ไฮโดรเจนหรือ แบตเตอรี่

โดย 0000000

ลองนึกถึงรถที่ปล่อยไอเสียออกมาเป็นน้ำเท่านั้น การเติมเชื้อเพลิงก็ใช้เวลาไม่กี่นาที แถมคุณไม่ต้องกังวลว่า ราคาเชื้อเพลิงสูงขึ้นหรือไม่ เพราะรถคันนี้ใช้พลังงานจากสสารที่พบได้ทั่วไปในเอกภพอย่าง “ไฮโดรเจน”

รถคันนี้ยังเสียยากเพราะมอเตอร์ไฟฟ้าของมันประกอบด้วยชิ้นส่วนเคลื่อนที่ได้จำนวนน้อยกว่าเครื่องยนต์สันดาป ซึ่งมีทั้งลูกสูบ วาล์ว และชุดเฟือง มันแล่นได้ไกลกว่าเมื่อใช้เชื้อเพลิง 1 ลิตรเท่ากัน และยังไม่มีเสียงมอเตอร์รบกวนในห้องโดยสารด้วย รถยนต์พลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นทางออกของปัญหา การขนส่งทั้งในเรื่องของการสิ้นเปลืองน้ำมันและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ผู้ผลิตหลายรายเริ่มขายรถยนต์ไฮโดรเจนที่มีความปลอดภัยมากขึ้น พร้อมตั้งสถานีเติมเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเหล่านี้เองที่ทำให้รถยนต์พลังงานไฮโดรเจนเป็นที่นิยมในหมู่ผู้ใช้รถที่ต้องการทางเลือกใหม่

ปฏิกิริยาธรรมดาพารถแล่นฉิว

รถยนต์ไฮโดรเจนใช้พลังงานจากกระแสไฟฟ้าที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) ซึ่งมีจุดเด่นเหนือกว่าน้ำมันตรงที่ไม่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์และอนุภาคขนาดเล็กที่เป็นอันตรายออกมา

อะตอมไฮโดรเจนในเซลล์เชื้อเพลิงจะถูกแยกออกเป็นไอออนที่มีประจุและอิเล็กตรอน ซึ่งจะผลิตกระแสไฟให้กับมอเตอร์ไฟฟ้า ขณะเดียวกันก็จะสูบออกซิเจนจากอากาศภายนอกเข้ามา และทำให้ไอออนไฮโดรเจนรวมตัวกับไอออนของออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ ซึ่งเป็นของเสียเพียงชนิดเดียวจากกระบวนการนี้ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นดูธรรมดาและไม่มีอันตราย อีกทั้งยังใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ารถยนต์ในอดีต

ไฮโดรเจนเป็นตัวเก็บพลังงานชั้นดี

ประเด็นที่ยังคงเป็นคำถามในธุรกิจรถยนต์ไฮโดรเจนคือ ความสามารถในการเก็บพลังงานไฮโดรเจนจุพลังงานไว้ 120 เมกะจูล/กิโลกรัม ขณะที่เบนซินทำได้เพียง 44 เมกะจูล และ 2-3 เมกะจูล สำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ที่เติมไฮโดรเจนเต็มถัง จึงวิ่งได้ไกลถึง 600-700 กิโลเมตร ซึ่งเทียบได้กับรถที่ใช้น้ำมันเบนซินและแซงหน้ารถที่ใช้แบตเตอรี่ ในทางทฤษฎีรถยนต์ไฮโดรเจนวิ่งได้ไกลกว่านี้มาก แต่เนื่องจากไฮโดรเจนมีสถานะเป็นก๊าซ จึงต้องใช้พื้นที่จัดเก็บมากกว่ารถที่เติมน้ำมัน

ความสามารถในการกักเก็บพลังงานต่อมวล (Energy Density) ของไฮโดรเจนบ่งบอกได้ว่า ก๊าซชนิดนี้นำไปใช้กับสิ่งอื่นนอกจากรถยนต์ได้อีก ผู้เชี่ยวชาญมองว่าไฮโดรเจนจะมีบทบาทในการเก็บพลังงานส่วนที่เหลือจากชุมชน ซึ่งเกิดจากการผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานที่ควบคุมปริมาณแน่นอนไม่ได้ เช่น แสงอาทิตย์ ลม เป็นต้น

