พลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล ( Fossil Fuell )

พลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล ( Fossil Fuell )
เชื้อเพลิงโดยทั่วไป คือ สารจำพวกอินทรีย์ที่เกิดการสันดาปได้ง่าย อิสระในอากาศ และให้ความร้อนสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ เชื้อเพลิงฟอสซิลประกอบด้วย ถ่านพีต ถ่านหิน น้ำมันดิบ หินน้ำมัน น้ำมันปิโตรเลียม และแก๊สธรรมชาติ เป็นต้น เชื้อเพลิงฟอสซิลที่ใช้อยู่ทั่วไปในสภาพอุณหภูมิปกติ แบ่งออกเป็น 3 ชนิด

1. เชื้อเพลิงแข็ง ได้แก่ ถ่านหิน และหินน้ำมัน ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงธรรมชาติแหล่งกำเนิดถ่านหินมาจากพืช ในระยะเริ่มต้นก่อตัวของถ่านหิน พืชขนาดใหญ่ตามบ่อ หรือ บึงเลน ถูกทับถมกันเป็นชั้นหนาใต้พื้นดินด้วยซากพืชเน่าเปื่อยเป็นเวลาหลายล้านปี ซากที่ทับถมกันจะพอกพูนเป็นชั้นลึกลงไปหลายพันเมตร ก่อนที่จะถูกกลบฝังโดยกี่เคลื่อนตัวของโลก น้ำท่วม และธารน้ำแข็ง ในยุคต้นของโลก ซากพืชที่เน่าเปื่อยเหล่านี้ถูกบีบอัดด้วยแรงอัด และความร้อนมหาศาล ทำให้ซากพืชเปลี่ยนเป็นแร่ธาตุที่แข็งเรียกว่า ถ่านหิน ถ่านหินมีหลายชนิด มีองค์ประกอบต่างกัน ดังแสดงในตารางที่ 2.1

ชนิดของถ่านหิน ปริมาณร้อยละโดยมวล ค่าความร้อน
Kj/g
คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ส่วนที่ระเหยได้
แอนทราไซต์ 90-95 2-3 2-3 5-7 35-38
บิทูมินัส 80-90 4-5 10-15 20-40 30-35
ซับบิทูมินัส 71-77 5 16 - 20-30
ลิกไนต์ 60-67 5-6 20-30 45-55 17-20
ลิกไนต์เป็นถ่านหินที่ใช้ประโยชน์มานานแล้ว โดยกรมการรถไฟหลวงได้ใช้ลิกไนต์จากแหล่งบ้านบางปูดำ อำเภอคลองท่อม จังหวัดกระบี่ มาเป็นเชื้อเพลิงทดแทนไม้ฟืนในการเดินทางรถไฟตั้งแต่ พ.ศ. 2460 แต่การใช้ลิกไนต์ไม่เป็นที่แพร่หลาย เพราะต้นทุนในการผลิตสูง การนำไปใช้งานค่อนข้างยุ่งยาก และมีปัญหามลพิษตามมา หลังจากวิกฤตการณ์น้ำมันในปี พ.ศ. 2516 รัฐบาลได้ให้ความสนใจที่จะนำลิกไนต์มาทดแทนน้ำมัน จากการสำรวจพบว่าลิกไนต์ทางภาคเหนือมีปริมาณสำรองมากที่สุด และมีคุณภาพดี เช่น ลิกไนต์ที่อำเภอลี้ จังหวัดลำพูน ซึ่งได้นำมาเป็นเชื้อเพลิงในการบ่มใบยาสูบ ส่วนลิกไนต์ทางภาคใต้มีปริมาณรองลงมา และทางภาคตะวันออกเฉียงเหนือมีปริมาณน้อยมาก ลิกไนต์ที่อำเภอแม่เมาะ จังหวัดลำปาง และที่บ้านบางปูดำ จังหวัดกระบี่มีคุณภาพไม่ดีนัก ให้พลังงานความร้อนต่ำ มีลักษณะแตกร่วนเป็น ลิกไนต์ส่วนใหญ่ร้อยละ 80 นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้า ส่วนอีกร้อยละ 20 ใช้เป็นเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมต่างๆ ในประเทศ ได้แก่ การผลิตปูนซีเมนต์ บ่มใบยาสูบ การผลิตปูนขาว และการทำกระดาษ
ในทางอุตสาหกรรมได้มีการนำบิทูมินัสไปทำเป็นเชื้อเพลิงอื่นๆ อีก เช่น ทำถ่านโค้กเพื่อถลุงโลหะ หรือผลิตปุ๋ยเคมีสำหรับประเทศที่เจริญก้าวหน้าทางเทคโนโลยี เช่น สหรัฐอเมริกา เยอรมันตะวันตก และแอฟริกาใต้ สามารถนำถ่านหินไปสังเคราะห์ให้เป็นแก๊สและน้ำมัน ถ่านหินคุณภาพต่ำตั้งแต่บิทูมินัสลงมา อาจใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรงหรือนำไปผ่านกรรมวิธีก่อน เช่น การทำถ่านอัด การผลิตแก๊ส หรือ น้ำมัน การผสมถ่านหินปนกับน้ำมัน เพื่อนำมาใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม กิจการรถไฟ และในครัวเรือน

ในขณะที่น้ำมันดิบราคาสูงขึ้นประเทศต่างๆ ที่ไม่มีน้ำมันดิบ หรือมีไม่เพียงพอพยายามแสวงหาเชื้อเพลิงชนิดอื่นมาทดแทนหินน้ำมันจึงเป็นแหล่งพลังงานอีกแหล่งหนึ่งซึ่งเกิดจากการสะสมของพืชและสัตว์ในหนองบึง หรือในทะเลสาบเป็นเวลานับล้านปี ภายใต้ความกดดันและอุณหภูมิสูงทำให้ให้สารอินทรีย์เหล่านี้เปลี่ยนรูปแปรสภาพเป็นสารที่มีลักษณะข้น ยืดหยุ่นได้คล้ายยาง เรียกว่า เคโรเจน ถ้านำหินดินดานที่มีเคโรเจน เป็นองค์ประกอบมาเผาในที่อับอากาศใช้อุณหภูมิประมาณ 500 องศาเซลเซียล เคโรเจนจะสลายตัวให้น้ำมันหิน ซึ่งเมื่อนำไปกลั่นต่อไปจะได้น้ำมันและสารอื่นๆ เช่นเดียวกับการกลั่นน้ำมันดิบ หินดินดาน 1 กิโลกรัม ที่สกัดแล้วได้น้ำมัน 10 ลูกบาศก์เซนติเมตร หรือมากกว่า จึงจะเรียกว่า หินน้ำมัน ในปัจจุบันถือว่าหินดินดานให้น้ำมันเกินกว่า 75 ลูกบาศก์เซนติเมตร ต่อหินดินดาน 1 กิโลกรัม จึงจะเป็นประโยชน์ทางเศรษฐกิจ จากการสำรวจหินน้ำมันในประเทศไทยตั้งแต่ปี พ.ศ. 2478 เป็นต้นมา พบว่าแหล่งน้ำมันที่อำเภอแม่สอด จังหวัดตาก เป็นแหล่งใหญ่ทีสุดของประเทศ และจากการสำรวจศึกษาอย่างจริงจังตั้งแต่ปลายปี พ.ศ. 2516 พบข้อมูลเพิ่มเติมว่า แหล่งหินน้ำมันแม่สอดเป็นแหล่งใหญ่แหล่งเดียวที่มีหินน้ำมันที่มีคุณภาพตั้งแต่ต่ำถึงดี และมีปริมาณมากมีคุณสมบัติเหมาะสมที่จะพัฒนามาใช้ประโยชน์เป็นพลังงานทดแทนได้ และจากผลการสำรวจคาดว่าที่แม่สอดมีแหล่งสำรองของหินน้ำมันประมาณ 19,000 ล้านตัน ซึ่งจะมีน้ำมันประมาณ 6,100 บาร์เรล นอกจากนี้ยังสำรวจพบแหล่งน้ำมันในบริเวณอื่น ๆ อีก
การนำพลังงานจากหินน้ำมันมาใช้นั้นทำได้ 2 ทาง คือ น้ำมันชนิดที่มีปริมาณน้ำมันต่ำกว่าร้อยละ 15 โดยน้ำหนักต่อหินน้ำมัน 1 กิโลกรัม นำมาบดให้ละเอียดและใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยตรง ส่วนหินน้ำมันชนิดที่มีปริมาณน้ำมันสูงกว่าร้อยละ 15 โดยน้ำหนัก จะนำมากลั่นเป็นน้ำมันซึ่งจะได้น้ำมันเบนซินน้อย ส่วนใหญ่เป็นน้ำมันดีเซล และน้ำมันเตา ที่เหลือจะเป็นยางมะตอย และถ่านโค้ก และมีผลพลอยได้อื่น ๆ คือ แอมโมเนีย และสารประกอบของกำมะถัน ละลายปนอยู่กับไอน้ำที่กลั่นออกมา สารทั้ง 2 ชนิดนี้สามารถนำมาทำปุ๋ยแอมโมเนียซัลเฟตได้ประมาณ 80 กิโลกรัม ต่อหินน้ำมัน 1,000 กิโลกรัมจึงเป็นที่คาดหมายกันว่าหินน้ำมันจะเป็นแหล่งพลังงานในประเทศที่จะนำมาใช้ได้อย่างคุ้มค่าในอนาคต ปัจจุบันน้ำมันที่ผลิตมาจากหินน้ำมันจะมีราคาแพงกว่าน้ำมันที่ได้จากการกลั่นปิโตรเลียมและมีปัญหาเกี่ยวกับมลพิษเพราะน้ำมันที่ได้จากการกลั่นหินน้ำมันมีสีดำ เนื่องจากมีสารประกอบของกำมะถัน นอกจากนี้ยังมีปัญหาในการกำจัดกากที่เหลือซึ่งมีปริมาณมากถึงร้อยละ 60 ของน้ำหนัก

2. เชื้อเพลิงเหลว
เชื้อเพลิงเหลวมีบทบาทสำคัญมากในชีวิตประจำวัน คือ ปิโตรเลียม เพราะมนุษย์นำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางทั้งทางตรงและทางอ้อม ปิโตรเลียมที่ขุดเจาะขึ้นมารวมถึงน้ำมันดิบ แก๊สธรรมชาติ และแก๊สธรรมชาติเหลว ตลอดจนสารพลอยได้อื่นๆ ที่เกิดตามะรรมชาติซึ่งอยู่ในสภาพอิสระ ปิโตรเลียมเกิดจากสารอินทรีย์จากพืชและสัตว์ที่ตายทับถามและคลุกเคล้ารวมกับตะกอนเป็นเวลานับล้านปี อุณหภูมิและความกดดันสูงทำให้สารอินทรีย์เกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีมวลโมเลกุลส่วนใหญ่ เรียกว่า เคโรเจน หลังจากนั้น เคโรเจนจะสลายตัวต่อไปเป็นปิโตรเลียม ปิโตรเลียมส่วนใหญ่จะเกิดในระดับความลึกที่สภาพอุณหภูมิเหมาะสมที่ระดับความลึกและอุณหภูมสูงมาก เคโรเจนจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว และปิโตรเลียมที่ได้จะเกิดเป็นแก๊สธรรมชาติส่วนใหญ่
ในสภาวะที่เหมาะสมปิโตรลียมจะเคลื่อนตัวจากหินต้นกำเนิดไปยังหินกักเก็บและสะสมตัวเป็นปริมาณมากขึ้น สาเหตุที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนตัวได้แก่ การอัดตัวของหินตะกอนอันเนื่องมาจากน้ำหนักของตะกอนที่ทับถมอยู่ด้านบน ปิโตรเลียมที่ค้างอยู่ตามรพรุนของหินตะกอนจะถูกขับออกและเคลื่อนตัวไปสู่บริเวณที่มีการอัดตัว หรือมีความกดดันต่ำกว่า 

(รูปภาพ ชั้นหินของน้ำมัน)

ปิโตรเลียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจะถูกกักเก็บอยู่ในช่องว่างของชั้นหินที่มีโครงสร้างรูปกะทะคว่ำหรือโครงสร้างรูปอื่นที่เหมาะสมและอยู่ลึกลงไปจากพื้นผิวโลกนับพันๆ เมตร หินเหล่านั้นมีความหนาแน่นมากพอที่จะกักเก็บแก๊สและน้ำมันไม่ให้ระเหยไปก่อนการขุดเจาะ และเนื่องจากน้ำมันดิบมีความหนาแน่นมากกว่าแก๊สแต่น้อยกว่าน้ำเราจึงมักพบน้ำมันดิบอยู่ระหว่างชั้นน้ำกับแก๊ส
การสำรวจปิโตรเลียมในเบื้องต้น คือการศึกษาลักษณะของหินใต้พื้นโลกว่ามีสมบัติกักเก็บปิโตรเลียมหรือไม่ เครื่องมือที่ใช้สำรวจตรวจสอบข้อมูลทางธรณีวิทยามีหลายชนิดเช่น เครื่องมือวัดความเร็วของคลื่นไหวสะเทือน ซึ่งมีวิธีการวัดโดยการส่งคลื่นไหวสะเทือนลงไปใต้ผิวโลกเมื่อคลื่นกระทบกับโครงสร้างของหินจะสะท้อนกลับเข้าเครื่องรับคลื่นเสียงโครงสร้างของหินใต้ดินที่แตกต่างกันจะให้คลื่นสะท้อนที่แตกต่างกันทำให้สามารถวิเคราะห์และแปรผลเป็นข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของหินบริเวณที่สำรวจได้ ปัจจุบันมีเครื่องมือวัดรายละเอียดมากขึ้นทำให้ได้ข้อมูลที่สามารถนำไปประมวลเป็นภาพ 2 มิติ และ 3 มิติ ซึ่งทำให้มีความแม่นยำในการกำหนดแหล่งปิโตรเลียมมากขึ้น หลังจากได้ข้อมูลทางธรณีวิทยาจนแน่ใจจึงเริ่มขุดเจาะสำรวจซึ่งพบว่าส่วนใหญ่เจาะปิโตรเลียมตามข้อมูลทางธรณีวิทยา แต่บางครั้งก็ไม่พบเลย หรือพบน้อยมากจึงไม่คุ้มค่าต่อการลงทุน

การสำรวจและการขุดเจาะหาแหล่งน้ำมันปิโตรเลียมในประเทศไทย เริ่มตั้งแต่ พ.ศ. 2464 โดยกรมทรัพยากรธรณี ( กรมโลหะกิจในสมัยนั้น ) ได้พบแหล่งน้ำมันดิบที่ อำเภอฝาง จังหวัดเชียงใหม่ และต่อมารัฐบาลได้มอบหมายให้กรมพลังงานทหารเป็นผู้ดำเนินการจนสามารถผลิตและกลั่นเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงได้เป็นครั้งแรกในอัตราวันละ 600บาร์เรล ในปี พ.ศ. 2542 และหลังจากรัฐบาลได้เปิดสัมปทานให้บริษัทต่างประเทศเข้ามาสำรวจและดำเนินการผลิตปิโตรเลียมทั้งบนบกและในทะเล ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2524 เป็นต้นมาทำให้ค้นพบแหล่งน้ำมันดิบอื่นกระจายในหลายจังหวัด เช่น น้ำมันดิบเพชร แหล่งสิริกิต์ จังหวัดกำแพงเพชร น้ำมันดิบนางนวลในอ่าวไทย บริเวณจังหวัดชุมพร และยังมีแหล่งอื่นๆ บริเวณจังหวัดสุพรรบุรี นครปฐม และสงขลา
น้ำมันดิบที่ขุดเจาะได้ภายในประเทศเมื่อนำมากลั่นเป็นน้ำมันประเภทต่างๆ ปรากฏว่ายังไม่เพียงพอต่อความต้องการใช้จึงต้องซื้อน้ำมันดิบจากต่างประเทศมากลั่นพร้อมทั้งซื้อผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง น้ำมันดีเซล และน้ำมันเตา ซึ่งต้องซื้อมากเพราะไม่พอกับความต้องการที่มีอัตราการใช้เพิ่มขึ้น
น้ำมันดิบหรือปิโตรเลียมส่วนมากมีสีดำหรือสีน้ำตาล มีสมบัติแตกต่างกันตามแหล่งที่พบ บางแหล่งมีไขมาก บางแหล่งมียางมะตอยมากส่วนใหญ่ประกอบด้วยคาร์บอนร้อยละ 85-90 ไฮโดรเจนร้อยละ 10-15 กำมะถันร้อยละ 0.001-7 และออกซิเจนร้อยละ 0.001-5 นอกนั้นเป็นไนโตรเจนและโลหะอื่นๆ การนำน้ำมันดิบมาใช้ประโยชน์ต้องนำน้ำมันดิบไปผ่านกระบวนการแยกสารอื่นๆ ที่ปนอยู่ออกไปก่อนแล้วจึงนำส่วนที่เป็นสารไฮโดรคาร์บอนไปกลั่นแยกเป็นสารผลิตภัณฑ์ต่างๆ
ในอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียมมีหลักการทั่วๆ ไปเหมือนกัน คือให้ความร้อนแก่น้ำมันดิบจนมีอุณหภูมิสูงประมาณ 350-400 องศาเซลเซียล และฉีดเข้าทางด้านล่างของหอกลั่นที่มีอุณหภูมิลดหลั่นตามลำดับ โดยส่วนล่างจะมีอุณหภูมิสูงกว่าและจะลดลงเรื่อย ๆตามความสูงของหอกลั่น ดังนั้นสารที่มีจุดเดือดต่างกันจะระเหยเป็นแก๊สลอยขึ้นด้านบนของหอกลั่น และจะกลั่นตัวเป็นของเหลวในแต่ละช่วงของหอกลั่นได้เป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีช่วงจุดเดือดลดหลั่นกันตามลำดับ เรียกการกลั้นแบบนี้ว่า การกลั่นลำดับส่วน ผลิตภัณฑ์หรือสารที่กลั่นได้แต่ละช่วงจุดเดือดจะมีลักษณะและสมบัติต่างกันจึงใช้ประโยชน์ในงานที่แตกต่างกัน ดังแสดงในภาพ

(รุปภาพการกลั่นลำดับส่วน)

3. แก๊สธรรมชาติ ( Natural )
ประเทศไทยได้มีการสำรวจแก๊สธรรมชาติในอ่าวไทยตั้งแต่ พ.ศ. 2513 พบว่าส่วนใหญ่เป็นแก๊สมีเทน ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงงานผลิตกระแสไฟฟ้า โรงงานอุตสาหกรรม และการหุงต้มในครัวเรือน และยังพบแก๊สบนแผ่นดินที่อำเภอน้ำพอง จังหวัดขอนแก่น เมื่อ พ.ศ. 2524 ต่อมาเมื่อมีการขุดเจาะสำรวจเพิ่มเติมจึงพบว่าปริมาณของแก๊สธรรมชาติมีมากเพียงพอที่จะนำไปใช้ประโยชน์ได้ ดังนั้นในปี พ.ศ. 2542 รัฐบาลจึงได้สร้างโรงงานแยกแก๊สขึ้นที่ตำบลมาบตาพุด จังหวัดระยอง ทำให้สามารถแยกแก๊สต่างๆ ออกมาใช้ประโยชน์ได้มากขึ้น
แก๊สธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารที่มีคาร์บอนเพียง 1 อะตอม เรียกว่าแก๊สมีเทน ซึ่งมีประมาณร้อยละ 80-95 แล้วแต่แหล่งกำเนิด นอกนั้นเป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนคาร์บอน 2-5 อะตอม ส่วนที่เหลือเล็กน้อยเป็นไอปรอท แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟต์ ไนโตรเจน และไอน้ำ การนำแก๊สธรรมชาติมาใช้ประโยชน์ ต้องขุดเจาะสารจากใต้พื้นดินขึ้นมา ซึ่งมีทั้งสารที่เป็นของเหลว และแก๊สผสมกัน จากนั้นแยกสารทั้ง 2 ส่วนนี้ออกจากกัน แล้วส่งแก๊สผสมไปกำจัดสารเจือปนที่ไม่ต้องการ เช่น ปรอท คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ จากนั้นจึงผ่านแก๊สผสมเข้าสู่หอกลั่นเพื่อแยกแก๊สแต่ละชนิด ได้แก่ มีเทน อีเทน โพรเพน และแก๊สอื่นๆ เพื่อนำไปใช้ประโยชน์ที่แตกต่างกัน
แก๊สปิโตรเลียมเหลว หรือแก๊สแอลพีจี ส่วนใหญ่เป็นแก๊สผสมระหว่างแก๊สโพรเพนซึ่งมีจำนวนคาร์บอน 3 อะตอม กับแก๊สบิวเทน ซึ่งมีจำนวนคาร์บอน 4 อะตอม จัดเป็นแก๊สเชื้อเพลิงที่ใช้ประโยชน์มากที่สุด ทั้งในโรงงานอุตสาหกรรม ตามบ้านเรือน และร้านค้าทั่วไป รวมทั้งใช้กับรถยนต์ คนทั่วไปจะเรียกแก๊สนี้ว่า แก๊สหุงต้ม
แก๊สหุงต้มเป็นเชื้อเพลิงที่สะอาด ไม่มีเขม่า และควัน ติดไฟได้ง่าย ใช้งานสะดวกและราคาถูก แต่ไวไฟมาก หากประมาทอาจเกิดอัคคีภัย หรือระเบิด ซึ่งเป็นอันตรายอาจทำให้มีคนเสียชีวิตได้