สิริชนก จันทร์ใบ
ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

          การเผาไหม้ของไฮโดรเจนสามารถเผาได้ในภาวะปกติที่มีออกซิเจนหรืออากาศ โดยความร้อนที่ได้จากการสันดาปนี้สามารถนำไปใช้ได้ทั้งในการให้ความร้อน การทำอาหาร หรือใช้กับเทอร์ไบน์ หม้อน้ำ รวมทั้งเครื่องยนต์สันดาปภายใน

          เนื่องจากไฮโดรเจนเผาไหม้ได้ที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น จึงทำให้เกิด  NOx (น๊อค) ในปริมาณมากถ้าใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นวัตถุดิบและสันดาปด้วยกระบวนการปกติ 

          ดังนั้นคงจะดีไม่น้อยถ้าสามารถปรับลดอุณหภูมิในการเผาไหม้ให้ต่ำลงได้ ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา การปรับให้อุณหภูมิในการเผาไหม้ต่ำลงได้จะทำให้ปริมาณ NOx ที่จะเกิดขึ้นน้อยลงตามไปด้วย ดังนั้นส่วนมากหัวเผาชนิดที่ผลิต NOx ในปริมาณต่ำเมื่อเผาไหม้ไฮโดรเจนจะเป็นหัวเผาแบบ Diffusion (แบบแทรกซึมและแพร่กระจายของอากาศ) ยกตัวอย่างเช่น หลักการของเตา Primus [Nytek, 2000]

          แต่ถ้าจะใช้วิธีการธรรมดาโดยไม่ปรับแต่งหัวเผาจะต้องเติมปริมาณก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์เข้าไปในก๊าซธรรมชาติถึง 15% [Hart, 1997]

          ในทศวรรษที่ 1920 Rudolf Erren ได้ทำการศึกษาและทดลองจุดระเบิดไฮโดรเจนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายใน   และได้พัฒนาวิธีการแปรรูปพลังงานไฮโดรเจนจนในที่สุดได้เป็น “เครื่องยนต์ Erren”

          ดูเหมือนว่า Erren และทีมงานได้เปลี่ยนรถยนต์กว่า 1,000 ถึง 3,000 คัน รถบัส และรถบรรทุก ไปใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งต่อมาในยุค 1970 Roger Billings ในสหรัฐอเมริกาที่ขณะนั้นอายุเพียง 16 ปี ได้ดัดแปลงรถ Ford โมเดล A ไปใช้พลังงานไฮโดรเจน [Hart 1997]

โดย  Billings ได้พัฒนาเครื่องยนต์ขึ้นจากหลักการของ Erren ต่อมาเขาและ Frank Lynch ได้ร่วมกันก่อตั้งบริษัทรับปรึกษาด้านเครื่องยนต์ไฮโดรเจน จนสุดท้ายบริษัทได้เปลี่ยนไปเป็น Hydrogen Components, Inc. (HCI) ในนามของบริษัท HCI ประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบหัวฉีดพิเศษเพื่อใช้ในการดัดแปลงให้เป็นรถยนต์ไฮโดรเจน         

เช่น รถ Mazda รุ่นเครื่องยนต์เวงเกิล (Wankel Motor) รถบ้านของ Winnebago RV ซึ่งอาศัยพลังงานไฮโดรเจนทั้งในการทำอาหาร การให้ความอบอุ่น ทั้งนี้ยังรวมไปถึงการใช้ไฮโดรเจนกับอุปกรณ์บางตัวที่ใช้ทำงานในเหมืองแร่ ที่กล่าวมาข้างต้นมีเครื่องยนต์บางตัวให้ค่าประสิทธิภาพถึง 42% และในอนาคตอันใกล้นี้อาจจะกลายเป็นทางเลือกที่ถูกกว่าการใช้เครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซลก็เป็นได้  

          แต่บริษัทรถยนต์ยักษ์ใหญ่อย่าง BMW ก็ไม่ยอมน้อยหน้าเร่งพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปด้วยไฮโดรเจนเช่นกัน  สำหรับเครื่องยนต์ที่ติดตั้งอยู่กับที่ เช่นเพื่อการผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากก๊าซธรรมชาติ สามารถเปลี่ยนไปใช้พลังงานไฮโดรเจนได้ไม่ยากนัก 

          ปัจจุบันนี้มีโรงไฟฟ้าพลังงานถ่านหิน (IGCC) หลายแห่งที่ใช้ไฮโดรเจนปริมาณมากเป็นเชื้อเพลิง และอาศัยกระบวนการ “แก๊สซิฟิเคชั่น” หรือการเผาไหม้ถ่านหินให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นเพียงบางส่วน   

