ฝึกงานภาคฤดูฝน ๒๕๖๔ (๓) เชื้อเพลิงสีเขียว (Green Fuel) MO Memoir : Tuesday 15 June 2564

กระแส Life Cycle Assessment (LCA) เคยมาแรงอยู่ช่วงหนึ่งในบ้านเรา ก่อนจะเห็นเงียบหายไป ไม่รู้ว่าเป็นเพราะความต้องการเทคโนโลยีที่เรียกกันว่า "Green" หรือเปล่า เลยไม่อยากเอาLCA มาพูด เพราะว่าถ้าเอา LCA มาใช้แล้ว อาจจะเห็นว่าสิ่งที่เป็นจริงนั้นอาจไม่ใช่ดังที่ใครต่อใครเขาอ้างกัน

เทคนิค LCA เป็นการวิเคราะห์ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของผลิตภัณฑ์ เรียกว่าตั้งแต่เกิด (ผลิต) จนตาย (กำจัด) ทำให้บางทีเขาก็เรียกเทคนนิคนี้ว่า cradle-to-grave หรือจากเปลไปจนถึงหลุมฝังศพ แต่การวิเคราะห์เทคนิคนี้จะว่าไปมันก็ไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะในแต่ละท้องที่นั้นมีความแตกต่างกันอยู่ อย่างเช่นมลพิษที่เกิดจากพลังงานไฟฟ้าที่ต้องนำมาใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์นั้นแต่ละประเทศใช้ไม่เหมือนกันอยู่ และตัวเลขตัวนี้มันก็ปรับแต่งกันได้ จะใช้การไปหยิบเอาข้อมูลของประเทศอื่นที่มีสัดส่วนการใช้เชื้อเพลิงไม่เหมือนกันนั้นมาใช้ก็ไม่น่าจะถูกต้อง นอกจากนี้บางผลิตภัณฑ์มันก็พูดยากว่ามันมีอายุการใช้งานเท่าใด เช่นพวกบรรจุภัณฑ์ที่ล้างทำความสะอาดและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ (เช่น เครื่องดื่มบรรจุขวดแก้วที่ต้องส่งคือผู้ผลิตเพื่อนำไปล้างและใช้งานใหม่ ภาชนะพลาสติกที่สามารถนำไป recycle ได้)

การนำเอาแหล่งพลังงานต่าง ๆ ที่มีอยู่ในธรรมชาติมาใช้งานนั้น มันจะคุ้มค่าก็ต่อเมื่อ พลังงานของแหล่งพลังงานนั้น เมื่อหักลบเอาพลังงานส่วนที่ต้องใช้ในการแปรรูปพลังงานนั้นให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้แล้ว ต้องมีพลังงานเหลือ ตรงนี้ลองดูตัวอย่างพลังงานจากปิโตรเลียมในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

การนำปิโตรเลียมที่อยู่ใต้พิภพมาใช้งาน จะต้องมีการใช้พลังงานในกระบวนการผลิต (E3) ที่เริ่มจากการขุดเจาะ, การเก็บรักษาน้ำมันดิบที่ได้, การขนส่ง, การกลั่น และการเก็บผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ได้ (ที่มีพลังงาน E1) ถ้าพลังงานของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมสุดท้าย E1 นั้น มีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้ในกระบวนการผลิตทุกขึ้นตอน E3 (สมมุติว่าพลังงาน E3 นี้ต่างก็ได้มาจากปิโตรเลียมทั้งหมด) ก็จะมีพลังงาน E2 เหลือป้อนตลาด มันก็จะคุ้มค่าที่จะนำมาใช้ กล่าวคือสมมุติว่าน้ำมันดิบ 100 ลิตรผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ได้ 100 ลิตร แต่พลังงานที่ต้องใช้ผลิตนั้นเทียบเท่ากับน้ำมัน 20 ลิตร ดังนั้นก็จะเหลือน้ำมันป้อนออกสู่ตลาด 80 ลิตร ถ้าเป็นอย่างนี้มันก็คุ้มค่าที่จะนำเอาน้ำมันดิบมาใช้เป็นแหล่งพลังงาน

นอกจากนี้ในบางครั้งพลังงานที่ต้องใช้ในการเก็บรักษาก็เข้ามามีบทบาทด้วย เชื้อเพลิงปิโตรเลียมเหลวนั้นสามารถเก็บในถังธรรมดาที่ความดันบรรยากาศได้ ในขณะที่แก๊สหุงต้มต้องมีการใช้คอมเพรสเซอร์ (ใช้พลังงาน) เพื่อเพิ่มความดันให้เป็นของเหลวภายใต้ความดันที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่การผลิตแก๊สธรรมชาติเหลวต้องมีทั้งการใช้ความดันและระบบทำความเย็น เพื่อทำให้แก๊สมีเทนเป็นของเหลวที่ความดันบรรยากาศ

รูปที่ ๑ พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเชื้อเพลิงปิโตรเลียมจากน้ำมันดิบ

ในกรณีของเชื้อเพลิงที่ได้จากพืชนั้นมีความยุ่งยากในการคำนวณมากกว่า เพราะเชื้อเพลิงที่ได้จากพืชนั้นมันแตกต่างไปจากเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ในการแปรรูปพืชนั้นให้เป็นเชื้อเพลิง อย่างเช่นเราผลิตเอทานอลเพื่อมาทดแทนน้ำมันเบนซิน แต่เราใช้น้ำมันดีเซลในการขนส่งวัตถุดิบและใช้ถ่านหินในการผลิตไอน้ำเพื่อการกลั่น มันก็เกิดคำถามขึ้นมาว่าเชื้อเพลิงเอทานอลนั้นเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่ ซึ่งมันจะเป็นมิตรก็ต่อเมื่อพลังงานที่ได้จากเอทานอลที่ผลิตได้นั้น ต้องมากกว่าพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตเอทานอล (ซึ่งดูเหมือนว่าในความเป็นจริงจะไม่ใช่เช่นนั้น)

รูปที่ ๒ ข้างล่างเป็นแผนผังสมดุลพลังงาน (วาดขึ้นมาเอง) สำหรับการผลิตเชื้อเพลิงเหลวจากพืช เพื่อใช้แทนน้ำมันปิโตรเลียม (เช่นผลิตเอทานอลและไบโอดีเซล)

รูปที่ ๒ พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเชื้อเพลิงจากพืชเพื่อทดแทนการใช้ปิโตรเลียม

ถ้าดูในแง่ของสมดุล CO₂ แล้ว พลังงานจากปิโตรเลียมนั้นถือว่าผลิต CO₂ เพียงอย่างเดียว ในขณะที่พลังงานจากพืชนั้นจะมีทั้งส่วนที่ดักจับ CO₂ (คือการเจริญเติบโตของพืช) และส่วนที่ผลิต CO₂ (คือการนำเอาเชื้อเพลิงที่ได้ไปใช้งาน) เชื้อเพลิงจากพืชจะช่วยลดอัตราการเพิ่ม CO₂ ในบรรยากาศ (เมื่อเทียบกับพลังงานปิโตรเลียม) ก็ต่อเมื่อ CO₂ ที่เกิดจากพลังงานที่ป้อนตลาด (E2) + พลังงานที่ต้องใช้ในการผลิต (E3) + พลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตเคมีภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง เช่นปุ๋ยเคมี, ยาปราบศัตรูพืช, เมทานอลที่ในการผลิตไบโอดีเซล (E4) เมื่อหักลบเอาปริมาณ CO₂ ที่พืชดึงออกจากบรรยากาศออกไปแล้ว มีค่าน้อยกว่า CO₂ ที่เกิดจากการเผาเชื้อเพลิงปิโตรเลียมเพื่อให้ได้พลังงานเท่ากัน

โดยหลักการแล้ว ถ้าพื้นที่ไหนปลูกเพื่อเพื่อการบริโภคเป็นอาหารได้ ก็ไม่ควรนำมาใช้ในการปลูกพืชเพื่อเป็นเชื้อเพลิง พื้นที่ที่ควรนำมาใช้ปลูกพืชเพื่อนำมาเป็นพลังงานควรเป็นพื้นที่ที่ไม่เหมาะกับการปลูกพืชเพื่อเป็นอาหาร เช่นในดินไม่ค่อยมีธาตุอาหารสำหรับพืช หรือดินปนเปื้อนสารพิษ ถ้าเป็นแบบหลังนี้ การหาปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการเพาะปลูก (เช่น พลังงานที่ต้องใช้ในการรดน้ำ ดูแลการเจริญเติบโต และพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตเคมีเพื่อการเกษตร เช่น ปุ๋ยเคมีและยาปราบศัตรูพืช) ก็จะทำได้ง่าย แต่ถ้าผลิตผลทางการเกษตรที่นำมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงเหลวนั้นเป็นของเหลือจากการผลิตอาหาร (เช่นกากน้ำตาลที่ได้จากโรงงานผลิตน้ำตาลที่นำมาผลิตเอทานอล) ตรงนี้ก็อาจถือว่าไม่จำเป็นต้องคิดพลังงานที่ต้องใช้ในส่วนนี้ เพราะถือว่าเป็นการนำของเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิตอื่นมาใช้งาน แต่ถ้าปลูกปาล์มน้ำมันเพื่อนำเอาน้ำมันมาใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรง ก็ควรต้องนำเอาพลังงานตรงส่วนนี้มาใช้ด้วย

ประเด็นเรื่องพื้นที่เพาะปลูกนี้เป็นประเด็นสำคัญที่ทำให้การปลูกพืชเช่นปาล์มน้ำมันถูกโจมตีว่าเป็นตัวการทำลายสิ่งแวดล้อม เพราะเกี่ยวข้องกับการเผาป่าเพื่อนำเอาพื้นที่มาปลูกปาล์มน้ำมัน เช่นที่เกิดในประเทศอินโดนีเซียและส่งผลให้หมอกควันจากไฟไหม้นั้นลอยมาถึงภาคใต้ของประเทศไทย ดังนั้นแหล่งที่มาของพืชจึงควรนำมาพิจารณาด้วย

