ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา การใช้ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยคาดการณ์ว่าจะมีการใช้ไฟฟ้าประมาณ 25,300 เทราวัตต์-ชั่วโมงในปี 2021 ด้วยการเปลี่ยนผ่านไปสู่ยุคอุตสาหกรรม 4.0 ทำให้ความต้องการพลังงานทั่วโลกเพิ่มขึ้น ตัวเลขเหล่านี้เพิ่มขึ้นทุกปี โดยไม่รวมความต้องการพลังงานของภาคอุตสาหกรรมและภาคเศรษฐกิจอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงทางอุตสาหกรรมและการใช้พลังงานสูงนี้มาพร้อมกับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เห็นได้ชัดเจนมากขึ้น เนื่องจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกมากเกินไป ปัจจุบัน โรงไฟฟ้าและสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่พึ่งพาแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมันและก๊าซ) อย่างมากเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว ความกังวลด้านสภาพภูมิอากาศเหล่านี้ทำให้ไม่สามารถผลิตพลังงานเพิ่มเติมโดยใช้วิธีการแบบดั้งเดิมได้ ดังนั้น การพัฒนาระบบจัดเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าจะมีพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้
ภาคพลังงานได้ตอบสนองโดยการเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียนหรือโซลูชัน "สีเขียว" การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับการสนับสนุนจากเทคนิคการผลิตที่ได้รับการพัฒนา เช่น การผลิตใบพัดกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ ทำให้สามารถผลิตพลังงานได้ดีขึ้นต่อพื้นที่ใช้งาน ในปี 2021 การผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยแตะระดับสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 179 เทราวัตต์ชั่วโมง (TWh) และคิดเป็นการเติบโต 22% เมื่อเทียบกับปี 2020 ปัจจุบันเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ PV คิดเป็น 3.6% ของการผลิตไฟฟ้าทั่วโลก และเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่เป็นอันดับสามรองจากพลังงานน้ำและพลังงานลม
อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าเหล่านี้ไม่ได้แก้ปัญหาข้อเสียที่สำคัญของระบบพลังงานหมุนเวียน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องความพร้อมใช้งาน วิธีการส่วนใหญ่เหล่านี้ไม่สามารถผลิตพลังงานได้ตามความต้องการเหมือนโรงไฟฟ้าถ่านหินและน้ำมัน ตัวอย่างเช่น พลังงานแสงอาทิตย์มีให้ใช้ได้ตลอดทั้งวัน โดยมีความผันแปรขึ้นอยู่กับมุมการฉายรังสีของดวงอาทิตย์และตำแหน่งของแผงโซลาร์เซลล์ แต่ไม่สามารถผลิตพลังงานได้ในเวลากลางคืน และผลผลิตจะลดลงอย่างมากในช่วงฤดูหนาวและในวันที่เมฆมาก พลังงานลมก็ประสบปัญหาความผันผวนเช่นกัน ขึ้นอยู่กับความเร็วลม ดังนั้น โซลูชันเหล่านี้จึงจำเป็นต้องเชื่อมโยงกับระบบจัดเก็บพลังงานเพื่อรักษาระดับการจ่ายพลังงานในช่วงที่มีผลผลิตต่ำ
ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร?
ระบบกักเก็บพลังงานสามารถกักเก็บพลังงานไว้เพื่อนำมาใช้ในภายหลังได้ ในบางกรณี อาจมีการแปลงพลังงานระหว่างพลังงานที่กักเก็บไว้กับพลังงานที่นำมาใช้ ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่ตะกั่วกรด ซึ่งให้พลังงานไฟฟ้าโดยผ่านปฏิกิริยาเคมีระหว่างขั้วไฟฟ้าและสารละลายอิเล็กโทรไลต์
แบตเตอรี่ หรือ BESS (ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่) เป็นวิธีกักเก็บพลังงานที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวัน นอกจากนี้ยังมีระบบกักเก็บพลังงานอื่นๆ เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่แปลงพลังงานศักยภาพของน้ำที่กักเก็บไว้ในเขื่อนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า น้ำที่ไหลลงมาจะหมุนล้อของกังหันทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้า อีกตัวอย่างหนึ่งคือแก๊สอัด เมื่อปล่อยออกมา แก๊สจะหมุนล้อของกังหันทำให้เกิดพลังงาน
สิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่แตกต่างจากวิธีการจัดเก็บพลังงานอื่นๆ คือขอบเขตการใช้งานที่เป็นไปได้ ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กและระบบจ่ายไฟในรถยนต์ ไปจนถึงการใช้งานในครัวเรือนและฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ แบตเตอรี่สามารถบูรณาการเข้ากับระบบจัดเก็บพลังงานนอกเครือข่ายได้อย่างราบรื่น ในทางกลับกัน พลังงานน้ำและระบบอัดอากาศต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่และซับซ้อนมากสำหรับการจัดเก็บ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนสูงมากและต้องใช้กับโครงการขนาดใหญ่มากจึงจะคุ้มค่า
