Gravity Batteries: Fast & Long – Life Energy Storage
“…….แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงลักษณะนี้ ประยุกต์ใช้พลังงานในวัตถุที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความสูงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง หรือที่เรียกว่า พลังงานศักย์ Potential Energy ..”
แนวคิด Gravity to Power และแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries เป็นรูปแบบการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่สะสมพลังงานศักย์ไว้ และปล่อยพลังงานออกมาด้วยแรงโน้มถ่วง Gravitational Energy เพื่อใช้ในภายหลังเมื่อต้องการกำลังไฟฟ้า .. แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงลักษณะนี้ ประยุกต์ใช้พลังงานในวัตถุที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความสูงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง หรือที่เรียกว่า พลังงานศักย์ Potential Energy .. พวกมันจะทำงานโดยใช้กำลังไฟฟ้าส่วนเกินจากระบบสายส่งกริดไฟฟ้า ด้วยการเปลี่ยนมวลเพื่อสร้างพลังงานศักย์โน้มถ่วง Gravitational Potential Energy ซึ่งจากนั้นก็จะลดระดับพลังงานลงโดยแปลงพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์ Kinetic Energy เพื่อไปผลิตกำลังไฟฟ้าผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้า .. พลังงานที่เกิดจากแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง ถือเป็นหนึ่งในรูปแบบระบบพลังงานที่ยั่งยืน Sustainable Energy ที่ใช้งานได้ยาวนาน คุ้มค่า และไม่ก่อมลภาวะที่กระทบต่อสิ่งแวดล้อมในเชิงลบมากนัก ..
Pumped – Storage Hydroelectricity: Pumped Hydro requires the right Terrain but then allows Enormous Storage Potential | Credit: ARENA Energy
แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงรูปแบบหนึ่ง คือ พลังงานที่ปล่อยออกมาจากมวลของวัตถุน้ำหนักมาก เช่น บล็อกของคอนกรีต Block of Concrete ลูกตุ้มน้ำหนัก และ/หรือ แท่งเหล็ก เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า .. อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries ที่ใช้กันมากที่สุด ได้แก่ ระบบจัดเก็บพลังน้ำแบบสูบกลับ Pumped – Storage Hydroelectricity โดยที่น้ำจะถูกสูบไปที่ระดับความสูงที่สูงขึ้นเพื่อเก็บพลังงานสะสมไว้ และปล่อยน้ำจากที่สูงผ่านกังหันน้ำด้วยแรงโน้มถ่วงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าให้ได้ตามความต้องการต่อไป เป็นต้น ..
การจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงไม่ใช่แนวคิดใหม่จริง ๆ .. เราใช้ระบบไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ มาเป็นเวลากว่าศตวรรษแล้ว .. แต่มันมีต้นทุนเริ่มต้นสูง ราคาแพงมากในการก่อสร้าง และต้องการพื้นที่จำนวนมาก .. ปัจจุบัน หลายบริษัทฯ ได้พัฒนาผลิตภัณฑ์รูปแบบใหม่ ๆ ที่เลียนแบบการทำงานของระบบไฟฟ้าพลังน้ำสูบกลับโดยการเพิ่ม และลดน้ำหนักขนาดที่ใหญ่ โดยให้มีน้ำหนักมากขึ้นอีก และด้วยระยะทางทางตั้งที่สูงกว่า .. ทั้งนี้ ยังพบผลิตภัณฑ์เสริมอื่น ๆ ในกลุ่มการจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้าที่กำลังเติบโตขึ้นด้วยต้นทุนที่ลดลงมากพร้อมกำจัดความยุ่งยากในการก่อสร้างให้สำเร็จได้ ..
แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries พยายามเอาชนะชุดแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้า ด้วย รอก ลูกตุ้มน้ำหนัก บล็อกของคอนกรีต แท่งเหล็ก และชุดเพลาขับ ..
บริษัทจัดเก็บพลังงานหลายแห่ง ตั้งเป้าที่จะประยุกต์ใช้แรงโน้มถ่วง Gravity เพื่อสร้างสมดุลให้กับความผันผวนของพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานระยะทนยาว Long Duration Energy Storage บนโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้า ..
Gravitricity เป็นหนึ่งในบริษัทจัดเก็บพลังงานที่ใช้แรงโน้มถ่วงเพียงไม่กี่แห่งที่พยายามปรับปรุงแนวคิดรูปแบบดั้งเดิม .. การจัดเก็บพลังงานน้ำแบบสูบกลับ Hydroelectric Power Storage .. วิศวกรจะสร้างเขื่อน และอ่างเก็บน้ำบนเนินเขา สูบน้ำไปในช่วงเวลาที่มีความต้องการต่ำ โดยปกติ คือ ช่วงกลางคืน และปล่อยน้ำไหลลงมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าในช่วงความต้องการกำลังไฟฟ้าในระบบสายส่งสูง แต่ระบบลักษณะนี้ต้องการภูมิประเทศเฉพาะเจาะจง โครงสร้างพื้นฐานที่มีราคาแพง และการอนุมัติการวางแผนซึ่งดำเนินการได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ ในทุกวันนี้ .. การจัดเก็บพลังงานปริมาณมหาศาลไว้ มักจะหมายถึง การเชื่อมต่อแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนเข้ากับชุดแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงขนาดใหญ่ที่สามารถรองรับความจุได้อย่างเพียงพอ ..
Oliver Schmidt ที่ปรึกษาด้านพลังงานสะอาด และนักวิจัยจาก Imperial College London กล่าวว่า การจัดเก็บพลังงานแบบใช้แรงโน้มถ่วงมีข้อดีที่แตกต่างออกไป .. “ชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery Packs ซึ่งเป็นเทคโนโลยีทางเลือกสำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่บนระบบสาธารณูปโภค สามารถชาร์จ และคายประจุได้หลายครั้ง หลายรอบเพียงในจำนวนจำกัดเท่านั้น” ก่อนที่จะสูญเสียความจุ ซึ่งโดยปกติภายในไม่กี่ปี แต่ส่วนประกอบของที่เก็บพลังงานแรงโน้มถ่วง เช่น รอก สายเคเบิลเหล็ก บล็อกของคอนกรีต แท่งเหล็ก เพลาขับ และตุ้มน้ำหนัก
สามารถยืนระยะอยู่ได้ทนยาว และมีอายุการใช้งานนานหลายทศวรรษ “มันเป็นงานวิศวกรรมเครื่องกล Mechanical Engineering” Schmidt กล่าว “พวกมันค่อนข้างมีราคาถูกกว่า” และในขณะที่การขุดแร่ธาตุหายากราคาแพงสำหรับผลิตชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน ทำให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม และสิทธิมนุษยชน รวมทั้งการรีไซเคิล Recycle แบตเตอรี่นั้นทำได้ยาก .. Miles Franklin หัวหน้าวิศวกรของ Gravitricity ชี้ให้เห็นว่า ‘งานวิศวกรรมเครื่องกลที่กล่าว หมายถึง บล็อกคอนกรีต ลูกตุ้ม และถังเหล็กถ่วงน้ำหนักนั้น พวกมันดีกว่าการใช้สารเคมีไฟฟ้ามากด้วยวิธีคิดที่ไม่ซับซ้อนเลย’ ..
Gravitricity Generates Electricity by Dropping an Iron Weight Down a Shaft | Credit: Gravitricity
ด้วยประมาณการต้นทุน ค่าใช้จ่ายต่าง ๆ และประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ของ Gravitricity เอง .. Schmidt ได้รวบรวมไว้ในรายงานประจำปี 2560 สำหรับบริษัทฯ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ทั้งหมดที่กล่าวมา รวมถึงการก่อสร้าง ค่าใช้จ่ายดำเนินงาน และการซ่อมบำรุง พบความจริงเชิงประจักษ์ว่า การจัดเก็บพลังงานด้วยแรงโน้มถ่วง Gravity Storage อาจมีราคาถูกกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนอย่างมาก สำหรับโครงการระยะยาว 25 ปี พวกเขาประมาณการว่า กำลังไฟฟ้าจากแรงโน้มถ่วง Gravity to Power จะมีราคา 171 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ MWh ..
Jessika Trancik นักวิจัยด้านการจัดเก็บพลังงานที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ กล่าวว่า ตัวเลขนี้เป็นแรงบันดาลใจ แต่ก็ยังคงต้องได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลภาคสนามพร้อมด้วย .. ทั้งนี้ การคำนวณค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานของ Schmidt ต่อ MWh สำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน อยู่ที่ 367 เหรียญสหรัฐฯ นั้น ซึ่งยังมากกว่าสองเท่าของ แบตเตอรี่ไหล Flow Battery ซึ่งเป็นเทคโนโลยีระดับกริดบนระบบสายส่งที่มีแนวโน้มว่าจะเก็บประจุในถังอิเล็กโทรไลต์เหลวขนาดใหญ่ มีราคาที่ 274 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ MWh .. ดังนั้น พวกเขาจึงมั่นใจว่า กำลังไฟฟ้าจากแรงโน้มถ่วง Gravity Storage จะมีราคา และค่าไฟฟ้าเฉลี่ยถูกกว่าชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery และชุดแบตเตอรี่ Flow Battery อย่างมากเป็นเท่าตัวในระยะยาวแน่นอน ..
บริษัทฯ ที่ดำเนินธุรกิจจัดเก็บพลังงานด้วยแรงโน้มถ่วงทั้งหลาย ต่างก็มีเทคโนโลยีของตัวเอง แนวคิดเบื้องหลังบริษัท Gravity Power ซึ่งตั้งอยู่ในแคลิฟอร์เนีย California – Based Gravity Power อยู่ห่างจากระบบจัดเก็บปั๊มไฮโดรพลังน้ำสูบกลับ Pumped Hydro เพียงไม่มาก พวกมันใช้พลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียนส่วนเกินเพื่อสูบน้ำภายใต้ลูกสูบหนักและยกมันขึ้น และเมื่อจำเป็นต้องใช้พลังงาน น้ำหนักลูกสูบจะถูกปล่อยออกมา บังคับให้น้ำผ่านเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังน้ำ ..
Gravity Energy Storage Will Show Its Potential in 2021 | Credit: Energy Vault Inc.
บริษัท New Energy Let’s Go ของเยอรมัน ใช้การออกแบบที่คล้ายกันกับผลิตภัณฑ์ของ Energy Vault ในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งใช้ปั้นจั่นหลายแขนที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบมอเตอร์เพื่อวางซ้อน และถอดประกอบทำซ้ำด้วยหอคอยสูง 120 เมตรที่สร้างจากก้อนอิฐหนัก 35 ตัน หลายร้อยก้อน เช่น หอคอยแห่ง Babel ที่ขึ้น ๆ ลง ๆ ตามความแปรปรวนของความต้องการพลังงาน .. บริษัท Gravitricity ทำให้มันเรียบง่ายขึ้นด้วยกลุ่มของปล่องลิฟต์ทั้งใต้ดิน และบนดิน .. Ruth Apps ผู้จัดการฝ่ายพัฒนาธุรกิจกล่าวว่า บริษัทฯ มีแผนจะขยายน้ำหนักให้ได้ถึง 500 ตัน ซึ่งต้องใช้ฐานรากขนาดมหึมาสำหรับหอคอย Tower .. ดังนั้น สถานที่ที่ดีที่สุดในการวางระบบเต็มรูปแบบ คือ ใต้ดิน .. บริษัทฯ กำลังกำหนดขอบเขตของเหมืองร้างในสาธารณรัฐเช็ก โปแลนด์ และแอฟริกาใต้ สำหรับโครงการระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงเชิงพาณิชย์ครั้งแรกจากนี้ไป ..
เทคโนโลยีรูปแบบเหล่านี้ยังคง “ไม่พร้อมเต็มที่” รวมทั้งราคาชุดแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้าก็กำลังลดลงอย่างต่อเนื่อง .. อย่างไรก็ตาม บริษัท Gravitricity มีความคืบหน้าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ขณะที่บริษัท Energy Vault รุดหน้าไปมาก และได้รับการคาดหมายว่าจะเป็นผู้นำของกลุ่มธุรกิจนี้ .. พวกเขาประกาศในปี 2562 ว่า ได้ระดมทุน 110 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในการลงทุน และวางแผนที่จะเริ่มการพัฒนาเชิงพาณิชย์ในปี 2564 นี้ ..
Rebecca Willis นักวิจัยด้านนโยบายสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยแลงคาสเตอร์ Lancaster University ชี้ว่า เหมือนเช่นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานทั่วไปทั้งหมด ต้นทุนเริ่มต้น และราคาพลังงาน เป็นเรื่องสำคัญยิ่ง ด้วยความจริงที่ว่า โรงไฟฟ้าแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น ดีเซล หรือก๊าซธรรมชาติขนาดเล็กที่สามารถเปิดปิด และก่อสร้างได้ง่ายนั้น ยังคงเป็นวิธีผลิตกำลังไฟฟ้าที่มีราคาถูกที่สุดในการรับมือกับความต้องการพลังงานที่ผันผวน ดังนั้น เพื่อให้สามารถแข่งขันในตลาดได้ ระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงรูปแบบใหม่เหล่านี้ จะมีราคาแพงเกินไปนั้นไม่ได้ ..
Gravitricity Generates Electricity by Dropping an Iron Weight Down a Shaft : Photo Credit: Gravitricity
ทั้งนี้ ด้วยพนักงานจำนวน 14 คน และเงินลงทุนเพียง 3 ล้านปอนด์ .. บริษัท Gravitricity มองเห็นแนวทางการเอาชนะอุปสรรคที่รออยู่ข้างหน้า ขณะที่พวกเขาเดินเครื่องสาธิตไปตามจังหวะการปรับปรุงพัฒนา พวกเขาพบกับปัญหาที่คาดไม่ถึง เช่น แรงบิดที่กระทำโดยสายเคเบิลเหล็ก ซึ่งเหมือนกับเชือกทั่วไปที่มีการคลายตัวเมื่อต้องยกน้ำหนักมาก ๆ เป็นต้น ..อย่างไรก็ตาม ภายในปี 2566 บริษัทฯ วางแผนที่จะก่อสร้างโรงงานเต็มรูปแบบต้นทุนต่ำด้วยตัวถ่วงน้ำหนักที่หนักกว่า และเพลาขับลึกลงไปใต้ดินเกือบ 1 กิโลเมตร ซึ่งจะสามารถจัดเก็บและปล่อยจ่ายพลังงานที่เป็นกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 4 MW อย่างต่อเนื่องทนยาวด้วยอายุการใช้งานที่นานอย่างเหลือเชื่อ ..
