ข้อดี ข้อเสีย เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน อนาคตของเชื้อเพลิงทางเลือกไร้มลพิษ ข้อดี ข้อเสีย ของการนำมาใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า และรถยนต์สันดาปภายในพลังงานไฮโดรเจน.....

ยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฮโดรเจน Hydrogen Powered Vehicles นั้นมีหลากหลายรูปแบบ และรถยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็เป็นหนึ่งในยานพาหนะเชื้อเพลิงทางเลือก ประเภทที่ไม่ก่อมลภาวะจากการทำงาน เป็นเชื้อเพลิงที่มีพลังงานจำเพาะสูง เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงเบนซิน ในน้ำหนักที่เท่ากัน ไฮโดรเจนจะให้พลังงานมากกว่า 2.3 เท่า และสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม Lithium Ion Battery ถึง 236 เท่า

โดยทั่วไป ยานยนต์ไฮโดรเจน ประกอบด้วย จรวดอวกาศที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen-Fueled Space Rockets, อากาศยานเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว Liquid Hydrogen in Aviation เช่นเดียวกับรถยนต์ไฮโดรเจนเซลล์เชื้อเพลิง Hydrogen Fuel Cell Vehicles และยานพาหนะขนส่ง ทั้งขนาดเล็ก กลางและใหญ่ พลังงานไฮโดรเจนในยานยนต์ FCEV ถูกสร้างขึ้นด้วยการแปลงพลังงานเคมีของไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานกล ด้วยปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจนในเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell เพื่อให้พลังงานไฟฟ้าแก่มอเตอร์ไฟฟ้า Power Electric Motors ในระบบส่งกำลัง หรือการฉีดอัดส่งไฮโดรเจน Hydrogen ไปจุดระเบิดเผาไหม้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในโดยตรง การใช้ไฮโดรเจนทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล มีวัตถุประสงค์หลักก็คือ ความเป็นกลางทางคาร์บอน และการเพิ่มประสิทธิภาพให้กับยานพาหนะ เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ควบคู่ไปกับรถยนต์ไฟฟ้า EV Car

แม้ว่าการพัฒนาจะไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นนวัตกรรมใหม่ แต่ก็ยังมีข้อบกพร่องหลายประการที่ทำให้ต้องหันมาดูด้วยความระมัดระวัง นี่คือบางส่วนของความคิดเห็น :

เพื่อให้ไฮโดรเจนติดไฟได้ มันต้องอยู่ในสถานะก๊าซ สิ่งนี้สร้างความยากลำบากอยู่บ้าง ยกตัวอย่างเช่น ต้องใช้คอมเพรสเซอร์ราคาแพงพิเศษ ในการบีบอัดไฮโดรเจนซึ่งเป็นก๊าซเบาให้กลายเป็นไฮโดรเจนเหลว นอกจากนี้ ยังมีปัญหาเกี่ยวกับการจัดเก็บและการขนส่งเชื้อเพลิง เนื่องจากเป็นสารไวไฟสูง

กระบอกสูบของรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน จะต้องได้รับการตรวจสอบเป็นประจำตามระยะทางการใช้งาน ผู้ขับขี่รถยนต์จะต้องไปที่ศูนย์เฉพาะทางและมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม

รถยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ไม่ได้ใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม การติดตั้งถังเก็บไฮโดรเจนยังคงมีน้ำหนักพอสมควร ส่งผลต่อลักษณะไดนามิกของรถอย่างมีนัยสำคัญ

ไฮโดรเจนนั้นเป็นก๊าซไวไฟ จุดติดด้วยประกายไฟเพียงน้อยนิด อุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับรถยนต์พลังงานไฮโดรเจนยังไม่เคยเกิดขึ้นอย่างรุนแรง (นอกจากการทดสอบการชนปะทะของ Toyota Mirai) แต่ทัศนคติที่ขาดความรับผิดชอบของผู้ขับบางคนต่อความปลอดภัยของตนเองและชีวิตของผู้ใช้รถใช้ถนนรายอื่น ในบางประเทศ ยังคงไม่อนุญาตให้ยานพาหนะพลังงานสะอาดดังกล่าวลงสู่ถนน

การใช้งานไฮโดรเจนสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในเชิงพาณิชย์ มีให้เห็นอย่างชัดเจนในรถยก Forklift ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจน “Hydrogen Internal Combustion Engine: HICE” หรือ HICE Lift Truck นั้น มีการประยุกต์ใช้งานมานานแล้ว ด้วยการปรับแต่งเครื่องยนต์ที่มีอยู่เดิม ทำให้กลายเป็นรถยกที่ยอดเยี่ยมในภาคอุตสาหกรรม โดยยังคงใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่เปลี่ยนจากเชื้อเพลิงดีเซลไปเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจน เหมาะสำหรับการยก และขนส่งวัสดุที่มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก

Toyota Forklift Truck Fuel Cell และ Toyota Mirai FCEV ถูกนำเสนอและสาธิตการทำงานในงานนิทรรศการพลังงานทางเลือกไฮโดรเจนของบริษัท Toyota ที่ มหาวิทยาลัยโทโฮกุ เมื่อวันที่ 13 ตุลาคม 2565 และย้ายมาจัดแสดงและสาธิตในประเทศไทย ที่สนามช้างในจังหวัดบุรีรัมย์เมื่อวันที่ 17-18 ธันวาคม 2565 สำหรับ Toyota Forklift Truck Fuel Cell รถยกพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen Fuel Cell Vehiclesแสดงประสิทธิภาพและความสามารถในด้านการยกสิ่งของขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักมากแบบไม่ปล่อยมลภาวะ! ส่วน Toyota Miria โชว์ให้เห็นถึงศักยภาพในการขับเคลื่อนด้วยพลังงานสะอาดที่ทั้งเร็ว เงียบและนุ่มนวล

รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจน แตกต่างจากรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน รถยนต์สันดาปภายในด้วยไฮโดรเจน ใช้การดัดแปลงเล็กน้อยจากรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีอยู่แล้วซึ่งใช้น้ำมันเบนซิน และดีเซลรูปแบบดั้งเดิม เครื่องยนต์ไฮโดรเจน HICE เผาผลาญเชื้อเพลิงในลักษณะเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินแต่ความแตกต่างหลักๆ คือ ไอเสียหรือ Exhaust เกิดจากการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซิน และดีเซล Gasoline Combustion ส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ CO2 บวกกับปริมาณคาร์บอนมอนอกไซด์ CO, NO x,  เม็ดอนุภาคขนาดเล็ก PM 2.5 และสารไฮโดรคาร์บอนที่ยังเผาไหม้ไม่หมด ในปริมาณมากพอสมควร ในขณะที่ไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ไฮโดรเจน หรือ Hydrogen Combustion คือ ไอน้ำ Water Vapor และ NOx เพียงเล็กน้อย ( NOx เกิดจากน้ำมันเครื่องที่ถูกเผาไหม้จากการแพร่ความร้อนขณะทำหน้าที่หล่อลื่นชิ้นส่วนต่างๆ)

Mazda เคยพัฒนาเครื่องยนต์สูบหมุน Wankel ที่เผาไหม้ด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งอยู่ใน Mazda RX-8 Hydrogen RE..ข้อดีของการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจน Hydrogen Internal Combustion Engine : HICE ในเครื่องยนต์สูบหมุนโรตารี่ และเครื่องยนต์ลูกเรียงหรือสูบวี ได้แก่ ต้นทุนสำหรับการผลิต และการซ่อมบำรุงที่ต่ำ

การทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน คล้ายกับเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงเบนซิน ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจนเป็นตัวออกซิไดซ์ ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นจากประกายไฟและหัวเทียน สามารถทำให้เกิดประกายไฟเพื่อจุดระเบิดได้ ไฮโดรเจนไม่มีอะตอมของคาร์บอน ดังนั้น ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็คือ โมเลกุลของไฮโดรเจนสองโมเลกุลรวมกันกับโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล ปล่อยพลังงานไปยังเกียร์ทดกำลังในรูปของแรงบิด และระบายผ่านท่อไอเสียออกมาเป็นละอองน้ำ

เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซ จึงถูกเก็บไว้ในถังที่มีแรงดัน 700 บาร์ สูงกว่าแรงดันลมยางในรถยนต์ปกติถึง 280-350 เท่า (2 ถึง 2.5 บาร์) แม้ว่าจะมีถังเก็บไฮโดรเจนในรูปของเหลวที่อุณหภูมิต่ำมากก็ตาม

เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน มีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจเหนือกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไป ตัวอย่างเช่น ในทางทฤษฎี สามารถใช้อัตราส่วนการผสมที่ละเอียดมาก นั่นคือ สามารถใช้เชื้อเพลิงเพียงเล็กน้อยและใช้อากาสในปริมาณมากกว่า เมื่อจุดระเบิดจะกลายเป็นพลังงานในรูปของแรงบิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ปัจจุบันปัญหาหลักในการใช้งานไม่ได้เกิดขึ้นจากปัญหาทางเทคนิค แต่เป็นประเด็นปัญหาเรื่องราคาของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน รวมกับราคาของสถานีเติมก๊าซไฮโดรเจน (หัวจ่ายหนึ่งหัว-ประมาณ 50 ล้านบาท) ซึ่งหากการพัฒนาความจุของอิเล็กโทรไลเซอร์ Hydrogen Electrolyzer ในภาพรวมทั่วโลก เป็นไปตามแผนที่วางไว้อย่างน้อย 45 GW หรือมากกว่านั้น หากทุกอย่างทำได้ภายในปี 2570 อิเล็กโทรไลเซอร์ Electrolyzer จะสามารถผลิตไฮโดรเจน และออกซิเจน จากการแยกน้ำ โดยใช้กำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน เพื่อสร้างไฮโดรเจนสีเขียว หรือ Green Hydrogen ได้อย่างเพียงพอ และด้วยราคาเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ลดลง จนสามารถแข่งขันในตลาดพลังงานได้สำเร็จ ก็จะทำให้เกิดความแพร่หลายมากยิ่งขึ้น ทั้งจำนวนของสถานีเติม และจำนวนรุ่นของรถยนต์พลังงานไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนสีเขียว Green Hydrogen ราคาถูก เป็นปัจจัยสำคัญที่จะทำให้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับความนิยม แนวคิดดังกล่าวมีความสำคัญในกระบวนการปรับเปลี่ยนระบบพลังงานโลก หรือ Energy Transition ไฮโดรเจน สามารถให้กำลังได้มากกว่า ด้วยพลังงานจำเพาะที่สูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม Lithium Ion Battery ถึง 236 เท่า นำมาใช้กับเครื่องยนต์อากาศยานขนาดใหญ่ในภาคการเดินอากาศ และกระบวนการทางอุตสาหกรรมหนักได้อย่างยอดเยี่ยม น่าเสียดายที่การผลิตไฮโดรเจนสีเขียวยังคงมีราคาแพง อย่างไรก็ตามก๊าซไฮโดรเจนนั้นสะอาด และเป็นสารตั้งต้นสำหรับเชื้อเพลิงสังเคราะห์อีกมากมายหลายชนิด ในเทคโนโลยี Power to X ที่สามารถนำไปใช้ทดแทนน้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิลที่จุดระเบิดในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์สันดาปภายในได้อย่างสบายๆ ด้วยการปรับแต่งระบบเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

Toyota Motor เดิมตามแผนงานเดิมที่ได้วางเอาไว้หลายปีแล้ว ด้วยการผุดโครงการค้นคว้าและวิจัยเชื้อเพลิงทางเลือกแบบใหม่ รวมทั้งที่เป็นผลิตภัณฑ์ยานยนต์ นวัตกรรมในภาคพลังงาน และเทคโนโลยีด้านสภาพอากาศรุ่นต่อไป เพื่อออกสู่ตลาดให้ได้ทันเวลา ซึ่งหมายรวมถึง ไฮโดรเจนสีเขียว Green Hydrogen และการนำพวกมันฉีดอัดเข้าไปจุดระเบิดในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน Internal Combustion Engine

ความเป็นกลางทางคาร์บอนเพื่อหลีกเลี่ยงภัยพิบัติจากวิกฤติสภาพอากาศ Climate Crisis คือ เส้นทางสู่ความสำเร็จเชิงพาณิชย์ควบคู่ไปกับการลดการปล่อยมลพิษ เพื่อกระตุ้น GDP ของโลกให้ขยายตัวเพิ่มขึ้นอย่างน้อย 4% ในปี 2030 หรือ พ.ศ.2573 ซึ่งมากกว่าที่จะไปถึงได้ด้วยแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลตามแนวโน้มในปัจจุบัน รวมทั้งจะสามารถสร้างตำแหน่งงานใหม่หลายล้านตำแหน่งในด้านพลังงานสะอาด และภาคอุตสาหกรรมที่มีรายได้สูงกว่าไปพร้อมๆ กันในทศวรรษหน้า

ความแตกต่างระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบปกติ (ICE) กับเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน H2ICE ก็คือ วาล์วที่แข็งแรงกว่าเดิม, แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นของคอยล์จุดระเบิด, หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงที่ดัดแปลงใหม่ ออกแบบเฉพาะสำหรับรับรองก๊าซไฮโดรเจน แทนเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเป็นของเหลว (น้ำมันเบนซิน/ดีเซล) เพลาข้อเหวี่ยงแบบใหม่, ปะเก็นฝาสูบที่แข็งแรงมากกว่าเดิม, ท่อร่วมไอดีอัดบรรจุอากาศความดันบวก และชุดลดอุณหภูมิน้ำมันเครื่อง การปรับเปลี่ยนทั้งหมด ประมาณ 1.5 เท่าของราคาปัจจุบัน (ของเครื่องยนต์เบนซิน) เครื่องยนต์ไฮโดรเจนเหล่านี้เผาไหม้เชื้อเพลิงในลักษณะเดียวกับที่เครื่องยนต์เบนซินทำ

กำลังขับสูงสุดตามทฤษฎีของเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิง และวิธีการฉีดเชื้อเพลิงที่ใช้ อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิง stoichiometric สำหรับไฮโดรเจนอยู่ที่ตัวเลข 34:1 ที่อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิงนี้ ไฮโดรเจนจะแทนที่ 29% ของห้องเผาไหม้เหลือเพียง 71% สำหรับอากาศ เป็นผลให้ปริมาณพลังงานของส่วนผสมนี้จะน้อยกว่าที่ควรจะเป็นถ้าน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นน้ำมันเบนซิน เนื่องจากวิธีการฉีดพอร์ตจะผสมน้ำมันเชื้อเพลิงและอากาศก่อนที่จะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ในแบบเก่านั้นมีข้อจำกัดด้านการให้พลังงานซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีการแพร่ความร้อนและสูญเสียกำลังขณะเผาไหม้ของเครื่องยนต์เบนซินระบบเชื้อเพลิงฉีดโดยตรง ระบบซึ่งผสมน้ำมันเชื้อเพลิงกับอากาศหลังจากที่วาล์วไอดีปิดลง (และทำให้ห้องเผาไหม้มีอากาศ 100%) กำลังการผลิตสูงสุดของเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน HICE อาจสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซินประมาณ 15%

ดังนั้นขึ้นอยู่กับวิธีการวัดปริมาณเชื้อเพลิงต่อกำลังสูงสุด สำหรับเครื่องยนต์ไฮโดรเจนอาจสูงกว่าน้ำมันเบนซิน 15% หากใช้อัตราส่วน อากาศ / เชื้อเพลิง แบบสโตอิชิโอเมตริก อย่างไรก็ตามในอัตราส่วนอากาศ / เชื้อเพลิง stoichiometric อุณหภูมิการเผาไหม้จะสูงมาก ก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ซึ่งเป็นสารก่อมลพิษ เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงไม่ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานด้วยอัตราส่วนอากาศ / เชื้อเพลิงแบบ stoichiometric

โดยทั่วไปแล้วเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนออกแบบให้ใช้อากาศมากกว่าที่จำเป็นในทางทฤษฎีถึงสองเท่า เพื่อการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ที่อัตราส่วนอากาศมากกว่าเชื้อเพลิง การก่อตัวของ NOx จะลดลงจนใกล้ศูนย์ น่าเสียดายที่มันกลับลดกำลังลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของเครื่องยนต์เบนซินที่มีขนาดใกล้เคียงกัน เพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานดังกล่าว เครื่องยนต์ไฮโดรเจนมักจะมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องยนต์เบนซิน แต่ก็ไม่เสมอไปเพราะ Toyota นำเครื่องยนต์สามสูบ 1.6 ลิตร ติดตั้งเทอร์โบชาร์จเจอร์มาปรับเปลี่ยนระบบเชื้อเพลิงให้รองรับไฮโดรเจน เครื่องยนต์ของรถแข่ง Rookie Racing GR Corolla H2 และ Corolla Cross H2 Concept มีขนาดเล็กกะทัดรัด มีน้ำหนักเบา ให้กำลังอย่างมีประสิทธิภาพด้วยระบบอัดอากาศเทอร์โบชาร์จ

มีการคาดการณ์กันว่า ภายในปี 2050 หรือ พ.ศ.2593 โลกของพลังงานจะดูแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ความต้องการพลังงานทั่วโลกจะลดลงน้อยกว่าในปัจจุบันประมาณ 8% แต่จะกลับสามารถรองรับระบบเศรษฐกิจโลกได้มากกว่าสองเท่า รวมถึงรองรับประชากรที่เพิ่มขึ้น ด้วยพลังงานทางเลือกอย่าง แสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานไฮโดรเจน และพลังงานชีวมวล.

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail [email protected]
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/

คุณกำลังดู: ข้อดี ข้อเสีย เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

หมวดหมู่: รถยนต์