ไฮโดรเจน เทคโนโลยีที่ไปไม่ถึงฝั่งฝัน ?

หากเอ่ยถึงเทคโนโลยีขับเคลื่อนรถยนต์แห่งอนาคต คนส่วนใหญ่คงจะมองว่า มันคือ เทคโนโลยีมอเตอร์ไฟฟ้า และแบทเตอรี ด้วยความที่มอเตอร์ไฟฟ้านั้นมอบพลังการขับเคลื่อนที่ทรงพลัง และเสียงรบกวนต่ำ อย่างไรก็ตาม พลังไฟฟ้าที่เก็บไว้ในแบทเตอรี ที่ว่ากันว่า “สะอาด” และ “ปล่อยมลภาวะต่ำ” จะยังมีข้อกังขา และโต้แย้งได้ในเรื่องปัญหาสิ่งแวดล้อมจากกระบวนการขุดแร่ แรร์เอิร์ธ (RARE EARTH) ที่เป็นองค์ประกอบหลักของแบทเตอรีขึ้นมาใช้ ซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมหาศาล รวมถึงกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าส่งมายังครัวเรือน ที่หลายประเทศยังใช้เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม เช่น ถ่านหิน นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดเรื่องระยะทางการวิ่ง และระยะเวลาการประจุอัดไฟเข้าแบทเตอรีซึ่งส่งผลให้ผู้ผลิตต้องแก้ปัญหาด้วยการขยายขนาดของแบทเตอรี ยิ่งต้องการให้วิ่งได้ไกลเพียงใด ก็ต้องใช้แบทเตอรีใหญ่ขึ้นเป็นเงาตามตัว ส่งผลต่อน้ำหนักตัวรถ และราคาของรถอย่างช่วยไม่ได้ ปัญหาเหล่านี้ บรรดาผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกต่างตระหนักดี จะเห็นได้ว่า BMW (บีเอมดับเบิลยู), HONDA (ฮอนดา), HYUNDAI (ฮันเด), MERCEDES-BENZ (เมร์เซเดส-เบนซ์) และ TOYOTA (โตโยตา) ต่างลงทุนพัฒนารถยนต์ที่ใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ ไฮโดรเจน ฟิวล์เซลล์ (HYDROGEN FUEL CELL) หรือ FCEV (FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE) มาหลายทศวรรษ แม้จะโดนแซะนิ่มๆ จากพ่อมดเทคโนโลยี ELON MUSK ซีอีโอค่าย TESLA (เทสลา) ที่ผลักดันเทคโนโลยีรถไฟฟ้าพลังแบทเตอรี หรือ BEV แบบสุดลิ่มทิ่มประตู และขัดขวางการพัฒนาเทคโนโลยีไฮโดรเจน ว่า “ฟิวล์เซลล์ เป็นเรื่องเอาไว้ ขายให้คนโง่” (FUEL CELL IS FOOL’S SELL) เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดนเจน คือ การผลิตไฟฟ้าด้วยการนำ แกสไฮโดรเจน ที่เก็บไว้ในถังความดันสูง (ระดับ 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้ว !) มาทำปฏิกิริยาเคมีกับออกซิเจนในอากาศ เพื่อให้เกิดการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้าในตัวอุปกรณ์เซลล์เชื้อเพลิง ผลลัพธ์ที่ได้ คือ กระแสไฟฟ้า ซึ่งจะถูกส่งไปสะสมไว้ในแบทเตอรี และไฟฟ้าจากแบทเตอรีจะถูกส่งไปยังมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ต่อไป ส่วนสิ่งที่หลงเหลือจากปฏิกิริยาเคมีในการผลิตไฟฟ้า คือ น้ำบริสุทธิ์ที่จะถูกปล่อยออกมาจากปลายท่อไอ (ไม่) เสีย ดังนั้น ในการใช้งานจึงจำเป็นต้องมีองค์ประกอบ 4 อย่าง คือ ถังเก็บไฮโดรเจนความดันสูง, ชุดเซลล์เชื้อเพลิง (FUEL CELL STACK), แบทเตอรี และมอเตอร์ไฟฟ้าขับเคลื่อน ถึงจุดนี้อาจจะสงสัยว่า มันก็มีแบทเตอรีซึ่งไม่ต่างอะไรกับรถไฟฟ้า แต่ที่แตกต่าง คือ ขนาดของแบทเตอรีในรถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงนั้นเล็กกว่าของรถไฟฟ้าทั่วไปมาก โดยมีขนาดใกล้เคียงกับแบทเตอรีของรถไฮบริดไม่เสียบปลั๊กเท่านั้น จุดเด่นของไฮโดรเจนอยู่ที่การเติมเชื้อเพลิงโดยใช้เวลาอย่างรวดเร็ว เพียงไม่เกิน 5 นาที แน่นอนว่า หากเทียบกับการเติบโตของตลาดรถไฟฟ้าแบทเตอรีแล้ว มันมีอุปสรรคกว่ามาก แม้จะมีการพัฒนารถยนต์ที่ใช้ระบบนี้ขึ้นมานับทศวรรษ แต่จำนวนรถที่ใช้ระบบเซลล์เชื้อเพลิง ทั่วโลกยังคงมีอยู่ราว 20,000 คันเท่านั้น และส่วนใหญ่ยังอยู่ในระบบเช่าซื้อ เพื่อใช้เก็บข้อมูลการวิจัยเป็นหลัก สิ่งที่ทำให้มันขยายตัวได้ช้า เกิดปัญหา ไก่กับไข่อะไรเกิดก่อนกัน อันดับแรก เทคโนโลยีที่ใช้ค่อนข้างไฮเทค มีผู้เล่นไม่กี่เจ้าเท่านั้นที่เข้าถึง อันดับต่อมา การผลิตไฮโดรเจน และขนส่งไปยังสถานีบริการเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ยังไม่คุ้มค่า เนื่องจากมีรถใช้น้อย พอมีสถานีบริการน้อย คนก็ไม่อยากใช้งาน ไม่แตกต่างจากรถไฟฟ้าระยะแรก ที่คนกลัวว่าจะหาที่ชาร์จไฟไม่ได้ แต่หลังจากที่มีบริการสถานีชาร์จมากขึ้น จนสามารถเสียบปลั๊กที่ไหนก็ได้ ปริมาณการขายของรถไฟฟ้าแบทเตอรี (BEV) ก็เพิ่มขึ้นแบบก้าวกระโดด จุดนี้ คือ ความแตกต่างที่สำคัญที่สุด เพราะในขณะที่การติดตั้งสถานีจ่ายไฟฟ้า สำหรับรถไฟฟ้าแบบเสียบปลั๊ก มีต้นทุนไม่มาก แต่การติดตั้งสถานีจ่ายเชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้น ว่ากันว่า มีราคาเริ่มต้น อยู่ระหว่าง 1-4 ล้านเหรียญสหรัฐฯ หรือประมาณ 35-140 ล้านบาท ! ประกอบกับการที่มีรถใช้พลังงานไฮโดรเจนอยู่น้อย ทุกวันนี้จึงยังไม่มีสถานีไฮโดรเจนทั่วโลกเพียง 300 กว่าแห่งเท่านั้น ปัจจุบัน รถพลังงานไฮโดรเจนในตลาดการขาย และเช่าซื้อ มีแค่ HYUNDAI NEXO (ฮันเด เนกโซ) ที่ออกมาตั้งแต่ปี 2017 ซึ่งเป็นรถพลังงานไฮโดรเจนที่ขายดีที่สุด กับ TOYOTA MIRAI (โตโยตา มิราอิ) เจเนอเรชัน 2 ที่เปิดตัวในปี 2021 โดยคำว่า “มิราอิ" มาจากภาษาญี่ปุ่น มีความหมายว่า “อนาคต” เรามาดูกันว่า รถทั้ง 2 รุ่นนี้ใช้เทคโนโลยีอะไรกันบ้าง เริ่มจากถังเชื้อเพลิงไฮโดนเจนแรงดันสูง โดยแบบแผนแล้ว HYUNDAI NEXO ครอสส์โอเวอร์ เอสยูวี ใช้รูปแบบการจัดวางระบบขับเคลื่อนเป็นแบบขับเคลื่อนล้อหน้า ในขณะที่ TOYOTA MIRAI เจเนอเรชัน 2 เลือกใช้ระบบขับเคลื่อนล้อหลัง รถทั้ง 2 รุ่นใช้ถังไฮโดรเจน จำนวน 3 ถังเหมือนกัน แต่ HYUNDAI เลือกใช้ถังขนาด 52 ลิตร 3 ถัง (156 ลิตร) วางเรียงตามขวาง ติดตั้งใต้เบาะผู้โดยสารตอนหลังไล่ไปจนถึงท้ายรถ ขณะที่ TOYOTA มีการจัดวางต่างออกไป เนื่องจากเป็นรถเก๋ง ที่มีทรงเตี้ยแบน จึงใช้ถังขนาดแตกต่างกัน 3 ถัง มีปริมาตรรวม 141 ลิตร โดยถังแรกมีขนาดใหญ่สุด วางตามแนวยาวในอุโมงค์เกียร์ ถังที่ 2 มีขนาดย่อมลงมา วางอยู่ใต้เบาะหลัง และถังที่ 3 มีขนาดเล็กที่สุด วางอยู่ด้านท้ายใกล้กับกันสะเทือนด้านหลังรถ วิศวกรของรถทั้ง 2 ค่าย ได้ออกแบบให้ถังทั้ง 3 ใบนี้ อยู่ภายนอกโครง สร้างตัวพื้นรถ กรณีเกิดการรั่ว แกสไฮโดรเจนจะได้กระจายออกไปสู่ภายนอกรถอย่างรวดเร็ว เพื่อความปลอดภัย สำหรับผู้ที่กังวลเรื่องถังไฮโดรเจน ที่มีแรงดันสูงมากถึง 10,000 ปอนด์/ตารางนิ้ว วิศวกรตระหนักถึงจุดนี้ดี และได้ออกแบบถังให้สามารถตอบรับแรงกระแทกได้สูงกว่าเหล็กกล้าถึง 5 เท่า ด้วยการใช้ถังโลหะที่หุ้มด้วยโพลีเมอร์ ไนลอน แล้วพันด้วยเส้นไยคาร์บอนไฟเบอร์อีกชั้นหนึ่ง ทนทานต่อการกระแทก และหากเกิดการรั่วก็ไม่ระเบิดอย่างแน่นอน ส่วนเรื่องการเติมไฮโดรเจน แตกต่างจากการเติมเชื้อเพลิงที่เรารู้จัก เนื่องจากไฮโดรเจนนั้นอยู่ในสถานะแกส ดังนั้น การวัดปริมาณจะใช้หน่วยเป็นน้ำหนัก (กก.) แทนที่จะวัดเป็นปริมาตร (ลิตร) โดยไฮโดรเจน 1 กก. จะมีพลังงานพอๆ กับน้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน หรือประมาณ 3.78 ลิตร และโดยทั่วไป ประสิทธิภาพของรถ FCEV จะมากกว่ารถสันดาปภายในประมาณ 2 เท่าตัว ดังนั้น มันจึงต้องการไฮโดรเจนในปริมาณเพียง 50 % ของปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงอย่าง TOYOTA MIRAI มีความจุไฮโดรเจนอยู่ที่ 5 กก. เทียบเป็นปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงประมาณ 19 ลิตร แต่เนื่องจากประสิทธิภาพสูงกว่า 200 % คิดง่ายๆ ก็จะวิ่งได้ระยะทางพอๆ กับรถแบบเดียวกันที่มีเชื้อเพลิง 38 ลิตร โดยการเติมแต่ละครั้งใช้เวลาประมาณ 5 นาที และเมื่อเติมไฮโดรเจนเต็มถัง จะสามารถวิ่ง ได้ไกลถึง 647 กม. ตามมาตรฐาน EPA ของสหรัฐอเมริกา ส่วน HYUNDAI NEXO แม้จะมีถังไฮโดรเจนใหญ่กว่า แต่รูปทรงต้านลมกว่า ทำให้ทำระยะทางวิ่งได้สั้นกว่าที่ 611 กม. TOYOTA MIRAI ใช้แบทเตอรีความจุ 1.2 กิโลวัตต์ชั่วโมง (1.2 KWH) ใกล้เคียงกับ TOYOTA PRIUS (โตโยตา ปรีอุส) ซึ่งมีความจุน้อยกว่ารถพลัก-อิน ไฮบริดมาก และรถไฟฟ้าล้วน (BEV) ที่ใช้แบทเตอรีความจุมากกว่าหลาย 10 เท่า ซึ่งตรงจุดนี้กลายเป็นข้อได้เปรียบ เพราะเรื่องปัญหามลพิษในการผลิตแบทเตอรีต่ำกว่ามาก สำหรับสถานีบริการไฮโดรเจน ปัจจุบันมีมาตรฐาน 2 แบบ ได้แก่ H35 และ H70 ตัวเลข คือ หน่วยแรงดัน เป็นเมกกะปาสกาล (MPA) โดย 35 MPA เท่ากับแรงดัน 5,000 PSI และ 70MPA เท่ากับแรงดัน 10,000 PSI เนื่องจากเราเก็บไฮโดรเจนในสถานะแกส ถ้าแรงดันของหัวจ่ายต่ำ หมายความว่า จะสามารถเติมแกสได้เต็มที่เท่ากับแรงดันที่มันทำได้ขณะนั้น ดังนั้น หัวจ่าย H35 จะสามารถเติมไฮโดรเจนได้เพียง 50 % ของระยะทางวิ่งเท่านั้น และถ้าปริมาณแกสมีความดันในถังเหลือเพียงครึ่งหนึ่ง (ความดันสูงสุด คือ 70MPA) หัวจ่าย H35 ก็ไม่สามารถเติมให้ได้ ดังนั้น จึงควรเติมกับหัวจ่าย H70 เป็นหลัก หน้าตาของหัวจ่ายไฮโดรเจน มีหลายรูปแบบ อาทิ WEH H70 จะดูคล้ายคลึงกับหัวจ่ายน้ำมัน, TATSUNO H70 กับ WALTHER H70 ดูคล้ายกับหัวจ่ายไฟของรถไฟฟ้า ส่วนแบบ H35 ดูเรียบง่าย อาทิ WEH H35 จะคล้ายหัวจ่ายแกสแอลพีจีสำหรับยานพาหนะ เรื่องค่าใช้จ่ายในการเติมไฮโดรเจน ต้องบอกว่ามันเป็นการลงทุนร่วมกันของไก่กับไข่ ตัวอย่างเช่น ในแคลิฟอร์เนีย TOYOTA ยินดีมอบค่าเชื้อเพลิงให้เจ้าของ MIRAI เป็นมูลค่าถึง 15,000 เหรียญสหรัฐฯ หรือเติมฟรีเป็นเวลา 6 ปี แล้วแต่อะไรจะถึงก่อน สำหรับผู้ที่เช่าซื้อก็จะได้เติมเชื้อเพลิงมูลค่า 15,000 เหรียญสหรัฐฯ เช่นกัน แต่ระยะเวลาเหลือแค่ 3 ปี เพื่อจูงใจให้คนมาทดลองใช้ และเพื่อตรวจสอบการทำงานของสถานีให้บริการ และพัฒนาเครือข่ายการจัดส่งแกสไปในตัว ถ้าดูจากสมรรถนะของมอเตอร์ไฟฟ้า รวมถึงน้ำหนักรวมของตัวรถทั้ง HYUNDAI NEXO และ TOYOTA MIRAI ต้องบอกว่า มันวิ่งได้สบายไม่ต่างจากรถไฟฟ้า BEV รุ่นสามัญทั่วไป แต่ด้วยข้อจำกัดเรื่อง ไก่กับไข่ อะไรจะเกิดก่อนกัน และเรื่องการลงทุนสร้างสถานีบริการไฮโดรเจน ที่หนักกว่าสถานีชาร์จไฟหลายเท่า แถมยังต้องคาดเดาว่า ควรจะไปเปิดสถานีที่ไหน ถึงจะมีรถพลังไฮโดรเจน วิ่งเข้ามาหา ทำให้ แม้ระบบไฮโดรเจนจะมีข้อดีนานัปการ แต่ก็ยากจะเติบโตในกลุ่มรถยนต์ทั่วไปได้ อย่างไรก็ตาม การลงทุนสร้างสถานีจ่ายเชื้อเพลิงสำหรับรถที่รู้เส้นทางดีอยู่แล้วอย่างรถประจำทาง และรถบรรทุก ดูจะมีอนาคตไม่เลว หลังจาก TOYOTA ได้ทดลองร่วมกันกับหลายหน่วยงาน ทั้งในญี่ปุ่น และสหรัฐ อเมริกา พบว่า มันมีประสิทธิภาพในการบริโภคเชื้อเพลิงดีกว่า น้ำมันดีเซล และแกสธรรมชาติราว 39-141 % โดย TOYOTA ร่วมกับ HINO (ฮีโน) ทำโครงการร่วมกันกับเครือข่ายซูเพอร์มาร์เกท อย่าง 7-11, FAMILY MART และ LAWSON ในการทดลองใช้รถบรรทุกไฟฟ้า FCEV อย่างได้ผล จนปัจจุบันนี้มีการพัฒนาไปถึงขั้นทดลองใช้กับรถบรรทุกขนาดใหญ่อย่าง HINO PROFIA (ฮีโน พโรเฟีย) และรถหัวลากไซซ์ยักษ์ HINO XL8 (ฮีโน เอกซ์แอล 8) ที่ใช้ในสหรัฐอเมริกาเลยทีเดียว รถอีกประเภท ที่เราอาจจะไม่ทราบมาก่อนว่าได้ใช้ระบบเซลล์เชื้อเพลิงมาก่อนใคร และในปัจจุบันถือเป็นกลุ่มใหญ่ที่สุด ก็คือ รถ FORKLIFT (ฟอร์คลิฟท์) ซึ่งมีผู้เล่นในตลาดจากทั้งญี่ปุ่น และยุโรป โดยความต้องการมาจากตลาดในยุโรป และสหรัฐอเมริกา เนื่องจากพวกเขาไม่ต้องการใช้รถ FORKLIFT เครื่องยนต์สันดาปภายใน ในอาคาร เนื่องจากมีปัญหาเรื่องควัน และถ้าเทียบกับรถ FORKLIFT ไฟฟ้าแบทเตอรีแล้ว มันทำงานได้ต่อเนื่องมากกว่า เพราะใช้เวลาเติมเชื้อเพลิงเพียง 3 นาทีเท่านั้น แต่จุดเด่นที่ชนะรถแบทเตอรีขาดลอย คือ การทำงานในสถานที่อุณหภูมิต่ำอย่างห้องเย็นที่มีอุณหภูมิติดลบ เนื่องจากในอุณหภูมิต่ำรถพลังแบทเตอรีจะทำงานไม่ได้ โดยผู้จัดจำหน่ายไฮโดรเจนสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมนี้ เจ้าหนึ่งที่เห็นได้ในบ้านเราก็คือ LINDE จากสหราชอาณาจักร (พวกเขา คือ บริษัทที่เชี่ยวชาญแกสอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุดในโลก) สรุปแล้ว เรายังแอบมีความหว้งว่า ไฮโดรเจนจะเป็นพลังงานขับเคลื่อนอีกรูปแบบหนึ่ง ที่มีบทบาทสำคัญในอนาคตอันใกล้นี้