บทความนี้แปลและเรียบเรียงจาก Solar Integration: Solar Energy and Storage Basics ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Energy) ซึ่งระบุว่าข้อมูลของรัฐบาลบนเว็บไซต์เป็นสาธารณสมบัติ (public domain) และขอให้อ้างอิงแหล่งที่มา ส่วนที่เป็นหมายเหตุของ DIYSOLARCELL เขียนแยกไว้ท้ายบทความ
บางครั้งสองอย่างก็ดีกว่าอย่างเดียว การใช้พลังงานแสงอาทิตย์คู่กับเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานคือหนึ่งในกรณีนั้น เหตุผลคือ พลังงานแสงอาทิตย์ไม่ได้ผลิตได้ตรงกับช่วงที่ต้องการใช้ไฟมากที่สุดเสมอไป ความต้องการไฟฟ้าสูงสุดมักเกิดช่วงบ่ายและหัวค่ำของฤดูร้อน ซึ่งเป็นช่วงที่การผลิตไฟจากแสงอาทิตย์กำลังลดลง เวลานั้นอากาศมักร้อนที่สุด และคนที่ทำงานกลางวันก็กลับถึงบ้าน เริ่มใช้ไฟเปิดเครื่องปรับอากาศ ทำอาหาร และใช้เครื่องใช้ไฟฟ้า
ระบบกักเก็บพลังงานช่วยให้โซล่าเซลล์ยังจ่ายไฟเข้าระบบได้แม้ตอนไม่มีแดด และช่วยลดความผันผวนของไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่ไหลเข้าโครงข่าย ความผันผวนนี้เกิดจากปริมาณแสงที่ตกกระทบแผงโซล่าเซลล์ (PV) หรือระบบผลิตไฟฟ้าจากความร้อนแสงอาทิตย์แบบรวมแสง (CSP) ที่เปลี่ยนไป การผลิตไฟจากแสงอาทิตย์ได้รับผลจากฤดูกาล ช่วงเวลาของวัน เมฆ ฝุ่น หมอกควัน หรือสิ่งบดบังอย่างเงา ฝน หิมะ และคราบสกปรก บางครั้งระบบกักเก็บพลังงานติดตั้งร่วมหรืออยู่ติดกับระบบโซล่าเซลล์ บางครั้งก็ตั้งอยู่แยกต่างหาก แต่ไม่ว่าแบบไหนก็ช่วยให้พลังงานแสงอาทิตย์เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของระบบพลังงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ระบบกักเก็บพลังงานคืออะไร
“การกักเก็บพลังงาน” หมายถึงเทคโนโลยีที่รับไฟฟ้าเข้ามา เก็บไว้ในรูปพลังงานแบบอื่น (เคมี ความร้อน หรือกล) แล้วปล่อยออกมาใช้เมื่อต้องการ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือตัวอย่างหนึ่ง แม้การกักเก็บพลังงานจะไม่มีวันมีประสิทธิภาพ 100% เพราะต้องสูญเสียพลังงานบางส่วนเสมอระหว่างการแปลงพลังงานและการดึงกลับมาใช้ แต่ก็ทำให้ใช้พลังงานได้ยืดหยุ่นในเวลาที่ต่างจากตอนที่ผลิต การกักเก็บพลังงานจึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของระบบ และช่วยให้คุณภาพไฟฟ้าดีขึ้นด้วยการทำให้การผลิตกับการใช้สอดคล้องกัน
ระบบกักเก็บพลังงานแต่ละแบบต่างกันทั้งความจุพลังงาน คือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่เก็บได้ (มักวัดเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมงหรือเมกะวัตต์ชั่วโมง) และกำลังไฟฟ้า คือปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาได้ในช่วงเวลาหนึ่ง (มักวัดเป็นกิโลวัตต์หรือเมกะวัตต์) ความจุพลังงานและกำลังไฟฟ้าที่ต่างกันเหมาะกับงานต่างกัน การกักเก็บระยะสั้นเพียงไม่กี่นาทีช่วยให้โรงไฟฟ้าแสงอาทิตย์ทำงานได้ราบรื่นเมื่อกำลังผลิตแกว่งเพราะเมฆลอยผ่าน ส่วนการกักเก็บระยะยาวช่วยจ่ายไฟได้นานหลายวันหรือหลายสัปดาห์ในช่วงที่ผลิตไฟจากแสงอาทิตย์ได้น้อย หรือระหว่างเกิดสภาพอากาศรุนแรง
ข้อดีของการใช้โซล่าเซลล์คู่กับระบบกักเก็บพลังงาน
ปรับสมดุลการใช้ไฟ – ถ้าไม่มีระบบกักเก็บ ไฟฟ้าต้องผลิตและใช้ในเวลาเดียวกัน ผู้ดูแลโครงข่ายไฟฟ้าจึงอาจต้องตัดการผลิตบางส่วนออก หรือที่เรียกว่า “curtail” เพื่อไม่ให้ผลิตเกินและกระทบความมั่นคงของระบบ ในทางกลับกัน บางช่วง เช่น หลังพระอาทิตย์ตกหรือวันที่ฟ้าครึ้ม ผลิตไฟจากแสงอาทิตย์ได้น้อยแต่ความต้องการใช้ไฟยังสูง ระบบกักเก็บพลังงานเข้ามาช่วยตรงนี้ โดยชาร์จเก็บไว้ตอนผลิตได้มากและใช้น้อย แล้วจ่ายออกเมื่อความต้องการใช้ไฟสูง เมื่อไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งถูกเก็บไว้ ก็นำมาใช้ได้ทุกเมื่อที่ผู้ดูแลโครงข่ายต้องการ รวมถึงหลังพระอาทิตย์ตก ระบบกักเก็บพลังงานจึงเปรียบเหมือนประกันภัยของแสงแดด
ทำให้ไฟจากแสงอาทิตย์ “นิ่ง” – การกักเก็บระยะสั้นช่วยไม่ให้การผลิตที่เปลี่ยนเร็ว ๆ กระทบกำลังผลิตของโรงไฟฟ้าแสงอาทิตย์มากเกินไป เช่น แบตเตอรี่ขนาดเล็กช่วยประคองช่วงที่การผลิตสะดุดสั้น ๆ เพราะเมฆลอยผ่าน ทำให้โครงข่ายรักษาการจ่ายไฟที่ “นิ่ง” เชื่อถือได้ และสม่ำเสมอ
เพิ่มความพร้อมรับเหตุฉุกเฉิน – โซล่าเซลล์คู่กับระบบกักเก็บพลังงานจ่ายไฟสำรองได้เมื่อไฟฟ้าขัดข้อง ช่วยให้สถานที่สำคัญยังทำงานต่อได้ และบริการจำเป็น เช่น การสื่อสาร ไม่หยุดชะงัก ยังใช้กับไมโครกริด และงานขนาดเล็ก เช่น ชุดจ่ายไฟเคลื่อนที่หรือแบบพกพาได้ด้วย
ประเภทของระบบกักเก็บพลังงาน
ระบบกักเก็บพลังงานที่พบมากที่สุดในโครงข่ายไฟฟ้าคือโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ แต่เทคโนโลยีที่ใช้คู่กับโรงไฟฟ้าแสงอาทิตย์บ่อยที่สุดคือ การกักเก็บเชิงไฟฟ้าเคมี (แบตเตอรี่) คู่กับโรงไฟฟ้า PV และการกักเก็บความร้อน (ของไหล) คู่กับโรงไฟฟ้า CSP ระบบกักเก็บแบบอื่น เช่น อากาศอัดและล้อตุนกำลัง อาจมีจุดเด่นต่างกัน เช่น ปล่อยพลังงานได้เร็วมาก หรือมีความจุสูงมาก ซึ่งน่าสนใจสำหรับผู้ดูแลโครงข่ายไฟฟ้า รายละเอียดของแต่ละแบบมีดังนี้
โรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ (Pumped-Storage Hydropower)
เป็นเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่ใช้น้ำ เมื่อความต้องการใช้ไฟต่ำ จะใช้ไฟฟ้าสูบน้ำขึ้นไปเก็บในอ่างเก็บน้ำที่อยู่สูง เมื่อความต้องการใช้ไฟสูง ก็ปล่อยน้ำไหลกลับลงมาหมุนกังหันผลิตไฟฟ้า พลังน้ำแบบสูบกลับเป็นเทคโนโลยีที่ผ่านการพิสูจน์และใช้งานมานาน ในสหรัฐอเมริกาใช้มาตั้งแต่ปี 1929 แต่ต้องมีภูมิประเทศและอ่างเก็บน้ำที่เหมาะสม ซึ่งอาจเป็นทะเลสาบธรรมชาติหรือสร้างขึ้นด้วยการสร้างเขื่อน ต้องขอใบอนุญาตที่ใช้เวลานาน ใช้เวลาก่อสร้างนาน และใช้เงินลงทุนเริ่มต้นสูง นอกจากการซื้อขายพลังงานตามช่วงราคาแล้ว คุณค่าของบริการที่ช่วยรองรับพลังงานหมุนเวียนซึ่งผลิตได้ไม่สม่ำเสมอยังไม่ได้รับการตีมูลค่าเต็มที่ ทำให้คืนทุนช้า นี่คือเหตุผลส่วนหนึ่งที่ช่วงหลังไม่ค่อยมีการสร้างใหม่ แม้จะเห็นความสนใจจากคำขอใบอนุญาตเบื้องต้นที่ยื่นต่อคณะกรรมการกำกับกิจการพลังงานของรัฐบาลกลางสหรัฐฯ (FERC)
การกักเก็บเชิงไฟฟ้าเคมี (แบตเตอรี่)
หลายคนคุ้นเคยกับแบตเตอรี่เชิงไฟฟ้าเคมีอยู่แล้ว เช่น แบตเตอรี่ในโน้ตบุ๊กและโทรศัพท์มือถือ เมื่อจ่ายไฟเข้าแบตเตอรี่ จะเกิดปฏิกิริยาเคมีและพลังงานถูกเก็บไว้ เมื่อแบตเตอรี่คายประจุ ปฏิกิริยาเคมีจะย้อนกลับ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว และมีกระแสไหลออกจากแบตเตอรี่ เคมีของเซลล์แบตเตอรี่ที่พบมากที่สุดคือลิเธียมไอออน แต่ก็มีแบบอื่นที่ใช้กันทั่วไป เช่น ตะกั่วกรด โซเดียม และแบบนิกเกิล
การกักเก็บพลังงานความร้อน
การกักเก็บพลังงานความร้อนคือกลุ่มเทคโนโลยีที่ใช้ของไหล เช่น น้ำหรือเกลือหลอมเหลว หรือวัสดุอื่น เก็บความร้อนไว้ในถังที่หุ้มฉนวนจนกว่าจะต้องใช้ พลังงานนี้นำไปใช้ทำความร้อนหรือความเย็นได้โดยตรง หรือใช้ผลิตไฟฟ้า ในระบบที่ใช้ผลิตไฟฟ้า ความร้อนจะใช้ต้มน้ำ ไอน้ำที่ได้ไปขับกังหันและผลิตไฟฟ้าด้วยอุปกรณ์แบบเดียวกับโรงไฟฟ้าทั่วไป การกักเก็บความร้อนมีประโยชน์กับโรงไฟฟ้า CSP ซึ่งรวมแสงอาทิตย์ไปที่ตัวรับแสงเพื่อให้ความร้อนกับของไหลทำงาน ขณะนี้มีการศึกษาคาร์บอนไดออกไซด์ในสภาวะวิกฤตยิ่งยวด (supercritical CO₂) เป็นของไหลทำงาน ซึ่งอาจใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิที่สูงขึ้นและช่วยลดขนาดโรงไฟฟ้า
ล้อตุนกำลัง (Flywheel)
ล้อตุนกำลังคือล้อหนักที่ติดกับเพลาหมุน การใส่พลังงานเข้าไปทำให้ล้อหมุนเร็วขึ้น เมื่อต้องการดึงพลังงานออกมา ก็ต่อล้อเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งใช้แม่เหล็กไฟฟ้าหน่วงให้ล้อหมุนช้าลงและผลิตไฟฟ้าออกมา ล้อตุนกำลังจ่ายไฟได้รวดเร็ว แต่เก็บพลังงานได้ไม่มาก
การกักเก็บด้วยอากาศอัด
ระบบนี้ใช้ภาชนะขนาดใหญ่ เช่น ถัง หรือโครงสร้างทางธรรมชาติ เช่น ถ้ำ เครื่องอัดอากาศจะอัดอากาศแรงดันสูงเข้าไปจนเต็ม จากนั้นปล่อยอากาศออกมาขับกังหันผลิตไฟฟ้า ระบบอากาศอัดที่มีอยู่ในปัจจุบันมักนำอากาศที่ปล่อยออกมาไปใช้เป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรผลิตไฟฟ้าด้วยก๊าซธรรมชาติ
เชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์
พลังงานแสงอาทิตย์ใช้สร้างเชื้อเพลิงชนิดใหม่ที่นำไปเผาไหม้หรือใช้เป็นพลังงานได้ ซึ่งเท่ากับเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในพันธะเคมี เชื้อเพลิงที่นักวิจัยกำลังศึกษา เช่น ไฮโดรเจน ซึ่งได้จากการแยกออกจากออกซิเจนในน้ำ และมีเทน ซึ่งได้จากการรวมไฮโดรเจนกับคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทนเป็นองค์ประกอบหลักของก๊าซธรรมชาติ ซึ่งใช้ผลิตไฟฟ้าหรือให้ความร้อนในบ้านกันทั่วไป
การกักเก็บแบบเสมือน
เรายังเก็บพลังงานได้ด้วยการเปลี่ยนวิธีใช้อุปกรณ์ที่มีอยู่แล้ว เช่น ทำความร้อนหรือความเย็นให้อาคารล่วงหน้าก่อนช่วงที่คาดว่าความต้องการไฟจะพุ่งสูง อาคารจะ “เก็บ” พลังงานความร้อนนั้นไว้ จึงไม่ต้องใช้ไฟในช่วงหลังของวัน ตัวอาคารทำหน้าที่เหมือนกระติกน้ำที่เก็บอากาศเย็นหรืออุ่นไว้ วิธีคล้ายกันนี้ใช้กับเครื่องทำน้ำร้อนได้ เพื่อกระจายการใช้ไฟออกไปตลอดวัน
สุดท้ายแล้ว ทั้งผู้ใช้โซล่าเซลล์ในบ้านและธุรกิจ ไปจนถึงการไฟฟ้าและผู้ประกอบการโซล่าเซลล์ขนาดใหญ่ ต่างได้ประโยชน์จากระบบโซล่าเซลล์คู่กับระบบกักเก็บพลังงาน เมื่อการวิจัยก้าวหน้าขึ้น และต้นทุนพลังงานแสงอาทิตย์กับระบบกักเก็บลดลง ระบบเหล่านี้จะเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับชาวอเมริกันทุกคน
หมายเหตุจาก DIYSOLARCELL
บทความต้นฉบับเขียนถึงระบบไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกา บางส่วน เช่น ประวัติโรงไฟฟ้าสูบกลับและหน่วยงาน FERC จึงเป็นข้อมูลของสหรัฐฯ สำหรับบ้านในไทย การใช้โซล่าเซลล์คู่กับแบตเตอรี่มักอยู่ในรูประบบไฮบริดหรือระบบออฟกริด ซึ่งอ่านตัวอย่างการใช้งานจริงได้ที่ รีวิวชุดนอนไร่นอนสวน Solarcell Hybrid off grid 1.6kW และ รู้จักกับโซล่าเซลล์ระบบออฟกริด ส่วนบ้านที่สนใจขายไฟส่วนเกินคืนการไฟฟ้า อ่านเงื่อนไขล่าสุดได้ที่ ไทม์ไลน์นโยบายโซลาร์รูฟท็อปไทย