ประสิทธิภาพความหนาแน่นพลังงาน: ความจริงเชิงมวล (gravimetric) และความจริงเชิงปริมาตร (volumetric) สำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนสีเขียว

ข้อจำกัดเชิงมวลของสารไฮไดรด์โลหะเมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ใช้ก๊าซอัด

ปัญหาของการจัดเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็งคือมีน้ำหนักมากเกินไป ไฮไดรด์โลหะส่วนใหญ่สามารถจัดเก็บไฮโดรเจนได้เพียงประมาณ 4.5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ซึ่งต่ำกว่าเป้าหมายที่กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (DOE) ตั้งไว้สำหรับปี 2025 (เป้าหมายคือ 5.5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก) ช่องว่างประมาณ 20% นี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าสารละลายการจัดเก็บเหล่านี้จำเป็นต้องใช้โลหะที่มีน้ำหนักค่อนข้างมากเพื่อดูดซับไฮโดรเจนจริง ๆ อย่างไรก็ตาม หากพิจารณาในมุมมองที่ต่างออกไป ระบบก๊าซแบบอัดความดันในปัจจุบันที่ทำงานที่ความดัน 700 บาร์ สามารถจัดเก็บไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพประมาณ 5.7 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก โดยไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุเพิ่มเติมใด ๆ นอกเหนือจากวัสดุที่จำเป็นสำหรับกระบวนการอัดความดันเอง

ข้อได้เปรียบเชิงปริมาตรของถังทรงกลมที่ออกแบบให้ทำงานที่ความดัน 700 บาร์ ในการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนสีเขียวขนาดใหญ่ระดับระบบสาธารณูปโภค

ถังทรงกลมทำงานได้ดีมากเมื่อพื้นที่มีข้อจำกัด ระบบเก็บกักไฮโดรเจนแบบเมทัลไฮไดรด์สามารถจุไฮโดรเจนได้โดยทฤษฎีประมาณ 80 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร แต่ในระบบจริงมักบรรลุได้เพียงประมาณครึ่งหนึ่งของค่านั้นเท่านั้น เนื่องจากต้องคำนึงถึงภาชนะและระบบระบายความร้อนที่จำเป็นทั้งหมด โรงงานผลิตไฮโดรเจนสีเขียวซึ่งใช้ถังทรงกลมแรงดัน 700 บาร์นั้นสามารถเก็บไฮโดรเจนได้จริงประมาณ 40 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ขณะเดียวกันก็ต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่ซับซ้อนน้อยกว่ามาก ความแตกต่างนี้มีน้ำหนักสำคัญอย่างยิ่งในปัจจุบัน ถังทรงกลมเหล่านี้ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถสำรองไฮโดรเจนได้มากขึ้นประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ภายในพื้นที่ทางกายภาพเดียวกัน เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเลือกสถานะแข็ง (solid state) สำหรับการดำเนินงานในระดับใหญ่ งานวิจัยฉบับหนึ่งที่เผยแพร่เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Energy Reports ยืนยันข้อสรุปนี้อย่างแข็งแกร่ง

การแลกเปลี่ยนเชิงความหนาแน่นในระดับระบบ: ฉนวนกันความร้อน น้ำหนักของภาชนะบรรจุ และผลกระทบต่อส่วนประกอบสมดุลของโรงงาน (balance-of-plant)

เมื่อพิจารณาโซลูชันด้านการจัดเก็บพลังงาน วิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยมากกว่าเพียงแค่สื่อกลางหลักสำหรับการจัดเก็บเท่านั้น ระบบไฮโดรเจนเมทัลไฮไดร์ด์ (Metal Hydride Systems) มีความท้าทายเฉพาะของตนเอง รวมถึงความจำเป็นในการใช้วัสดุฉนวนความเย็นระดับคริโอเจนิก (Cryogenic Insulation) ซึ่งมักเพิ่มน้ำหนักรวมของระบบทั้งหมดขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังมีอุปกรณ์สำหรับการบริสุทธิ์ไฮโดรเจนและระบบจัดการความร้อน ซึ่งโดยรวมแล้วจะใช้พลังงานไปประมาณร้อยละยี่สิบของปริมาณไฮโดรเจนที่จัดเก็บไว้ ทางเลือกอื่นคือระบบแรงดันสูง ซึ่งมักมีประสิทธิภาพดีกว่า เนื่องจากสูญเสียพลังงานเพียงประมาณร้อยละแปดในระหว่างกระบวนการอัดแรงดัน แม้กระนั้น ภาชนะบรรจุสำหรับระบบนี้จำเป็นต้องผลิตจากโลหะผสมพิเศษ ถังทรงกลม (Spherical Tanks) ก็ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญเช่นกัน โดยสามารถลดจำนวนชิ้นส่วนเสริมที่จำเป็นในส่วนอื่นๆ ของโรงไฟฟ้า และยังรักษาอัตราประสิทธิภาพของการจัดเก็บต่อการจ่ายออก (Storage to Dispatch Efficiency) ได้สูงถึงประมาณร้อยละเก้าสิบสอง เมื่อมีการขยายขนาดเพื่อใช้งานในระบบโครงข่ายไฟฟ้า (Grid Applications) ซึ่งทำให้ถังทรงกลมเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการผสานเข้ากับแหล่งพลังงานหมุนเวียน ที่ซึ่งประสิทธิภาพดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่ง

