การผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์คืออะไร?

การผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ได้รับการพิจารณาอย่างกว้างขวางว่าเป็นวิธีการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมาก แต่ดูเหมือนว่าจะมีความคืบหน้าอย่างช้าๆ ดังนั้น การผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์คืออะไร?

การผลิตไฮโดรเจนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ คือ การใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ร่วมกับกระบวนการผลิตไฮโดรเจนขั้นสูง เพื่อการผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมาก การผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์มีข้อดีคือ ไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ใช้น้ำเป็นวัตถุดิบ มีประสิทธิภาพสูง และสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก ดังนั้นจึงเป็นทางออกที่สำคัญสำหรับการจัดหาไฮโดรเจนในปริมาณมากในอนาคต จากการประมาณการของ IAEA เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก 250 เมกะวัตต์ สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ 50 ตันต่อวัน โดยใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อุณหภูมิสูง

หลักการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์คือการใช้ความร้อนที่เกิดจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งพลังงานในการผลิตไฮโดรเจน และเพื่อให้ได้การผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและในปริมาณมากโดยการเลือกใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสม และเพื่อลดหรือกำจัดปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจก แผนภาพแสดงกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์แสดงอยู่ในรูป

มีหลายวิธีในการแปลงพลังงานนิวเคลียร์เป็นพลังงานไฮโดรเจน รวมถึงการใช้น้ำเป็นวัตถุดิบผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส วัฏจักรเทอร์โมเคมี การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไอน้ำอุณหภูมิสูง การผลิตไฮโดรเจนจากการแตกตัวของไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นวัตถุดิบ การผลิตไฮโดรเจนจากการไพโรไลซิสของก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน และชีวมวลเป็นวัตถุดิบ เป็นต้น เมื่อใช้น้ำเป็นวัตถุดิบ กระบวนการผลิตไฮโดรเจนทั้งหมดจะไม่ก่อให้เกิด CO₂ ซึ่งสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้อย่างมาก การผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งอื่น ๆ จะช่วยลดการปล่อยคาร์บอนได้เท่านั้น นอกจากนี้ การใช้น้ำจากกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสด้วยพลังงานนิวเคลียร์เป็นเพียงการผสมผสานระหว่างการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสแบบดั้งเดิม ซึ่งยังคงอยู่ในขอบเขตของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนิวเคลียร์และโดยทั่วไปไม่ถือว่าเป็นเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์ที่แท้จริง ดังนั้น วัฏจักรเทอร์โมเคมีโดยใช้น้ำเป็นวัตถุดิบ การใช้ความร้อนจากพลังงานนิวเคลียร์ทั้งหมดหรือบางส่วน และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไอน้ำอุณหภูมิสูง จึงถือเป็นทิศทางในอนาคตของเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานนิวเคลียร์

ในปัจจุบัน มีวิธีการผลิตไฮโดรเจนหลักๆ สองวิธีในพลังงานนิวเคลียร์ ได้แก่ การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า และการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมีเชิงความร้อน โดยเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะให้พลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนทั้งสองวิธีข้างต้นตามลำดับ

การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจน คือการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในการผลิตไฟฟ้า จากนั้นใช้เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจน การผลิตไฮโดรเจนด้วยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนโดยตรง แต่ประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนของวิธีนี้ (55% ~ 60%) ค่อนข้างต่ำ แม้ว่าจะนำเทคโนโลยีการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า SPE ที่ทันสมัยที่สุดในสหรัฐอเมริกามาใช้ ประสิทธิภาพการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าก็เพิ่มขึ้นเป็น 90% แต่เนื่องจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 35% เท่านั้น ประสิทธิภาพโดยรวมของการผลิตไฮโดรเจนจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในพลังงานนิวเคลียร์จึงอยู่ที่เพียง 30% เท่านั้น

การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมีความร้อนนั้นอาศัยวัฏจักรทางเคมีความร้อน โดยการเชื่อมต่อเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เข้ากับอุปกรณ์ผลิตไฮโดรเจนด้วยวัฏจักรทางเคมีความร้อน ใช้ความร้อนสูงจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งความร้อน เพื่อให้น้ำเกิดปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 800-1000 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดไฮโดรเจนและออกซิเจน เมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า การผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมีความร้อนมีประสิทธิภาพสูงกว่า โดยคาดว่าประสิทธิภาพโดยรวมจะสูงกว่า 50% และต้นทุนต่ำกว่า