เพราะเหตุใดจึงต้องเลิกใช้เครื่องยนต์สันดาปที่ใช้พลังงานจาก “ไฮโดรเจน” ?

ในขณะที่ผู้ผลิตรถยนต์หลายค่ายกำลังมุ่งพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าอย่างเต็มตัว และจะกลายเป็นค่ายรถยนต์ไฟฟ้าในอีกไม่เกินสิบห้าปีข้างหน้า ผู้ผลิตรถยนต์บางรายยังมีความหวังที่จะพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง

จากข่าวการร่วมมือพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปพลังไฮโดรเจน V8 ของ Toyota และ Yamaha เมื่อไม่นานมานี้ รวมถึงข่าวล่าสุดที่ Renault เปิดตัวรถต้นแบบที่ใช้พลังงานจากไฮโดรเจนในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์สันดาปภายใน

แต่เครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากไฮโดรเจนจะช่วยลดมลพิษและช่วยให้เครื่องยนต์มีความเป็นกลางทางคาร์บอนได้จริงหรือ แต่จริง ๆ แล้วก็ยังปล่อยมลพิษทางอากาศอยู่

• กระบวนการผลิตไฮโดรเจนอาจไม่ได้สะอาด 100%
• เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพน้อยกว่าน้ำมัน
• เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจน กับ fuel cell พลังไฮโดรเจน นั้นแตกต่างกัน
• อยากเก็บเครื่องยนต์สันดาปไว้ ใช้ทางเลือกอื่นดีกว่า

ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ที่ผลิตในปัจจุบันมาจากการย่อยสลายแก๊สธรรมชาติ ซึ่งเป็นการแยกไฮโดรเจนออกจากคาร์บอนและปล่อยคาร์บอนออกสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเรียกว่า ไฮโดรเจนสีเทา (grey hydrogen) แต่หากมีการกักเก็บคาร์บอนเอาไว้จะเรียกว่า ไฮโดรเจนสีฟ้า (blue hydrogen) 

ส่วนไฮโดรเจนที่ผลิตจากกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งเป็นการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน จะเรียกว่า ไฮโดรเจนสีเขียว (green hydrogen) ซึ่งไฮโดรเจนแบบนี้เท่านั้นที่จะเป็นกลางทางคาร์บอน และกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสนี้จะต้องใช้พลังงานหมุนเวียนเท่านั้น

กระบวนการผลิตไฮโดรเจนเป็นอีกหนึ่งเหตุผลที่ทำให้นักวิจารณ์คิดว่าการใช้พลังงานจากไฮโดรเจนนั้นไม่ได้ดีเท่าไหร่ เพราะต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการผลิต แล้วทำไมเราไม่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ไปเลยล่ะ?

เหตุผลในปัจจุบันคือ แบตเตอรี่ในปัจจุบันมีราคาแพง มีน้ำหนักมาก และต้องชาร์จเป็นเวลานาน ซึ่งสำหรับรถบรรทุกแล้ว น้ำหนักที่เพิ่มจะทำให้ค่าผ่านทางเพิ่มขึ้น ไฮโดรเจนจะทำให้น้ำหนักจากส่วนประกอบเหล่านั้นลดลง 

อย่างไรก็ตาม การใช้ไฮโดรเจนก็อาจเป็นอะไรที่ไม่สมเหตุสมผลอยู่ดี

ไฮโดรเจนมีพลังงานหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมัน

แม้ว่าไฮโดรเจนจะเป็นธาตุที่สามารถหาได้ง่ายโดยทั่วไป แต่มันมีคุณสมบัติที่น่าสนใจ คือไฮโดรเจน 1 กก. จะมีความหนาแน่นของพลังงานอยู่ที่ 120 MJ (เมกะจูลล์) ส่วนน้ำมันเชื้อเพลิงปกติจะอยู่ที่ 45.8 MJ ต่อ 1 กก.

แต่ประเด็นอยู่ที่ว่า ไฮโดรเจนเหลว 1 ลิตร จะมีน้ำหนักเพียง 71 กรัม จึงมีความหนาแน่นของพลังงานที่ต่ำมาก เพียง 8.5 MJ/l ส่วนน้ำมันเชื้อเพลิง 1 ลิตรจะมีน้ำหนักราว 770 กรัม

หมายความว่า น้ำมันเชื้อเพลิง 1 ลิตรจะมีความหนาแน่นพลังงานที่ 35 MJ/l ซึ่งมากกว่าไฮโดรเจนถึง 4 เท่า และไฮโดรเจนจะต้องเก็บอยู่ในสถานะของเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า -252.87°C เท่านั้น

เครื่องยนต์สันดาปที่ใช้ไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพน้อยกว่าใช้น้ำมัน

นอกจากจะให้พลังงานที่น้อยกว่าในปริมาณที่เท่ากันแล้ว การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงแก่เครื่องยนต์สันดาปเป็นหนทางที่ไม่ได้มีประสิทธิภาพนักในการเปลี่ยนสารเคมีให้เป็นพลังงานในการเคลื่อนที่

ในเครื่องยนต์สันดาปทั่วไปจะมีประสิทธิภาพเชิงความร้อน (thermal efficiency) ที่ 20% ซึ่งเราจะสูญเสียพลังงานไปถึง 80% เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดจะอยู่ราว 40% ซึ่งสิ่งที่สูญเสียไปจะไม่ได้ใช้ในการเคลื่อนที่ แม้ทาง Mazda จะลั่นวาจาว่าสามารถทำเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพถึง 56% แต่ก็ยังเป็นการสูญเสียที่มากอยู่ดี

เมื่อเทียบกับมอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งสามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้ากว่า 90% มาใช้ในการเคลื่อนที่ หากใช้ไฮโดรเจนเดียวกันนี้มาเป็นพลังงานให้กับรถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า เราก็จะสามารถขับไปได้ไกลกว่าการใช้งานกับเครื่องยนต์สันดาป และยังไม่มีมลพิษอีกด้วย

ในเครื่องยนต์สันดาปส่วนอื่น เช่น น้ำมันเครื่องที่หล่อลื่นส่วนต่าง ๆ ก็มีการเผาไหม้ แม้เพียงเล็กน้อย ทำให้เกิดก๊าซของเสียต่าง ๆ เช่น ไนโตรเจนออกไซด์ หรือก๊าซโอโซนได้ และสารหล่อลื่นต่าง ๆ ก็อาจสร้างของเสียได้เช่นกัน ซึ่งโดยรวมแล้วเครื่องยนต์สันดาปเป็นสิ่งที่ไม่มีประสิทธิภาพแม้จะใช้พลังงานจากอะไรก็ตาม

เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจน vs fuel cell พลังไฮโดรเจน

BMW เคยลองเครื่องยนต์สันดาปพลังไฮโดรเจนมาแล้วตั้งแต่ปี 2005-2007 ใน Hydrogen 7 บีเอ็มดับเบิลยูซีรี่ส์ 7 รหัส E65 ด้วยเครื่องยนต์ V12 ขนาด 6 ลิตรที่สามารถใช้ได้ทั้งไฮโดรเจนและเบนซิน

เครื่องยนต์ V12 มีอัตราสิ้นเปลืองอยู่ที่ 7.2 กม./ลิตร ด้วยน้ำมันเบนซิน แต่หากใช้พลังงานจากไฮโดรเจนจะลดฮวบเป็น 2 กม./ลิตร แม้ว่ามัจะมีถังเชื้อเพลิงทั้งสองชนิดขนาดใหญ่ โดยถังสำหรับน้ำมันเบนซินมีความจุ 73.8 ลิตร และถังสำหรับไฮโดรเจนขนาดถึง 170 ลิตร 

ขณะที่การขับด้วยน้ำมันล้วนหนึ่งถังจะอยู่ที่ 480 กม. ส่วนของไฮโดรเจนหนึ่งถังจะได้เพียง 201 กม.เท่านั้น

เมื่อเทียบกับรถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงและใช้พลังงานจากไฮโดรเจนอย่าง Toyota Mirai ที่มีอัตราสิ้นเปลือง(เทียบเท่ารถน้ำมัน)อยู่ที่ 31 กม./ลิตร และสามารถขับไปได้ไกลถึง 645 กม. ซึ่ง Mirai จะมีถังสำหรับใส่ไฮโดรเจนทั้งหมดสองถังที่รวมกันได้ 122 ลิตร

