พูดคุย:ยานพาหนะพลังไฮโดรเจน

ส่วนที่นำออกจากบทความ

มีการตั้งเป้าไว้ว่า จะผลิตรถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นต้นกำลังแบบที่ใช้งานได้จริงให้ได้ภายในปี 2010 โดยนักวิจัยได้วางหลักการไว้ว่า เชื้อเพลิงที่ใช้จะต้องมีน้ำหนักไม่เกิน 6 % ของน้ำหนักรวมของรถ ดังนั้นหากรถยนต์มีน้ำหนักที่ 100 กิโลกรัม จะกำหนดให้เติมไฮโดรเจนได้ 6 กิโลกรัมเท่านั้น ซึ่งดูเหมือนไม่มากเท่าไร แต่ในความเป็นจริงในปัจจุบัน ข้อจำกัดในเรื่องวัสดุที่ใช้ทำถังบรรจุ อย่างดีที่สุดก็สามารถบรรจุไฮโดรเจนได้เพียง 2 กิโลกรัมเท่านั้น

ปัจจุบัน รถต้นแบบของค่ายต่างๆ ส่วนมากจะใช้ถังบรรจุที่มีลักษณะคล้ายกับถังออกซิเจนของนักประดาน้ำ ที่ทำจาก สารประกอบประเภท คาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon-fiber Composite) ที่มีน้ำหนักเบา และบรรจุไฮโดรเจนที่ระดับความดัน 5,000 – 10,000 psi (350-700 เท่าของความดันปกติ) แต่การเพิ่มความดันขึ้นก็ไม่ได้หมายความว่าจะได้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เพราะแม้ที่ระดับความดันที่ 10,000 psi ก็จะบรรจุไฮโดรเจนปริมาณที่สามารถให้พลังงานได้เพียง 15 % ของที่ได้จากเชื้อเพลิงปกติที่ปริมาตรเท่ากันเท่านั้น

แต่ในความเป็นจริง ยังมีข้อจำกัดอีกมากมายในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้งาน ประการแรกคือการบรรจุไฮโดรเจนในถังเก็บภายในรถยนต์เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก นักวิจัยและพัฒนาได้กำหนดขนาดของถังเก็บที่เหมาะสมว่าจะต้องติดตั้งในรถยนต์ได้โดยจ่ายพลังงานให้รถยนต์สามารถแล่นได้ในระยะทางต่ำสุด (Min. Range) ที่ 300 ไมล์ โดยจะต้องไม่ไปลดขนาดของห้องโดยสารหรือห้องบรรทุกให้เล็กลง อีกทั้งการจ่ายไฮโดรเจนให้กับเครื่องยนต์จะต้องเป็นไปตามระดับการใช้งาน เช่นเมื่อมีการเร่งเครื่องยนต์ เป็นต้น นอกจากนั้นแล้วจะต้องอยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน ณ อุณหภูมิปกติ การเติมหรือการชาร์จจะต้องใช้เวลาไม่นานนัก และ มีต้นทุนไม่แพงจนเกินไป ซึ่งปัจจุบันเทคโนโลยีในการบรรจุก๊าซยังไม่สามารถทำได้

สาเหตุที่การบรรจุไฮโดรเจนเพื่อใช้งานเป็นเรื่องยากก็เนื่องจาก ที่อุณหภูมิ และ ความดันปกติ ไฮโดรเจนจะอยู่ในสถานะเป็นก๊าซ โดยมีระดับค่าพลังงานอยู่ที่ 1/3000 เท่าของน้ำมันเชื้อเพลิง ดังนั้นหากบรรจุไฮโดรเจนไว้ในถังน้ำมันขนาด 20 ลิตรแบบปกติจะให้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ได้เพียง 500 ฟุตเท่านั้น นักวิจัยพยายามหาหนทางเพื่อให้สามารถบรรจุไฮโดรเจนให้ได้มากขึ้นเพื่อให้สามารถใช้งานได้ในระยะทาง 300 ไมล์เช่นเดียวกับรถยนต์ปกติที่จะต้องเติมน้ำมันเชื้อเพลิงประมาณ 20 ลิตร ในขณะที่หากใช้เซลพลังงานจะต้องใช้ไฮโดรเจนเพียงประมาณ 8 กิโลกรัมเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากการใช้ไฮโดรเจนจะให้พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ซึ่งจากการทดสอบรถต้นแบบของค่ายต่างๆพบว่าระยะทางจะอยู่ที่ประมาณ 100-190 ไมล์โดยเฉลี่ย

