| รหัสโครงการ : | R000000158 |
| ชื่อโครงการ (ภาษาไทย) : | การพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริด พลังงานไฮโดรเจนร่วมกับพลังงานเชื้อเพลิง เพื่อการประหยัดพลังงานและลดภาวะโลกร้อน |
| ชื่อโครงการ (ภาษาอังกฤษ) : | Development of the generator reserve with hybrid system by cooperation between the hydrogen energy and biomass fuel for saving energy and reducing global warming. |
| คำสำคัญของโครงการ(Keyword) : | - |
| หน่วยงานเจ้าของโครงการ : | คณะเทคโนโลยีการเกษตรและเทคโนโลยีอุตสาหกรรม > ภาควิชาเทคโนโลยีอุตสาหกรรม สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกลและหุ่นยนต์การเกษตร |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | โครงการวิจัยเดี่ยว |
| ลักษณะย่อยโครงการวิจัย : | ไม่อยู่ภายใต้แผนงานวิจัย/ชุดโครงการวิจัย |
| ประเภทโครงการ : | โครงการวิจัยใหม่ |
| สถานะของโครงการ : | propersal |
| งบประมาณที่เสนอขอ : | 80000 |
| งบประมาณทั้งโครงการ : | 80,000.00 บาท |
| วันเริ่มต้นโครงการ : | 19 พฤศจิกายน 2556 |
| วันสิ้นสุดโครงการ : | 18 พฤศจิกายน 2557 |
| ประเภทของโครงการ : | การพัฒนาทดลอง |
| กลุ่มสาขาวิชาการ : | วิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยี |
| สาขาวิชาการ : | สาขาวิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมวิจัย |
| กลุ่มวิชาการ : | วิศวกรรมศาสตร์และเทคโนโลยีพื้นฐานทางวิศวกรรมศาสตร์ |
| ลักษณะโครงการวิจัย : | ระดับชาติ |
| สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ : | สะท้อนถึงการใช้ความรู้เชิงอัตลักษณ์ |
| สร้างความร่วมมือประหว่างประเทศ GMS : | ไม่สร้างความร่วมมือทางการวิจัยระหว่างประเทศ |
| นำไปใช้ในการพัฒนาคุณภาพการศึกษา : | นำไปใช้ประโยชน์ในการพัฒนาณภาพการศึกษา |
| เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต : | ไม่เกิดจากความร่วมมือกับภาคการผลิต |
| ความสำคัญและที่มาของปัญหา : | จากนโยบายและแผนพลังงานภายใต้กรอบการจัดทำแผนพลังงานทดแทน 15 ปี (กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, 2554) ที่กระทรวงพลังงานได้เตรียมจัดทำไว้สำหรับปี 2551-2565 ซึ่งในปี 2560 ได้เริ่มกำหนดเป้าหมายให้มีการใช้พลังงานไฮโดรเจน 100,000 กิโลกรัม เพื่อผลักดันให้โครงสร้างพื้นฐานรองรับการใช้ ไฮโดรเจน มีความพร้อมในทุกด้านตั้งแต่ก่อนที่จะเริ่มมีการใช้ไฮโดรเจนจนกระทั่ง เติบโตแพร่หลายเข้าสู่ยุคของการใช้ไฮโดรเจนอย่างเต็มรูปแบบ เพื่อลดการพึ่งพาพลังงานนำเข้าและเทคโนโลยีนำเข้าให้มากที่สุด โดยแนวทางในการพัฒนาและแก้ปัญหาดังกล่าว ควรส่งเสริมให้มีการใช้เทคโนโลยีพลังงานสะอาด (Clean Energy) และเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy) เช่น พลังงานไฮโดรเจนมาใช้ ไฮโดรเจนเป็นพลังงานที่เลือกนำมาศึกษา เพราะเป็นเชื้อเพลิงที่สะอาด และไม่เกิดมลพิษ โดยนำน้ำมาทำการแยกด้วยกระแสไฟฟ้าเพื่อให้ได้ก๊าซไฮโดรเจน
งานวิจัยนี้มีเป้าหมายจะทำการพัฒนาการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน จากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ต้นกำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง ดังนั้นการศึกษาวิจัยครั้งนี้จึงเป็นการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริด พลังงานไฮโดรเจนร่วมกับพลังงานเชื้อเพลิง เพื่อการประหยัดพลังงานและลดภาวะโลกร้อน ที่สามารถลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงและลดต้นทุนการผลิตพลังงานไฟฟ้าให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
|
| จุดเด่นของโครงการ : | - |
| วัตถุประสงค์ของโครงการ : | 1 เพื่อพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริด พลังงานไฮโดรเจนร่วมกับ
2 เพื่อทดสอบประสิทธิภาพเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริดที่สร้างขึ้น
3 เพื่อวิเคราะห์ต้นทุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริดที่สร้างขึ้น
|
| ขอบเขตของโครงการ : | พัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองระบบไฮบริด พลังงานไฮโดรเจนร่วมกับพลังงานเชื้อเพลิง ขนาดพิกัด 5 KW ที่สามารถประหยัดพลังงานเชื้อเพลิงได้อย่างน้อย 40% |
| ผลที่คาดว่าจะได้รับ : | - |
| การทบทวนวรรณกรรม/สารสนเทศ : | 1. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง
1.1 คำจำกัดความของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง (การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย, 2554) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการจ่ายกำลังงานให้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เป็นโหลด เมื่อเกิดสภาวะแรงดันไฟฟ้าดับ (Blackout) หรือ ไฟฟ้าตก (Brownout) จากสภาวะไฟฟ้าปกติ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองที่มีใช้งานอาจจะมีหลายขนาด รูปร่าง และ ความสามารถในการจ่ายกำลังงานที่แตกต่างกันออกไป แต่มักจะมีหลักการทำงานพื้นฐานที่เหมือนๆกัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง มีบทบาทสำคัญในสถานที่ ที่ต้องการใช้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องในการทำงาน ในการเก็บรักษาข้อมูล และงานในกระบวนการผลิตต่างๆ เช่น โรงพยาบาล โรงแรม โรงงานอุตสาหกรรมและภาคเกษตร หรือเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง ที่จ่ายไฟฟ้าให้กับหมู่บ้านหรือกลุ่มผู้ใช้ขนาดเล็ก ซึ่งอยู่ห่างไกลจากระบบสายส่งไฟฟ้า ของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค
1.2 เทคโนโลยีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง
เราสามารถจำแนกเทคโนโลยีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองออกได้เป็น 2 ประเภทหลัก คือ เทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy) และเทคโนโลยีที่ไม่ใช้พลังงานหมุนเวียน (Non-Renewable Energy) สำหรับเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนนั้นเรียกได้อีกอย่างหนึ่งว่าเป็นเทคโนโลยีที่ใช้พลังงานสะอาด (Clean Energy) เนื่องจากเทคโนโลยีประเภทนี้จะผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้ทรัพยากรที่ใช้แล้วไม่มีวันหมดไป ซึ่งทรัพยากรเหล่านี้ ได้แก่ พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Photovoltaic) พลังงานลม (Wind Energy) พลังงานความร้อนใต้ภิภพ (Geothermal) พลังงานจากเชื้อเพลิงชีวมวล (Biomass) และพลังงานจากคลื่นใต้ทะเล (Ocean) ข้อดีของเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน คือ เป็นเทคโนโลยีที่ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะ และไม่ทำลายสภาพแวดล้อม แต่เทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนมีข้อจำกัดในเรื่องของภูมิศาสตร์ เนื่องจากต้องอาศัยแหล่งพลังงานตามธรรมชาติ ดังนั้นสถานที่ก่อตั้งจะต้องอยู่ในพื้นที่ที่มีสภาพภูมิอากาศ หรือมีปัจจัยที่เป็นแหล่งพลังงานที่เอื้ออำนวย เช่น ประเทศที่อยู่ในแถบเส้นศูนย์สูตรอย่างประเทศไทย มีสภาพภูมิอากาศที่เหมาะกับการใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากได้รับแสงแดดตลอดปี ในส่วนเทคโนโลยีที่ไม่ใช้พลังงานหมุนเวียนนั้น จะทำการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยอาศัยพลังงานจากเครื่องจักรกล หรือโดยการนำเอาทรัพยากรธรรมชาติ เช่น ถ่านหิน หรือ ก๊าซธรรมชาติ มาทำการเผาไหม้เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานในการผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งเทคโนโลยีประเภทนี้จะประกอบด้วย พลังงานจากเชื้อเพลิง (Fuel Cell) กังหันไอน้ำขนาดเล็กและกังหันไอน้ำขนาดจิ๋ว (Small and Micro Turbine) เครื่องจักรที่มีการเผาผลาญภายใน (Internal Combustion Engine) คอมไบน์ไซเคิล (Combined Cycle) และคอมบัสชันเทอร์ไบน์ (Combustion Turbine) ข้อได้เปรียบของเทคโนโลยีที่ไม่ใช้พลังงานหมุนเวียนจะอยู่ที่ความเชื่อถือได้ (Reliability) และไม่มีข้อจำกัดในเรื่องของพื้นที่เหมือนเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน (ยกเว้น เทคโนโลยีที่ใช้พลังงานจากเชื้อเพลิง ซึ่งอาจจะต้องอยู่ใกล้แหล่งถ่านหิน หรือ ก๊าซธรรมชาติ) แต่ข้อเสียของเทคโนโลยีประเภทนี้ คือ สามารถก่อให้เกิดมลภาวะ และส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเทคโนโลยีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองได้พัฒนาไปจากเดิมมาก ทำให้สามารถที่จะนำเอาทรัพยากรที่ใช้แล้วหมุนเวียนกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งเป็นการช่วยลดมลภาวะ และเป็นการใช้ทรัพยากรให้เกิดประโยชน์สูงสุด
1.3 ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง (Generator reserves system)
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาใช้แทนระบบไฟฟ้าหลักเมื่อเกิดเหตุขัดข้องขึ้น ซึ่งระบบจ่ายไฟฟ้าสำรองที่ดีจะประกอบด้วย
1) ความปลอดภัย ระบบไฟฟ้าสำรองที่ดี จะต้องไม่ทำให้เกิดอันตรายต่อบุคคล กรณีนี้ต้องเลือกใช้วัสดุตามมาตรฐาน
2) ความเชื่อถือได้ บางครั้งระบบไฟฟ้าอาจต้องตัดกระแสไฟฟ้าหรือเกิดการขัดข้อง ระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองต้องรองรับโหลดในส่วนนี้ได้
3) ความง่ายต่อการใช้งาน ข้อนี้สำคัญมาก การทำงานของระบบต้องพยายามทำให้ง่ายที่สุด (Simplicity) ที่จะเป็นไปได้และให้ตรงความต้องการมากที่สุด
4) ความสม่ำเสมอแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ จะทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง
5) การดูแลรักษา ต้องให้ระบบจ่ายไฟฟ้าสามารถดูแลรักษา ตรวจสอบ ซ่อมแซม และทำความสะอาดได้ง่าย
6) ความคล่องตัว ระบบไฟฟ้าสำรองที่ดีนั้นสามารถปรับปรุง ดัดแปลง และขยายได้ในอนาคต
การเริ่มเดินเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง ทำได้โดยการกระทำของมนุษย์ (Manual) หรือแบบอัตโนมัติ (Automatic) ต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าว่าผิดปกติหรือไม่ แล้วอุปกรณ์ตรวจจับจะส่งสัญญาณไปให้ มอเตอร์สตาร์ทของเครื่องยนต์ซึ่งเป็นต้นกำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองทำงาน เครื่องยนต์ที่ใช้จะมีทั้งแบบดีเซลและเบนซิล (อุดม เพ็ชรกิจ, จิรพงศ์ ลิมและศุภฤกษ์ ศิริเวทิน, 2553)
2 เครื่องยนต์เบนซิน (Gasoline Engine)
เครื่องยนต์เบนซินที่ใช้เป็นต้นกำลังของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง ก็มีหลักการทำงานเหมือนกับเครื่องยนต์ในรถยนต์ทั่วไป คือการสันดาปภายในที่ต้องใช้อากาศเข้าไปผสมกับเชื้อเพลิง การสันดาปภายในของน้ำมันเบนซิล ที่ถูกฉีดเข้าไปในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ จะถูกอัดอากาศจนมีอุณหภูมิสูงที่เรียกว่า จังหวะอัด จะเกิดการเผาไหม้และความร้อน เกิดการระเบิดดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ขึ้นลงไปหมุนเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งต่ออยู่กับเพลาของเครื่องยนต์และนำไปขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง เครื่องยนต์เบนซิลมีขนาดกระทัดรัด ติดตั้งง่าย สะดวกต่อการบำรุงรักษา (ภาพที่ 1)
2.1 เครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ (4 Cycle Gasoline Engine)
โครงสร้างพื้นฐานของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะสามารถจัดแบ่งกลุ่มชิ้นส่วนโครงสร้างที่เป็นพื้นฐานของเครื่องยนต์ได้ดังนี้
1) เสื้อสูบกับกระบอกสูบและห้องเพลาข้อเหวี่ยง เป็นชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่เป็นโครงสร้างหลักสำหรับยึดชิ้นส่วนอื่น ๆ ของเครื่องยนต์
2) กลไกลูกสูบและข้อหมุนเหวี่ยง (Piston & Cranking Mechanism)ประกอบด้วย ลูกสูบ ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง และล้อช่วยแรงซึ่งเป็นชิ้นส่วนเคลื่อนที่ของเครื่องยนต์ที่รับความดันจากการเผาไหม้ในห้องสูบแล้วเปลี่ยนเป็นแรงกระทำบนหัวลูกสูบ ไปส่งต่อผ่านก้านสูบไปกระทำที่
ก้านหมุนเพลาข้อเหวี่ยงทำให้เพลาข้อเหวี่ยงหมุนอย่างเรียบจ่ายแรงบิดออกไปใช้งาน
3) ฝาสูบ เป็นฝาปิดกระบอกสูบทำให้เกิดเป็นห้องเผาไหม้ขึ้นในเครื่องยนต์และทำให้เป็นปริมาตรอัดเกิดขึ้นบนฝาสูบ
4) กลไกลิ้น (Valve Mechanism) หรือกลไกขับควบคุมการทำงาน ของเครื่องยนต์ (Engine Steering Mechanism) ประกอบขึ้นด้วย เพลาลูกเบี้ยว ปลอกกระทุ้งลิ้น ก้านกระทุ้งลิ้น กระเดื่องกดลิ้น สปริงลิ้นและลิ้น ส่วนชิ้นส่วนอุปกรณ์เครื่องยนต์อื่น ๆ เช่น คาร์บูเรเตอร์ ระบบจุดระเบิด ปั๊มน้ำ อัลเตอร์เนเตอร์ มอเตอร์สตาร์ท ปั๊มน้ำมันเครื่อง ฯลฯ เป็นชิ้นส่วนของระบบการทำงานเครื่องยนต์ที่มีแตกต่างกันตามแบบของระบบนั้น ๆ
