Thermal Energy Storage จัดเก็บความร้อนต้นทุนต่ำ

TES to Store Excess Thermal Energy for Hours, Days or Months

“…ระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน คือ ส่วนสำคัญในระบบจัดเก็บพลังงานต้นทุนต่ำ ซึ่งพวกมันจัดเก็บพลังงานความร้อนไว้ใช้ในอนาคต เพื่อผลิตพลังงาน และเปิดใช้งานกลไกการทำความเย็น และการทำความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม ..”

พลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy รวมถึงการเปลี่ยนไปใช้พลังงานไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น Increased Electrification คือ หัวใจสำคัญของกลยุทธ์การลดคาร์บอน Decarbonization Strategies ของหลายประเทศทั่วโลก .. มนุษยชาติจำเป็นต้องลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอย่างเร่งด่วน และ 90% ของการลดลงเหล่านั้น สามารถทำได้ผ่านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน Energy Efficiency และการเปลี่ยนไปใช้พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียน Electrification Based on Renewable Energy .. ทั้งนี้ ราคาพลังงานหมุนเวียนที่ลดลง Falling Prices of Renewable Energy ยังช่วยเพิ่มแรงจูงใจไปพร้อมอีกด้วย ..

อย่างไรก็ตาม พลังงานหมุนเวียนมีความผันผวน Renewable Energy Fluctuates ดังนั้น เมื่อมีการใช้พลังงานหมุนเวียนเพิ่มขึ้น ความต้องการระบบจัดเก็บพลังงานจึงเพิ่มขึ้น Increased Need for Energy Storage ตามมาด้วย เพื่อให้แน่ใจว่า พลังงานสะอาด Availability of Clean Energy จะมีเพียงพอ เมื่อลมไม่พัด หรือดวงอาทิตย์ไม่ได้ส่องแสง ..

ในขณะที่เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ Battery Energy Storage Technologies กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่ก็ยังมีทางเลือกอื่นที่ช่วยตอบสนองความท้าทายของความผันแปรไม่ต่อเนื่องของพลังงานหมุนเวียน และความเสถียรของโครงข่ายระบบสายส่ง Grid Stability มาพร้อมด้วย เช่น การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES อีกหลากหลายรูปแบบ เพื่อเติมเต็มความต้องการดังกล่าวให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ..

ทั้งนี้ โดยทั่วไป การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage: TES หมายถึง การให้ความร้อน หรือความเย็นผ่านตัวสื่อกลาง Heating or Cooling a Medium เพื่อใช้พลังงานเมื่อจำเป็นในภายหลัง ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด อาจหมายถึง การใช้แท้งค์น้ำเพื่อกักเก็บความร้อน Water Tank for Heat Storage โดยที่น้ำจะถูกทำให้ร้อนในเวลาที่มีพลังงานงานมาก และพลังงานจะถูกจัดเก็บไว้ในน้ำ เพื่อใช้งานเมื่อพลังงานมีน้อย .. การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ยังสามารถใช้เพื่อปรับสมดุลการใช้พลังงานระหว่างกลางวัน และกลางคืน โซลูชันข้อไขการจัดเก็บความร้อน Storage Solutions ประกอบด้วยถังเก็บน้ำ Water or Storage Tanks หรือถังเก็บโคลนน้ำแข็ง Storage Tanks of Ice-Slush, ดิน หรือหินดาน Earth or Bedrock ที่เข้าถึงได้ผ่านหลุมเจาะ Boreholes และแหล่งน้ำขนาดใหญ่ที่อยู่ลึกใต้พื้นดิน Large Bodies of Water Deep Below Ground รวมถึงการใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs สำหรับจัดเก็บพลังงานความร้อน, แบตเตอรี่ทราย Sand Battery และแบตเตอรี่เกลือ Salt or Molten-Salt Batteries ในหลากหลายรูปแบบ เป็นต้น ..

การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ให้สามารถจัดเก็บ และส่งจ่ายพลังงานความร้อนส่วนเกินเป็นชั่วโมง เป็นวัน หรือยาวนานเป็นเดือนได้ ..

การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่หลากหลายแตกต่างกันไปอย่างมาก .. ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีเฉพาะ Specific Technology แต่ละประเภท และชนิดของวัสดุที่ยอมให้พลังงานความร้อนส่วนเกินถูกจัดเก็บ ซึ่งระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES System เหล่านี้ ช่วยให้สามารถจัดเก็บ ปล่อยคาย และใช้งานพลังงานความร้อนส่วนเกินเป็นชั่วโมง ยาวนานเป็นวัน หรือเดือนต่อมาได้ในระดับ และขนาดต่างๆ ทั้งสำหรับการส่งจ่ายความร้อน และการผลิตกำลังไฟฟ้า ตั้งแต่กระบวนการส่วนบุคคล ครัวเรือน บ้าน อาคาร ชุมชน สถานที่ทำงาน เขตเมือง หรือภูมิภาค รวมทั้งการใช้งานบนโครงข่ายระบบสายส่ง Power Grids ได้อย่างยอดเยี่ยม ..

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานพวกมัน ได้แก่ การสร้างความสมดุลของความต้องการพลังงานระหว่างเวลากลางวัน และกลางคืน การจัดเก็บความร้อนในฤดูร้อนเพื่อให้ความร้อนในฤดูหนาว หรือความเย็นในฤดูหนาวสำหรับเครื่องปรับอากาศในฤดูร้อน รวมถึงการจัดเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาลรูปแบบต่างๆ .. เครื่องมือพื้นฐานที่ใช้จัดเก็บพลังงาน รวมถึง น้ำ ถังเก็บน้ำ หรือน้ำแข็งตะกอน ทรายซิลิกา เกลือหลอมเหลว มวลของแผ่นดิน หรือพื้นหินที่เข้าถึงได้ด้วยระบบแลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้หลุมเจาะ ชั้นหินอุ้มน้ำลึกที่อยู่ระหว่างชั้นใต้ดินที่น้ำผ่านไม่ได้ หลุมตื้นๆ เรียงรายไปด้วยกรวดและน้ำ รวมทั้งหุ้มฉนวนที่ด้านบน เช่นเดียวกับ สารละลายยูเทคติก Eutectic Solutions และวัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs ที่กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในระบบพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy : RE เป็นต้น ..

แหล่งพลังงานความร้อนอื่น ๆ สำหรับการจัดเก็บ ได้แก่ ความร้อน หรือความเย็นที่ผลิตด้วยปั๊มความร้อน Heat Pumps จากพลังงานไฟฟ้าที่มีต้นทุนต่ำกว่า Off-Peak & Lower Cost Electric Power ซึ่งเป็นวิธีปฏิบัติที่เรียกว่า Peak Shaving หรือการใช้ระบบจัดเก็บพลังงานความร้อนด้วยทราย Sand Battery ก็เป็นอีกตัวอย่างของระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ซึ่งรวมถึงการใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Material : PCMs สำหรับจัดเก็บพลังงานความร้อน เป็นต้น .. ความร้อนจากโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนร่วม Combined Heat & Power : CHP Power Plants, ความร้อนที่เกิดขึ้น หรือถูกสร้างขึ้นโดยพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียน Renewable Electrical Energy ส่วนที่เกินความต้องการใช้บนระบบสายส่งกริดไฟฟ้า และความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการทางอุตสาหกรรม Waste Heat from Industrial Processes สามารถจัดเก็บรวบรวมไว้เพื่อนำมาใช้งานในภายหลัง หรือเพื่อการผลิตกำลังไฟฟ้าระยะทนยาว .. การจัดเก็บความร้อน Heat Storage ทั้งตามฤดูกาล และในระยะสั้นที่กล่าวถึงนี้นั้น ถือเป็นวิธีสำคัญในการสร้างสมดุลของการผลิตกำลังไฟฟ้าหมุนเวียน Renewable Electricity ที่ผันแปร ..

ทั้งนี้ ตัวอย่างการผนวกรวมการผลิตกำลังไฟฟ้าร่วมกับระบบจัดเก็บความร้อนด้วยทราย Sand-Based Thermal Energy Storage หรือ Sand Battery และการทำความร้อนในระบบพลังงานที่ป้อนเข้าด้วยพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy เกือบ หรือทั้งหมดนั้น คือความต้องการระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ระยะทนยาวสำหรับอนาคตระบบเศรษฐกิจ และสังคมของมนุษยชาติจากนี้ไป ไม่มีข้อสงสัย ..

ทรายซิลิกา Silica Sand or Silicon Dioxide : SiO₂ ที่เป็นของแข็ง หรือหลอมเหลว มีอุณหภูมิในการจัดเก็บที่สูงกว่าเกลือมาก ซึ่งส่งผลให้มีความจุ และประสิทธิภาพที่มากขึ้น กำลังได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่า Sand Battery คือ เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่าระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมทั่วไป .. ทรายซิลิกา Silica Sand สามารถจัดเก็บพลังงานได้มากกว่า 1 MWh/m³ ที่อุณหภูมิ 1,400°C .. ข้อได้เปรียบเพิ่มเติม คือ ความอุดมสมบูรณ์ในธรรมชาติ เมื่อเทียบกับเกลือบางประเภทที่ใช้เพื่อจุดประสงค์เดียวกันสำหรับการจัดเก็บความร้อน Heat Storage ..

อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials: PCMs เป็นอีกทางเลือกที่น่าสนใจ และกำลังได้รับความสนใจในเชิงพาณิชย์เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ .. ปัจจุบัน พวกมันได้กลายเป็นที่นิยมสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ที่อาจมีราคาถูกกว่า Sand Battery ในภาพรวม .. เทคนิคการประยุกต์ใช้ไมโครแคปซูล Microcapsules ล่าสุดนั้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อน และประสิทธิภาพเชิงกล Thermal & Mechanical Performance ของวัสดุเปลี่ยนสถานะ PCMs ที่ใช้ในการจัดเก็บพลังงานความร้อนขนาดเล็ก และขนาดใหญ่ระยะทนยาว รวมทั้ง โซลูชันที่เป็นข้อไขของวัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs และผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องนั้น ครอบคลุมการใช้งาน ณ อุณหภูมิที่หลากหลายกว่าทรายซิลิกา Silica Sand อยู่ที่ระหว่าง -100°C หรือ -148°F และ +885°C หรือ +1,625°F .. ทั้งนี้ในตลาดมีพวกมันให้เลือกใช้ทั้งในรูปแบบมาตรฐาน Standard PCMs หรือในรูปแบบต่าง ๆ และรุ่นล่าสุดที่เป็นวัสดุเปลี่ยนสถานะประยุกต์ Advanced Phase Change Materials : APCMs ซึ่งถูกห่อหุ้มไว้ด้วยไมโครแคปซูล Microcapsules เป็นต้น ..

ทั้งนี้ การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage ประเภทต่างๆ สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ความร้อนสัมผัส Sensible Heat, ความร้อนแฝง Latent Heat และการเก็บความร้อนแบบเทอร์โมเคมี Thermo-Chemical Heat Storage .. แต่ละประเภทมีข้อดี และข้อเสียที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดการใช้งานตามภูมิสังคมที่เหมาะสมนั่นเอง ..

สำหรับการจัดเก็บความร้อนสัมผัส Sensible Heat Storage : SHS นั้น ถือเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมามากที่สุด หมายถึง พวกมันใช้หลักการง่ายๆ ที่อุณหภูมิของตัวกลางบางชนิด Some Medium เพิ่มขึ้น หรือลดลง .. การจัดเก็บพลังงานความร้อนประเภทนี้ มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มากที่สุด ขณะที่เทคนิคอื่นๆ ยังไม่ได้รับการพัฒนาไปมากนัก ..

วัสดุโดยทั่วไปมีต้นทุนต่ำ ราคาไม่แพง และปลอดภัย หนึ่งในตัวเลือกที่ถูกที่สุด และใช้บ่อยที่สุด คือ ถังเก็บน้ำ Water Tank แต่วัสดุ เช่น เกลือหลอมเหลว Molten Salts หรือโลหะ Metals สามารถให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ จึงมีความจุสูงกว่า .. พลังงาน Energy ยังสามารถจัดเก็บไว้ใต้ดิน หรือที่เรียกว่า Underground Thermal Energy Storage : UTES ทั้งในถังใต้ดิน Underground Tank หรือในของเหลวถ่ายเทความร้อน Heat-Transfer Fluid : HTF บางชนิดที่ไหลผ่านระบบท่อ ไม่ว่าจะวางในแนวตั้งเป็นรูปตัวยู Placed Vertically in U-Shapes แบบหลุมเจาะ Borehole หรือแนวนอนในร่องลึก Horizontally in Trenches .. อีกระบบหนึ่งเรียกว่า หน่วยจัดเก็บแผ่นถาดกรวด Pebble-Bed storage Unit ซึ่งของเหลวบางส่วน และมักเป็นอากาศ จะไหลผ่านแผ่นถาดที่บรรจุวัสดุที่เป็น หิน Rock, กรวด Pebbles หรืออิฐเซรามิก Ceramic Brick หลวมๆ ไว้ เพื่อเพิ่ม หรือดึงความร้อน ..

ข้อเสียของการจัดเก็บความร้อนสัมผัส Sensible Heat Storage : SHS คือ การขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสื่อตัวกลางจัดเก็บความร้อน Heat Storage Medium .. ความจุในการจัดเก็บ Storage Capacities ถูกจำกัดโดยความร้อนจำเพาะของวัสดุจัดเก็บ Specific Heat Capacity of the Storage Material และระบบจำเป็นต้องได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม เพื่อให้แน่ใจว่า จะสามารถนำพลังงานออกมาใช้งานที่อุณหภูมิคงที่ Ensure Energy Extraction at a Constant Temperature ได้อย่างมั่นใจ ..

ด้วยเทคโนโลยีเกลือหลอมเหลว Molten Salt Technology นั้น ความร้อนสัมผัสของเกลือหลอมเหลว Sensible Heat of Molten Salt ยังใช้เพื่อเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่อุณหภูมิสูง Solar Energy at a High Temperature อีกด้วย เรียกว่า เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานเกลือหลอมเหลว Molten Salt Energy Storage : MSES .. เกลือหลอมเหลว Molten Salt สามารถนำมาใช้เป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม ปัจจุบัน พวกมัน คือ เทคโนโลยีที่ใช้ในเชิงพาณิชย์เพื่อกักเก็บความร้อนที่รวบรวมโดยพลังงานแสงอาทิตย์รวมแสงเข้มข้น Concentrated Solar Power .. ความร้อน Heat สามารถเปลี่ยนเป็นไอน้ำร้อนยิ่งยวด Superheated Steam เพื่อใช้เป็นพลังงานให้กับกังหันไอน้ำแบบธรรมดา และผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในภายหลัง คาดการณ์ประสิทธิภาพไว้ที่ 99% ซึ่งอ้างอิงถึงพลังงานที่สะสมโดยการกักเก็บความร้อนก่อนเปลี่ยนเป็นกำลังไฟฟ้า เทียบกับการแปลงความร้อนเป็นกำลังไฟฟ้าโดยตรง ..

ทั้งนี้ มีการใช้ส่วนผสมยูเทคติก Eutectic Mixtures ต่าง ๆ ที่มีเกลือต่างกัน เช่น โซเดียมไนเตรต Sodium Nitrate : NaNO₃, โพแทสเซียมไนเตรต Potassium Nitrate : KNO₃ และแคลเซียมไนเตรต Ca(NO₃)₂ เป็นต้น .. ประสบการณ์กับระบบการจัดเก็บพลังงานเกลือหลอมเหลว Molten Salt Energy Storage : MSES ดังกล่าวสำหรับภาคอุตสาหกรรมปัจจุบัน มีพบอยู่ในการใช้งานที่ไม่ใช่พลังงานแสงอาทิตย์ในอุตสาหกรรมเคมี และโลหะ Chemical & Metals Industries ในฐานะวัสดุของไหลนำส่งความร้อน Heat-Transport Fluid มาพร้อมด้วย ..

ในประเด็นการจัดเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage : LHS นั้น คาดหมายว่ากำลังจะเป็นที่นิยมอย่างมากจากนี้ไปด้วยต้นทุนต่ำกว่า และความจุสูงกว่า .. เนื่องจากการจัดเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage : LHS สัมพันธ์กับการเปลี่ยนสถานะ Phase Transition ของสสาร .. คำทั่วไปสำหรับสื่อที่เกี่ยวข้องคือ Phase-Change Materials : PCMs ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านสถานะเหล่านี้ ความร้อนสามารถเพิ่ม หรือดึงออกได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่ออุณหภูมิของวัสดุ ทำให้มีข้อได้เปรียบเหนือเทคโนโลยีการจัดเก็บความร้อนสัมผัส Sensible Heat Storage : SHS ด้วยความจุในการจัดเก็บพลังงานความร้อน Heat Storage Capacities ก็มักจะสูงมากกว่าเช่นกัน ..

วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs มีมากมายให้เลือกใช้ รวมถึง ไม่จำกัดเพียงเกลือ Salts, โพลีเมอร์ Polymers, เจล Gels, แว็กซ์พาราฟิน Paraffin Waxes และโลหะผสม Metal Alloys ซึ่งแต่ละชนิดมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ช่วยให้สามารถออกแบบระบบจัดเก็บความร้อนที่มุ่งเน้นเป้าหมายเฉพาะเจาะจงได้มากขึ้น .. เนื่องจากกระบวนการนี้มีอุณหภูมิคงที่ที่จุดหลอมเหลวของวัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs จึงสามารถเลือกวัสดุให้มีช่วงอุณหภูมิที่ต้องการได้ .. คุณสมบัติที่พึงประสงค์ ได้แก่ ความร้อนแฝงสูง และค่าการนำความร้อน นอกจากนี้ หน่วยจัดเก็บพลังงานความร้อน อาจมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นหากปริมาตรที่เปลี่ยนแปลงระหว่างการเปลี่ยนสถานะมีน้อย ..

วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs ยังแบ่งย่อยเพิ่มเติมอีกเป็น วัสดุอินทรีย์ Organic, อนินทรีย์ Inorganic และยูเทคติก Eutectic Materials .. เมื่อเปรียบเทียบกับ Organic PCMs แล้ว วัสดุอนินทรีย์ Inorganic Materials มีความไวไฟน้อยกว่า ราคาถูกกว่า และมีจำหน่ายในวงกว้างมากกว่า นอกจากนี้ยังมีความจุ และการนำความร้อนที่สูงขึ้นอีกด้วย ในทางกลับกัน วัสดุเปลี่ยนสถานะอินทรีย์ Organic PCMs มีฤทธิ์กัดกร่อนน้อยกว่า และไม่เสี่ยงต่อการแยกเฟส Phase-Separation .. ขณะที่ วัสดุยูเทคติก Eutectic Materials เนื่องจากเป็นสารผสม จึงสามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายกว่า เพื่อให้ได้คุณสมบัติเฉพาะ แต่มีความจุความร้อนแฝง และพลังงานจำเพาะต่ำ Low Latent & Specific Heat Capacities ..

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในการจัดเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage : LHS คือ การห่อหุ้ม PCMs วัสดุบางชนิดมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดเซาะ และการรั่วไหลมากกว่าวัสดุชนิดอื่น ระบบจัดเก็บความร้อน TES ต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียความร้อนโดยไม่จำเป็น ..

และประเภทที่ 3 ได้แก่ การจัดเก็บความร้อนแบบเทอร์โมเคมี Thermo-Chemical Heat Storage ซึ่งการจัดเก็บความร้อนประเภทนี้ เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน และการดูดความร้อนแบบผกผันกลับได้บางประเภทกับวัสดุเทอร์โมเคมี Thermo-Chemical Materials : TCMs .. พวกมัน สามารถให้ความจุในการจัดเก็บพลังงานความร้อนได้สูงกว่าการจัดเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage : LHS ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้น ..

ใน Thermo-Chemical Heat Storage : TCS ประเภทหนึ่งนั้น จะใช้ความร้อนเพื่อสลายโมเลกุลบางชนิด จากนั้นผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาจะถูกแยกออก และผสมอีกครั้งเมื่อจำเป็น ส่งผลให้เกิดการปล่อยคายพลังงาน ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ การสลายตัวของโพแทสเซียมออกไซด์ Potassium Oxide : K₂O ในช่วง 300-800°C โดยมีการสลายตัวด้วยความร้อน 2.1 MJ/Kg , ตะกั่วออกไซด์ Lead Oxide: PbO ในช่วง 300-350°C โดยมีการสลายตัวด้วยความร้อน 0.26 MJ/Kg และแคลเซียมไฮดรอกไซด์ Calcium Hydroxide : Ca(OH)₂ ในช่วงสูงกว่า 450°C ซึ่งสามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้โดยการเติมสังกะสี Zinc : ₃₀Zn หรืออะลูมิเนียม Aluminium : ₁₃Al .. การสลายตัวด้วยแสงทางเคมี Photochemical Decomposition ของไนโตรซิลคลอไรด์ Nitrosyl Chloride : NOCl ก็สามารถนำมาใช้ได้เช่นกัน และเนื่องจากจำเป็นต้องให้โฟตอน Photons เกิดขึ้น จึงทำงานได้ดีเป็นพิเศษเมื่อจับคู่กับแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ Paired with Solar Energy ..

อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบเทอร์โมเคมี Thermo-Chemical Heat Storage คือ เทคโนโลยีเกลือไฮเดรต Salt Hydrate Technology .. ระบบนี้ ใช้พลังงานจากปฏิกิริยาที่สร้างขึ้นเมื่อเกลือมีความชุ่มชื้น หรือขาดน้ำ Hydrated or Dehydrated .. พวกมัน ทำงานได้โดยการจัดเก็บความร้อนในภาชนะที่มีสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ Sodium Hydroxide : NAOH 50% .. ความร้อน เช่นจากการใช้ตัวสะสมพลังงานแสงอาทิตย์ จะถูกจัดเก็บไว้โดยการระเหยน้ำในปฏิกิริยาความร้อน เมื่อเติมน้ำอีกครั้ง ความร้อนจะถูกปล่อยคายออกมาในปฏิกิริยาที่ความร้อน 50°C หรือ 120°F ..

ทั้งนี้ ระบบจัดเก็บพลังงานความร้อนแบบเทอร์โมเคมี Thermo-Chemical Heat Storage ที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ทำงานที่ประสิทธิภาพ 60% ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาล Seasonal Thermal Energy Storage เนื่องจากเกลือแห้ง Dried Salt สามารถเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลานานโดยไม่สูญเสียพลังงาน .. ตู้คอนเทนเนอร์ Containers ที่บรรจุเกลือแห้งที่ขาดน้ำ Dehydrated Salt สามารถขนส่งไปยังสถานที่อื่นได้ รวมทั้งระบบมีความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density สูงกว่าความร้อนที่จัดเก็บไว้ในน้ำ Heat Stored in Water และความสามารถของระบบ สามารถออกแบบมาเพื่อเก็บพลังงานความร้อนจากไม่กี่เดือนไปจนถึงเป็นปีได้เป็นอย่างดี ..

ทั้งนี้ เมื่อเทียบเคียงปริมาณความร้อนจัดเก็บที่เท่ากับการจัดเก็บความร้อนด้วยน้ำ และแท้งค์น้ำ Store Heat Energy in Water Tank ขนาด 23 ลูกบาศก์เมตรแล้ว พบว่า การใช้เทคโนโลยีเกลือไฮเดรต Salt Hydrate Technology ที่มีความหนาแน่นของการจัดเก็บ Storage Density ประมาณ 1 GJ/m³ ในตู้คอนเทนเนอร์ Containers เพียง 1 ตู้ที่บรรจุเกลือแห้ง 2-3 ลูกบาศก์เมตร หรืออาจเพิ่มเป็น 4-8 m³ เท่านั้น ก็จะสามารถจัดเก็บพลังงานความร้อนได้ปริมาณมากพอที่จะให้ความร้อนกับบ้าน และครัวเรือนได้ตลอดฤดูหนาวในยุโรปเหนืออย่างเพียงพอ ..

ประโยชน์ และข้อได้เปรียบของการจัดเก็บพลังงานความร้อน Advantage & Benefits of Thermal Energy Storage : TES ..

การใช้ระบบการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES มีประโยชน์หลายประการ ในที่นี้ ภาพรวมเกี่ยวกับคุณประโยชน์หลายประการของการจัดเก็บความร้อน และข้อได้เปรียบอื่นๆ ได้แก่ การใช้จัดเก็บพลังงาน และป้องกันอัคคีภัย เช่นเดียวกับผลประโยชน์ต่อบริษัทฯ ที่ดำเนินกิจการในระบบสาธารณูปโภค และสังคมโดยรวมที่ตามมาพร้อมด้วย ..

ประโยชน์หลัก และจุดเด่นของการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES พบว่า พวกมันสามารถลดความต้องการสูงสุด และระดับความต้องการการจัดเก็บพลังงานเมื่อมีความต้องการน้อย และปล่อยคายพลังงานเมื่อมีความต้องการสูง รวมทั้งลดการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ Carbon Dioxide : CO₂ ได้อย่างยอดเยี่ยมด้วยต้นทุนต่ำ และเมื่อระบบจัดเก็บพลังงาน มีราคาถูกลง ก็จะส่งผลให้การใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนในส่วนผสมของระบบพลังงานสะอาดสีเขียว Green & Clean Energy เพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย ทั้งนี้ ด้วยประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวมของระบบพลังงาน Overall Energy Efficiency of Energy Systems ที่สูงกว่า การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ยังได้กลายเป็นส่วนสำคัญของระบบพลังงานที่เชื่อถือได้ เพื่อขับเคลื่อนปั๊มความร้อน Heat Pumps ที่สามารถผลิตความร้อน หรือความเย็นด้วยพลังงานไฟฟ้าที่ราคาถูกกว่า และความร้อนเหลือทิ้งจากแหล่งอุตสาหกรรม เพื่อสร้างสมดุลให้กับภาระงานของระบบพลังงาน Energy System ซึ่งระบบจัดเก็บพลังงานรูปแบบอื่น ไม่สามารถทำได้ ..

ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาระบบการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES นั้น ต่ำกว่าเนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว ระบบจัดเก็บความร้อนจะใช้เครื่องทำความเย็น หอทำความเย็น และปั๊มที่มีขนาดเล็กกว่าระบบทั่วไป แม้ว่าชั่วโมงการทำงานที่เพิ่มขึ้น อาจชดเชยการประหยัดเหล่านี้ได้ในระดับหนึ่ง แต่การหยุด และการเริ่มต้นจะส่งผลต่อการบำรุงรักษามากกว่าชั่วโมงการทำงาน นอกจากนี้ โดยทั่วไปแล้ว ระบบแบบเดิมจะทำงานเกือบตลอดทั้งปีในสภาวะโหลดบางส่วน ซึ่งมีความต้องการการบำรุงรักษาพอๆ กับการทำงานเต็มโหลด ..

ระบบจัดเก็บความร้อน Thermal Storage System ที่วางแผน และออกแบบอย่างเหมาะสม มักจะทำให้ต้นทุน และเงินทุนลดลงมาก นอกเหนือจากการใช้พลังงานที่ลดลง และต้นทุนพลังงานที่ลดลงเรื่อย ๆ นี่เป็นเพราะความต้องการอุปกรณ์ที่น้อยลง Smaller Equipment Requirements และความต้องการโครงสร้างพื้นฐานที่เกี่ยวข้องที่มีน้อยลง Smaller Related Infrastructure Requirements ด้วยเช่นกัน ซึ่งเป็นไปได้แม้จะมีต้นทุนเพิ่มของถังเก็บความร้อน Cost of the Thermal Storage Tank ก็ตาม ..

ตัวอย่างเช่น ระบบจัดเก็บความร้อนThermal Storage System อาจต้องการอุปกรณ์ทำความเย็นเพียง 1,000 ตัน เทียบกับอุปกรณ์ทำความเย็น 2,000-3,000 ตันที่จำเป็นสำหรับโรงงานทำความเย็นแบบทั่วไปที่ไม่มีการจัดเก็บความร้อน Conventional Cooling Plant with no Thermal Storage .. การประยุกต์ใช้ระบบจัดเก็บความร้อน Thermal Storage System ไม่เพียงแต่จะทำให้อุปกรณ์การผลิตระบบทำความเย็น Cooling Production Equipment มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่ามาก แต่ต้นทุนด้านค่าไฟฟ้า และโครงสร้างพื้นฐานของอาคารเพื่อรองรับอุปกรณ์ทำความเย็นก็จะลดลงด้วยเช่นกัน ซึ่งอาจมากกว่าการชดเชยต้นทุนเงินทุนของระบบจัดเก็บความร้อน ซึ่งจะช่วยประหยัดต้นทุนสุทธิ Net Capital Cost Savings เมื่อเทียบกับระบบที่ไม่ใช้ระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน Non-Heat Storage System ..

ปัจจุบัน ระบบการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ช่วยให้ระบบสาธารณูปโภคสามารถเข้าถึงการส่งจ่ายพลังงานปริมาณมหาศาลสำหรับภาคอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมห้องเย็นด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า และเพื่อเพิ่มความจุ และความยืดหยุ่นของโครงข่ายระบบสายส่ง Power Grids .. โหลดที่เข้าถึงได้ใหม่นี้ ช่วยให้ระบบสาธารณูปโภค ชะลอโครงการก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพง และเป็นเส้นทางสู่การมีส่วนร่วมกับลูกค้าเชิงพาณิชย์ อุตสาหกรรม และเทคโนโลยี ..

การทดสอบ ยอมรับ และจูงใจในโครงการในระบบสาธารณูปโภคต่างๆ ทั่วอเมริกาเหนือ รวมทั้งในยุโรป ได้รับการติดตั้ง และกำลังดำเนินการอยู่ในอีกหลายประเทศ เพื่อให้มั่นใจว่า ระบบสาธารณูปโภค จะสามารถจัดเก็บ ปล่อยคาย และใช้งานพลังงานความร้อนส่วนเกินเป็นชั่วโมง ยาวนานเป็นวัน หรือเดือนต่อมาได้ในระดับ และขนาดต่างๆ ทั้งสำหรับการส่งจ่ายความร้อน และการผลิตกำลังไฟฟ้า ตั้งแต่กระบวนการส่วนบุคคล ครัวเรือน บ้าน อาคาร ชุมชน สถานที่ทำงาน เขตเมือง หรือภูมิภาค รวมทั้งการใช้งานบนโครงข่ายระบบสายส่ง Power Grids ได้อย่างยอดเยี่ยมจากนี้ไป ..

คาดการณ์ตลาดการจัดเก็บพลังงานความร้อนทั่วโลก Thermal Energy Storage : TES Global Market ..

ขนาดธุรกิจภาพรวมในตลาดการจัดเก็บพลังงานความร้อนทั่วโลก Thermal Energy Storage : TES Global Market มีมูลค่า 188 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2563 และคาดว่าจะสูงถึง 369 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2568 .. อย่างไรก็ตาม หากรวมระบบ Heat Pumps และโรงไฟฟ้าพลังความร้อนไปด้วยแล้ว ได้รับการคาดหมายเพิ่มเติมว่า มูลค่าขนาดธุรกิจในตลาดที่เกี่ยวข้องรวมทั้งหมด จะสามารถพุ่งแตะระดับ 51.3 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ได้ภายในปี 2573 .. ทั้งนี้ อัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาดการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage Global Market ทั่วโลกที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 14.4% ในช่วงเวลาที่คาดการณ์ ปี 2564-2573 ..

การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES คือ วิธีการจัดเก็บพลังงานชนิดหนึ่ง การจัดเก็บพลังงานความร้อน หมายถึง การให้ความร้อน หรือความเย็นแก่ตัวกลางเพื่อใช้ประโยชน์จากพลังงานเมื่อจำเป็นในภายหลัง .. การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES สามารถลดการใช้พลังงานที่สมดุลระหว่างกลางวัน และกลางคืน .. เทคโนโลยีต่าง ๆ เช่น การจัดเก็บความร้อนสัมผัส Sensible Heat Storage, การจัดเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage และการจัดเก็บความร้อนเคมี Thermochemical Storage สามารถใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES ได้เป็นอย่างดี ..

การจัดเก็บพลังงานความร้อนสัมผัส Sensible Thermal Energy Storage ที่เหมาะสม ถือเป็นทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้ในการลดการใช้พลังงาน และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ Carbon Dioxide : CO₂ พวกมันใช้น้ำ หรือหิน เพื่อจัดเก็บ และกระจายพลังงานความร้อน ซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับอาคารที่พักอาศัยในตลาดการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage Global Market ..

ระบบกักเก็บความร้อนแฝง Latent Heat Storage Systems ต่างออกไป พวกมันจะสะสมพลังงานโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของตัวกลาง Medium แต่จะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงสถานะของตัวกลาง State of a Medium .. วัสดุที่เปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs สามารถกักเก็บความร้อนไว้ในมวลของพวกมันด้วยความร้อนแฝง .. วัสดุ PCMs เหล่านี้ใช้ในการสร้างอาคาร และการใช้งานแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ โดยสะสม และกักเก็บความร้อนส่วนเกินในอาคาร ขณะที่ ระบบจัดเก็บความร้อนแบบเทอร์โมเคมี Thermochemical Heat Storage Systems นั้น อาศัยปฏิกิริยาเคมี ..

ทั้งนี้ในประเด็นเฉพาะ ตลาดวัสดุเปลี่ยนสถานะ PCMs Market นั้น อ้างอิงการสำรวจตลาดของ Global News Wire ชี้ให้เห็นว่า ขนาดธุรกิจในตลาดวัสดุเปลี่ยนสถานะประยุกต์ทั่วโลก Global Advanced Phase Change Materials : PCMs Market อยู่ที่ 1.1 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2563 คาดว่าจะเติบโตแตะระดับ 3.1 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2570 ด้วยอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับตลาดวัสดุเปลี่ยนสถานะประยุกต์ทั่วโลก Global Advanced Phase Change Materials : PCMs Market ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 18.8% ในช่วงระยะเวลาที่คาดการณ์ปี 2564-2570 ..

สรุปส่งท้าย ..

การจัดเก็บพลังงาน Energy Storage or Storing Energy เพื่อไว้ใช้ในภายหลังนั้น มีหลายรูปทรง และหลายขนาด ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน Applications, นวัตกรรม Innovations และความพร้อมใช้งาน Availability .. ปัจจุบันมีเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน Energy Storage Technologies ประเภทต่างๆ มากมายหลากหลายรูปแบบ ตัวอย่างบางส่วน เช่น ชุดแบตเตอรี่ Batteries, ระบบจัดเก็บพลังน้ำแบบสูบกลับ Pumped Hydro Storage, ระบบจัดเก็บพลังงานมู่เล่ Flywheels Energy Storage, การจัดเก็บพลังงานอากาศอัด Compressed Air Energy Storage : CAES, การจัดเก็บพลังงานอากาศเหลว Liquid Air Energy Storage : LAES, การจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES และการจัดเก็บไฮโดรเจน Hydrogen Storage เป็นต้น ..

ระบบจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES Systems คือ ส่วนสำคัญในระบบจัดเก็บพลังงาน Energy Storage Systems : ESSs ต้นทุนต่ำ ซึ่งพวกมันจัดเก็บพลังงานความร้อนไว้ใช้ในอนาคต เพื่อผลิตพลังงาน และเปิดใช้งานกลไกการทำความเย็น และการทำความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม .. พลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงเข้มข้น Concentrated Solar Power : CSP ก็เป็นอีกหนึ่งในเทคโนโลยีจัดเก็บพลังงานความร้อนที่สะท้อนแสงอาทิตย์เพื่อสร้างความร้อน และจัดเก็บไว้ใช้ในภายหลัง ..

ขั้นตอนการชาร์จ และการคายประจุของระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ Battery Energy Storage System : BESS เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการในระบบจัดเก็บความร้อน Thermal Energy Storage : TES รูปแบบต่างๆ แล้วพบว่า วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs ทำให้หน่วยจัดเก็บความร้อนมีขนาดเล็กกะทัดรัดมากขึ้น และสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่แคบ Narrow Temperature Range ซึ่งหมายถึง การสูญเสียพลังงานความร้อนที่ลดลง จึงให้ประสิทธิภาพที่เหนือชั้นกว่า ..

เนื่องจากการหลอมเหลว และการแข็งตัวของวัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials: PCMs เกิดขึ้นที่อุณหภูมิเกือบคงที่ จึงเป็นไปได้ที่จะเก็บพลังงานความร้อนจำนวนมากจากกระแสความร้อน หรือเย็น โดยสูง หรือต่ำกว่าอุณหภูมิในการทำงานปกติเพียงไม่กี่องศาเท่านั้น .. ดังนั้นการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES จึงได้กลายเป็นที่สนใจอย่างสูงในภาคอุตสาหกรรม ซึ่งมีความพยายามอย่างมากในการลดการใช้พลังงานโดยรวม และหลีกเลี่ยงความสูญเปล่า หรือการสิ้นเปลืองพลังงานส่วนเกิน แต่นำพวกมันกลับมาใช้งานในภายหลังต่อไป ..

ข้อดีอีกประการของการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES คือ ความสามารถในการลดการใช้พลังงานในช่วง On Peak สูงสุด .. การจัดเก็บความร้อน หรือความเย็นในช่วงที่มีความต้องการต่ำ และส่งคืนในช่วงที่มีความต้องการสูงสุด การติดตั้งอุปกรณ์ทำความร้อน หรือความเย็นที่มีขนาดเล็กลง และการลดต้นทุน ซึ่งข้อได้เปรียบนี้ ควบคู่ไปกับมุมมองในอนาคตของราคาพลังงานที่สูงขึ้นมากในช่วงที่มีความต้องการสูงสุด เป็นสิ่งที่จะช่วยเร่งการนำข้อไขการใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ Phase Change Materials : PCMs-Based Solutions ในระบบจัดเก็บความร้อน Heat Storage ในภาคอุตสาหกรรม และการผลิตกำลังไฟฟ้าประเทศต่าง ๆ ทั่วโลกได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ..

ต้นทุน และราคาระบบจัดเก็บพลังงาน Energy Storage Systems : ESSs Prices ยังคงต้องลดลงมากกว่านี้ เพื่อให้สามารถเข้าถึงการใช้งานได้ในวงกว้างขึ้นอีกทั่วโลก .. อย่างไรก็ตาม พวกมันได้รับการคาดหมายว่า แม้จะไม่มีแรงจูงใจเพิ่มเติมไปกว่านี้ก็ตาม นักวิเคราะห์ยังมองในแง่ดีว่า ในที่สุดราคาของพวกมันจะลดลงได้มากกว่าราคาในปัจจุบันด้วยคุณภาพที่สูงขึ้นจนเพียงพอต่อการการจัดเก็บพลังงานอย่างกว้างขวางสำหรับการใช้งานในหลากหลายรูปแบบ ซึ่งการจัดเก็บพลังงานความร้อน Thermal Energy Storage : TES คือ หนึ่งในตัวเลือกต้นทุนต่ำที่สมเหตุสมผลที่สุดที่สามารถเติมเต็มความต้องการที่กล่าวถึงเหล่านี้ได้อย่างน่าประทับใจ .. ในอนาคตอันใกล้ ศักยภาพความจุ ขนาด ราคาที่เหมาะสม ต้นทุนต่ำ และประสิทธิภาพของระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งระยะทนยาว Long-Duration Energy Storage Systems ที่ต้องการ จะมิใช่ขนาดความจุเพียงแค่ 1-2 GWh เท่านั้น แต่หมายถึงระดับ 10 GWh ถึงมากกว่า 100 GWh ซึ่งมันมิได้อยู่ไกลเกินเอื้อมอีกต่อไป และกำลังจะเกิดขึ้นได้อย่างแน่นอนปราศจากข้อสงสัย ..

……………………………………

คอลัมน์ : Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Thermal Energy Storage | ScienceDirect :-

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/thermal-energy-storage

Innovation Outlook: Thermal Energy Storage | IRENA :-

https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Innovation_Outlook_TES_2020.pdf

Thermal Energy Storage | Danfoss :-

https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/insights-for-tomorrow/integrated-energy-systems/thermal-energy-storage/#:~:text=Thermal%20energy%20storage%20means%20heating,when%20energy%20is%20less%20plentiful

Promising Salt Batteries for Heat Storage | Techxplore :-

https://techxplore.com/news/2023-11-salt-batteries-storage.html

Thermophotovoltaic Cells: Grid Scale Energy Storage 30x Cheaper :-

https://photos.app.goo.gl/xVZzZ22jkZUbRKwaA

Sand Battery & Other Thermal Energy Storage: How A Sand Battery Could Change The Energy Game :-

https://photos.app.goo.gl/89dSQ6beci3vqiwWA