ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โดยมีการคาดการณ์การใช้ไฟฟ้าประมาณ 25,300 เทระวัตต์-ชั่วโมงในปี พ.ศ. 2564 การเปลี่ยนผ่านสู่ยุคอุตสาหกรรม 4.0 ทำให้ความต้องการพลังงานทั่วโลกเพิ่มสูงขึ้น ตัวเลขเหล่านี้เพิ่มขึ้นทุกปี ไม่รวมความต้องการพลังงานของภาคอุตสาหกรรมและภาคเศรษฐกิจอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงทางอุตสาหกรรมและการใช้พลังงานที่สูงนี้ ประกอบกับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เป็นรูปธรรมมากขึ้น อันเนื่องมาจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่มากเกินไป ปัจจุบัน โรงงานผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่ต้องพึ่งพาแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมันและก๊าซ) อย่างมากเพื่อตอบสนองความต้องการดังกล่าว ปัญหาสภาพภูมิอากาศเหล่านี้ทำให้การผลิตพลังงานเพิ่มขึ้นโดยใช้วิธีการแบบเดิมเป็นไปไม่ได้ ดังนั้น การพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้จึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น เพื่อให้มั่นใจว่าจะมีการจัดหาพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้

ภาคพลังงานได้ตอบสนองด้วยการหันไปใช้พลังงานหมุนเวียนหรือโซลูชัน “สีเขียว” การเปลี่ยนแปลงนี้ได้รับความช่วยเหลือจากเทคนิคการผลิตที่ดีขึ้น เช่น นำไปสู่การผลิตใบพัดกังหันลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งนำไปสู่การผลิตพลังงานต่อพื้นที่การใช้งานที่ดีขึ้น ในปี พ.ศ. 2564 การผลิตไฟฟ้าจากแหล่งโซลาร์เซลล์ (PV) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยทำสถิติสูงสุดที่ 179 TWh และคิดเป็นการเติบโต 22% เมื่อเทียบกับปี พ.ศ. 2563 ปัจจุบันเทคโนโลยีโซลาร์เซลล์มีสัดส่วน 3.6% ของการผลิตไฟฟ้าทั่วโลก และเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ใหญ่เป็นอันดับสามรองจากพลังงานน้ำและพลังงานลม

อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าเหล่านี้ไม่ได้แก้ไขข้อเสียบางประการของระบบพลังงานหมุนเวียน ซึ่งส่วนใหญ่แล้วคือความพร้อมใช้งาน วิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่สามารถผลิตพลังงานตามความต้องการได้ เช่นเดียวกับโรงไฟฟ้าถ่านหินและน้ำมัน ยกตัวอย่างเช่น ผลผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มีอยู่ตลอดทั้งวัน โดยอาจแตกต่างกันไปตามมุมรับแสงอาทิตย์และตำแหน่งของแผงโซลาร์เซลล์ ไม่สามารถผลิตพลังงานได้ในเวลากลางคืน ขณะที่ผลผลิตจะลดลงอย่างมากในช่วงฤดูหนาวและในวันที่มีเมฆมาก พลังงานลมก็ได้รับผลกระทบจากความผันผวนของความเร็วลมเช่นกัน ดังนั้น โซลูชันเหล่านี้จึงจำเป็นต้องทำงานร่วมกับระบบกักเก็บพลังงานเพื่อรักษาปริมาณพลังงานในช่วงที่มีผลผลิตต่ำ

ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร?

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถกักเก็บพลังงานไว้ใช้ในภายหลังได้ ในบางกรณีอาจมีการแปลงพลังงานระหว่างพลังงานที่กักเก็บไว้และพลังงานที่จ่ายให้ ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือแบตเตอรี่ไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด ซึ่งให้พลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

แบตเตอรี่ หรือ BESS (ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่) เป็นวิธีกักเก็บพลังงานที่ใช้กันมากที่สุดในชีวิตประจำวัน ระบบกักเก็บพลังงานแบบอื่น ๆ เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่แปลงพลังงานศักย์ของน้ำที่กักเก็บไว้ในเขื่อนเป็นพลังงานไฟฟ้า น้ำที่ตกลงมาจะหมุนล้อช่วยแรงของกังหันเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า อีกตัวอย่างหนึ่งคือก๊าซอัด เมื่อปล่อยก๊าซออกมา ก๊าซจะหมุนล้อของกังหันเพื่อผลิตพลังงาน

สิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่แตกต่างจากวิธีการจัดเก็บแบบอื่นคือขอบเขตการใช้งานที่มีศักยภาพ ตั้งแต่อุปกรณ์ขนาดเล็กและแหล่งจ่ายไฟรถยนต์ ไปจนถึงการใช้งานในครัวเรือนและฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ แบตเตอรี่สามารถผสานเข้ากับแอปพลิเคชันการจัดเก็บข้อมูลนอกระบบได้อย่างราบรื่น ในทางกลับกัน การใช้พลังงานน้ำและอากาศอัดต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่และซับซ้อนมากสำหรับการจัดเก็บข้อมูล ซึ่งทำให้ต้นทุนสูงมากและจำเป็นต้องมีการใช้งานจำนวนมากจึงจะคุ้มค่า

กรณีการใช้งานสำหรับระบบจัดเก็บข้อมูลนอกระบบ

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ระบบจัดเก็บพลังงานนอกระบบกริดสามารถอำนวยความสะดวกในการใช้งานและการพึ่งพาพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม อย่างไรก็ตาม ยังมีการใช้งานอื่นๆ ที่สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากระบบดังกล่าว

โครงข่ายไฟฟ้าของเมืองมีเป้าหมายที่จะจัดหาพลังงานในปริมาณที่เหมาะสมตามอุปทานและอุปสงค์ของแต่ละเมือง พลังงานที่ต้องการอาจผันผวนตลอดทั้งวัน ระบบกักเก็บพลังงานนอกระบบถูกนำมาใช้เพื่อลดความผันผวนและเพิ่มเสถียรภาพในกรณีที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด ในอีกมุมมองหนึ่ง ระบบกักเก็บพลังงานนอกระบบอาจเป็นประโยชน์อย่างมากในการชดเชยความผิดพลาดทางเทคนิคที่ไม่คาดคิดในระบบโครงข่ายไฟฟ้าหลักหรือในช่วงระยะเวลาการบำรุงรักษาตามกำหนด ระบบเหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานได้โดยไม่ต้องค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือก ตัวอย่างเช่น พายุน้ำแข็งในรัฐเท็กซัสเมื่อต้นเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2566 ที่ทำให้ประชาชนประมาณ 262,000 คนไม่มีไฟฟ้าใช้ ขณะที่การซ่อมแซมล่าช้าเนื่องจากสภาพอากาศที่เลวร้าย

รถยนต์ไฟฟ้าเป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ นักวิจัยได้ทุ่มเทความพยายามอย่างมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบตเตอรี่และกลยุทธ์การชาร์จ/การคายประจุ เพื่อยืดอายุการใช้งานและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถือเป็นผู้นำในการปฏิวัติเล็กๆ นี้ และถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ รวมถึงรถโดยสารไฟฟ้าด้วย แบตเตอรี่ที่ดีขึ้นในกรณีนี้สามารถให้ระยะทางวิ่งที่ไกลขึ้น แต่เวลาในการชาร์จก็ลดลงด้วยเช่นกัน ด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสม

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น อากาศยานไร้คนขับ (UAV) และหุ่นยนต์เคลื่อนที่ ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการพัฒนาแบตเตอรี่ กลยุทธ์การเคลื่อนที่และกลยุทธ์การควบคุมเหล่านี้ต้องอาศัยความจุและพลังงานของแบตเตอรี่เป็นหลัก

BESS คืออะไร

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) หรือระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ คือระบบกักเก็บพลังงานที่สามารถใช้กักเก็บพลังงานได้ พลังงานนี้อาจมาจากโครงข่ายไฟฟ้าหลัก หรือจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ประกอบด้วยแบตเตอรี่หลายก้อนที่จัดเรียงในรูปแบบต่างๆ (แบบอนุกรม/แบบขนาน) และมีขนาดตามความต้องการ แบตเตอรี่เหล่านี้เชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ที่ใช้แปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เป็นไฟฟ้ากระแสสลับเพื่อใช้งาน ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ใช้สำหรับตรวจสอบสภาพแบตเตอรี่และการชาร์จ/การคายประจุ

เมื่อเทียบกับระบบกักเก็บพลังงานอื่น ๆ แล้ว ระบบเหล่านี้มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษในการวาง/เชื่อมต่อ และไม่จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพงมาก แต่ก็ยังมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูงและต้องมีการบำรุงรักษาเป็นประจำมากขึ้นตามการใช้งาน

การกำหนดขนาดและลักษณะการใช้งาน BESS

สิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่คือการเลือกขนาด จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่จำนวนเท่าใด ในรูปแบบใด ในบางกรณี ประเภทของแบตเตอรี่อาจมีบทบาทสำคัญในระยะยาวในแง่ของการประหยัดต้นทุนและประสิทธิภาพ

การดำเนินการนี้จะดำเนินการเป็นกรณีๆ ไป เนื่องจากการใช้งานอาจมีตั้งแต่ครัวเรือนขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่พบมากที่สุดสำหรับครัวเรือนขนาดเล็ก โดยเฉพาะในเขตเมือง คือแผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ โดยทั่วไปวิศวกรจะพิจารณาการใช้พลังงานเฉลี่ยของครัวเรือนและประเมินค่าความเข้มของแสงอาทิตย์ตลอดทั้งปีสำหรับพื้นที่เฉพาะ จำนวนแบตเตอรี่และรูปแบบโครงข่ายไฟฟ้าจะถูกเลือกให้ตรงกับความต้องการของครัวเรือนในช่วงที่พลังงานแสงอาทิตย์มีปริมาณน้อยที่สุดของปี โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่หมดเกลี้ยง วิธีนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานที่ว่าสามารถแยกไฟฟ้าออกจากโครงข่ายไฟฟ้าหลักได้อย่างสมบูรณ์

การรักษาระดับประจุให้อยู่ในระดับปานกลางหรือการไม่ปล่อยประจุแบตเตอรี่จนหมดอาจเป็นเรื่องที่ขัดกับสัญชาตญาณในตอนแรก ท้ายที่สุดแล้ว ทำไมต้องใช้ระบบจัดเก็บพลังงานในเมื่อเราไม่สามารถดึงศักยภาพของมันออกมาได้อย่างเต็มที่ ในทางทฤษฎีมันทำได้ แต่อาจไม่ใช่กลยุทธ์ที่จะทำให้ได้ผลตอบแทนจากการลงทุนสูงสุด

ข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งของ BESS คือต้นทุนแบตเตอรี่ที่ค่อนข้างสูง ดังนั้น การเลือกนิสัยการใช้งานหรือกลยุทธ์การชาร์จ/การคายประจุที่ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้ยาวนานที่สุดจึงเป็นสิ่งสำคัญ ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไม่สามารถคายประจุได้ต่ำกว่า 50% โดยไม่เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนาน นอกจากนี้ยังสามารถคายประจุได้ในระยะที่กว้างกว่า แต่ก็มาพร้อมกับราคาที่สูงขึ้น ต้นทุนของสารเคมีแต่ละชนิดมีความแตกต่างกันอย่างมาก แบตเตอรี่ตะกั่วกรดอาจมีราคาถูกกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีขนาดเท่ากันหลายร้อยถึงหลายพันดอลลาร์ นี่คือเหตุผลที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดถูกใช้มากที่สุดในการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ในประเทศโลกที่สามและชุมชนยากจน

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบอย่างมากจากการเสื่อมสภาพตลอดอายุการใช้งาน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานไม่คงที่และสิ้นสุดลงด้วยการเสียกะทันหัน แต่ความจุและปริมาณพลังงานที่จ่ายได้อาจลดลงเรื่อยๆ ในทางปฏิบัติ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะถือว่าหมดลงเมื่อความจุถึง 80% ของความจุเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เมื่อความจุลดลง 20% ในทางปฏิบัติ หมายความว่าสามารถจ่ายพลังงานได้น้อยลง ซึ่งอาจส่งผลต่อระยะเวลาการใช้งานของระบบที่แยกอิสระอย่างสมบูรณ์ และระยะทางที่รถยนต์ไฟฟ้าสามารถวิ่งได้

อีกประเด็นหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือความปลอดภัย ด้วยความก้าวหน้าทางการผลิตและเทคโนโลยี แบตเตอรี่ในปัจจุบันจึงมีความเสถียรทางเคมีมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องมาจากการเสื่อมสภาพและประวัติการใช้งานที่ไม่เหมาะสม เซลล์อาจเกิดภาวะความร้อนสูงเกินปกติ ซึ่งอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ร้ายแรง และในบางกรณีอาจเป็นอันตรายต่อชีวิตของผู้บริโภค

นี่เป็นสาเหตุที่บริษัทต่างๆ จึงได้พัฒนาซอฟต์แวร์ตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMS) ที่ดีขึ้นเพื่อควบคุมการใช้งานแบตเตอรี่ แต่ยังตรวจสอบสถานะสุขภาพเพื่อให้บำรุงรักษาได้ทันเวลาและหลีกเลี่ยงผลที่ตามมาที่เลวร้าย

บทสรุป

ระบบกักเก็บพลังงานแบบกริดเป็นโอกาสอันดีในการบรรลุอิสรภาพทางพลังงานจากโครงข่ายหลัก และยังเป็นแหล่งพลังงานสำรองในช่วงที่ไฟฟ้าดับและช่วงที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุด การพัฒนาระบบดังกล่าวจะช่วยส่งเสริมการเปลี่ยนผ่านไปสู่แหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของการผลิตพลังงานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ในขณะเดียวกันก็ยังคงตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่เป็นระบบที่นิยมใช้มากที่สุดและกำหนดค่าได้ง่ายที่สุดสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวันที่หลากหลาย ความยืดหยุ่นสูงของระบบนี้ถูกหักล้างด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างสูง นำไปสู่การพัฒนากลยุทธ์การตรวจสอบเพื่อยืดอายุการใช้งานให้ได้มากที่สุด ปัจจุบัน ภาคอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษากำลังทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการตรวจสอบและทำความเข้าใจการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะต่างๆ