ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยมีการใช้งานประมาณ 25,300 เทระวัตต์-ชั่วโมงในปี 2021 ด้วยการเปลี่ยนผ่านสู่ยุคอุตสาหกรรม 4.0 ความต้องการพลังงานทั่วโลกจึงเพิ่มขึ้น ตัวเลขเหล่านี้เพิ่มขึ้นทุกปี โดยไม่รวมความต้องการพลังงานของภาคอุตสาหกรรมและภาคเศรษฐกิจอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงในภาคอุตสาหกรรมและการบริโภคพลังงานที่สูงนี้มาพร้อมกับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่จับต้องได้มากขึ้นเนื่องจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกมากเกินไป ปัจจุบัน โรงงานผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่ต้องพึ่งพาแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมันและก๊าซ) เป็นอย่างมากเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว ปัญหาสภาพอากาศเหล่านี้ทำให้ไม่สามารถผลิตพลังงานเพิ่มเติมโดยใช้วิธีทั่วไปได้ ดังนั้น การพัฒนาระบบจัดเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้จึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดหาพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้

ภาคส่วนพลังงานตอบสนองด้วยการเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียนหรือโซลูชัน "สีเขียว" การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับความช่วยเหลือจากเทคนิคการผลิตที่ดีขึ้น เช่น นำไปสู่การผลิตใบพัดกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ส่งผลให้ผลิตพลังงานต่อพื้นที่การใช้งานได้ดีขึ้น ในปี 2021 การผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยแตะระดับสูงสุดที่ 179 TWh และเติบโตขึ้น 22% เมื่อเทียบกับปี 2020 ปัจจุบันเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์คิดเป็น 3.6% ของการผลิตไฟฟ้าทั่วโลก และเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่เป็นอันดับสามรองจากพลังงานน้ำและพลังงานลม

อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าเหล่านี้ไม่ได้แก้ไขข้อเสียบางประการของระบบพลังงานหมุนเวียน โดยเฉพาะความพร้อมใช้งาน วิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่สามารถผลิตพลังงานตามความต้องการได้ เช่น โรงไฟฟ้าถ่านหินและน้ำมัน ผลผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มีให้ใช้งานได้ตลอดทั้งวันโดยมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับมุมการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์และตำแหน่งของแผงโซลาร์เซลล์ พลังงานแสงอาทิตย์ไม่สามารถผลิตพลังงานได้ในเวลากลางคืน ขณะที่ผลผลิตจะลดลงอย่างมากในช่วงฤดูหนาวและในวันที่อากาศครึ้มมาก พลังงานลมก็ได้รับผลกระทบจากความผันผวนตามความเร็วลมเช่นกัน ดังนั้น โซลูชันเหล่านี้จึงจำเป็นต้องจับคู่กับระบบกักเก็บพลังงานเพื่อให้สามารถจ่ายพลังงานได้อย่างต่อเนื่องในช่วงที่มีผลผลิตต่ำ

ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร?

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถกักเก็บพลังงานไว้ใช้ในภายหลังได้ ในบางกรณี จะมีการแปลงพลังงานระหว่างพลังงานที่กักเก็บไว้และพลังงานที่จ่ายไป ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด แบตเตอรี่เหล่านี้ให้พลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยปฏิกิริยาเคมีระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

แบตเตอรี่หรือ BESS (ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่) ถือเป็นวิธีการกักเก็บพลังงานที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวัน ระบบกักเก็บพลังงานอื่นๆ เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่แปลงพลังงานศักย์ของน้ำที่กักเก็บไว้ในเขื่อนเป็นพลังงานไฟฟ้า น้ำที่ตกลงมาจะหมุนล้อหมุนของกังหันที่ผลิตพลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างอื่นๆ เช่น ก๊าซอัด เมื่อถูกปล่อยออก ก๊าซจะหมุนล้อหมุนของกังหันเพื่อผลิตพลังงาน

สิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่แตกต่างจากวิธีการจัดเก็บแบบอื่นคือพื้นที่การใช้งานที่เป็นไปได้ ตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กและแหล่งจ่ายไฟรถยนต์ไปจนถึงการใช้งานในครัวเรือนและฟาร์มโซลาร์ขนาดใหญ่ แบตเตอรี่สามารถผสานเข้ากับแอปพลิเคชันการจัดเก็บนอกโครงข่ายได้อย่างราบรื่น ในทางกลับกัน วิธีการพลังงานน้ำและอากาศอัดต้องการโครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่และซับซ้อนมากสำหรับการจัดเก็บ ซึ่งทำให้มีต้นทุนสูงมากซึ่งต้องมีการใช้งานจำนวนมากจึงจะสมเหตุสมผล

กรณีการใช้งานสำหรับระบบจัดเก็บข้อมูลนอกกริด

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ระบบจัดเก็บพลังงานนอกระบบสามารถอำนวยความสะดวกในการใช้งานและการพึ่งพาพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม อย่างไรก็ตาม ยังมีแอปพลิเคชันอื่นๆ ที่สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากระบบดังกล่าว

โครงข่ายไฟฟ้าของเมืองมีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดหาพลังงานในปริมาณที่เหมาะสมตามอุปทานและอุปสงค์ของแต่ละเมือง พลังงานที่ต้องการอาจผันผวนตลอดทั้งวัน ระบบจัดเก็บพลังงานนอกระบบถูกนำมาใช้เพื่อลดความผันผวนและให้ความเสถียรมากขึ้นในกรณีที่มีความต้องการสูงสุด จากมุมมองที่แตกต่างกัน ระบบจัดเก็บพลังงานนอกระบบอาจเป็นประโยชน์อย่างมากในการชดเชยความผิดพลาดทางเทคนิคที่ไม่คาดคิดในโครงข่ายไฟฟ้าหลักหรือในช่วงเวลาการบำรุงรักษาตามกำหนด ระบบเหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานได้โดยไม่ต้องค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือก ตัวอย่างเช่น พายุน้ำแข็งเท็กซัสในช่วงต้นเดือนกุมภาพันธ์ 2023 ที่ทำให้ผู้คนประมาณ 262,000 คนไม่มีไฟฟ้าใช้ ในขณะที่การซ่อมแซมล่าช้าเนื่องจากสภาพอากาศที่เลวร้าย

รถยนต์ไฟฟ้าเป็นอีกการประยุกต์ใช้งานหนึ่ง นักวิจัยได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบตเตอรี่และกลยุทธ์การชาร์จ/ปล่อยประจุ เพื่อยืดอายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอยู่แถวหน้าของการปฏิวัติเล็กๆ นี้ และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ รวมถึงรถโดยสารไฟฟ้าด้วย แบตเตอรี่ที่ดีขึ้นในกรณีนี้สามารถให้ระยะทางวิ่งที่ไกลขึ้นแต่ยังลดเวลาในการชาร์จได้ด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสม

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น โดรนและหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการพัฒนาแบตเตอรี่ กลยุทธ์การเคลื่อนที่และกลยุทธ์การควบคุมนั้นต้องอาศัยความจุและพลังงานของแบตเตอรี่เป็นหลัก

BESS คืออะไร

ระบบจัดเก็บพลังงานแบบแบตเตอรี (BESS) หรือระบบจัดเก็บพลังงานแบบแบตเตอรี คือระบบจัดเก็บพลังงานที่ใช้จัดเก็บพลังงานได้ พลังงานดังกล่าวอาจมาจากโครงข่ายหลักหรือจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ โดยประกอบด้วยแบตเตอรีหลายก้อนที่จัดเรียงในรูปแบบต่างๆ (แบบอนุกรม/ขนาน) และมีขนาดตามข้อกำหนด โดยแบตเตอรีเหล่านี้จะเชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ที่ใช้แปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อใช้งาน โดยระบบจัดการแบตเตอรี (BMS) จะใช้ในการตรวจสอบสภาพแบตเตอรีและการทำงานของการชาร์จ/ปล่อยประจุ

เมื่อเทียบกับระบบกักเก็บพลังงานอื่น ระบบเหล่านี้มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษในการวาง/เชื่อมต่อ และไม่จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงมาก แต่ก็ยังมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูงและต้องมีการบำรุงรักษามากกว่าปกติตามการใช้งาน

การกำหนดขนาดและนิสัยการใช้งาน BESS

ประเด็นสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่คือการกำหนดขนาด จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่จำนวนเท่าใด ในรูปแบบใด ในบางกรณี ประเภทของแบตเตอรี่อาจมีบทบาทสำคัญในการประหยัดต้นทุนและประสิทธิภาพในระยะยาว

การดำเนินการนี้จะพิจารณาเป็นรายกรณี เนื่องจากการใช้งานอาจมีตั้งแต่ครัวเรือนขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่พบมากที่สุดสำหรับครัวเรือนขนาดเล็ก โดยเฉพาะในเขตเมือง คือ แผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ โดยทั่วไป วิศวกรจะพิจารณาการใช้พลังงานเฉลี่ยของครัวเรือนและประเมินความเข้มของแสงอาทิตย์ตลอดทั้งปีสำหรับสถานที่เฉพาะ จำนวนแบตเตอรี่และการกำหนดค่ากริดจะถูกเลือกให้ตรงกับความต้องการของครัวเรือนในช่วงที่อุปทานพลังงานแสงอาทิตย์ต่ำที่สุดของปี โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่หมดเกลี้ยง ซึ่งถือเป็นการสันนิษฐานถึงวิธีแก้ปัญหาที่ไม่ต้องพึ่งพาไฟฟ้าจากกริดหลักโดยสมบูรณ์