ตัวอย่างการใช้งานระบบจัดเก็บพลังงานนอกระบบโครงข่ายไฟฟ้า
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ระบบกักเก็บพลังงานนอกระบบโครงข่ายไฟฟ้าสามารถช่วยส่งเสริมการใช้งานและการพึ่งพาพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมได้ อย่างไรก็ตาม ยังมีแอปพลิเคชันอื่นๆ อีกมากมายที่สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากระบบดังกล่าว
ระบบโครงข่ายไฟฟ้าของเมืองมีเป้าหมายที่จะจัดหาพลังงานในปริมาณที่เหมาะสมตามอุปสงค์และอุปทานของแต่ละเมือง ความต้องการพลังงานอาจผันผวนได้ตลอดทั้งวัน ระบบกักเก็บพลังงานนอกโครงข่ายถูกนำมาใช้เพื่อลดความผันผวนและเพิ่มเสถียรภาพในกรณีที่มีความต้องการสูงสุด ในอีกมุมมองหนึ่ง ระบบกักเก็บพลังงานนอกโครงข่ายสามารถเป็นประโยชน์อย่างมากในการชดเชยความผิดพลาดทางเทคนิคที่คาดไม่ถึงในโครงข่ายไฟฟ้าหลักหรือในช่วงเวลาการบำรุงรักษาตามกำหนด พวกมันสามารถตอบสนองความต้องการพลังงานได้โดยไม่ต้องมองหาแหล่งพลังงานทางเลือก ตัวอย่างเช่น พายุหิมะในรัฐเท็กซัสเมื่อต้นเดือนกุมภาพันธ์ 2023 ที่ทำให้ประชาชนประมาณ 262,000 คนไม่มีไฟฟ้าใช้ ในขณะที่การซ่อมแซมล่าช้าเนื่องจากสภาพอากาศที่เลวร้าย
รถยนต์ไฟฟ้าเป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ นักวิจัยได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการปรับปรุงกระบวนการผลิตแบตเตอรี่และกลยุทธ์การชาร์จ/การคายประจุ เพื่อยืดอายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นผู้นำในด้านนี้และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้าและรถโดยสารไฟฟ้ารุ่นใหม่ แบตเตอรี่ที่ดีกว่าในกรณีนี้สามารถนำไปสู่ระยะทางที่มากขึ้นและลดเวลาในการชาร์จด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสม
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น โดรนและหุ่นยนต์เคลื่อนที่ ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการพัฒนาแบตเตอรี่ กลยุทธ์การเคลื่อนที่และกลยุทธ์การควบคุมของอุปกรณ์เหล่านี้พึ่งพาความจุและพลังงานจากแบตเตอรี่เป็นอย่างมาก
BESS คืออะไร
ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) คือระบบกักเก็บพลังงานที่ใช้เก็บพลังงานได้ พลังงานนี้อาจมาจากไฟฟ้าจากสายส่งหลักหรือจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบนี้ประกอบด้วยแบตเตอรี่หลายก้อนที่จัดเรียงในรูปแบบต่างๆ (อนุกรม/ขนาน) และมีขนาดตามความต้องการ โดยเชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ที่ใช้แปลงไฟกระแสตรง (DC) เป็นไฟกระแสสลับ (AC) เพื่อใช้งานระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)ใช้สำหรับตรวจสอบสภาพแบตเตอรี่และการทำงานของการชาร์จ/คายประจุ
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบกักเก็บพลังงานอื่นๆ ระบบเหล่านี้มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษในการติดตั้ง/เชื่อมต่อ และไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงมาก แต่ก็ยังมีราคาค่อนข้างสูงและต้องการการบำรุงรักษาที่สม่ำเสมอมากขึ้นตามปริมาณการใช้งาน
ขนาดและการใช้งานของ BESS
ประเด็นสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่คือเรื่องขนาด ต้องใช้แบตเตอรี่กี่ก้อน? และต้องจัดเรียงอย่างไร? ในบางกรณี ประเภทของแบตเตอรี่อาจมีบทบาทสำคัญในระยะยาว ทั้งในแง่ของการประหยัดต้นทุนและประสิทธิภาพ
การดำเนินการนี้จะทำเป็นกรณีๆ ไป เนื่องจากขนาดการใช้งานอาจแตกต่างกันไป ตั้งแต่ครัวเรือนขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่
แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับครัวเรือนขนาดเล็ก โดยเฉพาะในเขตเมือง คือพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้แผงโซลาร์เซลล์ วิศวกรโดยทั่วไปจะพิจารณาปริมาณการใช้พลังงานเฉลี่ยของครัวเรือนและประเมินปริมาณแสงอาทิตย์ตลอดทั้งปีสำหรับสถานที่นั้นๆ จำนวนแบตเตอรี่และการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าจะถูกเลือกให้เหมาะสมกับความต้องการของครัวเรือนในช่วงที่พลังงานแสงอาทิตย์มีน้อยที่สุดของปี โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่หมดเกลี้ยง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าระบบนั้นสามารถพึ่งพาตนเองด้านพลังงานจากโครงข่ายไฟฟ้าหลักได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่
