แนวโน้มและโอกาสสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเพื่อการขนส่งที่สะอาด

บทความนี้จะมุ่งเน้นไปที่เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน แนวโน้มและโอกาสสำหรับการใช้งาน เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจนกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมยานยนต์ในปัจจุบัน เพราะหากศตวรรษที่ 20 เป็นศตวรรษของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ศตวรรษที่ 21 อาจกลายเป็นศตวรรษแห่งพลังงานไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมยานยนต์ ทุกวันนี้ต้องขอบคุณเซลล์ไฮโดรเจน การทำงานของยานอวกาศ และในบางประเทศของโลก ไฮโดรเจนถูกใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้ามานานกว่า 10 ปี

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีเหมือนแบตเตอรี่ที่ผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจน และผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาเคมีคือน้ำบริสุทธิ์ ในขณะที่การเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติ เช่น ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

นอกจากนี้ เซลล์ไฮโดรเจนยังสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเซลล์เหล่านี้จึงมีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ ลองนึกภาพเครื่องยนต์รถยนต์ที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแต่ปัจจุบันโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดถูกสร้างขึ้นและมีความเชี่ยวชาญเฉพาะสำหรับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม และการเปิดตัวเซลล์ไฮโดรเจนในปริมาณมากในอุตสาหกรรมยานยนต์ต้องเผชิญกับอุปสรรคนี้และอุปสรรคอื่นๆ

ในขณะเดียวกัน ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2382 เป็นต้นมา เป็นที่ทราบกันดีว่าไฮโดรเจนและออกซิเจนสามารถรวมกันทางเคมีและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ กล่าวคือ กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำสามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการยืนยัน ในศตวรรษที่ 19 เซลล์เชื้อเพลิงเริ่มมีการศึกษา แต่การพัฒนาการผลิตน้ำมันและการสร้างเครื่องยนต์สันดาปภายในทำให้แหล่งพลังงานไฮโดรเจนกลายเป็นสิ่งแปลกใหม่ ผลิตไม่ได้ประโยชน์และมีราคาแพง

ในปี 1950 NASA ถูกบังคับให้หันไปใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน และจากนั้นก็ไม่จำเป็น พวกเขาต้องการเครื่องกำเนิดพลังงานขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสำหรับยานอวกาศของพวกเขา เป็นผลให้ Apollo และ Gemini บินไปในอวกาศด้วยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งกลายเป็นทางออกที่ดีที่สุด

ทุกวันนี้ เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้อยู่ในเทคโนโลยีการทดลองโดยสิ้นเชิง และในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าอย่างมากในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง

ไม่เสียเปล่าที่มีความหวังสูงกับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ในกระบวนการทำงาน มลพิษทางสิ่งแวดล้อมมีน้อยที่สุด ข้อได้เปรียบทางเทคนิคและความปลอดภัยนั้นชัดเจน นอกจากนี้ เชื้อเพลิงประเภทนี้มีความเป็นอิสระโดยพื้นฐานและสามารถทดแทนแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีน้ำหนักมากและมีราคาแพงได้

เชื้อเพลิงของเซลล์ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนเป็นพลังงานโดยตรงในระหว่างปฏิกิริยาเคมี และที่นี่จะได้รับพลังงานมากกว่าการเผาไหม้แบบเดิมใช้เชื้อเพลิงน้อยลงและประสิทธิภาพสูงกว่าอุปกรณ์ที่คล้ายกันที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลถึงสามเท่า

ประสิทธิภาพจะยิ่งสูงขึ้น การจัดระบบการใช้น้ำและความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาก็จะยิ่งดีขึ้น การปล่อยสารที่เป็นอันตรายมีน้อยมาก เนื่องจากมีเพียงน้ำ พลังงาน และความร้อนเท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมา ในขณะที่แม้กระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมจะประสบความสำเร็จมากที่สุด ไนโตรเจนออกไซด์ กำมะถัน คาร์บอน และผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ไม่จำเป็นอื่นๆ ก็เกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

