แหล่งพลังงานสะอาดจากธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นแสงอาทิตย์ ลม น้ำ ฯลฯ นับว่ามีปริมาณมหาศาลไม่มีวันหมดสิ้น และจะเข้ามาเป็นแหล่งพลังงานสำคัญของโลกในอนาคต เพื่อทดแทนการใช้พลังงานเชื้อเพลิง ทำให้กระทบสิ่งแวดล้อมน้อยลง โลกสะอาดมากขึ้น แต่พลังงานธรรมชาติเหล่านี้เรียกได้ว่าไม่ต่อเนื่อง เช่น ช่วงเวลากลางคืน ไม่มีแสงแดด ทำให้ไม่สามารถผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้ ดังนั้นจึงมีการคิดค้นระบบกักเก็บพลังงาน (Energy Storage Systems, ESS) เพื่อช่วยแก้ปัญหาความผันผวนนี้
ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร
ระบบกักเก็บพลังงาน คือเทคโนโลยีที่ใช้เก็บรวบรวมพลังงานที่ผลิตได้จากแหล่งต่างๆ โดยเฉพาะแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แสงอาทิตย์ ลม น้ำ ฯลฯ เพื่อเก็บไว้ใช้ในภายหลัง ซึ่งจะช่วยให้ระบบพลังงานที่ใช้มีความมั่นคงมากขึ้น ไม่ต้องคอยกังวลว่าแหล่งพลังงานต้นทางจะขาดช่วงเมื่อใด
หลักการทำงานของระบบกักเก็บพลังงาน
ระบบกักเก็บพลังงานจะทำหน้าที่เป็นเสมือนทั้งผู้ใช้พลังงาน คือตอนที่กักเก็บพลังงาน และเป็นทั้งผู้จ่ายพลังงาน คือตอนที่มีการนำพลังงานไปใช้ โดยจะมีหลักการทำงานเบื้องต้น ได้แก่
- เมื่อผลิตมากกว่าใช้ พลังงานส่วนเกินจะถูกแปรสภาพเพื่อกักเก็บเอาไว้ โดยอาจกักเก็บไว้ในรูปของพลังงานไฟฟ้าเคมี พลังงานไฟฟ้า พลังงานเคมี พลังงานความร้อน หรือพลังงานเชิงกล ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้
- เมื่อผลิตน้อยกว่าใช้ พลังงานที่ถูกกักเก็บไว้จะถูกแปรสภาพเพื่อนำออกมาใช้ ทั่วไปแล้วจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า เพราะสามารถส่งต่อและใช้งานได้อย่างสะดวก
ระบบกักเก็บพลังงานมีอะไรบ้าง
ปัจจุบันเทคโนโลยีการเก็บพลังงานสามารถแบ่งประเภทตามรูปแบบพลังงานที่กักเก็บไว้ได้ดังนี้
1. กักเก็บเป็นพลังงานไฟฟ้าเคมี
เป็นการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปแบบพลังงานเคมี และจะแปลงกลับตอนดึงออกมาใช้ โดยจะอาศัยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างกัน ตัวอย่างที่โดดเด่นก็อย่างเช่น
- แบตเตอรี่ เป็นระบบกักเก็บพลังงานที่คุ้นเคยกันดีและได้รับความนิยมสูง ยิ่งในช่วงหลังที่มีการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นมา ก็ยิ่งมีการนำไปประยุกต์ใช้หลากหลายขึ้น ในทางอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ได้ถูกนำไปพัฒนาต่อยอดเป็นระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Battery Energy Storage System (BESS) ซึ่งนิยมใช้กักเก็บพลังงานทดแทน อย่างเช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม เป็นต้น เพื่อแก้ปัญหาความผันผวนของแหล่งพลังงานเหล่านี้
- เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) จะจ่ายพลังงานด้วยการเปลี่ยนไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ซึ่งจะได้น้ำและความร้อนเป็นผลพลอยได้ นิยมใช้กับยานพาหนะบางชนิด หรือใช้เป็นพลังงานสำรองสำหรับอาคารหรือโรงงานอุตสาหกรรม
2. กักเก็บเป็นพลังงานเคมี
เป็นการกักเก็บพลังงานในรูปของสารเคมีที่มีคุณสมบัติเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งเวลานำมาใช้ก็จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อน หรือพลังงานกล ตัวอย่างเช่น
- เชื้อเพลิงไฮโดรเจน มีทั้งในรูปก๊าซและของเหลว ถ้าเป็นก๊าซจะนิยมกักเก็บไว้ในถังควบคุมแรงดัน ส่วนของเหลวจะเก็บไว้ในถังฉนวนภายใต้อุณหภูมิที่ต่ำกว่า −252.8°C มีจุดเด่นคือกักเก็บและขนส่งได้ง่าย และตอบโจทย์การใช้งานที่หลากหลาย แต่ก่อนการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะนิยมใช้เทคนิค Steam Reforming ซึ่งทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ในระยะหลังที่เริ่มมีการใส่ใจสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ก็ได้มีการเริ่มหันมาใช้เทคโนโลยีการแยกไฮโดรเจนจากน้ำด้วยไฟฟ้าโดยใช้เครื่อง Hydrogen Electrolyzer ร่วมกับแหล่งพลังงานทดแทน ส่งผลให้ได้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม หรือที่เรียกกันว่าไฮโดรเจนสีเขียว (Green Hydrogen) นั่นเอง
- เชื้อเพลิงสังเคราะห์อื่นๆ นอกจากเชื้อเพลิงไฮโดรเจนแล้ว ก็ยังมีการกักเก็บพลังงานไว้ในรูปของสารเคมีเชื้อเพลิงสังเคราะห์อื่นๆ อีก เช่น แอมโมเนียซึ่งผลิตได้จากไฮโดรเจนและไนโตรเจน มีเทนซึ่งผลิตได้จากไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ เมทานอลซึ่งผลิตได้จากกระบวนการเติมไฮโดรเจนให้กับคาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น
3. กักเก็บเป็นพลังงานไฟฟ้า
หากกล่าวถึงการกักเก็บพลังงานเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงก็จะมีเทคโนโลยีที่โดดเด่นอยู่ 2 ชนิด ได้แก่
- ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบพิเศษ มีจุดเด่นคือมีความจุพลังงานสูง สามารถรับและส่งไฟฟ้าได้เร็ว แต่ก็มีข้อจำกัดตรงที่มีการคายประจุสูงกว่า (ทำให้สูญเสียพลังงาน) เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ ทำให้มีการนำไปใช้จริงที่ค่อนข้างจำกัด
- สนามแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) เป็นการกักเก็บพลังงานในรูปสนามแม่เหล็ก มีจุดเด่นคือมีการสูญเสียพลังงานน้อยมาก ทั้งยังสามารถรับและส่งไฟฟ้าได้เร็ว แต่ก็มีข้อจำกัดคือมีราคาสูงและสเกลได้ยาก จึงยังไม่เป็นที่แพร่หลาย
4. กักเก็บเป็นพลังงานความร้อน
เป็นการกักเก็บพลังงานโดยใช้ตัวกลางกักเก็บความร้อนไว้ ซึ่งพลังงานความร้อนที่สะสมอยู่นี้ ก็จะสามารถถูกนำมาแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ในภายหลัง ตัวอย่างเช่น
- การกักเก็บความร้อนสัมผัส (Sensible Heat Storage) เป็นการกักเก็บพลังงานความร้อนโดยการเพิ่มอุณหภูมิให้วัสดุตัวกลาง เช่น น้ำหรือเกลือหลอมเหลว ความร้อนที่สะสมไว้สามารถนำมาใช้ทำความร้อนหรือผลิตไอน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในภายหลัง
- การกักเก็บความร้อนแฝง (Latent Heat Storage) จะใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ (Phase Change Materials, PCM) เพื่อดูดซับความร้อนในกระบวนการหลอมเหลว หรือปลดปล่อยความร้อนในกระบวนการแข็งตัว เหมาะกับการเก็บพลังงานปริมาณมากในปริมาตรขนาดเล็ก
5. กักเก็บเป็นพลังงานเชิงกล
หลักๆ จะเป็นการกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในรูปของพลังงานกล จากนั้นค่อยนำมาใช้ผลิตไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น
- โรงจัดเก็บพลังน้ำแบบสูบกลับ (Pumped Hydro Storage) เมื่อมีพลังงานส่วนเกิน จะใช้พลังงานส่วนเกินนั้นสูบน้ำจากแหล่งด้านล่างขึ้นไปเก็บยังด้านบน เมื่อต้องการใช้พลังงาน น้ำก็จะถูกปล่อยลงมาตามแรงโน้มถ่วงผ่านกังหันลมเพื่อผลิตไฟฟ้า
- การจัดเก็บพลังงานแบบฟลายวีล (Flywheel Energy Storage, FES) พลังงานจะถูกเก็บไว้ในฟลายวีลหรือก็คือล้อหมุน เมื่อมีพลังงานส่วนเกินก็จะทำให้หมุนเร็วขึ้น เมื่อต้องการใช้พลังงานก็จะใช้พลังงานกลที่สะสมอยู่นี้แปลงเป็นไฟฟ้าผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ข้อดีของระบบกักเก็บพลังงาน
ระบบกักเก็บพลังงานถือเป็นองค์ประกอบสำคัญในโครงสร้างพื้นฐานของพลังงานทดแทน โดยมีข้อดีหลายประการ ได้แก่
- เพิ่มความเสถียรของโครงข่ายไฟฟ้า ระบบกักเก็บพลังงานจะช่วยให้มีไฟฟ้าใช้อย่างไม่ขาดช่วง รวมถึงช่วงที่มีความต้องการไฟฟ้าเพิ่มขึ้นสูงจนเกินความสามารถในการผลิต ทำให้ไม่ต้องขยายสมรรถนะการผลิตโดยไม่จำเป็น