          ห้องเผาไหม้ที่พัฒนาขึ้นเพื่อการแปลงถ่านหินเป็น “Syngas” (Synthesis Gas: ก๊าซสังเคราะห์ มีส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์) เหมาะกับเชื้อเพลิงที่มีส่วนผสมของไฮโดรเจนอยู่ในปริมาณสูง การนำไฮโดรเจนไปใช้กับเทอร์ไบน์ได้ผ่านการทดลองใช้จริงจากหลายบริษัทแล้ว แต่ที่เด่น ๆ คือ GE ซึ่งผลที่ได้พบว่ามีราคาถูกกว่าเซลล์เชื้อเพลิง ทำให้เทอร์ไบน์เป็นอีกทางเลือกที่น่าสนใจ

          ในประเทศนอร์เวย์ Norsk Hydro’s หรือ Hydrokraft ผลิตไฟฟ้าด้วยเทอร์ไบน์ไฮโดรเจน แต่ทั้งนี้ต้องมีกระบวนการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ซับซ้อนและยุ่งยากทีเดียว ซึ่งวิธีการกำจัดจะได้กล่าวถึงในตอนต่อไป 

          เป็นระบบผสมระหว่างการใช้เทอร์ไบน์ร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงแข็ง ทำให้ประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้าสูงขึ้นไปถึง 80% ภายใต้ภาวะการทำงานที่เหมาะสม

          ลำพังเพียงแค่เซลล์เชื้อเพลิงเองจะให้ค่าประสิทธิภาพได้เพียงแค่ 60% สำหรับส่วนที่เหลือหายไปกับการให้คุณภาพความร้อนที่ต่ำ รวมทั้งเซลล์เชื้อเพลิงเองก็มีขีดจำกัดในการสันดาปเชื้อเพลิง จึงเหลือเชื้อเพลิงบางส่วนที่ยังเผาไหม้ไม่หมดค้างอยู่ในไอเสีย แต่ก็สามารถนำไปใช้ต่อกับแก๊สเทอร์ไบน์ได้ แต่จะก่อให้เกิด NOx ขึ้น เว้นเสียแต่ว่าจะเติมออกซิเจนบริสุทธิ์เข้าไปผสมด้วย 

          ไมโครเทอร์ไบน์ SOFC ขนาด 220 kW เป็นระบบไฮบริดระบบแรกที่ผลิตขึ้นโดยบริษัท Siemens Westinghouse และติดตั้งอยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (University of California in Irvine) ให้ประสิทธิภาพถึง 52 -53% ส่วนระบบขนาด 550 kW กำลังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา

          ถ้าต้องใช้ไฮโดรเจนในปริมาณมาก ๆ แล้ว การบรรจุและการจัดเก็บจะเป็นเงื่อนไขสำคัญ เช่นในยานยนต์ที่ต้องใช้เนื้อที่มากเพื่อจะจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนให้ได้มากพอสำหรับการเดินทางให้เป็นระยะทางเท่ากับรถยนต์เบนซิน 

          ประเด็นสำคัญในการบรรจุจัดเก็บไฮโดรเจนให้ได้ประสิทธิภาพดี คือการบรรจุต้องทำได้อย่างรวดเร็ว และมีต้นทุนในการดำเนินการที่ต่ำ แต่ที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้จะเน้นไปที่การจัดเก็บไฮโดรเจนในยวดยานเป็นหลัก

          ไฮโดรเจนเป็นสารที่ให้พลังงานสูงมากต่อหน่วยน้ำหนัก ซึ่งก็เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้ไฮโดรเจนถูกเลือกไปใช้กับยานอวกาศและเหมาะอย่างยิ่งกับการเดินทางทางอากาศ แต่ในทางกลับกันสัดส่วนพลังงานต่อปริมาตรกลับต่ำมาก ทำให้การบรรจุหรือจัดเก็บไฮโดรเจนกลายเป็นเรื่องที่ท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเทียบกับการบรรจุน้ำมันเบนซินที่เป็นของเหลว

          ทางด้านองค์กรการพลังงานของสหรัฐอเมริกา ได้สรุปเป็นตัวเลขออกมาว่าถ้ารถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงต้องวิ่งเป็นระยะทาง 560 กิโลเมตร จะต้องบรรจุไฮโดรเจนให้ได้สัดส่วนความหนาแน่นต่อน้ำหนัก 6.5% หรือ 62 kg ไฮโดรเจนในหนึ่งลูกบาศก์เมตร  

          การจัดเก็บไฮโดรเจนมีด้วยกัน 3  ทางเลือก 
          - บีบอัดไฮโดรเจนและเก็บไว้ในถังเก็บความดัน
          - ลดอุณหภูมิไฮโดรเจนให้กลายเป็นของเหลวและเก็บไว้ในถังเก็บความเย็น
          - เก็บไฮโดรเจนไว้ในสารประกอบของแข็ง

* การบีบอัดไฮโดรเจน 
           การบรรจุไฮโดรเจนในถังเก็บความดันมีมาหลายปีแล้ว โดยถังบรรจุมีอยู่ 3 ประเภทหลัก ดังนี้ 
          - เหล็กกล้า 
          - คอมโพสิส: อะลูมิเนียมเสริมด้วยใยแก้ว
          - คอมโพสิส: พลาสติกเสริมด้วยใยแก้ว

