เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว: ไฮโดรเจนเข้ากันได้อย่างไรกับระบบอื่น ๆ

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว: ไฮโดรเจนเข้ากันได้อย่างไรกับระบบอื่น ๆ

โครงการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนต้องการความยืดหยุ่นมากกว่าเพียงไม่กี่ชั่วโมงอย่างต่อเนื่อง เมื่อปริมาณการผลิตจากลมหรือแสงอาทิตย์กับความต้องการโหลดไม่สอดคล้องกันภายในหนึ่งวัน ผู้วางแผนจำเป็นต้องเปรียบเทียบ เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานแบบระยะเวลานาน ในเชิงระบบโดยรวม แทนที่จะเลือกอุปกรณ์ใดอุปกรณ์หนึ่งแยกต่างหาก ไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่พิจารณาได้ แต่ไม่ใช่ทางเลือกทดแทนแบตเตอรี่ ระบบเก็บพลังงานความร้อน หรือโครงการเก็บพลังงานด้วยวิธีปั๊มน้ำทุกชนิด

มุมมองด้านการผสานระบบเข้าด้วยกันแล้ว คำถามที่มีประโยชน์ไม่ใช่ “เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานใดจะชนะ?” แต่คือ “โครงการนี้ต้องรองรับระยะเวลาในการจ่ายไฟ ลักษณะของกำลังไฟ ภาวะแวดล้อมของสถานที่ และการใช้งานปลายทางอย่างไร?” กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Energy) นิยามระบบจัดเก็บพลังงานระยะเวลานานว่าเป็นระบบที่สามารถจ่ายไฟฟ้าได้นานตั้งแต่ 10 ชั่วโมงขึ้นไป เกณฑ์นี้มีประโยชน์สำหรับการคัดกรองเบื้องต้น แต่ไม่ได้ทำให้การจับคู่เทคโนโลยีกับขอบเขตการปฏิบัติงานเป็นสิ่งที่ไม่จำเป็น

เริ่มต้นจากการระบุบริการที่ระบบจัดเก็บพลังงานต้องให้

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานแบบระยะเวลานานทำหน้าที่ต่างกัน บางระบบปรับสมดุลผลผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ให้คงที่จนถึงช่วงเย็น บางระบบรองรับช่วงเวลาที่มีแหล่งพลังงานหมุนเวียนต่ำติดต่อกันหลายวัน อีกระบบหนึ่งเก็บพลังงานข้ามฤดูกาล หรือแปลงพลังงานส่วนเกินเป็นเชื้อเพลิงที่สามารถใช้ผลิตไฟฟ้า ความร้อน หรือตอบสนองความต้องการภาคอุตสาหกรรมในภายหลัง ทีมโครงการควรกำหนดระยะเวลาปล่อยพลังงานที่จำเป็นก่อนเปรียบเทียบอุปกรณ์

• การเลื่อนพลังงานภายในวัน: ย้ายพลังงานในช่วงไม่กี่ชั่วโมงเพื่อจัดการรูปแบบการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หรือรูปแบบการใช้พลังงานรายวัน
• ความทนทานระหว่างวัน: รองรับช่วงเวลาประมาณ 10 ถึง 36 ชั่วโมง เมื่อสภาพอากาศหรือความต้องการพลังงานก่อให้เกิดความไม่สอดคล้องกันเป็นเวลานานขึ้น
• การดำเนินงานหลายวัน: จัดการช่วงเวลาที่อาจยาวนานตั้งแต่ประมาณ 36 ถึง 160 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับนิยามของโครงการ
• การเลื่อนพลังงานข้ามฤดูกาล: เก็บพลังงานเป็นระยะเวลานานมาก โดยปัจจัยสำคัญคือความจุพลังงาน สถานที่ตั้ง และการสูญเสียพลังงานจากการแปลง

กรอบแนวคิดนี้ช่วยป้องกันข้อผิดพลาดทั่วไป คือ การประเมินทุกระบบด้วยเกณฑ์เดียวกัน ldes technologies ตามเกณฑ์ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบไป-กลับ หรือเวลาตอบสนองที่เท่ากัน ตัวชี้วัดเหล่านี้มีความสำคัญ แต่ไม่สามารถอธิบายคุณค่าของการมีพลังงานที่เชื่อถือได้หลังจากช่วงที่แหล่งพลังงานหมุนเวียนขาดแคลนเป็นเวลานานได้เพียงลำพัง

เมื่อพิจารณาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว ให้คงลำดับการคัดกรองไว้อย่างชัดเจน คือ ความจุในการจัดเก็บก่อน รูปแบบการส่งมอบพลังงานรองลงมา และข้อจำกัดด้านสถานที่และการบูรณาการตามลำดับสุดท้าย วิธีนี้จะทำให้การเปรียบเทียบมีประโยชน์มากกว่าการจัดอันดับเพียงแบบเดียวที่เน้นเฉพาะหัวข้อหลัก

ความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาวหลักๆ

การเปรียบเทียบอย่างเป็นรูปธรรมเริ่มต้นด้วยสื่อเก็บพลังงานและสถานที่ ระบบกักเก็บพลังงานแบบน้ำไหลผ่านกังหัน (pumped hydro) สามารถให้ความจุพลังงานขนาดใหญ่ได้ในพื้นที่ที่มีลักษณะภูมิประเทศ เข้าถึงแหล่งน้ำ ได้รับใบอนุญาต และสามารถดำเนินงานก่อสร้างได้ตามเงื่อนไขที่เหมาะสม ระบบกักเก็บพลังงานด้วยอากาศอัด (compressed-air systems) ขึ้นอยู่กับสภาพทางธรณีวิทยาหรือโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อการเก็บพลังงานอย่างเหมาะสม ระบบเก็บพลังงานความร้อน (thermal storage) เหมาะสำหรับกระบวนการที่ใช้ความร้อนโดยตรง หรือสามารถรองรับเส้นทางการแปลงพลังงานจากไฟฟ้าเป็นความร้อนแล้วกลับเป็นไฟฟ้าอีกครั้ง แบตเตอรี่แบบไหล (flow batteries) สามารถนำมาประเมินผลได้ในกรณีที่ต้องการปล่อยพลังงานไฟฟ้านานๆ และต้องการปรับขนาดกำลังไฟฟ้าและพลังงานได้อย่างอิสระต่อกัน

การจัดเก็บพลังงานจากไฮโดรเจนเพิ่มอีกทางเลือกหนึ่ง คือ ใช้ไฟฟ้าผลิตไฮโดรเจน จัดเก็บไฮโดรเจนไว้ จากนั้นแปลงกลับเป็นไฟฟ้าในภายหลัง หรือส่งไปใช้ประโยชน์อื่นที่เหมาะสม ซึ่งทำให้เกิดคำถามเชิงระบบโดยรวมที่กว้างกว่าการเปรียบเทียบเฉพาะแบตเตอรี่เท่านั้น ห่วงโซ่การแปลงพลังงานนี้ประกอบด้วย การจ่ายไฟฟ้า การทำงานของอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer) การจัดเก็บไฮโดรเจน อินเทอร์เฟซของระบบสมดุล (balance-of-plant) และหากต้องการไฟฟ้าในภายหลัง ก็ต้องมีเส้นทางการแปลงกลับด้วย ทั้งนี้ แต่ละองค์ประกอบควรประเมินภายใต้สมมุติฐานภาระงาน (load assumptions) ที่เหมือนกัน

สำหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว (LDES) มุมมองภาพรวมของพอร์ตโฟลิโอช่วยชี้ชัดว่าสินทรัพย์ใดจำเป็นต้องทำงานซ้ำบ่อยครั้ง และสินทรัพย์ใดเพียงแต่ต้องพร้อมใช้งานเท่านั้น ความแตกต่างนี้มีความสำคัญยิ่งเมื่อเปรียบเทียบอุปกรณ์ที่เน้นกำลังไฟฟ้า (power-oriented equipment) กับโครงสร้างพื้นฐานที่เน้นความจุพลังงาน (energy-capacity-oriented infrastructure)

ตำแหน่งของไฮโดรเจนในพอร์ตโฟลิโอการจัดเก็บพลังงานระยะยาว

ไฮโดรเจนคุ้มค่าที่จะประเมินเมื่อคำถามเกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานขยายออกไปไกลกว่าการปรับสมดุลระยะสั้นในแต่ละวัน บทบาทของไฮโดรเจนจะมีความเกี่ยวข้องมากขึ้นเมื่อโครงการต้องดูดซับผลผลิตพลังงานหมุนเวียนที่ผันแปร รักษาพลังงานไว้ให้พร้อมใช้งานเป็นช่วงเวลาที่ยาวนาน หรือเชื่อมโยงพลังงานที่จัดเก็บไว้กับกระบวนการที่ใช้ไฮโดรเจน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไฮโดรเจนสามารถเป็นส่วนหนึ่งของพอร์ตโฟลิโอได้ เพราะมันสามารถเชื่อมโยงการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเข้ากับการวางแผนเชื้อเพลิง อุตสาหกรรม หรือไมโครกริด — ไม่ใช่เพราะมันควรสมมุติว่าจะแทนที่สินทรัพย์ที่มีระยะเวลาการจัดเก็บสั้นกว่านั้นทั้งหมด

สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานหมุนเวียน ไฮโดรเจนสมควรได้รับการประเมินอย่างเป็นระบบเมื่อเงื่อนไขหลายประการเกิดขึ้นพร้อมกัน:

1. มีการผลิตพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินเป็นช่วง ๆ ซึ่งไม่สามารถนำไปใช้กับความต้องการไฟฟ้าในระยะใกล้ได้ทั้งหมด
2. ระยะเวลาที่ต้องการในการจัดเก็บอาจยืดออกไปจากไม่กี่ชั่วโมงไปสู่หลายวันหรือยาวนานกว่านั้น
3. มีการใช้ไฮโดรเจนปลายทางที่น่าเชื่อถือ มีแผนแปลงกลับเป็นพลังงาน หรือมีการประยุกต์ใช้ในไมโครกริดแบบขั้นตอน
4. โครงการสามารถกำหนดขอบเขตการเชื่อมต่อสำหรับคุณภาพของพลังงาน แหล่งน้ำ การจัดเก็บ ระบบควบคุม และการปฏิบัติงานอย่างปลอดภัยได้
5. แบบจำลองเศรษฐกิจเปรียบเทียบขอบเขตของระบบทั้งระบบ แทนที่จะพิจารณาเพียงราคาของส่วนประกอบเดียว

การพิจารณาอย่างละเอียดมักเปลี่ยนแปลงการอภิปราย ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรไลเซอร์อาจถูกออกแบบให้มีขนาดสอดคล้องกับปริมาณพลังงานหมุนเวียนที่มีอยู่ ในขณะที่เส้นทางการจัดเก็บพลังงานจะถูกออกแบบให้สอดคล้องกับช่วงเวลาที่ต้องส่งมอบพลังงานและข้อจำกัดเฉพาะสถานที่ หากโครงการต้องการเพียงการเลื่อนจุดสูงสุดของโหลดในช่วงเย็นซ้ำๆ กัน อาจมีเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาวอื่นๆ ที่เหมาะสมกว่า แต่หากโครงการต้องรักษาความยืดหยุ่นไว้ในช่วงที่มีช่องว่างอันเนื่องจากสภาพอากาศเป็นเวลานาน หรือต้องประสานงานกับภาระงานไฮโดรเจน ไฮโดรเจนจึงอาจจำเป็นต้องผ่านการวิเคราะห์เชิงวิศวกรรมอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ดังนั้น ไฮโดรเจนจึงถูกประเมินในฐานะหนึ่งในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว ซึ่งทำหน้าที่เป็นเส้นทางในการแปลง พลังงาน เก็บพลังงาน และส่งมอบพลังงาน ไฮโดรเจนควรได้รับการเปรียบเทียบภายใต้สมมุติฐานของโครงการเดียวกันกับตัวเลือกอื่นๆ โดยยังคงรักษาคุณค่าเฉพาะตัวไว้ในกรณีที่ไฮโดรเจนเองมีประโยชน์ใช้สอยโดยตรง

