พลังงานไฟฟ้ายุคใหม่ จากนาโนเทคโนโลยี

โดย...สุพล มนะเกษตรธาร

พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานที่สำคัญและเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวัน การที่จะนำพลังงานไฟฟ้ามาใช้งานนั้นจำเป็นต้องอาศัยอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับใช้จัดเก็บ โดยตัวอย่างอุปกรณ์กักเก็บไฟฟ้าที่เราพบเจอได้ในชีวิตประจำวัน ก็เช่น แบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่เก็บพลังงานในรูปของพลังงานเคมีแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้

แม้จะมีขนาดเล็กสะดวกต่อการพกพา กระนั้นการใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ดังกล่าวก็มีระยะเวลาที่จำกัด ทำให้มีการผลักดันการศึกษาค้นคว้าหาทางออกของพลังงานไฟฟ้าในอนาคต

ทั้งนี้ หนึ่งในทางออกที่สำคัญก็คือนวัตกรรมทางนาโนเทคโนโลยี ซึ่งนำไปใช้ในอุปกรณ์สำหรับการเก็บและเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเคมี เช่น แบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด และเซลล์เชื้อเพลิง ทำให้ได้วัสดุที่เล็กลงมากในระดับนาโนเมตร แต่สามารถเก็บพลังงานได้มากและนานกว่า

ตั้งแต่ปี 2553 บริษัทผลิตรถยนต์ Volvo ร่วมกับ Imperial College London และองค์กรพันธมิตร ได้พัฒนาวัสดุผสมนาโนให้มีคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) สามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้เป็นจำนวนมากและใช้เวลาในการชาร์จไฟได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ทั่วๆ ไป บริษัท Volvo จึงนำวัสดุดังกล่าวมาผลิตเป็นส่วนประกอบของตัวถังรถยนต์ทดแทนกล่องแบตเตอรี่ในรถยนต์

 

สำหรับวัสดุผสมนาโนที่จะนำมาทำเป็นตัวถังนั้น ประกอบไปด้วย แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ 2 แผ่น ซึ่งเคลือบด้วยท่อนาโนคาร์บอนเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวและเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลให้แข็งแรงกว่าเหล็กกล้ามากขึ้นอีก แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ 2 แผ่น ที่บางและเบานี้ทำหน้าที่เป็นขั้วบวกและขั้วลบซึ่งถูกคั่นด้วยฉนวนใยแก้ว หรือแผ่นเยื่อโพลิเมอร์  เมื่อเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นสารที่นำประจุไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบ ตัวถังรถจากวัสดุผสมนาโนนี้ก็พร้อมนำไปใช้งานได้ เป็นตัวเก็บประจุแบบยิ่งยวด

วัสดุผสมนาโนนี้ได้ถูกนำมาทดสอบในการผลิตเป็นส่วนประกอบของตัวถังรถยนต์ เช่น ฝากระโปรงท้าย ซึ่งสามารถใช้แทนแบตเตอรี่ 12 โวลต์ แบบเดิมที่มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก และยังคงคุณสมบัติการชาร์จไฟด้วยระบบคืนพลังงานขณะเบรก หรือด้วยการเสียบปลั๊กไฟธรรมดาได้  หากนำวัสดุผสมนาโนนี้มาผลิตเป็นตัวถังรถทั้งคันจะสามารถช่วยลดน้ำหนักรวมของตัวรถได้อย่างน้อย 15 เปอร์เซ็นต์

ค่าย Toyota ก็เป็นบริษัทผู้ผลิตรถยนต์อีกรายที่นำนาโนเทคโนโลยีมาปรับใช้ในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen Fuel Cell) ซึ่งมีแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิง โดยใช้นาโนเทคโนโลยีผลิตอนุภาคแพลทินัมให้มีขนาดเล็กลงในระดับนาโนเมตร ซึ่งทำให้มีพื้นที่ผิวในการเร่งปฏิกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ดีขึ้น และผลิตกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ได้มากขึ้น

