เมื่อต้นสัปดาห์ที่ผ่านมามีข่าวว่าประเทศมาเลเซียจะยกเลิกการจำหน่ายแก๊สธรรมชาติอัดความดัน (compressed natural gas - CNG) สำหรับรถยนต์ และยกเลิกการจดทะเบียนรถใช้แก๊สธรรมชาติอัดความดันเป็นเชื้อเพลิง สาเหตุหลักก็คืออายุการใช้งานของถังแก๊สที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อถึงเวลาที่เหมาะสม จะว่าไปจากข่าวนี้ก็ทำให้เพิ่งรู้ว่านอกจากไทยแล้วก็ยังมีมาเลยเซียอีกที่ ที่เรียกแก๊สธรรมชาติอัดความดันว่า NGV ไม่ได้เรียกว่า CNG เหมือนทือื่นที่เรียกกันมานาน (รูปที่ ๑)
ถ้าสงสัยว่าหัวข้อบทความวันนี้ขึ้นเรื่องเกี่ยวกับแก๊สไฮโดรเจน แล้วมันเกี่ยวอะไรกับแก๊สธรรมชาติอัดความดัน ก็เพราะว่ามันต้องใช้ถังความดันสูง (และสูงกว่าด้วย) ในการเก็บเช่นเดียวกัน ดังนั้นเมื่อใช้งานไปมันก็จะมีปัญหาแบบเดียวกัน
ความเสียหายของวัสดุจากการรับแรงดึงมีด้วยกัน 3 รูปแบบ รูปแบบแรกคือการเสียหายจากการรับแรงดึงสูงเกินกว่าที่วัสดุจะรับแรงได้ (tensile strength) การทดสอบความแข็งแรงเรื่องนี้ทำได้ไม่ยาก ก็ด้วยการนำเอาวัสดุนั้นมารับแรงดึงแล้วหาว่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ก่อนฉีกขาดนั้นมีค่าเท่าใด ถ้าเป็นถังความดันก็เอาถังนั้นมาอัดความดันแล้วก็ดูว่าต้องใช้ความดันสูงเท่าใดลำตัวถังจึงจะฉีกขาด
รูปแบบที่สองคือความเสียหายจาก creep หรือที่แปลเป็นไทยว่าความคืบ ความเสียหายแบบนี้เกิดจากการที่วัสดุนั้นรับแรงดึงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่ต้องรับต่อเนื่องเป็นเวลานาน โดยทั่วไปมักจะเกิดเมื่อต้องรับแรงที่ทำให้วัสดุนี้มีการเปลี่ยนแปลงขนาด ตัวอย่างเช่นถ้าเอาลวดเส้นหนึ่งมาดึงด้วยแรงดึงที่สูงพอ แรงดึงนั้นจะทำให้ลวดเส้นนั้นยืดออกโดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง พอขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลดลง ความเค้นในเนื้อวัสดุบริเวณนั้นก็จะสูงขึ้น (เพราะความเค้นคืออัตราส่วนระหว่างแรงที่กระทำต่อพื้นที่รับแรง) ส่งผลให้เส้นลวดยืดตัวออกไปอีกอย่างช้า ๆ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางก็จะลดลงไปอีก จนกระทั่งถึงจุดหนึ่งเส้นลวดนั้นก็จะขาด
รูปแบบที่สามคือความเสียหายจากความล้าหรือ fatigue เกิดเมื่อเนื้อวัสดุสั้นรับแรงที่ต่ำกว่าค่าแรงดึงสูงสุดที่รับได้ แต่แรงนั้นกระทำในรูปแบบที่เป็นวงรอบ (cycle) ต่อเนื่องกันเป็นเวลานาน ความเสียหายจากเหตุการณ์นี้ที่เป็นที่รู้จักกันมากที่สุดคือกรณีของเครื่องบินเจ็ตโดยสาร de Havilland Comet ที่ลำตัวเกิดการแตกออกขณะบินอยู่ในอากาศถึง ๓ ลำในปีค.ศ. ๑๙๕๔ (พ.ศ. ๒๔๙๗) อันเป็นเพราะจากความล้า เพราะในขณะที่เครื่องบินจอดอยู่บนพื้น ลำตัวเครื่องไม่ต้องรับแรงดัน แต่เมื่อบินสูงในอากาศ อากาศภายนอกเครื่องมีความดันต่ำกว่าภายในเครื่อง ลำตัวเครื่องจึงเสมือนกับต้องรับความดันเพิ่มขึ้นเมื่อเครื่องบินขึ้น และรับความดันน้อยลงเมื่อเครื่องบินลงจอด และการที่เครื่องบินขึ้นลงหลาย ๆ ครั้งก็เปรียบเสมือนการอัดความดัน/ระบายความดันซ้ำไปมาหลายครั้ง ทำให้รอยแตกเล็ก ๆ ในเนื้อโลหะค่อย ๆ ขยายตัว และเมื่อมารวมตัวกันกลายเป็นรอยแตกขนาดใหญ่ ก็เกิดความเสียหายขนาดใหญ่ขึ้นทันที
ถังแก๊สธรรมชาติ/แก๊สไฮโดรเจนที่นำมาใช้กับรถยนต์ ก็เป็นถังความดันที่มีรูปแบบการทำงานเช่นนี้ คือความดันในถังจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อทำการเติมแก๊ส และลดลงเมื่อดึงแก๊สไปใช้งาน (เพราะแก๊สจะกลายเป็นของเหลวเมื่อเพิ่มความดันได้ก็ต่อเมื่ออุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature) แก๊สหุงต้มมีค่าอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ในขณะที่มีเทนและไฮโดรเจนมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่ต่ำมาก)
ถังแก๊สหุงต้ม (LPG หรือ Liquified Petroleum Gas) ที่ใช้กับรถยนต์ไม่มีปัญหานี้ เพราะแก๊สหุงต้นมันอยู่ในรูปของเหลวภายใต้ความดัน ความดันในถังจึงคงที่ (แต่ก็ยังเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิสภาพแวดล้อม) เวลาที่ดึงแก๊สออกไป ส่วนที่เป็นของเหลวก็จะระเหยมาชดเชย ความดันในถังจะไม่ลดจนกว่าของเหลวในถังจะไม่เหลือ เวลาที่เติมแก๊สเข้าไป ถ้าเป็นถังเปล่า พอความดันในถังเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง แก๊สที่เติมเข้าไปจะควบแน่นเป็นของเหลว ทำให้ความดันในถังไม่สูงขึ้น ดังนั้นถ้าการเติมแก๊สนั้นทำก่อนที่แก๊สในถังจะหมด ความดันในถังก็ถือได้ว่าคงที่ (ตรงนี้แตกต่างจากถังแก๊สหุงต้มที่ใข้กันตามบ้าน ที่จะใช้จนแก๊สหมดถังเลย แล้วค่อยเปลี่ยนถังแก๊ส)
มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการเลือกชนิดเชื้อเพลิงที่จะนำมาใช้กับรถยนต์ รถยนต์นั้นมีพื้นที่สำหรับบรรทุกเชื้อเพลิงที่จำกัด (เพราะถูกกำหนดด้วยขนาดรถ พื้นที่ห้องโดยสาร และพื้นที่สำหรับบรรทุกสิ่งของ รูปที่ ๒ แสดงค่าความหนาแน่นพลังงานของเชื้อเพลิงแต่ละชนิด จะเห็นว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวนั้นมีความหนาแน่นพลังงานที่สูง ถังเก็บก็มีน้ำหนักเบา เติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งก็วิ่งได้ระยะทางมากกว่าเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สที่ต้องใช้ถังความดัน (น้ำหนักมากกว่า) ในการเก็บเชื้อเพลิง ที่ความดัน 200 bar.g (200 เท่าของความดันบรรยากาศ) ไฮโดรเจนมีพลังงานเพียงแค่ประมาณ 25% ของแก๊สมีเทน ดังนั้นถ้าเก็บไฮโดรเจนที่ความดันและปริมาตรเดียวกันกับถัง CNG รถจะวิ่งได้ระยะทางที่น้อยกว่ามาก
แนวทางหนึ่งในการแก้ปัญหาคือเก็บไฮโดรเจนที่ความดันที่สูงขึ้น ซึ่งก็ได้มีการวิจัยและพัฒนาถังความดันไปจนถึงระดับ 700 bar.g จึงทำให้พลังงานต่อหน่วยปริมาตรของไฮโดรเจนเข้าใกล้เคียงกับของมีเทน แต่นั่นก็หมายความว่าน้ำหนักของถังบรรจุต้องเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย
จริงอยู่ที่ไฮโดรเจนมีค่าพลังงานต่อหน่วย "น้ำหนัก" สูงกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น และหลายงานวิจัยมักจะอ้างถึงจุดนี้เวลาบอกว่าไฮโดรเจนนั้นดีกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่น แต่ในการใช้งานจริงนั้น "ปริมาตร" ถังเก็บเป็นตัวกำหนดปริมาณเชื้อเพลิงที่รถยนต์จะขนไปได้ และถ้าอิงที่น้ำหนักเชื้อเพลิงเท่ากัน ปริมาตรและน้ำหนักของถังบรรจุไฮโดรเจนจะมากกว่า ซึ่งส่งผลถึงค่ากำลังที่ได้จากเครื่องยนต์ต่อหน่วยน้ำหนักของ เครื่องยนต์ + ระบบเก็บและจ่ายเชื้อเพลิง
ด้วยระยะทางที่วิ่งได้ต่อการเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้งที่ต่ำ ทำให้ต้องมีการเติมเชื้อเพลิงบ่อยครั้ง ยิ่งเป็นรถที่ใช้งานต่อเนื่อง (เช่นรถยนต์รับจ้างหรือเดินทางไกลเป็นประจำ) ถังบรรจุก็ต้องรับความดันสูง-ต่ำสลับไปมาบ่อยครั้งกว่า โอกาสที่จะเกิดความเสียหายจากความล้าจึงสูงกว่า
การออกแบบถังเก็บ CNG ก็มีการพิจารณาประเด็นเรื่องความล้านี้ และก็ได้ออกแบบเผื่อไว้ ทำให้ถังพวกนี้มีอายุการใช้งาน กล่าวคือถึงแม้ว่าลำตัวถังเองนั้นไม่มีการผุกร่อน และถ้านำมาทดสอบความสามารถในการรับความดันก็ยังสามารถรับความดันได้อยู่ แต่ก็ต้องเปลี่ยนเป็นถังใหม่ และถังเก่าก็ไม่ควรนำมาใช้งานเพื่อเก็บแก๊สความดันสูงอีก แต่จากความเป็นจริงที่ถังเหล่านี้มีราคาสูง และการพิจารณาด้วยสายตาก็ยังเห็นว่าถังเหล่านี้ยังดูดีอยู่ ก็เลยมักไม่มีการเปลี่ยนถังกันเมื่อครบกำหนดอายุการใช้งาน
ขณะนี้มีการนำเสนอไฮโดรเจนมาแข่งกับแบตเตอรี่ ด้วยการโฆษณาว่าการเติมเชื้อเพลิงจนเต็มถังนั้นใช้เวลาน้อยกว่าการชาร์จแบตเตอรี่มาก (ซึ่งก็จริง) แต่มักไม่กล่าวถึงปริมาณเชื้อเพลิงที่สามารถเติมได้ และระยะทางที่รถสามารถวิ่งได้เมื่อเติมเชื้อเพลิงแต่ละครั้ง รูปที่ ๓ ข้างล่างนำมาจากหน้าเว็บของบริษัทหนึ่งที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาถังเก็บไฮโดรเจนสำหรับยานพาหนะ จะเห็นว่าสำหรับรถยนต์ขนาดเล็กที่ใช้ถังความดัน 350 bar จะบรรทุกเชื้อเพลิงได้ประมาณ 4-5 kg ในขณะที่รถขนาดใหญ่ที่ใช้ถังความดัน 700 bar จะบรรทุกได้ประมาณ 20-40 kg
เทียบต่อกิโลกรัม แม้ไฮโดรเจนมีพลังงานสูงกว่าน้ำมันเบนซินประมาณ 3 เท่า แต่รถยนต์สามารถบรรทุกน้ำมันได้มากกว่าไฮโดรเจนประมาณ 6 เท่า (น้ำมัน 40-45 ลิตรหนักประมาณ 30 kg) และถังเก็บน้ำมันยังมีน้ำหนักที่เบากว่าด้วย และใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ ก็ต้องมีการลงทุนระบบโครงสร้างพื้นฐานในการส่งไฮโดรเจนไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ซึ่งจะมีความคุ้มหรือไม่ก็คงเรียนรู้ได้จากการขยายสถานนีบริการ CNG ในบ้านเรา ที่เป็นการขนส่งแก๊สความดันสูงไปยังสถานีบริการต่าง ๆ ว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร และกรณีของไฮโดรเจนน่าจะมีปัญหามากกว่า เพราะใช้ความดันที่สูงกว่า
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น