ก๊าซเรือนกระจกคือกลุ่มก๊าซในชั้นบรรยากาศที่ดูดกลืนและปล่อยรังสีอินฟราเรด ทำให้ความร้อนบางส่วนถูกกักไว้แทนที่จะกระจายออกไป
สำหรับองค์กรที่ต้องรายงานตัวเลขการปล่อย เรื่องนี้ไม่ได้จบที่คำนิยาม เพราะคำถามถัดมาคือจะได้ตัวเลขนั้นมาอย่างไร ใช้ค่ากลางที่มีคนคำนวณไว้แล้ว หรือวัดเอง และถ้าวัดเองต้องใช้เครื่องแบบไหน
บทความนี้อธิบายตั้งแต่ก๊าซมีอะไรบ้าง ตัวไหนที่งานในประเทศไทยเจอจริง ไปจนถึงหลักการของสองเทคนิคที่ใช้วัดกันมากที่สุด และวิธีเลือกให้ตรงกับงาน
ก๊าซเรือนกระจกมีอะไรบ้าง
กลุ่มที่ถูกนับในการรายงานขององค์กรโดยทั่วไปมีเจ็ดชนิด ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไนตรัสออกไซด์ ไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน เพอร์ฟลูออโรคาร์บอน ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ และไนโตรเจนไตรฟลูออไรด์
จุดที่ทำให้เข้าใจผิดบ่อยคือคิดว่าตัวที่มีปริมาณมากที่สุดคือตัวที่สำคัญที่สุด ความจริงคือแต่ละชนิดมีความสามารถในการกักเก็บความร้อนต่อโมเลกุลไม่เท่ากัน ก๊าซที่มีความเข้มข้นในอากาศต่ำมากจึงยังมีน้ำหนักในบัญชีการปล่อยได้
ในทางปฏิบัติสำหรับงานอุตสาหกรรมและเกษตรของไทย สามตัวที่พบบ่อยที่สุดคือคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ โดยมีเทนเกี่ยวข้องกับพื้นที่ที่มีน้ำขังและการจัดการของเสียอินทรีย์ ส่วนไนตรัสออกไซด์เกี่ยวข้องกับการจัดการไนโตรเจนในดินและในระบบบำบัด
Scope 1 Scope 2 และ Scope 3 ต่างกันอย่างไร
การรายงานการปล่อยขององค์กรแบ่งออกเป็นสามขอบเขต
Scope 1 คือการปล่อยจากแหล่งที่องค์กรเป็นเจ้าของหรือควบคุมโดยตรง เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงในกระบวนการผลิตและยานพาหนะขององค์กร
Scope 2 คือการปล่อยทางอ้อมจากพลังงานที่ซื้อมาใช้ ซึ่งเกิดขึ้นที่โรงไฟฟ้าไม่ใช่ที่โรงงานเรา
Scope 3 คือการปล่อยที่เหลือทั้งหมดในห่วงโซ่คุณค่า ทั้งฝั่งต้นน้ำและปลายน้ำ
Scope 3 วัดยากที่สุดเพราะข้อมูลส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่ในมือเรา ต้องขอจากคู่ค้าซึ่งแต่ละรายเก็บข้อมูลไม่เหมือนกันและมีความละเอียดต่างกัน องค์กรจำนวนมากจึงเริ่มจากค่าเฉลี่ยกลางก่อน แล้วค่อยแทนที่ด้วยข้อมูลที่วัดจริงในภายหลัง
จุดที่การวัดจริงให้ผลต่างชัดเจนที่สุด มักเป็นกิจกรรมที่มีสัดส่วนการปล่อยสูงและมีความไม่แน่นอนสูงพร้อมกัน การเลือกว่าจะลงทุนวัดตรงไหนจึงควรเริ่มจากสองเงื่อนไขนี้ ไม่ใช่เริ่มจากว่าตรงไหนวัดง่าย
สองเทคนิคหลักที่ใช้วัด และต่างกันอย่างไร
1. NDIR (Non-Dispersive Infrared)
เทคนิคแรกคือ NDIR ซึ่งย่อมาจาก Non-Dispersive Infrared วัดจากปริมาณแสงอินฟราเรดที่ถูกก๊าซดูดกลืนไป โครงสร้างไม่ซับซ้อน ทนต่อการใช้งานภาคสนาม และให้ผลที่ดีสำหรับการวัดคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงความเข้มข้นทั่วไป
