จะเก็บไฟฟ้าไว้นอกโครงข่ายได้อย่างไร?

ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยคาดว่าจะมีการใช้งานประมาณ 25,300 เทราวัตต์-ชั่วโมง ในปี 2564 ด้วยการเปลี่ยนผ่านสู่อุตสาหกรรม 4.0 ทำให้มีความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นทั่วโลก ตัวเลขเหล่านี้เพิ่มขึ้นทุกปี ไม่รวมความต้องการพลังงานของภาคอุตสาหกรรมและภาคเศรษฐกิจอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงทางอุตสาหกรรมและการใช้พลังงานสูงนี้ควบคู่ไปกับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่จับต้องได้มากขึ้นอันเนื่องมาจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มากเกินไป ปัจจุบัน โรงงานผลิตไฟฟ้าและโรงงานส่วนใหญ่พึ่งพาแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมันและก๊าซ) เป็นอย่างมากเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว ข้อกังวลด้านสภาพภูมิอากาศเหล่านี้ห้ามไม่ให้มีการผลิตพลังงานเพิ่มเติมโดยใช้วิธีการทั่วไป ดังนั้นการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้จึงมีความสำคัญมากขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดหาพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้

ภาคพลังงานตอบสนองด้วยการเปลี่ยนไปสู่พลังงานหมุนเวียนหรือโซลูชั่น "สีเขียว" การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับความช่วยเหลือจากเทคนิคการผลิตที่ได้รับการปรับปรุง ซึ่งนำไปสู่การผลิตใบกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ ส่งผลให้มีการผลิตพลังงานที่ดีขึ้นตามพื้นที่การใช้งาน ในปี 2564 การผลิตไฟฟ้าจากแหล่งผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์ (PV) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยแตะระดับสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 179 TWh และคิดเป็นการเติบโต 22% เมื่อเทียบกับปี 2563 เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ PV คิดเป็น 3.6% ของการผลิตไฟฟ้าทั่วโลก และปัจจุบันเป็นพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่เป็นอันดับสาม แหล่งพลังงานหลังไฟฟ้าพลังน้ำและลม

อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าเหล่านี้ไม่สามารถแก้ไขข้อเสียเปรียบบางประการของระบบพลังงานหมุนเวียนได้ โดยหลักๆ แล้ว ความพร้อมใช้งานเป็นหลัก วิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่ได้ผลิตพลังงานตามความต้องการเหมือนกับโรงไฟฟ้าถ่านหินและน้ำมัน ตัวอย่างเช่น เอาท์พุตพลังงานแสงอาทิตย์นั้นมีให้ตลอดทั้งวันโดยมีความแปรผันขึ้นอยู่กับมุมการฉายรังสีดวงอาทิตย์และการวางตำแหน่งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ไม่สามารถผลิตพลังงานใดๆ ได้ในตอนกลางคืน ในขณะที่ผลผลิตจะลดลงอย่างมากในช่วงฤดูหนาวและในวันที่มีเมฆมาก พลังงานลมก็ได้รับผลกระทบจากความผันผวนเช่นกัน ขึ้นอยู่กับความเร็วลม ดังนั้นโซลูชันเหล่านี้จึงจำเป็นต้องควบคู่ไปกับระบบกักเก็บพลังงานเพื่อรักษาแหล่งพลังงานไว้ในช่วงระยะเวลาการผลิตต่ำ

ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร?

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถกักเก็บพลังงานเพื่อนำไปใช้ในภายหลังได้ ในบางกรณีจะมีรูปแบบหนึ่งของการแปลงพลังงานระหว่างพลังงานที่สะสมไว้กับพลังงานที่ได้รับ ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ให้พลังงานไฟฟ้าโดยปฏิกิริยาเคมีระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

แบตเตอรี่หรือ BESS (ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่) เป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวัน ยังมีระบบกักเก็บอื่นๆ เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่แปลงพลังงานศักย์ของน้ำที่เก็บไว้ในเขื่อนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า น้ำที่ตกลงมาจะทำให้มู่เล่ของกังหันที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าหมุน อีกตัวอย่างหนึ่งคือก๊าซอัด เมื่อปล่อยก๊าซแล้วกังหันจะหมุนกังหันเพื่อผลิตพลังงาน

สิ่งที่แยกแบตเตอรี่ออกจากวิธีจัดเก็บอื่นๆ คือพื้นที่ที่เป็นไปได้ในการใช้งาน ตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กและแหล่งจ่ายไฟรถยนต์ไปจนถึงการใช้งานในครัวเรือนและโซลาร์ฟาร์มขนาดใหญ่ แบตเตอรี่สามารถบูรณาการเข้ากับแอปพลิเคชันการจัดเก็บนอกเครือข่ายได้อย่างราบรื่น ในทางกลับกัน วิธีการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำและอากาศอัดจำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่และซับซ้อนมากสำหรับการจัดเก็บ สิ่งนี้นำไปสู่ต้นทุนที่สูงมากซึ่งต้องใช้แอปพลิเคชันขนาดใหญ่มากเพื่อที่จะได้สมเหตุสมผล

กรณีการใช้งานสำหรับระบบจัดเก็บข้อมูลนอกกริด

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ระบบจัดเก็บข้อมูลนอกกริดสามารถอำนวยความสะดวกในการใช้งานและการพึ่งพาวิธีพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม อย่างไรก็ตาม ยังมีแอปพลิเคชั่นอื่นๆ ที่สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากระบบดังกล่าว

โครงข่ายไฟฟ้าของเมืองมีเป้าหมายที่จะจัดหาพลังงานไฟฟ้าในปริมาณที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากอุปสงค์และอุปทานของแต่ละเมือง พลังงานที่ต้องการสามารถผันผวนได้ตลอดทั้งวัน ระบบจัดเก็บข้อมูลแบบออฟกริดถูกนำมาใช้เพื่อลดความผันผวนและให้ความเสถียรมากขึ้นในกรณีที่มีความต้องการสูงสุด จากมุมมองที่แตกต่าง ระบบจัดเก็บข้อมูลนอกโครงข่ายจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการชดเชยข้อผิดพลาดทางเทคนิคที่ไม่คาดคิดในระบบโครงข่ายไฟฟ้าหลักหรือในระหว่างช่วงการบำรุงรักษาตามกำหนดการ สามารถตอบสนองความต้องการด้านพลังงานโดยไม่ต้องค้นหาแหล่งพลังงานทดแทน ตัวอย่างเช่น พายุน้ำแข็งเท็กซัสเมื่อต้นเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2566 ซึ่งทำให้ประชาชนไม่มีไฟฟ้าใช้ประมาณ 262,000 คน ในขณะที่การซ่อมแซมล่าช้าเนื่องจากสภาพอากาศที่ยากลำบาก

ยานพาหนะไฟฟ้าเป็นอีกแอปพลิเคชั่นหนึ่ง นักวิจัยได้ใช้ความพยายามอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบตเตอรี่และกลยุทธ์การชาร์จ/คายประจุ เพื่อยืดอายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอยู่ในแถวหน้าของการปฏิวัติเล็กๆ น้อยๆ นี้ และมีการใช้อย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ รวมถึงรถโดยสารไฟฟ้าด้วย แบตเตอรี่ที่ดีกว่าในกรณีนี้สามารถนำไปสู่ระยะทางที่มากขึ้น แต่ยังลดเวลาในการชาร์จด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสมอีกด้วย

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น UAV และหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการพัฒนาแบตเตอรี่ กลยุทธ์การเคลื่อนไหวและกลยุทธ์การควบคุมนั้นขึ้นอยู่กับความจุและพลังงานของแบตเตอรี่อย่างมาก

เบสคืออะไร

BESS หรือระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่เป็นระบบกักเก็บพลังงานที่สามารถนำไปใช้กักเก็บพลังงานได้ พลังงานนี้สามารถมาจากโครงข่ายหลักหรือจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ ประกอบด้วยแบตเตอรี่หลายก้อนที่จัดเรียงในรูปแบบที่แตกต่างกัน (ซีรีส์/ขนาน) และขนาดตามความต้องการ เชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ที่ใช้แปลงไฟ DC เป็นไฟ AC สำหรับการใช้งาน กระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS)ใช้เพื่อตรวจสอบสภาพแบตเตอรี่และการดำเนินการชาร์จ/คายประจุ

เมื่อเปรียบเทียบกับระบบกักเก็บพลังงานอื่นๆ ระบบเหล่านี้มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษในการวาง/เชื่อมต่อ และไม่ต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงมาก แต่ยังคงมีต้นทุนที่สูงมากและต้องมีการบำรุงรักษาสม่ำเสมอมากขึ้นตามการใช้งาน

ขนาดและพฤติกรรมการใช้งานของ BESS

จุดสำคัญที่ต้องจัดการเมื่อติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่คือการปรับขนาด ต้องใช้แบตเตอรี่จำนวนเท่าใด? ในรูปแบบใด? ในบางกรณี ประเภทของแบตเตอรี่อาจมีบทบาทสำคัญในการประหยัดต้นทุนและประสิทธิภาพในระยะยาว

โดยจะพิจารณาเป็นรายกรณีไป เนื่องจากการใช้งานมีตั้งแต่ครัวเรือนขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่พบบ่อยที่สุดสำหรับครัวเรือนขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเขตเมือง คือ พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ โดยทั่วไปวิศวกรจะพิจารณาการใช้พลังงานโดยเฉลี่ยของครัวเรือนและประเมินการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ตลอดทั้งปีสำหรับสถานที่เฉพาะ จำนวนแบตเตอรี่และการกำหนดค่าโครงข่ายได้รับเลือกให้ตรงกับความต้องการของครัวเรือนในช่วงที่มีแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ต่ำที่สุดของปี โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่หมดจนหมด นี่ถือเป็นวิธีแก้ปัญหาเพื่อให้มีความเป็นอิสระด้านพลังงานอย่างสมบูรณ์จากกริดหลัก

