ความจำเป็นในการพึ่งพาพลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเป็นประจำเมื่อเราพยายามต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ข้อตกลง COP28 ล่าสุดระบุชัดเจน เรียกร้องให้เพิ่มกำลังการผลิตพลังงานหมุนเวียนเป็นสามเท่าและเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานเป็นสองเท่าภายในปี 2030 มันเป็นความทะเยอทะยานที่กล้าหาญแต่จำเป็นเพื่อเข้าใกล้การบรรลุเป้าหมาย Net Zero ในกรอบเวลาที่ต้องการ
หัวข้อที่มักถูกมองข้ามคือวิธีจัดการความไม่แน่นอนของอุปทานพลังงานหมุนเวียนให้ดีที่สุด และเมื่อถูกพูดถึง มักเน้นปัญหาในระดับสูง เช่น การจ่ายโครงข่ายและอุปทานไฟฟ้าระดับชาติ อย่างไรก็ตาม อาจใช้เวลาถึง 15 ปีสำหรับการขยายโครงข่ายส่งและจ่ายไฟฟ้าให้มีผล ด้วยความจำเป็นในการดำเนินการทันทีเพื่อจำกัดผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนในการมองไกลกว่าการผลิตไฟฟ้าแบบรวมศูนย์ สู่การผลิตความร้อนในท้องถิ่น
จุดสูงสุดและต่ำสุดในอุปทานจากทรัพยากรลมและแสงอาทิตย์ และการเพิ่มขึ้นอย่างมากในความต้องการเมื่อความร้อนถูกใช้ไฟฟ้า หมายความว่าสมเหตุสมผลที่จะมองหาโอกาสสำหรับการทำงานร่วมกันใหม่ระหว่างภาคพลังงานไฟฟ้าและความร้อน
การจัดเก็บพลังงานความร้อน (TES) และรูปแบบอื่นๆ ของการจัดเก็บพลังงานระยะยาว (LDES) เป็นสองเส้นทางที่สดใสในการเพิ่มศักยภาพสูงสุดของสถานการณ์ที่กำลังพัฒนา
ความจำเป็นในการใช้วิธี TES ในขณะที่เราเดินทางสู่อนาคตที่ยั่งยืนกว่านั้นชัดเจน และในขณะที่เทคโนโลยีพัฒนาเพื่อตอบสนองความต้องการนี้ ควรพิจารณาผลกระทบที่กว้างกว่าที่ตัวเลือกเหล่านี้อาจมีต่อสิ่งแวดล้อม นอกเหนือจากปัจจัยเช่น ต้นทุนทุน ประสิทธิภาพ และผลผลิตพลังงาน ที่นี่เรามองทางเลือกสองรายการและพิจารณาบางประเด็นเหล่านี้
การจัดเก็บพลังงานสำหรับความร้อน: แบตเตอรีแบบดั้งเดิม
ทุกวันนี้รูปแบบที่พบบ่อยที่สุดของการจัดเก็บพลังงานสำหรับความร้อนคือการจัดเก็บความร้อนผ่านความร้อนจำเพาะและความร้อนแฝงที่ใช้วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) และการจัดเก็บความร้อนเคมี ตัวเลือกการจัดเก็บไฟฟ้าเคมีแบ่งเป็นสองประเภท: ตัวเก็บประจุและแบตเตอรี ในขณะที่ตัวเก็บประจุให้ประสิทธิภาพสูงกว่าและอายุการใช้งานยาวกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี พวกมันเก็บประจุน้อยกว่ามากต่อหน่วยต่อมวล
แบตเตอรียังเป็นหัวข้อวิจัยมากมายเกี่ยวกับการใช้งานในระบบจัดเก็บพลังงาน รวมถึงการบูรณาการกับระบบเทคโนโลยีหมุนเวียน แบตเตอรีลิเทียมฟอสเฟต (LIPB) เป็นหัวข้อของการศึกษาหลายชิ้นที่ประเมินการใช้งาน เช่น บนฟาร์มกังหันลมเพื่อเก็บพลังงานสำหรับใช้เมื่อลมไม่พัด ประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมากเมื่อใช้แบตเตอรีมากกว่าหนึ่งก้อน ช่วยให้รอบการชาร์จและคายประจุสมบูรณ์ เอกสารอื่นๆ เน้นการปรับปรุงประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น โดยการควบคุมอุณหภูมิทำงานด้วยแผ่นความร้อน หรือมองผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมผ่านการประเมินวงจรชีวิต (LCA)
ทางเลือกใหม่: SteamBattery
ที่ Spirax Sarco ร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่ Chromalox เราได้พัฒนารูปแบบ TES ที่สร้างสรรค์: SteamBattery เก็บความร้อนที่ผลิตโดยเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าจุ่มเป็นน้ำร้อนแรงดันสูงในภาชนะฉนวนอย่างดี
เมื่อต้องการไอน้ำจาก SteamBattery จะถูกดึงจากพื้นที่ ullage (ก๊าซ) ของภาชนะ และใช้โดยตรงเป็นไอน้ำหรือทางอ้อมผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อเชื่อมต่อกับระบบทำความร้อน ‘เปียก’ ไอน้ำควบแน่นส่งคืนภาชนะ ขณะที่ไอน้ำถูกใช้ แรงดันลดลงจนถึงจุดที่ SteamBattery คายประจุหมด ชาร์จใหม่ด้วยเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าจุ่ม ที่สามารถใช้ไฟฟ้าจากแหล่งหมุนเวียนโดยตรงหรือจากโครงข่ายเมื่อมีพลังงานหมุนเวียนราคาถูก สามารถทั้งคายประจุไอน้ำและชาร์จพร้อมกัน ให้ความยืดหยุ่นในการใช้งานและเป็นที่เก็บบัฟเฟอร์ สามารถชาร์จเต็มภายใน 8 ชั่วโมง สามารถทำข้ามคืน
การพิจารณาผลกระทบสิ่งแวดล้อมที่กว้างกว่า
ใช้เอกสารปัจจุบันเกี่ยวกับ LIPBs ควบคู่กับโมเดลของเรา และการศึกษาที่มีอยู่สำหรับ SteamBattery เรามุ่งเป้าเปรียบเทียบผลกระทบสิ่งแวดล้อมของโซลูชันจัดเก็บพลังงานสองรายการนี้ มีข้อจำกัดบางประการ เนื่องจากขอบเขตที่กำหนดโดยการศึกษา LIPB; โดยเฉพาะวิธี cradle-to-gate ที่ไม่พิจารณาการขนส่งหรือการกำจัดเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน
เมื่อกำหนดขอบเขตระบบแล้ว ผลกระทบสิ่งแวดล้อมเปรียบเทียบหลายรายการสามารถประเมินได้ เนื่องจากความแตกต่างในโมเดลที่ใช้ระหว่างการศึกษา LIPB และ SteamBattery เราพบว่า 10 จาก 18 รายการในการศึกษา LIPB ให้การเปรียบเทียบโดยตรง
ก๊าซเรือนกระจก (GHG):
สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับผลกระทบการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมากที่สุด และวัดเป็น กก. ของคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า ผลลัพธ์แสดงว่า SteamBattery จะปล่อย 8.58 kg/1000 kWh ของพลังงานที่เก็บตลอดอายุการใช้งาน ในขณะที่ LIPB ปล่อย 16.10/1000 kWh ตลอดอายุการใช้งาน SteamBattery มีการปล่อย CO2 ครึ่งหนึ่งของ LIPB ตลอดอายุการใช้งานที่เป็นประโยชน์
ผลกระทบต่อระบบนิเวศ:
เราตรวจสอบหกประเภทผลกระทบสิ่งแวดล้อม รวมถึงที่ครอบคลุมพิษวิทยาและยูโทรฟิเคชันในสภาพแวดล้อมทางทะเลและน้ำจืด รวมถึงการทำให้เป็นกรดและพิษวิทยาในสภาพแวดล้อมบก สำหรับทั้งสภาพแวดล้อมน้ำจืดและทางทะเล SteamBattery พบว่ามีผลกระทบน้อยกว่า LIPB 95% ส่วนใหญ่มาจากกระบวนการผลิตแผ่นแคโทดที่จำเป็นสำหรับ LIPB
เมื่อดูผลกระทบบก ภาพที่แตกต่างเกิดขึ้น การผลิตซัลเฟอร์ไดออกไซด์ของ SteamBattery น้อยกว่า LIPB 83% อย่างไรก็ตาม ไดคลอโรเบนซีนเทียบเท่าสูงกว่า LIPB การตรวจสอบอย่างใกล้ชิด พิจารณาภาระผลกระทบของทั้งสองผลิตภัณฑ์ในประเภทสิ่งแวดล้อมต่างๆ สรุปว่านี่เป็นพื้นที่สำหรับการปรับปรุงที่อาจเกิดขึ้น ไม่ใช่ข้อบกพร่องร้ายแรง
การประเมินเน้นย้ำเพิ่มเติมถึงผลกระทบของ SteamBattery ที่ลดลงต่อทรัพยากรธรรมชาติ เช่น เชื้อเพลิงฟอสซิลและน้ำ ภาระสิ่งแวดล้อมสูงสุดส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ LIPB โดยเฉพาะในพิษวิทยาทางทะเลและน้ำจืด ในขณะที่ผลกระทบสำคัญที่สุดของ SteamBattery ต่ำกว่ามากในพิษวิทยาบก
เมื่อความต้องการระบบที่ยั่งยืนเติบโตขึ้น มีข้อบังคับที่ชัดเจนในการพิจารณามากกว่าแค่การหลีกเลี่ยงเชื้อเพลิงฟอสซิล ความยืดหยุ่นและอนาคตของโลกขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ มากมาย โดยการพิจารณาสิ่งแวดล้อมอยู่ในอันดับต้นๆ การศึกษาเบื้องต้นนี้แสดงว่าการสำรวจทางเลือกที่เป็นไปได้ที่รอบด้านกว่าควรได้รับการพิจารณาเสมอก่อนการตัดสินใจขั้นสุดท้าย
แหล่งที่มา:
Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).