วิธีการเก็บเกี่ยวก็สามารถส่งผลให้เกิดมลพิษทางอากาศได้สูง ที่เห็นชัดคือกรณีของอ้อย (ที่เราเอามาผลิตเป็นน้ำตาลเพื่อการบริโภคและเอามาผลิตเอทานอล) เนื่องจากใบอ้อยจะมีความคมมาก ดังนั้นเพื่อให้สะดวกในการเก็บเกี่ยว เกษตรกรก็จะใช้การเผาไร่อ้อย คือเผาใบอ้อยทิ้งไปก่อน ให้เหลือแต่ต้น แล้วจึงค่อยให้แรงงานเข้าไปเก็บเกี่ยว ผลที่ตามมาที่เห็นชัดก็คือฝุ่นขนาดเล็กที่สามารถลอยข้ามแดนได้ไกล และค้างในอากาศได้เป็นเวลานาน ดังที่ประเทศเราประสบกันในช่วงหลายปีที่ผ่านมานี้ (และยังมี CO₂ ในปริมาณมากที่ปลดปล่อยออกมาจากการเผาด้วย)

ขนาดพื้นที่ที่ทำการเพาะปลูก และระยะทางจากแหล่งเพาะปลูกมายังโรงงานแปรสภาพก็เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดว่าการปลูกพืชพลังงานนั้นทำให้เกิดการปลดปล่อย CO₂ เนื่องจากการขนส่งมากน้อยเท่าใด ในบางประเทศเช่นมาเลเซียและอินโดนีเซียนั้น มีแปลงเพาะปลูกที่ต่อเนื่องเป็นแปลงเดียวขนาดใหญ่และมีโรงงานผลิตน้ำมันปาล์มอยู่ในแปลงเพาะปลูกนั้น ทำให้ประหยัดค่าขนส่ง (ซึ่งก็เป็นการลดการปลดปล่อย CO₂) ผลปาล์มมายังโรงงาน และยังสามารถใช้ทางใบปาล์มและต้นปาล์มที่หมดอายุแล้วร่วมกับกะลาปาล์ม (ผลปาล์มที่ผ่านการสกัดน้ำมันแล้ว) และทะลายปาล์มเปล่า มาใช้เป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตความร้อนใช้ในโรงงานได้ แต่ในกรณีของบ้านเรานั้นจะเรียกว่าต่างคนต่างปลูก แล้วต่างคนก็ต่างขนเฉพาะทะลายปาล์มที่เก็บเกี่ยวได้ไปส่งยังโรงงานที่ตั้งอยู่ห่างออกไป ดังนั้นปัจจัยเรื่องค่าขนส่ง (ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อปริมาณ CO₂ ที่ปลดปล่อยออกมา) จึงมีบทบาทสำคัญในการคิดปริมาณพลังงานสุดท้ายที่ได้

สิ่งหนึ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการปลูกพืชเพื่อผลิตเป็นเชื้อเพลิงคือการต้องใส่ปุ๋ย (เพราะพืชมีการดึงเอาแร่ธาตุออกจากดินตลอดเวลา และแร่ธาตุนั้นก็ติดไปกับผลิตผลทางการเกษตรที่นำไปแปรรูป) และปุ๋ยเคมีก็เป็นสิ่งหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างหนึ่งที่ติดตามมาก็คือการที่ปุ๋ยเคมีนั้นไหลลงสู่แหล่งนั้น เช่นลำคลองและแม่น้ำต่าง ๆ เมื่อไหลออกสู่ทะเลก็ทำให้สาหร่ายบริเวณปากแม่น้ำเจริญเติบโตมากอย่างรวดเร็ว ในช่วงกลางวันนั้นสาหร่ายเหล่านี้ช่วยผลิตออกซิเจน แตในเวลากลางคืนนั้นสาหร่ายเหล่านี้จะดึงออกซิเจนออกจากนั้น ทำให้น้ำขาดออกซิเจนจนสัตว์น้ำในบริเวณนั้น (ที่ไม่สามารถหนีออกไปจากบริเวณนั้นได้) ขาดออกซิเจนเสียชีวิต ซึ่งบ้านเราก็มีเหตุการณ์เช่นนี้เกิดเป็นประจำ ปรกติก็คือหลังช่วงที่มีฝนตกหนักและมีน้ำจากแม่น้ำไหลออกสู่ทะเลในปริมาณมาก เพราะฝนที่ตกลงมานั้นจะชะเอาปุ๋ยเคมีลงแหล่งน้ำ ก่อนที่จะไหลรวมกันลงสู่แม่น้ำและออกทะเล

ที่ยกตัวอย่างมานี้ก็เพื่อต้องการจะบอกว่า การที่จะบอกว่าเชื้อเพลิงชนิดใดเป็นเชื้อเพลิงสีเขียว (Green Fuel) นั้น ไม่ควรที่จะดูแค่เพียงว่ามันมาจากพืช แต่ควรต้องพิจารณาโดยเริ่มตั้งแต่การได้มาซึ่งพืชชนิดนั้น (พื้นที่เพาะปลูก การเก็บเกี่ยวและเคมีภัณฑ์ต่าง ๆ เพื่อการเกษตรที่ต้องใช้) ไปจนถึงเชื้อเพลิงสุดท้ายที่ได้ โดยปริมาณพลังงานที่งใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงนั้น (E3 + E4) ควรมีค่าน้อยกว่าปริมาณพลังงานสุดท้ายที่ได้จากเชื้อเพลิงที่ได้จากพืชหรือ E1 >> (E3 + E4) (ดูรูปที่ ๒)