การวิเคราะห์เชิงเทคนิคและเศรษฐศาสตร์ของตัวเลือกการจัดเก็บไฮโดรเจนสีเขียว

การเปรียบเทียบต้นทุนการลงทุนเบื้องต้น (CAPEX): การสังเคราะห์และรับรองวัสดุไฮไดรด์โลหะ เทียบกับการผลิตถังทรงกลมที่สอดคล้องตามมาตรฐาน ASME

ระบบจัดเก็บไฮโดรเจนแบบเมทัลไฮไดร์ดมีราคาค่อนข้างสูงมาก เนื่องจากต้องใช้วัสดุที่ซับซ้อนในการผลิต รวมทั้งกระบวนการผ่านการรับรองความปลอดภัยที่เข้มงวดอย่างยิ่ง จากข้อมูลอุตสาหกรรม ราคาของวัสดุเพียงอย่างเดียวมักสูงกว่า 15 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมสำหรับโลหะผสมขั้นสูงเหล่านี้ และยังมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมอีก 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์สำหรับการรับรองมาตรฐานอย่างเหมาะสมอีกด้วย ทางกลับกัน ถังทรงกลมที่เป็นไปตามมาตรฐาน ASME ได้รับประโยชน์จากวิธีการผลิตแบบมาตรฐานที่โรงงานส่วนใหญ่สามารถดำเนินการได้อยู่แล้ว ทำให้ลดต้นทุนเริ่มต้นลงประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับระบบจัดเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็ง (solid state) ที่เทียบเคียงกัน เหตุผลก็คือ ผู้ผลิตได้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันมาเป็นเวลานานแล้ว จึงไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษแต่อย่างใด อย่างไรก็ตาม ก็ยังควรสังเกตไว้ว่า ทั้งสองทางเลือกนี้ยังคงมีราคาสูงมากเมื่อนำไปใช้ในโครงการไฮโดรเจนสีเขียวขนาดใหญ่ ทั้งสองแนวทางล้วนต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมากในระยะเริ่มต้น ก่อนที่จะเริ่มเห็นผลประโยชน์ที่แท้จริง

ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน (OPEX): พลังงานที่ใช้ในการอัดก๊าซ ความเสื่อมของอายุการใช้งานตามรอบการใช้งาน และการจัดการความร้อนสำหรับการดำเนินงานไฮโดรเจนสีเขียว

การพิจารณาต้นทุนในการดำเนินงานแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างที่ค่อนข้างมากระหว่างทางเลือกต่าง ๆ สำหรับการจัดเก็บพลังงาน ระบบแรงดันสูงสูญเสียพลังงานที่จัดเก็บไว้ประมาณ 8 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์เพียงแค่ในกระบวนการอัดอากาศ ในขณะที่วัสดุไฮไดรด์โลหะสูญเสียความสามารถในการเก็บพลังงานอย่างช้า ๆ ไปประมาณร้อยละ 0.05 ต่อรอบการใช้งาน ค่าใช้จ่ายในการควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมนั้นกินสัดส่วนราวหนึ่งในสี่ถึงเกือบครึ่งหนึ่งของค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่บริษัทจ่ายไปสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบบสถานะแข็ง เนื่องจากจำเป็นต้องควบคุมสภาพแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ถังทรงกลมที่ทำงานภายใต้ความดันบรรยากาศปกตินั้นไม่จำเป็นต้องกังวลกับประเด็นนี้แต่อย่างใด ข้อเสียของถังทรงกลมเหล่านี้คือวาล์วและตัวควบคุมแรงดันมีแนวโน้มสึกหรอเร็วกว่า จึงต้องซ่อมแซมบ่อยขึ้น เมื่อนำตัวเลขทั้งหมดมาเปรียบเทียบกันแล้ว ระบบที่ทำงานที่ความดัน 700 บาร์โดยทั่วไปมีต้นทุนประมาณ 1.7 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อการจัดเก็บพลังงาน 1 กิกะวัตต์-ชั่วโมง เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้ไฮไดรด์โลหะซึ่งมีต้นทุนประมาณ 2.4 ล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อการจัดเก็บพลังงาน 1 กิกะวัตต์-ชั่วโมง ในการดำเนินโครงการไฮโดรเจนสีเขียว

ความสามารถในการขยายขนาดและความพร้อมสำหรับการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจนสีเขียวเชิงอุตสาหกรรม

ความท้าทายด้านการจัดการความร้อนที่จำกัดการขยายขนาดการจัดเก็บแบบโซลิดสเตตในสถาน facilities ผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

ปัญหาของการจัดเก็บไฮโดรเจนในสถานะของแข็งอยู่ที่การควบคุมความร้อนระหว่างกระบวนการดูดซับและปล่อยไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการขยายขนาดระบบเหล่านี้เพื่อใช้งานเชิงอุตสาหกรรมในโลกแห่งความเป็นจริง การรักษาอุณหภูมิให้คงที่ภายในช่วงประมาณ ±5 องศาเซลเซียสเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง หากเราต้องการหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพของวัสดุเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม ความแม่นยำระดับนี้กลับกลายเป็นเรื่องที่ยากมากเมื่อต้องจัดการกับปริมาณไฮโดรเจนที่จัดเก็บในปริมาณมาก อุปกรณ์ทำความเย็นเสริมที่จำเป็นยังเพิ่มความซับซ้อนอีกชั้นหนึ่ง ทั้งนี้ ระบบทำความเย็นเหล่านี้กลับใช้พลังงานไปถึง 15% ถึง 30% ของปริมาณไฮโดรเจนที่จัดเก็บไว้ รวมทั้งยังใช้พื้นที่อันมีค่าภายในโครงสร้างโดยรวมของโรงงานอีกด้วย จากแนวโน้มปัจจุบัน โครงการไฮโดรเจนสีเขียวขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ยังไม่พิจารณาทางเลือกการจัดเก็บในสถานะของแข็งเลย นอกเหนือจากการทดลองในระดับเล็กเท่านั้น ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมชี้ว่า ปัญหาการจัดการความร้อนคือเหตุผลหลักที่ทำให้การนำไปใช้อย่างแพร่หลายยังไม่เกิดขึ้น

การขยายขนาดที่พิสูจน์แล้วของถังทรงกลมความดันสูงในโครงการนำร่องและโครงการเชิงพาณิชย์ไฮโดรเจนสีเขียวที่มีอยู่

ถังทรงกลมที่ทำงานภายใต้ความดันสูงสามารถใช้งานได้ทันทีโดยไม่ต้องปรับแต่งเพิ่มเติม ปัจจุบันทั่วโลกมีโครงการไฮโดรเจนสีเขียวขนาดใหญ่กว่า 47 โครงการ ซึ่งแต่ละโครงการเก็บไฮโดรเจนไว้มากกว่า 100 ตัน โดยทั้งหมดใช้ถังความดัน 700 บาร์เหล่านี้ สิ่งที่ทำให้ถังเหล่านี้พิเศษคือความเสถียรทางความร้อนตามธรรมชาติ จึงไม่จำเป็นต้องติดตั้งระบบทำความเย็นขั้นสูงแต่อย่างใด นั่นหมายความว่าบริษัทสามารถขยายการดำเนินงานได้แบบทีละโมดูล โดยใช้แบบมาตรฐานที่ผ่านการรับรองจาก ASME ยกตัวอย่างเช่น ศูนย์ไฮโดรเจนหมุนเวียนแห่งสกอตแลนด์ที่มีกำลังการผลิต 2.5 กิกะวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งสามารถดำเนินการได้ครบถ้วนภายในเวลาเพียง 18 เดือนเท่านั้น ความเร็วระดับนี้ไม่สามารถทำได้เลยกับทางเลือกแบบสถานะแข็ง (solid state) อื่นๆ ที่ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา ความสามารถในการขยายขนาดได้อย่างรวดเร็วจึงทำให้ถังทรงกลมมีข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานอุตสาหกรรมใหม่ให้เสร็จทันเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการที่ต้องเร่งดำเนินการเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการลดคาร์บอนตามกรอบเวลาที่รัฐบาลทั่วโลกกำหนด

ส่วน FAQ

เป้าหมายด้านความจุน้ำหนักสำหรับระบบเก็บไฮโดรเจนที่กำหนดโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาคือเท่าใด

กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกามีเป้าหมายให้ระบบเก็บไฮโดรเจนมีความจุเชิงน้ำหนักอยู่ที่ร้อยละ 5.5 ภายในปี ค.ศ. 2025

ถังทรงกลมเปรียบเทียบกับระบบเก็บไฮโดรเจนแบบเมทัลไฮไดร์ด์ในแง่ของปริมาตรอย่างไร

ถังทรงกลมที่ทำงานภายใต้แรงดัน 700 บาร์สามารถเก็บไฮโดรเจนได้ประมาณ 40 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งให้ความสามารถในการเก็บพลังงานมากขึ้นประมาณร้อยละ 30 เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเก็บไฮโดรเจนแบบเมทัลไฮไดร์ด์ในพื้นที่เดียวกัน

ความท้าทายหลักของระบบเมทัลไฮไดร์ด์ในการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนสีเขียวคืออะไร

เมทัลไฮไดร์ด์จำเป็นต้องใช้ฉนวนกันความเย็นแบบคริโอเจนิกและระบบจัดการความร้อน ซึ่งส่งผลให้น้ำหนักและระดับความซับซ้อนของระบบทั้งหมดเพิ่มขึ้น

ต้นทุน CAPEX ของถังทรงกลมเปรียบเทียบกับระบบเมทัลไฮไดร์ด์อย่างไร

ถังทรงกลมมีต้นทุนเบื้องต้นต่ำกว่าเนื่องจากใช้วิธีการผลิตมาตรฐาน ทำให้ลดต้นทุน CAPEX ลงประมาณร้อยละ 40 ถึง 60 เมื่อเทียบกับระบบเมทัลไฮไดร์ด์