ไฮโดรเจนระบบส่งกำลัง: อนาคตของพลังงานสะอาดในการเคลื่อนที่

ในโลกที่ได้รับแรงผลักดันมากขึ้นจากความจำเป็นเร่งด่วนในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการเปลี่ยนผ่านไปสู่พลังงานที่สะอาดกว่าเทคโนโลยีระบบส่งกำลังไฮโดรเจนได้กลายเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่ง เนื่องจากความต้องการโซลูชั่นที่ยั่งยืนเติบโตขึ้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นการขนส่งโลจิสติกส์การบินและการเดินเรือไฮโดรเจนจึงมีแหล่งพลังงานที่หลากหลายและทรงพลัง ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลไฮโดรเจนสามารถส่งมอบพลังงานสูงในขณะที่ปล่อยไม่เป็นอันตรายไปกว่าไอน้ำ

บล็อกนี้นำเสนอลึกเข้าไปในโลกของระบบส่งกำลังไฮโดรเจน - สิ่งที่พวกเขาคือวิธีการทำงานแอปพลิเคชันข้อดีความท้าทายและโอกาสในอนาคต ในตอนท้ายของบทความนี้คุณจะเข้าใจว่าทำไมผู้เชี่ยวชาญหลายคนมองว่าไฮโดรเจนเป็นเสาหลักที่สำคัญในการสร้างระบบนิเวศพลังงานที่ยั่งยืน

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนคืออะไร?

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนเป็นระบบภายในยานพาหนะที่ใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับการขับเคลื่อน โดยทั่วไปจะประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิงที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการทำปฏิกิริยาทางเคมีไฮโดรเจนกับออกซิเจน กระแสไฟฟ้านี้จะใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเช่นรถบรรทุกไฟฟ้าเคลื่อนย้ายยานพาหนะ

ที่สำคัญระบบส่งกำลังไฮโดรเจนนั้นแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICES) ที่อาศัยการเผาไหม้น้ำมันเบนซินหรือดีเซล แทนที่จะใช้การเผาไหม้ยานพาหนะไฮโดรเจนมักจะพึ่งพาปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้าอย่างเงียบ ๆ มีประสิทธิภาพและไม่มีการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายเช่นCO₂, NOX หรืออนุภาค

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนโดยทั่วไปประกอบด้วย:

• สแต็กเซลล์เชื้อเพลิง (อุปกรณ์หลักที่ผลิตกระแสไฟฟ้า)
• ถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูง
• มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อน
• แบตเตอรี่หรือ ultracapacitor เพื่อบัฟเฟอร์พลังงาน
• ชุดควบคุมพลังงานเพื่อจัดการการไหลของกระแสไฟฟ้า

แบบจำลองการทดลองบางแบบยังใช้ไฮโดรเจนโดยตรงในเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ดัดแปลงเพื่อเผาผลาญก๊าซไฮโดรเจนแทนน้ำมันเบนซิน อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์ดังกล่าวยังคงปล่อย NOX จำนวนเล็กน้อยและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเซลล์เชื้อเพลิงทำให้ระบบส่งกำลังที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นจุดสนใจหลักของการพัฒนาในอนาคต

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนทำงานอย่างไร?

ในระดับสูงระบบส่งกำลังไฮโดรเจนทำหน้าที่โดยการแปลงพลังงานเคมีของไฮโดรเจนเป็นพลังงานเชิงกลโดยไม่ต้องเผาไหม้ นี่คือมุมมองรายละเอียดทีละขั้นตอน:

1. การจัดเก็บไฮโดรเจน

ยานพาหนะมีก๊าซไฮโดรเจนที่ถูกบีบอัดในถังที่ออกแบบมาเป็นพิเศษและมีแรงดันสูงที่ทำจากคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีน้ำหนักเบา รถถังเหล่านี้มักจะทำงานที่ 700 บาร์ (ประมาณ 10,000 psi) สำหรับยานพาหนะโดยสารและแรงกดดันที่ต่ำกว่าเล็กน้อยสำหรับรถโดยสารและรถบรรทุก การจัดเก็บที่ปลอดภัยน้ำหนักเบาและทนทานเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทั้งประสิทธิภาพและความปลอดภัย

2. การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นหัวใจของระบบส่งกำลังไฮโดรเจน ภายในกระบวนการที่เรียกว่าการแปลงทางเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้น:

• ก๊าซไฮโดรเจน (H₂) ถูกป้อนเข้าไปในด้านขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิง
• ที่ขั้วบวกตัวเร่งปฏิกิริยา (มักจะเป็นทองคำขาว) แยกโมเลกุลไฮโดรเจนออกเป็นโปรตอน (H⁺) และอิเล็กตรอน (E⁻)
• โปรตอนผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ไปยังแคโทด
• อิเล็กตรอนเดินทางผ่านวงจรภายนอกสร้างกระแสไฟฟ้าที่ให้กำลังมอเตอร์ของยานพาหนะ
• ที่แคโทดโปรตอนอิเล็กตรอนและออกซิเจน (จากอากาศรอบข้าง) รวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างน้ำ (H₂O) เป็นผลพลอยได้ที่ไม่เป็นอันตราย
• ปฏิกิริยาที่สะอาดนี้ให้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตราบใดที่มีการให้ไฮโดรเจน

3. การขับเคลื่อนมอเตอร์

ไฟฟ้าที่เกิดจากเซลล์เชื้อเพลิงใช้ในการขับมอเตอร์แรงดึงไฟฟ้าเหมือนกับมอเตอร์ที่พบในรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEVs) ในหลายกรณีนอกจากนี้ยังมีแบตเตอรี่ขนาดเล็กหรือ supercapacitor onboard ไปที่:

• จับพลังงานจากการเบรกแบบปฏิรูป
• ให้พลังงานพิเศษสำหรับการเร่งความเร็ว
• ปรับสมดุลความต้องการพลังงานในระหว่างการโหลดชั่วคราว

4. การควบคุมพลังงาน

ระบบการจัดการพลังงานที่ซับซ้อนควบคุม:

• พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงไปยังมอเตอร์
• การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างแบตเตอรี่และมอเตอร์
• การทำงานที่ดีที่สุดของเซลล์เชื้อเพลิงภายใต้สภาพการขับขี่ที่แตกต่างกัน

ดังนั้นกระบวนการทั้งหมดจากถังไฮโดรเจนไปจนถึงล้อถนนนั้นราบรื่นและมีประสิทธิภาพส่งผลให้ประสบการณ์การขับขี่ที่ราบรื่นและทรงพลังโดยไม่มีการปล่อยท่อระบายน้ำที่เป็นอันตราย

ประเภทของระบบส่งกำลังไฮโดรเจน

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนสามารถแบ่งได้ตามวิธีการใช้ไฮโดรเจนสำหรับการขับเคลื่อนยานพาหนะ สองประเภทหลักคือ:

1. ยานพาหนะไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (FCEV)

เทคโนโลยีหลักมุ่งเน้นไปที่แอพพลิเคชั่นยานยนต์ส่วนใหญ่

ไฮโดรเจนจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าผ่านเซลล์เชื้อเพลิง

ไฟฟ้าใช้พลังงานมอเตอร์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่ขนาดเล็กมักจะเสริมเซลล์เชื้อเพลิง

ผลพลอยได้เท่านั้น: ไอน้ำ

ตัวอย่าง:

• Toyota Mirai (ญี่ปุ่น)
• Hyundai Nexo (เกาหลีใต้)
• Honda Clarity Fuel Cell (USA ตอนนี้หยุดลง)

ข้อดี:

• สะอาดมากและมีประสิทธิภาพ
• การดำเนินการที่เงียบสงบ
• ช่วงที่ยาวกว่าเมื่อเทียบกับ BEVS

2. เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจน (H2-ICE)

เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิมดัดแปลงเพื่อเผาไฮโดรเจนแทนน้ำมันเบนซิน

กลไกคล้ายกับเครื่องยนต์ของวันนี้ (ลูกสูบเพลาข้อเหวี่ยง ฯลฯ )

ผลิตการปล่อย NOX แต่ไม่มีCO₂

มีประสิทธิภาพน้อยกว่า FCEVS

ตัวอย่าง:

• BMW ไฮโดรเจน 7 (ต้นแบบซีดานหรูหรา)
• แนวคิด GR Yaris Hydrogen ของ Toyota (โปรแกรมการแข่งรถ)

ข้อดี:

• ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานการผลิตและการบำรุงรักษาที่มีอยู่
• การเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วยิ่งขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมเช่นรถบรรทุกหรือการบินซึ่งความคุ้นเคยของน้ำแข็งเป็นสิ่งสำคัญ
• ในระยะยาวเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงถูกมองว่ายั่งยืนมากขึ้น แต่เครื่องยนต์ H2-ICE อาจมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนผ่านในภาคการทำงานหนัก

ข้อดีของระบบส่งกำลังไฮโดรเจน

มีเหตุผลมากมายว่าทำไมระบบระบบส่งกำลังไฮโดรเจนจึงดึงดูดความสนใจอย่างมีนัยสำคัญทั่วโลก:

1. การปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ที่แท้จริง

ไฮโดรเจน FCEVs ผลิตไอน้ำเท่านั้นในระหว่างการทำงานทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์เป็นศูนย์ไฮโดรคาร์บอนหรือการปล่อยอนุภาค สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสมบูรณ์แบบสำหรับเมืองที่ต่อสู้กับมลพิษทางอากาศและสำหรับอุตสาหกรรมภายใต้กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด

2. การเติมเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว

การเติมรถยนต์ไฮโดรเจนใช้เวลาประมาณเดียวกับการเติมน้ำมันเบนซินหรือดีเซลรถยนต์: 3-5 นาที
สิ่งนี้จะแก้ปัญหาข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของยานพาหนะไฟฟ้าแบตเตอรี่ (เวลาเติมเงินนาน) ทำให้ไฮโดรเจนน่าสนใจมากสำหรับกองยานพาณิชย์ที่ต้องใช้เวลาในการทำงานสูงสุด

3. ระยะขับที่ยาวขึ้น

รถยนต์ไฮโดรเจนในปัจจุบันมีระยะขับรถ 400–500+ ไมล์บนถังเดียวซึ่งเกินกว่ายานพาหนะไฟฟ้าส่วนใหญ่ ความสามารถในระยะยาวนี้มีความสำคัญสำหรับ:

• รถบรรทุกระยะไกล
• รถโดยสารขนส่งสาธารณะ
• การเดินทางระหว่างเมือง

4. การจัดเก็บพลังงานน้ำหนักเบา

ไฮโดรเจนมีพลังงานเฉพาะที่สูงกว่ามาก (พลังงานต่อกิโลกรัม) มากกว่าแบตเตอรี่ หมายความว่า:

ยานพาหนะสามารถมีน้ำหนักน้อยลงในช่วงเดียวกัน

ความจุน้ำหนักบรรทุกสำหรับรถบรรทุกและรถโดยสารจะถูกเก็บรักษาไว้

5. ความเก่งกาจ

ไฮโดรเจนสามารถเติมเชื้อเพลิงทุกอย่างตั้งแต่รถยนต์ขนาดกะทัดรัดไปจนถึงเครื่องจักรหนักรถไฟเรือและแม้แต่เครื่องบิน
สิ่งนี้ทำให้ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนเป็นโซลูชันสากลในการกำจัดหลายอุตสาหกรรมพร้อมกัน

6. ความเป็นอิสระด้านพลังงาน

ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้ในท้องถิ่นจากน้ำโดยใช้ไฟฟ้าทดแทน (พลังงานแสงอาทิตย์, ลม) ลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลที่นำเข้า

ความท้าทายที่ต้องเผชิญกับการพัฒนาระบบส่งกำลังไฮโดรเจน

แม้จะมีข้อได้เปรียบมากมายเทคโนโลยีระบบส่งกำลังไฮโดรเจนยังคงเผชิญกับอุปสรรคสำคัญ:

1. ความท้าทายในการผลิตไฮโดรเจน

ปัจจุบันประมาณ 95% ของไฮโดรเจนผลิตจากก๊าซธรรมชาติผ่านการปฏิรูปมีเธนไอน้ำ (SMR) ซึ่งปล่อยCO₂
การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว - ไฮโดรเจนที่ได้มาจากพลังงานหมุนเวียนผ่านอิเล็กโทรไลซิส - ยังคงมีราคาแพงแม้ว่าค่าใช้จ่ายจะลดลงภายในปี 2573

2. ช่องว่างโครงสร้างพื้นฐาน

สถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนมี จำกัด :

• แคลิฟอร์เนียมีสถานี ~ 50 สถานี
• เยอรมนีเป็นผู้นำในยุโรปด้วยสถานี ~ 100 สถานี
• ญี่ปุ่นและเกาหลีใต้กำลังขยายเครือข่ายอย่างรวดเร็ว

อย่างไรก็ตามการสร้างโครงสร้างพื้นฐานการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเต็มรูปแบบจะต้องมีการลงทุนอย่างมาก

3. ค่าใช้จ่ายสูง

เซลล์เชื้อเพลิงและถังไฮโดรเจนมีราคาแพงเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่หรือเครื่องยนต์เผาไหม้ส่วนใหญ่เกิดจาก:

• การใช้โลหะมีค่าเช่นแพลตตินัม
• กระบวนการผลิตที่ซับซ้อน

แม้ว่าค่าใช้จ่ายจะลดลงกว่า 60% ในทศวรรษที่ผ่านมา

4. ความไร้ประสิทธิภาพของพลังงาน

การเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนนั้นเกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงานหลายครั้ง:

ไฟฟ้า→ไฮโดรเจน→ไฟฟ้า→การเคลื่อนไหว แต่ละขั้นตอนมีการสูญเสียทำให้ไฮโดรเจนประหยัดพลังงานน้อยกว่าการจัดเก็บแบตเตอรี่โดยตรงสำหรับยานพาหนะระยะสั้น

5. ความสงสัยสาธารณะ

ความกังวลด้านความปลอดภัยยังคงอยู่ในหมู่ประชาชนทั่วไปส่วนใหญ่เกิดจากความไวของไฮโดรเจน
อย่างไรก็ตามยานพาหนะและรถถังไฮโดรเจนที่ทันสมัยนั้นปลอดภัยและทดสอบอย่างเข้มงวดเพื่อให้ได้มาตรฐานที่เข้มงวด

การเปรียบเทียบรถยนต์ไฮโดรเจนและรถยนต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฟฟ้า

แม้ว่าเทคโนโลยีไฮโดรเจนและไฟฟ้าในตอนแรกอาจดูเหมือนจะเป็นแนวทางที่ตรงกันข้ามอย่างสมบูรณ์ แต่ในความเป็นจริงแล้วโหมดการเคลื่อนไหวเสริม การถกเถียงเรื่อง“ ไฮโดรเจนหรือรถยนต์ไฟฟ้า” น้อยกว่าเกี่ยวกับการเลือกหนึ่งในอีกและอื่น ๆ เกี่ยวกับการเลือกโซลูชันที่เหมาะสมตามการใช้งานยานพาหนะเฉพาะและข้อกำหนด

ตัวอย่างเช่นเมื่อพูดถึงยานพาหนะเชิงพาณิชย์ที่มีน้ำหนักเบาซึ่งต้องการความสามารถในการบรรทุกสูงไฮโดรเจนพิสูจน์ให้เห็นว่าเป็นประโยชน์อย่างยิ่ง แม้จะมีความจริงที่ว่าถังเก็บที่จำเป็นสำหรับก๊าซไฮโดรเจนมีขนาดค่อนข้างใหญ่ แต่พวกเขาไม่ได้เพิ่มน้ำหนักมากเกินไปให้กับยานพาหนะทำให้สามารถรักษาสมดุลระหว่างความสามารถในการโหลดและประสิทธิภาพ ยานพาหนะไฮโดรเจนมีความเหมาะสมเป็นพิเศษกับการดำเนินงานที่มีความเข้มข้นและวงปิด-สถานการณ์ที่ยานพาหนะเป็นไปตามเส้นทางปกติและสถานีเติมเชื้อเพลิงนั้นง่ายต่อการเข้าถึงหรือตั้งอยู่โดยตรงที่โรงงานของ บริษัท ในการตั้งค่าเช่นนี้การเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะรวดเร็วสะดวกและใช้งานได้จริง

ในทางกลับกันยานพาหนะไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการของไดรเวอร์ที่หลากหลายและรูปแบบการใช้งานที่หลากหลาย พวกเขาเหมาะสำหรับทุกสิ่งตั้งแต่การเดินทางในเมืองระยะไกลไปจนถึงการเดินทางทางหลวงที่ยาวนานขึ้น อย่างไรก็ตามเมื่อแบตเตอรี่หมดแล้วการชาร์จจะต้องเกิดขึ้นผ่านกริดไฟฟ้าซึ่งโดยทั่วไปจะใช้เวลามากขึ้นเมื่อเทียบกับการเติมเชื้อเพลิงให้กับยานพาหนะไฮโดรเจน อย่างไรก็ตามรถยนต์ไฟฟ้าได้รับประโยชน์จากเครือข่ายที่หนาแน่นกว่าของสถานีชาร์จที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อมส่วนตัว - เช่นโรงจอดรถ - และในพื้นที่สาธารณะเช่นศูนย์การค้าและที่จอดรถ ยิ่งไปกว่านั้นเจ้าของรถยนต์ไฟฟ้าสามารถรวมที่จอดรถตามปกติเข้ากับการชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างสะดวกทำให้การขับเคลื่อนยานพาหนะง่ายขึ้นตลอดทั้งวัน

โดยสรุปทั้งเทคโนโลยีไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ไฟฟ้าไม่ได้อยู่ในการแข่งขัน แต่เติมเต็มซึ่งกันและกัน พวกเขาสนับสนุนการเปลี่ยนแปลงไปสู่การเคลื่อนย้ายอย่างยั่งยืนโดยเสนอโซลูชั่นที่สามารถปรับให้เข้ากับความต้องการที่แตกต่างกันรูปแบบการขับขี่และความต้องการในการดำเนินงาน

บทสรุป

ระบบส่งกำลังไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในเส้นทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการบรรลุภาคการขนส่งที่ยั่งยืนอย่างแท้จริง
การเติมเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วระยะยาวและการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานหนักการเดินทางระหว่างเมืองและอุตสาหกรรมยากที่จะแยกคาร์บอนผ่านแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว

ในขณะที่ความท้าทายยังคงอยู่เกี่ยวกับต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานและการรับรู้ของประชาชนแรงผลักดันที่สำคัญจากอุตสาหกรรมและผู้กำหนดนโยบายแสดงให้เห็นว่าการปฏิวัติไฮโดรเจนไม่ใช่คำถามว่าถ้าเมื่อใด

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับระบบส่งกำลังไฮโดรเจน

Q1: ยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนปลอดภัยหรือไม่?
ใช่ยานพาหนะไฮโดรเจนที่ทันสมัยมีความปลอดภัยอย่างยิ่งพร้อมถังที่ออกแบบมาเพื่อทนต่อกระสุนปืนล่มและไฟ ระบบความปลอดภัยระบายไฮโดรเจนออกจากห้องโดยสารอย่างรวดเร็วในกรณีฉุกเฉิน

Q2: การเติมน้ำมันไฮโดรเจนมีค่าใช้จ่ายเท่าไหร่?
ในสหรัฐอเมริกามีค่าใช้จ่ายประมาณ $ 15– $ 20 ต่อกิโลกรัมและโดยทั่วไปแล้วการเติมเต็มจะมีค่าใช้จ่าย $ 60– $ 100 ขึ้นอยู่กับขนาดของยานพาหนะและราคาในท้องถิ่น

Q3: ฉันจะเติมน้ำมันไฮโดรเจนได้ที่ไหน?
ส่วนใหญ่ในแคลิฟอร์เนียเยอรมนีญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ สถานีไฮโดรเจนใหม่กำลังได้รับการพัฒนาในยุโรปออสเตรเลียจีนและบางส่วนของอเมริกาเหนือ

Q4: ยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะเปลี่ยนรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่หรือไม่?
ไม่ทั้งหมด - เทคโนโลยีทั้งสองจะอยู่ร่วมกัน ไฮโดรเจนเหมาะกว่าสำหรับการใช้ระยะไกลการค้าและอุตสาหกรรม Bevs ดีที่สุดสำหรับการขนส่งส่วนตัวและเมือง

Q5: บริษัท ใดที่เป็นผู้นำการพัฒนาระบบส่งกำลังไฮโดรเจน?
Toyota, Hyundai, Plug Power, Ballard Power Systems และ Airbus เป็นนักประดิษฐ์ที่สำคัญในเทคโนโลยีการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจน

อ่านเพิ่มเติม:ความแตกต่างระหว่างระบบขับเคลื่อน EV และระบบส่งกำลังในรถยนต์ไฟฟ้าคืออะไร?