ไฮโดรเจนเทียบกับการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่สำหรับโครงการพลังงานระยะยาว

ไฮโดรเจนเทียบกับการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่สำหรับโครงการพลังงานระยะยาว

สำหรับทีมโครงการที่วางแผนระบบจัดเก็บพลังงานหมุนเวียน คำถามที่เหมาะสมมักไม่ใช่เพียงแค่ “ควรเลือกไฮโดรเจนหรือแบตเตอรี่?” โดยแยกพิจารณาอย่างเดียว แต่ควรพิจารณาว่าโครงการนั้นมีความต้องการในการใช้งานแบบหมุนเวียนรายวันอย่างมีประสิทธิภาพ ความทนทานข้ามหลายวัน การย้ายพลังงานตามฤดูกาล หรือต้องการทั้งสามอย่างรวมกัน ระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจน และระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ แก้ปัญหาคนละส่วนของโจทย์นี้ ดังนั้นการเปรียบเทียบที่น่าเชื่อถือจึงควรเริ่มจากการวิเคราะห์รูปแบบการใช้งาน (duty cycle) มากกว่าการพิจารณาเพียงตัวเลขประสิทธิภาพโดยรวม

จากมุมมองการประเมินโครงการในเชิงธุรกิจต่อธุรกิจ (B2B) แบตเตอรี่มักให้ผลดีที่สุดเมื่อต้องคืนพลังงานไฟฟ้าอย่างรวดเร็วและบ่อยครั้ง ส่วนไฮโดรเจนจะมีความเกี่ยวข้องมากขึ้นเมื่อมีพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินที่ต้องเก็บไว้ข้ามช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้น และเมื่อความจุพลังงานจำเป็นต้องเพิ่มขึ้นโดยไม่ต้องขยายขนาดอุปกรณ์แปลงกำลังไฟฟ้าตามสัดส่วน ดังนั้นทางออกที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับสถานที่จำนวนมากคือการใช้สถาปัตยกรรมแบบผสมผสาน ไม่ใช่การเลือกแบบเอาชนะฝ่ายเดียว

เริ่มต้นด้วยระยะเวลาการจัดเก็บและการรูปแบบการปล่อยพลังงานสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจน

การจัดเก็บพลังงานแบบระยะยาวมักหมายถึงระบบที่สามารถปล่อยพลังงานได้นานแปดชั่วโมงขึ้นไป คำนิยามนี้มีประโยชน์ แต่ยังกว้างเกินไปสำหรับการจัดซื้อจัดจ้าง ตัวอย่างเช่น ความต้องการสูงสุดในช่วงเย็นที่กินเวลาสี่ชั่วโมง เหตุการณ์สภาพอากาศที่กินเวลา 24 ชั่วโมง และช่วงที่แหล่งพลังงานหมุนเวียนผลิตไฟฟ้าต่ำติดต่อกันเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ ล้วนสร้างภาระที่แตกต่างกันอย่างมากต่อระบบ

• แบตเตอรี่: เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานซ้ำบ่อยครั้ง มีประสิทธิภาพสูง สำหรับการลดพีค การควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้า (ramp control) และการเลื่อนเวลาการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ภายในวันเดียวกัน
• ไฮโดรเจน: อาจเหมาะสมสำหรับการจัดเก็บพลังงานระยะหลายวันหรือยาวนานกว่านั้น การสนับสนุนฉุกเฉินที่เกิดขึ้นไม่บ่อยนัก และโครงการที่มีปริมาณพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินจำนวนมากซึ่งมิฉะนั้นจะถูกตัดทิ้ง (curtailed)
• ระบบไฮบริด: ใช้แบตเตอรี่สำหรับการตอบสนองอย่างรวดเร็ว และใช้ไฮโดรเจนสำหรับการรองรับความมั่นคงของพลังงานในระยะยาว

สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจน ต้องระบุจำนวนชั่วโมงที่คาดว่าจะปล่อยพลังงานได้ รวมทั้งจำนวนวันติดต่อกันที่คาดว่าจะมีการผลิตพลังงานจากแหล่งหมุนเวียนต่ำ สิ่งนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้ทีมโครงการนำเกณฑ์การประเมินแบตเตอรี่ที่ออกแบบสำหรับการใช้งานแบบวนซ้ำทุกวันมาประยุกต์ใช้กับความต้องการพลังงานสำรองซึ่งมีคุณค่าและวัตถุประสงค์ที่ต่างออกไป

ในสภาพแวดล้อมหลากหลายประเภท ระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจน โครงการ ไฟฟ้าส่วนเกินจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมจะจ่ายให้กับอิเล็กโทรไลเซอร์ เพื่อผลิตไฮโดรเจนเก็บไว้ และเซลล์เชื้อเพลิงหรือกระบวนการแปลงอื่นสามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าในภายหลัง ห่วงโซ่การเก็บพลังงานนี้ต้องใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมและขั้นตอนการแปลงพลังงานหลายขั้นตอน แต่ทำให้ระบบเก็บพลังงานแยกออกจากหน่วยผลิตไฟฟ้าอย่างชัดเจน การแยกนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อโครงการต้องการความจุพลังงานที่เก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนภาชนะแบตเตอรี่แบบซ้ำๆ

ประสิทธิภาพโดยรวมเอื้อประโยชน์ต่อแบตเตอรี่ แต่การเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนเปลี่ยนสมการของระยะเวลาในการเก็บพลังงาน

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบไป-กลับ (round-trip efficiency) เป็นตัวชี้วัดหลักสำหรับการเปรียบเทียบ ระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักเก็บรักษาส่วนใหญ่ของพลังงานไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไปได้ดีกว่าระบบที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นไฮโดรเจนแล้วแปลงกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกครั้ง การเปรียบเทียบระบบไฮโดรเจนแบบรีเจเนอเรทีฟ (regenerative-hydrogen) ที่เผยแพร่ไว้ระบุว่า ระบบที่อ้างอิงมีประสิทธิภาพแบบไป-กลับประมาณร้อยละ 30 ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีค่าอยู่ที่ร้อยละ 75–90; ประสิทธิภาพจริงขึ้นอยู่กับอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyser), วิธีการจัดเก็บ, การอัดแรงหรือการปรับสภาพก๊าซ, เซลล์เชื้อเพลิง, อุปกรณ์เสริม และจุดการทำงาน

ช่องว่างดังกล่าวหมายความว่า แบตเตอรี่มักเป็นทางเลือกที่ดีกว่าเมื่อพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนทุกเมกะวัตต์-ชั่วโมงมีปริมาณจำกัดและระบบจะถูกใช้งานซ้ำบ่อยครั้ง อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่ตัดสินโครงการที่ต้องการเก็บพลังงานระยะยาว หากมีพลังงานส่วนเกินราคาต่ำซึ่งมิฉะนั้นจะถูกตัดทิ้ง (curtailed) โครงการอาจให้คุณค่ากับการมีแหล่งพลังงานเคมีที่สามารถเก็บไว้ใช้ได้นานมากกว่าการกู้คืนพลังงานสูงสุด การเก็บก๊าซไฮโดรเจน ยังสามารถรองรับการมีพลังงานใช้งานได้ในช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้น ขณะที่ต้นทุนการติดตั้งแบตเตอรี่อาจมีความอ่อนไหวมากขึ้นเมื่อระยะเวลาการจ่ายไฟเพิ่มสูงขึ้น

เปรียบเทียบพื้นที่ใช้สอย ความสามารถในการขยายขนาด และข้อจำกัดของสถานที่สำหรับระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจน

ระบบแบตเตอรี่มีลักษณะแบบโมดูลาร์ และสามารถติดตั้งได้โดยตรงค่อนข้างง่ายสำหรับการใช้งานหลายประเภทที่สนับสนุนโครงข่ายไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม เมื่อระยะเวลาที่ต้องการให้จ่ายไฟเพิ่มขึ้น โครงการจะต้องเพิ่มความจุพลังงานของแบตเตอรี่ควบคู่ไปกับระบบจัดการความร้อน ระบบควบคุม ระบบความปลอดภัย และแผนการเปลี่ยนชิ้นส่วน สำหรับโครงการไฮโดรเจน จะมีข้อกำหนดเฉพาะของสถานที่เพิ่มเติม เช่น อุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyser) อุปกรณ์เก็บก๊าซไฮโดรเจน ส่วนประกอบสมดุลของระบบ (balance-of-plant) การออกแบบระบบระบายอากาศและระบบตรวจจับ รวมถึงอุปกรณ์แปลงพลังงานเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ข้อได้เปรียบของ การเก็บก๊าซไฮโดรเจน ไม่ใช่ว่าทุกไซต์จะง่ายขึ้น แต่เป็นเพราะกำลังไฟฟ้าและความจุพลังงานสามารถปรับขนาดได้ด้วยปัจจัยควบคุมที่แตกต่างกัน ผู้พัฒนาสามารถกำหนดขนาดของอิเล็กโทรไลเซอร์และบล็อกการผลิตพลังงานให้สอดคล้องกับอัตราการชาร์จและการจ่ายไฟที่คาดการณ์ไว้ จากนั้นประเมินความจุของระบบเก็บพลังงานแยกต่างหากตามระยะเวลาสำรองที่ต้องการ แนวทางนี้ควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษในกรณีที่ปัจจัยอย่างพื้นที่ โลจิสติกส์การจัดส่ง การลดการผลิตพลังงานหมุนเวียน (renewable curtailment) หรือข้อกำหนดด้านความทนทานทำให้การเก็บพลังงานแบบหลายวันกลายเป็นเป้าหมายในการออกแบบ

ตารางเปรียบเทียบโครงการเก็บพลังงานไฮโดรเจนจากพลังงานแสงอาทิตย์ กับโครงการแบตเตอรี่

สำหรับแต่ละกรณี ให้คำนวณต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยพลังงานที่ส่งมอบได้ (levelized cost of delivered energy) ตามระยะเวลาที่กำหนดไว้ โดยการจำลองระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์แบบไฮโดรเจน ต้องแยกพิจารณาอย่างชัดเจนทั้งด้านการจ่ายไฟฟ้า การสูญเสียจากการแปลงพลังงาน สภาพแวดล้อมการเก็บกัก และภาระงานในการแปลงกลับเป็นไฟฟ้า ส่วนระบบแบตเตอรี่ต้องจำลองโดยพิจารณาอัตราการชาร์จ-ปล่อย (cycle rate) ความจุที่ใช้งานได้ (usable capacity) การเสื่อมสภาพ (degradation) การเสริมกำลัง (augmentation) และสมมุติฐานเกี่ยวกับการเปลี่ยนชุดใหม่ (replacement) ตารางคำนวณที่ใช้เป้าหมายความน่าเชื่อถือ (reliability target) เดียวกันกับทั้งสองทางเลือก จะให้ประโยชน์มากกว่าการเปรียบเทียบเฉพาะเทคโนโลยี

เมื่อการจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมกว่า

การจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนควรอยู่ในรายการตัวเลือกเบื้องต้นเมื่อโครงการมีช่วงเวลาที่มีพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินซ้ำๆ กัน มีความต้องการพลังงานที่ใช้งานได้นานกว่าหนึ่งวัน และสามารถรองรับวิศวกรรมกระบวนการและวิศวกรรมความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งควรพิจารณาอย่างละเอียดเมื่อความทนทานของระบบวัดเป็นจำนวนวัน ไม่ใช่จำนวนชั่วโมง เมื่อเกิดการลดกำลังการผลิต (curtailment) อย่างมีน้ำหนัก หรือเมื่อไฮโดรเจนที่จัดเก็บไว้อาจมีมูลค่าในการใช้งานด้านพลังงานมากกว่าหนึ่งแบบ

ตัวอย่างเช่น ทีมที่ประเมินสถาปัตยกรรมแบบบูรณาการสามารถพิจารณา โซลูชันไมโครกริดแบบบูรณาการด้วยไฮโดรเจน เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับการเชื่อมต่อระหว่างการผลิตพลังงานหมุนเวียน การผลิตไฮโดรเจน การจัดเก็บไฮโดรเจน และโหลดภายในพื้นที่ สำหรับโครงการที่บล็อกการจัดเก็บเป็นคำถามสำคัญด้านการออกแบบ หน่วยเก็บกักไฮโดรเจนขนาดใหญ่ สามารถช่วยกำหนดกรอบการทำงานด้านการจัดเก็บทางกายภาพ ลิงก์เหล่านั้นระบุหมวดหมู่ผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง แต่ขนาดสุดท้ายและสมรรถนะควรตรวจสอบให้สอดคล้องกับผลการศึกษาโหลดของโครงการและข้อกำหนดด้านวิศวกรรม

ใช้การออกแบบแบบไฮบริดเมื่อระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนตอบสนองความต้องการที่มีสองระดับเวลา

กฎการตัดสินใจที่มีประโยชน์สำหรับระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนคือ การจัดแบ่งภาระการใช้พลังงานออกเป็นสองชั้น ได้แก่ ชั้นเร็วและชั้นยาว แบตเตอรี่สามารถจัดการกับความแปรผันในช่วงไม่กี่วินาทีถึงไม่กี่ชั่วโมง และการเลื่อนจุดสูงสุดของการใช้พลังงานรายวัน ในขณะที่ไฮโดรเจนสามารถประเมินเพื่อใช้จัดการเหตุการณ์ขาดแคลนที่เกิดขึ้นไม่บ่อยแต่มีผลกระทบอย่างมากซึ่งกินเวลานานหลายวัน วิธีนี้จะหลีกเลี่ยงการเลือกเทคโนโลยีเพียงชนิดเดียวที่มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็นจนทำหน้าที่ได้ไม่ดีในทุกสถานการณ์

1. สร้างแบบจำลองการผลิตพลังงานหมุนเวียนและการใช้พลังงานตามชั่วโมง ครอบคลุมอย่างน้อยหนึ่งปีที่เป็นตัวแทน
2. ระบุระยะเวลา ความถี่ และระดับกำลังไฟฟ้าของเหตุการณ์ขาดแคลน
3. กำหนดราคาพลังงานที่ถูกตัดทอนแยกต่างหากจากพลังงานที่ซื้อเข้ามา
4. จำลองสมมุติฐานเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพและการเปลี่ยนแบตเตอรี่ควบคู่ไปกับความพร้อมใช้งานและแผนบำรุงรักษาอุปกรณ์ไฮโดรเจน
5. ทบทวนข้อกำหนดด้านความปลอดภัย การขอใบอนุญาต การจัดหาแหล่งน้ำ การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า และบุคลากรปฏิบัติการ ก่อนเลือกแนวทางการจัดเก็บพลังงาน

นอกจากนี้ ยังต้องกำหนดความหมายของคำว่า “พร้อมใช้งาน” ระหว่างเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นต่อเนื่องเป็นเวลานาน หากจุดประสงค์ของการจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนคือการรับประกันความต่อเนื่องในการให้บริการในภาวะฉุกเฉิน ควรทดสอบระยะเวลาเริ่มต้นการใช้งาน ปริมาณสำรองขั้นต่ำ ช่วงเวลาที่สามารถหยุดเพื่อซ่อมบำรุง และโหลดที่มีลำดับความสำคัญสูงสุดซึ่งระบบจำเป็นต้องสนับสนุน หากจุดประสงค์คือการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานหมุนเวียน ควรประเมินมูลค่าของพลังงานที่ไม่ถูกตัดทอน (avoided curtailment) และความถี่ที่พลังงานที่จัดเก็บไว้ถูกปล่อยใช้งานจริง สถานการณ์เหล่านี้มักนำไปสู่การออกแบบแบบผสมผสาน แม้ว่าเทคโนโลยีใดเทคโนโลยีหนึ่งอาจดูมีราคาถูกกว่าเมื่อพิจารณาจากต้นทุนการติดตั้งเพียงอย่างเดียว

สรุป: เลือกระบบจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนตามความต้องการในการให้บริการ

โดยทั่วไป แบตเตอรี่มักเป็นตัวเลือกแรกเมื่อโครงการต้องการประสิทธิภาพสูงและการใช้งานแบบชาร์จ-คายพลังงานบ่อยครั้งในช่วงเวลาสั้นถึงปานกลาง ส่วนระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนจะมีความน่าสนใจมากขึ้นเมื่อโครงการจำเป็นต้องเก็บพลังงานหมุนเวียนไว้ใช้ในระยะเวลานานกว่านั้น หรือเมื่อต้องแยกพิจารณาความจุพลังงาน (energy capacity) กับความจุกำลัง (power capacity) เป็นปัจจัยการออกแบบคนละด้าน หรือเมื่อต้องสร้างแหล่งสำรองที่มีความทนทานรอบๆ การผลิตพลังงานที่มิได้ใช้งานเต็มที่ (curtailed generation) สำหรับระบบเก็บพลังงานหมุนเวียนหลายระบบ การออกแบบที่ผสานกันระหว่างแบตเตอรี่กับไฮโดรเจนอย่างกลมกลืนสามารถมอบหมายหน้าที่แต่ละอย่างให้กับเทคโนโลยีที่เหมาะสมที่สุดในการปฏิบัติงานนั้นๆ