ทำไมถึงเราคิดว่า รถ BEV สะอาด ทั้งๆที่เรายังคงเผาทุกอย่างเพื่อผลิตไฟฟ้าเอามาชาร์จให้กับรถยนต์พลังงานไฟฟ้า เราแค่ย้ายมลพิษจากในเมืองไปที่โรงไฟฟ้าเท่านั้น ถ้าจะทำให้ BEV มีความสะอาดเอี่ยมอ่องเป็นยองใยอย่างแท้จริง ไฟฟ้าที่จะนำมาชาร์จต้องผลิตมาจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเท่านั้น นั่นถึงจะทำให้รถยนต์ไฟฟ้าสะอาดจริง แต่ขั้นตอนการผลิตต่างๆ ก็หนีไม่พ้นที่จะปล่อย Co2 อยู่ดี หลายๆแบรนด์ก็กำลังคิดค้นการลดคาร์บอนในขั้นตอนการผลิตอย่างขะมักเขม้น
ในขณะที่เรากำลังสใจเทคโนโลยีระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าว่ามีการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ หรือ Zero Emissions แต่ในความเป็นจริง ยังมีการปล่อย CO2 เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตไฟฟ้า หรือ Production of Electricity แต่ ...... สิ่งที่ค่อยๆปรับให้เข้ากับอนาคตการขับเคลื่อนและเดินทางของมนุษย์ นั่นก็คือ เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือเชื้อเพลิงสังเคราห์ SynGas & Fuel พอเขียนมาถึงตรงนี้ หลายคนเห็นต่างเนื่องจากสถานีเติมไฮโดรเจนมีจำนวนน้อยมาก และมีต้นทุนในการก่อสร้างสถานีเติมไฮโดรเจนสูงกว่าสถานีชาร์จไฟหรือปั๊มน้ำมัน (สถานีเติมไฮโดรเจน (HR) ใช้เงินลงทุนต่อสถานีประมาณ 65 – 140 ล้านบาท)
รถยนต์ไฟฟ้าหรือ Battery Electric Vehicle BEV พยายามทำตัวให้เป็นกลางทางคาร์บอน หรือ Carbon Neutral แต่ความสะอาดที่แท้จริงของรถยนต์ไฟฟ้า จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อกระบวนการขุดเหมืองเพื่อหาแร่มาทำแบตฯยุติลง รวมถึงการชาร์จไฟด้วยพลังงานหมุนเวียนเพียงอย่างเดียว ในความเป็นจริงนั่นแทบจะเป็นไปไม่ได้ (พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานจากไฮโดรเจนสีเขียว)
ทุกวัน รถยนต์ไฟฟ้า ยังปล่อยคาร์บอนสูงอยู่ดี เนื่องจากไฟฟ้าที่มาจากโครงข่ายระบบสายส่งสำหรับชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า เรายังคงเผาก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน รวมถึงเชื้อเพลิงฟอสซิลกันอย่างหนักหน่วงเหมือนเดิมแทบไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง การใช้เชื้อเพลิงที่ปล่อย Co2 มาผลิตกระแสไฟฟ้า ก็แค่ย้ายมลพิษจากในเมืองไปยังสถานีผลิตกระแสไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและถ่านหินในการผลิตไฟเท่านั้นเอง
เมื่อดูที่ความแพงของระบบ กลับพบข้อสรุปที่น่าจะลงตัวมากกว่า การปล่อยคาร์บอนจากกระบวนการผลิตไฮโดรเจนนั้นมีความแตกต่างอย่างมากในด้านการปล่อย Co2 เมื่อเทียบกับการผลิตกระแสไฟด้วยก๊าซธรรมชาติ ถ่านหินหรือเชื้อเพลิงฟอสซิล
ไฮโดรเจนควบคุม Co2 ได้ง่ายกว่าการเผาสารพัดคาร์บอนอย่างถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ยกตัวอย่าง เช่น ไฮโดรเจนสีเขียว หรือ Green Hydrogen ที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลม 100 % แต่พลังงานจากธรรมชาติเหล่านั้น ยังไม่มีความแน่นอน ในบางวัน ที่ลมนิ่ง ก็จะไม่มีกระแสลมไปหมุนกังหันเพื่อปั่นไฟ หรือในวันที่เมฆหนาทึบ ก็จะไม่มีแสงอาทิตย์ที่เข้มมากพอสำหรับแผงโซลาเซลส์
วิศวกรของ Toyota ให้ความเห็นว่า ในภูมิภาคที่ใช้แหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน แล้วส่งไปยังสถานีเติมไฮโดรเจน ความเข้มข้นของคาร์บอนสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ Biofuel และเชื้อเพลิงสังเคราะห์ SynGas & Fuel จะขึ้นอยู่กับการจัดหาชีวมวล Biomass ทั้งนี้ การใช้เชื้อเพลิง Green Hydrogen ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engines (ICE) รวมทั้งกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยไฮโดรเจนสีเขียว ซึ่งปล่อย CO2 น้อยกว่ามาก และน้อยที่สุดเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตกระแสไฟในรูปแบบอื่น ที่ยังต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ
สำหรับแนวคิดคาร์บอนเป็นศูนย์ของค่ายสามห่วง ซึ่งลงมือทำมานานมากแล้ว แม้ว่ายานยนต์ BEV หรือ Battery Electric Vehicle และยานยนต์เซลส์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ Fuel Cell Electric Vehicles FCEV จะไม่มีการปล่อยไอ แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน H2-ICE ยังคงปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ NOx ออกมา คล้ายคลึงกับเครื่องยนต์ดีเซลเชื้อเพลิงชีวภาพ และ Synthetic Fuel ที่ยังคงปล่อย NOx และอนุภาคขนาดเล็ก
Toyota ผู้ผลิตรถยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน H2-ICE (รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน) ยืนยันว่า การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล H2 ICE ปล่อย NOx ต่ำกว่าเครื่องยนต์ดีเซลทั่วไป และไม่ส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม ไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์ดีเซล H2 ในรถกระบะ หรือเครื่องจักรกลดีเซลเชื้อเพลิง H2 สำหรับงานหนัก
การใช้ Green Hydrogen เพื่อเป็นเชื้อเพลิงสำหรับจุดระเบิดในเครื่องยนต์สันดาปภายใน น่าจะเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลในอนาคต เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานสะอาด และช่วยยืดชีวิตของเครื่องยนต์สันดาปภายในต่อไป ไฮโดรเจนที่ถูกนำมาใช้แทนน้ำมันเชื้อเพลิงจากการวิจัยของ Toyota พบว่า สะอาดและไม่มีมลพิษซึ่งตรงกับความต้องการในการลดคาร์บอนของบริษัทผู้ผลิตรถยนต์ยักษ์ใหญ่ที่มักถูกเพ่งเล็งในเรื่องสิ่งแวดล้อม
ยุคที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังเข้ามาแทนที่เครื่องยนต์สันดาปภายใน จริงๆแล้ว เครื่องยนต์ไม่ใช่ตัวการที่ก่อให้เกิดมลพิษ ถ้าเราหาเชื้อเพลิงทดแทนที่สะอาดกว่าน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งถูกสกัดจากซากฟอสซิลได้ และเชื้อเพลิงดังกล่าวก็คือ ไฮโดรเจนนั่นเอง
การตรวจสอบด้านประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ของ Toyota พบว่า Tank-to-Wheel Efficiencies Range อยู่ในช่วงตั้งแต่ 75-85% สำหรับยานยนต์ BEV และประมาณ 50% สำหรับ FCEV
เครื่องยนต์สันดาปภายใน มีกำลังขับเคลื่อนระยะไกลมากกว่า เหมาะสำหรับรองรับงานหนัก (บรรทุก) ในขณะที่ FCEV หรือรถยนต์ไฟฟ้าเซลส์เชื้อเพลิง จะมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อมีน้ำหนักบรรทุกไม่มาก การใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจุดระเบิดในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engines ICE จึงเหมาะสมสำหรับรถกระบะที่ต้องรองรับงานหนักในการบรรทุกสิ่งของ ต้องการกำลังเครื่องยนต์อย่างต่อเนื่อง H2 ICE ให้พลังแรงขับเคลื่อนที่เหนือกว่า เหมาะกับรถแข่ง เครื่องจักรกลขนาดใหญ่ รถบรรทุกหนัก เรือเดินทะเล และอากาศยาน
Toyota และผู้ผลิตรถยนต์ญี่ปุ่นหลายราย รวมถึงแบรนด์รถหรูฝั่งยุโรป กำลังพัฒนายานยนต์ไฮโดรเจน เพื่อขยายตลาดเชิงพาณิชย์ สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ Hydrogen Internal Combustion Engines HICE..
เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen Internal Combustion Engines HICE จะเริ่มมีการวางจำหน่ายในตลาดเครื่องยนต์ของรถยนต์เชิงพาณิชย์เร็วๆนี้ ตัวอย่างผู้ผลิตรถยนต์ญี่ปุ่นหลายราย ได้แก่ Toyota Subaru, Mazda, Kawasaki และ Yamaha ประกาศความร่วมมือในการขยายเทคโนโลยีเชื้อเพลิงทางเลือก หรือ Alternative Fuel Technologies ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ดัดแปลงระบบฉีดเชื้อเพลิงและถังเก็บไฮโดรเจน เพื่อไปสู่เป้าหมายในอนาคต นั่นก็คือการทำให้คาร์บอนเป็นศูนย์
บริษัท OEM ที่เกี่ยวข้องกับการเดินอากาศในยุโรป ทั้ง Airbus และ Boeing กำลังเร่งพัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเชื้อเพลิงไฮโดรเจน แทนที่เชื้อเพลิงแบบเดิมที่มีมลพิษสูง เพื่อใช้งานในเครื่องยนต์ของเครื่องบินพาณิชย์ คาดว่า เครื่องยนต์เจ็ตเทอร์โบแฟนของบริษัทผลิตเครื่องบินเชิงพานิชย์ จะออกมาใช้งานในปี 2573-2575
การเผาไหม้ไฮโดรเจนในเครื่องยนต์สันดาปภายใน Internal Combustion Engines แทนที่น้ำมันเบนซิน หรือดีเซล ไม่ใช่แนวคิดใหม่ BMW เคยผลิตรถยนต์ Hydrogen 7 ซึ่งเป็นรถรุ่น 7 Series ที่มีเครื่องยนต์สันดาป V12 ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ตามด้วยงานวิจัยและพัฒนา BMW X5 ที่ใช้ระบบขับเคลื่อนเซลส์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ส่วน Mercedes-Benz เคยทำวิจัยรถยนต์เซลส์เชื้อเพลิงด้วยรถ GLC Hydrogen ในปี 2017
การเผาไหม้ภายในด้วยไฮโดรเจนนั้น ยังมีปัญหาเกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานอีกมาก โดยเฉพาะสถานีเติมและถังเชื้อเพลิงภายในรถที่มีต้นทุนสูง รวมถึงการจัดเก็บไฮโดรเจนไว้บนรถให้เพียงพอเพื่อทำระยะทางให้ไกลกว่ารถยนต์ไฟฟ้า โดยทุกระบบจะต้องมีความปลอดภัยสูงสุด ซึ่ง Toyota ถือว่าทำมานานและก้าวข้ามผ่านจุดดังกล่าวไปไกลมากแล้ว เหลือแค่ทำให้เป็นความจริงเชิงพานิชย์เท่านั้น
ปัญหาด้านโครงสร้างพื้นฐาน เป็นเรื่องการจัดเก็บหรือ Hydrogen Storage ส่วนถังเก็บไฮโดรเจนบนตัวรถของ Toyota ถือว่าได้มาตรฐาน มีความปลอดภัย ตัวถังเชื้อเพลิงชั้นในสุด ประกอบด้วยวัสดุเรซิน ชั้นกลาง หุ้มด้วยเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์ และชั้นนอกสุด ห่อหุ้มด้วยเส้นใยไฟเบอร์ที่พันรอบถังคล้ายการถักทอเพื่อสร้างความแข็งแกร่งให้กับโครงสร้างของถังเชื้อเพลิง H2 ถังเก็บไฮโดรเจนในรถยนต์ Mirai เจนล่าสุด คือตัวอย่างที่ผ่านการรับรองมาตรฐานความปลอดภัย มีระบบป้องกันการรั่วไหล พร้อมวาว์ลนิรภัยที่ทำงานอย่างเต็มประสิทธิภาพโดยปราศจากการรั่วของไฮโดรเจน
สิ่งที่ Toyota ต้องพยายามทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นความจริงคือ ความเชื่อมั่นของคนที่คิดจะใช้งาน ประเด็นเรื่องราคาเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ถือเป็นปัญหาหลักที่ทำให้การเติบโตของตลาดยานยนต์ประเภทนี้ล่าช้าไปหน่อย
ระบบขับเคลื่อนของ Toyota Hilux H2 FCEV ที่ยกมาจาก Mirai เป็นหนึ่งในระบบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ก้าวล้ำและใช้งานได้จริง Hilux H2 FCEV ยังติดตั้งแบตเตอรี่แบบ nickel metal hydride ทำหน้าที่ป้อนกระแสไฟให้กับมอเตอร์เมื่อขับใช้งานในย่านความเร็วต่ำและช่วยเสริมอัตราเร่งเมื่อผู้ขับกดคันเร่งลงจนสุด มีกำลัง 182 แรงม้า แรงบิด 300 นิวตันเมตร เมื่อเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจนเต็มถังจะวิ่งได้ระยะทางประมาณ 587-600 กิโลเมตร ไกลกว่ารถไฟฟ้าในยุคนี้อย่างเห็นได้ชัด จากการขยายความจุของถังเก็บไฮโดรเจน
ขั้นตอนการใช้งานของ Toyota Hilux H2
1. ไฮโดรเจนถูกเติมที่สถานีเติมเชื้อเพลิง โดยมีขั้นตอนและระยะเวลาในการเติมเท่ากับรถยนต์ปกติที่เติมน้ำมัน
2. ไฮโดรเจนถูกเก็บในถังแรงดันสูง 700 บาร์ ถังเชื้อเพลิงผลิตจากคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแกร่งและมีน้ำหนักเบา ชั้นในของถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจน บุด้วย polyamide resin ช่วยป้องกันการรั่วไหลของไฮโดรเจนก่อนที่จะส่งไปยังเซลล์เชื้อเพลิงที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้า
3. ช่องรับอากาศ เหนี่ยวนำออกซิเจนสู่เซลล์เชื้อเพลิง เมื่อออกซิเจนและไฮโดรเจนผสมกัน จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ความร้อนและน้ำ กระแสไฟฟ้าจะถูกลำเลียงไปป้อนพลังงานให้กับมอเตอร์ไฟฟ้ากำลัง 182 แรงม้า ขณะที่น้ำสะอาดซึ่งเป็นของเหลวที่ถูกปล่อยออกมาจากกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าไม่สร้างผลกระทบใดๆ ให้กับสิ่งแวดล้อม
4. แบตเตอรี่แบบพิเศษ ช่วยเสริมกำลังให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อผู้ขับกดคันเร่งอย่างรุนแรง ในช่วงความเร็วต่ำ แบตเตอรี่ใน Hilux H2 จะป้อนไฟเข้าสู่มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนโดยยังไม่ต้องพึ่งพาไฮโดรเจน เมื่อคนขับเหยียบเบรกหรือยกคันเร่ง ระบบ regenerative จะเริ่มวัฏจักรของการชาร์จกระแสไฟฟ้าเข้าไปเก็บในแบตเตอรี่
หัวใจของยานยนต์ FCEV คือ ชุดแผงผลิตพลังงาน ประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์ที่มีเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์ประกบอยู่ระหว่างแอโนด (ขั้ว +) และแคโทด (ขั้ว -) หลักการทำงาน คือ เมื่อก๊าซไฮโดรเจนถูกจ่ายให้กับขั้วบวกและออกซิเจนจากอากาศถูกจ่ายให้กับขั้วลบ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าจะเกิดขึ้น ทำให้โมเลกุลของ ไฮโดรเจน แยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โดยโปรตอนจะหลุดผ่านตะแกรงอิเล็กโทรไลต์ออกไป ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกกักเก็บไว้เพื่อจับเข้ากับอะตอมของออกซิเจน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ของเหลือที่ออกมาจากกระบวนการนี้คือ น้ำบริสุทธิ์
กระแสไฟฟ้าที่ได้จากแผงผลิตพลังงานนั้นจะนำมาใช้ให้พลังงานกับมอเตอร์ไฟฟ้าในการขับเคลื่อนรถยนต์ โดยทั่วไปแล้ว FCEV จะมีแบตเตอรี่ขนาดเล็กไว้ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์และช่วยในการส่งพลังงานออกมาระหว่างการเร่งความเร็วหรือในสถานการณ์ที่มีความต้องการเร่งความเร็วฉับพลัน แบตเตอรี่ยังใช้สำหรับการกักเก็บพลังงานจากการชะลอความเร็วและเบรก โดยเป็นการเก็บเอาพลังงานจากการหมุนกลับของมอเตอร์มากักไว้ไม่ให้สูญเปล่า
ข้อดีของ FCEV ก็คือยานยนต์ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานที่สูงกว่า การแปลงไฮโดรเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการเผาไหม้ไฮโดรเจนในเครื่องยนต์สันดาป ซึ่ง FCEV ยังมีระยะการขับขี่ที่ไกลกว่าเมื่อเทียบกับรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ เนื่องจากความสามารถในการบรรจุพลังงานของไฮโดรเจนนั้นสูงกว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันอย่างมาก ระยะเวลาที่ใช้ในการเติมเชื้อเพลิง รถยนต์ FCEV นั้นใช้เวลาในการเติมไฮโดรเจน ไม่ต่างจากการเติมน้ำมันเชื้อเพลิงทั่วไป (3-5 นาที)
ความหนาแน่นของพลังงาน ระยะเวลาการเติมเชื้อเพลิงที่รวดเร็ว และความสามารถในการใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงพลังงานสะอาด ทำให้เกิดแรงจูงใจในการใช้งาน สำหรับอนาคตของรถยนต์ที่ใช้ขนส่งสิ่งของสัมภาระต่างๆ ที่จะไม่ได้มีแค่รถยนต์ไฟฟ้า 100% แต่เพียงอย่างเดียว โจทย์ใหญ่ไม่ได้อยู่ที่การผลิตยานยนต์ FCEV แต่อยู่ที่ความแพร่หลายของสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและราคาของการผลิตก๊าซไฮโดรเจนสีเขียวที่ยังคงมีราคาไม่ถูกนัก.
ในอนาคต ก่อนที่สถานีเติมไฮโดรเจนจะแพร่หลายพอๆกับสถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ในวันนั้น เราจะเห็นทั้งยานยนต์ FCEV และ HICE วิ่งกันเกลื่อนถนนมากพอๆกับยานยนต์พลังงานไฟฟ้า เป็นอีกหนึ่งทางเลือกของมนุษย์ชาติ ในการต่อสู้กับสภาวะการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภูมิอากาศโลก