top of page
ค้นหา
  • รูปภาพนักเขียนNet Zero Techup

♻️ ต้นไม้เทียม เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฮโดรเจน แบบไม่ง้อแบตเตอรี่!



ทีมนักวิจัยห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมพลังงานทดแทน คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส โลซาน (École Polytechnique fédérale de Lausanne: EPFL) ได้สร้างต้นไม้เทียมที่มีลักษณะเหมือนจานดาวเทียมรูปทรงพาราโบลาในการรับแสงอาทิตย์เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าในการแยกโมเลกุลน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน เรียกระบบนี้ว่า ระบบอนุภาคแสง (Photoparticulate Systems) หรือ เซลล์โฟโตเคมีไฟฟ้า (Photoelectrochemical Cells: PEC) เป็นการบูรณาการ 2 เทคโนโลยีเข้าด้วยกัน นั่นก็คือ เทคโนโลยีการเปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaic: PV) และเทคโนโลยีการแยกโมเลกุลน้ำด้วยไฟฟ้าโดยเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ (Electrolyser: EC) เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน ซึ่งคล้ายกับการสังเคราะห์แสงของต้นไม้จริง นับเป็นก้าวสำคัญในการเอาชนะหนึ่งในอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดของการกระจายพลังงานสะอาด นั่นก็คือปัญหาของการกักเก็บพลังงานหรือแบตเตอรี่นั่นเอง


🚩 ข้อดีของพลังงานไฮโดรเจน


เป็นที่ทราบกันดีว่าการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าต้องอาศัยแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ซึ่งมีน้ำหนักเยอะและสิ้นเปลืองพื้นที่การติดตั้ง แบตเตอรี่ส่วนใหญ่ต้องใช้โลหะหายากและมีราคาแพงในการผลิต อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ไม่ใช่วิธีเดียวสำหรับการกักเก็บพลังงานอีกต่อไป เนื่องจากไฮโดรเจนสามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 150 เท่าต่อน้ำหนักในหน่วยกิโลกรัม ซึ่งหมายความว่ารถยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจนจะมีน้ำหนักน้อยกว่ารถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมนั่นเอง นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังเป็นแหล่งพลังงานสะอาด ไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าน้ำมันเบนซินถึง 3 เท่าโดยน้ำหนัก ตามข้อมูลของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (United States Department of Energy) ข้อดีอีกหนึ่งข้อของรถยนต์พลังงานไฮโดรเจนคือไม่จำเป็นต้องชาร์จไฟเหมือนรถยนต์ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่


🚩 ต้นไม้เทียมทำงานอย่างไร


ในการผลิตไฮโดรเจนจำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อแยกโมเลกุลน้ำออกเป็นก๊าซออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้น การออกแบบจานดาวเทียมรูปทรงพาราโบลาจะช่วยรวบรวมรังสีของแสงอาทิตย์ให้มีความเข้มข้นสูงประมาณ 900 ถึง 1,000 เท่า รังสีเข้มข้นจะถูกยิงไปที่เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กผ่านรูรับแสงอาทิตย์มีลักษณะเป็นกล่องสี่เหลี่ยม เครื่องปฏิกรณ์จะแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ประมาณ 20% ของทั้งหมดที่ได้รับเพื่อใช้ในกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนเท่านั้น ซึ่งคล้ายกับกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชโดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์เพียง 6% เพื่อสร้างอาหารในการดำรงชีวิต ทำให้ระบบดังกล่าวนี้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ประมาณ 93 กิโลกรัมต่อปี (ในสภาพแวดล้อมของสวิตเซอร์แลนด์) และผลิตความร้อนได้ 18,330 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี สามารถตอบสนองความต้องการความร้อนต่อหนึ่งครัวเรือน (4 คน) ในสวิตเซอร์แลนด์ และใช้เป็นพลังงานไฟฟ้าให้กับรถยนต์ 1.5 คัน หรือให้พลังงานไฟฟ้าเป็นครึ่งหนึ่งต่อครัวเรือนขนาดเดียวกัน อย่างไรก็ดี แม้ว่าก๊าซออกซิเจนจะเป็นผลิตภัณฑ์ผลพลอยได้จากการผลิตไฮโดรเจน แต่ก๊าซออกซิเจนนั่นมีค่ามากในการใช้งานทางการแพทย์ ดังนั้น จึงได้มีการออกแบบระบบแยกและกักเก็บก๊าซออกซิเจน เพื่อสร้างความได้เปรียบทางเศรษฐศาสตร์และเพิ่มมูลค่าในกระบวนการปลายน้ำ


🚩 การออกแบบกระบวนการ อุปกรณ์ และการติดตั้ง


จานพาราโบลาพลังงานแสงอาทิตย์เส้นผ่านศูนย์กลาง 7 เมตร (พื้นที่ผิว 38.5 ตร.ม.) ได้ทำการติดตั้งที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งสหพันธ์สวิส โลซาน (EPFL) บนฐานคอนกรีตเพื่อใช้สำหรับติดตั้งท่อและอุปกรณ์ต่างๆ ล้อมรอบด้วยคูระบายน้ำ ท่อและข้อต่อสเเตนเลสจะถูกติดตั้งและเชื่อมต่อเข้ากับโครงสร้างฐานรากที่เป็นอุปกรณ์ต้นน้ำ (เช่น ถังกักเก็บ ปั๊มน้ำ และเครื่องกำจัดไอออนในน้ำ) และอุปกรณ์ปลายน้ำ (เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องแยกน้ำ ระบบรีไซเคิลน้ำ และถังกักเก็บก๊าซ) นอกจากนี้ ท่อบุด้วยฟลูออโรโพลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นได้ถูกนำมาใช้เพื่อเชื่อมต่อของไหลระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ที่ติดตั้งที่จุดโฟกัสของจานรับแสงอาทิตย์และชุดอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนฐานราก โดยการเดินท่อบนโครงสร้างของจานพาราโบลาคล้ายกับสายไฟฟ้าและสายสื่อสาร มีรายละเอียดดังนี้


✅️ 1) วัตถุดิบที่ใช้คือน้ำดื่มจากระบบประปาท้องถิ่น ระบบเครื่องปฏิกรณ์ขั้นต้นประกอบด้วยถังเก็บน้ำ ปั๊มน้ำแบบเฟือง (Gear Pump) เครื่องกรองอนุภาค (Particulate Filters) และเครื่องกำจัดไอออนในน้ำแบบแลกเปลี่ยนไอออนเบดผสม (Mixed-bed Ion-Exchange Water Deionizers) น้ำจะถูกสูบโดยปั๊มน้ำแบบเฟือง ผ่านเครื่องกำจัดไอออนและส่งต่อไปยังเครื่องปฏิกรณ์ ภายในเครื่องปฏิกรณ์จะประกอบด้วยโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งติดตั้งบนข้อต่อสามทาง ชุดอิเล็กโทรไลเซอร์ประเภท PEM (Proton Exchange Membrane) 16 เซลล์ จำนวน 2 ชุด และปั๊มหอยโข่งขนาดเล็กที่ใช้ในการรีไซเคิลน้ำผ่านโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์

✅️ 2) เพื่อให้แน่ใจว่าน้ำที่ผ่านการกำจัดไอออน (Deionized Water) ไม่มีการปนเปื้อนภายในท่อและชุดอุปกรณ์ต่างๆ ตามข้อกำหนดของกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสประเภท PEM ดังนั้น พื้นผิวภายในโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำมาจากทองแดง (Copper Heat Sink) จะต้องถูกเคลือบด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) และไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ความหนา 50 มิลลิเมตร ด้วยวิธีการ Atomic Layer Deposition เพื่อป้องกันการเกิดสนิมปนเปื้อนในน้ำที่ผ่านการกำจัดไอออนแล้ว ส่วนประกอบอื่นๆ ของเครื่องปฏิกรณ์ เช่น ตัวป้องกันแสง (Light Shield), โฮโมจิไนเซอร์ (Homogenizer), และภาชนะห่อหุ้ม ได้ถูกสั่งทำขึ้นมาใหม่ทั้งหมด


✅️ 3) วัตถุประสงค์ของโฮโมจีไนเซอร์ คือ การแปลงแสงอาทิตย์ความเข้มข้นสูงที่มาจากจุดรวมแสง ณ จุดศูนย์กลางของจานพาลาโบลา (Parabolic Concentrator) ที่มีการกระจายแสงแบบฟลักซ์เกาส์เซียน (Gaussian Flux Profile) ให้มีการกระจายแสงที่เป็นเนื้อเดียวกันเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (Rectangular Homogeneous Profile) โดยใช้การออกแบบคล้ายกับกล้องคาไลโดสโคป (Kaleidoscope) เพื่อให้เหมาะกับพื้นที่ใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ PV โดยโฮโมจีไนเซอร์สร้างมาจากเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) มีลักษณะเป็นกล่อง ภายในกลวง และมีช่องว่างที่อยู่ล้อมรอบผนังด้านนอกของโฮโมจีไนเซอร์เพื่อใช้ในการระบายความร้อนโดยการไหลผ่านของน้ำ ภายในโฮโมจีไนเซอร์จะเป็นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมด


✅ 4)️ น้ำจะถูกทำให้ร้อนขึ้นเมื่อไหลผ่านโฮโมจีไนเซอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ PV และตัวป้องกันแสง ก่อนที่จะส่งต่อไปยัง EC stack หรือ PEM Electrolyser ด้วยอุณหภูมิที่สูงขึ้น จากการออกแบบระบบดังกล่าวนี้ ทำให้นักวิจัยประสบความสำเร็จในการแยกน้ำด้วยพลังงานจากแสงอาทิตย์ โดยอาศัยความร้อนเหลือทิ้ง (Waste Heat) ที่เกิดจากกระบวนการระบายความร้อนของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ น้ำทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการพาความร้อน (Heat Convection) น้ำจะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นก่อนที่จะส่งต่อไปยัง EC Stack เพื่อแยกโมเลกุลน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยอาศัยกระแสไฟฟ้าจากโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ เรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสของน้ำ (Water Electrolysis)


✅️ 5) ในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ขั้วแอโนด (Anode) เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) เกิดเป็นก๊าซออกซิเจนและน้ำบางส่วนที่ไม่ทำปฏิกิริยา ส่วนขั้วแคโทด (Cathode) เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) เกิดเป็นก๊าซไฮโดรเจนและน้ำบางส่วนที่มาจากกระบวนการอิเล็กโตรออสโมซิส (Electro-Osmotic Water Drag) ก๊าซออกซิเจนและน้ำที่มาจากขั้วแอโนดจะถูกทำให้เย็นลงโดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (Liquid–Liquid Heat Exchanger) จากนั้น น้ำจะถูกกำจัดออกในหน่วยแยกก๊าซและของเหลว (Liquid–Gas Separator) และส่งกลับไปยังถังเก็บน้ำเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่


✅️ 6) ก๊าซออกซิเจนที่ได้จากกระบวนการผลิต สามารถทำให้บริสุทธิ์และควบคุมความดันให้ใกล้เคียงความดันบรรยากาศเพื่อใช้ประโยชน์ในด้านอื่นๆ ต่อไป ส่วนก๊าซไฮโดรเจนที่ผลิตได้จำเป็นต้องควบคุมความดันไว้ที่ 1–30 bars ด้วยวาล์วควบคุมแรงดันย้อนกลับแบบปรับได้ (Adjustable Back-Pressure Regulator) และส่งไปกักเก็บภายในถังแรงดันที่ติดตั้งภายใน EPFL เพื่อใช้เป็นพลังงานให้กับรถยนต์พลังงานไฮโดรเจน


✅️ 7) ตัวแปรที่สำคัญที่ใช้ในการควบคุมกระบวนการ ได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน การนำไฟฟ้า และอัตราการไหลของก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจน จะถูกตรวจวัด ณ ตำแหน่งต่างๆ ของกระบวนการ รวมถึงการติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจจับก๊าซไวไฟแบบอินไลน์ (In-line Flammable Gas Sensor) สำหรับก๊าซไฮโดรเจนที่ผ่านการสอบเทียบ (Calibrate) เพื่อให้มั่นใจได้ว่าจะไม่มีการปนเปื้อนสารที่เป็นอันตรายอื่นๆ กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของชุดอุปกรณ์ต่างๆ จะถูกตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์ไฟฟ้า (Electrical Sensors) อุณหภูมิภายในเครื่องปฏิกรณ์จะถูกตรวจวัดด้วยเทอร์โมคัปเปิล (K-type Thermocouples) อุณหภูมิขาเข้าและขาออกของเครื่องปฏิกรณ์จะถูกวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ (PT100 Resistance Thermometer)



🚩 แหล่งที่มาของข้อมูลเเละรูปภาพ:







---------------------------------------------------

ติดตามข้อมูลข่าวสารผ่านช่องทางต่างๆ ได้ที่


ดู 254 ครั้ง0 ความคิดเห็น

コメント


Post: Blog2_Post
bottom of page