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