| ไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิง : พลังงานทางเลือกใหม่สำหรับวันพรุ่งนี้ |
 |
| ปัตมาภรณ์ ธิมากุล และ ดร.ภาวดี อังค์วัฒนะ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงที่ได้รับการพูดถึงอยู่เสมอ และทำให้ได้รับความสนใจ สำหรับการเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกใหม่ในอนาคต คือ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้ โดยที่ไม่เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ในทางทฤษฎี เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้งานกับอุปกรณ์ทุกชนิดที่ต้องการพลังงานไฟฟ้าในการทำงาน การนำเซลล์เชื้อเพลิงมาประยุกต์ใช้งานนั้น ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง ปัจจุบัน ความเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว มีการใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก การแสวงหาพลังงานทดแทนแหล่งใหม่ ๆ จึงมีความสำคัญต่อประเทศไทยเป็นอย่างสูง เนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่เป็นพลังงานที่มีอยู่อย่างจำกัด และส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม แหล่งพลังงานทดแทนต่างๆ ดังกล่าว ได้แก่ พลังงานจากชีวมวล พลังน้ำ พลังงานแสงอาทิตย์และลม ประเทศไทยได้มีการพัฒนาและใช้พลังงานทดแทนเป็นเวลานานแล้ว เช่น การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำ จากพลังงานแสงอาทิตย์ จากแรงลม และจากความร้อนใต้พิภพ รวมทั้ง การใช้มูลสัตว์ผลิตก๊าซสำหรับการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม พลังงานทดแทนดังกล่าวที่สามารถผลิตได้เอง มีปริมาณน้อยมาก และยังมีค่าใช้จ่ายสูง เมื่อเทียบกับพลังงานที่ผลิตได้จากน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ ดังนั้น จึงไม่มีอุตสาหกรรมด้านพลังงานทดแทนเกิดขึ้นในประเทศอย่างจริงจัง ยกเว้นแต่กิจกรรมด้านพลังงานทดแทนของหน่วยงานราชการและรัฐวิสาหกิจบางแห่งเท่านั้น พลังงานทางเลือก ความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ทำให้เกิดเทคโนโลยีที่สามารถดึงเอาแหล่งพลังงานใหม่หลายแหล่งมาใช้ ไม่ว่าจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ ไฮโดรเจน นิวเคลียร์ เชื้อเพลิงจากพืช เช่น เอธานอล ไบโอดีเซล ฯลฯ ในจำนวนนี้เทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิง (Hydrogen and Fuel Cell) เป็นทางเลือกหนึ่ง ที่มีศักยภาพสูงในการนำมาใช้งานอย่างจริงจัง และขณะนี้หน่วยงานต่าง ๆ ทั่วโลก ทั้งทางภาครัฐและเอกชนได้ให้ความสนใจ และร่วมลงทุนในการเตรียมพร้อมการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง เข้าสู่ตลาดพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากเป็นพลังงานทดแทนที่สะอาดและไม่มีมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม จึงนับได้ว่าเทคโนโลยีนี้อาจจะเข้ามามีบทบาทอย่างมากในอนาคต ต่อการพัฒนาพลังงานรูปแบบใหม่ขึ้นใช้เองในประเทศ เพื่อวัตถุประสงค์ดังต่อไปนี้ ลดปริมาณนำเข้าเชื้อเพลิง จำพวกน้ำมันและถ่านหิน เป็นวิธีหนึ่งในการส่งเสริมการใช้พลังงานทดแทน เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของการใช้พลังงานทดแทนให้ได้ 8%ภายในปี 2550 ตามนโยบายของกระทรวงพลังงาน ลดความเสี่ยงจากการพึ่งพาพลังงานที่ต้องนำเข้า ลดปัญหามลภาวะทางอากาศ น้ำ รวมถึงปรากฏการณ์เรือนกระจก (green house effect) เพื่อรักษาสิ่งแวดล้อม เป็นการสร้างแหล่งผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก สำหรับท้องถิ่นห่างไกลเพื่อยกระดับคุณภาพชีวิตและมาตรฐานการครองชีพให้ดียิ่งขึ้น และเป็นการสร้างความเท่าเทียมกันในสังคม เซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร ? เซลล์เชื้อเพลิง คือ อุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงและอากาศ ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง โดยไม่ผ่านกระบวนการเผาไหม้ เซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปประกอบด้วย อิเล็กโตรด (ขั้วไฟฟ้า) สองขั้วคือ ขั้วแคโทด และขั้วแอโนด โดยมีอิเล็กโทรไลท์อยู่ตรงกลางระหว่างขั้วทั้งสอง ซึ่งในการใช้งานจริงเราจะนำเซลล์เชื้อเพลิงมาประกอบเป็นหน่วยที่ใหญ่ขึ้น (stack) เพื่อให้เกิดการผลิตไฟฟ้าที่มากขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร ? ผู้รู้หลายท่านกล่าวถึงเซลล์เชื้อเพลิงไว้ว่า มีหลักการทำงานคล้าย ๆ แบตเตอรี่ที่จัดเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี นั่นคือ สามารถเปลี่ยนพลังงานเคมี จากปฏิกิริยาเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง แต่เซลล์เชื้อเพลิงนั้นแตกต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้จากปฏิกิริยาเคมีของก๊าซไฮโดรเจน (เป็นก๊าซเชื้อเพลิง) และก๊าซออกซิเจนจากอากาศ และยังสามารถผลิตไฟฟ้าได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องมีการชาร์ตใหม่ ตราบเท่าที่มีก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนป้อนเข้าสู่ตัวเซลล์ ก็จะทำให้เรามีไฟฟ้าใช้ได้ตลอดเวลา ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือน แหล่งที่อยู่อาศัย ชุมชนขนาดเล็กที่ห่างไกลจากโรงไฟฟ้า หรือแม้แต่ในรถยนต์หรือยานพาหนะ อื่น ๆ ก็ตาม หลักการของเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งที่อาศัย ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ดังภาพที่ 1 โดยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน จะแตกตัวเป็น ไฮโดรเจนไอออนกับอิเล็กตรอน ที่ขั้วแอโนด และออกซิเจนจากอากาศจะจับไฮโดรเจนไอออน ที่ผ่าน อิเล็กโทรไลต์มายังแคโทด ทำให้เกิดน้ำ และอิเล็กตรอน ที่เกิดขึ้นจะไหลเวียนในระบบ ปฏิกิริยาที่ขั้วอิเล็กโตรด แสดงได้ดังต่อต่อไปนี้ แคโทด : 1/2O2 + 2e- O2- (1) แอโนด : H2 + O 2- H2O + 2e- (2) ปฏิกิริยารวม : 1/2 O2 + H2 H2O (3) จากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีข้างต้น ส่งผลทำให้เกิดเป็นกระแสไฟฟ้า และมีผลพลอยได้คือ น้ำและความร้อนเท่านั้น จึงไม่ก่อมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นสามารถต่อเข้ากับอุปกรณ์ หรือโหลดที่เชื่อมต่อระหว่างขั้วแอโนดและแคโทด ส่วนน้ำและความร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกขับออกจากอิเล็กโทรไลท์ต่อไป ข้อดีและการประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงที่ได้รับการพูดถึงอยู่เสมอ และทำให้ได้รับความสนใจ สำหรับการเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกใหม่ในอนาคต คือ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้ โดยที่ไม่เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากในกระบวนการผลิตไฟฟ้านั้นไม่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือถ่านหิน ซึ่งทำให้เกิดก๊าซที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม เช่น คาร์บอนมอนนอกไซด์ ซัลเฟอร์ออกไซด์หรือไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ นอกจากนี้ เซลล์เชื้อเพลิงผลิตไฟฟ้าได้จากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีโดยตรง โดยไม่มีส่วนใดที่ต้องเคลื่อนที่ จึงไม่ก่อให้เกิดเสียงรบกวน อีกทั้งตัวเซลล์ก็มีขนาดไม่ใหญ่มาก สามารถติดตั้งไว้ในชุมชนได้ ในทางทฤษฎี เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้งานกับอุปกรณ์ทุกชนิดที่ต้องการพลังงานไฟฟ้าในการทำงาน การนำเซลล์เชื้อเพลิงมาประยุกต์ใช้งานนั้น ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง เช่น โรงงานผลิตไฟฟ้า เพื่อใช้ในบ้านเรือนหรือแหล่งชุมชนห่างไกลที่ไฟฟ้ายังเข้าไม่ถึง หรือชุมชนขนาดเล็กที่ห่างไกลจากโรงงานไฟฟ้า โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น เซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง (SOFC) หรือเซลล์เชื้อเพลิงแบบเกลือคาร์บอเนตหลอม (MCFC) รถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) โดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนหรือไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงขนาดพกพา สามารถใช้ในการให้พลังงานกับเครื่องคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือ โดยใช้งานได้นานกว่าแบตเตอรี่ในปัจจุบัน การประยุกต์ใช้งานทางการทหาร เช่น ใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์ หรือใช้กับอุปกรณ์ขนาดพกพาภาคสนาม เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงมีอายุการใช้งานที่นานกว่า และไม่มีเสียงรบกวนขณะทำงาน การประยุกต์ใช้งานในอนาคตอันใกล้นี้ คงเป็นการผลิตไฟฟ้าและพลังงานความร้อนร่วมกัน (Combined heat and power) สำหรับอาคารสำนักงาน โรงงานอุตสาหกรรม งานวิจัยเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิง ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) ได้เล็งเห็นความสำคัญของการพัฒนาแหล่งพลังงานทดแทน จึงได้ศึกษาและทำการวิจัยทางด้านเซลล์เชื้อเพลิง โดยเลือกชนิดออกไซด์ของแข็ง (Solid oxide fuel cell) ซึ่งเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่มีประสิทธิภาพสูง สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานทดแทนในอนาคต ซึ่งได้ซึ่งมีการดำเนินการโดย ดร.ภาวดี อังค์วัฒนะ และคณะวิจัยของศูนย์ฯ ร่วมกับหน่วยงานต่าง ๆ ทั้งภาครัฐและภาคเอกชนของประเทศไทย โครงการวิจัยและพัฒนาหน่วยต้นแบบ 1-3 kW ผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิง สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในบ้านและชุมชน (1-3 kW Tubular SOFC Stack for Household Distributed Generator ) โดยมีเป้าหมายหลัก เพื่อสร้างต้นแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กไม่เกิน 3 kW โครงการนี้คาดว่าจะแล้วเสร็จภายในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2549 นี้ ซึ่งหน่วยต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิง SOFC นี้จะสามารถส่งผลให้ประเทศไทยเป็นหนึ่งในผู้นำด้านเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้าได้ อีกทั้งนำพาประเทศไทยให้เป็นหนึ่งในผู้นำด้านการใช้พลังงานทดแทนในประเทศแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ในอนาคต หากโครงการวิจัยนี้ประสบความสำเร็จ ในขั้นต่อไปก็จะสามารถมีต้นแบบในการสร้างหน่วยผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงขนาดที่ใหญ่ขึ้นถึง 100-250 kW เพื่อใช้งานในหมู่บ้านหรือชุมชนที่ใหญ่ขึ้นในอนาคต จะทำให้สังคมไทยมีแหล่งพลังงานทดแทนที่ยั่งยืนและครบวงจร สามารถมีทางเลือกในการผลิตไฟฟ้าที่ช่วยแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมได้ รวมทั้งเป็นการสร้างขีดความสามารถทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทางด้านพลังงานทดแทนขึ้นในประเทศอีกด้วย |
-