ถังบรรจุความดันสูงนั้นเหมาะสำหรับการใช้งานกับรถยนต์บางประเภทเท่านั้นเช่นในรถโดยสารขนาดใหญ่ เนื่องจากตัวรถมีขนาดใหญ่ทำให้สามารถติดตั้งถังบรรจุขนาดใหญ่เพื่อให้เติมไฮโดรเจนเพียงพอต่อการใช้งานได้ แต่การนำมาใช้กับรถยนต์นั่งธรรมดาไม่สามารถทำได้เนื่องจากมีพื้นที่ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ราคาของถังดังกล่าวยังสูงกว่าถังเชื้อเพลิงปกติถึง 10 เท่า

ทางเลือกอีกทางหนึ่งคือการทำให้ไฮโดรเจนของในสถานะของเหลวเพื่อให้ได้ค่าพลังงานต่อปริมาตรไฮโดรเจนมากขึ้น ซึ่งการที่จะทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวได้จะต้องควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ที่ระดับ -253 องศา C โดยจะได้ไฮโดรเจนเหลว ที่มีน้ำหนัก 71 กรัม / ลิตร หรือให้ค่าพลังงานที่ระดับ 30 % ของเชื้อเพลิงปกติที่น้ำหนักเท่ากัน

ไฮโดรเจนเหลว

การใช้ไฮโดรเจนเหลวก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ประการแรกคือจุดเดือดของไฮโดรเจนต่ำมากจึงต้องควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำอยู่ตลอด จะต้องมีระบบป้องกัน และ ฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนั้นการทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวจะต้องใช้ความดันและพลังงานจำนวนมาก จึงเป็นส่วนที่ทำให้ค่าใช้จ่ายต่างๆสูงขึ้นและลดประสิทธิภาพของพลังงานลง

แต่อย่างไรก็ตาม BMW ก็นำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับรถ Hydrogen7 ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ได้ทั้ง เชื้อเพลิงปกติ (ได้ระยะทาง 300 ไมล์)และ ไฮโดรเจนเหลว(ได้ระยะทาง 125 ไมล์)ของตนที่จะออกมาขายให้กับลูกค้าเฉพาะในสหรัฐ และ ประเทศที่มีสถานีบริการเติมไฮโดรเจนภายในปีนี้

การสร้างองค์ประกอบทางเคมี เพื่อหาหนทางในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้มากขึ้น นักวิจัยอาจจะนำคุณสมบัติของไฮโดรเจนเองมาใช้ประโยชน์ได้ เพราะในสถานะ ของเหลว และ ก๊าซ ไฮโดรเจนจะประกอบด้วยโมเลกุล 2 ตัวเกาะกันแต่เมื่อ ไฮโดรเจนเกาะกับอนุภาคของธาตุอื่นๆมันจะเกาะกันแน่นมากขึ้น มากกว่าเมื่อมันอยู่ในสถานะของเหลวเสียอีก ดังนั้นนักวิจัยจึงพยายามเน้นไปที่สารประกอบตัวหนึ่งที่เรียกว่า “โลหะ ไฮไดร์ แบบย้อนปฏิกิริยากลับได้” (Reversible metal hydrides) ที่ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี 1969 ในห้องทดลองในเนเธอร์แลนด์ โดยค้นพบว่า เมื่อโลหะอัลลอย ซามาเรี่ยม โคบอล (samarium-cobalt alloy) สัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจนอัดความดันมันจะดูดซึมไฮโดรเจนไว้ เหมือนกับฟองน้ำดูดซับน้ำไว้ และเมื่อลดความดันลง ไฮโดรเจนก็จะแยกตัวออกมา

กรรมวิธีนี้ทำให้สามารถทำให้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น 150 % ของไฮโดรเจนเหลวเนื่องจากอนุภาคของไฮโดรเจนจะถูกบีบอันอยู่ระหว่างอนุภาคของโลหะดังรูป นอกจากนั้นคุณสมบัติอื่นๆของโลหะไฮไดร์นี้ยังเหมาะสมกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากสามารถนำมาใช้งานที่ระดับความดันในช่วงระดับ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ นอกจากนั้นยังมีความเสถียรสูง จึงใช้พลังงานน้อยมากในการรักษาสถานภาพอาศัยความร้อนเพียงบางส่วนเพื่อให้เกิดการปลดปล่อยก๊าซ แต่ข้อด้อยของมันก็คือ มีน้ำหนักมากเกินกว่าที่จะติดตั้งในรถยนต์ได้(น้ำหนักรวม 1000 ปอนด์ เพื่อการขับขี่ในระยะทาง 300 ไมล์ ถือว่ามากเกินไปสำหรับรถยนต์ขนาด 3,000 ปอนด์ในปัจจุบัน ) ปัจจุบันมีการพยายามหาโลหะชนิดอื่นๆมาใช้งานเพื่อให้สามารถใช้งานไฮโดรเจนที่ระดับอุณหภูมิ 100 องศา C ณ ระดับความดันที่ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ และสามารถปลดปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วเมื่อต้องการเร่งความเร็ว โลหะส่วนมากที่ทดลองนำมาใช้งานมีความเสถียรสูงเกินไป จนทำให้ต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ปลดปล่อยไฮโดรเจนออกมา ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ เม็กนีเซียมไฮไดร์ เริ่มปลดปล่อยไฮโดรเจน จะต้องให้ความร้อนที่ระดับ 300 องศา C ดังนั้นหากต้องการนำมาใช้งานให้ได้จริงจะต้องพยายามลดอุณหภูมิดังกล่าวนี้ลงมา

ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์

ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์ (Destabilized hydrides ) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของโลหะที่ดูดซึมไฮโดรเจนได้ที่เรียกว่า Complex Hydrides ที่เป็นทางเลือกที่ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยลดอุณหภูมิในการปลดปล่อยไฮโดรเจนลง แต่ก่อนเชื่อกันว่าสารประกอบนี้ไม่เหมาะกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากเมื่อมีการปลดปล่อยไฮโดรเจนแล้วจะไม่สามารคืนสภาพได้เอง จะต้องนำมาผ่านกระบวนการคืนสภาพใหม่ แต่เมื่อปี 1996 ได้มีการทดลองพบว่าหากเติมไทนาเนียมปริมาณเล็กน้อยเข้าไปผสม ทำให้โลหะผสมดังกล่าวสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้โดยไม่ต้องผ่านขบวนการใดๆอีก ซึ่งการทดลองสามารถเพเมความหนาแน่นของไฮโดรเจนได้ 9 % และสามารถทำปฏิกิริยาย้นกลับ ที่อุณหภูมิ 200 องศา C แม้ว่า อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยายังสูงอยู่มากก็ตามแต่ก็มีโอกาสในการพัฒนาให้ต่ำลงกว่านี้ได้ ค้นพบอันเดียวกันนี้ทำให้เกิดการพัฒนา

Hydrogen Carriers อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น

เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (C10H18) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมา ปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง

การออกแบบวัสดุบรรจุภัณฑ์

           ปัญหาสำคัญอีกประการคือ การหาวัสดุที่มีน้ำหนักเบาที่มีพื้นผิวสัมผัสมากที่สามารถยึด หรือซึมซับโมเลกุลไฮโดรเจนไว้ได้ ซึ่งการพัฒนาของนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถสร้างวัสดุให้มีพื้นที่หน้าสัมผัสมากถึง 5,000 ตารางเมตร ต่อน้ำหนักวัสดุ 1 กรัม (เทียบได้เท่ากับพื้นที่ 3 เอเคอร์ ต่อวัสดุขนาด 1 ช้อนชา) วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมเป็นที่น่าจับตาอย่างที่สุด เนื่องจากมีน้ำหนัดเบา ต้นทุนต่ำ และ สามารถนำมาสร้างโครงสร้างทางนาโนได้หลายรูปแบบ อีกทั้งยังสามารถบรรจุไฮโดรเจนได้สูงถึง 5 % ของน้ำหนัก 
           แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นเดียวกับแบบอื่นๆเช่นกันคือ พันธะโมเลกุลระหว่างคาร์บอน และ ไฮโดรเจนมักไม่ค่อยแข็งแรง ทำให้ไม่ค่อยจะเสถียร จึงต้องรักษาอุณหภูมิไว้ที่ระดับเดียวกับไนโตรเจนเหลว หรือ – 196 องศา C 
           แต่ถึงแม้ว่าการพัฒนายังไปไม่ถึงจุดที่จะนำมาใช้งานได้จริง แต่ความปรารถนาในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นพลังงานของมนุษย์ก็ยังคงเหมือนเดิมไม่เปลี่ยนแปลง
            อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (CH) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมาปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง 

ที่มา: Gassing up with hydrogen: Scientific American, April 2007 ที่มา: http://hgv-auto.blogspot.com/