ในปี 2016 นักวิทยาศาสตร์จากสแตนฟอร์ดทดสอบวิธีจัดเก็บพลังงานส่วนเกินจากแสงอาทิตย์ในรูปของไฮโดรเจน วิธีผลิตไฮโดรเจนที่นิยมใช้กันคือ วิธีการอิเล็กโทรไลซิส น้ำประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน 2 ส่วน และอะตอมออกซิเจน 1 ส่วน ปรากฏในสูตรเคมี H2O เมื่อจุ่มขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วลงในอ่างน้ำและผ่านกระแสไฟฟ้าลงไป กระแสไฟจะแยกน้ำออกไปเป็นไฮโดรเจนไอออนและออกซิเจน ไฮโดรเจนไอออนส่วนหนึ่งจะกระจุกตัวรอบขั้วไฟฟ้า และจับคู่กันเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน (H2) เกิดเป็นฟองก๊าซผุดขึ้นจากน้ำและลอยเข้าไปเก็บไว้ในถังพักขนาดใหญ่ วิธีนี้ช่วยให้เห็นว่าการนำอ่างอิเล็กโทรไลซิสขนาดใหญ่มาประกอบเข้ากับชุดเซลล์สุริยะ เพื่อนำพลังงานส่วนเกินมาผลิตเป็นไฮโดรเจนเป็นเรื่องที่ทำได้ นักวิทยาศาสตร์จากสแตนฟอร์ดเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้อยู่ในรูปไฮโดรเจนได้แล้วถึงร้อยละ 30 มากกว่าการทดลองก่อนหน้านี้ถึง 2 เท่า

วิธีดังกล่าวจะเป็นประโยชน์มาก ทุกวันนี้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสมีต้นทุนสูง วิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ง่ายกว่านั้นคือ การแยกก๊าซธรรมชาติจากใต้ดิน ซึ่งมีก๊าซมีเทน (CH4) เป็นส่วนประกอบพื้นฐานให้กลายเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เล็กลงโดยอาศัยไอน้ำ แม้การแยกมีเทนด้วยไอน้ำลดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ได้ครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับเบนซินหรือดีเซล แต่ก็ต้องใช้พลังงานปริมาณมาก ทำให้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่ค่อยเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เข้าถึงโครงข่ายไฮโดรเจนได้จากทุกที่

อีกความท้าทายของการนำไฮโดรเจนมาใช้งานจริง คือปัญหาเรื่องโครงสร้างพื้นฐาน เพราะสถานีเติมไฮโดรเจนที่ยังมีไม่พอ หรือแม้แต่จุดชาร์จไฟของรถยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่ อย่างไรก็ดี ไม่กี่ปีมานี้บริษัทผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้สร้างสถานีเติมไฮโดรเจนกระจายทั่วโลก ข้อแตกต่างของรถยนต์ไฮโดรเจนคือมันไม่จำเป็นต้องมีสถานีเติมก๊าซเยอะเท่าสถานีชาร์จแบตเตอรี่ของรถไฟฟ้า เพราะเชื้อเพลิงเต็มถังจะพารถแล่นไปได้ไกลกว่าแบตเตอรี่ราว 2 เท่า

ยอดขายรถยนต์ไฮโดรเจนทั่วโลกเริ่มสูงขึ้นตั้งแต่ปี 2013 รถยนต์ไฮโดรเจนขายได้แล้วราว 6,500 คัน ยอดขายเฉพาะปี 2017 เพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ญี่ปุ่นตั้งเป้าที่จะมีรถยนต์ไฮโดรเจนใช้ไม่น้อยกว่า 4 หมื่นคัน ในปี 2020 ซึ่งญี่ปุ่นจะเป็นเจ้าภาพจัดการแข่งขันกีฬาโอลิมปิก โดยมีแผนการใช้เฉพาะรถยนต์ไฮโดรเจนเท่านั้นในการขนส่งทั้งหมด

เมื่อใดก็ตามที่สถานีเติมก๊าซไฮโดรเจนมีปริมาณที่เหมาะสมและเชื่อมโยงการเดินทางจากทุกจุดเข้าหากันได้ ความต้องการใช้งานรถยนต์ไฮโดรเจนก็จะเพิ่มขึ้น ข้อมูลจากโครงการ Hydrogen Mobility Europe ระบุว่า การเดินทางจากสตอกโฮล์มไปยังอิตาลีด้วยรถยนต์ไฮโดรเจนจะเป็นจริงได้ภายในปี 2020 นอกจากนี้ผลการวิเคราะห์จากบริษัท Information Trends แสดงให้เห็นว่า รถยนต์ไฮโดรเจนจะเป็นตลาดรถยนต์ที่เติบโตเร็วที่สุดในโลกนับตั้งแต่ปี 2050 เป็นต้นไป

คุณออกจากบ้านพร้อมไปทำงาน ก้าวขึ้นรถยนต์พลังงานแบตเตอรี่ ซึ่งติดตามค่าไฟฟ้าตลอดคืนและชาร์จไฟเข้าเฉพาะช่วงที่ค่าไฟถูกที่สุดเท่านั้น โดยพลังงานเกือบทั้งหมดมาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ซึ่งผลิตไฟฟ้าเฉพาะในช่วงที่มีแสงแดดหรือลมแรง จึงทำให้มันมีราคาผันผวน คอมพิวเตอร์ในรถจะอัพเดทข้อมูลกำลังไฟกับโครงข่ายการไฟฟ้าแบบนาทีต่อนาที

หากรถยนต์แบตเตอรี่เป็นที่นิยม พวกมันอาจสื่อสารกับโครงข่ายการไฟฟ้าได้ด้วย รถยนต์จะทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้าจากการหมุนของล้อ แบตเตอรี่รถยนต์จะชาร์จไฟเมื่อกระแสไฟฟ้าในโครงข่ายมีมากพอ หากเกิดขาดแคลน รถยนต์ก็จะแล่นโดยไม่ชาร์จไฟเพื่อสำรองไฟฟ้าสำหรับสิ่งที่จำเป็น

แบตเตอรี่ดีต่อทุกภาคส่วน

ข้อมูลวิเคราะห์การเงินระบุว่าในปี 20401 ใน 3 ของรถยนต์ทั่วโลกจะใช้แบตเตอรี่ขับเคลื่อน หลายปีที่ผ่านมารถยนต์ไฮบริด ซึ่งใช้พลังงานจากทั้งแบตเตอรี่และเชื้อเพลิงเป็นทางออกชั่วคราวจนกว่าแบตเตอรี่จะดีพอที่จะเป็นแหล่งพลังงานเพียงหนึ่งเดียว ทว่าในเดือน เม.ย. 2017 ยอดจำหน่ายรถยนต์ในยุโรปที่ใช้แบตเตอรี่อย่างเดียวพุ่งขึ้น รวดเร็วพอกับยอดจำหน่ายรถยนต์ไฮบริด

ข้อดีของรถไฟฟ้ามีมากมาย ประการแรกคือ มลพิษที่ปล่อยออกมาน้อยมาก ซึ่งนับรวมถึงขั้นตอนการผลิตแบตเตอรี่ด้วย ประการที่ 2 การปรับใช้งานกับโครงสร้างพื้นฐานที่ไม่ต้องเปลี่ยนอะไรมาก ต่างกับรถยนต์ไฮโดรเจน เพราะใช้กระแสไฟจากโครงข่ายการไฟฟ้าที่มีอยู่เดิมได้เลย

ระยะทางคือปัญหาหลัก

ตรงกันข้าม จุดอ่อนของรถยนต์พลังงานแบตเตอรี่ ก็คือตัวแบตเตอรี่ที่มีน้ำหนักมาก ใช้เวลาชาร์จนานและเก็บพลังงานต่อมวลได้ค่อนข้างต่ำ หรือหนักไปเมื่อเทียบกับพลังงานที่ควรจุได้

แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดตอนนี้บรรจุไว้ในรถยนต์เทสลาโมเดล S ซึ่งแพงที่สุดในตลาดคันหนึ่งตัวแบตเตอรี่ใช้พื้นที่ช่วงล่างของรถเกือบทั้งหมดและหนักราว 550 กิโลกรัม (รถทั้งคันหนักราว 2,000 กิโลกรัม) ระยะทางสูงสุดที่วิ่งได้คือ 482 กิโลเมตร น้อยกว่าระยะทางสูงสุดราว 1,000 กิโลเมตร ที่รถใช้น้ำมันรุ่นใหม่แล่นได้ ในรถยนต์แบตเตอรี่ที่ราคาถูกกว่านั้น รถยนต์นิสสันลีฟเดินทางได้ไกลสุดเพียง 170 กิโลเมตร/การชาร์จแต่ละครั้ง นอกจากนี้รถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงปกติยังมีข้อดีเหนือกว่า เพราะเติมน้ำมันได้ทุกที่โดยใช้เวลานิดเดียว ขณะที่รถยนต์เทสลาต้องใช้อุปกรณ์ซูเปอร์ชาร์เจอร์ ซึ่งหากชาร์จไฟเต็มก็ยังใช้เวลาไม่ต่ำกว่า 1 ชั่วโมง/ครั้ง

พลังงานมากขึ้นในพื้นที่ที่ลดลง

แบตเตอรี่ลิเทียมเป็นแบตเตอรี่ชนิดหนึ่งที่นิยมใช้ในรถยนต์ปัจจุบันและผ่านการพัฒนาต่อเนื่องในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา หลักการของมันคืออาศัยการเคลื่อนที่ของไอออนลิเทียมที่มีประจุเป็นบวกผ่านแผ่นโลหะ 2 แผ่น ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าบวกและลบระหว่างแผ่นโลหะทั้งสองมีชิ้นส่วนที่เรียกว่า ตัวแบ่งแยก (Separator) จุ่มอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นของเหลวที่ยอมให้ไอออนของลิเทียมเคลื่อนที่ไป-มาระหว่างขั้วได้ การเคลื่อนที่ของไอออนยังทำให้อิเล็กตรอนที่ขั้วไฟฟ้าวิ่งไป-มา ด้วยตัวแบ่งแยกจะบังคับไม่ให้อิเล็กตรอนวิ่งออกมาในสารละลายอิเล็กโทรไลต์และผลักมันออกจากแบตเตอรี่ เพื่อให้เครื่องยนต์ไฟฟ้าของรถทำงานต่อไป

จำนวนไอออนของลิเทียมที่เคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้าบอกถึงความจุแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเทียมสมัยใหม่จึงไม่ได้มีขั้วไฟฟ้าคู่เดียวแต่จะมีแผ่นโลหะหลายแผ่นวางเรียงกัน หลายปีที่ผ่านมาวิศวกรพยายามบรรจุแผ่นโลหะให้ชิดกันมากที่สุด ทำให้แบตเตอรี่บางลงและจุไฟได้มากกว่าเดิม จะเห็นได้จากสมาร์ทโฟนที่ใช้แบตเตอรี่ชนิดนี้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ เดินมาเกือบถึงจุดที่ไม่สามารถวางแผ่นโลหะและตัวแบ่งแยกในสารละลายลายอิเล็กโทรไลต์ให้ใกล้กันมากกว่านี้ได้แล้ว ผู้เชี่ยวชาญจึงคิดสร้างแบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่แต่ละชั้นของขั้วไฟฟ้ารวมกันอยู่ในวัสดุเพียงชิ้นเดียวได้

แบตเตอรี่ที่เป็นของแข็ง

ทุกวันนี้ความสามารถในการเก็บพลังงานต่อมวลของแบตเตอรี่ลิเทียมที่ดีที่สุดในระดับห้องปฏิบัติการมีค่าอยู่ที่ 3 เมกะจูล/กิโลกรัม แต่นักวิจัยหวังว่าจะทำได้มากกว่านี้อีก 3 เท่า เมื่อแบตเตอรี่โซลิดสเตตเปิดตัว แบตเตอรี่ดังกล่าวจะใช้ของแข็งที่ยอมให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านได้มาแทนที่สารละลาย
อิเล็กโทรไลต์และทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแยกและตัวนำไฟฟ้าไปพร้อมกัน ตัวแบ่งแยกที่ใช้อยู่ตอนนี้หนาประมาณ 20-30 ไมโครเมตร แต่เทคโนโลยีโซลิดสเตตจะช่วยย่อลงไปอยู่ที่ 3-4 ไมโครเมตรได้ แบตเตอรี่ชนิดนี้จะทนทานกว่าเดิมเพราะอิเล็กโทรไลต์ในรูปของเหลวแบบเดิมอาจสะสมความร้อนมากไป จนทำให้แบตเตอรี่ลุกติดไฟหรือระเบิดได้

โตโยต้าเปิดเผยเมื่อปี 2017 ว่าบริษัทจะติดตั้งแบตเตอรี่โซลิดสเตตในรถยนต์พลังงานแบตเตอรี่ตั้งแต่ปี 2020 เป็นต้นไป ในขณะที่ค่ายฟิสเกอร์ก็จะตามไปติดๆ ในปี 2023 ข้อมูลจากฟิสเกอร์ระบุว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่บริษัทผลิตขึ้นมาชาร์จไฟเสร็จภายใน 1 นาทีซึ่งเร็วพอๆ กับการเติมน้ำมันของรถยนต์ปกติ นี่จึงเป็นอีกเหตุผลที่ช่วยสนับสนุนให้แบตเตอรี่เข้าไปแทนที่น้ำมันเชื้อเพลิงได้