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 )

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!

 

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

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

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”

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

 

About The Author