ประเมินเส้นทางไฮโดรเจนในฐานะระบบที่รวมเข้าด้วยกัน

การตัดสินใจเกี่ยวกับการจัดเก็บไฮโดรเจนควรทำโดยใช้แผนที่ระบบ เริ่มต้นด้วยแหล่งพลังงาน: ความแปรปรวนของแหล่งพลังงาน ความเสี่ยงจากการตัดกำลังไฟฟ้า (curtailment) และชั่วโมงการทำงานที่คาดไว้ จากนั้นกำหนดผลลัพธ์ที่ต้องการ: ไฟฟ้า ไฮโดรเจนสำหรับจ่ายใช้งาน ความร้อน ความสามารถในการสำรองพลังงาน หรือการผสมผสานของสิ่งเหล่านี้ สุดท้าย ระบุเส้นทางการจัดเก็บและระบบควบคุมการปฏิบัติงานที่จำเป็นเพื่อเชื่อมโยงจุดต่าง ๆ เหล่านั้น

แทนที่จะมุ่งเน้นเพียงตัวเลขเด่นหนึ่งตัว ให้บันทึกสมมุติฐานที่อยู่เบื้องหลังการแปลงพลังงาน ระยะเวลาการจัดเก็บ แรงดันหรือสภาวะของการจ่ายส่ง และการใช้งานขั้นปลาย การทบทวนการผสานระบบควรชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่า ณ จุดใดยังต้องการข้อมูลจากการวัดจริง ข้อมูลจากผู้จัดจำหน่าย หรือการศึกษาภาคสนามที่สถานที่จริง ซึ่งเรื่องนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษต่อ ldes technologies โครงการที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน ซึ่งมูลค่าของโครงการอาจขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่สามารถหลีกเลี่ยงการตัดกำลังไฟฟ้าได้ ความต้องการด้านความยืดหยุ่น (resilience) การใช้โครงสร้างพื้นฐาน และช่วงเวลาที่ความต้องการเกิดขึ้น

สำหรับทีมงานที่ประเมินเส้นทางไฮโดรเจนในระยะยาว Hyto Energy ให้บริการ โครงการเก็บพลังงานระยะยาว เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับข้อกำหนดของระบบจัดเก็บพลังงาน ทั้งนี้ การกำหนดค่าที่เหมาะสมยังขึ้นอยู่กับขอบเขตของโครงการและเงื่อนไขการปฏิบัติงานที่ได้รับการยืนยันแล้ว

ในบรรดาเทคโนโลยีจัดเก็บพลังงานระยะยาว ไฮโดรเจนจำเป็นต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษต่อการเชื่อมต่อ เนื่องจากประสิทธิภาพของมันขึ้นอยู่กับระบบที่เชื่อมโยงกัน มากกว่าเพียงแค่ภาชนะสำหรับจัดเก็บเท่านั้น คำนิยามของโครงการควรระบุว่าจะมีการวัดและตรวจสอบสิ่งใดที่แต่ละจุดเชื่อมต่อ

รายการตรวจสอบการตัดสินใจสำหรับการผสมผสานเทคโนโลยี

การวางแผนในขั้นตอนพิจารณาจะให้ผลดีกว่าเมื่อทีมงานเปรียบเทียบตัวเลือกต่าง ๆ กับรายการตรวจสอบร่วมกัน โปรดใช้คำถามต่อไปนี้ก่อนที่จะลดจำนวนตัวเลือกให้แคบลง