- ช่วยให้มีไฟฟ้าใช้ในยามฉุกเฉิน ในช่วงที่เกิดเหตุไฟฟ้าขัดข้อง เช่น เกิดภัยพิบัติ ระบบการผลิตล้มเหลว ระบบกักเก็บพลังงานก็จะช่วยให้มีพลังงานสำรองที่สามารถดึงออกมาใช้ได้
- ส่งเสริมการใช้พลังงานทดแทน โดยทั่วไปแล้ว พลังงานทดแทนอย่างเช่นพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมจะมีความผันผวนสูง ทำให้การนำมาใช้เกิดการขาดช่วง ต้องใช้สลับกับแหล่งพลังงานอื่นๆ แต่การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานก็ได้เข้ามาอุดช่องโหว่นี้ จึงถือเป็นปัจจัยหนึ่งที่ช่วยส่งเสริมการใช้พลังงานทดแทน
- ช่วยประหยัดค่าใช้จ่าย ระบบกักเก็บพลังงานจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่าย ทั้งในแง่ของการเปิดโอกาสให้ใช้พลังงานทดแทนซึ่งมีราคาถูกกว่า ช่วยลดผลกระทบทางเศรษฐกิจที่เกิดจากปัญหาไฟฟ้าขัดข้อง และช่วยลดความจำเป็นในการขยายสมรรถภาพในการผลิตไฟฟ้า
- ช่วยอนุรักษ์สิ่งแวดล้อม พลังงานทดแทนอย่างเช่นพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมจะถือเป็นพลังงานสะอาด การเกิดขึ้นของระบบกักเก็บพลังงานซึ่งมีผลช่วยลดอุปสรรคในการใช้พลังงานทดแทน จึงมีส่วนช่วยผลักดันโลกของเราให้เข้าใกล้ความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutral) และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ (Net Zero) มากขึ้น ซึ่งจะมีผลดีต่อสิ่งแวดล้อม
- ช่วยส่งเสริมความทั่วถึงทางพลังงาน ระบบกักเก็บพลังงานยังมีส่วนช่วยส่งเสริมการกระจายพลังงานอย่างทั่วถึง โดยเฉพาะสำหรับพื้นที่ห่างไกลที่ไม่สามารถขยายระบบจำหน่ายไฟฟ้าด้วยวิธีปักเสาพาดสายได้ ซึ่งส่วนใหญ่ก็มักจะใช้พลังงานทดแทนหรือพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตโดยโรงพลังงานขนาดเล็ก แล้วใช้ระบบกักเก็บพลังงานเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบริหารจัดการไฟฟ้าอีกที
ข้อเสียและข้อจำกัดของระบบกักเก็บพลังงาน
แม้ระบบกักเก็บพลังงานจะมีข้อดีหลายอย่าง แต่ก็มีข้อจำกัดอยู่บ้างเช่นกัน ซึ่งก็ได้แก่
- ต้นทุนเริ่มต้นสูง เช่นเดียวกับการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานทางพลังงานอื่นๆ การติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานก็จะมีค่าใช้จ่ายเริ่มต้นที่ค่อนข้างสูงเช่นกัน
- ต้องได้รับการบำรุงรักษา ระบบกักเก็บพลังงานจำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างเหมาะสมและสม่ำเสมอ เพื่อให้มีความปลอดภัยและสามารถคงประสิทธิภาพการทำงานที่ดีไว้ได้
- อาจมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ระบบกักเก็บพลังงานบางชนิดอาจมีโลหะหนักหรือสารเคมีเป็นส่วนประกอบ จึงจำเป็นต้องได้รับการดูแลควบคุมอย่างเหมาะสม เพื่อไม่ให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
- สูญเสียพลังงานบางส่วน ในระหว่างที่กักเก็บพลังงานอาจมีการสูญเสียพลังงานบางส่วนได้ ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้
บทสรุป
ระบบกักเก็บพลังงานเป็นกุญแจสำคัญสู่ความยั่งยืนของระบบพลังงานในอนาคต โดยใช้เทคโนโลยีต่างๆ เพื่อเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานทดแทน ทำให้สามารถลดการใช้พลังงานฟอสซิล เพิ่มความเสถียรของระบบพลังงาน และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกลงได้
ปัจจุบันระบบกักเก็บพลังงานยังนับว่ามีข้อจำกัดอยู่บ้าง แต่นักวิจัยทั่วโลกต่างก็เร่งพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง จึงมอบความหวังให้ว่าวันหนึ่งข้อจำกัดต่างๆ อาจลดลง และทำให้เราสามารถเข้าสู่ยุคพลังงานใหม่ที่มั่นคงและยั่งยืนได้อย่างแท้จริง