 

จากนวัตกรรมดังกล่าวส่งผลให้ลดปริมาณการใช้แพลทินัมลงอย่างน้อย70 เปอร์เซ็นต์ ลดการใช้แพลทินัมสำหรับการผลิตรถยนต์เอสยูวีหนึ่งคัน จากเดิมที่ใช้แพลทินัม 100 กรัม เหลือเพียงแค่ประมาณ 30 กรัมเท่านั้น

เมื่อปลายปี 2557 ที่ผ่านมา Toyota ได้เริ่มจำหน่ายรถยนต์รุ่น Mirai ซึ่งใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศผลิตพลังงานไฟฟ้าขับเคลื่อนรถยนต์ ผลพลอยได้คือน้ำบริสุทธิ์และความร้อนซึ่งไม่เป็นผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม รถรุ่นดังกล่าวสามารถขับได้ 650 กิโลเมตรต่อการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนหนึ่งครั้ง

ส่วนนวัตกรรมชนิดสุดท้ายที่จะกล่าวถึง คือ โฟลว์แบตเตอรี่ (Flow Battery) หรือ โฟลว์เซลล์ (Flow Cell) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ชนิดหนึ่งที่รวมเทคนิคของเซลล์เชื้อเพลิงเข้ากับแบตเตอรี่บริษัท Nano FLOWCELL AG ได้พัฒนาโฟลว์ เซลล์ซึ่งมีถัง 2 ถัง จัดเก็บสารละลายอิเล็กโทรไลต์ 2 ชนิด เมื่อต้องการใช้งาน สารละลายอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองชนิดจะถูกสูบเข้ามาทำปฏิกิริยากันในโฟลว์เซลล์เพื่อผลิตไฟฟ้า โดยได้พัฒนาโครงสร้างนาโนสำหรับตัวนำประจุในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ให้มีคุณสมบัติและสมรรถนะที่สูงขึ้น จากการพัฒนานาโนโฟลว์เซลล์ดังกล่าวมีความจุพลังงานมากกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดถึง 20 เท่า และมากกว่าแบตเตอรีลิเทียมไอออนที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือทั่วไป รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และรถไฟฟ้าในปัจจุบันถึง 5 เท่า

นาโนโฟล์วเซลล์นี้ได้ถูกนำมาใช้เป็นพลังงานทางเลือกในรถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบ QUANT E เมื่อต้นปี 2557 ซึ่งมีถัง 2 ถังบรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ถังละ 200 ลิตร ทำงานที่ศักย์ไฟฟ้า 600 โวลต์ ทำให้รถยนต์ไฟฟ้าสามารถขับได้ 600 กิโลเมตรต่อการเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์หนึ่งครั้ง และในต้นปี 2558 นี้เอง รถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบรุ่นใหม่ QUANTiNO มีถัง 2 ถังบรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ลดลงเป็นถังละ 175 ลิตร ทำงานที่ศักย์ไฟฟ้า 48 โวลต์ ซึ่งทำให้สามารถขับได้ไกลถึง 1,000 กิโลเมตรต่อการเติมหนึ่งครั้ง เรียกได้ว่าขับจากกรุงเทพฯ ถึงสงขลาได้เลยทีเดียว

จากทั้งสามตัวอย่างข้างต้น จะเห็นได้ว่านาโนเทคโนโลยีได้ถูกนำมาใช้ในการพัฒนาศักยภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี โดยพัฒนาให้วัสดุมีขนาดเล็กลงมากในระดับนาโนเมตร ซึ่งจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวและส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีได้มากขึ้น ทำให้ได้พลังงานไฟฟ้าจากนาโนเทคโนโลยี นอกจากนั้นยังช่วยเพิ่มโอกาสในการแข่งขันทางการค้าของผลิตภัณฑ์ให้มากยิ่งขึ้นอีกด้วย