พลังงานนิวเคลียร์อาจจะเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สะอาด

• ความวิตกกันระดับนานาชาติ เกี่ยวกับมลภาวะในอากาศ และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิล;
• ความไม่มั่นคงทางการเมืองของแหล่งผลิตน้ำมันของโลก; และ
• ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งจะทำให้ยานที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากไฮโดรเจน เป็นจริงขึ้นมาในเวลาอันใกล้นี้

เซลล์เชื้อเพลิงใช้การรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนทำให้เกิดไฟฟ้า และสิ่งที่เกิดตามมามีเพียงแต่ไอน้ำเท่านั้น ในห้าปีสุดท้าย ความหนาแน่นของกำลัง (power density) ซึ่งเป็นสัดส่วนพลังงานที่ให้ออกมาต่อขนาด มีค่าเพิ่มขึ้นสิบเท่า ขณะที่ต้นทุนลดลงสิบเท่า บริษัทขนาดใหญ่ที่ผลิตรถยนต์ มีโครงการพัฒนายานยนต์ที่ใช้พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิง ขณะที่ผู้เชี่ยวชาญคาดการณ์ว่า รถยนต์ที่ใช้ไฟฟ้าจากพลังงานไฮโดรเจนจะปรากฏบนถนนของอเมริกาในอีกไม่กี่ปีนี้ ในระยะยาว การเปลี่ยนไปใช้การคมนาคมโดยใช้ไฮโดรเจนเป็นหลักจะใช้เวลาอีกหลายสิบปี ทั้งนี้ เนื่องจาก การใช้เชื้อเพลิงตามที่ฝันไว้นั้นต้องผลิตไฮโดรเจนปริมาณสูงมาก

Leon Walters วิศวกรของ Argonne กล่าวว่า การใช้กระบวนการกลั่นในการผลิตไฮโดรเจน สำหรับใช้ในการคมนาคมนั้น จะต้องมีการกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ แต่น่าจะดีกว่า ถ้าใช้กระบวนการผลิตไฮโดรเจน ที่ไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกออกมา

การแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำ

วิธีหนึ่งที่ทำได้ คือการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) โดยใช้ไฟฟ้าในการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน วิธีการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์นี้ มีการใช้กันมากว่าร้อยปีแล้ว

Walters กล่าวว่า ถ้ารถที่ใช้ไฟฟ้ามีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าของเครื่องยนต์สันดาปภายใน การผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าก็มีต้นทุนใกล้เคียงกับน้ำมันเบนซินที่ราคา 1.5 เหรียญต่อแกลลอน เครื่องแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า (hydrogen electrolyzers) สามารถติดตั้งที่มุมหนึ่งของสถานีเติมน้ำมัน และในไม่ช้าอาจจะมีสถานีเติมเชื้อเพลิงที่บ้าน แบบเดียวกับปลั๊กไฟฟ้าในโรงรถ

มีหน่วย electrolysis ขนาดใหญ่เดินเครื่องอยู่ทั่วโลก ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางในการเติมเชื้อเพลิง สำหรับรถยนต์สาธารณะ และเป็นแหล่งสำรองพลังงานให้กับอาคารขนาดใหญ่

แต่การจะแทนที่เชื้อเพลิงที่ใช้กับรถยนต์สำหรับการคมนาคม ด้วยการใช้ไฮโดรเจนผลิตไฟฟ้านั้น ต้องใช้กำลังไฟฟ้าในการผลิต 241 พันเมกะวัตต์ (gigawatts) ซึ่ง Walters อธิบายว่า “ปริมาณนี้เทียบเท่ากับโรงไฟฟ้าขนาด 1,000-megawatt จำนวน 241 โรง ซึ่งเห็นได้ชัดว่า มันจะไม่เกิดขึ้นภายในเวลา 5 หรือ 10 ปีนี้แน่”

ไฟฟ้าที่ต้องใช้เพิ่มขึ้นนี้มาจากไหน ?

แต่ไม่มีใครคาดว่าจะใช้วิธีการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) ทั้งหมด เขากล่าวว่า “อาจจะใช้วิธีแยกออกจากไอน้ำ (steam reforming) ร่วมกับการแยกด้วยไฟฟ้า (electrolysis) ซึ่งจะทำให้มีแหล่งผลิตไฮโดรเจน ออกสู่ตลาดได้ในเวลาอันใกล้มากขึ้น ส่วนในระยะยาว ต้องทำให้มีศักยภาพสูงขึ้น โดยการพัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ที่ก้าวหน้า เพื่อใช้ความร้อนเป็นแหล่งผลิตไฮโดรเจนในระดับที่ต้องการใช้”

สุดท้าย พลังงานนิวเคลียร์จะกลายเป็นจุดเชื่อมต่อที่สำคัญของระบบการผลิตพลังงาน วิสัยทัศน์ข้อนี้ปรากฏเป็นหลักการข้อหนึ่ง ในข้อเสนอของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เรื่องนิวเคลียร์รุ่นที่ 4 (Department of Energy’s Generation-IV Nuclear deliberations) ซึ่งเป็นความร่วมมือกับอีก 10 ประเทศ ในการพัฒนาโครงการนิวเคลียร์นิวเคลียร์รุ่นที่ 4 เพื่อการวิจัยและพัฒนาพลังงานนิวเคลียร์ระยะต่อไป ซึ่งภาพของพลังงานนิวเคลียร์ในอนาคต จะไม่ได้ถูกมองว่าเป็นแต่เพียงแหล่งในการผลิตไฟฟ้าเท่านั้น

David Wade วิศวกรนิวเคลียร์ของ Argonne กล่าวว่า “ความก้าวหน้าของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอนาคต จะสามารถให้ความร้อนในการผลิตไฮโดรเจน เท่าที่เรารู้ พลังงานนิวเคลียร์ เป็นหนทางเดียว ที่ผลิตความร้อนปริมาณมาก โดยไม่ต้องเผาเชื้อเพลิงฟอสซิลจำนวนมาก แต่ทุกวันนี้ พลังงานนิวเคลียร์ยังมีความร้อนสูงไม่พอ”

อุณหภูมิของสารระบายความร้อนใเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน มีอุณหภูมิประมาณ 400 องศาเซลเซียส หรือ 750 ฟาเรนไฮต์ แต่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบก้าวหน้ารุ่นใหม่ มีหลายชนิดที่มีอุณหภูมิของสารระบายความร้อนสูงถึง 900 เซลเซียส หรือ 1,650 ฟาเรนไฮต์ ซึ่งใช้เวลาในการพัฒนา ประมาณ 20 หรือ 30 ปี

เทคโนโลยีอย่างหนึ่ง ที่โครงการนิวเคลียร์รุ่นที่ 4 จะมีการพัฒนาต่อไป คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็ว ระบายความร้อนด้วยโลหะเหลว (liquid-metal-cooled fast reactor) เครื่องปฏิกรณ์แบบนี้ ไม่เพียงแต่ให้ความร้อนออกมาเท่านั้น แต่ยังสามารถทำให้เกิดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เพิ่มขึ้นใหม่ จากการเปลี่ยนยูเรเนียมธรรมชาติที่ไม่ใช่วัสดุฟิสไซล์ ให้เป็นพลูโตเนียม ซึ่งเป็นวัสดุฟิสไซล์ได้ด้วย

Wade กล่าวอีกว่า “ถ้าใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อให้พลังงานสำหรับการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากในระดับโลก เราจำเป็นต้องผลิตเชื้อเพลิงขึ้นมาใหม่ เนื่องจากแหล่งที่มีอยู่ในธรรมชาติอาจจะหมดไปภายใน 50 ปี”

“เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยโซเดียม (Sodium-cooled fast reactors) สามารถให้ความร้อน โดยมีอุณหภูมิของสารหล่อเย็น 600 องศาเซลเซียส หรือ 1,100 ฟาเรนไฮต์ มากพอที่จะใช้เปลี่ยนรูปของไอสำหรับผลิตไฮโดรเจน ประสบการณ์การเดินเครื่องเท่าที่ผ่านมา อยู่ในระดับดีมาก ห้องปฏิบัติการอาร์กอน (Argonne) มีประสบการณ์ในการเดินเครื่อง ของเครื่องปฏิกรณ์ทดลองแบบ Experimental Breeder Reactor II โดยมีความปลอดภัยและวางใจได้มาเป็นเวลา 30 ปี ที่ Argonne-West ในรัฐ Idaho”

“โครงการนิวเคลียร์ของรัสเซีย มีการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบนิวตรอนเร็วระบายความร้อนด้วยตะกั่ว ซึ่งสามารถให้ความร้อนได้ 850 ถึง 900 องศาเซลเซียส (1,560 – 1,650 F) ซึ่งสูงพอที่จะใช้ในเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน แบบที่ใช้เคมีความในร้อน (thermochemical) ในการแยกออกจากน้ำ ”

การผลิตไฮโดรเจนโดยแยกจากน้ำ

Wade กล่าวว่า มีการพัฒนาเทคนิคการแยกด้วยเคมีความร้อนอยู่ทั่วโลก โดยทั่วไป กระบวนการนี้จะใช้อุณหภูมิ 700 – 900 องศาเซลเซียส (1,290 – 1,650 F) ร่วมกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ทำให้โมเลกุลของน้ำแยกตัวออกเป็นไฮโดรเจนกับออกซิเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีจะใช้หมุนเวียนอยู่ในระบบ โดยป้อนน้ำเข้าไปและได้ไฮโดรเจนกับออกซิเจนออกมา

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบอุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยก๊าซ (Gas-cooled, high-temperature reactors) ทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส (1,650 F) ดูจะเป็นแหล่งความร้อนในการแยกไฮโดรเจนออกจากน้ำด้วยเคมีความร้อนได้เหมือนกัน ปัจจุบัน มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบนี้อยู่บ้างแล้วในอังกฤษและฝรั่งเศส แต่กำลังจะเลิกใช้ เนื่องจากไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ขณะที่สหรัฐอเมริกาและเยอรมันกำลังพัฒนา เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบระบายความร้อนด้วยก๊าซ (gas-cooled reactors) รุ่นที่ 2 อัฟริกาใต้ คาดว่าเครื่องปฏิกรณ์ต้นแบบในเชิงพาณิชย์ จะออกสู่ตลาดได้ภายใน 10 ปีนี้ ส่วนญี่ปุ่นมีแผนที่จะสร้างต้นแบบของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อุณหภูมิสูงระบายความร้อนด้วยก๊าซฮีเลียม เพื่อใช้เป็นแหล่งผลิตความร้อน

Wade กล่าวว่า กระบวนการเคมีความร้อน (Thermochemical processes) ยังไม่มีการใช้ในเชิงพาณิชย์ เนื่องจาก วิธีการเปลี่ยนรูปไอของก๊าซธรรมชาติ ยังมีราคาถูกกว่า และยังสามารถรองรับตลาดได้ แต่เริ่มมีความวิตกกันในเรื่องของสิ่งแวดล้อมและการพึ่งพาพลังงานที่มีการปล่อยก๊าซที่ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก

Wade สรุปว่า การเปลี่ยนไปสู่เศรษฐกิจไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ต้องใช้เวลาอีกอย่างน้อย 30 ปี แต่จะทำให้ได้พลังงานที่สะอาด มีแหล่งเชื้อเพลิงปริมาณมาก สำหรับใช้ในการขนส่ง ในครัวเรือน และในอุสาหกรรม