เทคโนโลยีพลังงานจากมหาสมุทร

(Ocean Energy Technology)

เทคโนโลยีที่นำพลังงานจากมหาสมุทรมาใช้ประโชน์เพื่อผลิตพลังงาน มี 5 ประเภทได้แก่

• พลังงานน้ำขึ้น-น้ำลงจากพลังงานศักย์
• พลังงานกระแสน้ำจากน้ำขึ้น-น้ำลง
• พลังงานคลื่น
• พลังงานจากความแตกต่างของอุณหภูมิ
• พลังงานจากความแตกต่างของความเค็ม

รายละเอียดของการใช้ประโยชน์ในการผลิตพลังงานจากมหาสมุทรดังนี้

1. พลังงานนํ้าขึ้น-นํ้าลงจากพลังงานศักย์ (Tidal head energy)

พลังงานศักย์ที่เกิดจากความแตกต่างหรือพิสัยของระดับนํ้าขึ้นและระดับนํ้าลง จากการทำทำนบซึ่งเป็นเขื่อนที่กั้นบริเวณปากทางนํ้าที่เป็นช่องแคบ เช่น ปากแม่นํ้าช่องนํ้า (estuary) เพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานศักย์ที่เกิดจากความแตกต่าง หรือพิสัยของระดับนํ้าขึ้นและระดับนํ้าลง เช่น ทำนบ La Rance Barrage ในประเทศฝรั่งเศส มีขนาด 240 เมกะวัตต์ เริ่มผลิตไฟฟ้าตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1966 ทำนบ Sihwa Barrage ในประเทศเกาหลีใต้ ขนาด 254 เมกะวัตต์ เริ่มผลิตไฟฟ้า ปี ค.ศ. 2011 เมื่อนํ้าขึ้น นํ้าจะถูกเก็บไว้เหนือเขื่อนและเมื่อนํ้าลง นํ้าถูกปล่อยให้ไหลผ่านกังหันนํ้าผลิตไฟฟ้า แต่ในธรรมชาติบริเวณชายฝั่งที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ในราคาที่มีความคุ้มค่าทั้งด้านเศรษฐศาสตร์และสิ่งแวดล้อมมีไม่มากนัก อย่างน้อยพิสัยของระดับนํ้าขึ้นและระดับนํ้าลงไม่ควรน้อยกว่า 4.5 เมตร เช่น โรงไฟฟ้า The Annapolis Tidal Power Plant เป็นโรงไฟฟ้าโรงแรกที่ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนํ้าขึ้น-นํ้าลง ที่ตั้งของโรงไฟฟ้าอยู่ที่ Cobequid Bay ซึ่งเป็นเวิ้งอ่าวส่วนหนึ่งของ Fundy Bay บริเวณ Minas Basin รัฐ Nova Scotia ประเทศแคนาดา ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานนํ้าขึ้น-นํ้าลง วันละ 5 ชั่วโมง 2 ครั้ง ตามรอบนํ้าขึ้น-นํ้าลงสามารถ

ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 5,300 เมกะวัตต์ และใช้เงินลงทุนประมาณ 7 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ระบบออกแบบสำหรับความต่างระดับนํ้าไม่สูงนัก ประมาณ 6.4 เมตร มีกังหันนํ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 7.6 เมตร ผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 50 ล้านกิโลวัตต์-ชั่วโมง

2. พลังงานจากกระแสนํ้าจากนํ้าขึ้น-นํ้าลงในมหาสมุทร (Tidal current energy)

พลังงานที่อาศัยหลักการพื้นฐานของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ เช่นเดียวกับเขื่อนพลังนํ้า แต่ใช้ความแตกต่างของระดับหรือพิสัยนํ้าขึ้น-นํ้าลงในแต่ละวัน โดยสร้างเขื่อนที่ปากแม่นํ้าหรือปากอ่าวที่มีพื้นที่เก็บนํ้าได้มาก และมีความแตกต่างของระดับของนํ้าขึ้น-นํ้าลง เมื่อนํ้าขึ้น นํ้าจะไหลเข้าสู่อ่างเก็บนํ้า และเมื่อนํ้าลง นํ้าจะไหลออกจากอ่างเก็บนํ้า การไหลเข้าและออกจากอ่างเก็บนํ้าสามารถนำไปหมุนกังหันนํ้าฉุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เทคโนโลยียังอยู่ในขั้นสาธิต ในประเทศนอร์เวย์ ติดตั้งกังหันนํ้าต้นแบบขนาด 300 กิโลวัตต์ เพื่อผลิตไฟฟ้าจากกระแสนํ้าขึ้น-นํ้าลง เมื่อปี ค.ศ. 2003 นอกจากนี้ยังมีบริษัทในอีกหลายประเทศ

ที่มีการสาธิตเทคโนโลยีนี้ เช่น สหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ กังหันแกนหมุนขนานกับพื้นราบ กังหันแกนหมุนตั้งฉากกับพื้นราบ เครื่องมือวัดอัตราการไหลและใบพัดรูปหน้าตัดทรงแอโรฟอยล์ (ดู oscillating hydrofoil) การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยพลังงานนํ้าขึ้น-นํ้าลง ควรมีพิสัย นํ้าขึ้น-นํ้าลงมากกว่า 5 เมตร จึงจะคุ้มค่ากับการลงทุน ประเทศไทยมีศักยภาพทางด้านนี้ตํ่ามาก พิสัยนํ้าขึ้น-นํ้าลงสูงสุดอยู่ที่ปากนํ้าระนองเพียง 2.5 เมตรเท่านั้น

การทำงานของพลังงานกระแสน้ำจากน้ำขึ้น - น้ำลงในมหาสมุทร

โดยส่วนประกอบสำคัญคือ กังหัน ซึ่งมีอยู่ 2 รูปแบบดังนี้

2.1 กังหันแกนหมุนขนานกับพื้นราบ (Horizontal turbine)

กังหันที่มีแกนหมุนขนานกับพื้นราบ หรือขนานกับทิศทางการเคลื่อนที่ของแรง โดยมีใบพัดยึดติดตั้งฉากกับแกนหมุนทำหน้าที่รับแรงที่เคลื่อนตัวมากระทบทำให้แกนของใบพัดหมุน

2.2 กังหันแกนหมุนตั้งฉากกับพื้นราบ (Vertical turbine)

กังหันที่มีแกนหมุนตั้งฉากกับพื้นราบ หรือตั้งฉากรับทิศทางการเคลื่อนที่ของแรง โดยมีใบพัดยึดติดขนานกับแกนหมุนทำหน้าที่รับแรงที่เคลื่อนมากระทบทำให้ใบพัดหมุน เพื่อหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ในส่วนของใบพัดที่ใช้ในกระแสนํ้าขึ้น-นํ้าลง มีลักษณะเป็นปีกรูปหน้าตัดทรงแอโรฟอยล์เหมือนเครื่องบินเราเรียกว่า “ใบพัดรูปหน้าตัดทรงแอโรฟอยล์ (Oscillating hydrofoil)”  มีลักษณะหนาด้านหน้าโค้งตอนบน ค่อนข้างแบนด้านใต้ และเรียวแหลมที่ด้านหลังขณะที่ใบพัดหมุนก็จะขับเคลื่อนเพลาของใบพัดที่ต่อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานไฟฟ้า

ลักษณะการทำงานของไฮโดรฟอยล์

3. พลังงานคลื่น (Wave energy)

พลังงานคลื่นคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของคลื่นในทะเลและมหาสมุทร โดยปกติเกิดจากลม แต่บางกรณีเกิดจากการเคลื่อนไหวของ เปลือกโลก เช่น แผ่นดินไหว และอื่น ๆ มีความพยายามนําพลังงานคลื่นมาใช่ รูปแบบของเทคโนโลยีที่ใช่พลังงานจากคลื่น เช่น สถานีไฟฟ้าพลังงานคลื่นของไกเซอร์ ทางตอนเหนือของรัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งมีลักษณะเป็น สถานีสร้างยึดกับพื้นทะเลบริเวณนํ้าตื้น และใช้พลังงานจากคลื่นไปสร้างพลังงานไฮดรอลิกส์ เพื่อนําไปหมุนใบพัด เครื่องกําเนิดไฟฟ้า พบแหล่งพลังงานคลื่นสูงที่ตําแหน่งละติจูดสูง (ห่างจากเส้นศูนย์สูตร) และมีความเข้มของ กําลังของยอดคลื่นที่ระดับน้ำทะเลลึก 60-70 กิโลวัตต์/เมตร และลดลงถึง 20 กิโลวัตต์/เมตร เมื่อคลื่นใกล้ เทคโนโลยี ที่เกี่ยวข้อง ได้ แก่  สเตเตอร์(stator) และโรเตอร์ ( rotor)

