battery-1688854_960_720

อนาคตของพลังงาน – เทคโนโลยีการเก็บสะสมพลังงานและแบตเตอรี่ ไปถึงไหนกันแล้ว?

ต้องใช้เวลานานถึง 40 ปีกว่าจะได้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างที่ใช้กันอยู่ปัจจุบัน จนเมื่อเทคโนโลยีมาถึงขั้นนี้ เราไม่มีเวลาถึง 40 ปีในการก้าวไปสู่ขั้นต่อไป แต่เราต้องทำให้ได้ใน 10 ปี!

มาทำความรู้จักแบตเตอรี่และเทคโนโลยีการเก็บสะสมพลังงานขนาดใหญ่ที่เหมาะสำหรับใช้งานในสเกลใหญ่ๆ อย่างอุตสาหกรรม 

ความพยายามที่จะยกระดับการผลิตกระแสไฟฟ้าและโครงข่ายระบบไฟฟ้า หรือ electrical grid ของเราไปสู่ศตวรรษที่ 21 นั้น เป็นความพยายามที่เรียกได้ว่าหลายขั้นหลายตอน ต้องมีการการผสมผสานกันของแหล่งกำเนิดพลังงานใหม่อย่าง โลว์คาร์บอน (Low-Carbon) ทั้งพลังงานจากน้ำ (hydro) พลังงานหมุนเวียน (renewables) และนิวเคลียร์ (nuclear) วิธีการจับคาร์บอน หรือ capture carbon แบบที่ไม่ต้องเสียเงินเป็นถุงเป็นถังชนิดนับไม่ถ้วน รวมถึงวิธีการสร้างโครงข่ายไฟฟ้าอัฉริยะ (ไม่ใช่น้อยเลยจริงๆ )

Batteries Technology
Unlike solid batteries, like lithium-ion or lead-acid, that begin degrading after a couple of years, are fully reusable over semi-infinite cycles and do not degrade, giving them a very, very long life. V-flow batteries also become more cost effective the longer the storage duration and the larger the power and energy needs. WATTJOULE AND UET

แต่เทคโนโลยีแบตเตอรี่และการเก็บสะสมพลังงานมีปัญหาอยู่ที่การเก็บรักษา (หรือความต่อเนื่อง) และสิ่งนี้ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จในโลกที่มีการจำกัดปริมาณคาร์บอน (carbon-constrained world) ซึ่งใช้แหล่งพลังงานที่ไม่มีความสม่ำเสมอ เช่น แสงอาทิตย์และลม รวมถึงความกังวลเกี่ยวกับความยืดหยุ่นเมื่อต้องเผชิญกับภัยพิบัติทางธรรมชาติและภัยจากความพยายามก่อวินาศกรรม

จากเหตุผลเหล่านี้ส่งผลถึงการตัดสินใจของกระทรวงพลังงาน (สหรัฐอเมริกา) ในการสร้างศูนย์วิจัยโครงข่ายไฟฟ้า หรือ electric grid research complex  มูลค่าหลายล้านดอลลาร์ที่ Pacific Northwest National Laboratory และที่ดีกว่านั้นก็คือแบตเตอรี่ขนาดใหญ่จะเป็นองค์ประกอบหลักของการวิจัยนี้

Jud Virden, ผู้อำนวยการ PNNL Associate Lab ด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมกล่าวว่า ต้องใช้เวลานานถึง 40 ปีกว่าจะได้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (lithium-ion batteries) อย่างที่ใช้กันอยู่ปัจจุบัน จวบจนถึงสถานะล่าสุดของเทคโนโลยีทุกวันนี้

We don’t have 40 years to get to the next level. We need do it in 10.

เราไม่มีเวลาถึง 40 ปีในการก้าวไปสู่ขั้นต่อไป เราต้องทำให้ได้ใน 10 ปี!

Batteries Technology 2
The storage market could top $100 billion in less than ten years. WATTJOULE

 

ทั้งหมดที่ว่ามาไม่ได้แปลว่าเราเกียจคร้าน แต่เราแค่ไม่ประสบความสำเร็จอย่างเปรี้ยงปัง เทคโนโลยีแบตเตอรี่ค่อยๆ ขยับตัวดีขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเร็ว ๆ นี้ Jack Goodenough ผู้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ Li-ion ออกมาพร้อมกับเทคโนโลยีการชาร์จแบตเตอรี่แบบเร็ว (fast-charging battery technology)  ที่ใช้ขั้วไฟฟ้าแก้ว (glass electrode) แทนที่ของเหลว ใช้โซเดียมแทนลิเธียม และมีความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้นถึงสามเท่า เป็นแบตเตอรี่แบบลิเธียมไอออน

และนอกเหนือจากแบตเตอรี่แล้ว เรายังมีเทคโนโลยีอื่น ๆ สำหรับการจัดเก็บพลังงานตามระยะเวลา เช่น การจัดเก็บพลังงานความร้อน (thermal energy storage) ช่วยสร้างความเย็นในเวลากลางคืนและสามารถเก็บไว้ใช้ในวันต่อไปได้ในช่วงที่มีการใช้พลังงานสูงสุด

ในปัจจุบันวิธีการเก็บสะสมพลังงาน ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดก็คือ การสะสมพลังงานแบบสูบกลับ (pumped hydro storage) ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้ามากเกินไปในการสูบน้ำขึ้นสู่อ่างเก็บน้ำด้านหลังเขื่อน เมื่อมีความต้องการพลังงาน น้ำที่เก็บไว้จะถูกปล่อยออกมาผ่านกังหันในเขื่อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ทุกวันนี้มีการใช้ Pumped hydro หรือการสูบน้ำในการกักเก็บกริดไฟฟ้า (grid storage) ถึง 99% แต่ก็มีข้อจำกัดในเรื่องทางธรณีวิทยาและสภาพแวดล้อมที่จะสามารถสูบน้ำไปใช้เป็นพลังงานได้

เรายังมองไปถึงระบบเก็บสะสมพลังงานอื่น ๆ ที่ใช้แรงโน้มถ่วง เช่น Advanced Rail Energy Storage ที่ใช้ลมส่วนเกิน (surplus wind) และพลังงานแสงอาทิตย์ในการเคลื่อนย้ายก้อนหินขึ้นไปบนเนินเขาได้หลายล้านปอนด์ด้วยรถรางไฟฟ้าแบบพิเศษที่สามารถย้อนกลับลงเนินแล้วเปลี่ยนพลังงานศักย์โน้มถ่วง (gravitational potential energy) นี้สู่กระแสไฟฟ้าที่ไหลออกสู่กริด

แต่เราต้องการการเก็บสะสมพลังงานแบตเตอรีเชิงเคมีในระดับ utility-scale เพื่อจัดการกับความไม่ต่อเนื่องหรือความไม่สม่ำเสมอได้อย่างรวดเร็ว ทั้งในเรื่องของรุ่น (หมุนเวียนได้) และความเพียงพอต่อความต้องการ (เปลี่ยนได้อย่างรวดเร็วในการใช้งานตลอดวันทำการ) ทั้งหมดนี้ต้องการขนาด (แบตเตอรี) ที่ใหญ่มากแต่ก็ต้องมีทั้งความเสถียรมากและมีอายุการใช้งานยาวนาน

Figure-3-kWhTon-V
One of the major barriers preventing the widespread adoption of large-scale energy storage has been cost. WattJoule’s vanadium flow battery system lowers the cost by significantly increasing the energy stored for a given amount of vanadium. It also provides the vanadium almost free of charge. WATTJOULE

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน หรือ Li-ion เป็นสิ่งที่เรารู้ในเวลานี้ ว่ามันสามารถเก็บพลังงานจำนวนมากไว้ได้ในแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่มีน้ำหนักเบา ทำให้มันเป็นแบตเตอรี่ที่เหมาะกับการใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก เช่น แล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ

แต่แบตเตอรี่ Li-ion มีอายุการใช้งานสั้นเกินไปและมีปัญหา เช่น ทำให้เกิดความร้อนอย่างรวดเร็ว สำหรับอนาคตอันใกล้ แบตเตอรี่ชนิดนี้จะครองตลาดเฉพาะกลุ่มเล็ก ๆ เช่น อุปกรณ์ส่วนบุคคลต่างๆ (personal devices) และยานพาหนะไฟฟ้า แต่ สำหรับตลาดแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ในระดับ utility scale เราต้องการระบบที่ใหญ่กว่านี้ซึ่งใช้งานได้นานกว่า

ส่วนเทคโนโลยีแบตเตอรี่ล่าสุดที่เกิดขึ้นก็คือ แบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์ (vanadium redox battery) หรือที่เรียกว่าแบตเตอรี่วานาเดียมโฟลว (vanadium-flow battery) รุ่นที่ดีที่สุดน่าจะมาจาก WattJoule โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องของราคาที่ต่ำกว่าแบตเตอรี่ V-flow ของที่อื่น ๆ มาก

แบตเตอรี่ V-flow นั้นถูกบรรจุ (พลังงาน) อย่างเต็มที่ ไม่ติดไฟ ขนาดกะทัดรัด สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้แบบไม่จำกัด(semi-infinite cycles) ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ถึง 100% และคงสภาพได้นานกว่า 20 ปี เปลือกโลก (ใต้ดิน) มีวานาเดียมมากกว่าลิเธียมมากและเราผลิต V ได้มากกว่า Li ถึงสองเท่าในแต่ละปี

Figure-2-V-batteries
V-flow batteries are fully containerized, nonflammable, reusable batteries, using 100% of the energy stored. They use the multiple valence states of vanadium to store and release charges. Energy is stored by providing electrons making V(2+,3+), and energy is released by losing electrons to form V(4+,5+) across the central redox flow cell. To increase energy just use large tanks. To increase power just use larger stacks. UET

แบตเตอรี่ส่วนใหญ่ใช้เคมีสองชนิดเปลี่ยนวาเลนซ์ (หรือสถานะประจุ หรือ รีดอกซ์) ในการตอบสนองต่อการไหลของอิเล็กตรอนที่แปลงพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานไฟฟ้า และในทางกลับกัน แบตเตอรี่ V-flow ใช้เพียงแค่ Vanadium ที่มีสถานะ Valance หลายสถานะ (multiple valence states of just vanadium) ในการจัดเก็บและปล่อยประจุไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์ (water-based electrolyte) ที่มีส่วนผสมของเกลือวาเนเดียม

แบตเตอรี่ประเภทนี้สามารถให้ความจุพลังงานได้อย่างไม่จำกัด สะสมพลังงานไว้ใน tanks เก็บอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่ สามารถปล่อยพลังงานออกมาใช้อย่างสมบูรณ์เป็นเวลานานโดยไม่เกิดความเสียหาย ทำให้การบำรุงรักษาง่ายกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่น

การจำหน่ายระบบแบตเตอรี่กระแสวานาเดียม หรือ vanadium flow battery systems ในเชิงพาณิชย์มีปัญหาจากต้นทุนอันสูงยิ่งของแร่ธาตุ V ดังนั้นสิ่งที่คุณต้องทำก็คือ เก็บไฟฟ้าไว้ในปริมาณที่เท่ากับ V ผ่านการปรับปรุงทางเคมี และต้องปรับปรุงการออกแบบเซลล์และสแต็ค ไม่ก็ลดต้นทุนของ V ให้ได้

หรือไม่ก็ทำมันทั้งสองอย่างเลย!

Greg Cipriano รองประธานฝ่ายพัฒนาธุรกิจและผู้ร่วมก่อตั้งของ WattJoule กล่าวว่า “การทำงานร่วมกับพันธมิตรเชิงกลยุทธ์ ได้ได้นำขอเสนอมารวมกันได้ ก็พบว่าวิธีการสกัดโลหะหลายชนิดเป็นกุญแจสำคัญในการลดราคาวานาเดียมลง วิธีการสกัดโลหะแบบเก่านั้นไม่มีประสิทธิภาพและสิ้นเปลือง การก้าวไปข้างหน้าด้วยวิธีการแบบเดิมๆ ไม่ส่งผลดีทั้งต่อเศรษฐกิจหรือสิ่งแวดล้อม”

Figure-4-CostPerf
Cost & performance metrics just keep getting better for V-Flow batteries, especially for WattJoule. WATTJOULE

การสกัดโลหะหลายชนิดจากแหล่งนำเข้าที่อุดมด้วยวานาเดียม ไม่ว่าจะเป็นขุดแร่สดใหม่จากพื้นดิน หรือ เศษแร่ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือ เถ้าลอยที่มีน้ำมัน (oily fly ash) ถือว่าเป็นผลิตภัณฑ์จากของเสียอุตสาหกรรม – สร้างรายได้เพิ่ม โลหะที่ไม่ใช่วานาเดียม เช่น เหล็ก ไทเทเนียม และนิกเกิลจะถูกขายในราคาตลาดซึ่งให้การอุดหนุนการสกัดวานาเดียม

มีเถ้าลอยที่มีน้ำมันและของเสียจากถ่านหินอยู่มาก เงินอุดหนุนเกิดขึ้นเพื่อชดเชยต้นทุนวานาเดียมอย่างมีนัยสำคัญและในบางกรณีสามารถลดต้นทุนให้เป็นศูนย์ได้

ตรงกันข้ามกับการขายวานาเดียมในวันนี้สู่ตลาดโลหะสินค้าโภคภัณฑ์ที่มีการแข่งขันสูงและมีต้นทุนที่สูงซึ่งเป็นการทำธุรกรรมครั้งเดียว

แบตเตอรี่ V-flow เหล่านี้มีขนาดค่อนข้างใหญ่และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในระดับอุตสาหกรรมและสาธารณูปโภค  แบตเตอรี่แบบนี้ไม่สามารถใส่ในรถยนต์ไฟฟ้าได้ ดังนั้นแบตเตอรี่ Tesla จึงปลอดภัยในเวลานี้ แต่แบตเตอรี V-flow นั้นมีขนาดใหญ่กว่าแบตเตอรี่ปกติทั้ง Li-ion และแบตเตอรี่โซลิดอื่น ๆ เหมาะสำหรับ utility-scale applications เพราะว่าปลอดภัยกว่าสามารถปรับขนาดได้มากขึ้น มีอายุการใช้งานนานกว่า และมีราคาถูกกว่า – น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของค่าใช้จ่ายต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง

การเก็บสะสมพลังงานสำหรับอนาคตมีความสำคัญมากขึ้น เนื่องจากการผลิตกระแสไฟฟ้ามีวิวัฒนาการและเราจำเป็นต้องสร้างสรรค์มากขึ้นและต้องลดต้นทุนให้ต่ำลงกว่าที่เราเคยทำมา เรามีทั้งเครื่องมือ – แบตเตอรี่, ที่เก็บสะสมพลังงาน (pumped storage) ความร้อน – เราเพียงแค่ต้องปรับใช้มันให้รวดเร็ว

ทั้งหมดนี้คือความสำคัญของแบตเตอรี่ V-flow

 

อ้างอิง:

https://www.forbes.com/sites/jamesconca/2019/08/26/energys-future-battery-and-storage-technologies/#3e3e007b44cf

 

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •