ปุ๋ยคอก สาหร่าย และแสงแดด กลายเป็นวัตถุดิบแหล่งใหม่ในการผลิตไฮโครเจนสีเขียว

หากสังเกตุดูเพียงผิวเผินก็เหมือนกับว่า สิ่งที่เรามองเห็นเป็นฟาร์มเลี้ยงโคปกติที่เสียงโคกระหึ่ม มีพื้นโคลนที่เปียกชื้น และมีกลิ่นมูลสัตว์ที่ตลบอบอวลในอากาศ ซึ่งเรื่องจริงแล้ว เรากำลังยืนอยู่ท่างกลางโครงการนำร่องที่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของรูปแบบการเปลี่ยนการใช้พลังงาน (Energiewende – นโยบายการเปลี่ยนแปลงด้านพลังงานในเยอรมนี ที่จะเปลี่ยนระบบการใช้พลังงานฟอสซิล – นิวเคลียร์ที่เป็นอยู่ ให้เป็นระบบพลังงานที่ยั่งยืนผ่านพลังงานหมุนเวียน) ในเมือง Krefeld ในรัฐ Nordrhein – Westfalen ซึ่งฟาร์มแห่งนี้ไม่เพียงแต่ผลิตนมโคเท่านั้น แต่ยังผลิตไฮโดรเจนไปพร้อม ๆ กันด้วยและภายใต้โครงการวิจัย “BioH2Ref” ของบริษัท BtX ที่เป็นหนึ่งเดียวในเยอรมนี ก็ไม่ได้ผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งก๊าซธรรมชาติตามปกติ แต่ผลิตไฮโดรเจนจากมูลสัตว์ที่สะสมทุกวันในโรงเลี้ยงโคที่ตั้งอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่เมตร บริษัท BtX เป็น Start up ที่มีรูปแบบธุรกิจที่สร้างขึ้นตอบสนองความต้องการไฮโดรเจนสีเขียวที่จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในอนาคต โดยในขณะนี้ยังขาดแคลนไฮโดรเจนสีเขียวอยู่อีกมาก จนถึงปัจจุบันการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสแบบดั้งเดิมที่ใช้น้ำมาแยกออกเป็นส่วนประกอบไฮโดรเจนและออกซิเจนออกจากกันโดยใช้พลังงานไฟฟ้า แน่นอนหากจะให้ได้มายังไฮโดรเจนสีเขียว กระบวนการนี้ก็จะต้องใช้พลังงานสีเขียว (ลมและพลังงานแสงอาทิตย์) จำนวนมาก สิ่งเหล่านี้ไม่เพียงแต่มีราคาแพง แต่ยังขาดแคลนในช่วงเวลาที่มีความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อย ๆ อย่างเช่นในปัจจุบัน

ตามยุทธศาสตร์ไฮโดรเจนแห่งชาติ (Nationale Wasserstoffstrategie) ภายในปี 2030 เยอรมนีน่าจะผลิตไฮโดรเจนสีเขียวเพื่อตอบสนองความต้องการของประเทศได้เอง ถึง 1 ใน 6 (โดยประมาณ) ของปริมาณที่ต้องการใช้ (เมื่อเทียบกับค่าคาดการณ์สูงสุด) แต่จนถึงขณะนี้ ยุทธศาสตร์ดังกล่าวมีเพียงแผนที่ต้องการปิดช่องว่างด้านอุปทานที่กำลังเกิดขึ้นผ่านการนำเข้าจากต่างประเทศเป็นหลัก โดยให้ความสำคัญกับการผลิตในประเทศน้อยเกินไป อย่างไรก็ตาม กว่าที่เยอรมนีจะสามารถผลิตได้ตามที่หวัง ก็คงต้องใช้เวลาอีกนาน ภาคเอกชนจำนวนมากจึงพยายามหาวิธีอื่น ๆ นอกเหนือจากการใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสเพื่อผลิตไฮโดรเจนยั่งยืน โดยไม่พยายามที่จะใช้แต่เทคโนโลยีแบบเก่าเพียงอย่างเดียวแต่ยังมองหาแนวทางใหม่ ๆ ในการผลิตไฮโดรเจนยั่งยืนอีกด้วย ซึ่งปัจจุบันมีความหลากหลายทางแนวคิดในการมองหาเทคโนโลยี แต่ไม่ใชทุกทางเลือกจะเป็นทางเลือกที่สามารถนำไปใช้งานได้จริงเสมอไป โดยปัจจุบันเมื่อดูแล้วจะมีเพียง 3 เทคโนโลยีเท่านั้น ที่น่าจะสามารถผลิตไฮโดรเจนที่มีค่าความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutrality) ได้อย่างยั่งยืน

1. จากไร่นาสู่ถัง : ไฮโดรเจนจากก๊าซชีวภาพ

จากการศึกษาและวิจัยโดยสมาคมพลังงานชีวภาพคาดการณ์ว่า กว่า 2 ใน 3 ของมูลสัตว์ที่เกิดขึ้นจากการเลี้ยงสัตว์ในเยอรมนียังไม่ได้นำไปใช้งานในการผลิตก๊าซชีวภาพ โดยมูลสัตว์เหล่านี้ คือ ชีวมวลที่นำไปใช้ผลิตก๊าซชีวภาพได้นั่นเอง ซึ่งจากข้อมูลของสมาคมก๊าซชีวภาพ (FV – Der Fachverband Biogas) พบว่า 90% ของก๊าซชีวภาพที่ใช้ในปัจจุบัน ถูกแปลงสภาพเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้าและความร้อน และอีกเพียง 10% จะถูกแปรรูปไปเป็นไบโอมีเทน ด้วยวิธีการนี้ ตามข้อมูลจากกระทรวงเศรษฐกิจและการอนุรักษ์สภาวะอากาศ (BMWK) ในปี 2022 โรงงานก๊าซชีวภาพประมาณ 9,900 แห่ง ในเยอรมนีผลิตไฟฟ้าได้เป็นปริมาณ 28.5 เทราวัตต์ชั่วโมง โดยจะที่ถูกป้อนเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าของประเทศ ทั้งนี้ BMWK ได้สนับสนุนเงินทุนกว่า 1.3 ล้านยูโร ให้กับบริษัท BtX ร่วมกับมหาวิทยาลัย RWTH Aachen ทดลองพัฒนาเทคโนโลยีนี้ขึ้น และแสดงให้เห็นว่า ก๊าซชีวภาพยังสามารถนำมาใช้เพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียวได้อีกด้วย โดยเทคโนโลยีดังกล่าวมีการทำงาน ดังนี้ บริษัท BtX จะนำตู้คอนเทนเนอร์จะตั้งไว้ในฟาร์มของเกษตรกร ซึ่งจะใช้สำหรับเก็บปุ๋ยคอกและมูลสัตว์ ในขั้นตอนถัดไปปุ๋ยคอกและมูลสัตว์เหล่านี้จะถูกแปลงเป็นก๊าซชีวภาพในถังถัดไป จากนั้นก๊าซชีวภาพจะถูกส่งต่อไปในโรงงานนำร่องของบริษัท BtX ที่ตั้งอยู่ติดกัน โดยโรงงานจะใช้ความกดดันและอุณหภูมิสูงมาแยกไฮโดรคาร์บอนที่มีอยู่ในก๊าซเป็น (1) มีเทน (2) คาร์บอนมอนอกไซด์ และ(3) คาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นก็จะนำมาแปลงให้กลายเป็นไฮโดรเจนต่อไป ด้านนาย Leon Müller-Noell วิศวกรทดสอบของ BtX ได้อธิบายกระบวนการนี้ว่า “สิ่งที่เราทำโดยพื้นฐานไม่มีอะไรแตกต่างไปจากกระบวนการที่เกิดขึ้นในโรงงานเคมีขนาดใหญ่มาเป็นเวลานานแล้ว” และนาย Noell กล่าวเพิ่มเติมว่า “เราได้ใช้กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (Steam Reforming) มาทำการแยกก๊าซ เพียงแต่เราแค่ใช้ก๊าซชีวภาพแทนก๊าซธรรมชาติเท่านั้น” โดยรวมแล้วกระบวนการนี้มีประสิทธิภาพในการแยกก๊าซ 60 – 70% ซึ่งต่ำกว่าการใช้ก๊าซธรรมชาติ 10% โดยประมาณ นาย Christopher Wünning ผู้ร่วมวิจัยจากมหาวิทยาลัย RWTH Aachen อธิบายว่า “ก๊าซชีวภาพมีสัดส่วนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ต้องผ่านกระบวนการแยกสูงกว่าก๊าซธรรมชาติซึ่งนำไปสู่การสูญเสียดังกล่าว”

ในอนาคตมีการตั้งเป้าว่า ก๊าซชีวภาพจะกลายเป็นวัตถุดิบ จากข้อมูลของนาย Müller-Noell กระบวนการนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือเทคโนโลยีอื่น ๆ 2 ประการ กล่าวคือ (1) เราสามารถใช้งานโรงงานผลิตก๊าซชีวภาพที่มีอยู่แล้ว เพียงแต่จะต้องได้ปรับปรุง (หรือ Update) ด้วยเทคโนโลยี BtX เท่านั้น เพียงเท่านี้โรงงานผลิตก๊าซชีวภาพก็จะสามารถดำเนินงานรวดเร็วและคุ้มค่ายมากขึ้น และ(2) กระบวนการนี้ยังสามารถช่วยลดก๊าซเรือนกระจกได้อีกด้วย เพราะหากเก็บชีวมวลไว้นานเกินไปก็จะทำให้ CO2 หลุดออกไปสู่ชั้นบรรยากาศ นาย Jürgen Peterseim ผู้เชี่ยวชาญด้านไฮโดรเจนชั้นนำระดับโลกของบริษัท PwC ซึ่งเป็นบริษัทให้คำปรึกษาด้านการจัดการ มีความเห็นว่า แนวคิดในการใช้ก๊าซชีวภาพเพื่อผลิตไฮโดรเจนเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างมาก แต่ก็ตั้งคำถามว่า กระบวนการนี้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดหรือไม่ และมีข้อสงสัยว่า “ก๊าซชีวภาพสามารถนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานได้อย่างน่าอัศจรรย์อยู่แล้ว เหตุใดจึงต้องเพิ่มขั้นตอนพิเศษในการแปลงเป็นไฮโดรเจน” ซึ่งจากข้อมูลของนาย Petersheim พบว่าก๊าซชีวภาพสามารถทำให้บริสุทธิ์เป็นไบโอมีเทนได้อย่างง่ายดายพอ ๆ กัน ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่จำเป็นในอุตสาหกรรมเหล็กเป็นต้น นาง Magnolia Tavor วิศวกรเคมีของ Future Cleantech Architects (FCA) ซึ่งเป็น Think Tank ชั้นนำ ก็ยังมีความสงสัยกับเทคโนโลยีดังกล่าวเช่นกันและกล่าวว่า “ในอนาคตภาคส่วนต่าง ๆ (Sectors) จะแข่งขันแย่งชิงชีวมวลกันขนานใหญ่” เมื่อพิจารณาถึงเป้าหมายเชิงสภาพภูมิอากาศแล้ว จึงเป็นที่น่าสงสัยว่า การใช้แหล่งพลังงานดังกล่าวมาผลิตไฮโดรเจนจะคุ้มค่าในระยะยาวหรือไม่ แน่นอนที่ BtX ไม่ลืมประเด็นดังกล่าว ซึ่งนอกจากนี้ BtX ได้มุ่งเน้นไปที่การผลิตไฮโดรเจนเพื่อใช้งานกับรถขนส่งสาธารณะอย่างเช่นรถเมล์ เป็นต้น นาย Wünning นักวิจัยกล่าวว่า ระบบนี้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ประมาณ 100 กิโลกรัมต่อวัน ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานรถโดยสารประจำทาง 4 คัน อย่างถาวรและจะสามารถใช้งานระบบอย่างมีประสิทธิภาพ และไม่จำเป็นต้องขนย้ายไฮโดรเจนจากภูมิภาคอื่นมาใช้งานทำให้ไฮโดรเจนนี้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นไปอีก

2. ปาฏิหาริย์จากสิ่งเล็ก ๆ: ไฮโดรเจนจากสาหร่ายและแบคทีเรีย

เทคโนโลยีมีวิธีการทำงานพื้นฐานผ่านกระบวนการ Biophotolysis ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานด้านชีววิทยา โดยกระบวนการดังกล่าวไม่ได้เกิดในดิน แต่เกิดจากไฮโดรเจนจำนวนเล็กน้อยที่มีอยู่รอบตัวเราในชั้นบรรยากาศ ซึ่งส่วนใหญ่มาจากจุลินทรีย์ที่ได้จากปฏิกิริยาไฮโดรเจนเนส (Hydrogenation –  หรือการยับยั้งการสลายตัวโดยการเพิ่มไฮโดรเจนให้กับโมเลกุล) ทำให้เกิดกระบวนการเผาผลาญ (กระบวนการเมแทบอลิซึม) จนสามารถผลิตไฮโดรเจนสีเขียวจากแสงแดดได้ โดยไซยาโนแบคทีเรีย และ สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน (Blue – Green Algae หรือ Cyanobacteria) จัดอยู่ในไฟลัม Cyanophyta ซึ่งเป็นแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้มักจะพบตามแม่น้ำ น้ำพุร้อน หรือใต้น้ำแข็งในทวีปแอนตาร์กติกาที่มีอายุมาเป็นเวลาหลายล้านปี โดยเมื่อเรามองเรื่องดังกล่าวในเชิงวิสัยทัศน์ก็จะพบว่า ควรมีการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในปริมาณมากในน้ำจืดหรือน้ำเค็มกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบใช้แสง เช่น เรือนกระจกชนิดหนึ่ง เพื่อจับและกักเก็บไฮโดรเจนที่ผลิตผ่านกระบวนการเมแทบอลิซึม โดยประโยชน์ที่สำคัญของกระบวนการนี้ คือ ในพื้นฐานของจุลินทรีย์จะต้องการแสงแดด คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ ที่มีสารอาหารบางชนิดเท่านั้น ก็สามารถเจริญเติบโตได้แล้ว

มุมมองเกี่ยวกับสาหร่ายและแบคทีเรียในฐานะที่จะกลายเป็นวัตถุดิบแห่งอนาคต นาง Ingrid El Helou นักวิเคราะห์จาก FCA กล่าวว่า “จนถึงขณะนี้กระบวนการ Biophotolysis ยังอยู่ในช่วงทดลองดำเนินการบนพื้นที่เล็ก ๆ เท่านั้น อีกทั้งยังมีเพียงจุลินทรีย์บางชนิดเท่านั้นที่ สามารถนำมาใช้งานได้” และเมื่อพิจารณาการพัฒนาด้านเทคนิคแล้ว จะเห็นว่า Biophotolysis มีความพร้อมด้านเทคโนโลยี (TRL – Technology Readiness Level) อยู่ในระดับที่ 3 เท่านั้น (TRL มีทั้งสิ้น 9 ระดับ) ซึ่งหมายความว่า มีการจัดเตรียมข้อพิสูจน์เชิงทดลองเกี่ยวกับแนวคิดนี้เพียงครั้งเดียวอยู่ ตามที่นักวิจัยกล่าวว่า ยังต้องมีอะไรอีกมากมายเพื่อจะทำให้สามารถผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างแท้จริง จุลินทรีย์ต้องได้รับแสงแดดเพียงพอแม้จะมีความหนาแน่นในการเพาะปลูกสูง มิฉะนั้นเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องจะถูกยับยั้ง และไม่สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ นาย Peterseim ผู้เชี่ยวชาญกล่าวว่า “ในปัจจุบันยังไม่มีโรงงานใดที่มีกระบวนการ Biophotolysis ขนาดใหญ่เชิงพาณิชย์” ในขณะที่ เรายังมีความต้องการถังเก็บน้ำขนาดใหญ่สำหรับการผลิตสาหร่ายเพื่อที่จะทำการผลิตไฮโดรเจนให้เพียงพอ นอกจากนี้ประสิทธิภาพของกระบวนการยังต่ำมาก พลังงานแสงอาทิตย์เพียง 10% ที่ถูกเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจน อย่างไรก็ตามนักวิจัยทั่วโลกยังคงเชื่อว่า กระบวนการทางชีวภาพสามารถก้าวไปสู่ความเติบโตขนาดที่สามารถสนองความต้องการของตลาดได้ในอนาคต

3. ใช้แสงอาทิตย์แทนไฟฟ้า : ไฮโดรเจนจากอาทิตย์

เทคโนโลยีแสงอาทิตย์แทนไฟฟ้า : เมื่อมองขึ้นไปบนฟ้าเราก็จะเห็นดวงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งพลังงานที่ใหญ่ที่สุดในกาแลกซีของเรา ด้วยกระบวนการการแยกไฮโดรเจนจากโมเลกุลนํ้าด้วยปฏิกิริยาเร่งด้วยแสง (PWS – Hydrogen Separation from Water Molecules by Photocatalytic Process) ทำให้น้ำสามารถถูกแยกเป็นส่วนประกอบได้โดยตรงผ่านแสงแดดเข้มข้น โดยไม่ต้องเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าก่อนเช่นเดียวกับการใช้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ซึ่งเมื่อกว่า 50 กว่าปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นคนหนึ่งเป็นผู้ค้นพบวิธีนี้ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการดังกล่าวให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้เพียงพอ ซึ่งบริษัท Start up ในนามว่า Sparc Hydrogen จากออสเตรเลียต้องการที่จะแก้ปัญหาดังกล่าว บริษัท Sparc Hydrogen ใช้กระจกเงาที่ซับซ้อนในทะเลทรายของออสเตรเลีย โดยรวมแสงอาทิตย์ไปที่เครื่องปฏิกรณ์ Photocatalytic แบบพิเศษที่ด้านบนของหอคอย ทำให้น้ำร้อนในจุดดังกล่าวมีอุณหภูมิสูงถึง 800 – 1,000 องศาเซลเซียส และแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน บริษัทกำลังใช้กระบวนการเดียวกันนี้ในการผลิตพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ซึ่งมีการวิจัยมาเป็นอย่างดีและได้นำกระบวนการดังกล่าวไปใช้เพื่อผลิตไฟฟ้าสีเขียวในบางประเทศแล้ว

มุมมองเกี่ยวกับในอนาคตของกระบวนการการแยกไฮโดรเจนจากโมเลกุลนํ้าด้วยปฏิกิริยาเร่งด้วยแสง ตามที่นาย Alexey Cherevan นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเวียนนา มาเป็นเวลา 12 ปีแจ้งว่า หนึ่งในข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของเทคโนโลยีนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอิเล็กโทรลิซิสก็ คือ กระบวนการนี้มีความต้องการแสงแดดในปริมาณสูงมาก และปัจจุบันประสิทธิภาพของมันก็ยังยังต่ำกว่าอิเล็กโทรลิซิส นาย Cherevan ในฐานะนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า “ในภูมิภาคที่มีเมฆมาก อย่างเช่นเยอรมนี การใช้งานกระบวนการนี้ไม่คุ้มค่าเลย” แม้แต่ความผันผวนเพียง 100 องศาเซลเซียส ก็ทำให้กระบวนการพังทลายลง ซึ่งทำให้มีพื้นที่จำกัดบนพื้นที่ที่เหมาะสมโดยเฉพาะ บนพื้นที่ที่เรียกว่า Sun Beฟlt ซึ่งรวมถึงออสเตรเลียและประเทศอื่น ๆ อีกเป็นจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม นาย Peterseim ผู้เชี่ยวชาญของ Cherevan และ PwC สันนิษฐานว่า เทคโนโลยีดังกล่าวจะสามารถนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ภายในเวลา 10 ปีโดยประมาณ นาย Peterseim กล่าวส่งท้ายว่า “สิ่งสำคัญในท้ายที่สุดในตอนนี้ก็คือ ต้นทุนของเครื่องอิเล็กโทรลิซิสจะลดลงขนาดไหน และปริมาณไฟฟ้าสีเขียวที่มีอยู่จริงเท่าไหร่”

จาก Handelsblatt 8 เมษายน 2567