‘จีน’ คิดค้น ‘แบตเตอรี่ถ่านหิน’ ใช้ได้โดยไม่ต้องเผาไหม้ พลิกโฉมพลังงานฟอสซิล

ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเซินเจิ้น (SZU) ภายใต้การนำของ เซี่ย เหอผิง สมาชิกสภาวิศวกรรมแห่งชาติจีน คิดค้น “แบตเตอรี่ถ่านหิน” โดยไม่ปล่อยคาร์บอนออกมาเลย อาจเป็นนวัตกรรมที่เปลี่ยนโฉมหน้าการผลิตพลังงานจากฟอสซิลในอนาคต

เทคโนโลยีนี้มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า “Zero-Carbon-Emission Direct Coal Fuel Cell” (ZC-DCFC) ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากการเผาไหม้ถ่านหินแบบเดิม โดยเน้นการเปลี่ยนพลังงานเคมีในถ่านหินให้เป็นไฟฟ้าโดยตรง ด้วยการใช้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เชื้อเพลิงที่ปิดสนิทแทน

นักวิจัยนำถ่านหินดิบไปบดให้เป็นผงละเอียดที่มีขนาดเล็กกว่า 10 ไมครอน จากนั้นนำไปอบแห้งและผ่านการเตรียมพื้นผิวเป็นพิเศษ ก่อนจะส่งเข้าสู่ห้องขั้วแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิง

เมื่อถ่านหินผงอยู่ในส่วนแอโนด ออกซิเจนจะถูกส่งเข้าไปยังส่วนแคโทด เพื่อทำปฏิกิริยากับถ่านหินผ่านเมมเบรนออกไซด์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากคาร์บอนในถ่านหินโดยตรง

อิเล็กตรอนที่ถูกดึงออกมา จะเดินทางผ่านสายไฟภายนอกกลายเป็นกระแสไฟฟ้าที่นำไปใช้งานได้ ซึ่งกระบวนการนี้จะไม่มีเปลวไฟเกิดขึ้นและทำงานได้อย่างเงียบเชียบ แตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปหรือกังหันทั่วไปอย่างสิ้นเชิง

เมื่อ ZC-DCFC ไม่ต้องผ่านกระบวนการเผาไหม้ หรือใช้เครื่องยนต์ความร้อนช่วย ทำให้สามารถก้าวข้ามขีดจำกัดของวัฏจักรคาร์โนต์ (Carnot cycle) จนมีประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงกว่าโรงไฟฟ้าถ่านหินแบบเดิม ที่ถูกจำกัดประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 40%

นวัตกรรมนี้ สามารถในการกักเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาไว้ภายในระบบเซลล์เชื้อเพลิงเอง โดยไม่ต้องปล่อยออกสู่บรรยากาศเหมือนปล่องควันโรงไฟฟ้าทั่วไป ซึ่งถือว่าเป็นการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ และไม่สร้างรอยเท้าคาร์บอนขนาดใหญ่

ขณะเดียวกัน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกกักเก็บไว้ในรูปแบบที่มีความบริสุทธิ์สูง จะถูกนำไปแปรรูปเป็นวัตถุดิบสารเคมีที่มีมูลค่า เช่น ก๊าซสังเคราะห์ หรือทำให้กลายเป็นแร่ธาตุที่เสถียรอย่างโซเดียมไบคาร์บอเนต นับเป็นการเปลี่ยนของเสียให้เป็นทรัพยากรที่มีค่า

นอกจากนี้ เทคโนโลยี ZC-DCFC นี้สามารถนำไปใช้งานกับแหล่งถ่านหินใต้ดินที่อยู่ลึกถึง 2 กิโลเมตร ซึ่งลึกเกินกว่าที่เหมืองแบบดั้งเดิมจะทำได้และมีค่าใช้จ่ายสูงมาก โดยจะนำเซลล์เชื้อเพลิงไปติดตั้งไว้ในเหมืองใต้ดินลึก เพื่อเปลี่ยนถ่านหินให้เป็นไฟฟ้า แล้วจึงส่งเพียงกระแสไฟฟ้าขึ้นมาบนพื้นผิว โดยไม่จำเป็นต้องขุดและขนส่งถ่านหินปริมาณมหาศาลขึ้นมาบนดิ

นวัตกรรมนี้ เป็นส่วนหนึ่งของโครงการสำคัญระดับชาติของจีนในด้านการสำรวจทรัพยากรแร่ธาตุและโลกใต้ดินลึก ซึ่งเริ่มดำเนินการในปี 2025 เพื่อมุ่งเน้นการปรับปรุง ZC-DCFC ให้ทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงใต้ดิน สอดคล้องกับเป้าหมายระยะยาวของประเทศจีนในการบรรลุความเป็นกลางทางคาร์บอนภายในปี 2060 แม้ว่าการเปลี่ยนผ่านจากโรงไฟฟ้าแบบเดิมไปสู่เทคโนโลยีใหม่นี้จะยังต้องใช้เวลาอีกนาน

ผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการจะน่าประทับใจ แต่ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องหาวัสดุที่มีความทนทานสูงมาใช้ทำเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีในเซลล์จะทำงานได้อย่างรวดเร็ว ก็ต่อเมื่ออยู่ในอุณหภูมิที่สูงมากระหว่าง 593-899 องศาเซลเซียส อีกทั้งจะต้องเผชิญกับปัญหาเรื่องการกัดกร่อน การปิดผนึกที่ต้องแน่นหนา และความเครียดจากความร้อนที่อาจทำให้ระบบเสียหายได้หากใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลานาน

ในด้านประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพเฉพาะในระดับเซลล์อาจสูงถึง 80% แต่เมื่อพิจารณาภาพรวมทั้งระบบที่ต้องมีทั้งเครื่องปั๊ม เครื่องทำความร้อน และระบบทำความสะอาดถ่านหิน ประสิทธิภาพจะลดลงเหลือประมาณ 55-60% เท่านั้น

ขณะเดียวกัน การเพิ่มขนาดจากเซลล์ขนาดเล็กในห้องทดลองไปสู่การใช้งานในระดับอุตสาหกรรม จะต้องออกแบบระบบการป้อนถ่านหินและการกำจัดขี้เถ้าอย่างสม่ำเสมอ โดยไม่ให้เกิดการอุดตัน นอกจากนี้ วัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าต้องมีความทนทานต่อสารเจือปนในถ่านหิน เช่น กำมะถัน คลอรีน และโลหะแอลคาไล ซึ่งอาจทำลายพื้นผิวการทำงานของเซลล์และลดอายุการใช้งานของระบบลงอย่างรวดเร็ว

ที่มา: Earth, Independent, South China Morning Post