          สำหรับระบบภาคพื้นที่ติดตั้งอยู่กับที่ ประเด็นเรื่องน้ำหนักและขนาดของถังคงไม่ใช่ส่วนสำคัญ ดังนั้นถังเหล็กกล้าน่าจะเป็นทางเลือกที่ดี แต่สำหรับยานยนต์มักจะประสบปัญหาเรื่องถังเก็บความดันมีน้ำหนักมากและมีขนาดใหญ่ ทำให้ช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเกิดวิวัฒนาการการพัฒนาถังวัสดุคอมโพสิสขึ้นอย่างกว้างขวาง         

ซึ่งสามารถเก็บความดันได้ถึง 350 บาร์ และมีขนาดความจุไฮโดรเจนที่ 10-12% ของน้ำหนักถังบรรจุ จึงลดปัญหาเรื่องน้ำหนักของถังจุลงไปได้ [DOE, 2000] ทั้งนี้ยังมีความต้องการลดขนาดถังบรรจุให้เล็กลงไปอีก ซึ่งทำได้ด้วยการสร้างถังจุให้เก็บความดันสูงถึง 700 บาร์ โดยถังคอมโพสิสน้ำหนักเบานี้สามารถออกแบบให้มีรูปร่างเหมาะแก่การใช้สอยเนื้อที่ภายในรถได้ดีกว่าถังทรงกระบอกปกติ  

          สำหรับระบบที่ต้องใช้อิเล็กโตรไลเซอร์ความดันสูงต้องอาศัยคอมเพรสเซอร์พิเศษเพื่อสร้างความดันให้กับไฮโดรเจนก่อนป้อนเข้าสู่อิเล็กโตรไลเซอร์ ซึ่งถ้ามีการวางระบบที่ดีสามารถลดขั้นตอนการสร้างความดันให้กับก๊าซได้ จะช่วยให้ทั้งระบบทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ    

ตารางที่ 2 ตารางเปรียบเทียบขนาดถังบรรจุเชื้อเพลิงชนิดต่าง ๆ ซึ่งอ้างอิงจากขนาดรถแบบเดียวกันและระยะทางที่วิ่งได้เท่ากัน  

          ไฮโดรเจนจะอยู่ในสภาพของเหลว “Liquid” (LH₂) ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 20 ^oK (-253 ^oC) และสามารถเก็บได้ในถังที่หุ้มด้วยฉนวนชั้นยอด

รูปที่ 10 ถังเก็บไฮโดรเจนเหลวและรถบรรทุกไฮโดรเจนที่องค์กร NASA ใช้ในโครงการอวกาศตลอดหลายปีที่ผ่านมา
 (photo: NASA)

          ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่ง่ายต่อการใช้และการจัดการเพราะต้องอาศัยการสั่งสมประสบการณ์มาไม่น้อยทีเดียว ด้วยอัตราส่วนพลังงานของไฮโดรเจนต่อน้ำหนักที่สูงกว่าเชื้อเพลิงประเภทอื่นนั่นเอง จึงเหมาะที่จะใช้กับการเดินทางไกล ๆ อย่างยานอวกาศและเครื่องบิน   

การทำให้ไฮโดรเจนเย็นตัวต้องใช้พลังงานถึง 30-40 % เทียบกับพลังงานของไฮโดรเจนทั้งหมดที่ต้องการเก็บเลยทีเดียว การพัฒนาระบบการลดอุณหภูมิสมัยใหม่สามารถช่วยลดพลังงานลงไปได้กว่าครึ่งจากเดิม [Nytek 2000] 

BMW เป็นหนึ่งในบริษัทที่ได้ทุ่มเทศึกษาการนำไฮโดรเจนเหลวมาใช้กับเครื่องยนต์สันดาปภายในมานานกว่า 20 ปีแล้ว และค้นพบว่าการใช้ไฮโดรเจนเหลวกับรถยนต์ก็เป็นทางเลือกที่ดี ทั้งนี้บริษัทเยอรมันอย่าง Linde ได้ทดลองนำฉนวนไปลดอุณหภูมิก่อนนำไปหุ้มถังจะช่วยให้ถังสามารถเก็บไฮโดรเจนเหลวได้นานถึง 12 วัน [Hyweb, 2000] ซึ่งเป็นถังจุที่จะติดตั้งในรถไฮโดรเจนของ BMW ในอนาคต

          โลหะบางชนิดหรืออัลลอยด์บางตัวก็สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ในสภาวะความดันและอุณหภูมิปานกลาง ซึ่งไฮโดรเจนจะถูกเก็บในรูปของโลหะไฮไดรด์เพราะเกิดปฏิกิริยากับโลหะ (สารประกอบไฮไดรด์จะประกอบด้วยไฮโดรเจนกับสสารอย่างอื่น)

รูปที่ 11 ก๊าซไฮโดรเจนที่วิ่งผ่าน Interface หรือจุดเชื่อมต่อ ที่จะทำให้โมเลกุลไฮโดรเจนแตกตัวเป็นไฮโดรเจนอะตอมและจะถูกดูดซับและเก็บไว้ในโครงสร้างของโลหะ (Metallic Matrix)    

          ถังโลหะไฮไดรด์มีโครงสร้างที่สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้เหมือนกับฟองน้ำดูดซับน้ำ โดยการควบคุมการดูดซับหรือการคายตัวสั่งได้ด้วยการใช้ความร้อน เมื่อต้องการให้โลหะดูดซับไฮโดรเจนต้องดูดความร้อนภายในระบบออก แต่ถ้าต้องการให้ถังคายไฮโดรเจนต้องใส่ความร้อนให้แก่ระบบแทน โดยความร้อนอาจจะได้มาจากความร้อนส่วนเกินของเซลล์เชื้อเพลิง

          ถังโลหะไฮไดรด์ถือได้ว่ามีความปลอดภัยในการใช้งานสูงมาก ยิ่งเมื่อรถเกิดการชน รูรั่วที่ตัวถังจะปล่อยความร้อนออก ถังจะเย็นตังลงและหยุดการคายไฮโดรเจนในที่สุด  

          โลหะไฮไดรด์มีอยู่หลายชนิดด้วยกัน ทั้งยังช่วยลดปัญหาเรื่องน้ำหนักลงได้ แต่ว่าสำหรับยานยนต์แล้วถังชนิดนี้ก็ยังถือว่ามีน้ำหนักมากถ้าเทียบกับปริมาณไฮโดรเจนที่จุได้ ซึ่งไม่ว่าจะพยายามวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องก็ยังไม่สามารถลดน้ำหนักตัวถังลงได้ ทำให้นักวิจัยบางกลุ่มพยายามคิดออกนอกกรอบ ด้วยการหาวิธีการเก็บไฮโดรเจนที่ค่าความเข้มข้นสูงกว่านี้ควบคู่ไปกับการพัฒนาวัสดุอัลลอยด์ที่มีน้ำหนักเบา 

          ที่สถาบันเทคโนโลยีด้านพลังงานที่ Kjeller ในประเทศนอร์เวย์ หรือ IFE กำลังศึกษาและวิจัยเรื่องการเก็บไฮโดรเจนในอัลลอยด์ให้ได้ความหนาแน่นหรือความเข้มข้นของไฮโดรเจนที่บรรจุสูงขึ้น

          นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการคิดค้นวัสดุอัลลอยด์ที่มีราคาถูกแต่มีความสามารถในการดูดซับไฮโดรเจนสูงในขณะเดียวกันก็ต้องคายไฮโดรเจนได้ที่อุณหภูมิต่ำ โดยทางสถาบันวิจัยด้านพลังงาน International Energy Agency’s (IEA) กำหนดไว้ว่าโลหะไฮไดรด์ควรมีความสามารถในการดูดซับไฮโดรเจนได้ 5% ของน้ำหนักถังบรรจุ และต้องคายไฮโดรเจนได้ที่อุณหภูมิ < 100 ^๐C

          NaAlH4 ถือเป็นโลหะไฮไดรด์ที่มีอนาคตสดใสทีเดียวทั้งยังมีราคาไม่แพงนัก ด้วยอัตราส่วนน้ำหนักถังต่อน้ำหนักไฮโดรเจนที่จุได้อยู่ที่ 4% และสามารถคายไฮโดรเจนได้ที่อุณหภูมิ 150 ^๐C ซึ่งเกือบจะได้ตามมาตรฐานที่ทาง IEA กำหนดไว้ ขณะนี้ทั้งในสหรัฐอเมริกาและนอร์เวย์ต่างมุ่งศึกษาและพัฒนาพฤติกรรมการดูดซับไฮโดรเจนของโลหะไฮไดรด์ดังกล่าว 

          เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในปัจจุบันสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำลง ดังนั้นความร้อนส่วนเกินที่จะได้จากเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อป้อนให้กับถังไฮโดรเจนเพื่อให้เกิดการคายไฮโดรเจนออกมาก็ควรจะต้องเป็นระดับอุณหภูมิเดียวกัน ไม่เช่นนั้นจะต้องเพิ่มอุปกรณ์เพื่อฮีตถังจุให้คายไฮโดรเจน ยิ่งจะทำให้ระบบมีความซับซ้อนและได้ประสิทธิภาพในการทำงานที่ต่ำ 

          ทั้งนี้โลหะไฮไดรด์จะเก็บไฮโดรเจนในรูปของสารประกอบไฮไดรด์และเพิ่มความดันให้ก๊าซไปในตัว

          คาร์บอนเป็นโมเลกุลที่มีพื้นที่ผิวต่อน้ำหนักมาก ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาจึงได้รับความสนใจจากนักวิจัยที่จะใช้คาร์บอนเก็บไฮโดรเจน

          ข้อมูลงานวิจัยหลายแหล่งชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างของคาร์บอนอะตอม เช่น นาโนไฟเบอร์ (ใยแก้ว) นาโนทิวป์ (รูปทรงกระบอกปิด) และฟูเลอร์เรนซ์ (ทรงกลม) มีศักยภาพที่ดีมากที่จะใช้ดูดซับไฮโดรเจน

          ดังนั้นต้องหาวิธีการผลิตนาโนทิวป์ผนังชั้นเดียวแบบแมสโปรดักชั่นเพื่อให้เกิดความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ สำหรับเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ใช้เพื่อการผลิตท่อนาโนจะให้ผลิตผลที่มีคุณภาพสูง ได้ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางคงที่และมีสิ่งเจือปนน้อย   ทั้งนี้กระบวนการผลิตท่อนาโนหรือนาโนทิวป์เติบโตไปอย่างรวดเร็ว เพราะท่อนาโนมีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการรวมทั้งการประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีไฮโดรเจนด้วย        

ยกตัวอย่างเช่นท่อนาโนสามารถใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงในส่วนของคอนเด็นเซอร์เพื่อสร้างซุปเปอร์คอนเด็นเซอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงในการสะสมพลังงานและเก็บไฮโดรเจน ในหน่วยงานวิจัยในสหรัฐอเมริกาประสบความสำเร็จในการจัดเก็บไฮโดรเจนในท่อนาโนผนังชั้นเดียวที่อัตราส่วน 7.5% ต่อน้ำหนัก ณ อุณหภูมิห้องและผลการทดลองซ้ำก็ช่วยยืนยันบทสรุปดังกล่าวได้ดี ในอนาคตอันใกล้คงจะสามารถวิจัยและพัฒนาให้ท่อนาโนมีความสามารถเก็บไฮโดรเจนได้สูงกว่านี้อย่างแน่นอน [Dillon, 1999]

          แต่ทั้งนี้นักวิจัยชาวเยอรมันได้พยายามทดสอบข้อสรุปดังกล่าวจากงานวิจัยของชาวอเมริกันข้างต้น แต่ผลปรากฏว่าผลการทดสอบให้ประสิทธิภาพในการจัดเก็บต่ำกว่าตัวเลขที่ทางอเมริกาได้ จึงยังเป็นที่ถกเถียงกันอย่างกว้างขวางถึงข้อกังขาด้านความสามารถในการเก็บไฮโดรเจนของคาร์บอนอะตอม [Haluska 2001]

          เมธานอล (CH₃OH) มีสัดส่วนของไฮโดรเจนผสมอยู่ค่อนข้างสูงและสามารถสกัดเป็นไฮโดรเจนได้ไม่ยาก มีความเชื่อกันว่าเมธานอลจะเป็นเชื้อเพลิงเชื่อมต่อช่วงของการเปลี่ยนแปลงจากเชื้อเพลิงปิโตรเคมีเป็นพลังงานหมุนเวียนในอนาคต และมีแนวโน้มที่ดีที่จะใช้กับรถยนต์ขนาดเล็ก ประโยชน์ของเมธานอลคือมีสถานะเป็นของเหลวที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิห้อง    

ซึ่งเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิลเมธานอลจะมีปริมาณไฮโดรเจนผสมอยู่สูงกว่า เมธานอลเป็นผลผลิตที่ได้จากการกลั่นก๊าซธรรมชาติด้วยกระบวนการกลั่นด้วยไอน้ำความดันสูงและอุณหภูมิสูง (Steam Reforming) สำหรับรถยนต์เมธานอลที่มีตัวกลั่นในตัว สามารถจะสกัดไฮโดรเจนเพื่อส่งไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้โดยตรง  แต่ทั้งสองกระบวนการคือการสกัดไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงเกิดการสูญเสียพลังงานสูงมาก ระบบที่ได้จึงมีประสิทธิภาพต่ำ

แต่เมธานอลจัดว่าเป็นสารพิษคล้ายกับเอธานอล เพราะเมธานอลเป็นสารก่อมะเร็ง ก่อมลภาวะให้แก่แหล่งน้ำใต้ดิน ทำให้เกิดการกัดกร่อน บริษัทน้ำมันรายใหญ่หลายรายจึงได้ส่งสัญญาณเป็นนัยว่าจะไม่ลงทุนเพื่อสร้างโครงสร้างสาธารณูปโภคสำหรับรองรับการใช้เมธานอลเนื่องจากเสี่ยงกับความเป็นพิษ

          องค์กรด้านสิ่งแวดล้อมหลายแห่งรวมทั้ง Bellona พยายามจัดกิจกรรมต่อต้านการลงทุนสร้างระบบโครงสร้างสาธารณูปโภคสำหรับรองรับการใช้เมธานอล เพราะต้องการลดบทบาทการใช้เมธานอลลง ถึงแม้ว่าจะเป็นเพียงเชื้อเพลิงชั่วคราวแต่นั่นจะไปชะลอการพัฒนาการใช้ไฮโดรเจนให้ล่าช้าออกไปอีก เพราะไม่ว่าจะเป็นระบบโครงสร้างใด ๆ ก็ต้องอาศัยการระดมทุนจำนวนมหาศาลทั้งนั้น

ยิ่งระบบบริการเมธานอลโตเท่าไรก็จะคงเหลือรถยนต์เมธานอลวิ่งวุ่นในท้องถนนไปอีกหลายสิบปี ข้อเสียอีกอย่างของการใช้เมธานอลที่ต้องใช้ร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิงคือ  ต้องต่ออุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อสกัดเป็นไฮโดรเจนก่อนส่งให้กับเซลล์เชื้อเพลิง

ดังนั้นคงจะใช้เวลาอีกนานกว่าจะพัฒนาให้สามารถนำเมธานอลไปใช้ในรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงได้โดยตรง (DMFC: Direct Methanol Fuel Cells) ทั้งนี้ต้นทุนทั้งหลายจะไปตกอยู่ที่ผู้บริโภคเพราะผู้บริโภคต้องเป็นผู้จ่ายค่าเซลล์เชื้อเพลิงที่มีราคาสูงเกินจำเป็น

          บ่อยครั้งที่มักจะได้ยินว่าเมธานอลใช้ได้เหมือนกับน้ำมันเบนซิน แต่ข้อความข้างต้นไม่เป็นความจริงแต่อย่างใดเพราะเมธานอลมีความสามารถในการกัดกร่อนสูง และการรั่วไหลของเมธานอลเพียงน้อยนิดก็สามารถสร้างผลร้ายแก่สิ่งแวดล้อมได้ นอกจากนี้เมธานอลที่มีน้ำปนเปื้อนไม่สามารถที่จะฉีดให้เป็นฝอยได้อีก

          สำหรับรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่ติดตั้งอุปกรณ์กลั่นเมธานอลในตัวจะสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในระดับสูง  อาจจะถึงระดับ 60%-70% เมื่อเทียบกับก๊าซเสียที่ได้จากเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบปกติ [NOU 1998:11] นอกจากนี้ในก๊าซเสียยังมีส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนและคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วย                    

ดังนั้นการใช้เมธานอลยังถือว่าเสี่ยงต่อมลภาวะเป็นพิษทั้งในคนและสัตว์ ทั้งให้ค่าประสิทธิภาพในการทำงานที่ต่ำและให้ไอเสียในปริมาณสูงเมื่อเทียบกับระบบไฮโดรเจนและไฟฟ้า ที่สำคัญเมธานอลไม่อาจตอบสนองความต้องการด้านพลังงานของรถยนต์ในอนาคตได้ ดังนั้นในรายงานฉบับนี้จึงได้สรุปว่าเมธานอลไม่เหมาะจะเป็นเชื้อเพลิงที่ควรเลือกมาใช้

รูปที่ 12 กราฟเปรียบเทียบค่าติดตั้งและความซับซ้อนของระบบโครงสร้างของ ไฮโดรเจน น้ำมันเบนซิน และเมธานอล    (Source: Sandy Thomas)

          การแปลงน้ำมันเบนซินเป็นส่วนผสม “เนฟทา” (Naphtha) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงก๊าซที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจนก็อยู่ในความสนใจของนักวิจัยเช่นกัน

          โครงสร้างสาธารณูปโภคเพื่อการบริการน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีอยู่ถือว่าบริษัทน้ำมันได้ลงทุนไปเป็นเงินไม่น้อยทีเดียว   เพื่อยังคงไว้ซึ่งการใช้โครงสร้างน้ำมันเดิม เนฟทาที่อาจจะให้ประสิทธิภาพไม่สูงเท่ากับการใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ก็ยังอยู่ในความสนใจของบริษัทน้ำมันอยู่ดี แต่ต้องมีระบบกลั่นที่มีราคาแพง เป็นระบบที่หนักและไม่สะดวกในการใช้            

อีกทั้งยังยุ่งยากต่อการกำจัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์อีกด้วย ก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เกิดขึ้นในระบบจะไปมีผลทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงเสื่อม ทั้งนี้ระบบกลั่นเนฟทาต้องทำงานที่ภาวะอุณหภูมิสูงส่งผลให้เกิด NOx ขึ้น ระบบดังกล่าวนอกจากจะซับซ้อนและอาจเกิดปัญหาทางเทคนิคได้ง่ายแล้วประสิทธิภาพก็ไม่ดีด้วย สรุปว่านี่อาจเป็นทางเลือกที่ไม่ดีนัก ที่สำคัญภาระค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะไปตกที่หนักผู้บริโภค   

          โดยในขณะนี้รถยนต์ที่ผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณที่ต่ำได้แก่รถยนต์ไฮบริดจ์ซึ่งมีจำหน่ายในท้องตลาดแล้ว ไฮบริดจะเป็นระบบผสมระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงกับน้ำมันเบนซินหรือเมธานอล ส่วนรถยนต์สันดาปภายในธรรมดาแต่สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณที่ต่ำจะเป็นรถยนต์ของ SAAB’s [Automotive World, 2000]

รูปที่ 13 ราคาของไฮโดรเจนเทียบกับน้ำมันเบนซินที่รวมและไม่รวมภาษีหน่วยเป็นเงินยูโร (EU) Source: Norsk Hydro

* การบรรจุและจัดเก็บไฮโดรเจนที่สถานีภาคพื้น
          สามารถเก็บไฮโดรเจนได้ในถังเก็บความดันในช่องว่างใต้ดิน หรือเก็บในรูปของของเหลวในถังหุ้มฉนวนพิเศษก็ได้
          เทคโนโลยีที่ได้รับการรับรองมาตรฐานการเก็บไฮโดรเจนในปริมาณมาก ๆ จะเป็นการเก็บภายใต้ความดันในถังบรรจุใต้ดิน [NRF 2001] เพราะมีค่าใช้จ่ายไม่สูงนัก

          ค่าใช้จ่ายในการจัดเก็บไฮโดรเจนในช่องว่างใต้ดินจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของชั้นดิน เพราะราคาจะแปรผันตามการจัดการที่ยากง่ายต่างกันไป แต่ถึงอย่างไรก็ยังเป็นทางเลือกที่มีราคาถูกอยู่ดี นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1971 เมือง Kiel ในประเทศเยอรมนี กลายมาเป็นเสมือนเมืองเก็บก๊าซไฮโดรเจนขนาดยักษ์ 32,000 m3 โดยจะเก็บก๊าซไว้ภายใต้ความดัน 80-100 bar ซึ่งมีสัดส่วนของไฮโดรเจนในก๊าซอยู่ที่ 60-65% [Winter, 1988] สำหรับเนื้อที่ที่เลือกใช้จะเป็นชั้นน้ำใต้ดินเปล่า หรือช่องว่าที่เกิดจากการกัดเซาะของเกลือ

          ในสหรัฐอเมริกามีระบบท่อลำเลียงก๊าซรวมทั้งหมดยาวกว่า 720 กิโลเมตร ส่วนในยุโรปมีระยะท่อรวมกว่า 1,500 กิโลเมตร ดังนั้นสำหรับเนื้อที่กว้าง ๆ การลำเลียงก๊าซผ่านท่อน่าจะเป็นทางเลือกที่ดีเพราะประหยัดพลังงานในการขนส่ง

          ถ้าเทียบพลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียในการส่งตามสายไฟฟ้าแรงสูง คิดเป็น 7.5-8% ของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่ส่งไปตามสาย แต่สำหรับการลำเลียงก๊าซผ่านระบบท่อจะสูญเสียพลังงานเพียงครึ่งเดียวเมื่อคิดเทียบกับพลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียตามสายไฟในระยะทางที่เท่ากัน

          ท่อลำเลียงก๊าซไฮโดรเจนปัจจุบันนี้ทำด้วยเหล็กกล้า ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 25-30 เซนติเมตร และรับความดันได้ถึง 10-20 บาร์ ระบบท่อส่งก๊าซที่เก่าแก่ที่สุดพบได้ที่บริเวณ Ruhr ประเทศเยอรมนี มีความยาว 210 กิโลเมตร ใช้สำหรับลำเลียงไฮโดรเจนให้กับผู้ผลิตและผู้บริโภคกว่า 18 ราย โครงสร้างดังกล่าวได้รับการใช้งานมาเป็นเวลากว่า 50 ปี โดยที่ไม่มีอุบัติเหตุเกิดขึ้นเลย สำหรับระบบท่อช่วงที่ยาวที่สุดมีความยาว 400 กิโลเมตร ติดตั้งอยู่ระหว่างประเทศฝรั่งเศสและเบลเยี่ยม

          สำหรับโครงสร้างระบบท่อที่เคยใช้ลำเลียงก๊าซธรรมชาติสามารถใช้ลำเลียงก๊าซธรรมชาติผสมไฮโดรเจนได้ แต่ถ้าต้องการลำเลียงก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ต้องมีการปรับแต่งเพิ่มเติม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอนที่ผสมในท่อเหล็ก มีท่ออยู่จำนวนหนึ่งในแถบทะเลเหนือที่ใช้ท่อเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนต่ำ จึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนท่อเพื่อการลำเลียงไฮโดรเจน แต่เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่อหน่วยปริมาตรต่ำกว่าก๊าซธรรมชาติ 2.8 เท่า

ดังนั้นต้องเพิ่มอัตราเร็วในการส่งก๊าซขึ้นอีก 2.8 เท่าเทียบกับอัตราการส่งก๊าซธรรมชาติ เพื่อทดแทนส่วนต่างของความหนาแน่น  ทำให้สามารถลำเลียงไฮโดรเจนด้วยระบบท่อแบบเดิมได้และไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ใด ๆ ทั้งสิ้น ดังนั้นด้วยพลังงานการขนส่งในอัตราเท่ากับการขนส่งก๊าซธรรมชาติ ระบบขนส่งไฮโดรเจนด้วยท่อนี้เมื่อนำไปใช้กับเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นเซลล์เชื้อเพลิง จะส่งให้ผลผลิตสุทธิที่ได้มีปริมาณสูง

ระบบโครงสร้างท่อลำเลียงก๊าซธรรมชาติที่ความดันต่ำประมาณ 4 บาร์ จะท่อพลาสติกในการลำเลียงแทนเพราะมีราคาถูกกว่า อาจจะเป็น PVC (Poly Vinyl Chloride) แต่จะไม่เลือกใช้ HDPE (High Density Poly Ethylene) เพราะว่ามีความเป็นรูพรุนสูงกว่าและไม่สามารถใช้ลำเลียงไฮโดรเจนได้ [Princeton, 1997]

          ท่อลำเลียงก๊าซนอกจากจะใช้เพื่อส่งถ่ายก๊าซแล้วยังใช้เป็นที่เก็บไฮโดรเจนได้ด้วย ดังนั้นในช่วงพีค หรือช่วงที่มีความต้องการใช้ก๊าซในปริมาณสูงสามารถอาศัยเนื้อที่ภายในระบบท่อเป็นที่เก็บไฮโดรเจนได้อีกทาง [Winter, 1988]

          ก๊าซธรรมชาติที่ขุดได้จากชั้นหินใต้ทะเลในประเทศนอร์เวย์จะถูกลำเลียงขึ้นฝั่งด้วยระบบท่อ ซึ่งมีสัดส่วนไฮโดรเจนในก๊าซธรรมชาติอยู่ถึง 15% และสามารถนำไปผลิตเป็นไฮโดรเจนได้ด้วยกระบวนการที่มีระบบกำจัดและฝังเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนก๊าซที่ต้องขนส่งจะมีราคาจัดจำหน่ายที่แพงขึ้น

สำหรับภาษีคาร์บอนที่ประเทศผู้รับซื้อต้องจ่ายก็จะลดลง ด้วยวิธีการนี้จะช่วยเพิ่มรายได้เข้าสู่สังคมแถบนอร์เวย์จากไฮโดรเจนได้มากขึ้น ส่วนก๊าซที่ผสมระหว่างไฮโดรเจนกับมีเธน สามารถใช้ได้เหมือนกับก๊าซธรรมชาติแต่จะให้แฟกเตอร์การสันดาปสูงกว่าเพราะว่าเชื้อเพลิงผสมดังกล่าวมีค่าความจุความร้อนสูงกว่าก๊าซธรรมชาติ

          ไฮโดรเจนเหลวหรือ (LH2) คือไฮโดรเจนที่อยู่ภายใต้ความเย็นระดับต่ำกว่า - 253 ๐C ซึ่งต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาลในการทำให้มันเย็นตัวได้ในระดับนั้น แต่เมื่ออยู่ในสภาพของเหลวแล้วกลับมีข้อดีกว่าเชื้อเพลิงประเภทอื่น ในแง่การขนส่งโดยเฉพาะเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ในยานอวกาศหรือการขนส่งทางอากาศ  

          นิยมขนส่งด้วยรถบรรทุกที่บรรจุไฮโดรเจนเหลวหรือในรูปก๊าซความดันสูง ซึ่งมีหลายบริษัทใช้วิธีการนี้ในการขนส่งไฮโดรเจน

          สำหรับไฮโดรเจนเหลวสามารถขนส่งทางเรือได้ โดยใช้ถังบรรจุ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) แต่ต้องหุ้มด้วยฉนวนชั้นดีเพื่อรักษาอุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลวให้ได้ยาวนานตามระยะการเดินทาง โดยมีบริษัทญี่ปุ่นอย่าง WE-NET และบริษัทร่วมเยอรมันและแคนนาดา German-Canadian Euro Quebec ที่ใช้ถังดังกล่าวขนส่งไฮโดรเจนทางเรือเดินทะเล ในกรณีที่มีไฮโดรเจนบางส่วนระเหยเป็นก๊าซ ก็จะนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงบนเรือ  

          ในปี ค.ศ. 1990 สถาบันวิจัยวัสดุของเยอรมนีได้ประกาศว่าไฮโดรเจนเหลวมีความปลอดภัยเหมือนกับ LPG และ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) และยังประกาศให้สามารถขนส่งไฮโดรเจนเหลวขึ้นที่ท่าเรือในเยอรมนีได้

          การขนส่งไฮโดรเจนเหลวทางอากาศดูเหมือนจะมีข้อดีกว่าการขนส่งทางเรือเพราะว่าใช้เวลาในการเดินทางสั้นกว่าซึ่งลดปัญหาเรื่องการระเหยของไฮโดรเจนไปได้เยอะ และไฮโดรเจนเหลวก็มีน้ำหนักเบา การศึกษาวิจัยวิธีการขนส่งทางอากาศนี้มีขึ้นที่สถาบันวิจัย CDS ในประเทศแคนนาดาด้วยการสนับสนุนจากโครการ WE-NET 

แปลและเรียบเรียงจาก

* Bellona Report 6:02, Hydrogen - Status and Possibilities