การรักษาระดับประจุให้อยู่ในระดับปานกลางหรือการไม่ปล่อยให้แบตเตอรี่หมดเกลี้ยงอาจดูเหมือนขัดกับสามัญสำนึกในตอนแรก เพราะเหตุใดเราจึงต้องใช้ระบบจัดเก็บพลังงานหากเราไม่สามารถดึงศักยภาพของมันออกมาได้อย่างเต็มที่? ในทางทฤษฎีแล้วมันเป็นไปได้ แต่ก็อาจไม่ใช่กลยุทธ์ที่จะให้ผลตอบแทนจากการลงทุนสูงสุด
ข้อเสียเปรียบหลักอย่างหนึ่งของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) คือต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ค่อนข้างสูง ดังนั้น การเลือกรูปแบบการใช้งานหรือกลยุทธ์การชาร์จ/การคายประจุที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ให้ยาวนานที่สุดจึงเป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไม่สามารถคายประจุต่ำกว่า 50% ของความจุได้โดยไม่เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า และสามารถคายประจุได้ในช่วงที่กว้างกว่า แต่ก็มีราคาที่สูงขึ้นเช่นกัน ต้นทุนของแบตเตอรี่แต่ละชนิดมีความแตกต่างกันมาก แบตเตอรี่ตะกั่วกรดอาจมีราคาถูกกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดเดียวกันหลายร้อยถึงหลายพันดอลลาร์ นี่คือเหตุผลที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดถูกใช้มากที่สุดในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศกำลังพัฒนาและชุมชนยากจน
ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบอย่างมากจากการเสื่อมสภาพตลอดอายุการใช้งาน มันไม่ได้มีประสิทธิภาพคงที่และจบลงด้วยความล้มเหลวอย่างฉับพลัน แต่ความจุและปริมาณพลังงานที่จ่ายได้จะค่อยๆ ลดลง ในทางปฏิบัติ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะถือว่าหมดลงเมื่อความจุลดลงเหลือ 80% ของความจุเดิม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือเมื่อความจุลดลง 20% ในทางปฏิบัติ หมายความว่าสามารถจ่ายพลังงานได้น้อยลง ซึ่งอาจส่งผลต่อระยะเวลาการใช้งานของระบบขับเคลื่อนอัตโนมัติและระยะทางที่รถยนต์ไฟฟ้าสามารถวิ่งได้
อีกประเด็นที่ควรพิจารณาคือเรื่องความปลอดภัย ด้วยความก้าวหน้าในการผลิตและเทคโนโลยี แบตเตอรี่รุ่นใหม่ๆ โดยทั่วไปจึงมีความเสถียรทางเคมีมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากประวัติการเสื่อมสภาพและการใช้งานที่ไม่เหมาะสม เซลล์แบตเตอรี่อาจเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม ซึ่งอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ร้ายแรงและในบางกรณีอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตผู้บริโภคได้
ด้วยเหตุนี้ บริษัทต่างๆ จึงได้พัฒนาซอฟต์แวร์ตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMS) ที่ดีขึ้น เพื่อควบคุมการใช้งานแบตเตอรี่และตรวจสอบสถานะสุขภาพของแบตเตอรี่ เพื่อให้สามารถบำรุงรักษาได้ทันท่วงทีและหลีกเลี่ยงผลกระทบที่รุนแรงขึ้น
บทสรุป
ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเป็นโอกาสที่ดีในการบรรลุความเป็นอิสระด้านพลังงานจากโครงข่ายไฟฟ้าหลัก และยังเป็นแหล่งพลังงานสำรองในช่วงเวลาที่ไฟฟ้าดับและช่วงที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด การพัฒนาระบบเหล่านี้จะช่วยส่งเสริมการเปลี่ยนไปใช้แหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ซึ่งจะช่วยจำกัดผลกระทบของการผลิตพลังงานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในขณะเดียวกันก็ยังคงตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องได้
ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่เป็นระบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและง่ายที่สุดในการกำหนดค่าสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวันต่างๆ ความยืดหยุ่นสูงของระบบนี้ถูกชดเชยด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างสูง ซึ่งนำไปสู่การพัฒนากลยุทธ์การตรวจสอบเพื่อยืดอายุการใช้งานให้ยาวนานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ปัจจุบันทั้งภาคอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษากำลังทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการวิจัยและทำความเข้าใจการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะต่างๆ
บทความที่เกี่ยวข้อง:
โซลูชันด้านพลังงานที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการ – แนวทางปฏิวัติการเข้าถึงพลังงาน
การใช้พลังงานหมุนเวียนให้เกิดประโยชน์สูงสุด: บทบาทของการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่
ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานทางทะเล
