น้ำมัน (Gasoline) - แหล่งพลังงานของมนุษยชาติ

 



ก่อนอื่นขอทำความเข้าใจเกี่ยวกับน้ำมันก่อนว่า "น้ำมันเบนซิน" ที่คนไทยเราเรียกกันนั้น ในภาษาอังกฤษ(อเมริกัน)ใช้คำว่า Gasoline หรือ Gasolene ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับ ก๊าซ หรือ แก็ส อะไรทั้งนั้น แต่สำหรับคำว่า "เบนซิน" ที่คนไทยเรียกกันนั้น แท้จริงแล้วคือส่วนผสมปริมาณเล็กน้อยเท่านั้นที่ผสมอยู่ในน้ำมัน ซึ่งมีผลกับค่าออกเทน (โดยจะกล่าวในรายละเอียดต่อไป) ในบทความนี้จะขอใช้คำว่า "น้ำมันเบนซิน" ในความหมายของน้ำมันแก็สโซลีน (Gasoline) เพื่อเข้ากับความคุ้นเคยของคนไทย

ในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศอุตสาหกรรมทั่วโลก น้ำมันถือว่าเป็นของเหลวที่มีค่ามาก มันมีค่าในทางเศรษฐกิจพอๆ กับเลือดในร่างกายของคนเรา หากปราศจากน้ำมันเบนซิน (รวมทั้งน้ำมันดีเซลด้วย) โลกทั้งโลกอาจจะหยุดหมุนได้ (ในความหมายของการดำเนินชีวิตประจำวัน) ประเทศสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียวมีการบริโภคน้ำมันเบนซินถึง 130,000 ล้านแกลลอน (ประมาณ 500,000 ล้านลิตร) ในแต่ละปี

แล้วในน้ำมันเบนซินมันมันมีอะไรหล่ะถึงได้มีความสำคัญมากนัก? ในบทความนี้จะทำให้คุณได้เข้าใจว่าน้ำมันเบนซินคืออะไร และมาจากไหน

น้ำมันเบนซินคืออะไร?
น้ำมันเบนซินเป็นที่รู้จักกันในชื่อ Aliphatic Hydrocarbon หรือก็คือโมเลกุลที่ประกอบไปด้วยไฮโดรเจน (Hydrogen) และ คาร์บอน (Carbon) ที่ต่อกันเป็นสายโซ่ โมเลกุลของน้ำมันเบนซินจะมีคาร์บอน 11 ตัวในแต่ละสายโซ่ นี่คือตัวอย่างของโมเลกุล Hydrocarbon (ประกอบไปด้วยไฮโดรเจนและคาร์บอน) ที่ต่อกันเป็นสายโซ่


ชนิดของโมเลกุลต่างๆ ที่พบในน้ำมันเบนซิน

เมื่อคุณทำการเผาไหม้น้ำมันเบนซินภายใต้สภาวะอุดมคติ คือมีปริมาณออกซิเจน (Oxygen) มากเพียงพอ จะได้ก็าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) (ซึ่งก็มาจากคาร์บอนอะตอมในน้ำมันเบนซิน) และได้น้ำ (จากไฮโดรเจนอะตอม) และพลังงานความร้อนปริมาณมาก ประมาณว่าน้ำมันเบนซิน 1 แกลลอนจะให้พลังงานได้ 132x106 จูล ซึ่งเท่ากับ 125,00 BTU หรือ 36,650 วัตต์-ชั่วโมง

หายังนึกปริมาณของพลังงานดังกล่าวไม่ออก เราพอจะประมาณได้ว่า
- ทำการเปิดใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทที่ให้ความร้อนอย่าง ฮีตเตอร์ ขนาด 1,500 วัตต์ตลอดเวลา เป็นเวลา 24 ชม. นั่นคือปริมาณความร้อนที่จะได้จากการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน
- ถ้าสมมติว่าคนเราสามารถย่อยน้ำมันเบนซินได้ น้ำมันเบนซินจะมีพลังงานสูงถึง 31,000 แคลอรี หรือเท่ากับการกินแฮมเบอร์เกอร์ของ McDonalds ประมาณ 110 ชิ้น!

น้ำมันเบนซินมาจากไหน?
น้ำมันเบนซิน ผลิตมาจากน้ำมันดิบ (crude oil) น้ำมันดิบนี้จะถูกดูดขึ้นมาจากพื้นโลก มีลักษณะเป็นของเหลวสีดำ เรียกว่า ปิโตเลียม (Petroleum) ของเหลวชนิดนี้ประกอบไปด้วยไฮโดรคาร์บอน (Hydrocarbon) และคาร์บอนอะตอมในน้ำมันดิบจะเชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีความยาวแตกต่างกัน

โมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนที่มีความยาวแตกต่างกันนั้น จะมีคุณสมบัติและพฤติกรรมที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น สายโซ่ที่มีคาร์บอนเพียง 1 อะตอม (CH4) จะเป็นโซ่ที่เบาที่สุด ซึ่งก็คือ มีเทน (Methane) มีเทนเป็นก๊าซที่มีน้ำหนักเบามาก สามารถลอยได้พอๆ กับ ฮีเลียม (Helium) และเมื่อสายโซ่มีความยาวมากขึ้น มันก็จะมีน้ำหนักมากขึ้นด้วย

สายโซ่ 4 สายแรกคือ CH4 (Methane), C2H6 (Ethane), C3H8 (Propane) และ C4H10 (Butane) ทั้งหมดนี้จะอยู่ในรูปของก๊าซ และมีจุดเดือดอยู่ที่ -161, -88, -46 และ -1 องศาฟาเรนไฮด์ตามลำดับ (หรือ -107, -67, -43 และ -18 องศาเซลเซียส) สายโซ่ที่มีความยาวมากขึ้นถึง C18H32 จะมีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง และสายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอมมากกว่า 19 ตัวขึ้นไปจะมีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง

ด้วยความแตกต่างของความยาวของสายโซ่นี้จะมีผลต่อจุดเดือดของมันด้วย โดยสายโซ่ที่มีความยาวมาก ก็จะมีจุดเดือดที่สูงขึ้นด้วย ดังนั้นเราสามารถแยกสายโซ่แต่ละความยาวออกจากกันได้โดยการ "กลั่น" โดยการกลั่นในลักษณะนี้อยู่ในรูปของ "การกลั่นน้ำมัน" (Oil Refinery) โดยน้ำมันดิบจะได้รับความร้อนและสายโซ่ที่มีความยาวแตกต่างกันจะถูกดึงออกมาตามลำดับของช่วงอุณหภูมิในการกลายเป็นไอของมัน

สายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอม 5, 6 และ 7 จะมีน้ำหนักเบาและสามารถกลายเป็นไอได้ง่าย ของเหลวเหล่านี้เรียกว่า Naphthas ซึ่งใช้เป็นตัวทำละลายในน้ำยาซักแห้ง, ตัวทำละลายในสีทำให้แห้งเร็ว และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ต้องการการระเหยที่เร็ว

สายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอม 7 ตัว (C7H16) ถึง 11 ตัว (C11H24) จะถูกนำมาผสมกันและใช้เป็นน้ำมันเบนซิน (Gasoline) ซึ่งจะมีการระเหยกลายเป็นไอที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของน้ำ นั่นคือเหตุผลว่าถ้าคุณทำน้ำมันเบนซินหกบนพิ้น ทำไมมันถึงระเหยไปได้เร็วนัก

ถัดมาคือ คีโรซีน (Kerosene) อยู่ในช่วงที่มีคาร์บอนอะตอม 12 ถึง 15 ตัว จะนำไปใช้ทำน้ำมันดีเซล (Diesel fuel) และน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับงานหนัก

สำหรับน้ำมันหล่อลื่น น้ำมันพวกนี้จะมีการกลายเป็นไอที่ต่ำกว่าในสภาพอุณหภูมิปกติ ยกตัวอย่างเช่น น้ำมันเครื่องยังคงสามารถทำงานได้ดีตลอดทั้งวันภายใต้อุณหภูมิ 250 องศาฟาเรนไฮด์ (หรือ 121 องศาเซลเซียส) โดยไม่เกิดการระเหยกลายเป็นไอ

น้ำมันมีตั้งแต่น้ำมันที่เบาบางมากๆ ไปจนถึงน้ำมันเครื่องที่มีความหนา และหนามากๆ ในน้ำมันเกียร์ ไปจนถึงกึ่งของแข็งอย่างพวกที่มีลักษณะเป็นไข, วาสซาลีน (Vasoline) ้เป็นต้น

ในสายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอมมากกว่า 20 ตัวจะอยู่ในรูปของแข็งอย่างเช่น ไขขี้ผึ้ง ยางมะตอยซึ่งนิยมนำมาทำเป็นผิวถนน

ทั้งหมดนี้คือความแตกต่างของสารประกอบต่างๆ ที่ได้จากน้ำมันดิบ ซึ่งแตกต่างกันเพียงของความยาวสายโซ่คาร์บอนเท่านั้น!

ออกเทน (Octane) คืออะไร?
หากคุณพอจะทราบเกี่ยวกับเครื่องยนต์ของรถยนต์อยู่บ้าง คุณจะรู้ว่ารถยนต์ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องยนต์เบนซินแบบ 4 จังหวะ โดยในจังหวะหนึ่งที่มีการอัด (compression stroke) ภายในกระบอกสูบจะเต็มไปด้วยอากาศและก๊าซซึ่งถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กๆ ก่อนการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน ปริมาณของการอัดตัวนี้เรียกว่า อัตราส่วนการอัด (compression ratio) ของเครื่องยนต์ โดยเครื่องยนต์โดยทั่วๆ ไปจะมีอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ 8:1

ปริมาณออกเทน (Octane) ของน้ำมันเบนซินจะเป็นตัวบอกว่า น้ำมันเชื้อเพลิงสามารถถูกบีบอัดก่อนที่จะเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเองได้มากน้อยแค่ไหน เมื่อก๊าซภายในกระบอกสูบเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเองก่อนที่จะถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เราเรียกอาการดังกล่าวว่า เครื่องยนต์น็อก (Knocking) การน็อกของเครื่องยนต์จะทำให้เครื่องยนต์เกิดความเสียหายได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่อยากให้เกิดขึ้น ปริมาณออกเทนที่ต่ำ (อย่าง น้ำมันเบนซิน ที่มีค่าออกเทน 87) ความสามารถในการอัดตัวจะทำได้น้อยมากก่อนจะทำการจุดระเบิด

อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สามารถบอกค่าออกเทนของน้ำมันที่เครื่องยนต์สามารถใช้งานได้อย่างปกติได้ และวิธีหนึ่งที่จะเพิ่มแรงม้า (Horsepower) ให้กับเครื่องยนต์ก็คือการเพิ่มอัตราส่วนการอัดให้มากขึ้น ดังนั้น เครื่องยนต์ที่มีสมถณะสูง (High Performance Engine) จะมีอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น และต้องใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทนสูงขึ้นตามไปด้วย ข้อดีของการที่มี่อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นคือจะทำให้เครื่องยนต์ของคุณมีแรงม้ามากขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำหนักเครื่องยนต์ และนั่นคือแนวความคิดในการสร้างเครื่องยนต์สมถณะสูง (High Performance) แต่ข้อเสียของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงๆ คือค่าใช้จ่ายสำหรับน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงขึ้นตามไปด้วย

คำว่า "ออกเทน (Octane)" มาจากความจริงที่ว่า เมื่อทำการกลั่นน้ำมันดิบ ผลลัพธ์ที่ได้คือสายโซ่ของ Hydrocarbon ที่มีความยาวแตกต่างกัน ความแตกต่างของสายโซ่เหล่านี้สามารถแยกออกจากกันและนำมาผสมกันจนได้น้ำมันเชื้อเพลิงต่างๆ กัน ยกตัวอย่างเช่น มีเทน (Methane), โพเพน (Propane) และ บิวเทน (Buthane) ซึ่งทั้งหมดคือ Hydrocarbon โดยมีเทนจะมีคาร์บอนอะตอมเพียงตัวเดียว, โพเพนมีคาร์บอนอะตอม 3 ตัวที่ต่อกันเป็นสายโซ่, บิวเทนมี 4 ตัว, เพนเทน (Pentane) มี 5 ตัว, เฮกเซน (Hexane) มี 6 ตัว, เฮปเทน (Heptane) มี 7 ตัว และ ออกเทน (Octane) มีคาร์บอนอะตอม 8 ตัวที่ต่อกันเป็นสายโซ่

การอัดตัวของ เฮปเทน (Heptane) ต่ำมาก เมื่อนำมาอัดตัวเพียงเล็กน้อยแล้วจะเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวของมันเอง แต่เมื่อนำ ออกเทน (Octane) มาอัดตัว ออกเทนจะมีการอัดตัวที่ดีกว่า กล่าวคือสามารถอัดตัวได้มากๆ โดยไม่มีอะไรเกิดขึ้น น้ำมันเบนซินที่มีค่าออกเทน 87 ก็คือน้ำมันเบนซินที่ประกอบด้วย ออกเทน 87% และ เฮปเทน 13% (หรืออาจจะมีสารประกอบตัวอื่นๆ ที่ผสมเข้ากับน้ำมันเชื้อเพลิงเพื่อให้มีประสิทธิภาพเท่ากับ 87/13 ของ ออกเทน/เฮปเทน) การจุดระเบิดด้วยตัวเองจะเกิดขึ้นที่การอัดตัวอยู่ระดับหนึ่ง ดังนั้นเครื่องยนต์ที่สามารถใช้ได้จะต้องมีอัตราส่วนการอัดตัวไม่ต่ำกว่าระดับนั้น (ถ้าต่ำกว่าก็จะเกิดอาการ Knocking)

สารที่เติมเข้าไปในน้ำมันเบนซิน
ในระหว่างช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 มีการค้นพบว่า สามารถเติมสารเคมีที่เรียกว่า tetraethyl lead ลงไปในน้ำมันเบนซินได้ซึ่งเป็นการเพิ่มค่าออกเทนให้สูงขึ้นได้อย่างมาก ทำให้ต้นทุนการผลิตน้ำมันเบนซินถูกลง ด้วยการเติมสาร "ethyl" หรือ "สารตะกั่ว (leaded)" ในน้ำมันเบนซิน ซึ่งนิยมใช้กันอย่างกว้างในขณะนั้น แต่ด้วยการเติมสารตะกั่วลงไปในน้ำมันเบนซิน ทำให้มีผลกระทบที่อัตรายดังนี้


- สารตะกั่วจะถูกกักไว้ที่ตัวกรองไอเสียของเครื่องยนต์ (Catalytic Converter) ซึ่งไม่สามารถทำการกรองสารตะกั่วไว้ได้ และจะถูกปล่อยออกมาภายในไม่กี่นาที
- โลกถูกปกคลุมไปด้วยชั้นของตะกั่วบางๆ ซึ่งตะกั่วเป็นพิษแก่สิ่งมีชีวิตหลายชนิดบนโลก รวมทั้งมนุษย์ด้วย

เมื่อสารตะกั่วถูกยกเลิกให้ใช้ น้ำมันเบนซินจึงมีราคาสูงขึ้นเพราะการกลั่นไม่สามารถเพิ่มค่าออกเทนให้กับน้ำมันที่มีเกรดต่ำลงได้ แต่สำหรับเครื่องบินยังคงอนุญาตให้ใช้น้ำมันเบนซินที่มีสารตะกั่ว ซึ่งมีค่าออกเทนอยู่ที่ 115 โดยใช้กับเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบประเภท (Super High Performance piston) ในการเผ่าไหม้

สารอีกชนิดหนึ่งที่เข้ามาแทนสารตะกั่วคือสารที่ชื่อว่า MTBE โดย MTBE ย่อมาจาก Methyl Tertiary Butyl Ether ซึ่งก็คือโมเลกุลที่ถูกสร้างมาจาก Methanol

การใช้ MTBE เข้ามาเติมในน้ำมันเบนซินมีอยู่ 2 เหตุผลด้วยกันคือ
- มันช่วยให้ค่าออกเทนสูงขึ้น
- มันจะใส่ออกซิเจนเข้าไป หมายความว่ามันจะเพิ่มออกซิเจนเข้าไปในปฏิกิริยาเมื่อเกิดการเผาไหม้ โดยในสภาวะที่เป็นอุดมคติ ออกซิเจนจะลดการเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของ Hydrocarbon และลดการเกิดคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO)

MTBE เริ่มนำเข้ามาใส่ในน้ำมันเบนซินหลังจากงาน Clean Air Act ในปี ค.ศ.1990 ในน้ำมันเบนซินจะมี MTBE อยู่ประมาณ 10% ถึง 15%

ปัญหาหลักของการใช้ MTBE คือมันเป็นสารที่ก่อให้เกิดมะเร็ง (carcinogenic) และมันผสมได้ง่ายกับน้ำ หากถังบรรจุน้ำมันเบนซินที่มี MTBE ใต้ดินเกิดการรั่วขึ้น มันสามารถแพร่เข้าสู่แหล่งน้ำใต้ดิน และเกิดการปนเปื้อนได้อย่างง่ายดาย และแน่นอนว่าในน้ำมันไม่ได้มีเพียงสาร MTBE ตัวเดียวเท่านั้นที่จะลงสู่แหล่งน้ำ

สารที่จะมาแทน MTBE ในน้ำมันเบนซินนั่นก็คือ เอทานอล (Ethanol) เอทานอลก็คือแอลกอฮอล (Alcohol) ธรรมดาๆ นี่เอง แม้มันมีราคาแพงกว่า MTBE มาก แต่ก็ไม่เป็นสารที่ก่อให้เกิดมะเร็ง

ปัญหาของน้ำมันเบนซิน
ผลจากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์น้ำมันเบนซินจะพบปัญหาอยู่ 2 ข้อ ข้อแรกคือผลของการเผาไหม้จะทำให้เกิดกลุ่มหมอกควันในเมืองใหญ่ๆ และข้อสองคือผลที่ได้จะอยู่ในรูปของคาร์บอนและก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gases)

เมื่อรถยนต์เผาไหม้น้ำมันเบนซิน ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วมันจะเกิดการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ ผลที่ได้จะไม่มีอะไรมากไปกว่า คาร์บอนได้ออกไซด์ (CO2) และน้ำ แต่ในความเป็นจริงแล้วพบว่า เครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน (Internal Combustion Engine) ไม่เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ในกระบวนการเผาไหม้น้ำมันเบนซินนั้น มันจะเกิด
- คาร์บอนมอนนอกไซด์ (Carbon monoxide - CO) ซึ่งเป็นก๊าซพิษ
- ไนโตรเจนออกไซด์ (Nitrogen oxides) ซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้เกิดกลุ่มหมอกควันในตัวเมือง
- ็Hydrocarbons ที่ไม่เกิดการเผาไหม้

ตัวกรองไอเสีย (Catalytic converters) จะกำจัดมลภาวะเหล่านี้ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น มลภาวะทางอากาศจากรถยนต์และโรงไฟฟ้ายังคงเป็นปัญหาหลักของเมืองใหญ่

คาร์บอน ยังคงเป็นปัญหาภายหลังจากการเผาไหม้ มันจะออกมาในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำมันเบนซินประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ ประมาณว่าการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอนจะปล่อยคาร์บอนออกมาประมาณ 5 ถึง 6 ปอนด์ (หรือ 2.5 กิโลกรัม) สู่บรรยากาศ ในสหรัฐอเมริกาจะมีปริมาณคาร์บอนที่ถูกปล่อยสู่บรรยากาศประมาณ 20,000 ล้านปอนด์ในแต่ละวัน

ถ้าอธิบายง่ายๆ โดยให้คาร์บอนอยู่ในรูปของแข็ง ซึ่งสามารถมองเห็นได้ชัดเจน มันจะเหมือนกับการปาถุงน้ำตาลขนาด 5 ปอนด์ออกจากหน้าต่างรถยนต์ในทุกๆ การเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน เพียงแต่คาร์บอน 5 ปอนด์นั้นมันอยู่ในรูปก๊าซที่เรามองไม่เห็นนั่นก็คือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide) ซึ่งพวกเราแทบทุกคนสัมผัสกับมันเป็นประจำทุกวันโดยไม่รู้ตัว ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาจากท่อไอเสียรถยนต์ทุกวัน ก๊าซนี้เป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) ผลกระทบที่รุนแรงยังไม่ทราบได้ในขณะนี้ แต่มันมีผลอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศของโลก ยกตัวอย่างเช่น ระดับน้ำทะเลเพิ่มขึ้นจนเกิดน้ำท่วม หรือเกิดการทำลายเมืองตามแนวชายฝั่ง ด้วยเหตุผลนี้ จึงมีการพยายามหาเชื้อเพลิงที่จะมาแทนน้ำมันเบนซินในอนาคต นั่นก็คือ ไฮโดรเจน (Hydrogen)