ขณะเดียวกัน Hyundai Nexo Blue ที่ใช้พลังงานเดียวกันนั้นมีอัตราสิ้นเปลืองที่ 25 กม./ลิตร และสามารถขับได้ 612 กม. ต่อไฮโดรเจนทั้งสามถังที่มีความจุทั้งหมด 156 ลิตร

รถ fuel cell เก็บไฮโดรเจนเป็นก๊าซ ส่วนรถเครื่องสันดาปเก็บไฮโดรเจนเป็นของเหลว

อีกสิ่งหนึ่งที่พิสูจน์ว่าเครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนไม่ใช่ทางเลือกที่ดี นั่นคือใน BMW Hydrogen 7 จะใช้เชื้อเพลิงเป็นไฮโดรเจนเหลวซึ่งจะต้องเก็บอยู่ในอุณหภูมิต่ำกว่า −253°C แต่เมื่อเราไม่ได้ใช้รถ ไฮโดรเจนจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันก็จะมากขึ้นตามมา

เมื่อไหร่ก็ตามที่แรงดันนั้นมากกว่า 87 psi ถังเก็บไฮโดรเจนจำเป็นต้องปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกเพื่อป้องกันไม่ให้ถังมีแรงดันมากกว่านี้ หากเราไม่ใช้งานรถประมาณ 10-12 วัน ถังเก็บไฮโดรเจนของเราจะเหลือเพียงแต่ความว่างเปล่าได้ แต่จะไม่เกิดขึ้นกับการเก็บไฮโดรเจนในสถานะก๊าซในความดันสูง (เช่น ในรถ fuel cell)

อยากเก็บเครื่องยนต์สันดาปไว้ ใช้ทางเลือกอื่นดีกว่า

หากเราต้องการที่จะเก็บเครื่องยนต์สันดาปเอาไว้จริง ๆ ไฮโดรเจนก็คงไม่ใช่ทางเลือกของเชื้อเพลิงที่ดีนัก เชื้อเพลิงหมุนเวียนอาจเป็นทางเลือกที่ดีกว่า แต่อย่างไรก็ตาม ยังมีรายละเอียดอื่น ๆ ที่ซับซ้อนกว่านั้น

ยกตัวอย่างเช่น เอทานอล ที่ใช้อย่างแพร่หลายในบราซิล ผู้คนต่างถกเถียงกันว่าอ้อยที่ใช้ทำนั้นแย่งชิงพื้นที่การเกษตรจากผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ซึ่งเกษตรกรผู้ปลูกอ้อยนั้นปฏิเสธ 

ส่วนเอทานอลแบบใหม่ที่ผลิตโดยไบโอแมสอาจเป็นทางเลือกที่ดี แต่ยังมีราคาสูง หรือทาง Porsche นั้นกำลังลงทุนเกี่ยวกับเชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่ยังทำให้รถคลาสสิคยังสามารถวิ่งได้ในเวลาที่เชื้อเพลิงฟอสซิลไม่สามาถใช้ได้อีกต่อไป 

หมดเวลาแล้ว เธอคงต้องไป

แม้ว่าเครื่องยนต์สันดาปจะรับใช้มนุษยชาติมาเกือบร้อยปี แต่ก็ปฏิเสธไม่ได้ที่จะบอกว่าเครื่องยนต์สันดาปนั้นไม่มีประสิทธิภาพอีกต่อไปแล้ว 

ในเมื่อมีทางเลือกที่ดีกว่า และการคำนึงถึงสิ่งแวดล้อมเพื่อรักษาคุณภาพชีวิตของผู้คนเข้ามา เราก็อาจจะต้องหยุดการใช้งานเครื่องยนต์สันดาปลง แม้เสียงเครื่องยนต์ที่เราได้ยินจะเร้าใจแค่ไหนก็ตาม…

อ่านเพิ่มเติม : ปล่อยค่ายอื่นเน้นอีวี Toyota ไล่ล่าความฝันเครื่องยนต์เติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจน