การผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์คืออะไร?

การผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์ถือเป็นวิธีที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตไฮโดรเจนขนาดใหญ่ แต่ดูเหมือนว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างช้าๆ แล้วการผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์คืออะไร?

การผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์ ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ควบคู่กับกระบวนการผลิตไฮโดรเจนขั้นสูง เพื่อการผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมาก การผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์มีข้อดีคือไม่มีก๊าซเรือนกระจก มีน้ำเป็นวัตถุดิบ มีประสิทธิภาพสูงและมีปริมาณมาก จึงเป็นทางออกที่สำคัญสำหรับการจัดหาไฮโดรเจนในปริมาณมากในอนาคต ตามการประมาณการของ IAEA เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก 250MW สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 50 ตันต่อวันโดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อุณหภูมิสูง

หลักการผลิตไฮโดรเจนในพลังงานนิวเคลียร์คือการใช้ความร้อนที่เกิดจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งพลังงานสำหรับการผลิตไฮโดรเจน และเพื่อให้เกิดการผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและมีขนาดใหญ่โดยการเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม และลดหรือขจัดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก แผนผังการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์แสดงในรูป

มีหลายวิธีในการแปลงพลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานไฮโดรเจน รวมถึงน้ำเป็นวัตถุดิบผ่านอิเล็กโทรไลซิส วัฏจักรเทอร์โมเคมี การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระแสไฟฟ้าด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นวัตถุดิบในการผลิตไฮโดรเจนแตกตัว ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ชีวมวลเป็นวัตถุดิบ ไพโรไลซิสไฮโดรเจน การผลิต ฯลฯ เมื่อใช้น้ำเป็นวัตถุดิบ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดจะไม่ผลิตCO₂ ซึ่งโดยทั่วไปสามารถกำจัดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ การผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งอื่นจะช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนเท่านั้น นอกจากนี้ การใช้น้ำด้วยกระแสไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นเพียงการผสมผสานอย่างง่ายระหว่างการผลิตพลังงานนิวเคลียร์และกระแสไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ซึ่งยังคงอยู่ในสาขาการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ และโดยทั่วไปไม่ถือเป็นเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์ที่แท้จริง ดังนั้น วัฏจักรเคมีอุณหเคมีที่มีน้ำเป็นวัตถุดิบ การใช้ความร้อนนิวเคลียร์ทั้งหมดหรือบางส่วน และอิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูง ถือเป็นการนำเสนอทิศทางในอนาคตของเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนนิวเคลียร์

ปัจจุบัน การผลิตไฮโดรเจนในพลังงานนิวเคลียร์มีสองวิธีหลัก ได้แก่ การผลิตไฮโดรเจนในน้ำด้วยไฟฟ้า และการผลิตไฮโดรเจนเชิงความร้อนเคมี เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ให้พลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อนตามลำดับสำหรับการผลิตไฮโดรเจนสองวิธีข้างต้น

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจนคือการใช้พลังงานนิวเคลียร์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า จากนั้นจึงผ่านอุปกรณ์อิเล็กโทรไลต์ของน้ำเพื่อสลายน้ำให้เป็นไฮโดรเจน การผลิตไฮโดรเจนด้วยน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ค่อนข้างตรง แต่ประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนของวิธีนี้ (55% ~ 60%) ต่ำ แม้ว่าสหรัฐอเมริกาจะนำเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสน้ำ SPE ที่ทันสมัยที่สุดมาใช้ก็ตาม ประสิทธิภาพด้วยไฟฟ้า เพิ่มขึ้นเป็น 90% แต่เนื่องจากปัจจุบันโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่เปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพประมาณ 35% เท่านั้น ประสิทธิภาพโดยรวมขั้นสุดท้ายของการผลิตไฮโดรเจนจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในพลังงานนิวเคลียร์จึงมีเพียง 30% เท่านั้น

การผลิตไฮโดรเจนด้วยเคมีความร้อนขึ้นอยู่กับวัฏจักรเคมีความร้อน โดยเชื่อมต่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เข้ากับอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนตามวัฏจักรเคมีความร้อน โดยใช้อุณหภูมิสูงที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งความร้อน เพื่อให้น้ำกระตุ้นการสลายตัวด้วยความร้อนที่ 800°C ถึง 1,000 ℃ เพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อเทียบกับการผลิตไฮโดรเจนน้ำด้วยไฟฟ้า ประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนเคมีเทอร์โมจะสูงกว่า ประสิทธิภาพโดยรวมคาดว่าจะถึงมากกว่า 50% ต้นทุนจะลดลง