การรักษาระดับการชาร์จให้อยู่ในระดับปานกลางหรือการคายประจุแบตเตอรี่ไม่หมดเป็นสิ่งที่อาจขัดกับสัญชาตญาณในตอนแรก ท้ายที่สุด ทำไมต้องใช้ระบบจัดเก็บข้อมูลหากเราไม่สามารถดึงศักยภาพออกมาได้เต็มที่? ตามทฤษฎีแล้วเป็นไปได้ แต่อาจไม่ใช่กลยุทธ์ที่เพิ่มผลตอบแทนจากการลงทุนสูงสุด

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งของ BESS คือราคาแบตเตอรี่ที่ค่อนข้างสูง ดังนั้น การเลือกนิสัยการใช้งานหรือกลยุทธ์การชาร์จ/คายประจุที่ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้สูงสุดจึงเป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไม่สามารถคายประจุได้ต่ำกว่าความจุ 50% โดยไม่ได้รับผลกระทบจากความเสียหายที่แก้ไขไม่ได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนาน นอกจากนี้ยังสามารถระบายออกได้โดยใช้ช่วงที่ใหญ่ขึ้น แต่ก็ต้องแลกมาด้วยราคาที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนเคมีที่แตกต่างกันมีความแตกต่างกันสูง แบตเตอรี่กรดตะกั่วอาจมีราคาถูกกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดเดียวกันหลายแสนถึงหลายพันเหรียญสหรัฐ นี่คือเหตุผลว่าทำไมแบตเตอรี่ตะกั่วกรดจึงถูกใช้มากที่สุดในการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศโลกที่ 3 และชุมชนยากจน

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบอย่างมากจากการเสื่อมสภาพตลอดอายุการใช้งาน จึงไม่มีประสิทธิภาพคงที่ซึ่งจบลงด้วยความล้มเหลวกะทันหัน ความจุและการจัดหาสามารถลดลงเรื่อยๆ ในทางปฏิบัติ อายุการใช้งานแบตเตอรี่จะหมดลงเมื่อความจุถึง 80% ของความจุเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อความจุลดลง 20% ในทางปฏิบัติ นี่หมายถึงสามารถให้พลังงานได้ในปริมาณที่น้อยลง ซึ่งอาจส่งผลต่อระยะเวลาการใช้งานสำหรับระบบที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์และระยะทางที่รถยนต์ไฟฟ้าสามารถครอบคลุมได้

อีกประเด็นที่ต้องคำนึงถึงคือความปลอดภัย ด้วยความก้าวหน้าในด้านการผลิตและเทคโนโลยี แบตเตอรี่ในปัจจุบันโดยทั่วไปมีความเสถียรทางเคมีมากกว่า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากประวัติการเสื่อมสภาพและการใช้งานในทางที่ผิด เซลล์อาจเข้าสู่ภาวะระบายความร้อนซึ่งอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่เลวร้าย และในบางกรณีอาจทำให้ชีวิตของผู้บริโภคตกอยู่ในอันตราย

นี่คือเหตุผลที่บริษัทต่างๆ ได้พัฒนาซอฟต์แวร์ตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMS) ที่ดีขึ้นเพื่อควบคุมการใช้งานแบตเตอรี่ แต่ยังตรวจสอบสถานะสุขภาพด้วย เพื่อให้สามารถบำรุงรักษาได้ทันเวลาและหลีกเลี่ยงผลที่ตามมาที่ทำให้รุนแรงขึ้น

บทสรุป

ระบบจัดเก็บพลังงานกริดมอบโอกาสที่ดีในการบรรลุความเป็นอิสระด้านพลังงานจากกริดหลัก แต่ยังเป็นแหล่งพลังงานสำรองในช่วงเวลาหยุดทำงานและช่วงโหลดสูงสุด การพัฒนาจะอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนไปสู่แหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งจะจำกัดผลกระทบของการผลิตพลังงานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในขณะที่ยังคงตอบสนองความต้องการพลังงานด้วยการเติบโตอย่างต่อเนื่องของการบริโภค

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่เป็นระบบที่ใช้กันมากที่สุดและง่ายที่สุดในการกำหนดค่าสำหรับการใช้งานต่างๆ ในแต่ละวัน ความยืดหยุ่นที่สูงนั้นต้องแลกด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างสูง ซึ่งนำไปสู่การพัฒนากลยุทธ์การติดตามเพื่อยืดอายุการใช้งานตามลำดับให้มากที่สุด ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษาต่างใช้ความพยายามอย่างมากในการตรวจสอบและทำความเข้าใจการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะต่างๆ