• ระบบจะต้องรองรับระยะเวลาเท่าใดภายใต้สภาวะปกติ สภาวะเครียด และสภาวะที่ต้องการความยืดหยุ่น
• เอาต์พุตที่จัดเก็บไว้จำเป็นต้องเป็นไฟฟ้าเท่านั้น หรือสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทั้งในรูปแบบไฮโดรเจนหรือความร้อน
• รูปแบบการผลิตพลังงานหมุนเวียนและลักษณะของโหลดมีลักษณะอย่างไรในแต่ละวันและตลอดทั้งปี
• สภาพสถานที่ใดบ้างที่จำกัดงานโยธา น้ำ ปริมาตรการจัดเก็บ การขออนุญาต หรือการเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้า
• อินเทอร์เฟซใดบ้างที่จำเป็นต้องออกแบบในขณะนี้ และอินเทอร์เฟซใดบ้างที่สามารถดำเนินการเป็นระยะตามความต้องการที่เพิ่มขึ้น
• การเปรียบเทียบตลอดอายุการใช้งานจะใช้สมมุติฐานใดบ้างเกี่ยวกับอัตราการใช้งาน การเปลี่ยนทดแทน การดำเนินงาน และการขยายระบบ

ผลลัพธ์อาจเป็นสถาปัตยกรรมแบบผสม โดยสินทรัพย์ที่ให้ระยะเวลาการจัดเก็บสั้นกว่าสามารถรองรับการใช้งานแบบไซเคิลบ่อยครั้ง ในขณะที่เส้นทางไฮโดรเจนจะถูกประเมินสำหรับการเก็บพลังงานระยะยาว หรือการใช้งานด้านพลังงานที่แบตเตอรี่ไม่สามารถตอบสนองโดยตรงได้ นี่คือคุณค่าหลักของพอร์ตโฟลิโอเทคโนโลยี: แต่ละองค์ประกอบจะถูกจับคู่กับบริการเฉพาะที่แตกต่างกัน แทนที่จะบังคับให้ทำหน้าที่แบบเดียวสำหรับทุกกรณี

การทบทวนการผสมผสานเทคโนโลยีควรจัดให้เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาวอยู่ในกรอบการประเมินร่วมกัน แต่ไม่ควรลบล้างขอบเขตการปฏิบัติงานที่แตกต่างกันของแต่ละเทคโนโลยี ยิ่งระบุขอบเขตเหล่านั้นได้ชัดเจนมากเท่าไร รายการสั้นสุดที่ได้ก็จะมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นเท่านั้น

สรุป: จับคู่ระยะเวลาและขอบเขตของระบบก่อนเลือกอุปกรณ์

เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาวควรเปรียบเทียบกันตามบริการที่ต้องให้ ไม่ใช่จากป้ายกำกับเทคโนโลยีเพียงอย่างเดียว ไฮโดรเจนสามารถเข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของชุดทางเลือกได้ เมื่อความยาวระยะเวลา ความผันแปรของพลังงานหมุนเวียน ความสามารถในการคงพลังงานไว้ และการผสานรวมกับการใช้งานปลายทาง ทำให้เส้นทางการแปลงพลังงานแล้วจัดเก็บมีความเหมาะสมยิ่งขึ้น แต่อาจไม่เหมาะนักในกรณีที่ความต้องการมีขอบเขตแคบ มีระยะเวลาสั้น และใช้เฉพาะสำหรับระบบไฟฟ้าเท่านั้น

สำหรับทีมโครงการที่ประเมินเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานระยะยาว ขั้นตอนต่อไปคือการจัดทำเอกสารเกี่ยวกับลักษณะภาระโหลด ทรัพยากรพลังงานหมุนเวียน ความต้องการด้านระยะเวลา โหมดการส่งมอบ และข้อจำกัดของสถานที่ เมื่อกำหนดเงื่อนไขเหล่านี้ชัดเจนแล้ว การอภิปรายเชิงเทคนิคจึงสามารถเปลี่ยนจากความสนใจโดยทั่วไปต่อ ldes technologies ไปสู่รายการสั้นที่โปร่งใสสำหรับระบบที่จัดเก็บพลังงานหมุนเวียนเฉพาะราย