กระบวนการทำงานในแต่ละจังหวะของเครื่องยนต์เบนซิน 4 จังหวะ มีขั้นตอนตามลำดับตลอดวัฏจักรเครื่องยนต์คือการดูด การอัด การใช้งาน และการคาย ดำเนินไปกับการเคลื่อนที่ของลูกสูบทั้ง 4 ช่วงชัก ในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ อากาศและเชื้อเพลิงจะผสมกันภายในระบบดูด ส่วนผสมก่อนที่จะป้อนเข้ากระบอกสูบเครื่องยนต์โดยใช้คาร์บูเรเตอร์ อัตราส่วนของอัตราการไหลอากาศและเชื้อเพลิงจะได้รับการปรับให้มีค่าคงที่ อยู่ประมาณ 15% เพื่อให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์คาร์บูเรเตอร์ทำหน้าที่จ่ายการไหลของน้ำมันให้พอเหมาะกับอากาศที่ไหลผ่านคอคอด เพื่อทำให้เกิดความแตกต่างของความดันระหว่างทางเข้าและที่คอคอด ด้านล่างของคอคอดเป็นวาล์วปีกผีเสื้อ ซึ่งทำหน้าที่ปรับอัตราการไหลของไอดีที่จะจ่ายเข้ากระบอกสูบ โดยผ่านทางท่อร่วมไอดี ลำดับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบเครื่องยนต์ (ภาพที่ 2)
2.2 เครื่องยนต์เบนซินระบบไฮบริด
ปัจจุบันทางเลือกใหม่ของเครื่องยนต์ที่มีการพัฒนาเพื่อการประหยัดพลังงานแบบผสมผสานกำลังถูกพิจารณาขึ้น รวมถึงเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน (Gasoline) ร่วมกับไฮโดรเจน (Hydrogen) ในการสันดาปภายใน หรือเรียกว่าเครื่องยนต์ระบบไฮบริด (Hybrid Electric Vehicle หรือ HEV) Ali, Erinc and Kadir พบว่า เครื่องยนต์เบนซินขนาด 197 CC แบบลูกสูบเดียว H2O จะช่วยเพิ่มทอร์คให้กับเครื่องยนต์ประมาณ 19% ลดปริมาณการปล่อยก๊าซ CO ลง 13.5 % ลดปริมาณไฮโดรคาร์บอนลง 5% โดยปริมาณน้ำที่ต้องการในเครื่องแยกก๊าซมีค่าประมาณ 1.5 เท่า ของความจุ กระบอกสูบเครื่องยนต์ จะทำให้เครื่องยนต์สามารถลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิง 20-30% และลดอุณหภูมิของท่อไอเสียให้ต่ำลง ระบบนี้สามารถติดตั้งได้ในเครื่องยนต์เบนซินทั่วไป ซึ่งมีต้นทุนอยู่ที่ 15 ดอลล่าร์สหรัฐต่อลูกสูบ โดยหลักการทำงานของระบบ เริ่มจากแหล่งจ่ายไฟให้กับเครื่องแยกก๊าซ จะมีการติดตั้งเครื่องวัดกระแสไฟ โดยเครื่องแยกก๊าซจะได้รับน้ำจากถังที่อยู่ภายนอก น้ำจะผ่านเข้ามาในเครื่องแยกก๊าซโดยมีลูกลอยควบคุมระดับน้ำ เครื่องแยกก๊าซมีการติดตั้งเซนเซอร์ควบคุมแรงดันไม่ให้เกิน 1 บาร์และปริมาณก๊าซ ที่ได้จะมาผ่านถังดักน้ำ เพื่อไม่ให้เกิดการย้อนกลับของระบบ จากนั้นก๊าซที่ผ่านเครื่องดักก็ไหล่ผ่านเข้ามาที่โฟรมิเตอร์ เพื่อควบคุมปริมาณก๊าซที่ไหลผ่านเข้าเครื่องยนต์ ซึ่งเครื่องยนต์จะต่อเข้ากับไดนาโมมิเตอร์ เพื่อควบคุมเครื่องยนต์ให้ทำงานได้คงที่ ในการทดลองนี้ได้ติดตั้งเครื่องบันทึกข้อมูลกระแสไฟที่ใช้และภาระที่เกิดขึ้นกับไดนาโมมิเตอร์ รวมทั้งมีเครื่องวิเคราะห์ปริมาณก๊าซที่เกิดขึ้นอีกด้วย (ภาพที่ 3 และภาพที่ 4) การผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานที่สะอาดในขณะนี้ อยู่ระหว่าการทำวิจัยและพัฒนาเพิ่มประสิทธิภาพของเทคโนโลยีเพื่อใช้ในระบบไฟฟ้ากำลัง
3 พลังงานไฮโดรเจน
3.1 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับพลังงานไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่มีการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยส่วนใหญ่จะใช้เป็นแหล่งเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนยานพาหนะ เช่น เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องบิน จรวด ยานอวกาศ หรือใช้ในกิจการอุตสาหกรรม โดยทั่วไปการนำไฮโดรเจนมาใช้งานอาจจะอยู่ในสถานะของก๊าซหรือของเหลว สำหรับในการศึกษาครั้งนี้เป็นการนำไฮโดรเจนที่อยู่ในสถานะก๊าซมาใช้เป็นเชื้อเพลิงกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีคุณสมบัติคือ ที่อุณหภูมิปกติจะไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่เป็นก๊าซพิษ ที่อุณหภูมิ 20 องศาเคลวิน ไฮโดรเจนจะควบแน่น ก๊าซไฮโดรเจนมีลักษณะที่มีความสามารถในการกระจายตัวสูงมาก ไฮโดรเจนมีสัมประสิทธิ์มวลพลังงานที่สูงมากกว่าเชื้อเพลิงเคมีทั้งหมดและมวลพลังงานนี้จะสิ้นเปลืองน้อยกว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนประมาณ 3 เท่า เมื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติของก๊าซไฮโดรเจนกับน้ำมันเบนซิน ในปัจจุบันนี้มีหลายวิธีที่จะผลิตก๊าซ ไฮโดรเจน ได้แก่ การผ่านกรดลงบนผิวโลหะในห้องปฏิบัติการเคมี การทำปฏิกิริยาระหว่างสารประกอบไฮโดรคาร์บอนกับไอน้ำ การเติมไอน้ำเข้าไปทำปฏิกิริยาในกระบวนการเผาถ่านหิน การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า และการใช้วิธีการทาง Thermochemical แต่ในงานวิจัยครั้งนี้จะขอกล่าวถึงแต่วิธีการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้าเท่านั้น ข้อดีของเชื้อเพลิงก๊าซไฮโดรเจนคือส่วนผสมไฮโดรเจนกับอากาศมีช่วงการติดไฟที่กว้าง ความเร็วของการแพร่กระจายเปลวไฟด้านหน้าสูงประมาณ 265-325 cm/s เชื้อเพลิงก๊าซไฮโดรเจน สามารถผสมกับอากาศได้ง่ายและส่วนผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ดีกว่าเชื้อเพลิงเหลวกับอากาศ ไม่ทำให้เกิดเขม่าและก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งทำให้ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น
3.2 ความรู้เกี่ยวกับการแยกโมเลกุลน้ำด้วยไฟฟ้า
ในงานวิจัยนี้จะใช้เครื่องแยกก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนออกจากน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแผ่น เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงร่วมในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ทดแทนน้ำมัน ดังนั้นความรู้ทางเซลล์ไฟฟ้าเคมี จึงจำเป็นอย่างยิ่งในการศึกษา ซึ่งสามารถกล่าวเป็นทฤษฏีได้ดังนี้ การแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า (Electrolysis) เป็นวิธีการที่ง่ายๆวิธีการหนึ่ง ซึ่งสามารถผลิตได้ทั้ง H2 และ O2 ที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยน้ำบริสุทธิ์และกระแสไฟฟ้าเท่านั้น วิธีการนี้ไม่เป็นที่นิยมมากนักเนื่องมาจาก ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า 3-5 เท่าซึ่งมีราคาแพงกว่าเมื่อเทียบกับวิธีการทำปฏิกิริยาระหว่างสารประกอบไฮโดรคาร์บอนกับไอน้ำ แต่ก็มีโรงผลิต H2 อยู่ไม่น้อยที่ใช้วิธีการนี้กระบวนการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า ดังแสดงในภาพที่ 2-2 พบว่าในทางทฤษฏีต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้า เท่ากับ 1.47 โวลต์ ให้กับระบบที่ 25OC น้ำจะแยกออกเป็น H2และ O2 โดยมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้า เท่ากับ 100% ถ้าแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 1.23 โวลต์ จะไม่สามารถแยกน้ำได้ เนื่องจากปฏิกิริยา Endothermic คือพลังงานเปลี่ยนไปอยู่ในรูปของความร้อนถูกดูดซึมโดยสิ่งแวดล้อม ไม่เพียงพอที่จะเกิดปฏิกิริยา แต่ถ้าแรงดันไฟฟ้ามากว่า 1.47 โวลต์ จะสามารถแยกน้ำได้และความร้อนส่วนที่เหลือจะกระจายไปสู่สิ่งแวดล้อม ดังนั้น เพื่อที่จะทำให้ได้ประสิทธิภาพสูง ๆ จึงต้องมีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับระบบ ให้สูงกว่าที่ต้องการเพียงเล็กน้อยเท่านั้น แต่ว่าที่แรงดันไฟฟ้าดังกล่าวส่งผลให้มีปริมาณกระแสไฟฟ้าเพียงน้อยนิดทำให้ได้อัตราการเกิด H2และ O2 นั้นน้อยมากด้วย ในทางปฏิบัติ ระบบต้องมีพื้นที่ผิวที่เกิดก๊าซทั้งสองขนาดใหญ่มาก ซึ่งส่งผลให้ราคาสูงมากหากเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นจะทำให้อัตราการเกิดก๊าซต่อหนึ่งหน่วยพื้นผิวเพิ่มขึ้นด้วย แต่จะทำให้ได้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าลดลง และยังพบอีกว่า ที่อุณหภูมิสูง ๆ แรงดันที่จ่ายให้กับระบบจะลดลงทำให้ได้อัตราการเกิดก๊าซต่อหนึ่งหน่วยพื้นผิวเพิ่มขึ้น แสดงดังภาพที่ 2-3 ถึงแม้ว่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะทำให้อัตราการเกิดก๊าซเพิ่มขึ้นแต่ในความเป็นจริงเราไม่สามารถเพิ่มอุณหภูมิได้สูงเกิน 100OC ได้ เนื่องจากน้ำจะระเหยกลายเป็นไอ จึงเปลี่ยนแนวคิดที่จะเพิ่มอุณหภูมิมาเป็นพยายามลดความต้านทานในระบบแทน (ภาพที่ 5) แสดงให้เห็น R3 และ R5 เป็นขั้ว electrode R1, R2 ,R6 และ R7 เป็นสายไฟในระบบ ซึ่งไม่สามารถจะทำการปรับลดค่าลงได้มากนัก จึงเหลือเพียง R4 ที่จะปรับค่าลดลงได้
3.3 เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนนอกจากนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหรรมต่างๆ ใช้เป็นเชื้อเพลิงในการเผาไหม้ หรือใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงโดยปฏิกิริยาทางเคมีแล้วเกิดกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้ทั้งการขับเคลื่อนรถยนต์และผลิตกระแสไฟฟ้า กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน ได้ดำเนินงานวิจัยพื้นฐานด้านพลังงานไฮโดรเจนอย่างต่อเนื่อง เพื่อเตรียมความพร้อมรองรับการใช้พลังงานไฮโดรเจนของประเทศในอนาคต ซึ่งโครงการที่ได้ดำเนินการไปแล้ว ได้แก่
1) โครงการพัฒนาสาธิตเซลล์เชื้อเพลิงผลิตไฟฟ้า ได้ศึกษารวบรวมเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงผลิตไฟฟ้าแบบต่างๆ ทดสอบสาธิตการใช้งานของเซลลเชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตรอน (Proton Exchange Membrane Fuel) ขนาด 1 กิโลวัตต์ ตลอดจนประสานงานสร้างเครือข่ายกับภาคอุตสาหกรรมหน่วยงานของรัฐและเอกชนในภาคคมนาคมขนส่ง เพื่อสร้างแนวทางการพัฒนาและใช้ประโยชน์เซลล์เชื้อเพลิงในประเทศ และแนวทางการพัฒนาอุตสาหกรรม
2) โครงการพัฒนาสาธิตการผลิตและจัดเก็บไฮโดรเจน ได้ศึกษาวิจัยและพัฒนาสาธิตระบบการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ และการจัดเก็บในรูปของแข็งและก๊าซความดันสูง ซึ่งได้ต้นแบบระบบผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการ steam reformation จากก๊าซธรรมชาติกำลังการผลิต 90 ลิครต่อวัน และต้นแบบอุปกรณ์การจัดเก็บไฮโดรเจนในรูปแบบเมทัลไฮไดร์ขนาด 300 ลิตร และระบบการจัดเก็บไฮโดรเจน (ภาพที่ 6)
3) โครงการผลิตไฮโดรเจนจากระบวนการความร้อนเคมี อาศัยหลักการของกระบวนการไพโรไลซิส-แก๊สซิฟิเคชั่น และนำความร้อนที่ได้จากการเผาไหม้มาใช้ ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์แก๊สสูง และปริมาณทาร์ต่ำเป็นผลให้ระบบมีประสิทธิภาพมากกว่าระบบแก๊สซิฟิเคชั่นทั่วไป ซึ่งระบบดังกล่าวมีศักยภาพในการผลิตแก๊สเชื้อเพลิงที่มีสัดส่วนไฮโดรเจนสูงถึงร้อยละ 40 อีกทั้งได้องค์ความรู้และเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากกระบวนการความร้อนเคมี ตลอดจนผลศึกษาแนวทางและข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของระบบผลิตและจัดเก็บที่ใช้กับระบบผลิตข้างต้น (ภาพที่ 7)
จากโครงการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน (กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, 2554) การใช้เชื้อเพลิงไฮโดรแจนจากการแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า (ธนิศร์ แก้วจรัส และคณะ, 2554) การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน/ออกซิเจนจากเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบแผ่นและแบบท่อทรงกระบอกเพื่อใช้กับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (อุดม เพ็ชรกิจ, จิรพงศ์ ลิม และศุภฤกษ์ ศิริเวทิน, 2553) พบว่ามีการนำพลังงานไฮโดรเจนมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยเฉพาะในการขับเคลื่อนรถยนต์ เนื่องจากการฉีดก๊าซไฮโดรเจนที่มีความดันต่ำเข้าไปในกระบอกสูบโดยตรง (เป็นระบบ Direc Injection) เป็นการแก้ปัญหาการน๊อคของเครื่องและไฟย้อนกลับได้ ส่งผลให้เครื่องยนต์มีการใช้เชื้อเพลิงลดลง รวมถึงเป็นพลังงานสะอาด สามารถแยกได้จากน้ำที่มีอยู่อย่างมหาศาลบนผิวโลก และเมื่อนำไปใช้แล้วเกิดกระบวนการเผาผลาญ ก็จะได้น้ำกลับคืนมาสู่ธรรมชาติอีกเช่น เดิม ซึ่งแตกต่างกับการเผาไหม้โดยน้ำมัน หรือ ก๊าซ ธรรมชาติชนิดอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็น เอ็นจีวี แอลพีจี ฯลฯ ที่เมื่อเกิดการเผาไหม้ขึ้นแล้ว สิ่งที่ปล่อยคืนกลับมากลับกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและเป็นตัวการสำคัญที่ ทำให้เกิดปรากฏ ภาวะโลกร้อน ดังนั้นสิ่งที่ทำให้พลังงานไฮโดรเจนโดดเด่น และเป็นที่จับตายิ่งกว่าพลังงานชนิดอื่น ๆ ก็เพราะได้มีการค้นพบแล้วว่าพลังงานชนิดนี้เป็นพลังงานสะอาดที่ไม่มีวันหมดไปจากโลก ขณะนี้นักวิจัยทั่วโลกให้ความสนใจเป็นอย่างมากในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงจากไฮโดรเจนเพื่อมาประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงดังนั้นพลังงานไฮโดรเจนจึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง
|
| ทฤษฎี สมมุติฐาน กรอบแนวความคิด : | - |
| วิธีการดำเนินการวิจัย และสถานที่ทำการทดลอง/เก็บข้อมูล : | - |
| คำอธิบายโครงการวิจัย (อย่างย่อ) : | - |
| จำนวนเข้าชมโครงการ : | 2199 ครั้ง |