พลังงานไฮโดรเจน (Hydrogen, H2) เป็นพลังงานเชื้อเพลิงสำหรับการเผาไหม้ที่มีประสิทธิภาพสูง สะอาด และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ได้รับการคาดหมายและยอมรับว่าจะเป็นแหล่งของพลังงานเชื้อเพลิงที่สำคัญอย่างมากในอนาคต ในปัจจุบันนี้กระบวนการเปลี่ยนรูปสารไฮโดรคาร์บอนด้วยไอน้ำ (Steam reforming of hydrocarbons) เป็นกระบวนการที่ใหญ่ที่สุดสำหรับการผลิตพลังงานไฮโดรเจน แต่ปัญหาหลักที่สำคัญมากของกระบวนการนี้คือ การปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมากซึ่งเป็นสาเหตุของสภาวะโลกร้อน หรือปรากฏการณ์เรือนกระจก นอกจากนี้แล้วยังประสบปัญหาการขาดแคลนแหล่งของไฮโดรคาร์บอนที่นำมาใช้ในกระบวนการอีกด้วย ดังนั้นกระบวนการอื่นซึ่งเป็นทางเลือกใหม่ที่ปลอดภัย และสามารถผลิตพลังงานไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงควรได้มีการพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับความต้องการพลังงานไฮโดรเจนในอนาคต
สักวันในอนาคตอันใกล้นี้ ก๊าซไฮโดรเจน จะเป็นเชื้อเพลิงทดแทนที่ช่วยลดมลภาวะ เนื่องจากไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเกิดการเผาไหม้กับก๊าซออกซิเจน มีเพียงไอน้ำเป็นผลพลอยได้ แตกต่างจากเชื้อเพลิงชนิดอื่นที่ปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขณะเผาไหม้ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) ส่งผลกระทบโดยตรง ด้วยการทำให้โลกมีอุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง (Global warming) ก๊าซไฮโดรเจน ยังใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ หรือนำไปผลิตกระแสไฟฟ้า โดยป้อนเข้าเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) นักวิจัยทั่วโลกให้ความสนใจในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ มานานแล้ว จากประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงที่ให้พลังงานสูงกว่าอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าแบบอื่นๆ มาก ดังนั้น พลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง ที่สามารถนำมาใช้ทดแทนพลังงานจากน้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้กันมานานและเป็นตัวการในการก่อมลพิษ
คุณประโยชน์ของไฮโดรเจน
- แหล่งพลังงานดั้งเดิม ก่อให้เกิดสภาวะเรือนกระจก มลพิษที่ปล่อยออกมาจากการสันดาป ทั้งรถยนต์ เรือ และเครื่องบิน ส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศของโลก โดยเฉพาะก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์ ซึ่งเกิดจากการสันดาป (Combustion) ของสารประกอบอินทรีย์ เช่น น้ำมัน แต่พลังงานไฮโดรเจนเป็นพลังงานสะอาด ไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก ดังนั้นจึงไม่ส่งผลให้เกิดภาวะเรือนกระจก
- การเผาไหม้ของน้ำมันเชื้อเพลิง ไม่ว่าจะมาจากยานพาหนะหรือแหล่งอุตสาหกรรม ก่อให้เกิดกลุ่มควันและฝุ่นละออง แต่พลังงานไฮโดรเจนไม่ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ
- พลังงานไฮโดรเจนสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับงานที่ต้องใช้พลังงานดั้งเดิมได้ เช่น ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับครัวเรือน แทนที่เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือเครื่องกังหัน และเครื่องไอพ่น
- พลังงานเชื้อเพลิงที่ได้จากไฮโดรเจน สูงกว่าพลังงานเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน (น้ำมัน) และเชื้อเพลิงจากแอลกอฮอล์ เช่น เมทานอล และเอทานอลถึง 2.5 และ 5 เท่า
- ก๊าซไฮโดรเจนสามารถนำไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell) ในการผลิตไฟฟ้า ซึ่งอยู่ระหว่างการพัฒนาและคาดว่าจะนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอนาคต
Airbus บริษัทผลิตอากาศยานของยุโรป เปิดตัวโครงการวิจัยและพัฒนาเครื่องบินโดยสาร ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจปลอดมลพิษ ด้วยแนวคิดที่จะมีเครื่องบินโดยสารที่ไม่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ขึ้นบินรับส่งผู้โดยสารทั่วโลก ภายในปี คศ. 2035 (พศ. 2578) Airbus กำลังศึกษาถึงความเป็นไปได้ของการพัฒนาเครื่องยนต์พลังงานไฮโดรเจนให้กับเครื่องบินโดยสารยุคใหม่ในอนาคต โดยใช้การออกแบบที่แตกต่างกันถึงสามแบบ เนื่องจาก Airbus ต้องเผชิญกับแรงกดดันด้านการลดมลภาวะจากรัฐบาลฝรั่งเศสและเยอรมัน ซึ่งเป็นผู้ถือหุ้นรายใหญ่ที่สุดของบริษัท ในอีกห้าปีข้างหน้า Airbus จะทดสอบเครื่องบินโดยสารทั้งสามแบบ และจะทำการประเมินว่า เครื่องบินแบบใดที่สามารถนำมาผลิตจริงได้ดีที่สุด
อากาศยานโดยสารเครื่องยนต์พลังงานสะอาด คือ แนวคิดที่มีมานานแล้ว สภาวะโลกร้อนจากก๊าซเรือนกระจก ส่วนหนึ่งเกิดจากการเดินทางในอากาศ เครื่องยนต์ของเครื่องบินโดยสารในปัจจุบัน ปลดปล่อยคาร์บอนจำนวนมากออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งมีส่วนทำให้อุณหภูมิของโลกสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง
ล่าสุด Airbus ได้ทำการบินทดสอบเครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจนบนเครื่องบิน A380 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ ZeroE ก่อนสิ้นทศวรรษนี้ ผู้ผลิตเครื่องบินสัญชาติยุโรปรายนี้กำลังร่วมมือกับ CFM International ผู้ผลิตเครื่องยนต์อากาศยาน ซึ่งเป็นบริษัทร่วมทุนที่ก่อตั้งมายาวนานระหว่าง GE Aviation และ Safran Aircraft Engines เพื่อจัดหาเครื่องยนต์ไฮโดรเจนตัวแรกสำหรับโครงการนี้ CFM คือการปรับเปลี่ยนเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนของ GE general electric เพื่อรองรับเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ขณะที่แอร์บัสกำลังกำหนดค่า MSN1 A380 ซึ่งเป็นเครื่องบิน A380 เครื่องแรกที่สร้างขึ้นเพื่อรองรับเครื่องยนต์ไฮโดรเจนที่ด้านบนขวาของลำตัวเครื่องบิน
เนื่องจากเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนก๊าซเทอร์ไบน์ มีความยืดหยุ่นของเชื้อเพลิงโดยเนื้อแท้ จึงสามารถปรับตั้งให้ทำงานกับไฮโดรเจนสีเขียวหรือเชื้อเพลิงที่คล้ายคลึงกันได้ หรือสามารถอัปเกรดเครื่องยนต์ได้ แม้จะผ่านการใช้งานมานาน ขอบเขตของการดัดแปลง ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าเริ่มต้นของก๊าซเทอร์ไบน์ ความสมดุลโดยรวม ตลอดจนความเข้มข้นของไฮโดรเจนในถังเชื้อเพลิง MSN1 ถูกใช้ในระหว่างโปรแกรมการทดสอบของเครื่องบิน Airbus A380 เพื่อทดสอบการทำงานของเครื่องยนต์ Rolls-Royce Trent XWB ที่ใช้ในเครื่องบินโดยสาร Airbus A350 XWB
การดัดแปลง MSN1 A380 เครื่องต้นแบบเพื่อทดสอบการบิน จะแล้วเสร็จภายในสิ้นปี พ.ศ. 2569 ในขณะที่ CFM ใช้โปรแกรมการทดสอบภาคพื้นดิน ตารางการทดสอบเที่ยวบินยังอยู่ในระหว่างการวางแผน แต่จะเกิดขึ้นก่อนปี 2030 Sabine Klauke เจ้าหน้าที่ด้านเทคนิคของ Airbus กล่าวว่า “เครื่องบินลำนี้มีประวัติการทดสอบและได้รับการกำหนดค่าให้เป็นเครื่องบินเพื่อการวิจัย ตัวเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ ถูกติดตั้งที่ด้านนอก ภายในลำตัว มีการติดตั้งถังไฮโดรเจนจำนวนสี่ถัง ซึ่งได้รับการพัฒนาในเบรเมิน นองต์ และมาดริด
การมีเครื่องบินสี่เครื่องยนต์ที่มีความสามารถในการติดตั้งเครื่องยนต์อื่นที่ด้านหลังถือเป็นโอกาสที่ดี A380 มีขนาดใหญ่มากสำหรับทำการบินทดสอบทุกประเภท รวมถึงการทดสอบเครื่องยนต์เหล่านี้ เพื่อนำมาใช้ในภายหลัง เครื่องบินบรรทุกไฮโดรเจนเหลว 400 กิโลกรัม ถังเชื้อเพลิงถูกทดสอบด้านความปลอดภัย หลังจากการทดสอบด้วยเครื่องยนต์ GE เสร็จสิ้น ระบบขับเคลื่อนอื่นๆ อาจได้รับการทดสอบ รวมถึงเครื่องยนต์โรเตอร์แบบเปิด และระบบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
เครื่องยนต์สันดาปไฮโดรเจน
วิศวกรของ CFM จะปรับเปลี่ยนห้องเผาไหม้ ระบบเชื้อเพลิง และระบบควบคุมของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน Passport ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องบินไอพ่นธุรกิจขนาดใหญ่ ในระหว่างการบิน เครื่องยนต์ที่ดัดแปลงได้รับการตรวจสอบแยกต่างหากจากเครื่องยนต์หลักอีกสี่เครื่อง ที่ขับเคลื่อนเครื่องบิน Gael Meheust ประธานและซีอีโอของ CFM International กล่าวว่า “เราต้องการนำเสนอเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำสู่ตลาดการบินพาณิชย์ ซึ่งจะพัฒนาอุตสาหกรรมการบินให้ก้าวหน้ามากยิ่งขึ้น ในขณะเดียวกันก็ช่วยปกป้องโลกด้วยการลดคาร์บอน เครื่องยนต์ที่เราผลิตในอนาคตจะเข้ากันได้กับเชื้อเพลิงทางเลือก เช่น SAF แต่เป้าหมายของอุตสาหกรรมนี้คือการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ และการขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน คือการแก้ปัญหาคาร์บอนเป็นศูนย์อย่างแท้จริง”
Mohamed Ali รองประธานและผู้จัดการทั่วไปของ GE Aviation กล่าวว่า “นี่เป็นก้าวสำคัญสู่อุตสาหกรรมการบิน ไฮโดรเจนเป็นสิ่งที่น่าตื่นเต้นและท้าทาย GE Aviation มีประสบการณ์การกับเครื่องยนต์พลังงานไฮโดรเจนมากกว่า 800 ล้านชั่วโมง ด้วยการทดสอบการทำงานบนภาคพื้นดิน” มีความท้าทายด้านวิศวกรรมในการแก้ปัญหาด้วยระบบขับเคลื่อน ซึ่งรวมถึงการพัฒนาระบบจ่ายเชื้อเพลิงด้วยการแช่แข็งแบบใหม่ ซึ่งรวมถึงปั๊มเชื้อเพลิงแบบแช่แข็ง ระบบท่อ และซีลแบบใหม่ ไฮโดรเจนเหลวจะต้องแปลงเป็นก๊าซที่อุณหภูมิ -205˚C ก่อนที่จะเผาไหม้ในเครื่องยนต์ ซึ่งหมายความว่าวิศวกรจะต้องพัฒนาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบใหม่ ไฮโดรเจนเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นและเร็วกว่าเชื้อเพลิงเครื่องบินปกติเป็นสิบเท่า ซึ่งหมายความว่า เครื่องยนต์ต้องใช้วัสดุที่มีความคงทนต่ออุณหภูมิสูง และต้องพัฒนาวิธีการใหม่ในการควบคุมการเผาไหม้ให้สมบูรณ์แบบมากยิ่งขึ้น
นอกจากประสิทธิภาพของระบบเผาไหม้ไฮโดรเจน ระบบจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง และถังเก็บแล้ว โปรแกรมทดสอบ จะรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับคอนเทรลที่ผลิตโดยเครื่องยนต์ไฮโดรเจนในสภาวะบรรยากาศต่างๆ คาดว่า เครื่องยนต์ไฮโดรเจนจะปล่อยน้ำออกสู่ชั้นบรรยากาศมากกว่า 3 เท่า ซึ่งนักวิจัยบางคนเชื่อว่าสามารถเพิ่มผลกระทบของก๊าซเรือนกระจกได้ Airbus วางแผนเปิดตัวเครื่องบินไร้มลพิษภายในปี 2035 ภายใต้โครงการ ZeroE ซึ่งเปิดตัวไปเมื่อ 18 เดือนที่ผ่านมา
Airbus เปิดตัว ZEROe เมื่อเดือนกันยายน 2020 ด้วยการนำเสนอเครื่องบินโดยสารขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน 3 ลำ สำหรับผู้โดยสารจำนวน 100 และ 200 ที่นั่ง ซึ่งรวมถึงเครื่องบินใบพัด เครื่องบินโดยสารที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน และเครื่องบินวิจัยปีกสามเหลี่ยมเดลต้าวิง แอร์บัสจะทำการวิจัยและพัฒนาจนถึงปี 2025 (2568) ก่อนที่จะเริ่มทำการทดสอบการบินด้วยเครื่องสาธิต ประมาณปี 2027 และจะทำการเปิดตัวโปรแกรมสายการบินแรก โดยมีเป้าหมายเพื่อให้บริการในปี 2035
ในส่วนของเทคโนโลยีไฮโดรเจน GE และ Safran จะเริ่มการทดสอบภาคพื้นดิน ด้วยเครื่องยนต์ GE Passport เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน แรงขับ 1,800-20,000 ปอนด์ ซึ่งพัฒนามาตั้งแต่ปี 2010 สำหรับเครื่องบินไอพ่นธุรกิจ Bombardier Global 7500 และให้บริการมาตั้งแต่ปี 2018 ดังที่ Mohamed Ali รองประธานและผู้จัดการทั่วไปของแผนกวิศวกรรม GE อธิบายไว้ CFM จะเริ่มการทดสอบภาคพื้นดินด้วย เครื่องยนต์ที่ได้รับการดัดแปลงโดยใช้เชื้อเพลิง Jet-A แบบธรรมดาเพื่อสร้างข้อมูลพื้นฐาน ก่อนถ่ายโอนไปยังเชื้อเพลิงไฮโดรเจน
เชื้อเพลิงเหลวที่เย็นจัด (มีอุณหภูมิ-253 องศาเซลเซียส) จะถูกทำให้เป็นแก๊สและฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้โดยตรง การทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่า จะสร้างลักษณะการเผาไหม้ของไฮโดรเจน ซึ่งเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก เมื่อเทียบกับน้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบินแบบมาตรฐาน GE ได้ทำการวิจัยโลหะ สารเคลือบ และเซรามิก ที่มีความหลากหลาย เพื่อดูว่าวัสดุใดเหมาะสมที่สุดในการทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงอย่างต่อเนื่อง การเรียนรู้และรวบรวมข้อมูลจากโครงการนี้ ให้ข้อมูลที่มีความสำคัญเกี่ยวกับการพัฒนาเครื่องยนต์ในอนาคต
ยังเร็วเกินไปที่จะบอกว่า จะต้องมีเที่ยวบินทดสอบกี่เที่ยวบิน และมีข้อมูลที่เพียงพอต่อการทำให้เสร็จสมบูรณ์ แต่มันจะเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญ ก่อนที่ Airbus จะกำหนดว่าสายการบินไฮโดรเจนจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร รูปร่างและขนาดจะตามมาในภายหลัง
โดย : อาคม รวมสุวรรณ
Source : ไทยรัฐออนไลน์
