ประสิทธิภาพเชิงพลังงาน: ประสิทธิภาพทางทฤษฎีอยู่ที่ไหนบ้าง

ประสิทธิภาพทางทฤษฎี คือประสิทธิภาพที่สูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เป็นขีดจำกัดการใช้พลังงานที่น้อยที่สุดในการทำกิจกรรมใดๆก็ตาม ในทางวิศวกรรม เราจะเรียนรู้ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีเป็นระบบๆไป เช่น ระบบทำความเย็น ระบบเครื่องจักรสันดาปภายใน ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ซึ่ง พอลงลึก เราก็มักจะไม่สังเกตภาพกว้างในการใช้งานของมัน ดังนั้น เรามาดูกันเล่นๆว่า ในชีวิตจริงของวิศวกร ตัวประสิทธิภาพของอะไรต่อมิอะไรนั้น มันอยู่ที่ไหน

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการทำความเย็น

แอร์ ไอศครีม และ ตู้เย็น เป็นผลผลิตที่มาจากกระบวนการ Heat pump

เราเริ่มจากเรื่องง่ายๆอย่างเครื่องปรับอากาศกันก่อน ประสิทธิภาพการทำความเย็นของเครื่องปรับอากาศ มีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และ แม้ วิศวกรทั่วไปจะเคยเรียนเรื่องประสิทธิภาพการทำความเย็น แต่ส่วนใหญ่ เชื่อว่าไม่รู้ว่า ทำไม ประสิทธิภาพการทำความเย็นเชิงทฤษฏี กับภาคปฏิบัติ มันต่างกันได้มหาศาลมาก ถ้าเราจะทำอากาศในห้องให้อุณหภูมิอยู่ที 25 องศา โดยให้อุณหภูมิข้างนอกคือ 35 องศา เราแปลงหน่วยอุณหภูมิเป็นเคลวินกดปุ๊บๆๆ เราจะได้ตัวเลขค่าประสิทธิภาพการทำความเย็นอยู่ที่ประมาณ 30 kWความเย็น/kWไฟฟ้า หรือ 0.1 kW ต่อตันความเย็น แล้วทำไม แอร์บ้านถึงมีประสิทธิภาพแค่ 3.5 kW ความเย็น ต่อ kW ไฟฟ้าเป็นอย่างเก่งล่ะ

กลไกภายในของเครื่องปรับอากาส สังเกตวงจรการไหลของฟรีออน ที่รับความร้อนจากอากาศในห้องไประบายนอกห้อง 

ข้อจำกัดที่สำคัญคือ ประสิทธิภาพเชิงความเย็นจะอยู่ที่อุณหภูมิของสารทำความเย็น แน่นอน ถ้าเราต้องการระบายความร้อนจากสารทำความเย็นสู่บรรยากาศ เราก็ต้องเพิ่มพื้นที่ผิวการแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งมันก็แพง เราจึงมักให้มีส่วนต่างอุณหภูมิสูงๆแทน แต่เพราะมูลค่าพลังงานมันแพงขึ้น ปัจจุบัน เครื่องทำความเย็นต่างๆ ไม่ว่าจะแอร์ หรือ Chiller ก็จะลงทุนเพิ่มกับพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนมากขึ้น จากแต่ก่อน อุณหภูมิ Coil ร้อน อาจอยู่ที่ 90 องศา ปัจจุบัน ก็จะตั้งให้ต่ำลง อาจเหลือแค่ 60 – 70 องศา และอยู่แถวๆ 40 – 45 องศาสำหรับ Chiller ซึ่งประสิทธิภาพตรงนี้ ยังเพิ่มได้อีกมาก เพราะ ปัจจุบัน แอร์บ้าน มีประสิทธิภาพเพียง 10% ของประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีเท่านั้นเอง 

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการแยกสารหรือ การกวนผสม

การแยกและการผสม: การกลั่นเหล้าแยกน้ำออกจากแอลกอฮอล์ การกวนผสม และการแยกคราบสกปรกออกจากจาน

ปรกติเวลาพูดถึงประสิทธิภาพการกลั่นเรามักจะพูดว่ามันจะแยกสาร A ออกจากสาร B ได้มากที่สุดขนาดไหน แล้วเทียบประสิทธิภาพว่าเราสามารถแยกมันได้ เท่าไรเทียบกับสภาพสมดุล แต่ ตรงนี้เราไม่ได้พูดถึงการแยก แต่พูดถึงพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกครับ ซึ่งพลังงานที่ใช้ ในการแยกสารละลาย ขั้นต่ำสุดจะต้องเท่ากับพลังงานที่ใช้ในการละลาย คุณจะแปลกใจว่ากิจกรรมการกลั่นแยกนั้น จริงๆแล้ว ต้องการใช้พลังงานแค่นิดเดียว ถ้าหากเราคำนวณด้วยสมการของ Morst[1] ถ้าเราจะแยกเกลือออกจากน้ำทะเล พลังงานขั้นต่ำสุดที่เราพึงใช้มีแค่ 2.8 kJ ต่อน้ำทะเล 1 ลิตร เท่านั้น [2] แต่การกลั่นแยกเกลือออกจากน้ำทะเล เราจะใช้พลังงานประมาณ 2300 kJ ต่อ ลิตร เพราะเราจะจำกัดความคิดของตัวเราไว้ว่าเราต้องต้มน้ำให้เดือดแยกออกมา แต่ มันไม่จำเป็นต้องทำอย่างนั้น 

เราสามารถดูตัวอย่าง เช่นระบบ Evaporator ที่เราเอาไอน้ำที่แยกออกมา มาแลกเปลี่ยนความร้อนกับตัวมันเองใหม่ในสภาพ Vacuum เพราะเราต้องการแค่แยกน้ำออกจากเกลือ ไม่ได้ต้องการผลิตไอน้ำ 

การแยกและการผสม: Vacuum Evaporator น้ำ จะเดือดที่อุณหภูมิต่ำลงถ้าความดันต่ำลง การใช้ Vacuum จะสามารถปรับเปลี่ยนจุดเดือดของน้ำเพื่อจะนำไอน้ำที่ระเหยออกมา นำไป Recoverต้มน้ำใน Stage ก่อนหน้า เป็นการลดการใช้พลังงาน

และ เรายังสามารถดูตัวอย่างการกรองด้วยระบบ Reverse Osmosis ที่ใช้แรงดันผ่านเยื่อ Membrane เพื่อแยกน้ำ 

แน่นอนว่า จริงๆแล้ว ระบบเตาอบผลไม้แห้ง ก็จะอยู่ ก็จะอยู่ภายใต้ข้อจำกัดนี้เช่นกัน และมันมีทางที่จะใช้พลังงานให้น้อยลงกว่าที่เราทำๆกันอยู่ได้เป็น 100 เท่าเลยทีเดียว

การแยกและการผสม: เกระบวนการ อบแห้งลูกเกด นมผง หรือ อินทผาลัม ที่ตามปรกติ เราใช้ความร้อนตรงๆในการระเหยน้ำออก มีการใช้พลังงานได้นับเป็น 100 เท่า ของพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นจริงๆ

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่ง

 การขนส่ง: การขนส่ง เครื่องทุ่นแรงในการเดินทาง จักรยาน รถยนต์ และเครื่องบิน 

โอเค เรารู้ว่ารถยนต์ทั่วๆไป ณ ปัจจุบันสามารถขนส่งพื้นราบด้วยอัตราการใช้พลังงาน  5 – 10 ลิตรน้ำมันต่อร้อยกิโลเมตร การขนส่งระบบราง สามารถทำการขนส่งคนและสินค้าได้ที่อัตราใช้พลังงานน้อยกว่า ครึ่งลิตรต่อร้อยกิโลเมตร แล้ว ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการขนส่งมันจำกัดที่ตรงไหน

การขนส่ง: การขนส่งระบบราง Maglev ใช้แม่เหล็กในการลดแรงเสียดทานและประหยัดพลังงานในการขนส่ง เคยเป็น Concept มาแล้วกว่าครึ่งศตวรรต จนมาเป็นของจริงใช้แพร่หลายในปัจจุบัน

ในทางฟิสิกส์ การเคลื่อนที่แนวราบ ไม่มีความจำเป็นต้องใช้พลังงาน หรือ คุณจำเป็นต้องใช้พลังงานแค่ 0 Joules จะต่อกี่ร้อยกิโลเมตรก็ตาม ส่วนประกอบที่สำคัญที่ทำให้เราต้องใช้พลังงาน เพราะระบบจักรกล ล้วนมีแรงเสียดทาน ของล้อ ของเพลา ของก้านสูบ ของลูกปืนแกนหมุน shaft มันเกิดจากการที่คุณต้องชะลอเพื่อหยุดรถเมื่อถึงที่หมายหรือติดไฟแดง มันจึงมีสารพัดวิธีที่จะลดแรงเสียดทานเหล่านี้ เช่น การใช้แม่เหล็กในการยกตัวรถไฟขึ้นจากราง [3] มันมีการติดไดนาโมเพื่อใช้ทดแทนเบรค เมื่อรถชะลอความเร็ว ก็แปลงพลังงานจลน์กลับเป็นศักย์พลังงานไฟฟ้าเพื่อนำมาใช้งานใหม่[4] มันไม่ต้องแปลกใจว่า ทำไม วันนี้เราถึงมีรถที่สามารถทำประสิทธิภาพเชิงพลังงานได้ 100 กิโลเมตรต่อลิตร เพราะ จริงๆ เราก็ไม่ต้องใช้พลังงานในการเคลื่อนที่แนวราบตามกฏทางฟิสิกส์

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของแสงสว่าง

ไฟฟ้าแสงสว่าง: กลางคืน เมืองของมนุษย์กลายเป็นนครที่สว่างไสวจากหลอดไฟแสงสว่าง

จากยุคของการก่อกองไฟ มนุษย์เราได้ผลิตหลอดไฟแบบหลอดไส้ แล้วก็มาเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ จนถึงปัจจุบันมาเป็นหลอด LED ที่ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการส่องสว่าง เพิ่มจาก 0.3 lm/W ของเทียนไข มาเป็น 20 lm/W ของหลอดไส้ แล้วก็มาเป็น 100 lm/W ของหลอดฟลูออเรสเซนต์ T5 จนถึง LED ที่ปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูงได้ถึง 150 lm/W และยังพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นแล้ว ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดของการให้แสงสว่าง มันจะไปได้ถึงขนาดไหนกัน

ไฟฟ้าแสงสว่าง: วิวัฒนาการของไฟฟ้าแสงสว่าง

เราต้องรู้ก่อนว่า มนุษย์เรา ไม่ได้มองเห็นแสงทุกช่วง เราเห็นแสงที่อยู่ในช่วงแค่ 400 – 700 nm เท่านั้น และ ในช่วง 400 – 700 นี้ ตาของเรา ตอบสนองต่อแสงแค่ที่ช่วงความยาวคลื่น 420 530 และ 560 nm [5] สมมุติว่าเราต้องการช่วงแสงเสมือนจริงของดวงอาทิตย์ ตลอดช่วง 400 – 700 nm ประสิทธิภาพเชิงพลังงานสูงสุดในการผลิตแสงตลอดช่วงนี้คือแค่ 251 lm/W และ ถ้าหากเราต้องการแค่แสงมองเห็น โดยไม่สนใจความเสมือนจริงของสี ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีของการส่องสว่าง จะอยู่ที่ 683 lm/W ตรงนี้ ถ้าเปรียบเทียบคือ มันมีความเป็นไปได้ว่า หลอดฟลูออเรสเซนต์ ที่ปัจจุบันหลอดขั้วเขียว ใช้ไฟฟ้า 36 W กำลังจะถูกทดแทนด้วยหลอด LED ขนาด 10 – 18 W และ ในอนาคต มันอาจถูกทดแทนด้วยอะไรบางอย่างที่ใช้พลังงานแค่ 4 W ต่อหลอดแค่นั้นก็เป็นได้ [6]

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการออกอวกาศ

การออกอวกาศ: จากยุคของจรวดตระกูล R-7 ที่ใช้ส่งยานสปุตนิกของรัสเซียขึ้นสู่อวกาศ มาสู่จรวด Saturn และมาเป็นยุคของกระสวยอวกาศที่สามารถใช้ Recycle ได้ (เฉพาะโครงกับระบบภายในตัวกระสวย)

การส่งกระสวยอวกาศขนาด 78 ตัน ออกไปในวงโคจรจะต้องใช้เชื้อเพลิงถึง 23 เท่าของน้ำหนักกระสวยอวกาศ [7]

แต่ ประสิทธิภาพเชิงพลังงานจริงๆของมันจะอยู่ที่ไหนกัน 

เราสามารถมองประเด็นการขนส่งวัตถุออกนอกอวกาศได้ คือการยกวัตถุนั้นขึ้นสู่ระดับวงโคจร แล้วให้พลังงานจนวัตถุนั้นมีความเร็วหลุดพ้น  

ในกรณีแรกถ้าเราลองคำนวณเล่นๆถึงปริมาณพลังงานที่กระสวยอวกาศต้องใช้เพื่อที่จะมีความเร็วถึงความเร็วหลุดพ้นที่ 11.2 km/s วัตถุขนาด 78 ตันจะต้องใช้พลังงานเทียบเท่าเพียง 116 ตันน้ำมันดิบ แต่การเชื้อเพลิงของกระสวยอวกาศหรือจรวดในยุคปัจจุบัน มีการใช้เชื้อเพลิงสารขับดันที่ประมาณ 1700 ตันต่อเที่ยว หรืออาจเทียบเท่าน้ำมันดิบประมาณ 1800 -1900 ตัน และเรียกว่าประสิทธิภาพการส่งวัตถุออกนอกอวกาศในยุคปัจจุบันมีอยู่แค่ที่ 6% เท่านั้นเอง

ในตรงนี้ แทนที่เราจะค่อยๆเร่งความเร็วไป แบกเชื้อเพลิงขึ้นไปสู่อวกาศ เรามีตัวเลือกการสร้าง Railgun ขนาดใหญ่ และเร่งความเร็วของกระสวยอวกาศขึ้นไปจนถึงความเร็วหลุดพ้น เท่านี้ เราก็ไม่ต้องแบกมวลเชื้อเพลิงขึ้นไปกับกระสวยอวกาศ [8]

การออกอวกาศ: Concept ลิฟท์อวกาศมีมาตั้งแต่สมัยสงครามเย็นระหว่างสหรัฐกับรัสเซีย น่าเสียดายในส่วน Concept ของ Railgun อวกาศ (Mass driver) ที่ใช้ส่งยานออกสู่อวกาศ ผู้เขียนหาได้แค่ภาพ Lunar Gate จาก FF8 แต่ถ้าผู้เขียนจำไม่ผิด Concept ของ Mass driver นี้มีมาก่อนค่อนจะเนิ่นนาน แม้แต่ในอนิเม Tekkaman ภาพประกอบตรงนี้ก็เลยหลุดจากแนว Retro ไปนิด

ในแนวทางดังกล่าว จะมีประเด็นปัญหาคือการส่งวัตถุขึ้นวงโคจรถ้ามีผู้โดยสาร ก็จะไม่สามารถใช้ความเร่งที่สูงมากได้ โดยคนเราอาจทนแรง g ได้ที่ประมาณ 10 เท่าของแรงโน้มถ่วง ซึ่งขนาดของ space gun จะต้องมีความยาวอย่างน้อย km จึงจะเร่งวัตถุเข้าสู่ความเร็วหลุดพ้นได้โดยที่ความเร่งไม่เกิน 10 g[9] จะต้องใช้รางยาวถึง 637 กิโลเมตร 

นอกจากนี้ก็ยังมีแนวทางการใช้ลิฟท์อวกาศ ใช้โครงสร้าง Carbon Nanotube และมี Counter weight อยู่อีกด้าน ซึ่งที่ระดับความสูง Geostatic ซึ่งในแนวทางของ Space gun เราอาจลดการใช้พลังงานลงได้ในระดับ 5 เท่าของปัจจุบัน เพราะยังต้องชดเชยกับแรงเสียดทานอากาศ แต่ถ้าเป็น Carbon Nanotube ค่าใช้จ่ายเชิงพลังงาน อาจลดลงไปถึงระดับ 10 – 15 เท่าของปัจจุบันกันเลยทีเดียว[10]

ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการคิด และประมวลผล

คณิตกรณ์: สังเกตไอเดีย Touch tablet วาดบนหน้าจอมีมาเนิ่นนานก่อนจะมี Tablet สำหรับ illustrator และ Tablet PC พกพาในปัจจุบัน

คอมพิวเตอร์ มีการพัฒนาประสิทธิภาพกันได้ตลอดช่วง จากช่วงทศวรรต 1950 คอมพิวเตอร์หลอดสุญญากาศรุ่นแรกๆที่มีอัตราการใช้พลังงานที่ระดับ 50 กว่า kW[11] และมีความสามารถน้อยกว่าโทรศัพท์มือถือในปัจจุบันอย่างเทียบไม่ติด จนถึงยุคของ Tablet PC ที่นับการใช้พลังงานในหน่วย Watt แม้ในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ ก็ยังมีพัฒนาการเป็นอย่างมากในช่วงเวลา 5 ปีที่ผ่านมา ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของการประมวลผลมีการพัฒนาขึ้นในหลัก 10 เท่า [12] สรุปแล้ว มันจะมีข้อจำกัดการใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์ที่ตรงไหน

คณิตกรณ์: ใน Concept ของ Maxwell การปิดเปิด Shutter แยกอนุภาคก๊าซที่มีพลังงานต่ำและสูงออกจากกัน การเลื่อนเปิดบานประตูที่ไม่มีแรงเสียดทานก็คือไม่ต้องใช้พลังงาน และข้อมูลการตัดสินใจ หรือตัว ปิศาจในรูป ก็ไม่มีข้อจำกัดของการที่ต้องใช้พลังงานเช่นกัน

การทำงานของความคิด ไม่มีข้อจำกัดขั้นต่ำของการใช้พลังงาน เช่นในกรณีของ Maxwell’s Demon ที่โด่งดัง[13] จากที่เรากำหนดค่าไบนารีเป็นสวิทช์ปิดเปิดของหลอดสุญญากาศ เรามีการลดขนาดมาเป็นแค่การประจุและคลายประจุในเกทขนาดเล็กของสารกึ่งตัวนำ และในอนาคต เราก็ยังมีควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่จะใช้พลังงานได้น้อยลงอีก และต่อไป การใช้พลังงานในการคิด หรือประมวลผล ก็จะเข้าใกล้ 0 ไปได้อีกมาก

ส่งท้าย

มีกิจกรรมหลายๆอย่างในโลก ที่มีข้อจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎี ที่ต้องใช้พลังงานขั้นต่ำในการทำงานให้เป็นไปได้ แต่ ความคิด จัดเป็นหนึ่งในสิ่งที่ไม่มีข้อจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฏี โอเค คุณอาจต้องการน้ำตาลเพื่อเลี้ยงสมอง แต่ความคิด ไอเดีย ที่ออกมาจากสมอง สามารถทำอะไรต่อมิอะไรได้มากกว่าพลังงานจำนวนเล็กน้อยที่รับประทานเข้าไป ก่อน เราจะเริ่มทำอะไร เราคิดให้มากครับ ใส่ความคิดเข้าไป เพราะความคิด ไม่มีสิ้นเปลือง และสามารถต่อยอดเทคโนโลยีของมนุษย์ ไปสู่ ประสิทธิภาพเชิงทฤษฏีได้ครับ  

คำตอบของทุกสรรพสิ่ง อยู่ที่... (เอ๋ ใช่เรอะ)

อ้างอิง

[1] Wiki: Osmotic pressure 

[2] Wiki: desalination

[3] Wiki: maglev

[4] Wiki: regenerative brake

[5] Wiki:  trichromacy

[6] Wiki: Luminous efficacy

[7] http://www.nasa.gov/centers/kennedy/about/information/shuttle_faq.html#14

[8] Wiki: Space gun

[9] Wiki: G-force 

[10] Wiki: Non-rocket spacelaunch 

[11] http://ecomputernotes.com/fundamental/introduction-to-computer/what-are-different-computer-generations-explain-in-brief

[12] Wiki: performance per watt

[13] Wiki: Maxwell’s demon