Energy storage for enabling integration of power system​

Article by MEGA Tech Magazine, Sep-Oct'18

ระบบกักเก็บพลังงานสำหรับการผสานรวมกับระบบสายส่งไฟฟ้า

 

ความต้องการพลังงานไฟฟ้าทั้งในส่วนของค่าความต้องการกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Peak Electricity Demand) และค่าปริมาณการผลิตพลังงานไฟฟ้ารวมรายปี (Annual Electricity Generation) ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้ภาครัฐจะต้องลงทุนจัดหาแหล่งผลิตไฟฟ้าเพิ่มเติมเพื่อให้สามารถรองรับกับความต้องการใช้ไฟฟ้าได้อย่าง การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนได้เริ่มแพร่หลายมากขึ้นเพื่อเป็นการลดการใช้พลังงานฟอสซิลสำหรับการผลิตไฟฟ้าและการขนส่ง เช่น โรงไฟฟ้ากังหันลมและโรงไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์ โดยมีทั้งเป็นแหล่งผลิตที่ต่อเข้าระบบสายส่งไฟฟ้าหรือผลิตแล้วใช้เองแบบเอกเทศ แต่เนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนที่ทำให้มีปัญหาเรื่องความเสถียรของระบบ ความเชื่อมั่นและคุณภาพของกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ ทำให้แหล่งผลิตไฟฟ้าพลังงานทดแทนจะต้องมีระบบกักเก็บพลังงาน (Energy storage systems, ESSs) เพื่อลดปัญหาความไม่แน่นอนดังกล่าว ในส่วนของระบบขนส่งที่ใช้พลังงานไฟฟ้า เช่น รถไฟฟ้า (Electric train) รถโดยสารไฟฟ้า(Electric bus) ยานพาหนะไฟฟ้า (Electric vehicle) ฯลฯ เป็นส่วนที่ถูกมองว่าสามารถลดการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนได้อย่างชัดเจน เนื่องจากยานพาหนะไฟฟ้าแบบปลั๊กอินจะมีแหล่งกักเก็บพลังงานในตัวสำหรับเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากการประจุพลังงานไฟฟ้าจากระบบสายส่ง ซึ่งก็จะถือเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานไฟฟ้าขนาดเล็กแต่มีจำนวนมหาศาล และถ้าไฟฟ้าที่ใช้ประจุในยานพาหนะไฟฟ้าเหล่านี้เป็นไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งผลิตไฟฟ้าพลังงานทดแทน ก็จะเป็นการช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่ชัดเจนยิ่งขึ้น

เทคโนโลยีการกักเก็บพลังงาน

 

การกักเก็บพลังงานมักจะเป็นการแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเก็บไว้ในรูปแบบพลังงานอื่นและสามารถปล่อยกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าออกมาใช้ได้เมื่อต้องการ ซึ่งเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานมีหลายประเภท ได้แก่ 1) แบตเตอรี่ (Battery energy storage, BES) เป็นการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปแบบของปฏิกิริยาเคมี เช่น แบบตะกั่วกรด(Lead acid) ลิเทียมไอออน (Li-Ion) นิเกิลแคดเมียม/นิเกิลเมตทัลไฮไดรด์(NiCD/NiMH) โซเดียมซัลเฟอร์(NaS) โฟลว์แบตเตอรี่(FBs) 2) ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Electrochemical double-layer capacitors, EDLCs) เป็นการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างคู่ฉนวน 3) เซลล์เชื้อเพลิง (Regenerative FCs) เป็นการกักเก็บพลังงานในรูปของก๊าซไฮโดรเจนเพื่อผลิตไฟฟ้าโดยการทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน 4) ระบบกักเก็บพลังงานอากาศอัด (Compressed air energy storage, CAES) เป็นการใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับการอัดอากาศเก็บในถังไว้ใช้ภายหลัง 5) ล้อตุนกำลัง (Flywheel energy storage, FES) เป็นการเก็บพลังงานไว้ในรูปแบบพลังงานจลน์การหมุนของก้อนมวล 6) การกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (Superconductive magnetic energy storage, SMES) เป็นการเก็บพลังงานในรูปแบบสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจากการไหลของไฟฟ้ากระแสตรงในขดลวดตัวนำยิ่งยวดที่ลดอุณหภูมิจนต่ำกว่าจุดวิกฤต 7) การกักเก็บพลังงานด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric energy storage, TEES) เป็นการใช้น้ำมันสังเคราะห์หรือเกลือหลอมเหลวทำหน้าที่เก็บความร้อนในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแสงอาทิตย์ไว้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเทอร์โมอิเล็กทริกในการผลิตไฟฟ้า 8) ระบบสูบน้ำกลับ (Pumped Hydroelectric Storage, PHS) เป็นการใช้พลังงานไฟฟ้าที่เหลือในช่วงภาระโหลดต่ำไปใช้สูบน้ำกลับขึ้นไปเหนือเขื่อนหรือแหล่งน้ำที่สูงกว่า 9) ระบบกักเก็บพลังงานความร้อน (Thermal energy storage, TES) เป็นการกักเก็บพลังงานในรูปแบบความร้อนโดยใช้สารตัวกลางสำหรับดูดซับความร้อนเก็บในถังหุ้มฉนวน 10) ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าแบบผสมผสาน(Hybrid electrical energy storage) เป็นการรวมเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานตั้งแต่ 2 แบบขึ้นไปสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่างที่ระบบกักเก็บแบบใดแบบแหนึ่งไม่สามารถสนองตอบความต้องการได้ โดยคุณลักษณะของเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานแบบต่างๆ สรุปได้ดังตารางที่ 1

Energy storage systems

การประยุกต์ใช้ระบบกักเก็บพลังงาน

 

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถปรับปรุงสมรรถนะของระบบการใช้ไฟฟ้าต่างๆให้ดีขึ้นและเป็นระบบที่เหมาะสมต่อการใช้ในภาคขนส่งและระบบสาธารณูปโภค นอกจากนั้นยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดการใช้งานเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่นการกระตุ้นการใช้งานยานพาหนะไฟฟ้า ความเหมาะสมของระบบกักเก็บพลังงานแบบต่างๆสำหรับการใช้งานในภาคขนส่งและการใช้งานในระดับสาธารณูปโภคสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 1 ในส่วนการใช้งานภาคขนส่งจะเห็นว่ามีความต้องการเวลาใช้งานตั้งแต่ไม่กี่วินาทีไปจนถึง 100 นาทีและมีความต้องการกำลังใช้งานตั้งแต่ระดับ 10 kW จนถึง 10 MW ในขณะที่การใช้ในส่วนสาธารณูปโภคมีความต้องการช่วงเวลาใช้งานอย่างน้อยตั้งแต่ 30 นาทีจนถึงหลายชั่วโมงและมีความต้องการกำลังใช้งานตั้งแต่ระดับ 1 MW จนถึง 1 GW

Time versus power operational range of the different energy storage technologies.

การประยุกต์ใช้ระบบกักเก็บพลังงาน

 

ระบบกักเก็บพลังงานสามารถปรับปรุงสมรรถนะของระบบการใช้ไฟฟ้าต่างๆให้ดีขึ้นและเป็นระบบที่เหมาะสมต่อการใช้ในภาคขนส่งและระบบสาธารณูปโภค นอกจากนั้นยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดการใช้งานเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่นการกระตุ้นการใช้งานยานพาหนะไฟฟ้า ความเหมาะสมของระบบกักเก็บพลังงานแบบต่างๆสำหรับการใช้งานในภาคขนส่งและการใช้งานในระดับสาธารณูปโภคสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 1 ในส่วนการใช้งานภาคขนส่งจะเห็นว่ามีความต้องการเวลาใช้งานตั้งแต่ไม่กี่วินาทีไปจนถึง 100 นาทีและมีความต้องการกำลังใช้งานตั้งแต่ระดับ 10 kW จนถึง 10 MW ในขณะที่การใช้ในส่วนสาธารณูปโภคมีความต้องการช่วงเวลาใช้งานอย่างน้อยตั้งแต่ 30 นาทีจนถึงหลายชั่วโมงและมีความต้องการกำลังใช้งานตั้งแต่ระดับ 1 MW จนถึง 1 GW

 

การติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานมีข้อดีทำให้ระบบไฟฟ้ามีความเสถียรมากขึ้นและยังเป็นส่วนผลักดันทางอ้อมที่ทำให้เกิดแหล่งผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนอีกด้วย แต่อย่างไรก็ตามการมีแหล่งผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนที่ต่อเข้าระบบมากๆ จะทำให้ระบบของการส่งจ่ายไฟฟ้าโดยรวมมีความซับซ้อนมากขึ้น และอาจเกิดปัญหาความไม่สมดุลในระบบขึ้น เช่น ถ้ามีระบบผลิตไฟฟ้าจากกังหันลมเพิ่มเข้ามา 10% จะทำให้ระบบผลิตไฟฟ้าอื่นเกิดความไม่เสถียรเพิ่มขึ้น 2% ถึง 4% ของขนาดโรงไฟฟ้ากังหันลม วิกฤตการณ์นี้เคยเกิดขึ้นแล้วกับประเทศที่มีการผลิตไฟฟ้าจากกังหันลมขนาดใหญ่เช่น เดนมาร์กและสเปน ซึ่งมีสัดส่วนของการผลิตไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้ากังหันลมเป็น 20% และ 10% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดตามลำดับ การแก้ไขปัญหานี้จะต้องมีการติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานให้เหมาะสมกับสัดส่วนของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้นเพื่อให้สามารถจ่ายพลังงานได้ระยะเวลาหลายชั่วโมงด้วยกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 1 ถึง 100 MW นอกจากนั้นหลักการของการใช้ยานพาหนะต่อเข้าระบบ (Vehicle-to-grid, V2G) ได้ถูกนำเสนอขึ้น ซึ่งยานพาหนะไฟฟ้าสามารถใช้เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานที่สามารถขายไฟฟ้าเข้าระบบได้ และขณะที่เชื่อมต่อกับระบบสายส่งยานพาหนะไฟฟ้ายังสามารถทำหน้าที่ควบคุมโหลดได้ด้วย โดยพื้นที่กราฟของการใช้ยานพาหนะต่อเข้าระบบ(V2G) ในรูปที่ 1 แทนยานพาหนะไฟฟ้าจำนวน 1 ล้านคัน ที่มีขนาดความจุแบตเตอรี่ตั้งแต่ 20 – 50 kWh ซึ่งเพียงแค่ 10% ของพลังงานรวมของยานพาหนะไฟฟ้าทั้งหมดก็สามารถนำไปเป็นแหล่งพลังงานสำหรับด้านสาธารณูปโภคได้

 

Continually increasing of both peak energy demand and annual electricity generation are main factor that the government has to invest for providing sufficient electricity. Due to environmental and geopolitical concern, there have lead to the proliferation of electricity generation using both grid-tied and stand-alone renewable energy resources (RESs) such as wind turbines and photovoltaic arrays. However, the intermittent nature of these resources introduces issues with system stability, reliability, and power quality. The issue of sporadic availability of renewable resources can be addressed by introducing energy storage systems (ESSs) to minimize that issue. In transportation electrification (such as electric trains, electric buses, electric vehicles and etc.) is seen as an effective way to substantially reduce the overall use of hydrocarbons. Electrified vehicles with plug-in capability contain an energy storage element that is capable of storing power from the grid. These electrified vehicles present numerous small distributed energy storage resources that can be used to stabilize the grid locally. And also, if this power is produced using renewable energy sources, the overall reduction in the use of hydrocarbons is substantial.​

 

Energy storage technology

 

Energy storage technology refers to the process of converting energy from one form (mainly electrical energy) to a storable form and reserving it in various mediums; then the stored energy can be converted back into electrical energy when needed. Energy storage technology can be can be categorized into 10 types: 1) batteries, store energy as chemical reaction such as lead acid, Li-Ion, NiCD/NiMH, sodium sulfur (NaS) and Flow batteries (FBs), 2) electrochemical double-layer capacitors (EDLCs), energy is stored in the dielectric material in an electrostatic field, 3) regenerative fuel cells (FCs), store hydrogen as energy and then convert chemical energy in hydrogen and oxygen to electricity, 4) compressed air energy storage (CAES), store energy in a form of compressed air storing in a receiver tank, 5) Flywheel energy storage (FES), store energy in a rotatory mass, 6) superconductive magnetic energy storage (SMES), store electrical energy in the magnetic field generated by the Direct Current (DC) in the superconducting coil which has been cryogenically cooled to a temperature below its superconducting critical temperature. 7) Thermoelectric energy storage (TEES), use a synthetic oil or molten salt that stores energy in the form of heat collected by solar thermal power plants to be an energy source for generating electricity of thermoelectric, 8) pumped hydroelectric storage (PHS), the water is pumped into the higher level reservoir using an excess electricity during off-peak electricity demand hours, 9) thermal energy storage (TES), store available heat energy using different approaches in insulated repositories, 10) Hybrid electrical energy storage, refers to the integration of at least two different energy storage technologies into one system or application. Table 1 summarizes the characteristic parameters of different energy storage technologies.

 

Application of energy storage systems

 

Energy storage systems can improve the performance of several applications and are suitable for transport and utility-scale applications. Moreover they are the key factor that will determine the adoption of a technology, for example, electric vehicles (EVs). Fig. 1 shows the suitability of various energy storage systems for both transport and utility applications. In the case of transport applications, time and power ranges are from seconds to hundred of minutes and from tens of kilowatts to tens of megawatts, while in the case of utility-scale applications, time and power ranges are from tens of minutes to hours and from megawatts to gigawatts.

 

For utility or renewable energy integration, energy storage capacity, power output, and life cycle are key performance criteria. The need for long life cycle has motivated the use of storage systems from reversible physics such as compressed air energy storage or pumped hydro as an alternative to electrochemical batteries that present problems of ageing and are difficult to recycle. In transportation applications, portability, scalability, and energy and power density are key performance criteria. Therefore, due to their modularity and portability, and in spite of the numerous issues, including limited life, batteries are still considered the most viable option for transport applications. The main advantage of a storage plant is to contribute to the quality of the grid by maintaining the power constant and also increase the renewable energy sources penetration. However, with more penetration of intermittent renewable energy like wind power connecting to the grid, the system operation will be more complex, and it will require additional balancing between generation and demand. Such as, every 10% wind penetration, a balancing power from other generation sources equivalent to 2%–4% of the installed wind capacity is always required for a stable power system operation. This is critical in countries with a large penetration of solar and wind systems, as Denmark or Spain, where it is estimated that approximately 20% and 10% of the electricity generation come from wind power, respectively. In order to integrate renewable energy sources, it is necessary to propose a suitable storage system that offers capacities of several hours and power level from 1 to 100 MW. The concept of vehicle-to-grid (V2G) has been introduced. Electric or plugin hybrid vehicles can use as energy storage source that communicate with the power grid to sell demand respond services by delivering electricity into the grid. And also, electric vehicle can act as a controllable load when coupled to an electricity network. The market area in Fig. 1 for vehicle-to-grid (V2G) represents 1 million vehicles with 20–50-kWh capacity, where 10% of this capacity is available for utility applications.

[1] Xing Luo, Jihong Wang, Mark Dooner and Jonathan Clarke “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation”. Applied Energy vol.137 (2015) pp.511–536

[2] Sergio Vazquez, Srdjan M. Lukic, Eduardo Galvan, Leopoldo G. Franquelo and Juan M. Carrasco “Energy Storage Systems for Transport and Grid Applications”. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 12 (2010) pp.3881-3895

© 2018 Advance Industry Media Plus Co., Ltd. All Rights Reserved.​​

Advance Industry Media Plus Co., Ltd.
1104/339 Pattanakarn Road Suanluang, Suanluang, Bangkok, 10250 Thailand

Tel. +66 2136 1406-7

Fax. +66 2187 2899

www.aimplus.co.th   

info@aimplus.co.th​

Ms. Khemruji Pruankaewmanee

Tel: +66 2 136 1406-7
Email: khemruji@aimplus.co.th​

aimplus.co.th

Reader voices

Advertisers

Subscribe

ADVERTISE WITH US 

LINKS

FOLLOW US ON SOCIAL MEDIA

megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching
megatech magazine, industry 4.0 manufacturing, business matching