ความคุ้มค่า ประสิทธิภาพ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม สำหรับการจัดเก็บพลังงานที่ใช้แรงโน้มถ่วงเป็นฐาน Gravity Base Energy Storage’s Economics, Efficiency & Environmental Impacts ..
ค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries แตกต่างกันไปตามการออกแบบ ..
การจัดเก็บแบบพลังน้ำสูบกลับ Pumped Storage Hydropower : PSH มีค่าใช้จ่าย 165 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh .. อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการดำเนินงานสำหรับการจัดเก็บพลังงานระบบน้ำสูบกลับแบบปรับระดับตลอดอายุใช้งาน หมายถึงค่า LCOS อยู่ที่ 0.17 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh .. ปั๊ม และเทอร์ไบน์ของระบบ PSH ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพที่ 90 % ..
ระบบแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries System ที่เสนอโดยบริษัท EnergyVault มีราคาตั้งแต่ 7 – 8 ล้านเหรียญสหรัฐฯ สำหรับอาคาร แต่พบว่า ต้นทุนการดำเนินงานสำหรับแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงของ EnergyVault แบบปรับระดับตลอดอายุใช้งาน หรือค่า LCOS อยู่ที่ 0.05 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh และประสิทธิภาพไปกลับ 88 – 92 % ซึ่งถูกกว่า 50 % เมื่อเทียบกับค่า LCOS ของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน ซึ่งอยู่ที่ 0.25 – 0.35 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh ..
อาคารทดสอบสาธิตขนาด 250 KW ของบริษัท Gravitricity คาดว่าจะมีมูลค่า 1.25 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ซึ่งรับประกันอายุการใช้งาน 50 ปี และประสิทธิภาพ 80 – 90 % .. ค่าใช้จ่ายสัมพัทธ์ของการติดตั้งห้องเก็บแรงโน้มถ่วงซึ่งจะใช้น้ำหนัก 2,000 ตันที่ห้อยลงมาจากรอกในเพลาขับที่เลิกใช้แล้ว เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Batteries บ่งชี้ว่า แม้ว่าค่าใช้จ่ายเริ่มต้นจะสูง แต่อายุการใช้งานยาวนานอย่างน้อย 25 ปีของอุปกรณ์ดังกล่าวโดยไม่มีการเสื่อมสภาพของความจุระหว่างการใช้งาน ได้กลายเป็นข้อเสนอที่น่าสนใจ สำหรับจุดประสงค์ในการปรับสมดุลระหว่างกำลังการผลิต กับความต้องการพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งขนาดใหญ่ได้อย่างยอดเยี่ยม ..
นอกจากนี้ แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries ได้รับการออกแบบให้จับคู่กับแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน Renewable Energy จากแสงแดด ลม และแหล่งพลังงานอื่น ๆ ที่มักจะผันแปร และไม่ตรงกับความต้องการ ด้วยหวังว่า พวกมันจะมีต้นทุนระยะยาวที่ดีกว่าชุดแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้า ในขณะที่มีปัญหากระทบสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าข้อไขการจัดเก็บพลังงานแบบดั้งเดิมอื่น ๆ เช่น การจัดเก็บพลังน้ำระบบสูบกลับ .. ทั้งนี้ เป็นที่คาดการณ์ว่า ระบบแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง จะสามารถให้พลังงานได้อย่างรวดเร็วในช่วงที่มีการบริโภคสูงสุด ซึ่งอาจช่วยให้สามารถเสริม หรือเปลี่ยนโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่จุดสูงสุดได้ คาดหมายได้ว่า ระบบตุ้มน้ำหนักเดี่ยวจะสามารถผลิตพลังงานได้เต็มที่ภายในเวลาไม่ถึงวินาที และระบบโดยรวมยังสามารถคายพลังงานที่เป็นกำลังไฟฟ้าได้อย่างทนยาวอีกด้วย ..
ดังนั้น การใช้แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries ในระดับที่ใหญ่ขึ้น จึงสามารถช่วยลดความจำเป็นในการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล และลดการปล่อย CO2 ลงอย่างมากได้จริง ..
แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนมีอายุการใช้งานสั้นกว่า และอาจเกิดปัญหาขึ้นเมื่อจำเป็นต้องกำจัดทิ้ง .. พวกมันต่างจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ แผงโซลาร์เซลล์ และกังหันลม เช่นกัน เนื่องเพราะต้องทำงานภายใต้เงื่อนไขบางประการ หรือในบางพื้นที่เท่านั้น ในขณะที่ แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงรูปแบบที่เสนอโดย EnergyVault และ Gravitricity นั้น สามารถสร้างได้ทุกแห่ง และใช้วัสดุก่อสร้างตามมาตรฐานงานช่างโยธาทั่วไปเท่านั้นเอง ..
พัฒนาการล่าสุดสำหรับแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง หรือระบบจัดเก็บพลังแรงโน้มถ่วง ..
รูปแบบที่เก่าแก่ที่สุดของอุปกรณ์ที่ใช้แรงโน้มถ่วงเพื่อขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวพลังงานกล คือ นาฬิกาลูกตุ้มซึ่งประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ.1656 โดย Christiaan Huygens นาฬิกาขับเคลื่อนโดยแรงโน้มถ่วงโดยใช้กลไกที่เรียกว่า Escapement Mechanism ซึ่งทำให้ลูกตุ้มเคลื่อนที่ไปมา ตั้งแต่นั้นมา แบตเตอรี่ที่ใช้แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries ได้พัฒนาไปสู่ระบบที่สามารถควบคุมพลังของแรงโน้มถ่วง และเปลี่ยนให้เป็นกำลังไฟฟ้า Power of Gravity & Gravity to Power สำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ..
ระบบผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ ถือเป็นระบบจัดเก็บพลังงานแบบใช้แรงโน้มถ่วงแบบแรกของ Pumped – Storage Hydroelectricity : PSH ที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในปี พ.ศ.2450 ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ .. ในปี ค.ศ. 1930 ระบบจัดเก็บพลังน้ำสูบกลับ มาถึงสหรัฐฯ โดยบริษัท Connecticut Electric and Power Company.. จนถึงปี 2562 กำลังการผลิต PSH ทั่วโลก คือ 168 GW .. สหรัฐฯ มีกำลังการผลิต 23 GW จาก PSH ซึ่งคิดเป็นเกือบ 2 % ของระบบการจ่ายพลังงาน และ 95 % ของการจัดเก็บพลังงานในระบบสาธารณูปโภคของสหรัฐฯ .. ปัจจุบัน พวกมัน คือ รูปแบบการจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งที่ใหญ่ที่สุดในโลก ..
ในปี 2555 Martin Riddiford และ Jim Reeves ได้พัฒนา GravityLight ต้นแบบที่ใช้งานได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงขนาดเล็กที่ขณะนี้มีจำหน่ายในบางประเทศ ..
Energy Vault ซึ่งเป็นบริษัทจัดเก็บพลังงาน กำลังดำเนินการวิจัย และทดสอบเพื่อพัฒนาแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงในระดับที่ใหญ่ขึ้น ก่อตั้งโดย Bill Gross, Andewa Pedretti และ Robert Piconi ในปี 2560 .. ปัจจุบัน Energy Vault อยู่ท่ามกลางการนำสิ่งที่ GravityLight สร้างขึ้นมาด้วยขนาดที่ใหญ่ขึ้นอีก .. Energy Vault กำลังพัฒนาปั้นจั่นที่ผลิตกระแสไฟฟ้าจากการวางบล็อกคอนกรีตแทนที่จะเป็นน้ำ .. Energy Vault ไม่ได้ระบุวันที่วางจำหน่ายสำหรับผลิตภัณฑ์ของตนอย่างชัดเจนนัก แต่ต้นแบบอยู่ในระหว่างดำเนินการ และแนวคิดบล็อกแบบเรียงซ้อนของ Energy Vault ถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บระยะทนยาว Long – Duration Storage Technology ที่มีแนวโน้มยอดเยี่ยม .. ปลายปี 2563 บริษัทสัญชาติสวิสแห่งนี้ ได้สร้างเครน 6 แขน ในเมือง Arbedo – Castione โดยติดตั้งบนหอคอยสูง 110 เมตร โดยย้ายบล็อกคอนกรีตขนาด 35 ตัน ขึ้นและลง ซึ่งสามารถกักเก็บพลังงานความจุมากกว่า 80 MWh ได้อย่างสบาย
Cascadia Carbon Inc. ซึ่งเป็นบริษัทเทคโนโลยีด้านสภาพอากาศที่มีสำนักงานใหญ่ในพอร์ตแลนด์ รัฐโอเรกอน กำลังพัฒนาชุดแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงที่มีศักยภาพสำหรับรักษาความเสถียรของระบบโครงข่ายกำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียนร่วมกับมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย .. โครงการนำร่องของพวกเขามีเป้าหมายเพื่อให้แนวคิดในเชิงพาณิชย์สามารถพิสูจน์ได้ รวมทั้งสามารถขยายศักยภาพเพื่อรองรับการจัดเก็บพลังงานขนาด GW ขึ้นไปของแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลมแห่งใหม่ ๆ ซึ่งจะเปิดให้ใช้งานในทศวรรษหน้า ขณะที่โลกกำลังเริ่มมุ่งมั่นที่จะลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สำหรับการทำงานบนโครงข่ายระบบสายส่งกริดไฟฟ้า ..
Gravitricity ซึ่งเป็นบริษัทแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงอีกแห่งหนึ่ง กำลังทำงานในแนวทางอื่นสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานรูปแบบใหม่ ๆ .. Gravitricity ก่อตั้งขึ้นในปี 2554 โดยนักประดิษฐ์ Peter Fraenkel สร้างต้นแบบแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงขนาด 250 KW ขนาด 10 เมตรในสกอตแลนด์ ซึ่งเริ่มดำเนินการทดลอง และเชื่อมต่อโครงข่ายระบบสายส่งในปี 2564 .. และในเดือนเมษายนที่ผ่านมานี้เอง Gravitricity ได้ติดตั้งแบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงซึ่งสร้างพลังงานครั้งแรกที่ไซต์งานในเอดินบะระ Edinburgh ..
ทั้งนี้ ภายในปี 2566 บริษัท Gravitricity วางแผนที่จะก่อสร้างโรงงานขนาดใหญ่เต็มรูปแบบต้นทุนต่ำด้วยตัวถ่วงน้ำหนักที่หนักกว่า และเพลาขับลึกลงไปใต้ดินเกือบ 1 กิโลเมตร คาดหมายได้ว่า พวกมันจะเป็นต้นแบบเชิงพาณิชย์ต้นทุนต่ำที่สามารถคายพลังงาน และผลิตกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 4 MW อย่างต่อเนื่องทนยาว ไร้ข้อจำกัดเกี่ยวกับสถานที่ก่อสร้างสิ้นเชิง ด้วยอายุการใช้งานที่นานอย่างเหลือเชื่อ ..
คาดการณ์ตลาดการจัดเก็บพลังงานด้วยแรงโน้มถ่วงทั่วโลก Global Gravity Energy Storage System Market ..
ขนาดธุรกิจในตลาดระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงทั่วโลก Global Gravity Energy Storage System Market ในปี 2563 ที่ผ่านมา อยู่ที่ 11.92 ล้านเหรียญสหรัฐฯ และคาดหมายว่า จะมีมูลค่าสูงถึง 520.29 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในสิ้นปี 2569 .. ทั้งนี้ อัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาดการจัดเก็บพลังงานด้วยแรงโน้มถ่วงทั่วโลก ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 87.64 % ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ปี 2564 – 2569 ..
การจัดเก็บพลังงานด้วยแรงโน้มถ่วง Gravity Energy Storage ครอบคลุมระบบกักเก็บพลังงานรูปแบบใหม่ที่ยึดตามหลักการทำงานด้วยการประยุกต์ใช้การเปลี่ยนแปลงไปมาของพลังงานศักย์ และพลังงานจลน์ รวมทั้งยังตระหนักถึงความแตกต่าง และประโยชน์ของระบบแรงโน้มถ่วงรูปแบบใหม่ ๆ ไว้ด้วย ..
ในปัจจุบัน ระบบจัดเก็บพลังงานจากแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน 35 MWh ของ Energy Vault ส่วนใหญ่ใช้เป็นเกณฑ์หลักในตลาดนี้ แต่ในความเป็นจริงแล้วผลิตภัณฑ์ขนาด 1 – 80 MWh มีอยู่อย่างหลากหลายในตลาด .. คาดหมายว่า ข้อกำหนดเฉพาะจะปรากฏในรูปแบบต่าง ๆ มากขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ด้วยเกณฑ์ใช้งานที่แตกต่างกัน ระบบเหล่านี้เหมาะสมมากสำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ในระบบสาธารณูปโภค และบริการสาธารณะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ห่างไกล .. จากสถิติพบว่า 45 % ของพื้นที่บนแผ่นดินทั่วโลกสามารถจัดสร้างระบบกักเก็บพลังงานประเภทนี้ได้ และเนื่องจากการพวกมันใช้วัสดุก่อสร้างงานโยธาทั่วไป เช่น คอนกรีต ลูกตุ้มเหล็กถ่วงน้ำหนัก และสายเคเบิลเป็นวัตถุดิบ จึงเข้าเงื่อนไขการพัฒนาที่ยั่งยืน ด้วยอายุการใช้งาน และการจัดเก็บพลังงานระยะทนยาวที่นานกว่าแบตเตอรี่เคมีฟ้า ..
Energy Vault Tower Simulation / Gravity Bricks Set to Store Energy in Milan | Credit: Energy Vault Inc.
อ้างอิงรายงานของ MarketResearch ฉบับนี้ เน้นไปที่ที่สถานะภาพระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงทั่วโลก การคาดการณ์ในอนาคต โอกาสในการเติบโต ขนาดธุรกิจในตลาด .. ทั้งนี้ ผู้เล่นหลักในตลาดส่วนใหญ่ มีวัตถุประสงค์เพื่อนำเสนอการพัฒนาระบบจัดเก็บพลังงานจากแรงโน้มถ่วงด้วยต้นทุนต่ำระยะทนยาวบนโครงข่ายระบบสายส่งขนาดใหญ่ และขนาดย่อม ในภูมิภาคอเมริกาเหนือ ยุโรป จีน อินเดีย และออสเตรเลีย โดยผู้เล่นที่เป็นภาคเอกชนในตลาดหลัก ได้แก่ บริษัทฯ Energy Vault, Heindl Energy, Advanced Rail Energy Storage และ Gravitricity เป็นต้น ..
สรุปส่งท้าย ..
แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วง Gravity Batteries ที่ประยุกต์ใช้การเปลี่ยนแปลงไปมาระหว่างพลังงานศักย์ Potential Energy และพลังงานจลน์ Kinetic Energy ด้วยระบบสูบกลับพลังน้ำ ได้แสดงบทบาทสำคัญในระบบจัดเก็บพลังงานของมนุยชาติมานานกว่าศตวรรษ .. ระบบรูปแบบดั้งเดิมนี้ มีต้นทุนค่าไฟฟ้าเฉลี่ยตลอดอายุการใช้งานต่ำมากด้วยค่า LCOS อยู่ที่เพียง 0.17 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ KWh เท่านั้น แต่พวกมันมีต้นทุนเริ่มต้นสูง ใช้พื้นที่มาก และสามารถก่อสร้างได้ในสถานที่เจาะจงเท่านั้น .. ทั้งนี้ แม้จะมีข้อจำกัดเรื่องสถานที่เฉพาะที่เหมาะสม แต่ปัจจุบันพบว่า ระบบพลังน้ำแบบสูบกลับ Pumped Storage Hydropower ได้กลายเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าปริมาณมากระยะทนยาว Long Duration Energy Storage ซึ่งคิดเป็น 99 % ของความจุกำลังไฟฟ้าสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งทั่วโลก ..
อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันการจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงในรูปแบบ และขนาดที่หลากหลายมากขึ้น กำลังแสดงศักยภาพที่โดดเด่นขึ้นอีกครั้งในปี 2564 และจากนี้ไป .. นอกจากระบบจัดเก็บพลังน้ำสูบกลับบนแหล่งน้ำขนาดใหญ่ และขนาดย่อมแล้ว Energy Vault บริษัทสัญชาติสวิส Swiss Company ได้เริ่มทดสอบระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงรูปแบบใหม่ ๆ ที่จะนำไปสู่การปรับใช้ในเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกในปีนี้ โดยมีคู่แข่งอย่างน้อยหนึ่งราย ได้แก่ บริษัท Gravitricity ในสกอตแลนด์ ซึ่งใกล้บรรลุถึงจุดเดียวกัน และยังมีอย่างน้อยอีก 2 บริษัทฯ ที่มีแนวคิดคล้ายคลึงกัน ได้แก่ New Energy Let’s Go และ Gravity Power ที่กำลังระดมเงินทุนเพื่อขับเคลื่อนระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่งที่ยืนระยะได้ทนยาวกว่า Grid Scale Longer Duration Energy Storage เพื่อก้าวไปข้างหน้าในเชิงพาณิชย์ด้วยต้นทุนต่ำ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม สนับสนุนส่งเสริมการใช้แหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน รวมทั้งไร้ข้อจำกัดเกี่ยวกับสถานที่ติดตั้งด้วยทรัพยากรที่หาได้ทั่วไปในระบบงานช่างโยธา ..
เป็นที่แน่นอนว่า การจัดเก็บพลังงานที่ดำเนินการอยู่เกือบทั้งหมดทั่วโลกบนระบบสายส่งกริดไฟฟ้าซึ่งสามารถสร้างพลังงานได้ทั้งหมด 174 GW นั้น อาศัยแหล่งน้ำขนาดใหญ่ ระบบจัดเก็บพลังงานแรงโน้มถ่วงด้วยพลังน้ำแบบสูบกลับ ซึ่งน้ำจะถูกสูบไปยังระดับความสูงที่สูงกว่าแล้วไหลย้อนกลับผ่านกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ได้ครอบงำภูมิทัศน์การจัดเก็บพลังงานมาช้านาน แต่ระบบพลังน้ำสูบกลับต้องใช้ภูมิประเทศที่เฉพาะเจาะจงมาก อ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่สองแห่งที่ระดับความสูงต่างกันโดยมีการแยกจัดวางตามแนวตั้ง กินพื้นที่มาก และอาจกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และระบบนิเวศน์ในลุ่มน้ำ ดังนั้น การก่อสร้างเขื่อน อ่างเก็บน้ำ หรือแหล่งน้ำขนาดใหญ่แห่งใหม่ ๆ จึงกลายเป็นเรื่องยากแสนเข็ญ ..
Energy Vault, Gravity Power และคู่แข่งของพวกเขา พยายามที่จะใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน นั่นคือ การยกมวล และปล่อยให้มันตกลงมาเพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า ขณะที่การก่อสร้างระบบจัดเก็บพลังงานระยะทนยาวจะต้องสามารถติดตั้งได้เกือบทุกที่ ในเวลาเดียวกัน .. พวกเขามุ่งหวังว่า จะได้แบตเตอรี่แรงโน้มถ่วงที่ดีที่สุด ซึ่งสามารถทำงานร่วมกับแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนด้วยต้นทุนระยะยาวที่ต่ำลง และส่งผลต่อปัญหาสิ่งแวดล้อมน้อยลง ..
อีกตัวอย่างที่น่าสนใจ ได้แก่ บริษัท Gravity Power และคู่แข่งของพวกเขา New Energy Let’s Go ซึ่งได้รับเทคโนโลยีจาก Heindl Energy ก็กำลังมองหาแหล่งจัดเก็บพลังงานใต้ดินเช่นกัน แต่สิ่งเหล่านี้ได้รับแรงบันดาลใจอย่างใกล้ชิดจากระบบพลังน้ำที่สูบขึ้น แทนที่จะเก็บพลังงานโดยใช้อ่างเก็บน้ำที่ระดับความสูงต่างกัน พวกเขาสูบน้ำใต้ดินเพื่อยกลูกสูบที่มีน้ำหนักมาก การปล่อยให้ลูกสูบตกลงมาจะดันน้ำผ่านกังหันเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ..
Gravity Storage Operation | Credit: Eduard Heindl / Gravity Power
Jim Fiske ผู้ก่อตั้งบริษัทฯ กล่าวว่า “อ่างเก็บน้ำ คือ จุดอ่อนบนความยิ่งใหญ่ของระบบพลังน้ำสูบกลับ .. จุดประสงค์ทั้งหมดของบริษัทฯ สำหรับกำลังไฟฟ้าแรงโน้มถ่วง Gravity Power คือ การตัดความต้องการเขื่อน และอ่างเก็บน้ำออกไป ช่วยให้พวกเขาสามารถออกแบบใส่เพิ่มขนาดลูกสูบได้ เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้า และความจุมากกว่าบนที่ราบเพียง 3 – 5 เอเคอร์เท่านั้น” ..
Fiske ประมาณการว่าโรงงาน 400 MW ที่มีการจัดเก็บ 16 ชั่วโมง หรือความจุของพลังงาน 6.4 GWh ด้วยลูกสูบน้ำหนักมากกว่า 8 ล้านเมตริกตัน .. นั่นอาจฟังดูน่าหัวเราะ แต่ก็อยู่ภายใต้ความสามารถในการยกของเครื่องสูบน้ำปัจจุบัน และข้อจำกัดบางประเด็นในกระบวนการก่อสร้าง ..
แม้ว่าบริษัทฯ ทั้งหลายในตลาดที่มุ่งพัฒนาระบบจัดเก็บพลังงานจากแรงโน้มถ่วงเหล่านี้คาดหวังว่า พื้นที่จัดเก็บพลังงานใต้ดินน่าจะประหยัดกว่าการติดตั้งชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ แต่ด้วยข้อเท็จจริงแล้วพวกมันก็ยังมีราคาแพง .. อย่างไรก็ตาม ประเทศต่าง ๆ ที่กังวลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศ อาจยินดีจ่ายต้นทุนเริ่มต้นสำหรับตัวเลือกรูปแบบการจัดเก็บพลังงานลักษณะนี้ เมื่อพวกเขาตระหนักถึงวิกฤติสภาพอากาศ Climate Crisis กับนโยบายภาครัฐที่มุ่งมั่นสู่สังคมคาร์บอนต่ำด้วยพลังงานสะอาด ทั้งนี้เพื่อให้การเปลี่ยนผ่านระบบพลังงานโลก World Energy Transition ไปสู่ศูนย์สุทธิ Net Zero สำเร็จได้ในที่สุด ..
คอลัมน์ : Energy Key
By โลกสีฟ้า ..
สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)
ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-
Gravitricity system | Fast, Long – Life Energy Storage :-
Energy Vault is the Creator of Gravity and Kinetic Energy Based, Long – Duration Energy Storage Solutions :-
https://energyvault.com/#about-us
Switzerland – Based Start – Up Company Energy Vault has Developed a New Kind of Storage Method :-
Gravitricity adds Hydrogen to the Underground Energy Storage Mix :-
Gravity – Based Batteries try to Beat their Chemical Cousins with Winches, Weights, and Mine Shafts | American Association for the Advancement of Science :-
Gravity – Based Renewable Energy Storage Tower for Grid – Scale Operations | PV Magazine :-
Global Gravity Energy Storage System Market Insights Forecast to 2026 :-
https://www.marketresearch.com/QYResearch-Group-v3531/Global-Gravity-Energy-Storage-System-13925101/
Using Gravity for Energy Storage | EDN / AspenCore Inc. :-
https://www.edn.com/using-gravity-for-energy-storage-viable-idea-or-impractical/
Gravity Energy Storage Will Show Its Potential in 2021 | IEEE :-
https://spectrum.ieee.org/gravity-energy-storage-will-show-its-potential-in-2021
Gravity Energy Storage | Gravitricity :-
Energy Vault :-
New Energy Let’s Go :-
Gravity Storage – A New Technology for Large Scale Energy :-
Gravity Batteries : Fast & Long – Life Energy Storage :-