นอกจากนี้ อุตสาหกรรมเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมเองก็ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็หลีกเลี่ยงการบุกรุกที่เป็นอันตรายของระบบนิเวศได้ เนื่องจากการผลิตไฮโดรเจนเป็นไปได้จากแหล่งพลังงานหมุนเวียนทั้งหมด แม้แต่การรั่วไหลของก๊าซนี้ก็ไม่เป็นอันตราย เพราะมันระเหยทันที

เซลล์เชื้อเพลิงไม่สำคัญว่าจะได้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมาจากเชื้อเพลิงใดสำหรับการทำงานของมัน ความหนาแน่นของพลังงานในหน่วย kWh / l จะเท่ากันและตัวบ่งชี้นี้จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีสำหรับการสร้างเซลล์เชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนสามารถหาได้จากแหล่งในท้องถิ่นที่สะดวก ไม่ว่าจะเป็นก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน ชีวมวล หรืออิเล็กโทรลิซิส (ผ่านลม พลังงานแสงอาทิตย์ ฯลฯ) การพึ่งพาผู้ผลิตไฟฟ้าในภูมิภาคจะหายไป ระบบมักจะไม่ขึ้นกับเครือข่ายไฟฟ้า

อุณหภูมิในการทำงานของเซลล์ค่อนข้างต่ำและสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 80 ถึง 1,000 ° C ขึ้นอยู่กับประเภทขององค์ประกอบในขณะที่อุณหภูมิในเครื่องยนต์สันดาปภายในสมัยใหม่ทั่วไปสูงถึง 2,300 ° Cเซลล์เชื้อเพลิงมีขนาดกะทัดรัด ปล่อยเสียงรบกวนน้อยที่สุดระหว่างการผลิต ไม่มีการปล่อยสารที่เป็นอันตราย ดังนั้นจึงสามารถวางไว้ในที่ที่สะดวกในระบบที่ใช้งานอยู่

ตามหลักการแล้ว ไม่เพียงแต่ไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาเคมีด้วย สามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่เป็นประโยชน์ได้ เช่น การให้ความร้อนแก่น้ำ การทำความร้อนในอวกาศ หรือการทำความเย็น - ด้วยวิธีนี้ ประสิทธิภาพการสร้างพลังงานในเซลล์จะเข้าใกล้ 90%

เซลล์ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลด ดังนั้นเมื่อการใช้พลังงานเพิ่มขึ้น จึงต้องจ่ายเชื้อเพลิงมากขึ้น สิ่งนี้คล้ายกับการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินหรือเครื่องกำเนิดสันดาปภายใน ในทางเทคนิคแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำไปใช้อย่างเรียบง่าย เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การออกแบบจึงเรียบง่ายและเชื่อถือได้ และโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวโดยพื้นฐานแล้วมีน้อยมาก

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (เช่น «กับโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์») มีเมมเบรนที่นำโปรตอนจากโพลิเมอร์ (Nafion, polybenzimidazole เป็นต้น) ซึ่งแยกขั้วไฟฟ้าสองขั้วออกจากกัน คือขั้วบวกและขั้วลบ อิเล็กโทรดแต่ละอันมักจะเป็นแผ่นคาร์บอน (เมทริกซ์) ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่รองรับ—แพลทินัมหรือโลหะผสมของแพลตินอยด์และสารประกอบอื่นๆ

บนตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกตัวออกและสูญเสียอิเล็กตรอน ไอออนบวกของไฮโดรเจนจะถูกส่งผ่านเมมเบรนไปยังแคโทด แต่อิเล็กตรอนจะถูกบริจาคไปยังวงจรภายนอกเนื่องจากเมมเบรนไม่อนุญาตให้อิเล็กตรอนผ่านไป บนตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด โมเลกุลของออกซิเจนจะรวมตัวกับอิเล็กตรอน (ซึ่งได้รับจากการสื่อสารภายนอก) และโปรตอนที่เข้ามาและกลายเป็นน้ำ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เดียวของปฏิกิริยา (ในรูปของไอน้ำและ/หรือของเหลว)

ใช่ รถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันทำงานด้วยแบตเตอรี่ลิเธียม อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถทดแทนได้ แทนที่จะใช้แบตเตอรี่ แหล่งพลังงานจะรองรับน้ำหนักน้อยกว่ามาก นอกจากนี้พลังของรถไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้เลยเนื่องจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มเซลล์แบตเตอรี่ แต่เพียงแค่ปรับการจ่ายเชื้อเพลิงให้กับระบบในขณะที่อยู่ในกระบอกสูบ ดังนั้นผู้ผลิตรถยนต์จึงมีความคาดหวังสูงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

กว่า 10 ปีที่แล้ว การทำงานเกี่ยวกับการสร้างรถยนต์ไฮโดรเจนได้เริ่มขึ้นในหลายประเทศทั่วโลก โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกาและยุโรป สามารถดึงออกซิเจนได้โดยตรงจากอากาศในชั้นบรรยากาศโดยใช้ชุดกรองอากาศแบบพิเศษที่ติดตั้งอยู่บนรถ ไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดจะถูกเก็บไว้ในกระบอกสูบที่ใช้งานหนักภายใต้แรงดันประมาณ 400 atm การเติมน้ำมันใช้เวลาไม่กี่นาที

แนวคิดของการขนส่งในเขตเมืองที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมถูกนำมาใช้ในยุโรปตั้งแต่กลางทศวรรษที่ 2000: พบรถโดยสารดังกล่าวมานานแล้วในอัมสเตอร์ดัม ฮัมบวร์ก บาร์เซโลนา และลอนดอน ในเมืองใหญ่ การไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายและเสียงรบกวนที่ลดลงมีความสำคัญอย่างยิ่ง Coradia iLint รถไฟโดยสารที่ใช้พลังงานไฮโดรเจนขบวนแรกเปิดตัวในเยอรมนีในปี 2561 ภายในปี 2564 มีแผนจะเปิดตัวรถไฟประเภทนี้อีก 14 ขบวน

ในอีก 40 ปีข้างหน้า การเปลี่ยนมาใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับรถยนต์สามารถปฏิวัติพลังงานและเศรษฐกิจของโลกได้ แม้ว่าจะเป็นที่ชัดเจนว่าน้ำมันและก๊าซจะยังคงเป็นตลาดเชื้อเพลิงหลักต่อไปอีกอย่างน้อย 10 ปีอย่างไรก็ตาม บางประเทศกำลังลงทุนในการสร้างรถยนต์ที่มีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน แม้ว่าจะต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคและเศรษฐกิจมากมาย

การสร้างโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจน สถานีบริการน้ำมันที่ปลอดภัยคือภารกิจหลัก เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่ระเบิดได้ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ด้วยไฮโดรเจน เชื้อเพลิงยานพาหนะและค่าบำรุงรักษาสามารถลดลงได้อย่างมาก และเพิ่มความน่าเชื่อถือได้

ตามการคาดการณ์ของ Bloomberg ภายในปี 2040 รถยนต์จะใช้พลังงาน 1,900 เทราวัตต์ชั่วโมง แทนที่จะเป็น 13 ล้านบาร์เรลต่อวันในปัจจุบัน ซึ่งคิดเป็น 8% ของความต้องการใช้ไฟฟ้า ในขณะที่ 70% ของน้ำมันที่ผลิตในโลกทุกวันนี้ไปที่การผลิตเชื้อเพลิงสำหรับการขนส่ง . แน่นอนว่า ณ จุดนี้ โอกาสของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าแบบแบตเตอรี่นั้นชัดเจนและน่าประทับใจกว่าในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

ในปี 2560 ตลาดรถยนต์ไฟฟ้ามีมูลค่า 17.4 พันล้านดอลลาร์ ในขณะที่ตลาดรถยนต์ไฮโดรเจนมีมูลค่าเพียง 2 พันล้านดอลลาร์ แม้จะมีความแตกต่างนี้ นักลงทุนยังคงให้ความสนใจในพลังงานไฮโดรเจนและสนับสนุนเงินทุนสำหรับการพัฒนาใหม่ๆ

ดังนั้น ในปี 2560 สภาไฮโดรเจนจึงถูกสร้างขึ้น ซึ่งประกอบด้วยผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ 39 ราย เช่น Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai วัตถุประสงค์คือการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีไฮโดรเจนใหม่ ๆ และการกระจายอย่างกว้างขวางในภายหลัง