การจัดเก็บไฮโดรเจนเหมาะสมเมื่อใดสำหรับการลดการผลิตพลังงานหมุนเวียน

การจัดเก็บไฮโดรเจนเหมาะสมเมื่อใดสำหรับการลดการผลิตพลังงานหมุนเวียน

การจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนไม่ใช่ทางออกอัตโนมัติทุกครั้งที่โรงไฟฟ้าลมหรือโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ต้องลดกำลังการผลิต มันกลายเป็นตัวเลือกที่น่าพิจารณาอย่างจริงจังก็ต่อเมื่อมีพลังงานส่วนเกินเกิดขึ้นบ่อยครั้ง มีอายุยืนยาว และมีมูลค่าเพียงพอที่จะนำไปใช้ประโยชน์อื่นนอกเหนือจากการย้ายโหลดไฟฟ้าเพียงไม่กี่ชั่วโมง สำหรับทีมโครงการ คำถามที่มีประโยชน์ไม่ใช่ “เราสามารถผลิตไฮโดรเจนได้หรือไม่” แต่เป็น “ความไม่สอดคล้องกันซ้ำๆ ระหว่างการผลิต พลังงานเข้าสู่ระบบสายส่ง และความต้องการใช้พลังงาน ซึ่งไฮโดรเจนจะสามารถแก้ไขได้ดีกว่าทางเลือกอื่นๆ อย่างไร”

จากมุมมองการวางแผนพลังงานสะอาด ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ แบตเตอรี่อาจเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการตอบสนองพีคช่วงเย็นสั้นๆ หรือเหตุการณ์ความแออัดของระบบสายส่งที่กินเวลาสี่ชั่วโมง ในขณะที่การจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนอาจน่าสนใจยิ่งกว่าเมื่อโครงการจำเป็นต้องย้ายพลังงานข้ามวัน ข้ามสัปดาห์ หรือข้ามฤดูกาล จ่ายพลังงานให้กับภาระการใช้พลังงานในภาคอุตสาหกรรมหรือการขนส่งภายในท้องถิ่น หรือสร้างความมั่นคงให้กับไมโครกริดที่ไม่สามารถพึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้าได้ในทุกช่วงเวลาที่สำคัญ

เริ่มต้นด้วยรูปแบบการลดกำลังการผลิต ไม่ใช่ด้วยอิเล็กโทรไลเซอร์

ขั้นตอนแรก คือ การวัดปริมาณพลังงานที่ถูกตัดทอน ณ จุดที่เกิดขึ้นอย่างชัดเจน แยกเหตุการณ์ที่ราคาไฟฟ้าติดลบเป็นครั้งคราว ออกจากแนวโน้มการดำเนินงานที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งเกิดจากข้อจำกัดของการเชื่อมต่อกับระบบส่งไฟฟ้า ความแออัดของโครงข่ายส่ง หรือการผลิตไฟฟ้าที่เกินความต้องการในพื้นที่อย่างสม่ำเสมอ โครงการที่มีช่วงเวลาที่พลังงานถูกตัดทอนเพียงไม่กี่ชั่วโมงแบบกระจัดกระจายอาจไม่คุ้มค่าที่จะลงทุนในสินทรัพย์สำหรับผลิตไฮโดรเจนโดยเฉพาะ ขณะที่โครงการที่มีช่วงเวลาที่มีพลังงานส่วนเกินอย่างสม่ำเสมอและสามารถทำนายได้ จะต้องใช้วิธีการวางแผนที่ต่างออกไป

พิจารณาพร้อมกันทั้งสี่มาตรการ ได้แก่ ปริมาณพลังงานที่ถูกตัดทอน (หน่วยเมกะวัตต์-ชั่วโมง) รายเดือน จำนวนชั่วโมงต่อเนื่องที่มีพลังงานส่วนเกิน ความเข้มข้นตามฤดูกาล และระดับความมั่นใจว่าพลังงานส่วนเกินจะยังคงมีอยู่หลังจากการปรับปรุงโครงข่ายไฟฟ้าในอนาคต วิธีนี้จะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดทั่วไป คือ การออกแบบขนาดของอิเล็กโทรไลเซอร์โดยอิงจากตัวเลขรวมรายปี ทั้งที่จริงแล้วพลังงานส่วนเกินนั้นกระจัดกระจายอยู่ในช่วงเวลาการดำเนินงานที่น้อยเกินไป การผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนจำเป็นต้องมีระยะเวลาในการทำงานที่เพียงพอและมีโปรไฟล์การจ่ายไฟฟ้าที่น่าเชื่อถือ ไม่ใช่เพียงแค่มีตัวเลขรวมของพลังงานที่ถูกตัดทอนในแต่ละปีที่สูงเท่านั้น

กฎการคัดกรองที่ใช้งานได้จริงคือ การสร้างแบบจำลองกรณีต่าง ๆ หลายกรณี ได้แก่ กรณีการลดกำลังไฟฟ้าในปัจจุบัน กรณีอนาคตที่ระมัดระวังซึ่งมีการลดกำลังน้อยลง และกรณีที่มีสัดส่วนพลังงานหมุนเวียนสูงซึ่งมีการลดกำลังมากขึ้น หากการเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ด้วยไฮโดรเจนให้ผลดีเฉพาะในกรณีที่มองโลกในแง่ดีที่สุดเท่านั้น ก็ถือเป็นแนวคิดที่ควรติดตามอย่างใกล้ชิด ไม่ใช่โครงการที่พร้อมสำหรับการจัดซื้อ

ปรับความยาวเวลาในการเก็บพลังงานให้สอดคล้องกับคุณค่าที่คุณต้องการ

ความยาวเวลาในการเก็บพลังงานเปลี่ยนแปลงการเปรียบเทียบ งานวิจัยเกี่ยวกับการลดการลดกำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนชี้ว่า ชั่วโมงแรก ๆ ของการเก็บพลังงานสามารถจับประโยชน์จากการหลีกเลี่ยงการลดกำลังได้ส่วนใหญ่ในหลายระบบ นี่คือเหตุผลที่แบตเตอรี่ การตอบสนองต่อความต้องการ (demand response) และมาตรการเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่นยังคงต้องอยู่ในการเปรียบเทียบ เพราะสิ่งเหล่านี้สามารถรักษาคุณค่าของไฟฟ้าไว้ได้โดยผ่านการแปลงพลังงานน้อยลง

การจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ในรูปของไฮโดรเจนเหมาะสมที่จะพิจารณาเพิ่มเติมเมื่อช่วงเวลาที่ต้องเก็บพลังงานยาวนานกว่ารอบการทำงานปกติของแบตเตอรี่ หรือเมื่อพลังงานที่เก็บไว้มีวัตถุประสงค์ใช้งานโดยตรงเป็นไฮโดรเจน ไฮโดรเจนสามารถเก็บไว้ได้นานและนำไปใช้ในรูปแบบเชื้อเพลิง วัตถุดิบสำหรับกระบวนการผลิต ความร้อน พลังงานสำรอง หรือระบบไมโครกริด ความยืดหยุ่นนี้มีคุณค่าอย่างยิ่ง แต่ก็ไม่ได้ขจัดการสูญเสียพลังงานจากการแปลงรูปแบบ รายงานของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เกี่ยวกับการจัดเก็บไฮโดรเจนระยะยาวให้ตัวอย่างประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าเป็นไฟฟ้ากลับมาอีกครั้ง (round-trip) ประมาณร้อยละ 35 หากแผนการใช้งานมีเพียงการแปลงไฮโดรเจนกลับเป็นพลังงานไฟฟ้าภายในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น ควรพิจารณาผลกระทบด้านประสิทธิภาพอย่างละเอียด

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ห้ามเปรียบเทียบเทคโนโลยีต่าง ๆ โดยอาศัยเพียงค่ากำลังติดตั้ง (nameplate) เดียว แต่ควรเปรียบเทียบตามบริการที่มอบจริง เช่น จำนวนชั่วโมงของการจ่ายไฟฟ้าอย่างมั่นคง มวลของไฮโดรเจนเป็นกิโลกรัมที่ความดันหรือความบริสุทธิ์ตามที่กำหนด ระยะเวลาที่ระบบสามารถรักษาความมั่นคงได้ (resilience duration) และความสามารถในการเลื่อนคุณค่าของพลังงานหมุนเวียนไปยังช่วงเวลาที่แท้จริงซึ่งเกิดช่องว่างในสมดุลพลังงานของโครงการ

ตรวจสอบว่ามีความต้องการใช้ไฮโดรเจนจริงหรือไม่

โครงการโดยทั่วไปจะแข็งแกร่งยิ่งขึ้นเมื่อมีผู้รับซื้อไฮโดรเจนที่ชัดเจน ซึ่งไม่จำเป็นต้องแปลงไฮโดรเจนกลับเป็นไฟฟ้าทันที ผู้ใช้ในภาคอุตสาหกรรมที่ตั้งอยู่ใกล้เคียง แผนการจ่ายเชื้อเพลิงให้กับยานพาหนะในฝูงรถ ความต้องการใช้ในกระบวนการผลิต หรือศูนย์กลางไฮโดรเจนที่กำลังจะจัดตั้งขึ้น สามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าที่ถูกตัดทอน (curtailed electricity) ให้กลายเป็นสินค้าแทนที่จะต้องผ่านกระบวนการแปลงกลับไปเป็นไฟฟ้าอีกครั้ง นี่คือจุดที่การผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนอาจสอดคล้องกับการจัดการด้านไฟฟ้าและสร้างเส้นทางการขายเชิงพาณิชย์ที่ชัดเจน

ระบุรายละเอียดของความต้องการใช้ให้ชัดเจน ความต้องการนั้นคงที่หรือเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล? สามารถรองรับการผลิตที่แปรผันได้หรือไม่? ต้องการแรงดันในการจัดส่งระดับใด ต้องมีพื้นที่เก็บสำรอง (storage buffer) ระบบทำให้บริสุทธิ์ การอัดแรง และระบบความปลอดภัยแบบใดบ้าง? ผู้ซื้อพร้อมที่จะทำสัญญาซื้อปริมาณที่แปรผันตามความสามารถในการผลิตพลังงานหมุนเวียนหรือไม่? ความต้องการใช้ไฮโดรเจนที่อ้างอิงโดยไม่มีรายละเอียดการดำเนินงานดังกล่าว ยังไม่ถือเป็นกรณีการรับซื้อเชิงพาณิชย์ที่สมบูรณ์

สำหรับสถานที่ที่กำลังสำรวจโครงสร้างพื้นฐานแบบบูรณาการ หนึ่ง โซลูชันไมโครกริดแบบบูรณาการด้วยไฮโดรเจน สามารถให้ประเด็นในการอภิปรายที่มีประโยชน์สำหรับการจัดทำแผนผังของระบบการผลิต การเก็บพลังงาน และโหลด อย่างไรก็ตาม การเลือกโครงสร้างที่เหมาะสมยังขึ้นอยู่กับขอบเขตเฉพาะของสถานที่ ข้อจำกัดด้านการควบคุม และเกณฑ์การยอมรับ

ทดสอบข้อจำกัดของระบบไฟฟ้า น้ำ ที่ดิน และการดำเนินงานร่วมกัน

ระบบเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ในรูปของไฮโดรเจนเป็นการตัดสินใจเชิงระบบ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าจำเป็นต้องรองรับโหมดการดำเนินงานที่เลือก รวมถึงข้อกำหนดด้านคุณภาพของพลังงาน ลักษณะการเปลี่ยนแปลงกำลังไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว การประสานงานระบบป้องกัน และความสามารถในการใช้พลังงานส่วนเกินเมื่อมีการผลิตเกิดขึ้น นอกจากนี้ ความพร้อมของแหล่งน้ำและข้อกำหนดด้านการบำบัดน้ำควรได้รับการยืนยันตั้งแต่ระยะเริ่มต้น เช่นเดียวกับพลังงานที่ใช้ในการอัดก๊าซ การจัดการความร้อน พื้นที่ที่ใช้สำหรับการจัดเก็บ การเข้าถึงเพื่อการขนส่ง และการขออนุญาตจากหน่วยงานท้องถิ่น

