หน่วยที่ 4. การใช้พลังงานประเภทน้ำมัน

หน่วยที่ 4. การใช้พลังงาน

ประกอบ คุปรัตน์
Pracob Cooparat

มูลนิธิก้าวไกลในเอเซีย
SpringBoard4Asia Foundation (SB4AF)
Tel: +66 2 3548254, +66 2 3548255
Fax: +66 2 3548255
Email: pracob@sb4af.org
Blogger: http://pracob.blogspot.com

Keywords: cw310, พลังงาน, energy, energy, conservation

การใช้น้ำมัน

การเดินทางโดยยานพาหนะต่างๆ ต้องมีพลังงาน และพลังงานที่เหมาะคือสิ่งที่สามารถจัดใส่ภาชนะบรรจุได้ง่าย ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพในการให้พลังงาน ดังเช่น

- ถ่านหิน (Coal)
- น้ำมัน (Oil)
- แก๊สธรรมชาติ (Natural Gas)

มีการใช้ถ่านหิน หรือฟืนเป็นพลังงานขับเคลื่อนรถไฟในยุคแรกๆ ที่ใช้เพื่อต้มน้ำและใช้พลังงานไอน้ำจากหม้อต้ม

พลังงานพวกน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel) เช่น เบ็นซิน ในสหรัฐอเมริกาจะเรียกว่า Gasoline และ น้ำมันดีเซล (Diesel Oil)

น้ำมันเชื้อเพลิง (Gasoline)

น้ำมันเชื้อเพลิงเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบ (crude oil) และนำไปใช้ในเครื่องยนต์ชนิดที่มีการสันดาปภายใน การกำหนดคุณสมบัติของน้ำมันเชื้อเพลิงมักใช้การกำหนดค่าออกเทน หมายถึงดัชนีที่บ่งชี้คุณภาพของการเผาไหม้ของน้ำมันเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ ซึ่งอยู่ภายใต้ความดันและอุณหภูมิที่สูง แต่เดิมน้ำมันเชื้อเพลิงจะมีการเติมสารตะกั่ว (Tetramethyl Lead หรือ Tetraethyl Lead) เพื่อเพิ่มค่าออกเทน ในปัจจุบันนี้สารดังกล่าวไม่อนุญาตให้ใช้ในหลายประเทศ เนื่องจากพบว่าการปลดปล่อยควันเสียของเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันที่ผสมสารดังกล่าวจะมีตะกั่วปะปนออกมาด้วย ทำให้น้ำมันเชื้อเพลิงมีการใช้สารที่เพิ่มออกเทนชนิดอื่นทดแทน เช่น Methyl Tertiarybutyl Ether (MTBE) หรือ Methylcyclo-pentadienyl Manganese Tricarbonyl (MMT)

เชื้อเพลิงชีวภาพ (Biofuel)

เชื้อเพลิงชีวภาพ โดยทั่วไปหมายถึงดีเซลชีวภาพ (Biodiesel) ได้แก่ น้ำมันเชื้อเพลิงที่ได้จากการดัดแปลงน้ำมันที่สกัดมาจากพืชหรือสัตว์ โดยผ่านกระบวนการที่ทำให้เกิดหมู่ของสาร mono-alkyl ester ให้อยู่ร่วมกับโครงสร้างของกรดไขมันจากพืชหรือไขมันสัตว์เป็นส่วนประกอบ แหล่งของวัตถุดิบหลักที่ได้จากพืช ได้แก่ น้ำมันจากเมล็ดพืชหลายชนิด เช่น ถั่วเหลือง ทานตะวัน มะพร้าว ข้าวโพด ฝ้าย ถั่วลิสง ปาล์ม คาโนลา ดอกคำฝอย เป็นต้น

การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพในเชิงการค้าสามารถทำได้ โดยกระบวนการ Transesterification ระหว่างน้ำมันจากพืชหรือไขมันสัตว์ และแอลกอฮอล์ เป็นปฏิกิริยาของการแทนที่ในส่วนของกลีเซอรอลด้วยส่วนประกอบของแอลกอฮอล์ โดยมีกลุ่มอัลคาไลน์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการแทนที่ ที่อุณหภูมิประมาณ 50-70 °C ภายใต้ความดันบรรยากาศ ในปฏิกิริยาจะทำให้น้ำมันพืชมีสภาพเป็นกลางก่อน ด้วยการกลั่นในสภาพที่เป็นด่าง การกลั่นทำให้น้ำมันระเหยกลายเป็นไอและผสมเข้ากันกับแอลกอฮอล์ส่วนเกิน เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาจะได้ส่วนของเชื้อเพลิงชีวภาพ และส่วนของกลีเซอรอลที่เหลือสามารถจะนำไปใช้เป็นวัตถุดิบของการทำสบู่ได้

จากข้อมูลที่ได้รวบรวมจาก http://www.journeytoforever.org/ การผลิตดีเซลชีวภาพในครัวเรือนสามารถทำได้ โดยการละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ 35 กรัมในตัวทำละลายเมธานอล ปริมาณ 2 ลิตร ซึ่งเรียกสารละลายนี้ว่า Sodium methoxide ขั้นตอนต่อมาคือการอุ่นน้ำมันพืช 10 ลิตรให้มีอุณหภูมิประมาณ 40-55 °C แล้วจึงค่อยๆ เติมสารละลาย Sodium methoxide ลงในถังปฏิกิริยาพร้อมกวนสารละลายไปเรื่อยๆ สารละลายที่ได้จะแยกเป็นสารส่วนบนที่มีสีเหลืองใส ส่วนล่างของภาชนะจะพบตะกอนของ glycerin ทำการควบคุมอุณหภูมิต่อไปอีกประมาณ 1 ชั่วโมง สลับกับการกวนสารให้เข้ากันช้าๆ หรือจะปล่อยให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปข้ามคืน หลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้นจะได้สารสีเหลืองใสที่อยู่ส่วนบน ซึ่งจะเรียกว่าส่วนของน้ำมันดีเซลชีวภาพประมาณ 10 ลิตร และส่วนของตะกอน glycerin ประมาณ 2 ลิตร การทำปฏิกิริยาดังกล่าวจะมีข้อควรระวังดังนี้คือ การเป็นพิษของตัวทำละลายเมธานอล ความเป็นด่างจัดของสารโซเดียมไฮดรอกไซด์ และการควบคุมความร้อนที่ให้กับน้ำมันพืช หลักการนี้ยังสามารถนำไปใช้กับน้ำมันที่ใช้แล้วประเภทน้ำมันที่เหลือจากการปรุงอาหารได้อีกด้วย แต่สัดส่วนของสารอาจจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงไป สำหรับการปรับใช้ดีเซลชีวภาพกับเครื่องยนต์นั้น ผู้ผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงจะไม่ใช้ดีเซลชีวภาพโดยตรงกับเครื่องยนต์ แต่จะนิยมนำไปผสมกับน้ำมันดีเซลก่อนที่จะใช้เติมลงในรถยนต์ โดยดีเซลชีวภาพจะมีหมายเลขที่จะบ่งบอกถึงเปอร์เซ็นต์ของการผสมดีเซลชีวภาพ เช่น B20 หมายถึงการนำเอาดีเซลชีวภาพ 20% ไปผสมกับ น้ำมันดีเซลปกติ

นโยบายรัฐบาลไทย

ในปัจจุบันรัฐบาลไทยได้ส่งเสริมให้มีการใช้ดีเซลชีวภาพกับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันดีเซลหลายประเภท โดยจัดเป็นยุทธศาสตร์ไบโอดีเซลที่มีจุดมุ่งหมายให้ผลิตและใช้ดีเซลชีวภาพทดแทนน้ำมันดีเซล 3 เปอร์เซ็นต์ของการใช้น้ำมันดีเซลในปี 2554 (คณะรัฐมนตรีได้ให้ความเห็นชอบเมื่อ 18 พฤษภาคม 2547) และเมื่อวันที่ 28 มิถุนายน ค.ศ. 2004 ก็ได้มีการแนะนำดีเซลชีวภาพเชิงการค้า โดยเริ่มต้นใช้ดีเซลชีวภาพชนิด B2 กับภาคการขนส่งในรถยนต์สองแถวรับจ้างของจังหวัดเชียงใหม่ ซึ่งมีการจำหน่ายที่ปั๊มน้ำมัน ปตท. และปั๊มน้ำมันบางจาก

แก๊สโซฮอล์ (Gasohol)

แก๊สโซฮอล์ (Gasohol) คือน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีส่วนประสมของแอลกอฮอล์ (Alcohol)

น้ำมันเชื้อเพลิงชนิดที่มีการเติมสารละลายชนิดอื่นๆ และสามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์เบนซิน ได้แก่ เบนโซฮอล์ หรือแก๊สโซฮอล์ แก๊สโซฮอล์เป็นชื่อเรียกน้ำมันเชื้อเพลิงที่ได้จากการผสมน้ำมันเบนซินพิเศษจำนวน 90 ส่วนกับเอธานอลเข้มข้น (99.8 เปอร์เซ็นต์) จำนวน 10 ส่วน หรือเรียกว่า E10 แก๊สโซฮอล์มีคุณสมบัติที่ดี คือ ค่าออกเทนที่สูงและการเผาไหม้ทำได้ดีกว่า แต่เนื่องจากต้นทุนการผลิตเอธานอลมีราคาสูงจึงทำให้การผลิตแก๊สโซฮอล์มีขีดจำกัด แก๊สโซฮอล์ที่มีส่วนผสมของเอธานอลในปริมาณที่สูงสามารถใช้เป็นน้ำมันเชื้อเพลิงได้ เช่น รถยนต์ในสหรัฐอเมริกาบางรุ่นสามารถใช้แก๊สโซฮอล์ชนิด E 85 ได้ (เอธานอล 85 ส่วนผสมกับน้ำมันเบนซิน 15 ส่วน) แต่การใช้แก๊สโซฮอล์ที่ผสมเอธานอลในอัตราสูงอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนต่อส่วนของยางได้ ดังนั้นรถยนต์ที่ใช้แก๊สโซฮอล์ชนิดพิเศษจำเป็นต้องมีการดัดแปลงส่วนของขอบยาง หรือมีการระบุวิธีการใช้มาจากโรงงานผลิตรถยนต์เสียก่อน ปัจจุบันได้มีการนำเอธานอลมาผสมกับน้ำมันเบนซินชนิดธรรมดา ในอัตราส่วนผสมระหว่างเอธานอลและน้ำมันเบนซินเท่ากับ 15 : 85 ได้เป็นผลิตภัณฑ์พิเศษที่ชื่อว่า เบนโซฮอล์ (Benzohol)

สำหรับการใช้เมธานอลทดแทนทำได้โดยการผสมน้ำมันเบนซินจำนวน 97 ส่วนกับเมธานอล 3 ส่วน สำหรับการผสมเมธานอลลงในแก๊สโซฮอล์นั้น ยังคงมีข้อจำกัดอยู่ เนื่องจากต้นทุนการผลิตมีราคาสูงกว่า และการเป็นพิษของสารเมธานอล รวมถึงควันเสียที่ปลดปล่อยออกมาจะมีสารที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ คือ สาร Formaldehyde จึงทำให้ไม่เป็นที่นิยม

ในโลกนี้มีการส่งเสริมใช้กันในเดนมาร์ก (Denmark) ประเทศไทย โดยจะมีการใช้แทนที่ high octane pure gasoline หรือ เบนซิน 95 ในประเทศไทยในปี ค.ศ. 2007

ในประเทศสหรัฐอเมริกามีการใช้กันในทางตอนกลางของประเทศ เช่น รัฐมิเนโซต้า (Minnesota) โดยใช้ร่วมไปกับ E85

ข้อดีของแก๊สโซฮอล์ (Gasohol)

ข้อดีของการใช้เบนโซฮอล์และแก๊สโซฮอล์ มีดังนี้

1. ราคาถูกกว่าน้ำมันเบนซินชนิดพิเศษ ทั้งนี้ด้วยการสนับสนุนด้านภาษีของรัฐบาล และด้วยการมีพืชผลการเกษตรของไทยเองรองรับ เช่น อ้อย และมันสำปะหลัง
2. ค่าออกเทนเทียบเท่ากับน้ำมันเบนซินชนิดพิเศษ แต่สามารถใช้ทดแทนกันได้โดยไม่ต้องมีการปรับแต่งเครื่องยนต์ รถยนต์ส่วนใหญ่ เติมใช้ได้ทันที่
3. มีการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ทำให้ยืดอายุการใช้งานของน้ำมันเครื่อง
4. อัตราเร่งของเครื่องยนต์ดีขึ้น
5. ช่วยลดมลภาวะในอากาศ เช่น สารตะกั่ว และ คาร์บอนมอนอกไซด์
6. ใช้วัตถุดิบภายในประเทศสำหรับการผลิตแอลกอฮอล์ ซึ่งเป็นการช่วยเกษตรกรทางอ้อม เป็นการรักษาราคาสินค้าการเกษตร
7. ช่วยสมดุลการค้าระหว่างประเทศ ลดการนำเข้าเชื้อเพลิงประเทศน้ำมัน (Fuel, Gosoline)

การนำเทคโนโลยีแก๊สโซฮอล์มาใช้ในประเทศไทยเริ่มแรกเมื่อปี พ.ศ. 2528 ด้วยแนวพระราชดำริในพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ได้ทรงเริ่มจัดให้มีการผลิตแอลกอฮอล์ภายในสวนจิตรลดา จนเมื่อปี พ.ศ. 2539 การปิโตรเลียมแห่งประเทศไทย (ปตท.) ร่วมกับ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย (วท.) และโครงการส่วนพระองค์ ได้ร่วมกันปรับปรุงคุณภาพน้ำมันเชื้อเพลิง โดยการนำแอลกอฮอล์ที่โครงการส่วนพระองค์ผลิตได้นำมากลั่นซ้ำให้เป็นแอลกอฮอล์บริสุทธิ์ 99.5% แล้วนำมาผสมกับน้ำมันเบนซินชนิดธรรมดา ในอัตราส่วนแอลกอฮอล์ 1 ส่วน กับเบนซิน 9 ส่วน เป็นน้ำมัน "แก๊สโซฮอล์" และใช้ทดลองกับรถเครื่องยนต์เบนซินของโครงการส่วนพระองค์ ปัจจุบันรถเครื่องยนต์เบนซินของโครงการส่วนพระองค์ได้เติมแก๊สโซฮอล์เป็นน้ำมันเชื้อเพลิง และ ปตท. ได้เริ่มเปิดจำหน่ายอย่างเป็นทางการ เมื่อวันที่ 11 มกราคม 2544 จนถึงปัจจุบันมีสถานีบริการของ ปตท. ประมาณ 110 แห่งทั่วประเทศที่มีการจำหน่ายแก๊สโซฮอล์

ใช้น้ำมันเบนซินหรือดีเซลดี

ข้อมูล แปล และเรียบเรียง จาก http://www.p2pays.org/ref/07/06026.htm กรมเชื้อเพลิงธรรมชาติ (Department of Mineral Fuels)

น้ำมันดีเซล (diesel fuels) คือ น้ำมันเชื้อเพลิงที่ใช้เป็นพลังงานในเครื่องยนต์ชนิดต่างๆ เช่น รถยนต์โดยสาร รถบรรทุก เรือ เรือเดินสมุทร และรถไฟ ทั้งนี้ น้ำมันดีเซลนั้น มักจะใช้กับเครื่องยนต์ที่ต้องทำงานหนัก เป็นระยะเวลายาวนาน และต้องการกำลังที่สูงกว่าในเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซิน

น้ำมันดีเซลมีการระเหยต่ำ และเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมที่ได้จากส่วนล่างของหอกลั่นปิโตรเลียม การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเป็นการจุดระเบิดให้เกิดแรงอัดให้เป็นพลังงานในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ การแบ่งชั้นคุณภาพนั้น แบ่งออกตาม ค่าออกเทน (octane) ที่แบ่ง/เรียกตามหมายเลขค่าซีเทน (cetane number, cetane no.)

การแบ่งชั้นคุณภาพน้ำมันดีเซลทั่วไป เป็นไปตามลำดับ ดังนี้

1. Diesel No.1 มีการระเหยและจุดระเบิดปกติ (C8-C19) เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำมันดีเซลอื่นๆ มักใช้ในเครื่องยนต์ดีเซลความเร็วสูงโดยมีค่าความแตกต่างของความเร็ว และน้ำหนักบรรทุก ตัวอย่างในสหรัฐอเมริกา คือ สูตรมาตรฐานของ ดีทรอยต์ดีเซลซีรี่ 71 ของเครื่องยนต์ที่ใช้ในรถโดยสารประจำทางที่วิ่งในชุมชนเมือง (Detroit Diesel Series 71 engines)

2. Diesel No.2 มีการระเหยและจุดระเบิดต่ำกว่า No.1 และมีค่าองค์ประกอบปิโตรเลียมที่สูงกว่า (C9-C21) No.1 ใช้ในเครื่องยนต์ที่ต้องรับน้ำหนักบรรทุกสูง และมีความเร็วสม่ำเสมอคงที่ เช่นรถยนต์ทั่วไป และรถบรรทุก

3. Diesel No.4 มีความหนืดสูงที่สุด และมีการระเหยและจุดระเบิดต่ำที่สุด เป็นส่วนผสมของไอน้ำมันดีเซลหมุนช้ากับกากน้ำมันเตา (C25+) ใช้ในเครื่องยนต์ที่มีความเร็ว ต่ำ-ปานกลาง ที่มีน้ำหนักบรรทุกและความเร็วที่แน่นอนและคงที่ ส่วนใหญ่ใช้ใน การเดินเครื่องปั่นไฟขนาดใหญ่เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า รถไฟ เรือ และเรือเดินสมุทร

ดังนั้น สามารถแบ่งน้ำมันดีเซลออกเป็น 2 ชั้นคุณภาพ คือ น้ำมันดีเซลหมุนเร็ว (Light Diesel) คือ ชนิด Diesel No.1 และ No.2 และน้ำมันดีเซลหมุนช้า (Heavy Diesel) คือ ชนิด Diesel No.4

น้ำมันดีเซลหมุนเร็วใช้สำหรับเครื่องยนต์รอบสูง ที่มีค่าการจุดระเบิด (ignition) สูง ได้แก่ น้ำมันดีเซลที่เราสามารถขับรถยนต์เข้าไปเติมได้ตามปั๊มน้ำมันที่มีอยู่ทั่วไปนั่นเอง

น้ำมันดีเซลหมุนช้าใช้สำหรับเครื่องยนต์รอบต่ำ ที่ต้องการมีความเร็วคงที่เป็นระยะเวลานาน เช่น เครื่องยนต์ของเรือเดินสมุทรขนาดใหญ่ที่ต้องเดินเครื่องตลอดเวลาเป็นระยะเวลานานแรมเดือน จุดด้อยของการใช้น้ำมันดีเซลหมุนช้า คือ จุดระเบิดยากเพราะมีความหนืดสูงทำให้เครื่องยนต์ติดยาก ในการเริ่มต้นเดินเครื่องนั้น ต้องใช้น้ำมันดีเซลหมุนเร็วเป็นตัวนำร่อง ก่อนการใช้น้ำมันดีเซลหมุนช้าเดินเครื่องยนต์ในระยะเวลาต่อไป

ตัวอย่างคุณสมบัติของน้ำมันดีเซล คือ

1. น้ำมันดีเซลหมุนเร็ว (C12.3 H22.2) น้ำหนักโมเลกุล 170 ค่าความร้อน 42500 kj/kg. มี cetane no. 40-55

2. น้ำมันดีเซลหมุนช้า (C14.6H 24.8) น้ำหนักโมเลกุล 200 ค่าความร้อน 41400 kj/kg. มี cetane no. 35-50

นโยบายของรัฐบาลในต่างประเทศ

ในประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา มองการใช้น้ำมันดีเซลว่าเป็นน้ำมันสกปรก จึงไม่มีการนำมาใช้กับรถยนต์ขนาดเล็ก คงมีใช้กันในรถบรรทุกและรถไฟ หรือการเดินเรือ แต่ในยุโรปได้เห็นศักยภาพของการใช้น้ำมันดีเซลว่า สามารถมีการใช้น้ำมันจากพืชมาทดแทนได้ในปริมาณมาก หรือได้ทั้งหมด ในขณะที่น้ำมันเบนซิน หรือที่เรียกว่า Gasoline นั้นสามารถนำพลังงานจากพืช มาทำเป็นแอลกอฮอล์และใช้เติมไปได้อย่างจำกัดคือ ประมาณร้อยละ 15-25

ประเทศในยุโรปจึงได้พัฒนาเครื่องยนต์ดีเซลให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น เขาเรียกว่า Euro Diesel ประหยัดพลังงานได้มากขึ้น และเผาผลาญได้ดีหมดจดมากขึ้น และนอกจากนี้คือออกแบบเครื่องยนต์ดีเซลให้สามารถลดอาการสั้นเนื่องด้วยการใช้เครื่องในรอบระดับต่ำ

น้ำมันดีเซลผลิตจากพืชได้

น้ำมันดีเซลผลิตจากพืชหรือจากธรรมชาติได้ และมีแนวทางในการพัฒนาระบบผลิตที่มีความเป็นไปได้สูง ลองดูข้อมูลต่อไปนี้

Feedstock US Gallons/acre Litres/hectare
Soybean 40 375
Rapeseed 110 1,000
Mustard 140 1,300
Jatropha 175 1,590
Palm oil 650 5,800
Algae 10,000 95,000

- 1 US gallon = 3.78 ลิตร
- 1 Hectare = พื้นที่ขนาด 10,000 ตารางเมตร เทียบเท่ากับ 2.471 เอเคอร์ (acres) หรือเท่ากับ 6.25 ไร่

การผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงที่จะใช้กับยานพาหนะ น่าจะอยู่ที่น้ำมันดีเซลในรูป Biodiesel มากกว่าจะเป็น Alcohol ที่จะไปประสมกับน้ำมันเบนซิน ที่ใช้ได้อย่างเพียงจำกัด

น้ำมันปาล์ม (Palm Oil) เป็นน้ำมันพืชเศรษฐกิจ ที่ใช้ทำเป็นอาหาร และสามารถนำไปทำเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะ และเครื่องยนต์ขนาดเล็กใช้เพื่อการเกษตรได้ มีปลูกก้นมากในประเทศมาเลเซีย และมีศักยภาพที่จะปลูกได้ในหลายพื้นที่ในประเทศไทย

การปลูกสาหร่าย (Algae) สามารถปลูกได้ในพื้นที่ทะเลส่วนตื้นที่สามารถปลูกและเกีบเกี่ยวได้สะดวก หรือใช้เป็นแหล่งปลูกเพื่อกำจัดน้ำเสียในเมือง หรือฟาร์มเลี้ยงสัตว์ มีงานวิจัยหลายแหล่งที่มองเห็นศักยภาพในการพัฒนาเป็นแหล่งสร้างพลังงานน้ำมัน Biodiesel สูงมาก