ตําแหน่งของโรเตอร์และสเตเตอร์

เทคโนโลยีผลิตไฟฟ้าจากพลังงานคลื่น ในปัจจุบันจําแนกได้เป็น

1) แบบคอลัมน์นํ้าสั่น  oscillating water column (OWC) เมื่อคลื่นเคลื่อนที่เข้าไปในเครื่องเปลี่ยนพลังงานคลื่นแบบคอลัมน์นํ้าสั่น ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตามแนวตั้ง ทำให้เกิดแรงอัดอากาศในแนวตั้ง ซึ่งแรงอัดนั้นจะไปหมุนกังหันอากาศทำให้เกิดไฟฟ้าขึ้น เมื่อคลื่นลดระดับลงอากาศจะถูกดันให้ไหลกลับ กังหันจะหมุนอีกรอบ เพื่อลดแรงอัดในเครื่องเปลี่ยนพลังงานคลื่นแบบคอลัมน์นํ้าสั่นนี้ หากทะเลบริเวณใดมีคลื่นสูง แรงและบ่อย ก็จะทำให้ผลิตพลังงานได้มากซึ่งอุปกรณ์นี้มักจะติดตั้งบริเวณแหลมที่ยื่นออกไปในทะเล และมีชายฝั่งเป็นแนวตั้ง

แบบคอลัมน์นํ้าสั่น

2) แบบศูนย์รวมนํ้า focusing device, wave surge เครื่องเปลี่ยนพลังงานคลื่นแบบศูนย์รวมนํ้า มีลักษณะการ ทํางานคล้ายกับเขื่อนเก็บนํ้า เพื่อผลิตไฟฟ้า พลังงานคลื่นทำให้แรงดันเกิดขึ้นเพื่อผลักดันน้ำไปเก็บไว้ในอ้างเก็บน้ำ แล้วปล่อยน้ำกลับมาโดยไหลผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น โดยจะติดตั้งบริเวณหน้าผาบริเวณช่องแคบ ซึ่งจะเป็นสาเหตุให้ยอดคลื่นสูงมากขึ้น

แบบศูนย์รวมนํ้า

4. พลังงานจากความแตกต่างของอุณหภูมิ (Temperature gradient energy)

พลังงานจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิของนํ้าที่ผิวทะเลกับอุณหภูมิของนํ้าที่ระดับลึกลงไป ใช้เทคโนโลยีพลังงานจากอุณหภูมิของนํ้าในมหาสมุทรอุณหภูมิแตกต่างระหว่างผิวนํ้าที่อุ่นกว่าและนํ้าเย็นที่ระดับลึกลงไปประมาณ 20 องศาเซลเซียส สามารถสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าได้ประมาณ 10 วัตต์ ระบบการผลิตพลังงานจากอุณหภูมิของมหาสมุทรมี 3 แบบ คือ

1) แบบวงจรปิด (close-cycle system) มีหลักการทำงานตามวัฏจักรแรงคินโดยแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างนํ้าอุ่นที่ผิวกับของเหลวทำงาน เช่นแอมโมเนีย ซึ่งเดือดที่อุณหภูมิประมาณ 20 องศาเซลเซียสที่ความดันบรรยากาศจนกลายเป็นไอ นำไอที่ขยายตัวไปขับกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า นํ้าทะเลที่เย็นจะไหลผ่านเข้าไปในเครื่องควบแน่น ซึ่งทำหน้าที่ควบแน่นไอของของเหลวทำงานให้เป็นของเหลวอีกครั้ง และวนการทำงานทั้งหมดเป็นวงจรปิด

ระบบการผลิตพลังงานแบบวงจรปิด

2) แบบวงจรเปิด (open-cycle system) มีหลักการทำงานโดยการนำนํ้าทะเลอุ่นที่ผิวมาทำให้กลายเป็นไอในสภาพเกือบเป็นสุญญากาศที่อุณหภูมิผิวนํ้า นำไอนํ้าที่ขยายตัวไปขับกังหันความดันตํ่าที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอนํ้าที่ไม่มีเกลือและเกือบบริสุทธิ์จะกลั่นตัวเป็นของเหลวอีกครั้งโดยแลกเปลี่ยนความร้อนกับนํ้าทะเลลึกที่เย็นกว่า ถ้าการกลั่นตัวไม่ได้เกิดจากการสัมผัสกันโดยตรงระหว่างไอนํ้ากับนํ้าทะเล สามารถนำนํ้ากลั่นตัวไปใช้บริโภคหรือใช้ในการชลประทานได้

ระบบการผลิตพลังงานแบบวงจรเปิด

3) แบบลูกผสม (hybrid system) เป็นระบบที่ผสมระหว่างระบบวงจรปิดและระบบวงจรเปิด เพื่อให้ควบคุมการผลิตไฟฟ้าและนํ้าบริสุทธิ์ในปริมาณที่เหมาะสมได้

ระบบการผลิตพลังงานแบบลูกผสม

5. พลังงานจากความแตกต่างของความเค็ม (Salinity gradient energy)

พลังงานที่ได้จากความแตกต่างของความเค็มระหว่างนํ้าจืดและนํ้าเค็ม โดยใช้เทคโนโลยีกระบวนการออสโมซิสผันกลับและเปลี่ยนเป็นพลังงาน หลักการ คือ เมื่อนํ้าจืดกับนํ้าทะเลที่มีความเค็มสูงมาอยู่ในถังเดียวกัน แต่ถูกกั้นแบ่งจากกันด้วยเยื่อบางๆ ที่โมเลกุลของนํ้าซึมผ่านไปได้ แต่โมเลกุลของเกลือผ่านไม่ได้เมื่อทั้งสองฝั่งมีความเข้มข้นของเกลือไม่เท่ากัน ของเหลวจากฝั่งเข้มข้นน้อยกว่าก็จะซึมผ่านไปยังฝั่งเข้มข้นกว่าตามหลักการออสโมซิส การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของนํ้าจากฝั่งนํ้าจืดก่อให้เกิดพลังงานที่มีโมเมนตัม สามารถหมุนใบพัดให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ เกิดที่บริเวณปากแม่นํ้าซึ่งนํ้าจืดจากแม่นํ้าผสมกับนํ้าเค็มจากทะเล ปัจจุบันการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยียังอยู่ในขั้นต้นแบบ เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ เยื่อกึ่งซึมผ่านมีการทดลองในประเทศญี่ปุ่นเป็นเพียงโรงงานที่มีขนาดการผลิตเล็ก คาดว่าก่อนปี ค.ศ. 2015 จะสามารถผลิตโรงไฟฟ้าจากความแตกต่างของความเค็มขนาดการผลิต 2,000 กิโลวัตต์ได้สำเร็จ

การผลิตไฟฟ้าด้วยกระบวนการออสโมซิสผันกลับ

กระบวนการในการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความแตกต่างของความเค็มมีส่วนประกอบที่สำคัญดังนี้

1) เยื่อกึ่งซึมผ่าน(Semi permeable membrane) เยื่อกึ่งซึมผ่านเป็นเยื่อที่ยอมให้โมเลกุลหรือไอออนของสารบางชนิดผ่านได้โดยการแพร่ แต่ไม่ยอมให้สารชนิดอื่นผ่าน อัตราการแพร่ผ่านเยื่อ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้นของโมเลกุลของตัวถูกละลายทั้งที่ด้านหน้าและด้านหลังของเยื่อ

2) กระบวนการออสโมซิสผันกลับ (Pressure-retarded reverse osmosis) กระบวนการออสโมซิสผันกลับเป็นกระบวนการกรองด้วยเยื่อ แบบหนึ่ง ใช้ความดันสูงกว่าความดันออสโมติกทำให้โมเลกุลของนํ้าเคลื่อนที่จากสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ ไปยังสารละลายที่เจือจางกว่า ออสโมซิสแบบผันกลับ ใช้เพื่อแยกไอออน ตัวถูกละลาย สารประกอบ การกรองนํ้าทะเลเป็นนํ้าจืด

3) การกรองด้วยเยื่อ (Membrane filtration) การกรองโดยใช้เยื่อบาง เพื่อแยกของเหลวที่มีส่วนประกอบหลายชนิดออกจากกัน ทิศทางการกรองเป็นแบบขวางโดยใช้แรงดันให้ของเหลวที่ป้อนเข้าเคลื่อนที่ขนานกับผิวของเยื่อ ซึ่งจะไหลออกในทิศตั้งฉากกับเยื่อส่วนที่ไม่ถูกกรองผ่านเยื่อ

4) การกรองแบบไหลขวาง (Cross flow filtration) การกรองที่มีการป้อนสารละลายขนานกับเยื่อบาง หรือตั้งฉากกับทิศทางการไหลโดยจะมีแรงกระทำต่ออนุภาคในทิศทางต่างๆ ส่งผลให้เกิดแรงเฉือนระหว่างอนุภาคกับเยื่อบางสามารถลดการสะสมของอนุภาคที่ผิวหน้าเยื่อบางได้ซึ่งเหมาะกับสารละลายที่มีความเข้มข้นสูง

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานมหาสมุทร. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 271, 274-278). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.

เทคโนโลยีพลังงานจากมหาสมุทร

(Ocean Energy Technology)