การรักษาระดับการชาร์จให้อยู่ในระดับปานกลางหรือการปล่อยประจุแบตเตอรี่ไม่หมดเป็นสิ่งที่อาจขัดกับสัญชาตญาณในตอนแรก ท้ายที่สุดแล้ว เหตุใดจึงต้องใช้ระบบจัดเก็บหากเราไม่สามารถดึงศักยภาพออกมาได้อย่างเต็มที่ ในทางทฤษฎีแล้ว เป็นไปได้ แต่อาจไม่ใช่กลยุทธ์ที่จะเพิ่มผลตอบแทนจากการลงทุนให้สูงสุด

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งของ BESS คือต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ค่อนข้างสูง ดังนั้น การเลือกนิสัยการใช้งานหรือกลยุทธ์การชาร์จ/ปล่อยประจุที่ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่จึงมีความจำเป็น ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไม่สามารถปล่อยประจุได้ต่ำกว่า 50% ของความจุโดยไม่เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า อายุการใช้งานยาวนาน นอกจากนี้ยังสามารถปล่อยประจุได้โดยใช้ช่วงที่กว้างกว่า แต่ก็ต้องแลกมาด้วยราคาที่สูงขึ้น มีความแตกต่างอย่างมากในด้านต้นทุนระหว่างสารเคมีต่างๆ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดอาจมีราคาถูกกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีขนาดเท่ากันหลายร้อยถึงหลายพันดอลลาร์ นี่คือเหตุผลที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดจึงถูกใช้มากที่สุดในแอปพลิเคชั่นพลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศโลกที่สามและชุมชนยากจน

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบอย่างหนักจากการเสื่อมสภาพในช่วงอายุการใช้งาน จึงไม่สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องจนกระทั่งหมดอายุการใช้งานกะทันหัน ในทางกลับกัน ความจุและพลังงานที่จัดหาให้สามารถลดลงเรื่อยๆ ในทางปฏิบัติ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะถือว่าหมดลงเมื่อความจุถึง 80% ของความจุเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ เมื่อความจุลดลง 20% ในทางปฏิบัติ นั่นหมายความว่าสามารถจัดหาพลังงานได้น้อยลง ซึ่งอาจส่งผลต่อระยะเวลาการใช้งานสำหรับระบบที่แยกอิสระอย่างสมบูรณ์และระยะทางที่ EV สามารถครอบคลุมได้

อีกประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือความปลอดภัย ด้วยความก้าวหน้าด้านการผลิตและเทคโนโลยี แบตเตอรี่ในปัจจุบันโดยทั่วไปมีความเสถียรทางเคมีมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องมาจากการเสื่อมสภาพและประวัติการใช้งานที่ไม่เหมาะสม เซลล์อาจเกิดความร้อนสูงเกินปกติ ซึ่งอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่เลวร้าย และในบางกรณีอาจทำให้ชีวิตของผู้บริโภคตกอยู่ในอันตราย

นี่คือสาเหตุที่บริษัทต่างๆ จึงพัฒนาซอฟต์แวร์ตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMS) ที่ดีขึ้นเพื่อควบคุมการใช้งานแบตเตอรี่แต่ยังตรวจสอบสถานะสุขภาพเพื่อให้บำรุงรักษาได้ทันเวลาและหลีกเลี่ยงผลที่ตามมาที่เลวร้าย

บทสรุป

ระบบกักเก็บพลังงานบนกริดช่วยให้สามารถแยกพลังงานออกจากกริดหลักได้ และยังเป็นแหล่งพลังงานสำรองในช่วงเวลาที่ไฟฟ้าดับหรือช่วงที่มีความต้องการสูงสุด การพัฒนาระบบดังกล่าวจะช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่แหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น จึงจำกัดผลกระทบของการผลิตพลังงานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ ในขณะที่ยังคงตอบสนองความต้องการด้านพลังงานด้วยการบริโภคที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่เป็นระบบที่ใช้กันทั่วไปและกำหนดค่าได้ง่ายที่สุดสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวันต่างๆ ความยืดหยุ่นสูงของระบบนี้ถูกหักล้างด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างสูง ส่งผลให้ต้องมีการพัฒนากลยุทธ์การตรวจสอบเพื่อยืดอายุการใช้งานให้ได้มากที่สุด ปัจจุบัน อุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษาต่างทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการตรวจสอบและทำความเข้าใจการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ภายใต้เงื่อนไขต่างๆ