เทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิง: เทคโนโลยีพลังงานสะอาดและยั่งยืน

12 กุมภาพันธ์ 2563

 

1. บทนำ

 

       อารยธรรมของมนุษย์ทั้งปัจจุบันและอนาคตต้องพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าอย่างขาดไม่ได้ ที่ผ่านมาเราผลิตไฟฟ้าโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล (แก๊สธรรมชาติ, ถ่านหิน และน้ำมัน) เป็นหลัก เช่นประเทศไทยผลิตไฟฟ้าจากแก๊สธรรมชาติ 61.31%, จากถ่านหิน 22.84% และจากน้ำมัน 0.58% (ข้อมูลปี 2562) [1] แต่เชื้อเพลิงเหล่านี้มีวันร่อยหรอ ในอนาคตเมื่อหายากขึ้น ราคาย่อมแพงกว่าในปัจจุบัน และที่สำคัญไม่ยิ่งหย่อนกว่ากันก็คือเชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นต้นเหตุของแก๊สเรือนกระจกโดยเฉพาะแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่ตอนนี้มีในบรรยากาศมากเกินไปแล้ว [2] ในขณะที่ต้องเสาะหาแหล่งพลังงานทดแทนเพื่อความมั่นคงด้านพลังงานของประเทศไว้ให้ลูกหลาน แต่ละประเทศก็ต้องช่วยกันลดการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกด้วยตามปณิธาน “เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ (low-carbon economy)” ที่ก็เพื่ออนาคตของลูกหลานอีกเช่นกัน การได้มาซึ่งพลังงานไฟฟ้าในอนาคตจึงต้องสอดคล้องกับเงื่อนไขสำคัญ 2 ประการต่อไปนี้

 

       ก) พึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลน้อยที่สุดและไม่ใช้เชื้อเพลิงที่เป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน

       ข) อุปกรณ์เปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นพลังงานไฟฟ้าต้องมีประสิทธิภาพสูง, ราคาต่ำ และไม่ส่งผลทำลายสิ่งแวดล้อม

 

มีความพยายามเสาะหาแหล่งพลังงานทดแทนลักษณะดังกล่าวหลายรูปแบบเช่น พลังงานลม, พลังงานแสงอาทิตย์, พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน  เป็นต้น พลังงานอีกชนิดที่กำลังได้รับความสนใจมากก็คือพลังงานจากแก๊สไฮโดรเจน (H2) ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้าได้ด้วยเมื่อนำไปใช้คู่กับเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell หรือ FC) ในคราวนี้เราจะมาดูกันว่าสหภาพยุโรปเอาจริงเอาจังกับอนาคตของลูกหลานในเรื่องเซลล์เชื้อเพลิงและเทคโนโลยีไฮโดรเจน (FCH) อย่างไรบ้าง 

 

2. FCEV หรือ BEV ?

 

       การคมนาคมขนส่งเป็นกิจกรรมของสังคมปัจจุบันที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงมาก อย่างเช่นประเทศไทย ประมาณครึ่งหนึ่งของน้ำมันดิบที่นำเข้า (ปีละหลายแสนล้านบาท) ถูกใช้ไปในภาคขนส่งทางบก  และเมื่อยานพาหนะส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน (internal combustion engine หรือ ICE) ที่มีเชื้อเพลิงเป็นน้ำมันเบนซินหรือน้ำมันดีเซล จึงมีส่วนอย่างมากในการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจกและฝุ่นมลพิษ PM (particulate matter) ขนาดต่างๆ แต่จะเลิกใช้รถยนต์ก็คงไม่ได้ เพราะรถยนต์ได้กลายเป็นอีกปัจจัยสำคัญในการดำรงชีวิตของมนุษย์ในสังคมสมัยใหม่ไปนานแล้ว ปัจจุบันมีการใช้รถยนต์อยู่ไม่ต่ำกว่า 800 ล้านคันทั่วโลก (เฉพาะประเทศไทยมีรถจดทะเบียนสะสมในระบบประมาณ 40.6 ล้านคัน โดยมีรถจดทะเบียนใหม่เฉลี่ยประมาณ 2.6 แสนคัน/เดือน – ข้อมูล ณ สิ้นเดือนพฤศจิกายน 2562)  อุตสาหกรรมยานยนต์ยังเป็นแหล่งงานของคนนับล้าน เกิดสายโซ่มูลค่า (value chain) กว่า 3 ล้านล้านดอลลาร์สหรัฐ / ปี  ทางออกก็คือเลิกใช้รถยนต์ ICE แล้วหันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า (electric vehicle หรือ EV) ปัจจุบันมี 2 ชนิดที่กำลังขับเคี่ยวกันคือ ชนิดที่ใช้แบตเตอรี่ ซึ่งจะเรียกสั้นๆว่า รถยนต์ BEV (battery electric vehicle) และชนิดที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงคู่กับเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งจะเรียกสั้นๆว่า รถยนต์ FCEV

 

       ในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงหลายชนิด (รูปที่ 1) เป็นที่ยอมรับกันว่า PEMFC (ดูเพิ่มเติมที่ภาคผนวกท้ายบทความ) เหมาะกับการใช้เป็นเครื่องผลิตไฟฟ้าของรถยนต์ไฟฟ้ามากที่สุดเพราะ 1) อิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) เป็นของแข็ง จึงไร้ปัญหาเรื่องการกัดกร่อนจากสารละลายภายในจนเกิดการรั่วไหลออกมา และสามารถจัดวางในลักษณะใดก็ได้, 2) อุณหภูมิใช้งานต่ำ (50-100 เซลเซียส) จึงเริ่มต้นทำงานได้เร็ว (อุณหภูมิใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิด SOFC คือ 600-1,000 เซลเซียส), 3) มีประสิทธิภาพ 43-58% ที่ไม่ด้อยกว่าชนิดอื่นๆ (เช่นของ SOFC อยู่ที่ 35-65%), 4) ทำให้มีขนาดกะทัดรัดได้จึงสะดวกที่จะนำไปใช้กับงานที่ต้องมีการเคลื่อนย้ายด้วย เช่นใช้ในยานพาหนะ และ 5) มีสารที่จำเป็นต้องจัดหาเพื่อเติมให้ PEMFC ตลอดเวลาที่ใช้งานเพียงอย่างเดียวคือแก๊สไฮโดรเจน ส่วนแก๊สออกซิเจนใช้จากอากาศโดยรอบได้ อย่างไรก็ตามถึงแม้ว่า PEMFC มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ ICE ที่มีประสิทธิภาพเพียง 20-25% แต่ก็น้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอยู่มาก เพราะมีประสิทธิภาพถึง 99%

 

 

รูปที่ 1 แสดงศักยภาพด้านกำลังผลิตไฟฟ้าของ FC 6 ชนิดคือ DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),  AFC (Alkaline Fuel Cell) และ MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) ที่ครอบคลุมการนำไปใช้เป็นเครื่องผลิตไฟฟ้าของสมาร์ทโฟน จนถึงโรงไฟฟ้า (ที่มารูป: http://www.antig.com/technology/technology_fuel_cell_types.htm)

 

       ถ้าไปถาม Elon Musk แน่นอนว่าจะต้องเชียร์รถยนต์ BEV เต็มประตู ครั้งหนึ่งเคยแสดงความเห็นว่า “Hydrogen is bullshit.” และเคยเรียก “fuel cells” ว่า “fool cells” ซึ่งไม่แปลกเพราะในแง่ธุรกิจนั้น เจ้าตัวเป็นทั้งเจ้าของและ CEO ของบริษัทผลิตรถยนต์ไฟฟ้า Tesla ที่ทุ่มทุนสร้างโรงงานผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและรถยนต์ BEV มูลค่าประมาณ 5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 1.5 แสนล้านบาท) ที่ถือได้ว่าเป็นโรงงานผลิตแบตเตอรี่ที่ทันสมัยและใหญ่ที่สุดในโลก โรงงานนี้มีชื่อเรียกขานว่า Tesla Giga Nevada หรือ Gigafactory 1 ตั้งอยู่ใกล้เมืองรีโนในรัฐเนวาดา แต่ก็น่าสนใจที่ว่าทางฟากฝั่งสหภาพยุโรปดูเหมือนจะมองต่างมุม เพราะกำลังทุ่มเทพัฒนาเทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงที่รวมถึงรถยนต์ FCEV อย่างมุ่งมั่นจริงจัง ตารางที่ 1 เปรียบเทียบให้เห็นสมบัติที่สำคัญๆของรถยนต์ไฟฟ้าทั้งสองชนิด

 

ตารางที่ 1 แสดงสมบัติที่สำคัญๆของรถยนต์ FCEV และ BEV เมื่อเทียบกับรถยนต์ ICE ทั้งนี้ a) หมายถึงค่าของรถยนต์ไฟฟ้า Toyota Mirai ปี 2019, b) หมายถึงค่าของรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Model 3 Performance, c) หมายถึงค่าของรถยนต์ Toyota Camry ปี 2019 และ d) เป็นค่าที่ประเมินจากรถยนต์นั่งส่วนบุคคลทั่วไปที่มีระยะทางวิ่งรวม 18,500 กิโลเมตรใน 1 ปี ส่วนค่าประสิทธิภาพ WtW (Well-to-Wheel efficiency) นำมาจากเอกสารอ้างอิง [3]

 

 

       สรุปว่าจุดเด่นของรถยนต์ FCEV อยู่ที่มีระยะทางวิ่งไกลและใช้เวลาเติมแก๊สไฮโดรเจนสั้น ประมาณเท่ากับการเติมน้ำมันให้รถยนต์ ICE ที่เราๆคุ้นเคย  ส่วนจุดอ่อนที่สำคัญขณะนี้ก็คือประสิทธิภาพโดยรวมต่ำกว่าของรถยนต์ BEV, จำนวนปั๊มเติมแก๊สไฮโดรเจนยังมีน้อยเกินไป, เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีราคาแพง และราคารถยนต์ FCEV ก็ยังสูงอยู่ อีกจุดหนึ่งก็คือการยอมรับของประชาชน เพราะยังมีความกริ่งเกรงว่ารถยนต์ FCEV ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงซึ่งเป็นแก๊สที่ติดไฟง่ายมาก จะเกิดระเบิดเหมือนที่เกิดกับเรือเหาะ Hindenburg โดยมองข้ามไปว่ารถยนต์ BEV ก็ลุกติดไฟได้เช่นกัน เพราะในแผงแบตเตอรี่มีธาตุลิเธียม (lithium หรือ Li) อยู่ประมาณ 4.7 กิโลกรัม ซึ่งลิเธียมก็เป็นสารที่ลุกติดไฟง่ายมากเช่นกัน (รูปที่ 2) จุดอ่อนสำคัญประการแรกของรถยนต์ BEV ก็คือใช้เวลาในการชาร์จไฟให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนานมาก ถึงแม้จะใช้การชาร์จแบบเร็ว (fast charge) แล้วก็ตาม แต่ยังต้องใช้เวลาถึงประมาณ 40 นาที/คัน ทำให้ได้กลิ่นของปัญหาโชยมา ลองนึกภาพการต่อคิวชาร์จไฟที่ปั๊มใกล้กับสถานที่ท่องเที่ยวยอดนิยมของชาวไทยในหน้าเทศกาลสำคัญๆ สมมุติว่าตอนนั้นใครๆก็หันมาใช้รถยนต์ BEV กัน แต่ละปั๊มคงไม่ได้มีหัวจ่าย 4-5 หัวเหมือนปั๊มน้ำมันขณะนี้ เพราะในแง่ธุรกิจคงไปไม่รอด คงต้องมีให้บริการนับสิบๆหัว (รูปที่ 3) สมมุติว่า 20 หัว กระนั้นก็ตามถ้าไม่ใช่เป็นคิวแรกแล้ว การต่อคิวรอชาร์จไฟนานกว่า 40 นาทีน่าจะทำให้ความสนุกของการท่องเที่ยวพักผ่อนหย่อนใจหดหายไปไม่น้อย นอกจากนั้นถ้าทั้ง 20 หัวจ่ายถูกใช้งานแบบชาร์จเร็วพร้อมกัน ในช่วงพีค (peak) ปั๊มนี้จะต้องดึงไฟจากการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคถึงประมาณ 4.8 ล้านวัตต์ (4.8 MW) ซึ่งถือเป็นปริมาณที่สูงมาก ระบบสายส่งของกฟภ.จะรับไหวหรือไม่  จุดอ่อนสำคัญอีกประการของรถยนต์ BEV ก็คือการมีระยะทางวิ่งสั้น การเพิ่มระยะทางวิ่งให้ไปได้ไกลขึ้นต่อการชาร์จเต็ม 1 ครั้งอย่างตรงไปตรงมาที่สุดก็คือการเพิ่มจำนวนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็จะไปเพิ่มน้ำหนักรถอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ (น้ำหนักรถเปล่าไม่รวมผู้โดยสารของรถยนต์ BEV Tesla Model S และรถยนต์ FCEV Toyota Mirai คือ 2,250 และ 1,850 กิโลกรัม ตามลำดับ)

 

     

 

รูปที่ 2 (ซ้าย) การลุกไหม้ของเรือเหาะ Hindenburg ที่บรรจุด้วยแก๊สไฮโดรเจนเมื่อปีพ.ศ. 2480 สันนิษฐานว่าสาเหตุมาจากประกายไฟที่เกิดจากการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตที่ผิวของส่วนบัลลูนทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนที่รั่วซึมออกมา และ (ขวา) ชุดแบตเตอรี่ (battery pack) ของรถยนต์ Tesla Model S คันหนึ่งลุกติดไฟขึ้นเองขณะวิ่งอยู่บนถนนแซนตาโมนิกาบูเลอวาร์ดในนครลอสแอนเจลิสโดยไม่ได้มีการชนกับสิ่งใด เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 15 มิถุนายน พ.ศ. 2561 คนขับหนีออกจากรถได้ทัน (ที่มารูป: https://www.n-tv.de/panorama/Die-32-Sekunden-von-Lakehurst-article6141721.html และ https://electrek.co/2018/06/16/tesla-model-s-battery-fire-investigating/)

 

 

     

 

รูปที่ 3 เครื่อง Supercharger ของ Tesla เติมไฟให้ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเฉพาะของรถยนต์ไฟฟ้า Tesla ด้วยไฟตรง 410 โวลต์, 330 แอมแปร์ (คิดเป็นกำลังไฟฟ้า 135 kW) โดยถ้าชาร์จระดับ 50%, 80%, 100% ของแบตเตอรี่ จะใช้เวลา 20, 40, 75 นาทีตามลำดับ  ในขณะที่การชาร์จที่บ้านถ้าใช้ไฟ 240 โวลต์ ด้วยกำลังไฟฟ้า 17.2 kW (เครื่องอบผ้าแห้งกินไฟประมาณ 2.5 kW) ต้องใช้เวลาชาร์จชุดแบตเตอรี่เปล่าจนมีไฟเต็ม 100% ประมาณ 30 ชั่วโมง (ที่มารูป: https://www.20minutes.fr/economie/auto/2643887-20191104-tesla-autopilot-reconnait-desormais-cones-signalisation-propose-changer-voie และ https://www.phonandroid.com/tesla-le-supercharger-v3-chargera-les-batteries-deux-fois-plus-vite.html)

 

3. โครงการพัฒนาเทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงของยุโรป

 

       ประเทศต่างๆในเครือสหภาพยุโรปมีความกังวลมานานแล้วเรื่องความมั่นคงด้านพลังงาน เพราะต้องพึ่งพิงน้ำมันและแก๊สธรรมชาติจากประเทศอื่นนอกสหภาพที่มีความอ่อนไหวทางการเมือง เช่นแอฟริกา, ตะวันออกกลาง หรือรัสเซีย เป็นต้น ดังจะเห็นได้ว่าสหภาพยุโรปย่อมลงทุนในโครงการที่ฝันเฟื่องและแพงมากในการผลิตพลังงานสะอาดที่ไม่รู้จักหมดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (nuclear fusion) คือโครงการ Joint European Torus (JET) มาตั้งแต่ปีพ.ศ. 2526 และส่งต่อข้อมูล/ประสบการณ์สู่โครงการ ITER ที่ใหญ่ยิ่งกว่า ซึ่งกำลังดำเนินการอยู่ขณะนี้ ณ ศูนย์วิจัย Cadarache ทางตอนใต้ของประเทศฝรั่งเศส แต่เนื่องจากเป็นโครงการที่ยากมากทั้งในแง่วิชาการและปฏิบัติ อีกทั้งต้องใช้งบลงทุนมหาศาลด้วย ความสำเร็จจึงยังอยู่ในอนาคตอีกยาวไกลและมีความไม่แน่นอนสูง แหล่งพลังงานอื่นในอนาคตที่ใกล้เอื้อมกว่าและมีความแน่นอนกว่าจำต้องได้รับการพัฒนาควบคู่ไปด้วย นอกจากนั้นคนยุโรปรุ่นใหม่ยังมีสำนึกสูงในเรื่องปัญหาภาวะโลกร้อนที่กำลังเผชิญอยู่ในปัจจุบัน สหภาพยุโรปจึงยิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัวด้วยการวางเป้าหมายสร้างเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ (low carbon economy) ขึ้นในปีพ.ศ. 2593 ดังแสดงในรูปที่ 4

 

 

รูปที่ 4 สหภาพยุโรปตั้งเป้าหมายที่ท้าทายมากว่าเมื่อถึงปีพ.ศ. 2593 จะลดการปลดปล่อยแก๊ส CO2 จากภาคส่วนต่างๆลง 80% ของค่าในปีพ.ศ. 2533 นั่นคือต้องใช้มาตรการเสริมอีกไม่น้อย เพราะตามนโยบายปัจจุบันจะสามารถลดได้เพียง 40% เท่านั้น (กราฟเส้นสีแดง) (ที่มารูป: https://www.cbss.org/wp-content/uploads/2012/12/EU-Low-Carbon-Road-Map-2050.pdf)

 

       มาตรการหนึ่งที่สหภาพยุโรปลงมือดำเนินการก็คือก่อตั้งหน่วยงานร่วมรัฐ-เอกชนชื่อ Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) ให้ทำหน้าที่สนับสนุนการทำ RTD (research & technology development) เพื่อเพิ่มคุณภาพและลดต้นทุนตลอดสายโซ่ FCH แบบครอบคลุมครบเครื่องทั้งที่เกี่ยวกับการผลิตและกระจายส่งแก๊ส H2, การเก็บกักแก๊ส H2, โครงสร้างพื้นฐานการเติมแก๊ส H2, FC ชนิดต่าง ๆที่ใช้งานแบบติดตั้งประจำที่ และสำหรับยานพาหนะทั้งที่ใช้ถนนและไม่ใช้ (เช่นเรือ, รถไฟ, เครื่องบิน หรือรถยกชนิดต่างๆที่ใช้ในโรงงาน) รวมถึงการกำหนดมาตรฐานความปลอดภัย, การให้การศึกษาและการสาธิตเพื่อสร้างการรับรู้และการสนับสนุนของประชาชนต่อการใช้เซลล์เชื้อเพลิงและเทคโนโลยีไฮโดรเจน ทั้งนี้เฟสแรกได้เริ่มต้นขึ้นเมื่อวันที่ 30 พฤษภาคม พ.ศ. 2551 มีระยะเวลา 4.5 ปี ด้วยงบประมาณสนับสนุน 1.33 พันล้านยูโร (ประมาณ 4.5 หมื่นล้านบาท)  ปัจจุบันอยู่ในช่วงเฟสที่ 2 (เรียกว่า FCH 2 JU) มีช่วงเวลาระหว่างวันที่ 6 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 ถึง 31 ธันวาคม พ.ศ. 2567 โดยงบประมาณส่วนหนึ่งจำนวน 665 ล้านยูโร (ประมาณ 2.2 หมื่นล้านบาท) มาจากโปรแกรม H2020 Programme และอีกส่วนมาจากภาคอุตสาหกรรมในจำนวนที่ไม่น้อยกว่ากัน

 

4. ตัวอย่างโครงการภายใต้การสนับสนุนของ FCH JU & FCH 2 JU

 

       FCH JU และ FCH 2 JU สนับสนุนการทำ RTD ทางด้านเซลล์เชื้อเพลิงและเทคโนโลยีไฮโดรเจนรวมกันมากกว่า 270  โครงการ ในที่นี้จะขอนำมาเล่าเป็นตัวอย่างเพียง 5 โครงการดังต่อไปนี้

 

       โครงการแรกเรียกว่า COPERNIC (ย่อมาจาก COst & PERformaNces Improvement for Cgh2 composite tanks) อันเนื่องจากจุดอ่อนของรถยนต์ FCEV อยู่ที่อุปาทานของสังคมที่กลัวการระเบิดของถังแก๊สไฮโดรเจนดังกล่าวแล้วข้างต้นและราคาที่สูงของถังแก๊สก็มีส่วนทำให้รถ FCEV ยังมีราคาแพงอยู่ เป้าหมายของโครงการนี้จึงอยู่ที่การหาวิธีผลิตถังเก็บกักแก๊สไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ใช้วัสดุคอมโพสิต (CGH2 storage tank) สำหรับใช้กับยานยนต์ที่มีมาตรฐานความปลอดภัยสูงแต่มีน้ำหนักเบา แบบที่สามารถผลิตจำนวนมากในโรงงานด้วยเวลาสั้นและมีต้นทุนต่ำ โครงการนี้เริ่มต้นขึ้นเมื่อวันที่ 1 มิถุนายน พ.ศ. 2556 และสิ้นสุดโครงการเมื่อวันที่ 30 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559 โดยได้รับงบประมาณสนับสนุนจาก FCH JU 3,514,791 ยูโร (ประมาณ 118 ล้านบาท) กลุ่มองค์กรร่วมพันธกิจประกอบด้วย SymbioFCell (บริษัทผู้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิง สัญชาติฝรั่งเศส), Raigi SAS (บริษัทผู้ผลิตอีพ็อกซี่และยูรีเทนเรซินใช้ในงานอุตสาหกรรม สัญชาติฝรั่งเศส), Hochdruck Reduziertechnik GmbH (บริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ประกอบของถังแก๊สเช่นวาล์วชนิดต่างๆ, ฟิลเตอร์, ตัวลดแรงดัน ฯลฯ สัญชาติเยอรมนี), Wroclaw University of Science and Technology ประเทศโปแลนด์, Optimum CPV (บริษัทชั้นนำของโลกด้านการผลิตถังคอมโพสิตทนแรงดันสูง สัญชาติเบลเยี่ยม) และ Anleg GmbH (บริษัทที่เชี่ยวชาญด้านการจัดการกับแก๊สชนิดต่างๆ รวมถึงแก๊สไฮโดรเจน สัญชาติเยอรมนี) ประสานงานโครงการโดย French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) โครงการนี้ประสบความสำเร็จเป็นอย่างดี ค้นพบเทคโนโลยีผลิตถังเก็บกักแก๊สไฮโดรเจนคุณภาพสูงที่มีราคาถูกกว่าผลิตภัณฑ์ที่มีขายอยู่ในท้องตลาดถึง 5 เท่า ส่งผลให้เกิดธุรกิจ SME ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตถังแก๊สไฮโดรเจนใช้กับยานยนต์และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหลายบริษัท

 

     

 

รูปที่ 5 (ซ้าย) เทคโนโลยีผลิตถังแก๊สไฮโดรเจนของโครงการ COPERNIC อย่างหนึ่งก็คือใช้หุ่นยนต์พันคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทำตามขั้นตอนที่ออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ และ (ขวา) ถังแก๊สไฮโดรเจนขนาด 64 ลิตร ทนแรงดันสูง 700 bar (บรรจุ H2 ได้ประมาณ 2 กิโลกรัม) (ที่มารูป: https://www.researchgate.net/figure/CEA-700-bar-High-pressure-vessels-for-hydrogen-storage-in-automotive-application-FCH-JU_fig1_328202680)

 

       โครงการที่สองเรียกว่า ELY4OFF (มาจากชื่อเต็ม PEM ElectroLYsers FOR operation with OFFgrid renewable installations) เป้าหมายของโครงการคือการพัฒนาและสาธิตระบบสะสมหรือสำรองพลังงานแบบอัตโนมัติที่เป็นอิสระจากระบบไฟฟ้าส่วนกลาง (off-grid) โครงการนี้เริ่มขึ้นเมื่อวันที่ 1 เมษายน พ.ศ. 2559 และจบโครงการเมื่อวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2562 โดยได้รับงบประมาณสนับสนุนจาก FCH JU 2,315,217 ยูโร (ประมาณ 78 ล้านบาท) กลุ่มองค์กรร่วมพันธกิจประกอบด้วย  CEA ของประเทศฝรั่งเศส, ITM POWER (บริษัทสัญชาติอังกฤษที่เชี่ยวชาญด้านพลังงานหมุนเวียน, เทคโนโลยีไฮโดรเจนและ electrolysers), Inycom (บริษัทที่ปรึกษาด้านเทคโนโลยีหลายแขนง สัญชาติสเปน), Epic Power Converters S.L. (บริษัทสัญชาติสเปน เชี่ยวชาญด้านการออกแบบและพัฒนาระบบสำรองพลังงาน) ประสานงานโครงการโดย Aragon Hydrogen Foundation (องค์กรไม่แสวงหาผลกำไรของแคว้นอารากอนทางภาคตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศสเปน) ขอบเขตของโครงการโดยย่อก็คือนำไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน (เช่นจากเซลล์แสงอาทิตย์หรือกังหันลม) ป้อนให้แก่ PEM Electrolyser เพื่อผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากน้ำประปาส่งไปเก็บรักษาไว้ในถังเก็บกัก เพื่อนำไปใช้กับระบบผลิตความร้อนหรือเติมรถยนต์ FCEV ฯลฯ แต่ถ้าเกิดแสงแดดหรือลมมีไม่พอจะนำแก๊สไฮโดรเจนในถังเก็บกักไปป้อนให้กับเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้าป้อน electrolyser แทน ระบบสาธิตของโครงการนี้ตั้งอยู่ที่เมือง Huesca ของแคว้นอารากอน สามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนได้ในปริมาณ 113 กิโลกรัม ใน 73 วัน

 

       โครงการ ELY4OFF นี้จะว่าไปแล้วก็มีส่วนที่ละม้ายคล้ายกับโครงการบ้านผีเสื้อที่ ต. สันผีเสื้อ อ. เมือง จ. เชียงใหม่ (รูปที่ 6) ที่บ้านพักอาศัยแต่ละหลังในโครงการเก็บเกี่ยวพลังงานในแสงอาทิตย์ตอนกลางวันไว้ในรูปของแก๊สไฮโดรเจนเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้าใช้เองได้ตลอดทั้งวันและคืน อีกทั้งยังเป็นการแสดงความรับผิดชอบต่อสังคมในอันที่จะช่วยกันคนละไม้ละมือลดคาร์บอนฟุตพริ้นท์ (carbon footprint)

 

     

 

รูปที่ 6 บ้านทุกหลังในโครงการบ้านผีเสื้อ (Phi Suea House) จะผลิตไฟฟ้าใช้เอง 100% โดยไม่ต้องพึ่งพาการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค แผงเซลแสงอาทิตย์ของบ้านแต่ละหลังคือต้นกำเนิดกระแสไฟฟ้าใช้ในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนตอนกลางวันด้วยเทคโนโลยี Anion Exchange Membrane (AEM) Electrolysis ของบริษัท Enapter แล้วนำแก๊สไฮโดรเจนจากถังเก็บกักไปป้อนเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตไฟฟ้า ส่วนน้ำที่ใช้ก็เป็นน้ำฝนที่โครงการรวบรวมและเก็บรักษาไว้เอง โครงการนี้เป็นความคิดริเริ่มของนาย Sebastian-Justus Schmidt นักธุรกิจชาวเยอรมัน ซึ่งถือเป็นโครงการแรกของโลกก็ว่าได้ (ที่มารูป: http://www.naibann.com/2016/02/23/phi-suea-house-review/)

 

       โครงการที่สามเรียกว่า H2FUTURE ซึ่งเป้าหมายสำคัญก็คือการผลิตแก๊สไฮโดรเจนสีเขียว (green hydrogen) ด้วยกระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพื่อนำแก๊สไฮโดรเจนไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม โครงการ H2FUTURE เริ่มต้นขึ้นในวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2560 มีช่วงเวลา 4.5 ปี โดยมีงบประมาณสนับสนุนจาก FCH 2 JU 12 ล้านยูโร (ประมาณ 403 ล้านบาท) กับอีก 6 ล้านยูโรจากบริษัท voestalpine, Siemens, Verbund (ผู้ประสานงานโครงการ), APG, K1-MET และ TNO

 

       โดยในทางปฏิบัติ voestalpine ซึ่งเป็นบริษัทผลิตเหล็กรายใหญ่ของยุโรป ที่มีโรงงานตั้งอยู่ริมแม่น้ำดานูป (Danube) ที่เมือง Linz ในประเทศออสเตรีย และเป็นผู้ปลดปล่อย CO2 รายใหญ่ของยุโรปด้วย จะเป็นที่ตั้งของโรงงานต้นแบบผลิตแก๊สไฮโดรเจนที่มีผลิตผล 1.2 ล้านลิตร / ชั่วโมง แก๊ส H2 ที่ผลิตได้จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการถลุงเหล็กของบริษัทโดยตรง แทนการใช้ถ่านหินอย่างที่ผ่านมา ทั้งนี้แก๊ส H2 จะผลิตจากน้ำด้วยเทคโนโลยี proton exchange membrane (PEM) electrolyser (Silyzer 300) ที่พัฒนาโดยบริษัท Siemens ซึ่งสะอาดกว่าวิธีการที่ใช้กันอยู่ทั่วไป กล่าวคือทุกวันนี้ส่วนใหญ่แก๊ส H2 ถูกผลิตจากแก๊สธรรมชาติด้วยวิธี steam reformation ซึ่งในระหว่างกระบวนการมีการปลดปล่อยแก๊ส CO2 ในปริมาณ 0.6 – 0.8 กิโลกรัม ต่อแก๊ส H2 1,000 ลิตรที่ผลิตได้ แต่วิธีการแยกสลายน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า (water electrolysis) จะไม่มีการปลดปล่อยแก๊ส CO2 แต่อย่างใด โดยกระแสไฟฟ้าที่ใช้จ่ายให้โดย Verbund ซึ่งเป็นบริษัทผลิตกระแสไฟฟ้าชั้นนำของประเทศออสเตรีย ที่ 95% ผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนคือพลังงานน้ำ โรงงานต้นแบบ H2FUTURE เริ่มต้นการก่อสร้างเมื่อวันที่ 19 เมษายน พ.ศ. 2561 และเริ่มทำงานได้เมื่อวันที่ 12 พฤศจิกายน พ.ศ. 2562 (รูปที่ 7) โดยใช้น้ำจากแม่น้ำดานูปที่อยู่ติดกับโรงงาน

 

     

 

รูปที่ 7 เมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน พ.ศ. 2562 CEO ของ voestalpine, Verbund และ Siemens ร่วมกับผู้อำนวยการของ FCH 2 JU (คนกลางในภาพซ้าย) แถลงข่าวต่อสื่อมวลชนถึงความสำเร็จของโครงการ H2FUTURE (ที่มารูป: https://www.h2future-project.eu/news)

 

       โครงการที่สี่เรียกว่า PEGASUS ซึ่งย่อมาจากชื่อเต็ม PEMFC based on platinum Group metAl free StrUctured cathodeS เริ่มดำเนินการเมื่อวันที่ 1กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2561 โดยจะไปสิ้นสุดโครงการในวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2564 ได้รับงบประมาณสนับสนุน 2,829,016 ยูโร (ประมาณ 95 ล้านบาท) กลุ่มองค์กรร่วมพันธกิจประกอบด้วย Paris School of Mines, Technical University of Munich, Spanish National Research Council, ARMINES (องค์กรไม่แสวงหาผลกำไรแห่งหนึ่งของฝรั่งเศส ที่ทุ่มเทเรื่องเทคโนโลยีใหม่ๆด้านพลังงาน โดยเฉพาะพลังงานหมุนเวียน), German Aerospace Center, EWII Group (บริษัทด้านพลังงานสะอาดสัญชาติเดนมาร์ค), TOYOTA Motor Europe NV/SA และ HERAEUS Fuel Cells GMBH ประสานงานโครงการโดย CEA เป้าหมายของโครงการคือพัฒนา PEMFC แบบใหม่ที่มีสมรรถนะสูง, ทนทาน และ MEA มีราคาถูกลงเพราะไม่ใช้โลหะมีค่าเช่นแพลตทินัม (platinum หรือ Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (ดูเพิ่มเติมที่ภาคผนวกท้ายบทความ) สำหรับใช้กับยานยนต์โดยเฉพาะ เพื่อลดราคาของรถยนต์ FCEV และลดแรงกดดันต่อเศรษฐกิจของยุโรปในอนาคตในแง่ที่ต้องพึ่งพิงโลหะมีค่าที่มีแหล่งอยู่ในภูมิภาคอื่น

 

       ที่ผ่านมาสาเหตุสำคัญที่รถยนต์ FCEV มีราคาสูง ก็คือ PEMFC มีราคาแพง จากการที่มูลค่าของ Pt ใน MEA คิดเป็นถึง 55% ของราคา PEMFC ซึ่งราคาของ Pt จะสูงขึ้นอีกได้ (ราคาของ Pt ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 998 บาท/กรัม) ด้วยปริมาณสำรองมีอยู่เพียง 40 ปีสำหรับอัตราการใช้ในปัจจุบัน ที่แย่งกันใช้ในหลายอุตสาหกรรมเช่นอุตสาหกรรมเครื่องประดับ, อุตสาหกรรมเคมี, อุตสาหกรรมรถยนต์ ICE, อุตสาหกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น แต่ประมาณ 80% ของ Pt ที่ใช้กันอยู่ในโลกมีที่มาจากประเทศแอฟริกาใต้แห่งเดียว

 

       ทั้งนี้มีผู้ประเมินไว้ว่าปริมาณ Pt ใน FC stack ของรถยนต์ FCEV จะต้องลดลงให้เหลือไม่มากกว่า 20 กรัม / 1 FC stack ถึงจะมีโอกาสทางธุรกิจที่เกิดการขายรถยนต์ FCEV ชนิดเป็นล่ำเป็นสัน และจะดียิ่งขึ้นถ้าลดลงได้เหลือเท่ากับที่มีอยู่ใน catalytic converter (มีหน้าที่ลดปริมาณสารไฮโดรคาร์บอนจากเครื่องยนต์สันดาปภายในก่อนปล่อยออกทางท่อไอเสีย) ของรถยนต์ ICE คือประมาณ 3-7 กรัม

 

 

รูปที่ 8 แสดงความมุ่งมั่นของสหภาพยุโรปที่จะลดการใช้แพลตทินัมใน PEMFC ให้เหลือ 0.05 กรัมต่อกำลังผลิต 1 กิโลวัตต์ หรือเทียบเท่ากับ 5.7 กรัมใน FC stack ของรถยนต์ EV เช่น Toyota Mirai (ดูเพิ่มเติมที่ภาคผนวกท้ายบทความ)  (ซ้าย) และ (ขวา) เพิ่มสมรรถนะของ PEMFC ให้ถึง 2 วัตต์ต่อ 1 ตารางเซนติเมตรของพื้นที่ใช้งานของ MEA เมื่อถึงปีพ.ศ. 2573 โดยที่ขณะนี้ (พ.ศ. 2560) ค่าทั้งสองของ PEMFC ที่โครงการต่างๆของ FCH JU บรรลุแล้วคือน้อยกว่า 0.35 g/kW (เทียบเท่ากับ 34.2 กรัม / 1 FC stack) และ 1.13 W/cm2 ตามลำดับ (ที่มารูป: https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/FCH%202%20JU%20Annual%20Activity%20Report%202018%20-%20%28ID%206079970%29.pdf.pdf)

 

       โครงการที่ห้าเรียกว่า Zefer Project (ย่อมาจาก Zero Emission Fleet vehicles for European Roll-out) เป็นโครงการมูลค่า 26 ล้านยูโร (ประมาณ 874 ล้านบาท) ที่ได้รับการสนับสนุนงบประมาณจาก FCH JU 5 ล้านยูโร (ประมาณ 168 ล้านบาท) เพื่อทดสอบและสาธิตการนำรถ FCEV จำนวน 170 คันมาใช้เป็นรถแท็กซี่ และรถรับจ้างส่วนบุคคลในกรุงลอนดอน, กรุงปารีส และกรุงบรัสเซลส์ และอีก 10 คันนำมาใช้เป็นรถตำรวจของกรุงลอนดอน เพราะมีข้อดีเด่น 3 ประการคือวิ่งได้ระยะทางไกล (ประมาณ 480 กิโลเมตร), ใช้เวลาเติมแก๊สไฮโดรเจนสั้นประมาณเท่ากับเติมน้ำมันให้รถยนต์ ICE และไม่ปลดปล่อยสารมลพิษใดๆ จึงเหมาะกับการนำมาใช้ในเมืองใหญ่ที่มีการจราจรหนาแน่นเพื่อช่วยลดการเกิดมลพิษทางอากาศ (การจราจรของเขาสาหัสสากรรจ์น้อยกว่ากรุงเทพมหานครมาก แต่เขาก็คิดเตรียมการตั้งแต่เนิ่นๆแล้ว ทำไมเขาบริหารจัดการสังคมแบบ “ล้อมคอกก่อนวัวหาย” ได้ แต่ของเราเป็นแบบ “วัวหายล้อมคอก” อยู่เสมอ) บริษัท Green Tomato Cars ที่ให้บริการรถแท็กซี่อยู่ในกรุงลอนดอนและปริมณฑล ซึ่งเข้าร่วมกับโครงการนี้ด้วย ในปีพ.ศ. 2561 ได้เพิ่มจำนวนรถแท็กซี่ขึ้นอีก 27 คันที่ล้วนเป็นรถ Toyota Mirai รถพวกนี้จะถูกใช้งานทั้งวันทั้งคืน จึงเป็นการทดสอบและสาธิตที่ดีมาก จากการประเมินจากรถ 27 คันนี้ ที่ถูกใช้งานคิดเป็นระยะทางรวม 1.6 ล้านกิโลเมตร ให้บริการผู้โดยสารจำนวนรวม 80,000 คน ปรากฏผลว่ารถแท็กซี่เหล่านี้ช่วยยับยั้งการปลดปล่อยแก๊ส CO2 ได้ถึง 7.6 ตัน / คัน ทางโครงการ Zefer หวังว่าตัวอย่างที่ดีนี้จะขยายไปสู่เมืองอื่นๆในยุโรปต่อไป

 

 

รูปที่ 9 นาย Jonny Goldstone ผู้ก่อตั้งและ CEO ของบริษัท Green Tomato Cars ให้สัมภาษณ์ว่าพอใจมากกับประสิทธิผลของขบวนรถแท็กซี่ Toyota Mirai และได้พบว่าคนขับและผู้โดยสารต่างก็เกิดความรู้สึกที่ดีจากการที่มีส่วนในการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม นอกจากนั้นยังเป็นการสร้างการตระหนักรู้ของประชาชนที่ดีมากเรื่องความพยายามเปลี่ยนผ่านไปสู่สังคมและเศรษฐกิจที่ใช้พลังงานสีเขียว (green energy) ของสหภาพยุโรป เพราะผู้ใช้บริการมักสนใจใคร่รู้ว่ารถนี้ต่างจากรถทั่วไปอย่างไร คนขับที่ถูกฝึกมาให้เป็นแอมบาสซาเดอร์ของโครงการด้วยก็จะช่วยประชาสัมพันธ์ถึงข้อดีต่างๆ (ที่มารูป: https://zefer.eu/uncategorised/greener-cars-for-green-tomato/)

 

5. บทส่งท้าย

       

       เซลล์เชื้อเพลิงถูกประดิษฐ์ขึ้นมาใช้งานจริงจังตั้งแต่เมื่อปีพ.ศ. 2503 คือบริษัท General Electric เป็นผู้พัฒนา PEMFC ขึ้นมาเป็นครั้งแรกเพื่อให้องค์การ NASA นำไปใช้ในโครงการยานอวกาศ Gemini หลังจากนั้น NASA ก็ใช้เซลล์เชื้อเพลิงในอีกหลายโครงการอวกาศต่อมาเพื่อผลิตไฟฟ้าใช้ภายในยานอวกาศ ในขณะเดียวกับที่ผลิตน้ำดื่มให้กับนักบินอวกาศ ประมาณช่วงปีพ.ศ. 2523-2532 สหรัฐอเมริกาเริ่มนำเซลล์เชื้อเพลิงไปใช้ในเรือดำน้ำด้วย เหตุผลสำคัญหนึ่งก็คือความเงียบเพราะเซลล์เชื้อเพลิงไม่มีส่วนใดที่เคลื่อนไหว สหภาพโซเวียตก็เหมือนกันที่พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้ในด้านการทหารและโครงการอวกาศ นั่นคือเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงถือได้ว่าเป็นศักย์สงครามอย่างหนึ่ง แต่ในแง่ของการนำมาใช้กับสินค้าอุปโภคบริโภค เซลล์เชื้อเพลิงจะล้าหลังแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เกิดขึ้นทีหลังประมาณ 25 ปี  แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงได้รับความสนใจมากกว่าในห้วงเวลาที่ผ่านมา ดังนั้นเพื่อการนำมาใช้ในชีวิตประจำวันอย่างจริงจังในราคาที่จับต้องได้คงต้องให้เวลากับการ RTD ของเซลล์เชื้อเพลิงและเทคโนโลยีไฮโดรเจนไปอีกสักระยะ ขณะนี้ไม่ใช่แต่เพียงสหภาพยุโรปดังที่เล่ามา แต่ยังมีอีกหลายประเทศที่กำลังลงทุนค้นคว้าวิจัยในเทคโนโลยีไฮโดรเจน/เซลล์เชื้อเพลิงกันอยู่อย่างขะมักเขม้น เช่นออสเตรเลีย [4] และญี่ปุ่น [5,6] เป็นต้น ตอนนี้จึงยังเร็วเกินไปที่จะฟันธงว่าระหว่างเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกับเทคโนโลยีไฮโดรเจน /เซลล์เชื้อเพลิง ใครเหนือกว่ากัน

 

       แต่ถ้าดูดีๆที่ รูปที่ ผ2(ข) จะเห็นว่าในรถยนต์ FCEV จะต้องมีแบตเตอรี่อยู่ด้วย (หมายเลข 3 ในรูป) ทั้งนี้ก็เพื่อการตอบสนองที่รวดเร็วทันอกทันใจคนขับ และช่วยเก็บสะสมพลังงานที่ได้คืนกลับมาตอนเบรคจากระบบ Regenerative Breaking ซึ่งเป็นจุดเด่นของรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้มอเตอร์ ที่รถยนต์ ICE ทำไม่ได้ บางคนจึงกล่าวว่าที่ถูกแล้วต้องเรียกรถยนต์ FCEV ว่า FCHEV (fuel cell hybrid electric vehicle) นั่นคือแบตเตอรี่กับเซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่คู่แข่งกัน แต่ที่แท้เป็นคู่มิตรที่เสริมส่งซึ่งกันและกัน

 

       สำหรับประเทศไทยทางการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทยได้เริ่มไว้แล้ว (รูปที่ 10) ซึ่งควรขยายผลต่อไปในวงที่กว้างขึ้น เช่นร่วมมือกับกรุงเทพมหานคร, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน กระทรวงพลังงาน และหน่วยงานอื่นที่เกี่ยวข้อง สนับสนุนส่งเสริมและสาธิตการใช้รถยนต์ไฟฟ้าในกรุงเทพมหานครให้มากขึ้นๆ เพื่อเป็นการลดปริมาณฝุ่นมลพิษ PM และแก๊สเรือนกระจกอย่างยั่งยืน อาจเริ่มด้วยการค่อยๆเปลี่ยนรถขนขยะของกทม., รถเมล์ของขสมก., หรือรถส่งของขนาดเล็กในกทม.และปริมณฑล (ของธุรกิจจำพวก 7-Eleven, KERRY, Grab, foodpanda ฯลฯ) เป็นรถไฟฟ้า แต่ขอช่วย R&D และคิดสร้างเองบ้าง อย่าเอาแต่ซื้อเขามาลูกเดียว จะมีศักดิ์ศรีอะไรถ้าต้องยืมจมูกคนอื่นเขาหายใจอยู่ร่ำไป (เมื่อวันที่ 17 มกราคม พ.ศ. 2562 ที่นครอุตสาหกรรมอุลซาน ประธานาธิบดี มุน แจ-อินแห่งเกาหลีใต้ได้ประกาศการปรับเปลี่ยนโฉมหน้าประเทศไปสู่ Hydrogen Economy [7]  บางเป้าหมายของนโยบายนี้ได้แก่ ในปีพ.ศ. 2565 เกาหลีใต้จะผลิตรถยนต์ FCEV ออกมา 81,000 คัน และจะมีรถบัสโดยสารพลังไฮโดรเจนให้บริการจำนวน 2,000 คัน ในปีพ.ศ. 2573 จะเพิ่มการผลิตรถยนต์ FCEV ขึ้นเป็น 1.8 ล้านคัน และจะมีรถบัสโดยสารพลังไฮโดรเจนให้บริการเพิ่มเป็น 41,000 คันเมื่อถึงปีพ.ศ. 2583 โดยเมื่อถึงตอนนั้นจะมีปั๊มเติมแก๊สไฮโดรเจน 1,200 แห่งทั่วประเทศ [8])

 

     

 

รูปที่ 10 (ซ้าย) โรงไฟฟ้าลำตะคองชลภาวัฒนาที่ จ. นครราชสีมา ซึ่งที่อ่างพักน้ำบนเขายายเที่ยงเป็นที่ตั้งของโรงไฟฟ้าไฮบริด "กังหันลม-ไฮโดรเจน" ที่ใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากกังหันลม 12 ตัว (ราคารวม 1,407 ล้านบาท) ไปผลิตแก๊สไฮโดรเจนที่เก็บรักษาไว้ในถังเก็บกัก ต่อเมื่อมีความต้องการใช้ไฟฟ้าจะนำแก๊สไฮโดรเจนจากถังไปป้อนเซลล์เชื้อเพลิง (ราคา 234 ล้านบาท) เพื่อผลิตไฟฟ้าขนาด 300 กิโลวัตต์ (kW)  ซึ่งนับว่าเป็นการเก็บกักพลังงานแบบไฮบริดจากพลังงานลมแห่งแรกในเอเชีย (กำลังการผลิตของโรงไฟฟ้าถ่านหินแม่เมาะที่จ.ลำปางคือ 2,625,000 กิโลวัตต์) (ขวา) เครื่องทำก๊าซไฮโดรเจนที่ได้พลังงานไฟฟ้าจากกังหันลม โครงการนี้เริ่มผลิตไฟฟ้าได้เมื่อปีพ.ศ. 2560 (ที่มารูป: https://www.thaipost.net/main/detail/7103)

 

ภาคผนวก: หลักการทำงานโดยสังเขปของ PEMFC

 

       เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานศักย์ที่อยู่ในพันธะทางเคมี ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เซลล์เชื้อเพลิงชนิด PEM (polymer electrolyte membrane หรือ proton exchange membrane) ซึ่งต่อไปจะเรียกสั้นๆว่า PEMFC มีหลักการทำงานโดยสังเขปสรุปอยู่ในรูปที่ ผ1 แผ่น PEM ที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็ง (solid electrolyte) เป็นแผ่นพอลิเมอร์สังเคราะห์ประเภทเดียวกับเทฟลอน (เช่นผลิตภัณฑ์ Nafion® ของบริษัท DuPont, Flemion® ของบริษัท Asahi Glass, Aciplex® ของบริษัท Asahi Chemical เป็นต้น) แผ่น PEM ยังมีสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าในแง่ที่ไม่ยอมให้ anions หรืออิเล็กตรอนผ่าน รวมถึงไม่ยอมให้แก๊สผ่านด้วย ยอมให้ผ่านได้แต่อนุภาคโปรตอน (proton) แต่เพื่อให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ แผ่น PEM ต้องถูกประกบอยู่ตรงกลางระหว่างชั้น Pt ที่ฝังอยู่ในแผ่นผ้าคาร์บอนที่ไฟฟ้า (กระแสอิเล็กตรอน), น้ำ, แก๊ส และความร้อนผ่านได้ (เช่นผลิตภัณฑ์ ELAT ของ NuVant) โดยการอัดด้วยความร้อนให้เป็นชิ้นเดียวกัน เรียกทั้งชิ้นนี้ว่า membrane electrode assembly (MEA) ถ้าด้านหนึ่งของแผ่น MEAเป็นแอโนด (anode, -) อีกด้านก็จะเป็นแคโทด (cathode, +)

 

     

 

รูปที่ ผ1 (ซ้าย) ภาพวาดอย่างง่ายเมื่อมองจากทางด้านสันของ PEMFC ขนาด 1 เซลล์ (single cell) แสดงส่วนประกอบและหลักการทำงานที่สำคัญๆ (ไม่ได้วาดตามสัดส่วนที่แท้จริง เช่นแผ่น PEM ของจริงจะบางกว่า ครึ่งมิลลิเมตร) เมื่อ (ขวา) คือภาพขยายตรงบริเวณกรอบสีชมพูของรูปด้านซ้ายมือ  (GDL = gas diffusion layer) (ดัดแปลงจาก: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton_Exchange_Fuel_Cell_Diagram.svg และ https://www.wikiwand.com/en/Membrane_electrode_assembly)

 

       แก๊สไฮโดรเจน (H2) ซึ่งเป็นแก๊สเชื้อเพลิงจะถูกอัดเข้าทางด้านแอโนดผ่านไปถึง Pt ที่อยู่ชิดกับแผ่น PEM ส่วนแก๊สออกซิเจน (O2) ซึ่งเป็นตัวออกซิไดส์ (oxidant) จะถูกอัดเข้าทางด้านแคโทดจนผ่านเข้าไปถึง Pt ที่อยู่ชิดกับอีกด้านหนึ่งของแผ่น PEM ในขณะที่ทางฝั่งแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของโฮโดรเจนขึ้น คือการขาดสะบั้นของพันธะไฮโดรเจน-ไฮโดรเจน โดยมี Pt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ที่สรุปเป็นสมการของผลลัพธ์สุดท้ายได้ว่า

 

H2  -------> 2H+ + 2e-                                                                    (1)

 

       โดย H+ (cation) ซึ่งก็คืออนุภาคโปรตอนนั่นเอง จะเคลื่อนที่ทะลุไปอีกฝั่งของแผ่น PEM ส่วนอิเล็กตรอนอิสระ (e-) วิ่งตามไปด้วยไม่ได้ดังกล่าวแล้ว อิเล็กตรอนจึงจำต้องใช้เส้นทางอ้อมโดยเคลื่อนที่ออกจากแผ่นแอโนดสู่วงจรภายนอก ผ่านโหลด (load เช่นหลอดไฟ) แล้วไปครบวงจรที่แคโทด

 

       ขณะเดียวกันนั้นทางฝั่งแคโทดจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน โดยมี Pt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเมื่อรวมกับโปรตอนและอิเล็กตรอนที่มาถึง  ในที่สุดเกิดผลลัพธ์ดังนี้

        ½ O2 + 2H+ + 2e- -------> H2O                                                              (2)

สรุปได้ว่า PEMFC ทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่อไปนี้

 

       แก๊สไฮโดรเจน + แก๊สออกซิเจน -------> กระแสไฟฟ้า (กระแสอิเล็กตรอน) + น้ำ       (3)

 

นั่นก็คือ PEMFC เป็นเครื่องผลิตไฟฟ้าที่สะอาดมาก (ปลดปล่อยออกมาแต่น้ำ) ที่อาศัยการผสมแก๊สไฮโดรเจน (พาหะของพลังงาน) กับแก๊สออกซิเจน (ในอากาศ)

 

          ว่าไปแล้วกระบวนการที่เกิดขึ้นใน PEMFC ดังกล่าวมาข้างต้นก็คือกระบวนการ Electrolysis ของน้ำแบบย้อนกลับนั่นเอง ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายที่เกิดขึ้นจัดว่าเป็น electrochemical reaction ที่มีเนื้อหาอยู่ในแขนงวิชา Electrochemistry ของวิชา Physical Chemistry ซึ่งมีความใกล้ชิดกับวิชาฟิสิกส์อย่างมาก

 

          โดยทั่วไป PEMFC ขนาด 1 เซลล์จะสร้างความต่างศักย์ได้ไม่เกิน 1 โวลต์ ซึ่งต่ำเกินไปสำหรับการนำไปใช้งาน จึงต้องนำหลายๆเซลล์มาเรียงซ้อนกันอย่างอนุกรม (series) เพื่อให้ได้ความต่างศักย์สูงขึ้น ก็เหมือนกับการนำถ่านไฟฉายขนาด 1.5 โวลต์ จำนวน 2 หรือ 4 ก้อน ฯลฯ ใส่เข้าไปในกระบอกไฟฉายนั่นเอง PEMFC ที่ประกอบขึ้นจากเซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์เรียงซ้อนกันดังกล่าวเรียกว่า fuel cell stack หรือบางที่ก็เรียกสั้นๆว่า stack (รูปที่ ผ2)

 

     

 

รูปที่ ผ2 (ก) ภาพวาดแยกชิ้นส่วนแสดงลักษณะภายในของ fuel cell stack ที่ประกอบจาก 3 เซลล์เดี่ยว ซึ่งเมื่ออัดประกบเข้าด้วยกันแล้วจะมีรูปร่างดังรูปบนสุด โดย plate (L) และ (R) ในรูปนี้ทำหน้าที่กระจายแก๊สออกซิเจนและไฮโดรเจนให้ทั่วผิวหน้าแต่ละด้านของ MEA รวมถึงการระบายน้ำที่เกิดขึ้น ในวงการนี้เรียกว่าแผ่น bipolar plate (ที่มารูป: https://www.researchgate.net/figure/Schematics-of-a-fuel-cell-stack-operation-and-components_fig2_309898224/actions#caption)

 

 

รูปที่ ผ2(ข) หมายเลข 1 คือ fuel cell stack ของรถ Toyota Mirai (Mirai แปลว่าอนาคต, วางตลาดในปีพ.ศ. 2557 เป็นรถ FCEV ที่ขายดีที่สุดในโลก) ประกอบด้วย PEMFC 370 เซลล์เดี่ยว โดยแต่ละเซลล์หนาและหนัก 1.34 มิลลิเมตร กับ 102 กรัมตามลำดับ กำลังผลิตสูงสุดของ stack คือ 114 กิโลวัตต์ มีขนาด 0.037 ลบ.เมตร (ประมาณเท่ากับกระเป๋าเดินทางใบใหญ่ 1 ใบ) หนัก 56 กิโลกรัม (น้ำหนักของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Model S คือ 540 กิโลกรัม) มีถังบรรจุแก๊สไฮโดรเจน (หมายเลข 4) 2 ใบ มีปริมาตรภายในรวม 122.4 ลิตร และมีน้ำหนักรวม 87.5 กิโลกรัม แต่ละถังทนแรงดันสูงสุด 875 bar แต่แนะนำแรงดันใช้งานที่ 700 bar ซึ่งคิดเป็นน้ำหนักไฮโดรเจนรวมประมาณ 5 กิโลกรัม (ที่มารูป: https://cyberparse.tumblr.com/post/133287429032/toyota-mirai-review-a-futuristic-super-smooth-hydrogen-f)

 

เอกสารอ้างอิง

 

  1. การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย, ที่เว็บไซต์: https://www.egat.co.th/index.php?option=com_content&view=article&id=2455&Itemid=116  และ https://www.egat.co.th/index.php?option=com_content&view=article&id=1898:201703
  2. “ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์”, คอลัมน์: ฟิสิกส์ในชีวิตประจำวัน/อนาคต, ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์, ที่เว็บไซต์: https://www.thep-center.org
  3. “The Role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles”, A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis, หน้า 28, ที่เว็บไซต์: https://www.fch.europa.eu/sites/default/files/documents/Power_trains_for_Europe.pdf
  4. “Australia’s National Hydrogen Strategy”, COAG Energy Council, 2019, ที่เว็บไซต์: https://www.industry.gov.au/sites/default/files/2019-11/australias-national-hydrogen-strategy.pdf
  5. Shigeki Iida and Ko Sakata, “Hydrogen technologies and developments in Japan”, Clean Energy, Vol. 3, Issue 2, June 2019, หน้า 105–113, ที่เว็บไซต์: https://academic.oup.com/ce/article/3/2/105/5487130
  6. Kazunari Sasaki, “Industry-Academia-Government Collaborations for Wide-spread Implementation of Hydrogen Technologies”, ที่เว็บไซต์: https://www.icef-forum.org/pdf2019/program/cs3/Presentation_Kazunari_Sasaki.pdf
  7. “Remarks by President Moon Jae-in at Presentation for Hydrogen Economy Roadmap and Ulsan’s Future Energy Strategy”, 17 January 2019, http://english1.president.go.kr/briefingspeeches/speeches/110
  8. “Korean Government Announces Roadmap to Become the World Leader in the Hydrogen Economy”, FuelCellsWorks, 17 January 2019, ที่เว็บไซต์: https://fuelcellsworks.com/news/korean-government-announces-roadmap-to-become-the-world-leader-in-the-hydrogen-economy/

บทความย้อนหลัง

โควิด-19 กับบทบาทของฟิสิกส์


Geant4-DNA simulation of radiation effects in DNA on strand breaks from ultra-low-energy particles


เทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิง: เทคโนโลยีพลังงานสะอาดและยั่งยืน


คอมพิวเตอร์ควอนตัม: นวัตกรรมสุดล้ำที่จะพลิกโฉมธุรกิจและสังคมทศวรรษหน้า


Transportation Revolution: The transition from fossil fuels to electricity for powering vehicles-advantages, issues, and other transportation options


S&T กับปาฏิหาริย์บนฝั่งแม่น้ำฮัน


การใช้ S&T พัฒนาเศรษฐกิจของชาติ: ตัวอย่างจากสิงคโปร์


มาถึงจุดนี้ได้อย่างไร?


การเป็นผู้นำตลาดของกระจกกอริลลา


เนเธอร์แลนด์กับเทคโนโลยีระดับโมเลกุลและนาโน


เบื้องหลังรางวัลจากการ R&D ผลึกเหลว


รถยนต์ไฟฟ้ากับระบบทำความเย็นแบบใหม่


เทคโนโลยีไมโครเวฟเพื่อชุมชนและ SME


ไมโครฟลูอิดิกส์...จากฟิสิกส์ของของไหลในท่อขนาดเล็กจิ๋วสู่นวัตกรรมการวินิจฉัยโรค


รางวัลนวัตกรรมยอดเยี่ยมประจำปี 2015 ของ IOP


บทเรียนจากการปฏิวัติอุตสาหกรรมการให้แสงสว่าง


รางวัลการประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2015


การทำงานด้านฟิสิกส์ : ทำไมไม่เลือกทั้งคู่


นักฟิสิกส์ที่ภาคอุตสาหกรรมต้องการ


รางวัล การประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2012 (Price for Industrial Applications of Physics)


รางวัล การประยุกต์ด้านฟิสิกส์เพื่ออุตสาหกรรม ประจำปี 2010 (Price for Industrial Applications of Physics)


บทความทั้งหมด