เศรษฐกิจไฮโดรเจน: การจัดกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิมให้เหมาะสมกับแต่ละส่วนในห่วงโซ่คุณค่า

เศรษฐกิจไฮโดรเจน: การจัดกลุ่มเหล็กกล้าไร้สนิมให้เหมาะสมกับแต่ละส่วนในห่วงโซ่คุณค่า

การเปลี่ยนผ่านไปสู่อนาคตที่มีคาร์บอนต่ำกำลังเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญในด้านนี้ อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนยังมีความท้าทายเฉพาะตัว เนื่องจากเป็นธาตุที่มีความยากในการควบคุมและจัดการอย่างมาก ขนาดโมเลกุลที่เล็กของมันทำให้มันรั่วซึมได้ง่าย และภายใต้สภาวะบางอย่าง มันสามารถทำให้เกิดการแตกร้าวแบบเปราะในโลหะทั่วไป ส่งผลให้ชิ้นส่วนเสียหายได้

นี่คือจุดที่การเลือกวัสดุเข้ามามีบทบาทสำคัญ โดยเหล็กกล้าไร้สนิมซึ่งมีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนและคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม ถือเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดเศรษฐกิจของไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรดไม่ได้มีคุณสมบัติเทียบเท่ากัน การเลือกใช้เกรดที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ความเสี่ยงด้านความปลอดภัย การหยุดชะงักของการดำเนินงาน และค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมที่สูง

บทความนี้นำเสนอแนวทางการใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรดกับส่วนต่าง ๆ ในห่วงโซ่มูลค่าของไฮโดรเจน ตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตไปจนถึงการใช้งาน เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความเชื่อถือได้และความปลอดภัย โดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุนจากการออกแบบที่เกินความจำเป็น

ความท้าทายหลัก: การเปราะตัวจากไฮโดรเจน (Hydrogen Embrittlement)

ก่อนที่จะเลือกใช้เกรดใด ๆ จำเป็นต้องเข้าใจศัตรูของวัสดุก่อน นั่นคือ การเปราะตัวจากไฮโดรเจน (Hydrogen Embrittlement: HE) . HE เป็นกระบวนการที่ไฮโดรเจนในสถานะอะตอมซึมผ่านเข้าไปในโลหะ ทำให้วัสดุลดลงในเรื่องความเหนียวและการทนต่อการแตกหัก ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดรอยร้าวและการล้มเหลวของวัสดุภายใต้แรงที่ต่ำกว่าจุดครากของวัสดุนั้นอย่างมาก ปัจจัยหลักที่มีผลต่อ HE มีดังนี้

• ความดันของไฮโดรเจน: ความดันที่สูงขึ้นจะเพิ่มการดูดซับไฮโดรเจนของวัสดุ

• อุณหภูมิ: ความเสี่ยงสูงสุดที่อุณหภูมิแวดล้อม; ความเสี่ยงจะลดลงที่อุณหภูมิสูงมากหรืออุณหภูมิต่ำจัด

• โครงสร้างจุลภาคของวัสดุ: เหล็กกล้าไร้สนิมแบบออกสเทนนิติก (เช่น 304, 316) โดยทั่วไปมีความต้านทานต่อการแตกเปราะจากไฮโดรเจน (HE) ได้ดีกว่าเหล็กกล้าแบบมาร์เทนไซติกหรือเฟอร์ริติก เนื่องจากโครงสร้างแบบลูกบาศก์หน้าศูนย์กลาง (FCC)

ด้วยเหตุนี้ ลองมาพิจารณาการจัดระดับของวัสดุให้สอดคล้องกับห่วงโซ่มูลคึกัน

การเลือกเหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับห่วงโซ่มูลค่าของไฮโดรเจน

1. การผลิต: การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

ไฮโดรเจนสีเขียวผลิตได้โดยการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้เครื่องแยกไฟฟ้า (PEM, Alkaline, SOEC)

• สภาพแวดล้อมหลัก: สัมผัสกับน้ำปราศจากแร่ธาตุ ออกซิเจน ไฮโดรเจน และอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์แรง เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ที่อุณหภูมิสูงขึ้น

• ประเด็นหลักที่ต้องพิจารณา: การกัดกร่อนทั่วไป การกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) และการแตกตัวเนื่องจากความเครียดและการกัดกร่อน (stress corrosion cracking หรือ SCC)

• เกรดที่แนะนำ:

  • แผ่นขั้วไฟฟ้าแบบ Bipolar: 316L มักถูกใช้เป็นมาตรฐาน เนื่องจากมีมอลิบดีนัมที่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากขึ้น หรืออายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เหล็กกล้าไร้สนิมแบบ duplex เช่น 2205 (UNS S32205) มีความแข็งแรงสูงกว่า และมีความต้านทานต่อ SCC จากคลอไรด์ที่ยอดเยี่ยม

  • ชิ้นส่วนภายในและตัวเครื่อง:  304L หรือ 316L มักเพียงพอสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่ไม่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนรุนแรงที่สุดโดยตรง

2. การทำให้เป็นของเหลวและการจัดเก็บ

เพื่อให้ได้ความหนาแน่นพลังงานที่เหมาะสมสำหรับการขนส่ง ไฮโดรเจนมักถูกทำให้เป็นของเหลวที่อุณหภูมิ -253°C (-423°F)

• สภาพแวดล้อมหลัก: อุณหภูมิแบบคริโอเจนิก เดือดและแรงดันสูง

• ประเด็นหลักที่ต้องพิจารณา: รักษาความเหนียวและความสามารถในการแต่งรูปได้ภายใต้อุณหภูมิแบบคริโอเจนิกที่รุนแรง ปัญหาการรั่วไหลเนื่องจากวัสดุแตกเปราะถือเป็นประเด็นด้านความปลอดภัยที่สำคัญที่สุด

• เกรดที่แนะนำ:

  • ภาชนะและท่อแบบคริโอเจนิก:  เหล็กกล้าไร้สนิมแบบออกสเทนนิติกเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดในกรณีนี้ โครงสร้าง FCC ของเหล็กกล้าไร้สนิมยังคงความเหนียวได้ดีเยี่ยมแม้อยู่ภายใต้อุณหภูมิแบบคริโอเจนิก

    • 304L (UNS S30403) เป็นเกรดที่พบได้ทั่วไปที่สุด และมีประสิทธิภาพดีในราคาประหยัดสำหรับถังด้านใน ท่อ และวาล์ว

    • 316L (UNS S31603) ใช้ในกรณีที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มเติมจากโมลิบดีนัม

    • โลหะผสมนิกเกิลสูง (เช่น 304LN, 316LN): เกรด "L" (คาร์บอนต่ำ) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการเกิดการไวต่อการกัดกร่อน เกรด "N" (ไนโตรเจน) มีความแข็งแรงสูงกว่า ซึ่งเหมาะสำหรับการรับมือกับแรงดันสูงในภาชนะที่มีน้ำหนักเบา

3. การขนส่งและจัดจำหน่าย

การขนส่งไฮโดรเจนในสถานะของเหลว (LH2) ผ่านรถถังแบบคริโอเจนิก หรือไฮโดรเจนในสถานะก๊าซที่อัดความดันสูง (CGH2) ผ่านรถพ่วงแบบท่อและท่อส่ง

• สภาพแวดล้อมหลัก: แรงดันที่เปลี่ยนแปลงเป็นจังหวะ ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากภายนอก (เช่น เกลือถนน) อุณหภูมิที่ต่ำมากสำหรับ LH2

• ประเด็นหลักที่ต้องพิจารณา: ความต้านทานต่อการเกิดความเหนื่อยล้า ความแข็งแรงเชิงกลสำหรับภาชนะที่มีความดันสูง (CGH2) และความต้านทานต่อการกัดกร่อน

• เกรดที่แนะนำ:

  • กระบอกสูบสำหรับรถพ่วงแบบท่อ (สำหรับ CGH2 ที่ 250-500+ บาร์): ภาชนะที่มีความดันสูงมักทำมาจาก เหล็กโครเมียม-มอลิบดีนัม (เช่น 4130X) ด้วยชั้นวัสดุคอมโพสิตที่หุ้มด้านนอก อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนที่เป็นปลอกหรือส่วนที่สัมผัสกับไฮโดรเจนภายในสามารถใช้ 316L เนื่องจากมีความต้านทานต่อการแตกเปราะจากไฮโดรเจน (HE)

  • วาล์ว ข้อต่อ และท่อ:  316L มีสมรรถนะที่ครอบคลุมเป็นมาตรฐาน สำหรับงานที่หนักหน่วงมากขึ้น ดูเพล็กซ์ 2205 ให้ความแข็งแรงทนทานสูงขึ้นเป็นสองเท่า ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่บางและเบากว่า ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการขนส่งแบบเคลื่อนที่

  • ท่อส่งไฮโดรเจน: สำหรับท่อส่งไฮโดรเจนใหม่ที่ออกแบบเฉพาะ เหล็กกล้าไร้สนิมแบบออกสเทนนิติก เช่น 316L เป็นวัสดุที่เหมาะที่สุด เครือข่ายท่อส่งก๊าซธรรมชาติที่มีอยู่เดิม (โดยทั่วไปทำจากเหล็กกล้าคาร์บอน) ส่วนใหญ่ไม่เหมาะสำหรับการส่งไฮโดรเจน เนื่องจากความเสี่ยงจากการเปราะแตกเนื่องจากไฮโดรเจน (HE) หากไม่ได้ปรับปรุงโครงสร้างอย่างมีนัยสำคัญ

4. สถานีเติมไฮโดรเจนและจุดใช้งานปลายทาง

รวมถึงสถานีเติมไฮโดรเจน (HRS) สำหรับยานพาหนะที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง และตัวเซลล์เชื้อเพลิงเอง

• สภาพแวดล้อมหลัก: ไฮโดรเจนความดันสูง (700 บาร์สำหรับยานพาหนะ) การรับแรงแบบซ้ำๆ (รอบการเติมที่เกิดขึ้นบ่อย) อุณหภูมิสภาพแวดล้อม

• ประเด็นหลักที่ต้องพิจารณา: มีความต้านทานต่อการเกิดความเมื่อยล้าสูงสุด และมีความต้านทานต่อการเกิดความเปราะแตกจากไฮโดรเจนได้ดีที่สุดภายใต้การทำงานที่มีความดันเปลี่ยนแปลงสูง

• เกรดที่แนะนำ:

  • ถังเก็บ (ที่สถานี): คล้ายกับการขนส่ง ถังเหล่านี้เป็นภาชนะรับความดันสูง มักใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เช่น เหล็กกล้า Cr-Mo ร่วมกับวัสดุคอมโพสิต พื้นผิวด้านในต้องใช้วัสดุที่ต้านทานต่อการเกิดความเปราะแตกจากไฮโดรเจนได้

  • วาล์ว เครื่องอัดอากาศ และท่อความดันสูง: นี่คือพื้นที่สำคัญที่สุดในการเลือกวัสดุภายในสถานี

    • 316L เป็นมาตรฐานขั้นต่ำและถูกใช้อย่างแพร่หลาย

    • **เกรดสมรรถนะ: สำหรับความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยที่สูงที่สุด โลหะผสมออสเทนิทิกที่มีความแข็งแรงสูง เช่น Nitroronic 50 (XM-19, UNS S20910) หรือ Nitroronic 60 (UNS S21800) มักถูกกำหนดไว้ เหล็กกล้าออสเทนิทิกที่เสริมความแข็งแรงด้วยไนโตรเจนชนิดนี้มีแรงดึงที่ยอมให้สูงกว่า 316L อย่างมาก ขณะเดียวกันยังคงไว้ซึ่งความต้านทานต่อการเกิดความเปราะแตกจากไฮโดรเจนและการเกิดการสึกหรอจากแรงเสียดทาน (galling) ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญสำหรับพื้นที่นั่งวาล์ว (valve seats) และแกนวาล์ว (stems)

  • ชุดเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell Stacks): ภายในเซลล์เชื้อเพลิง 316L มักใช้สำหรับแผ่นขั้วแบบไบโพลาร์ (bipolar plates) แม้ว่าจะมีแนวโน้มที่ชัดเจนในการใช้วัสดุโลหะเคลือบและวัสดุคอมโพสิตเพื่อลดน้ำหนักและต้นทุน

ตารางสรุป: คู่มืออ้างอิงอย่างรวดเร็ว

ข้อสรุป: พื้นฐานที่เน้นเรื่องวัสดุเป็นหลัก

เศรษฐกิจไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของวิทยาศาสตร์วัสดุ สแตนเลสไม่ใช่คำตอบเดียว แต่คือกลุ่มวัสดุที่ช่วยขับเคลื่อน การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการออกแบบระบบไฮโดรเจนที่ปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และคุ้มค่า

การจับคู่เกรดวัสดุให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมเฉพาะ—ไม่ว่าจะเป็นสารละลายไฟฟ้าที่กัดกร่อนภายในอิเล็กโทรไลเซอร์ ของเหลวที่อุณหภูมิต่ำจัดในถังเก็บ หรือก๊าซที่ความดันสูงมากในสถานีเติมไฮโดรเจน—คือกุญแจสู่ความสำเร็จ แม้ว่าเกรด 304L และ 316L จะสามารถใช้เป็นวัสดุหลักได้ แต่วิศวกรจำเป็นต้องรู้ว่าเมื่อใดควรเลือกใช้เกรดขั้นสูง เช่น เกรดแบบดูเพล็กซ์ หรือออสเทนนิติกที่เสริมด้วยไนโตรเจน เพื่อลดความเสี่ยงและรับประกันความสมบูรณ์ในการใช้งานระยะยาว โดยการเลือกวัสดุอย่างรอบคอบในวันนี้ จะช่วยสร้างอนาคตของไฮโดรเจนที่เชื่อถือได้และขยายตัวได้อย่างยั่งยืนในวันพรุ่งนี้