ทำงานโดยการยิงแสงอินฟราเรด (IR) ผ่านกระบอกที่บรรจุก๊าซตัวอย่าง ก๊าซแต่ละชนิด (เช่น CO₂, CH₄, CO) จะดูดกลืนแสง IR ที่ความยาวคลื่นเฉพาะตัว ตัวรับสัญญาณ (Detector) ที่ปลายทางจะวัดปริมาณแสงที่เหลืออยู่ ยิ่งก๊าซมีความเข้มข้นมาก แสงก็ยิ่งถูกดูดกลืนไปมาก
จุดเด่น: โครงสร้างไม่ซับซ้อน ทนทานต่อสภาพแวดล้อม ใช้งานง่าย ซ่อมบำรุงต่ำ และราคาต่ำกว่า
ข้อจำกัด: ความไว (Sensitivity) อยู่ในระดับปานกลาง (วัดได้ในหน่วย % หรือ ppm) และอาจมีปัญหาเรื่องสัญญาณคลาดเคลื่อน (Drift) เมื่อเวลาผ่านไป หรือถูกรบกวนจากความชื้นและอุณหภูมิ
2. CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy)
เทคนิคที่สองคือ CRDS ซึ่งย่อมาจาก Cavity Ring-Down Spectroscopy ยิงแสงเลเซอร์เข้าไปในโพรงที่มีกระจกสะท้อนความสะท้อนสูง แล้ววัดอัตราการลดลงของสัญญาณแสง เนื่องจากแสงสะท้อนไปมาหลายรอบ ระยะทางเดินแสงที่แท้จริงจึงยาวมาก ทำให้ตรวจจับก๊าซที่ความเข้มข้นต่ำได้ดีกว่า และวัดอัตราส่วนไอโซโทปได้
ทำงานโดยการยิงแสงเลเซอร์เข้าไปในช่องว่าง (Cavity) ที่มีกระจกสะท้อนแสงคุณภาพสูงมาก (สะท้อนได้ >99.99%) อยู่สองฝั่ง แสงจะสะท้อนไปมานับหมื่นรอบ ทำให้ระยะทางที่แสงเดินทางผ่านก๊าซตัวอย่างยาวขึ้นเทียบเท่ากับการวิ่งผ่านท่อยาวหลายกิโลเมตร ระบบจะทำการปิดเลเซอร์และวัด “เวลา” ที่ความเข้มของแสงลดลงจนหมด (Ring-down time)
จุดเด่น: ความแม่นยำและความไวสูงลิบลิ่ว สามารถวัดก๊าซในระดับ ppb (ส่วนในพันล้านส่วน) หรือ ppt (ส่วนในล้านล้านส่วน) ได้สบาย ๆ นอกจากนี้ยังแยกแยะไอโซโทปของโมเลกุลได้ (เช่น แยกน้ำฝนกับน้ำบาดาลออกจากกัน) ไม่ค่อยได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ
ข้อจำกัด: ราคาสูงกว่า โครงสร้างเปราะบางกว่า ต้องการการดูแลรักษาโดยผู้เชี่ยวชาญ และกระจกสะท้อนแสงห้ามสกปรกเด็ดขาด
ตัวอย่างที่เห็นความต่างชัดคือระบบวัดฟลักซ์ก๊าซจากดินสองรุ่นในสายเดียวกัน
LICA PS-9000 ใช้หลักการ NDIR วัดคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วง 0 ถึง 6,000 ppm และไอน้ำในช่วง 0 ถึง 60,000 ppm ความแม่นยำน้อยกว่าร้อยละ 1 ของค่าที่อ่านได้ ความเที่ยงน้อยกว่า 1 ppm ทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิ -20 ถึง 60 องศาเซลเซียส น้ำหนักรวมแบตเตอรี่ 7.3 กิโลกรัม
LICA PS-9600 ใช้หลักการ CRDS วัดมีเทน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำพร้อมกัน ค่าความเที่ยงของมีเทนอยู่ที่ไม่เกิน 1.2 ppb ที่เวลาเฉลี่ย 10 วินาที และไม่เกิน 0.6 ppb ที่ 100 วินาที ช่วงการวัดมีเทน 0 ถึง 100 ppm
ความต่างของตัวเลขสองชุดนี้อธิบายได้ด้วยหลักการ NDIR ให้ผลในหน่วย ppm ซึ่งเพียงพอกับงานคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วน CRDS ให้ผลในหน่วย ppb ซึ่งจำเป็นเมื่อต้องวัดมีเทนหรือไนตรัสออกไซด์ที่ความเข้มข้นในบรรยากาศต่ำกว่ามาก
เลือกอย่างไรให้ตรงกับงาน
เลือก NDIR หากคุณต้องการควบคุมคุณภาพอากาศในโรงงาน อาคาร ระบบระบายอากาศ หรือตรวจจับก๊าซพิษเพื่อความปลอดภัย (Safety) ซึ่งอยู่ในระดับ ppm การวัดก๊าซชีวภาพ (Biogas) วัดคาร์บอนไดออกไซด์เป็นหลัก ต้องพกพาบ่อยก็ตอบโจทย์แล้ว
เลือก CRDS หากคุณทำงานวิจัย ต้องการเก็บข้อมูลสภาพแวดล้อม วัดฟลักซ์ ที่ต้องการความแม่นยำสูงสุด สำหรับงานที่ต้องเก็บข้อมูลต่อเนื่องหลายจุด มีระบบที่รองรับ chamber ได้หลายตัวในเครื่องเดียว เช่น LICA SF-9000 ซึ่งต่อ chamber ได้ 1–18 ตัว และ SF-3500 ซึ่งวัดได้ทั้งคาร์บอนไดออกไซด์ ไนตรัสออกไซด์ มีเทน แอมโมเนีย รวมถึงไอโซโทป และควบคุมผ่านแอปพลิเคชันบนแอนดรอยด์ หรืออยู่ในอุตสาหกรรม High-tech (เช่น ผลิตชิปคอมพิวเตอร์) ที่ก๊าซปนเปื้อนเพียงนิดเดียวก็สร้างความเสียหายได้ หรือต้องการข้อมูลอัตราส่วนไอโซโทปเพื่อแยกว่าก๊าซมาจากแหล่งใด Picarro ได้ทำระบบรองรับการทำงานและมีวิธีมาตรฐานให้ใช้งานอย่างครบครัน
ถ้างานของคุณเน้นไปที่การวัดจากดินและพื้นที่เกษตรโดยเฉพาะ เราเขียนแยกไว้อีกบทความหนึ่ง
สิ่งที่ต้องเตรียมนอกจากตัวเครื่อง
ก๊าซมาตรฐานสำหรับสอบเทียบ ตามช่วงความเข้มข้นที่จะใช้งานจริง
chamber และฐานติดตั้งที่เหมาะกับพื้นผิว ถ้าเป็นงานวัดฟลักซ์
ระบบบันทึกข้อมูลและแหล่งจ่ายไฟ โดยเฉพาะงานที่ต้องตั้งทิ้งไว้ต่อเนื่อง
การจัดการความชื้นและการควบแน่นในสายนำก๊าซ ซึ่งเป็นสาเหตุของปัญหาหน้างานที่พบบ่อยที่สุด
แผนการสอบเทียบและตรวจสมรรถนะระหว่างรอบ
คำถามที่พบบ่อย
ก๊าซเรือนกระจกมีกี่ชนิด และตัวไหนสำคัญที่สุดสำหรับภาคอุตสาหกรรม
กลุ่มที่ถูกนับในการรายงานขององค์กรโดยทั่วไปมีเจ็ดชนิด แต่ในงานอุตสาหกรรมและเกษตรของไทย สามตัวที่พบบ่อยที่สุดคือคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไนตรัสออกไซด์ ความสำคัญไม่ได้ขึ้นกับปริมาณอย่างเดียว แต่ขึ้นกับความสามารถในการกักเก็บความร้อนต่อโมเลกุลด้วย
NDIR กับ CRDS เลือกอย่างไร
ถ้าวัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ความเข้มข้นทั่วไปและต้องพกพา NDIR เพียงพอและคุ้มกว่า ถ้าต้องวัดมีเทนหรือไนตรัสออกไซด์ที่ระดับ ppb วัดหลายก๊าซพร้อมกัน หรือต้องการข้อมูลไอโซโทป ต้องใช้ CRDS
วัดความเข้มข้นกับวัดฟลักซ์ ต่างกันอย่างไร
การวัดความเข้มข้นบอกว่าในอากาศตรงนั้นมีก๊าซอยู่เท่าไร ส่วนการวัดฟลักซ์บอกอัตราการแลกเปลี่ยนระหว่างพื้นผิวกับบรรยากาศต่อหน่วยพื้นที่ต่อเวลา ซึ่งต้องใช้ chamber และวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นตามเวลา
ต้องสอบเทียบเครื่องวัดก๊าซด้วยอะไร
ใช้ก๊าซมาตรฐานที่ทราบค่าความเข้มข้นและสอบกลับได้ โดยเลือกช่วงความเข้มข้นให้ครอบคลุมช่วงที่ใช้งานจริง และควรมีการตรวจสมรรถนะระหว่างรอบด้วยเช่นเดียวกับเครื่องวิเคราะห์ประเภทอื่น
ถ้าจะเริ่มจากงบจำกัด ควรเริ่มที่อะไรก่อน
เริ่มจากตอบให้ได้ก่อนว่าต้องวัดก๊าซตัวไหน ที่ความเข้มข้นประมาณเท่าไร วัดกี่จุด และต้องการข้อมูลเป็นช่วงเวลาหรือแบบต่อเนื่อง สี่ข้อนี้จะตัดตัวเลือกลงได้มากกว่าการเริ่มจากงบประมาณ และช่วยไม่ให้ซื้อเครื่องที่ไวเกินหรือไม่พอใช้