดตามความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยาและเยื่อแผ่น รวมถึงกำหนดการบำรุงรักษาคอมเพรสเซอร์และปั๊ม บริษัทต่าง ๆ กำลังออกแบบระบบแยกแอมโมเนียที่ใช้ไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งทำให้จ่ายพลังงานจากลมและแสงอาทิตย์ได้ง่ายขึ้น KIER ยังศึกษาการใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับอาคารด้วย สะท้อนให้เห็นว่าการใช้งานด้านการขนส่งและการผลิตไฟฟ้าแบบอยู่กับที่อาจเติบโตควบคู่กัน

ประเด็นสำคัญ

• KIER สาธิตการแยกแอมโมเนียที่อุณหภูมิใกล้ 600 องศาเซลเซียส เพื่อผลิตไฮโดรเจนบริสุทธิ์ 99.97 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่เผาเชื้อเพลิงฟอสซิล ณ จุดแปรรูป
• กระบวนการนี้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียมและการดูดซับแบบสลับความดันเพื่อทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง
• Syzygy และ Lotte ทดสอบเครื่องแยกแอมโมเนียที่ใช้ไฟฟ้าทั้งหมดในอุลซาน มีประสิทธิภาพ 81 เปอร์เซ็นต์ อัตราการเปลี่ยนแอมโมเนีย 99 เปอร์เซ็นต์ ผลิตได้ประมาณ 290 กิโลกรัมต่อวัน และใช้พลังงานใกล้ 11 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม โดยแบบที่กำลังพัฒนาตั้งเป้าไว้ที่ 8
• แอมโมเนียเป็นตัวพาไฮโดรเจนที่ใช้งานได้จริง เพราะกลายเป็นของเหลวได้ภายใต้สภาวะปานกลาง และมีโครงสร้างพื้นฐานการขนส่งทั่วโลกที่พัฒนาแล้ว
• KIMM, Hyundai และ Kia เปิดตัวเครื่องยนต์แรงดันสูงที่ใช้แอมโมเนียบริสุทธิ์ พร้อมระบบบำบัดไอเสียเพื่อลดมลพิษ โดยมุ่งใช้กับเรือ การผลิตไฟฟ้านอกโครงข่าย และยานพาหนะงานหนักภายในปี 2027
• HD KSOE ได้รับการอนุมัติในหลักการสำหรับถังไฮโดรเจนเหลวขนาดใหญ่ และกำลังศึกษาแนวคิดเรือบรรทุกขนาด 80,000 ลูกบาศก์เมตร
• Hyundai กำลังก่อสร้างโรงงานมูลค่า 644 ล้านดอลลาร์ในอุลซาน เพื่อผลิตเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โดยตั้งเป้าผลิตเซลล์เชื้อเพลิงปีละ 30,000 หน่วยภายในปี 2027
• เกาหลียังก้าวหน้าด้านการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบออกไซด์ของแข็งเพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว และการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับเชื้อเพลิงสะอาด
• นักวิเคราะห์เตือนว่า การเผาไฮโดรเจนหรือแอมโมเนียร่วมกับเชื้อเพลิงฟอสซิลในโรงไฟฟ้าให้ประโยชน์ด้านสภาพภูมิอากาศจำกัด เมื่อคำนึงถึงพลังงานที่ใช้ตลอดห่วงโซ่อุปทาน การใช้งานที่ควรให้ความสำคัญจึงรวมถึงเหล็ก เคมีภัณฑ์ การขนส่งทางเรือ และการกักเก็บพลังงานตามฤดูกาล
• สิ่งสำคัญที่ต้องจับตา ได้แก่ พลังงานที่ใช้แยกแอมโมเนียต่อไฮโดรเจนหนึ่งกิโลกรัม การควบคุมไนโตรเจนออกไซด์ มาตรการความปลอดภัยในการจัดการแอมโมเนีย แหล่งที่มาของแอมโมเนียสีเขียว และการสาธิตระบบขนาดใหญ่