ฝึกงานภาคฤดูฝน ๒๕๖๔ (๑) กรีนดีเซล (Green Diesel) MO Memoir : Friday 4 June 2564

"HVO - Hydrogenated Vegetable Oil" เริ่มด้วยหัวข้องานก็มีปัญหาแล้วว่าจะให้ทำอะไรกันแน่ เพราะดูรายละเอียดเนื้อหาของงานกับความหมายของหัวข้องานที่คนอื่นเขาใช้กัน (ค้นจากอินเทอร์เน็ต) มันไม่ตรงกัน ก็เลยต้องมีการตกลงกันเรื่องนิยามคำศัพท์ก่อนเพื่อให้เข้าใจตรงกัน

Hydrogenate : คำที่เราพบบ่อยในวิชาเคมีอินทรีย์ หมายถึงปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนเพื่อลดความไม่อิ่มตัว เช่นเปลี่ยน triple bond เป็น double bond, เปลี่ยน double bond เป็น single bond เช่นจาก NN -> N=N -> N-N จาก CC -> C=C -> C-C, จาก C=O เป็น C-OH โดยไม่มีการดึงอะตอมอื่นออกจากโมเลกุล

Hydrotreat : ใช้ไฮโดรเจนเพื่อเข้าไปดึงเอาอะตอมอื่นออกมา เช่น S ออกมาในรูป H₂S, N ออกมาในรูป NH₃ และ O ออกมาในรูป H₂O

Bio-Hydrogenated Diesel (BHD) และ Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) : การเปลี่ยนน้ำมันพืช (หรือสัตว์) ให้กลายเป็นไฮโดรคาร์บอน ด้วยการใช้แก๊สไฮโดรเจนไปดึงเอาอะตอม O ออก

Hydrogenated Vegetable Oil : การลดความไม่อิ่มตัวของน้ำมันพืช (เติมไฮโดรเจนเข้าไปที่พันธะคู่) เพื่อให้น้ำมันพืชมีเสถียรภาพต่อความร้อนมากขึ้น หรือมีจุดหลอมเหลวสูงขึ้น (เพื่อทำเนยเทียม - margarine)

"Straight run" หมายถึงน้ำมันที่ออกมาจากหอกลั่นโดยตรง (ยังไม่ผ่านกระบวนการปรับสภาพใด ๆ) เช่น

Straight run gasoline (SRG) คือไฮโดรคาร์บอนในช่วง C₄-C₁₂ มักมีเลขออกเทน (Octane number) ต่ำ ต้องผ่านการเพิ่มเลขออกเทนก่อนนำไปใช้งานได้ (ในประเทศที่อุณหภูมิติดลบในฤดูหนาว จะมีน้ำมันเบนซินเกรดฤดูหนาวที่จะมีการเติม C₄ เข้าไปในน้ำมันเบนซิน เพื่อให้ติดเครื่องยนต์ได้)

Straight run diesel คือไฮโดรคาร์บอนในช่วง C₉-C₂₅ เลขซีเทน (Cetane number) ขึ้นอยู่กับน้ำมันดิบที่นำมากลั่น ส่วนใหญ่จะสูงกว่าขั้นต่ำที่ต้องการ นำไปใช้งานกับเครื่องยนต์ดีเซลได้ทันที

Kerosene หรือน้ำมันก๊าด คือไฮโดรคาร์บอนในช่วง C₁₀-C₁₆ ใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์เจ็ต

เครื่องยนต์เบนซินผสมน้ำมันกับอากาศเป็นเนื้อเดียวกันก่อน (คือเป็นไอของน้ำมันในอากาศ) จากนั้นจึงป้อนเข้าสู่กระบอกสูบและทำการจุดระเบิดไอผสมนั้นด้วยประกายไฟจากหัวเทียน (spark plug) การเผาไหม้จะเป็นรูปแบบเปลวไฟแผ่ขยายออกจากเขี้ยวหัวเทียนออกไปในขณะที่ความดันและอุณหภูมิในห้องเผาไหม้เพิ่มสูงขึ้น ไอผสมที่เปลวไฟยังวิ่งไปไม่ถึงต้องไม่ชิงจุดระเบิดเอง (ผลจาก autoignition temperature) เพราะถ้าเกิดเมื่อใดจะทำให้เกิดคลื่นเผาไหม้วิ่งปะทะกัน เรียกว่าเกิดการ knock ตัวเลขที่ใช้บอกคุณสมบัติต้านทานการ knock คือเลขออกเทน (Octane number) ไฮโดรคาร์บอนที่ป้องกันการเกิดการ knock ได้ดี (คือจุดระเบิดเองได้ยาก) คือพวกที่มีโครงสร้างเป็นโซ่กิ่งและอะโรมาติก

เครื่องยนต์ดีเซลใช้การอัดอากาศให้ร้อน จากนั้นจึงฉีดน้ำมันในรูปของหยดของเหลวเล็ก ๆ เข้าไปในห้องเผาไหม้ หยดน้ำมันเล็ก ๆ เมื่อสัมผัสกับอากาศร้อนจะต้องลุกไหม้ทันที (ต้องเป็นพวกที่มี autoignition temperature ต่ำ) ถ้าหากมันไม่เผาไหม้ มันจะสะสมอยู่ในห้องเผาไหม้ และอาจจุดระเบิดขึ้นในจังหวะที่ไม่เหมาะสมได้ ทำให้เครื่องยนต์เกิดการ knock ตัวเลขที่ใช้บอกคุณสมบัติต้านทานการ knock ของน้ำมันดีเซลคือเลขซีเทน (Cetane number) ไฮโดรคาร์บอนที่ป้องกันปัญหาการ knock ได้ดี (คือลุกติดไฟได้ง่ายเมื่อสัมผัสกับอากาศร้อน) คือพวกที่มีโครงสร้างเป็นโซ่ตรง (straight chain)

ไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันดิบจะขึ้นกับแหล่งที่มา ซึ่งน้ำมันดิบจากแหล่งธรรมชาติจะแบ่งออกเป็น ๓ กลุ่มด้วยกัน คือ paraffin base ที่ส่วนใหญ่จะเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เป็น straight chain, naphthene base ที่มีสัดส่วนไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่มีโครงสร้างเป็นวง (cycloaliphatic), และ aromatic base ที่มีปริมาณอะโรมาติกสูง ด้วยการที่น้ำมันดิบในธรรมชาติส่วนใหญ่จะเป็น paraffin base ด้วยเหตุนี้ straight run diesel จึงมักมีเลขซีเทนที่สูงพอที่จะนำไปใช้งานได้ทันที แต่ straight run gasoline จะมีเลขออกเทนต่ำกว่าที่จะนำไปใช้งานได้ทันทีอยู่มาก

นี่คือเหตุผลที่ถามคำถามไปเมื่อวานว่าน้ำมันดีเซลที่ได้จากหอกลั่นโดยตรงนั้นมีปัญหาเรื่องเลขซีเทนไหม ถ้าในเมื่อไม่ได้มีปัญหาเรื่องเลขซีเทนของน้ำมันที่ได้ (เพราะมันสูงกว่ามาตรฐานอยู่แล้ว) แล้วจะผลิตน้ำมันที่มีเลขซีเทน 100 ไปทำไม

น้ำมันพืชและไขมันจากสัตว์เป็นสารประกอบกอบเอสเทอร์ (ester) ระหว่างกลีเซอรีนกับกรดไขมัน ๓ ตัว โดยที่กรดไขมันทั้ง ๓ ตัวนั้นไม่จำเป็นต้องเป็นชนิดเดียวกัน และอาจเป็นกรดไขมันอิ่มตัว (คือไม่มีพันธะ C=C) หรือมีความไม่อิ่มตัวก็ได้ แต่จำนวนอะตอม C ของกรดไขมันจะเป็นเลขคู่เสมอ และถ้ามีความไม่อิ่มตัวจะมีโครงสร้างแบบ cis เสมอ

ความยาวสายโซ่กรดไขมันขึ้นอยู่กับแหล่งที่มา พืชต่างชนิดกันก็ผลิตกรดไขมันที่มีความยาวสายโซ่ต่างกัน เช่นน้ำมันมะพร้าวและ palm kernel oil จะมีความยาวสายโซ่อยู่ที่ C₁₀-C₁₂ (เหมาะแก่การทำสบู่) น้ำมันปาล์ม (palm oil) จะมีความยาวสายโซ่อยู่ที่ประมาณ C₁₆ เป็นหลัก น้ำมันเมล็ดทานตะวันและน้ำมันถั่วลิสงจะอยู่ที่ประมาณ C₁₈ เป็นหลัก ในขณะที่น้ำมันถั่วเหลืองและ rape seed จะมีความยาวสายโซ่ได้ถึง C₂₂-C₂₄

พืชอื่นที่นำมาผลิตเป็นน้ำมันพืชเพื่อบริโภคในบ้านเราก็ยังมีน้ำมันจากเมล็ดนุ่นและจากเมล็ดฝ้าย

นอกจากนี้ท้องถิ่นที่มีสภาพอากาศต่างกันก็ปลูกพืชได้ต่างชนิดกัน เช่นยุโรปจะปลูก rape seed อเมริกาจะปลูกถั่วเหลือง (และทานตะวัน) ประเทศเขตร้อนจะปลูกปาล์มน้ำมันและทานตะวัน ดังนั้นการอ่านงานวิจัยด้านนี้จึงต้องคำนึงถึงเรื่องนี้ด้วยก่อนที่จะนำเอาวิธีการหรือผลการทดลองมาเปรียบเทียบกัน

เครื่องยนต์ดีเซลเมื่อแรกเริ่มออกแบบ ใช้น้ำมันจากถั่วลิสงเป็นเชื้อเพลิงด้วยซ้ำ

ไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าพวกโซ่กิ่งหรือพวกที่มีพันธะคู่แบบ cis ตัวอย่างเช่น Cetane (หรือ Hexadecane C₁₆-H₃₄) ที่ใช้เป็นตัวมาตรฐานอ้างอิงเลขซีเทน 100 มีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ 18ºC ยิ่งโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้นก็จะมีจุดหลอมเหลวสูงขึ้น ด้วยเหตุนี้ในการประชุมเมื่อวันพุธที่มีการเอ่ยว่าเมทิลเอสเทอร์มีปัญหาเรื่อง cloud point สูง นั่นก็เป็นเพราะส่วนที่เป็นสายโซ่ไฮโดรคาร์บอนของเมทิลเอสเทอร์ที่เราใช้กันนั้นมีความยาวค่อนข้างมาก (ตั้งแต่ C₁₆ ขึ้นไป)

cloud point คืออุณหภูมิที่เห็นน้ำมันเริ่มขุ่นเมื่อเราลดอุณหภูมิน้ำมันลงเรื่อย ๆ เกิดจากการที่โมเลกุลขนาดใหญ่นั้นเริ่มแข็งตัวกลายเป็นของแข็งในน้ำมัน แต่ข้อกำหนดคุณลักษณะน้ำมันบ้านเราไม่ได้ควบคุมอุณหภูมิ cloud point แต่ไปควบคุมอุณหภูมิจุดไหลเทหรือ pour point ไว้ไม่สูงเกินกว่า 10ºC (pour point คืออุณหภูมิที่น้ำมันสูญเสียคุณสมบัติเป็นของเหลว คือถ้าอุณหภูมิต่ำกว่านี้จะไม่สามารถเทน้ำมันออกจากภาชนะได้)

การจำแนกด้วยการใช้ความเร็วรอบการหมุนในระหว่างการใช้งานจะแบ่งเครื่องยนต์ดีเซลออกเป็น ๒ ประเภท คือ

- Low speed diesel หรือเครื่องยนต์ดีเซลหมุนช้า คือพวกที่มีรอบการทำงานในช่วง 300-1000 rpm มักพบกับเครื่องยนต์บางประเภท เช่น รถไฟ เรือยนต์ เครื่องปั่นไฟขนาดใหญ่ เครื่องยนต์แบบนี้จะใช้น้ำมันดีเซลหมุนช้าหรือน้ำมันขี้โล้ กรมธุรกิจพลังงานกำหนดค่าซีเทนอย่างต่ำของน้ำมันดีเซลหมุนช้านี้ไว้ที่ ๔๕ (ประกาศปี ๒๕๖๓)

- High speed diesel หรือเครื่องยนต์ดีเซลหมุนเร็ว พวกนี้จะมีรอบการทำงานที่สูงกว่า เป็นพวกที่เราพบเห็นกันทั่วไปในรถบรรทุกรถโดยสารขนาดใหญ่ เครื่องยนต์แบบนี้จะใช้น้ำมันดีเซลหมุนเร็ว ซึ่งก็คือน้ำมันที่ขายกันตามปั๊มน้ำมันทั่วไปกรมธุรกิจพลังงานกำหนดค่าซีเทนอย่างต่ำของน้ำมันดีเซลหมุนเร็วนี้ไว้ที่ ๕๐ (ประกาศปี ๒๕๖๓)

อีกเกณฑ์ที่ใช้แบ่งประเภทคือแบ่งออกเป็นเครื่องดีเซล 4 จังหวะและ 2 จังหวะ เครื่องยนต์ดีเซลที่เราเห็นกันทั่วไปส่วนใหญ่จะเป็นเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ

ในปัจจุบันมีการนำเอาน้ำมันพืชมาใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลด้วยกัน ๓ รูปแบบคือ ผสมโดยตรง, เปลี่ยนเป็นเมทิลเอสเทอร์ และเปลี่ยนเป็นไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง (ไขมันจากสัตว์ขอข้ามไปเลย เพราะมันมีน้อย)

การผสมเข้าโดยตรงเป็นวิธีการที่ทำได้ง่ายที่สุด เป็นการลดการใช้น้ำมันดีเซลลงบางส่วน (ไม่ใช่การแทนที่ทั้งหมด) วิธีการนี้พวกผู้ผลิตรถยนต์ (ที่เป็นเครื่องดีเซลรอบสูง) ไม่แนะนำให้ใช้ แต่สำหรับพวกที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลรอบสูงแต่ไม่ได้ใช้งานที่รอบสูงหรือใช้งานโดยทำงานที่รอบเครื่องคงที่ (เช่นเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็กสารพัดประโยชน์ที่ใช้ในการเกษตร หรือเรือขนาดเล็ก หรือเครื่องสูบน้ำ) ก็มีชาวบ้านเขาผสมใช้กันเอง บางคนก็นำมาใช้กับรถปิคอัพ (ช่วงที่น้ำมันปาล์มราคาต่อลิตรถูกกว่าน้ำมันดีเซล คือเทเข้าไปในถังน้ำมันก่อนเติมน้ำมันดีเซล) และยังมีโรงงานที่ใช้น้ำมันดีเซลเป็นเชื้อเพลิงในการผลิตไอน้ำ ก็มีการนำเอาน้ำมันพืชใช้แล้วมาผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลที่ใช้เผาเป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตไอน้ำ

การเปลี่ยนเป็นเมทิลเอสเทอร์เป็นวิธีการหลักที่บ้านเราทำกันอยู่ ในวิธีการนี้เรายังต้องพึ่งพาการนำเข้าเมทานอลจากต่างประเทศ (ซึ่งเมทานอลก็มาจากปิโตรเลียมอยู่ดี) ข้อดีของเมทิลเอสเทอร์ก็คือผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลได้ทุกสัดส่วน หรือจะใช้แทนน้ำมันดีเซลเลยก็ได้ (B100) แต่ผู้ผลิตรถหลายรายไม่แนะนำให้ใฃ้น้ำมันที่มีสัดส่วนเมทิลเอสเทอร์สูงกับเครื่องยนต์ เพราะระบบจ่ายเฃื้อเพลิงของรถยนต์นั้นมันมีบางตัวที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงทำหน้าที่เป็นน้ำมันหล่อลื่นด้วย (เช่นปั๊มหัวฉีดน้ำมัน) ดังนั้นแม้ว่าเมทิลเอสเทอร์จะมีเลขซีเทนระดับเดียวกับหรือสูงกว่าน้ำมันดีเซลที่เป็นไฮโดรคาร์บอน แต่ความสามารถในการหล่อลื่นชิ้นส่วนมันแตกต่างกันอยู่

การเปลี่ยนน้ำมันพืชเป็นไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงทำได้ ๓ วิธี วิธีการแรกคือ thermal cracking โดยตรง วิธีการนี้จะได้ความยาวสายโซ่ที่กระจัดกระจาย แต่ถ้าน้ำมันพืชนั้นมีความยาวสายโซ่สั้นอยู่แล้ว ก็อาจได้น้ำมันเบนซินหรือน้ำมันก๊าดแทนน้ำมันดีเซล ข้อของวิธีการนี้ก็คือไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ไม่ต้องใช้ความดันสูง แต่ผลิตภัณฑ์คงจะผสมกันมั่วไปหมด

วิธีการที่สองคือ แยกน้ำมันพืชออกมาเป็นกรดไขมันและกลีเซอรีนก่อน (ได้กลีเซอรีนที่ต้องหาทางนำไปใช้) จากนั้นจึงค่อยทำการรีดิวซ์กรดไขมันให้กลายเป็นไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง (คือเปลี่ยนหมู่ -COOH เป็น CH₃) หรือไม่ก็ทำการตัดหมู่ -COOH ทิ้ง (decarboxylation) วิธีการนี้เป็นกระบวนการสองขั้นตอน

วิธีการที่สามคือ hydrotreating ซึ่งใช้ไฮโดรเจนไปดึงเอาอะตอมออกซิเจนออกในรูปของ H₂O ซึ่งคงต้องมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย และคงต้องใช้ความดันช่วยเพื่อทำให้ไฮโดรเจนละลายเข้าไปในน้ำมัน ความยาวสายโซ่ที่ได้ก็จะอยู่ที่ระดับประมาณกรดไขมันของน้ำมันพืชที่ใช้ แต่ประเด็นคำถามก็คือจะเอาไฮโดรเจนมาจากไหน (จากปิโตรเลียมอีกหรือเปล่า)

ขอยกตัวอย่างในกรณีของรถยนต์ (เพราะเห็นภาพง่ายดี) ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ต่อระยะทางที่เดินทางได้ (l/km) หรือระยะทางที่เดินทางได้ต่อปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ไป (km/l) จะขึ้นอยู่กับ พลังงานต่อหน่วยปริมาตร (kJ/l) ของเชื้อเพลิง และการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นว่าทำได้สมบูรณ์แค่ไหน (คือความสามารถในการดึงเอาพลังงานของเชื้อเพลิงมาใช้)

ที่จำนวนอะตอม C เท่ากัน คิดจากการเปลี่ยนรูปเป็น CO₂ และ H₂O ไฮโดรคาร์บอนจะมีพลังงานในตัวสูงสุด (ไม่ขึ้นกับว่าไฮโดรคาร์บอนนั้นจะมาจากปิโตรเลียมหรือการเปลี่ยนโครงสร้างน้ำมันพืช) ถ้ามีอะตอม O อยู่ร่วมในโมเลกุล พลังงานในตัวจะลดลง (ยิ่งมี O มากก็ยิ่งลดลงมาก) ดังนั้นน้ำมันเชื้อเพลิงที่เป็นไฮโดรคาร์บอนล้วน ๆ (เช่นน้ำมันเบนซินที่ไม่ได้ใช้สาร oxygenate เพิ่มเลขออกเทน และน้ำมันดีเซลที่เป็นไฮโดรคาร์บอนล้วน) จะมีพลังงานต่อลิตรสูงกว่าน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีสารประกอบ oxygenate ผสม

สาร oxygenate คือสารอินทรีย์ที่มีอะตอม O ในโครงสร้างโมเลกุล สาร oxygenate หลักที่ใช้เพิ่มเลขออกเทนของน้ำมันเบนซินคือ methyl tertiary butyl ether (MTBE) และเอทานอล ในกรณีของน้ำมันดีเซลคือเมทิลเอสเทอร์

 

รูปที่ ๑ ไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้น้ำมันดีเซลล้วน ๆ และที่มีการผสมเมทิลเอสเทอร์ จะเห็นว่าแม้ว่าน้ำมันที่มีการผสมเมทิลเอสเทอร์จะเกิด CO และ NOx ต่ำกว่า แต่มีไฮโดรคาร์บอน (HC) ในแก๊สไอเสียมากกว่า (จากบทความเรื่อง Performance of Disel Engine Fuelled by a Biodiesel Extracted From a Waste Cooking OIl โดย W.M. Adaileh และ K.S. Alqdah ในวารสาร Energy Procedia 18(2018) 1317-1334.

ดังนั้นถ้าเชื้อเพลิงนั้นเผาไหม้ได้สมบูรณ์ เมื่อคิดที่ระยะทางเท่ากัน จะพบว่าเชื้อเพลิงที่ไม่มีสาร oxygenate ผสมอยู่จะใช้ปริมาตรน้อยกว่าพวกที่มีสาร oxygenate ผสมอยู่ ผลนี้เห็นได้ชัดในกรณีของเครื่องยนต์เบนซิน ที่เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าน้ำมันเบนซินไม่มีสาร oxygenate ผสมอยู่จะวิ่งได้ระยะทางต่อลิตรมากกว่าน้ำมันที่ใช้อีเทอร์หรือแอลกอฮอล์เป็นสารเพิ่มเลขออกเทน หรือในปัจจุบันที่จะเห็นว่าแก๊สโซฮอล์ที่มีสัดส่วนเอทานอลสูงจะวิ่งได้ระยะทางต่อลิตรต่ำกว่าพวกที่มีสัดส่วนเอทานอลต่ำกว่า (ในเครื่องยนต์เบนซินนั้นจะผสมน้ำมันกับอากาศให้กลายเป็นเนื้อเดียวกันก่อนที่จะจุดระเบิด จึงเสมือนว่าโมเลกุลเชื้อเพลิงแต่ละโมเลกุลมีการสัมผัสกับออกซิเจนก่อนการเผาไหม้)

ในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นมีความแตกต่างกันอยู่ คือเป็นการเผาไหม้หยดของเหลวจากผิวนอกเข้าหาแกนกลาง ดังนั้นพื้นที่ผิวที่ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับเชื้อเพลิงได้จึงมีจำกัด มีเฉพาะโมเลกุลเชื้อเพลิงที่อยู่ที่ผิวนอกเท่านั้นที่เกิดการลุกไหม้ได้ การออกแบบเครื่องยนต์จึงต้องพยายามฉีดน้ำมันให้เป็นละอองฝอยละเอียดเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส (ทรงกลมที่มีขนาดเล็กจะมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรสูงกว่าทรงกลมที่มีขนาดใหญ่กว่า) ดังนั้นจึงมีปัจจัยเรื่องความง่ายในการเผาเชื้อเพลิงเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เชื้อเพลิงที่มีออกซิเจนในโมเลกุลจะเผาไหม้ได้สมบูรณ์กว่า (คือเกิด CO และเชื้อเพลิงที่ไม่เผาไหม้ต่ำกว่า) แต่ก็มีโอกาสเกิด NOx (สารประกอบไนโตรเจนออกไซด์) และมลพิษที่เป็นสารประกอบ oxygenate โมเลกุลเล็กมากกว่า แต่เชื้อเพลิงที่มีพลังงานในตัวสูงกว่า เมื่อเผาไหม้ก็จะเกิดความร้อนมากกว่า มีโอกาสทำให้ปฏิกิริยาการเผาไหม้ดำเนินไปข้างหน้าได้รวดเร็วและสมบูรณ์ได้มากกว่า แต่อุณหภูมิแก๊สที่ร้อนมากกว่าก็สามารถทำให้เกิด NOx ได้มากเช่นกัน

ผลการทดลองที่มีการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการหลายบทความ ที่เป็นการเปรียบเทียบกันระหว่างน้ำมันดีเซลและน้ำมันดีเซลที่มีการผสมไบโอดีเซล ก็ให้ผลที่แตกต่างกันอยู่ ขึ้นอยู่กับ "ไบโอดีเซล" ที่นำมาผสมนั้นได้มากจากวิธีการใด และปริมาณที่ผสมเข้าไป

รูปที่ ๒ ตัวอย่างองค์ประกอบในแก๊สไอเสียจากเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันดีเซลที่มีสัดส่วน biodiesel ที่แตกต่างกัน biodiesel ในงานนี้ไม่ใช่เมทิลเอสเทอร์ แต่เป็นไฮโดรคาร์บอนที่ได้จากการ pyrolysis น้ำมันพืชใช้แล้ว คือให้ความร้อนจนโมเลกุลน้ำมันพืชแตกออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ B0 คือดีเซลจากปิโตรเลียมล้วน ๆ ส่วน B100 คือดีเซลที่ได้จากปฏิกิริยา pyrolysis ล้วน ๆ B100 เกิด NOx และ CO ต่ำกว่า BO แต่มีไฮโดรคาร์บอน (HC) ในแก๊สไอเสียมากกว่า B0 (จากบทความเรื่อง Diesel Engine Performance, Emission and Combustion Characteristics of Biodiesel and Its Blends Derived from Catalytic Pyrolysis of Waste Cooking Oil โดย M. Mohamed และคณะ วารสาร Energies, 2020, 13, 5708 (www.mdpi.com/journal/energies)

อย่างเช่นในรูปที่ ๑ เป็นการใช้ไบโอดีเซลที่เป็นเมทิลเอสเทอร์ ส่วนในรูปที่ ๒ เป็นไบโอดีเซลที่ได้จากการไพโรไรซิส จะเห็นว่าสำหรับมลพิษบางตัว (เช่น CO) น้ำมันดีเซลที่มีไบโอดีเซลผสมจะเกิดมลพิษตัวนั้นต่ำกว่าน้ำมันดีเซลที่ไม่มีไบโอดีเซลผสม แต่สำหรับมลพิษบางตัว (เช่นไฮโดรคาร์บอน HC) น้ำมันดีเซลที่ไม่มีไบโอดีเซลผสมจะเกิดมลพิษตัวนั้นต่ำกว่าน้ำมันดีเซลที่มีไบโอดีเซลผสม

ดังนั้นน้ำมันดีเซลที่อ้างว่ามีแหล่งที่มาแบบ "Green" ก็มีโอกาสที่จะไม่ Green จริงเสมอไปเมื่อนำพลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตและมลพิษที่เกิดขึ้นจริงในการใช้งานมาพิจารณาร่วมด้วย