Liquid Hydrogen — ไฮโดรเจนเหลว
หลายๆประเทศได้ออกนโยบายให้ประชาชนหันมาใช้รถยนต์ที่ใช้พลังงานสะอาด และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อช่วยลดปัญหาโลกร้อน และมลภาวะ รถยนต์ไฮโดรเจนเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในช่วง 2–3 ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติที่เฉพาะตัวของไฮโดรเจน และประโยชน์ต่างๆอีกมากมาย
รถยนต์ไฮโดรเจน หรือ Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) มีคุณสมบัติที่ดีคือ ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่น้ำหนักเบา และมีความหนาแน่นของพลังงานต่อน้ำหนักสูงที่สุดในบรรดาธาตุอื่นๆ พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากกระบวนการ Electrolysis ของ Hydrogen เป็นพลังงานสะอาด ที่มีแค่น้ำเปล่าธรรมดาที่เป็นของเสียออกไป
ในการเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ FCEV นั้น ระบบโครงสร้างจำเป็นต้องมีสถานีเติมไฮโดรเจนมารองรับ เสมือนกับสถานีเติมน้ำมันของรถยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันปิโตเลียมและดีเซล ประชาชนจึงจะกล้าที่จะซื้อรถยนต์ FCEV มาใช้งาน ซึ่งในปัจจุบันมีสถานีเติมไฮโดรเจนหลากหลายแบบมาก ไม่ว่าจะเป็นก๊าซอัดความดัน (ที่ 350, 700 bar) ของเหลว หรือภาหะนำที่เป็นของเหลว เป็นต้น
คำถามคือ ทำไมคนถึงเลือกไฮโดรเจนก๊าซอัดความดันละ? หรือทำไมคนถึงเลือกไฮโดรเจนเหลวละ? ในแต่ละเทคโนโลยีก็แน่นอนมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันออกไป ในบทความนี้ผมจะอธิบายตัวเทคโนโลยีไฮโดรเจนเหลวนะครับ
เหตุผลหลักๆ ที่ทำไมคนถึงหันมาสนใจเทคโนโลยีไฮโดรเจนเหลวคือ ไฮโดรเจนเหลวมีความหนาแน่นของพลังงาน (71 kg/m³) มากกว่าไฮโดรเจนที่เป็นก๊าซอัดความดัน (40 kg/m³) ถึงเกือบ 2 เท่าเลยทีเดียว โดยจะแตกต่างจากไฮโดรเจนที่เป็นก๊าซอัดความดันคือ ถังกักเก็บของไฮโดรเจนเหลวไม่ได้ต้องการความแข็งแรง แต่ต้องการฉนวนที่ดี ที่สามารถกันความร้อนจากสิ่งแวดล้อมภายนอกเข้าไปได้
โดยการใช้งานของไฮโดรเจนส่วนมากที่จะพบเจอ จะเป็นระบบกักเก็บที่ไม่เคลื่อนที่ ซึ่งจะต่างจากไฮโดรเจนก๊าซอัดความดันที่ใช้ทั้งในระบบกักเก็บตามสถานีเติมไฮโดรเจน และบนรถยนต์ (แต่บริษัทรถยนต์ BMW เคยใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในมาก่อนเช่นกัน) แต่ด้วยคุณสมบัติต่างๆของไฮโดรเจนเหลว ทำให้ไม่เหมาะสมที่จะกักเก็บบนรถยนต์ (จะอธิบายข้างล่าง)
จากรูปภาพด้านบน จะเห็นว่าการคงสถานะของเหลวของไฮโดรเจนนี้ต้องใช้อุณหภูมิต่ำมากๆ (13 K หรือ -260C) ซึ่งการที่จะให้มาได้ซึ่งอุณหภูมิต่ำนี้ จะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก และนี่ก็เป็นข้อเสียหลักของไฮโดรเจนเหลว ก็คือใช้พลังงานมากในการได้มาซึ่งเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว จะต้องใช้พลังงานถึง 30% ของพลังงานไฮโดรเจนที่ถูกกักเก็บ (ถ้าเป็นก๊าซอัดความดันจะใช้แค่ 10% ของพลังงานไฮโดรเจนทั้งหมดที่ถูกกักเก็บ)
นอกจากนั้น ถังกักเก็บไฮโดรเจนเหลวยังจะต้องใช้ฉนวนที่มีคุณภาพดีในการป้องกันความร้อนเข้าไปทำให้อุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลวเปลี่ยนแปลงอีกด้วย ซึ่งจากรูปภาพด้านบนะเห็นว่า หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปแค่นิดเดียว เป็น 20K หรือ -253C ก็จะทำให้ไฮโดรเจนที่เป็นของเหลวระเหยไปเป็นก๊าซ (Boiling off) และจะทำให้สูยเสียคุณสมบัติของของเหลวไป ถังนี้มีน้ำหนักค่อนข้างหนัก และราคาค่อนข้างแพง เรียกว่า Cryogenic Tank
ปัญหานี้ค่อนข้างรุนแรงมาก เพราะว่าเราไม่สามารถหยุดความร้อนที่มาจากสภาพอากาศภายในหลุดรอดเข้าไปในถังได้ ต่อให้ใช้ฉนวนที่ดีแค่ไหน ผมจะยกตัวอย่างที่คนชอบพูดถึงกันนะครับ ถ้าเราใช้รถยนต์ FCEV ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว แล้วเราต้องการไปเที่ยวต่างประเทศ เราก็เอารถไปจอดไว้ที่สนามบิน จากนั้นเราก็ไปเที่ยว พอ 1 อาทิตย์ผ่านไป เราก็กลับมา ปรากฏว่าเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวในรถหมดเกลี้ยง ก็เป็นเพราะสาเหตุนี้นี่เองครับ
เราไม่สามารถที่จะกักเก็บก๊าซไฮโดรเจน ที่ระเหยออกมาไว้ในรถได้ เนื่องจากความปลอดภัยของผู้ขับ แฃะเราไม่รู้ว่าไฮโดรเจนเหลวจะระเหยออกมาเท่าไหร่ ถ้าระเหยออกมาเกินกว่าขีดจำกัดของถังกักเก็บ ก็อาจเกิดอันตรายได้เช่นกัน ดังนั้นเราจะต้องต่อท่อให้ก๊าซระเหยออกไปสู่ภายนอก โดยที่เราไม่สามารถทำอะไรกับก๊าซนี้ได้ ด้วยเหตุผลนี้เอง ทำให้ไม่มีการนิยมที่จะประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนเหลวในรถยนต์นั่นเอง
ในการประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนเหลวกับสถานีเติมไฮโดรเจน จะสามารถทำได้อย่างคุ้มค่าก็เตื่อเมื่อมีจำนวนรถยนต์ FCEV บนถนนเยอะพอสมควร แล้ว หากเป็นช่วงที่กำลังจะหันมาใช้เทคโนโลยีไฮโดรเจน และรถยนต์ FCEV ก็จะเป็นไปได้ยากพอสมควร และเทคโนโลยีส่วนมากกว่า 90% ก็จะใช้เป็นก๊าซอัดความดัน
ในเมือง London เคยมีสถานีเติมไฮโดรเจน ที่กักเก็บไฮโดรเจนเหลว อยู่ในถัง Cryogenic Tank ขนาดใหญ่อยู่ใต้ดิน (เหมือนกับถังกักเก็บน้ำมันปิโตเลียม) แล้วก็คอยมาเติมไฮโดรเจนเหลวเป็นระยะๆ จากนั้นก็รอให้ไฮโดรเจนเหลวระเหยขึ้นมาทีละนิด แล้วก็ใช้ Compressor ในการอัดความดันให้ได้ 700 bar เพื่อให้เป็นไฮโดรเจนก๊าซอัดความดันที่เหมาะสมกับรถยนต์ FCEV
จะเห็นว่าวิธีข้างต้นนี้ หากมีลูกค้าที่ใช้รถยนต์ FCEV มาเรื่อยๆ ก็จะไม่ต้องกังวลเรื่องก๊าซไฮโดรเจนที่ระเหยออกมาเกินความจุของถังกักเก็บ แล้วต้องปล่อยก๊าซไฮโดรเจนทิ้งออกไป แต่ถ้าวันไหนไม่มีลูกค้า FCEV มาเลยก็ต้องยอมขาดทุนไป ด้วยเหตุผลนี้ จึงทำให้คนส่วนมากใช้ก๊าซอัดความดันในสถานีนั่นเองครับ
ในส่วนสุดท้ายนี้ ผมจะพูดถึงเรื่องการจ่ายไฮโดรเจนเหลวเข้าตัวรถยนต์ วิธีแรกก็คืออย่างที่กล่าวไปข้างต้น รอให้ไฮโดรเจนเหลวระเหยออกมาเป็นก๊าซ แล้วใช้ Compressor อัดความดันให้ได้ 700 bar สำหรับรถยนต์ FCEV ส่วนวิธีที่สองคือ จ่ายไฮโดรเจนเหลวเข้าตัวรถยนต์โดยตรง เราจะต้องระมัดระวัง แล้วรู้จำนวนที่แน่นอนของไฮโดรเจนเหลวที่ใส่เข้าไป เพื่อให้ความดันของก๊าซที่ระเหยออกมาไม่เกินความจุของถังกักเก็บนั่นเองครับ ซึ่งวิธีนี้จะนิยมเรียกกันว่า Cryocompression นั่นเอง
คราวนี้ก็เห็นกันแล้วใช่ไหมครับว่า ไฮโดรเจนเหลวที่มีข้อดีคือ ความหนาแน่นของพลังงานต่อน้ำหนักสูงกว่าไฮโดรเจนที่เป็นก๊าซอัดความดัน แต่ก็ยังมีข้อเสียในเรื่องของ ที่ต้องใช้พลังงานมากในการผลิตไฮโดรเจนเหลว ถังกักเก็บที่ใช้ฉนวนราคาแพง และปัญหาการระเหยของไฮโดรเจนเหลว แล้วถ้าในอนาคตมีรถยนต์ FCEV บนท้องถนนเป็นจำนวนมาก ก็อาจจะสมเหตุสมผลที่จะเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยีของไฮโดรเจนเหลวกันนะครับ
ถ้าชอบโพสนี้ และอยากได้อัพเดทข้อมูลเกี่ยวกับเทคโนโลยีของ EV ในอนาคต ก็สามารถกด Follow ได้เลยนะครับบ :)