จุดหนึ่งที่มักถูกมองข้ามคือ ไฟฟ้าที่ถูกตัดลด (curtailed electricity) ราคาต่ำไม่ได้หมายความโดยอัตโนมัติว่าไฮโดรเจนจะมีต้นทุนต่ำ ต้นทุนทั้งหมดรวมถึงอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer), อุปกรณ์เสริมระบบ (balance-of-plant equipment), ระบบเก็บกัก, ระบบควบคุม, งานโยธา, การบำรุงรักษา และอัตราการใช้งานจริงภายใต้รูปแบบพลังงานส่วนเกินที่เกิดขึ้นจริง อัตราการใช้งานต่ำอาจทำให้ประโยชน์จากไฟฟ้าราคาถูกนั้นลดลง ในทางกลับกัน ทรัพย์สินที่สามารถทำงานได้ทั้งกับพลังงานหมุนเวียนที่ถูกตัดลดและแหล่งพลังงานคาร์บอนต่ำอื่นๆ ที่ผ่านเกณฑ์ อาจมีอัตราการใช้งานที่เสถียรกว่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับกฎเกณฑ์การรับรองและข้อตกลงเชิงสัญญาของโครงการ

สำหรับการออกแบบที่ใช้งานได้หลายวัตถุประสงค์ แคปซูลพลังงานไฮโดรเจน อาจช่วยให้ทีมงานอภิปรายขอบเขตของระบบจัดเก็บและจัดส่งแบบโมดูลาร์ แต่ไม่ควรใช้แทนการศึกษาด้านความปลอดภัย ด้านโลจิสติกส์ และด้านการปฏิบัติการอย่างครบถ้วน

ใช้กรอบการตัดสินใจแบบเปรียบเทียบข้างเคียงกัน

การเปรียบเทียบควรรวมแบตเตอรี่ ความต้องการพลังงานแบบยืดหยุ่น การปรับปรุงระบบสายส่งไฟฟ้า สัญญาจัดการการตัดทอนพลังงาน และทางเลือกอื่นๆ สำหรับเทคโนโลยีแปลงพลังงานเป็นเอ็กซ์ (power-to-X) การจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ในรูปของไฮโดรเจนจะน่าเชื่อถือที่สุดเมื่อมันตอบสนองความต้องการบริการที่ทางเลือกเหล่านั้นไม่สามารถตอบสนองได้ดีพอ

ขั้นตอนปฏิบัติขั้นต่อไปสำหรับทีมโครงการ

ก่อนเลือกอุปกรณ์ ให้สร้างแบบจำลองเชิงอนุกรมเวลาที่ผสานข้อมูลผลผลิตพลังงานหมุนเวียน การตัดลดการผลิต (curtailment) มูลค่าจากอัตราค่าไฟฟ้าหรือตลาด ข้อจำกัดของโครงข่ายไฟฟ้า ความต้องการไฮโดรเจน และระยะเวลาในการเก็บพลังงาน จากนั้นจึงทดสอบโครงการภายใต้สมมุติฐานที่ระมัดระวังอย่างยิ่ง ผลลัพธ์ควรแสดงไม่เพียงแต่ปริมาณไฮโดรเจนที่ผลิตได้ทั้งหมด แต่ยังรวมถึงช่วงเวลาที่ผลิตได้ บริการที่มอบให้ และสมมุติฐานใดบ้างที่เป็นตัวกำหนดด้านเศรษฐศาสตร์ของโครงการ

การจัดเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ในรูปของไฮโดรเจนมีเหตุผลเมื่อมีการตัดลดการผลิตพลังงานหมุนเวียนซ้ำ ๆ มีความจำเป็นในการจัดเก็บพลังงานที่ยาวนานกว่าการเลื่อนเวลาการใช้พลังงานระยะสั้น และไฮโดรเจนสามารถทำหน้าที่เฉพาะด้านพลังงานหรือผลิตภัณฑ์ได้ อย่างไรก็ตาม หากเงื่อนไขเหล่านี้ยังไม่เกิดขึ้น แนวทางที่เหมาะสมกว่าอาจเป็นการศึกษาแบบเป็นระยะ: ลดการตัดลดการผลิตในระยะสั้นก่อน รักษาความยืดหยุ่นในการใช้พื้นที่ไว้ และพิจารณาไฮโดรเจนอีกครั้งเมื่อสัดส่วนพลังงานหมุนเวียนในระบบ เพื่อนำไปใช้จริง (offtake) และสภาพโครงข่ายไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป