แบตเตอรี่เหล็กอากาศ และเซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะ – อากาศ

Iron Air Battery & Metal – Air Electrochemical Cell

“…แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery ที่จ่ายกำลังไฟฟ้าได้หลายวันกำลังเข้าสู่ตลาดเชิงพาณิชย์ ..”

แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้รูปแบบเหล็กอากาศ Rechargeable Iron Air Battery เป็นเทคโนโลยีอีกตัวหนึ่งที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง มันหายใจได้เอง และมีศักยภาพในการจัดเก็บพลังงานในระดับกริดไฟฟ้า Electrical Grid Scale หรือบนโครงข่ายระบบสายส่ง ..

วัตถุดิบหลักของเทคโนโลยีนี้ คือ เหล็กออกไซด์ FeO หรือสนิมเหล็กนั่นเอง ซึ่งมีอยู่อย่างมากมายในธรรมชาติ มันปลอดสารพิษ ราคาไม่แพง และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม .. แบตเตอรี่โลหะอากาศส่วนใหญ่ที่กำลังพัฒนาในขณะนี้ ใช้ไอรอนออกไซด์ ส่วนใหญ่เป็นผง เพื่อสร้าง และกักเก็บไฮโดรเจนผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์ Redox Reactions หรือหมายถึง ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้ากลับไปมาระหว่าง Oxidation กับ Reduction Reactions ของเหล็ก และสนิมเหล็ก Fe/FeO : Fe + H₂O ⇌ FeO + H₂ หรือปฏิกิริยารีดอกซ์ Redox ของโลหะอื่นอีกหลายตัวที่อิเล็กตรอนวงรอบนอกไวต่อการวิ่งเข้าออกอะตอม ..

เมื่อใช้ร่วมกับเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell จะทำให้ระบบสามารถทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟฟ้าได้ ซึ่งมันจะสร้างน้ำ H₂O และก๊าซไฮโดรเจน H₂ ผ่านกระบวนผลิต และการใช้กำลังไฟฟ้า .. นอกจากนี้ เทคโนโล ยีนี้มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย เนื่องจากสามารถใช้จัดเก็บพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ ที่ไม่ต่อเนื่องผันแปร มันยังเป็นหนึ่งในระบบพลังงานเคมีไฟ ฟ้าที่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำอย่างยิ่ง ..

วิธีหนึ่งที่ระบบสามารถเริ่มต้นได้ คือ การใช้ปฏิกิริยารีดอกซ์ Redox Reaction ของ Fe/FeO จากนั้นไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นในระหว่างการออกซิเดชั่นของเหล็ก จะถูกใช้โดยเซลล์เชื้อเพลิงร่วมกับออกซิเจนจากอากาศ เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า เมื่อต้องจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า ไฮโดรเจนที่เกิดจากน้ำโดยการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบย้อนกลับ จะถูกใช้ไปในระหว่างการลดระดับของเหล็กออกไซด์เป็นเหล็กโลหะ .. การรวมกันของทั้งสองรอบนี้ เป็นสิ่งที่ทำให้ระบบทำงานเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟฟ้าซ้ำได้รูปแบบเหล็กอากาศ Iron Air ที่ต่างออกไปจากการจัดเก็บกำลังไฟฟ้ารูปแบบอื่น ..

ข้อจำกัดของเทคโนโลยีนี้มาจากวัสดุที่ใช้ โดยทั่วไปจะเลือกผงเหล็กออกไซด์ FeO / Fe₂O₃ / Fe₃O₄.. อย่างไรก็ตาม การเผาผนึกอย่างรวดเร็ว และการบดเป็นผง จะจำกัดความสามารถในการบรรลุรอบจำนวนมาก ซึ่งส่งผลให้ความจุลดลง วิธีการอื่น ๆ ที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบ เช่น การพิมพ์ 3 มิติ 3D Printing และการหล่อแบบเยือกแข็ง Freeze – Casting พยายามทำให้สามารถสร้างวัสดุสถาปัตยกรรม เพื่อให้สามารถเปลี่ยนแปลงพื้นที่ผิว และปริมาตรได้สูงขึ้นระหว่างปฏิกิริยารีดอกซ์ Redox Reaction ..

แบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะ – อากาศ Metal – Air Electrochemical Cell ..

นอกจากการประยุกต์ใช้โลหะที่เป็นเหล็ก Fe/FeO ในแบตเตอรี่เหล็กอากาศแล้ว โลหะอื่นอีกหลายตัวก็สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในลักษณะเดียวกันได้ เช่น สังกะสี Zn และ อะลูมิเนียม Al เป็นต้น .. เซลล์ไฟฟ้าเคมีของโลหะ – อากาศ Metal – Air Electrochemical Cell เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ขั้วบวกทำจากโลหะบริสุทธิ์ และขั้วลบเป็นแคโทดภายนอกของอากาศแวดล้อม Ambient Air Cathode โดยทั่วไปแล้วจะใช้อิเล็กโทรไลท์ที่เป็นน้ำ หรือ Aprotic Electrolyte .. ในระหว่างการคายประจุของเซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะ และอากาศ ปฏิกิริยารีดักชั่น Reduction Reactions เกิดขึ้นในแคโทดอากาศแวดล้อม Ambient Air Cathode ในขณะที่แอโนดของโลหะ Metal Anode ถูกออกซิไดซ์ ..

ความจุจำเพาะ Specific Capacity และความหนาแน่นพลังงาน Energy Density ของเซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะและอากาศนั้น สูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน ทำให้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าได้อีกด้วย .. อย่างไรก็ตาม ภาวะแทรกซ้อนบางประเด็นที่เกี่ยวข้องกับโลหะแอโนด Metal Anode, ตัวเร่งปฏิกิริยา Catalysts และอิเล็กโทรไลท์ Electrolytes ได้ขัดขวางการพัฒนา และการใช้งานแบตเตอรี่โลหะ – อากาศ แม้ว่าจะมีการใช้งานเชิงพาณิชย์อยู่บ้างแล้วก็ตาม .. การวิจัยและพัฒนาเพื่อทำตลาดในเชิงพาณิชย์เพื่อเพิ่มความเชื่อมั่น จึงยังคงเป็นความจำเป็นที่ขาดไม่ได้ ..

อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไป แบตเตอรี่โลหะ – อากาศใช้ออกซิเจนจากอากาศเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า ข้อได้เปรียบของพวกมัน คือ ไม่จำเป็นต้องเก็บออกซิเจน O₂ ไว้ในชุดแบตเตอรี่ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่อัลคาไลน์ทั่วไป หรือแบตเตอรี่ Li – ion ทั่วไป มันสูดหายใจเองได้ในบรรยากาศบนพื้นผิวโลก .. พลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของแบตเตอรี่เหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าแบตเตอรี่ Li – ion ในปัจจุบันอย่างมากถึงประมาณ 3 – 30 เท่า .. แบตเตอรี่เหล่านี้ ยังมีความปลอดภัยในตัวมันเอง เนื่องจากจะไม่ทำให้เกิดไฟไหม้ หรือระเบิดระหว่างการทำงาน เพราะเหตุว่า การใช้อิเล็กโทรไลท์ที่เป็นน้ำนั้น เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างยิ่ง ..

แบตเตอรี่โลหะ – อากาศ Metal – Air Electrochemical Cell ถูกจำแนกตามประเภทของโลหะที่ใช้ใน Negative Electrode ซึ่งโดยทั่วไป คือ สังกะสี Zn, แมกนีเซียม Mg, อะลูมิเนียม Al, ซิลิคอน Si และ เหล็ก Fe เนื่องจากแบตเตอรี่เหล่านี้ ส่วนใหญ่ใช้วัสดุที่มีปริมาณสำรองในธรรมชาติอย่างมากมาย เช่น Zn, Al, Mg, Si, C, Mn เป็นต้น จึงมีราคาถูกกว่าลิเธี่ยมอย่างมากในตลาด .. ทั้งนี้ ความท้าทายในการปรับปรุงพลังงานจำเพาะ ความหนาแน่นของพลังงาน และอายุวงจรการใช้งานให้ยาวนานขึ้นอีกนั้น แม้ว่าแบตเตอรี่โลหะ – อากาศจะเป็นที่รู้จักมานานกว่า 100 ปี แต่การรุกเข้าสู่ตลาดที่กว้างขึ้นนั้น มักจะถูกขัดขวางโดยประสิทธิภาพ และความเสถียรของอิเล็กโทรด Electrodes อิเล็กโทรไลท์ Electrolyte และการออกแบบเซลล์ไฟฟ้าเคมีเพื่อให้ตรงต่อความต้องการเฉพาะของกลุ่มผู้บริโภคที่เป็นชุมชน เมือง เช่น ระบบจัดเก็บพลังงานรูปแบบทนยาว Long – Duration Energy Storage ต้นทุนต่ำที่เชื่อถือได้ และปลอดภัยบนโครงข่ายระบบสายส่ง เป็นต้น ..

แบตเตอรี่เหล็ก – อากาศ Iron Air Battery ทำตลาดระบบจัดเก็บพลังงานปั่นป่วนด้วย 10 % ของค่าใช้จ่ายเทียบกับชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยม ..

บริษัท Form Energy ในบอสตัน กำลังดำเนินโครงการนำร่องเชิงพาณิชย์สำหรับโครงการติดตั้งชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศขนาดใหญ่บนโครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้าที่น่าตื่นเต้น ซึ่งอาจกลายเป็นส่วนสนับสนุนสำคัญในอนาคตระบบจัดเก็บพลังงานด้วยระยะยาวทนนาน ขณะที่โลกกำลังเคลื่อนตัวห่างออกจากแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล .. แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery แบบธรรมดาเหล่านี้ เก็บพลังงานได้สูง จ่ายกำลังไฟฟ้าได้นานกว่า 100 ชั่วโมง ด้วยค่าใช้จ่ายหนึ่งในสิบของฟาร์มแบตเตอรี่ลิเธี่ยม ..

ภาพใหญ่ คือ เป็นที่แน่นอนว่าพลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม และพลังงานสีเขียวในรูปแบบอื่น ๆ จะผลิตพลังงานตามเวลา หรือเวลาที่พร้อมใช้งาน มากกว่าเมื่อจำเป็น บางครั้งอาจผลิตได้ไม่มาก หรือมากเกินในคราวละแต่ละห้วงของวัน ดังนั้น ในขณะที่โลกเริ่มเปลี่ยนออกจากแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลราคาถูกซึ่งได้ก่อมลพิษอย่างหนัก เช่น ถ่านหิน .. หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ คือ การสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกในระบบพลังงานที่สามารถจัดเก็บ และปล่อยพลังงานสะอาดสีเขียวในราคาถูกได้ตามต้องการโดยไม่มีข้อจำกัดทุกที่ทุกเวลา ..

Tesla เปิดตัวชุดแบตเตอรี่ Lithium – Ion Battery Packs สำหรับภาคการจัดเก็บพลังงานระดับกริดขนาดใหญ่ และขนาดย่อมในระดับครัวเรือน ในปี 2560 เมื่อพวกเขาสร้างชุดแบตเตอรี่ที่ใหญ่ที่สุดในโลกในรัฐเซาท์ออสเตรเลีย .. โครงการนี้ประสบความสำเร็จอย่างมาก และทำให้เกิดการพัฒนาที่คล้ายคลึงกัน และมีขนาดใหญ่ขึ้นทั่วโลก แต่มีปัญหาโดยธรรมชาติกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยม พวกมันมีราคาแพง เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว และยังคงสร้างปัญหามากในการจัดเก็บระยะยาว ไม่ต้องพูดถึง อุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ลิเธี่ยมที่ราคาถูกกว่าในกำมือของจีน ส่งผลต่อประเด็นความมั่นคงด้านพลังงานอย่างแท้จริงสำหรับประเทศอื่น ๆ ในการแข่งขันที่จะลดคาร์บอนเป็นศูนย์สุทธิภายในปี 2050 ..

อย่างไรก็ตาม บริษัท Form Energy เชื่อว่า ‘แบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะ – อากาศ Metal – Air Electrochemical Cell คือคำตอบ’ .. ด้วยความจริงที่ว่า แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery สามารถติดตั้งได้จำนวนมากด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าหลายเท่า โดยใช้วัสดุที่มีอยู่ทั่วไป สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้นานถึง 100 ชั่วโมงในสถานการณ์ฉุกเฉิน และ “เมื่อเปรียบเทียบค่าใช้จ่ายกับลิเธี่ยมไอออนแบตเตอรี่ Lithium Ion Battery แล้ว มันน้อยกว่าถึง 1 ใน 10” .. นอกจากนี้ ชุดแบตเตอรี่ระบบไอรอน – แอร์ Iron – Air Battery Packs รูปแบบนี้ สามารถป้อนพลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้กลับเข้าสู่ระบบสายส่งกริดไฟฟ้าได้ในราคาที่เรียกได้ว่า “แข่งขันกับโรงไฟฟ้าทั่วไปได้อย่างสบาย ๆ” ..

แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery ทำงานโดยเริ่มต้น และย้อนกลับกระบวนการเกิดสนิมของเหล็ก .. เหล็กที่เป็นโลหะจะรวมกับออกซิเจนเพื่อปลดปล่อยพลังงานในวงจรการคายประจุ จากนั้นเมื่อพลังงานถูกนำไปใช้กับสนิมนี้ มันจะแปลงกลับเป็นเหล็กโลหะ และปล่อยออกซิเจนออกมา เป็นเทคโนโลยีที่อยู่เฉย ๆ มานานหลายทศวรรษเนื่องจากปัญหาไฮโดรไลซิส Hydrolysis ที่สิ้นเปลือง ซึ่งลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลงครึ่งหนึ่งจนเมื่อมันได้รับการแก้ไขได้สำเร็จในปี 2555 ..

บริษัท Form Energy ยังไม่ได้ระบุถึงประสิทธิภาพของแต่ละหน่วยเซลล์ไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ใช้ขั้วบวกโลหะที่เป็นเหล็กขนาดยักษ์ Giant Iron Anode ที่บริษัทฯ อ้างว่า เป็นขั้วบวกที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา .. เซลล์ไฟฟ้าเคมีขนาดประมาณ 1 ตารางเมตร ถูกเสียบเข้าไปในโมดูลแบตเตอรี่ขนาดประมาณเครื่องซักผ้า แช่ในอิเล็กโทรไลท์เหลว  Liquid Electrolyte และสามารถรีดออกจำนวนมากในการติดตั้งโดยให้พลังงานต่อเนื่องระหว่าง 1 – 3 MW ต่อพื้นที่ 1 เอเคอร์ Acre ..

บริษัทฯ กล่าวว่า ‘ ชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศ จะทำงานได้ดีควบคู่ไปกับชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมขนาดใหญ่ ’ สันนิษฐานได้ว่า ลิเธี่ยมแบตเตอรี่น่าจะดีกว่าสำหรับเหตุการณ์การคายประจุอย่างรวดเร็ว เช่น การปรับโหลดให้เรียบเสถียร และแบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery จะเหมาะกับการคายพลังงานที่ช้าลง แต่ยาวนานกว่า มันจึงเป็นระบบจัดเก็บพลังงานที่ยอดเยี่ยมมากสำหรับห้วงเวลาฉุกเฉิน และจำเป็นต้องใช้พลังงานสำรองปริมาณมากอย่างยาวนาน 100 ชั่วโมง หรือมากกว่า 4 วันเต็ม กรณีแหล่งพลังงานหมุนเวียนไม่สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้มากพอให้กับระบบกริดไฟฟ้า หรือโครงข่ายระบบสายส่ง หรือในช่วงเวลาวิกฤติ ขณะที่ศักยภาพของพวกมันครอบคลุมมาตรการเผชิญสถานการณ์ภัยพิบัติได้ด้วย เช่น พายุหนักที่อาจทำให้พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ ต้องหยุดการผลิตกำลังไฟฟ้าเป็นเวลานาน เป็นต้น ..

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของระบบแบตเตอรี่เหล็กอากาศนี้ คือ เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน สามารถนำวัสดุกลับมาเข้ากระบวนการรีไซเคิลได้เป็นอย่างดี ..

ปัจจุบัน บริษัท Form Energy ระดมทุนได้มากกว่า 300 ล้านเหรียญสหรัฐฯ เพื่อจำหน่ายระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศ โดยมี ArcelorMittal ยักษ์ใหญ่ด้านเหล็กกล้า และ Breakthrough Energy Ventures ที่ได้รับการสนับสนุนจาก Bill Gates & Jeff Bezos ท่ามกลางกลุ่มนักลงทุนจำนวนมาก .. โครงการแรกได้รับการประกาศเมื่อปีที่ผ่านมา ได้แก่ โครงการชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศขนาดใหญ่เชิงพาณิชย์ในรัฐมินนิโซตา Minnesota ซึ่งพวกมันจะสามารถส่งจ่ายพลังงานที่เป็นกำลังไฟฟ้าขนาด 1 MW / 150 MWh ได้อย่างต่อเนื่องเป็นเวลากว่า 150 ชั่วโมงได้อย่างสบาย ..

แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery ที่จ่ายกำลังไฟฟ้าได้หลายวันกำลังเข้าสู่ตลาดเชิงพาณิชย์ ..

Form Energy บริษัทสตาร์ทอัพในสหรัฐฯ ได้รับเงินทุนอุดหนุน Series D มูลค่า 200 ล้านเหรียญสหรัฐฯ เพื่อพัฒนาสิ่งที่เรียกว่าความก้าวหน้าในระบบจัดเก็บพลังงานทนยาวขนาดใหญ่ ..

แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลม มีความแปรปรวนในชั่วโมงการผลิต และในกรณีหากเกิดเหตุการณ์ปัญหาสภาพอากาศต่อเนื่องหลายวันอาจส่งผลกระทบต่อกำลังการผลิตกำลังไฟฟ้า ดังนั้น ระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่รูปแบบที่สามารถส่งกำลังไฟฟ้าต่อเนื่องได้หลายวัน จึงเป็นความจำเป็นที่คุ้มค่า และมีความสำคัญต่อความน่าเชื่อถือบนโครงข่ายระบบสายส่ง หรือระบบกริดไฟฟ้า ..

บริษัทสตาร์ทอัพ Form Energy จากบอสตัน ได้พัฒนาเทคโนโลยีเพื่อตอบสนองความต้องการนี้ โดยได้เปิดเผยคุณสมบัติทางเคมีที่อยู่เบื้องหลังชุดแบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Batteries .. บริษัทฯ ยืนยันว่า แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าที่มาจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนได้เป็นเวลามากกว่า 100 ชั่วโมง ด้วยต้นทุนระบบที่แข่งขันได้กับโรงไฟฟ้าทั่วไปได้ .. ในการผลิตเต็มรูปแบบของ Form Energy ชี้ว่า โมดูลจะจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ในราคาเพียงหนึ่งในสิบของต้นทุนชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery Packs ..

แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Batteries ประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เต็มไปด้วยเม็ดเหล็กหลายพันเม็ดที่สัมผัสกับอากาศ และทำให้เกิดสนิม จากนั้นออกซิเจนจะถูกกำจัดออกไป ทำให้สนิมกลับคืนสภาพกลับเป็นเหล็ก การควบคุมกระบวนการนี้ ทำให้สามารถชาร์จ และคายประจุแบตเตอรี่ได้อย่างยอดเยี่ยม ..

โครงการนี้ ได้รับเงินทุน 200 ล้านเหรียญสหรัฐฯ จากกองทุน Series D นำโดย 25 ล้านเหรียญสหรัฐฯ จากกองทุนนวัตกรรม XCarb ของ ArcelorMittal ซึ่งแม้จะเป็นบริษัทยักษ์ใหญ่ผู้ผลิตเหล็กกล้า แต่จะไม่ดำเนินการจัดหาแร่เหล็กเอง .. ทั้งนี้ สำหรับแผนการผลิตระบบแบตเตอรี่ Iron Air Batteries โดยเฉพาะนั้น Form Energy ตั้งใจที่จะจัดหาธาตุเหล็กภายในประเทศเพื่อผลิตชุดแบตเตอรี่ โดยพิจารณาจากแหล่งผลิตแร่เหล็กที่อยู่ในพื้นที่ใกล้เคียงโรงงานมาใช้ ..

โครงการแรกของบริษัทฯ คือ การติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ Iron – Air นำร่องขนาด 1 MW / 150 MWh : Minnesota – Based Utility Great River Energy ในรัฐมินนิโซตา Minnesota ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับแหล่งแร่เหล็ก American Iron Range .. ทั้งนี้ Form Energy คาดว่า การติดตั้งโรงไฟฟ้าที่ Great River Energy จะแล้วเสร็จ สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ ภายในปี 2566 ..

Mateo Jaramillo ซีอีโอ CEO และผู้ร่วมก่อตั้ง Form Energy กล่าวว่า “เราได้ทำการตรวจสอบเทคโนโลยีที่มีอยู่อย่างกว้าง ๆ และได้คิดค้นแบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Batteries เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานที่สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ยาวนานเป็นเวลาหลายวันสำหรับโครงข่ายระบบสายส่ง หรือระบบกริดไฟฟ้า .. ด้วยเทคโนโลยีนี้ เรากำลังจัดการกับอุปสรรคที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของการลดการปล่อยคาร์บอนอย่างยอดเยี่ยม นั่นคือ การทำให้พลังงานทางเลือก และพลังงานหมุนเวียน สามารถใช้งานได้ทุกที่ทุกเวลาที่จำเป็น แม้ในช่วงหลายวันที่สภาพอากาศเลวร้าย สถานการณ์ภัยพิบัติ หรือกระแสไฟฟ้าดับ” ..

คาดการณ์ตลาดทั่วโลกของแบตเตอรี่โลหะอากาศ Global Metal – Air Battery Market ..

ตลาดแบตเตอรี่โลหะอากาศทั่วโลก Global Metal – Air Battery Market มีมูลค่า 384.40 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2562 และคาดว่าจะสูงถึง 1,260.22 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในปี 2570 .. แนวโน้มขนาดุรกิจ และตลาดแบตเตอรี่โลหะอากาศ คาดหมายได้ว่า จะเติบโตด้วยค่า Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาด Metal – Air Batteries ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 16.0 % ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ ปี 2563 – 2570 ..

ปัจจัยสำคัญบางประการที่ขับเคลื่อนการเติบโตของตลาด คือ การยอมรับแหล่งพลังงานสะอาดสีเขียวที่เพิ่มขึ้น .. ความต้องการข้อไข หรือโซลูชั่นระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่ทนยาวและราคาถูก พร้อมความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งหมายรวมถึงแนวโน้มความต้องการที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ สำหรับชุดแบตเตอรี่สังกะสี – อากาศ Zinc – Air Battery ในตลาด .. อย่างไรก็ตาม การขาดมาตรฐานที่เหมาะสมยังคงเป็นปัจจัยจำกัดการเติบโตของตลาด ..

แบตเตอรี่โลหะอากาศ Metal – Air Battery เป็นแหล่งพลังงานที่มีน้ำหนักเบา และกะทัดรัด ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง มีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนทั่วไป จึงกำลังเป็นที่นิยมใช้งานที่หลากหลายในภาคอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณืไฟฟ้าพกพา ..

การประยุกต์ใช้งานจากนี้ไป คาดหมายว่า กลุ่มยานยนต์ไฟฟ้าจะมีส่วนแบ่งการตลาดที่สำคัญเพิ่มขึ้นในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ อันเนื่องมาจากการรับรู้ทั่วโลกเกี่ยวกับการปกป้องสิ่งแวดล้อม .. ทั้งนี้ ตลาดพลังงานที่ยั่งยืนตามพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ ได้รับการคาดว่า ภูมิภาคเอเชียแปซิฟิกจะครองส่วนแบ่งการตลาดได้มากในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ เนื่องจากภาคการผลิตยานยนต์ไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์ไฟฟ้าพกพา มีการเติบโตอย่างมากในภูมิภาคนี้ ..

ในประเด็น เจาะลึกตลาดแบตเตอรี่โลหะ – อากาศ เป็นส่วน ๆ นั้น ตลาดแร่เหล็กทั่วโลก คาดว่าจะเติบโตอย่างโดดเด่น และสร้างรายได้ถึง 135.622 ล้านเหรียญสหรัฐฯ จนถึงปี 2570 .. ความต้องการที่เพิ่มขึ้นของการใช้ชุดแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูง คาดหมายได้ว่า ตลาดแบตเตอรี่เหล็ก – อากาศ จะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักในอนาคตได้ สาเหตุสำคัญมาจากการที่แบตเตอรี่ไอรอน – แอร์ Iron Air Battery เป็นตัวเลือกที่มีศักยภาพสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ด้วยชุดแบตเตอรี่ที่ทนยาว ปัจจัยนี้คาดการณ์ว่า จะกระตุ้นการเติบโตของตลาดทั่วโลกในช่วงเวลาทบทวน ..

ทั้งนี้ ตลาดแบตเตอรี่โลหะอากาศสำหรับแรงดันไฟฟ้าปานกลาง Medium Voltage คาดว่า จะเติบโตที่ค่า CAGR 15.7 % และมีมูลค่า 435.948 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในสิ้นปี พ.ศ. 2570 .. การใช้แบตเตอรี่โลหะ – อากาศแรงดันปานกลางเพื่อเป็นแหล่งพลังงานยานยนต์ไฟฟ้า EVs และอากาศไร้คนขับ UAV ที่เพิ่มขึ้น หมายถึง ตลาดแบตเตอรี่โลหะอากาศสำหรับแรงดันไฟฟ้าปานกลาง กำลังเติบโตด้วยความเร่งพร้อมไปกับภาคอุตสาหกรรมยานยนต์ และอากาศยานไร้คนขับในช่วงเวลาคาดการณ์ ..

ตลาดแบตเตอรี่โลหะ – อากาศทั่วโลกสำหรับแอพพลิเคชั่นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร สร้างรายได้ 40.401 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2562 และคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระหว่างการวิเคราะห์ ความต้องการอุปกรณ์เชื่อมต่อ และอุปกรณ์พกพาที่เพิ่มขึ้นจากกิจการทหาร Military Sector สำหรับการปฏิบัติงานประจำวัน เช่น วัตถุประสงค์ในการสื่อสาร และการนำร่อง Communication & Navigation Purposes เป็นต้น .. คาดว่า พวกมันจะกระตุ้นความต้องการแบตเตอรี่โลหะ – อากาศ อีกอย่างมาก ..

ตลาดแบตเตอรี่โลหะ – อากาศทั่วโลกสำหรับภูมิภาคอเมริกาเหนือ คาดว่า จะเติบโตอย่างมีนัยสำคัญในช่วงเวลาการวิเคราะห์ และคาดว่าจะเติบโตที่ค่า CAGR สูงถึง 15.1 % ในช่วงเวลาที่คาดการณ์ .. ตลาดแบตเตอรี่โลหะ – อากาศ ได้รับโอกาสที่จะทำกำไรในตลาดได้ทั่วทั้งภูมิภาคอเมริกาเหนือ เนื่องจากความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่โลหะ – อากาศเพิ่มขึ้น ..

นอกจากนี้ ผู้นำตลาดบางรายกำลังจดจ่ออยู่กับกลยุทธ์การพัฒนาทางธุรกิจรูปแบบต่าง ๆ เช่น การเป็นหุ้นส่วน และความร่วมมือกับอุตสาหกรรมโลหะ เพื่อนำเทคโนโลยีใหม่ ๆ มาประยุกต์ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่โลหะ – อากาศ ตัวอย่างเช่น เมื่อเดือนมกราคม 2563 นครนิวยอร์กได้ลงนามในข้อตกลงกับ Zinc8 Energy Solutions Inc. ซึ่งเป็นผู้นำด้านนวัตกรรมเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในแคนาดาสำหรับการผลิตชุดแบตเตอรี่สังกะสี – แอร์ Zinc – Air Battery Packs ขนาด 100 KW / 1 MWh โดยลงทุนในกิจกรรมวิจัยและพัฒนา R&D .. ปัจจัยเหล่านี้ ทำให้คาดการณ์ได้ว่าว่า พวกมันจะขับเคลื่อนการเติบโตของตลาดในภูมิภาคอเมริกาเหนือได้อย่างมั่นคงต่อเนื่องต่อไปได้ ..

สรุปส่งท้าย ..

มนุษยชาติ ใช้โลหะในชีวิตประจำวันมาอย่างยาวนาน เช่น ในเครื่องประดับ ยานยนต์ และอื่น ๆ อีกมากมาย พวกมันมีประโยชน์หลายอย่างเนื่องจากมีคุณสมบัติสำคัญ ได้แก่ ความแข็งแรง ความอ่อนตัว การนำไฟฟ้า และการนำความร้อน ..

โลหะทุกชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม นี่เป็นเพราะ Metallic Bonding ที่พบในองค์ประกอบโลหะ ในการยึดเกาะภายในอะตอมของโลหะ อิเล็กตรอนวงนอกจะถูกแยกออก และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนของโลหะที่มีประจุบวก และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ สำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ากับออกซิเจน O₂ ในการชาร์จ และคายประจุ ที่เรียกว่า Redox Reaction ..

เมื่อโลหะ Metals ก่อตัวเป็นไอออน Ions พวกมันจะปล่อยอิเล็กตรอนภายนอกหนึ่งตัว หรือมากกว่าออกไป .. โลหะบางชนิด เช่น ลิเธี่ยม Lithium หรือโซเดียม Sodium สูญเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายมาก อย่างไรก็ตาม โลหะอื่น ๆ บางตัว เช่น เงิน Silver หรือทอง Gold จะไม่ปล่อยอิเล็กตรอนออกไปง่ายนัก .. ทั้งนี้ รายการของโลหะที่จัดเรียงตามลำดับความง่ายที่อะตอมของโลหะสูญเสียอิเล็กตรอนสามารถตรวจสอบได้จาก Higher and Advanced Higher Chemistry Data Booklet ซึ่งผู้เขียนได้แนบมาท้ายบทความนี้ไว้ด้วยแล้ว ..

การนำเหล็ก และโลหะต่าง ๆ มาประยุกต์ใช้สร้าง และประกอบขึ้นเป็นแบตเตอรี่เหล็กอากาศ และเซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะ – อากาศ Iron Air Battery and Metal – Air Electrochemical Cell ด้วยปฏิกิริยา Redox Reactions ของเหล็กกับสนิมเหล็ก หรือโลหะตัวอื่นในลักษณะเดียวกันนั้น ได้ทำให้ต้นทุนชุดแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้าในระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ระยะทนยาว Long Duration Energy Storage ลดลงหลายเท่าตัว ..

พวกมันสามารถทำงานร่วมกับชุดลิเธี่ยมไอออนแบตเตอรี่ Lithium Ion Battery และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen Fuel Cell ได้เป็นอย่างดี และสอดคล้องกัน .. ศักยภาพในการจัดเก็บพลังงานในระดับกริดไฟฟ้า Electrical Grid หรือบนโครงข่ายระบบสายส่ง ที่จ่ายกำลังไฟฟ้าได้ยาวทนนาน รวมทั้งความต้องการในกิจการทหาร ได้ส่งผลบวกให้ตลาดแบตเตอรี่โลหะ – อากาศทั่วโลก เติบโตขึ้นอย่างรวดเร็ว อยู่ที่ค่า CAGR สูงกว่า 16.0 % ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ ปี 2563 – 2570 ..

การใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน โดยเฉพาะอย่างยิ่งพลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ ได้เติบโตขึ้นอย่างมากในช่วงที่ผ่านมา แต่พลังงานหมุนเวียนยังคงเป็นส่วนเล็ก ๆ ของงบประมาณด้านพลังงานทั้งหมดของสหรัฐฯ ที่ระบบจัดเก็บพลังงานเก็บกำลังไฟฟ้าไว้สำหรับผู้คนที่ต้องการใช้กระแสไฟฟ้าอยู่ตลอดเวลา ไม่ใช่เพียงแค่เมื่อแสงแดดส่องถึง หรือเมื่อลมพัดแรง ..

ค่าใช้จ่ายในระบบจัดเก็บพลังงานเป็นสิ่งสำคัญ ระบบที่ชาญฉลาดจะเลือกเปลี่ยน และใช้แหล่งพลังงานในราคาที่เหมาะสมเสมอ .. ถ่านหิน เคยเป็นสุดยอดในภาคพลังงาน มันราคาถูกที่สุด แต่ก๊าซธรรมชาติราคาถูกได้ลดส่วนแบ่งของพลังงานของถ่านหินลงครึ่งหนึ่ง ตั้งแต่ปี 2548 .. พลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy จะไม่มีวันบรรลุศักยภาพสูงสุดได้จนกว่าระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่สำหรับพลังงานสีเขียว จะมีต้นทุนที่แข่งขันได้เท่านั้น ..

พูดกันง่าย ๆ 20 เหรียญสหรัฐฯ หรือน้อยกว่า หมายถึง ราคาพลังงานที่เป็นกำลังไฟฟ้าโดยเฉลี่ยนั้น จะต้องให้ต่ำกว่า 20 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ 1 KWh หรือ $20/kWh มิฉะนั้น Energy Transition ไปสู่สังคมคาร์บอนต่ำ อาจไม่สามารถไปถึงเป้าหมายศูนย์สุทธิ Net Zero ได้ตามแผน ..

บริษัท Form Energy ประกาศว่า แบตเตอรี่เหล็กอากาศ มีกระบวนการทำงานที่ดีเยี่ยมภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการ ขั้นตอนต่อไป คือ โครงการนำร่องสำหรับการติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศ Iron Air Battery Packs ขนาด 1 MW พร้อมระบบสาธารณูปโภคพลังงานไฟฟ้าในรัฐมินนิโซตา Minnesota ซึ่งคาดว่าจะแล้วเสร็จในปลายปี พ.ศ. 2566 ..

หากพวกมันประสบความสำเร็จ ความร่วมมือต่าง ๆ ที่เกิดขึ้น อาจนำไปสู่โครงการขนาดใหญ่ขึ้นอีก เพื่อขับเคลื่อนส่วนอื่น ๆ ในระบบสาธารณูปโภค และบริการสาธารณะ ไม่เฉพาะในสหรัฐฯ หรือตลาดภูมิภาคอเมริกาเหนือเท่านั้น แต่ความต้องการในตลาดภูมิภาคเอเชีย และทั่วโลก ก็จะเป็นเช่นเดียวกัน ระบบจัดเก็บพลังงานแบบทนยาวขนาดใหญ่ด้วยชุดแบตเตอรี่เหล็กอากาศ สังกะสีอากาศ และอะลูมิเนียมอากาศ กำลังจะเข้ามามีบทบาทร่วมเชิงพาณิชย์ หรือเข้ามาแทนที่ชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยม บนโครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้า ภายในระยะเวลาอันไม่ไกลนักได้ในที่สุด ..

จากนั้นเชื่อว่า มนุษยชาติจะเริ่มรู้ว่าสิ่งเหล่านี้สำคัญแค่ไหน ..

แบตเตอรี่รูปแบบนี้ อาจคู่ควรกับรางวัลโนเบลสาขาสันติภาพด้วยซ้ำไป .. แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่ดีที่สุดในปัจจุบันใช้ลิเธี่ยมเป็นส่วนประกอบสำคัญ ซึ่งมันเป็นธาตุหายาก และมีปริมาณสำรองในธรรมชาติน้อยกว่าธาตุเหล็กอยู่ประมาณถึง 2,000 เท่า .. ผู้เชี่ยวชาญระดับโลก พูดคุยเกี่ยวกับ “การต่อสู้เพื่อแย่งชิงสัดส่วนในตลาดทั่วโลก” ที่กำลังจะเกิดขึ้นสำหรับลิเธี่ยม เนื่องจากองค์ประกอบของแร่ธาตุลิเธี่ยมที่หายาก และกำลังหมดลงในอีกประมาณ 10 – 15 ปี .. ดังนั้น การให้ลิเธี่ยมเป็นแร่ธาตุหลักในการขับเคลื่อนอนาคตนั้น มันยอดเยี่ยมมากก็จริงอยู่ แต่ด้วยทางเลือกทางเทคโนโลยีอีกมากมาย จึงอาจทำให้มันยังไม่เหมาะสมนัก ..

หากเหล็ก Iron : Fe หรือโลหะบางชนิด สามารถยึดพื้นที่ในตลาดระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่จากลิเธี่ยม Lithium ได้ จะทำให้ภาครัฐ เอกชน และนักลงทุน ได้มองเห็นโอกาสพื้นที่ทางธุรกิจใหม่ ๆ .. ระบบจัดเก็บพลังงานที่ยาวทนขนาดใหญ่บนโครงข่ายระบบสายส่ง คือ ความต้องการในอนาคตสำหรับระบบพลังงานสีเขียวสะอาด ที่ทำให้มนุษยชาติสามารถใช้กำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy อย่างไม่มีข้อจำกัดทุกที่ทุกเวลาด้วยต้นทุนราคาที่ลดลงถูกกว่ากำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างมากได้สำเร็จในที่สุด และนี่คือ นวัตกรรมด้านความมั่นคงทางพลังงาน ในปี 2021 หรือ พ.ศ.2564 อย่างแท้จริง ..

คอลัมน์ Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Battery Technology | Form Energy :-

Battery Technology

Multi – Day Iron – Air Batteries Reach Commercialization | PV Magazine :-

Multi-day iron-air batteries reach commercialization

Form Energy’s $20/kWh, 100 – Hour Iron – Air Battery could be a ‘Substantial Breakthrough’ :-

How Inexpensive Must Energy Storage Be for Utilities to Switch to 100 Percent Renewables? | IEEE Spectrum :-

High Performance Solid – State Iron – Air Rechargeable Ceramic Battery Operating at Intermediate Temperatures (500 – 650 °C) :-

Opinion: Iron – Air Batteries: Huge Green – Energy Breakthrough, or Just a Lot of Hype? :-

Form Energy Unveils Its Iron – Air Battery :-

Global Metal – Air Battery Market Outlook (2019 to 2027) – Featuring Renata, Arotech & Gp Batteries International Among Others | ResearchAndMarkets :-

Disruptive iron – air grid – scale battery is 10% the cost of lithium :-

Metal – air batteries | SINTEF :-

Metal Air Battery | A sustainable and low – cost material for energy storage :-

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1913/1/012065/pdf

Higher and Advanced Higher Chemistry Data Booklet | SQA :-

https://www.sqa.org.uk/files_ccc/Higher-AH-Chemistry-Data-Booklet.pdf

Iron Air Battery & Other Metal – Air Electrochemical Cell 、。。

https://photos.app.goo.gl/ckSaAUzetH9EY7Ga6