เราล้วนต่างทราบดีว่าพลังงานทดแทนคืออนาคตและเป็นแหล่งพลังงานที่มีราคาถูกที่สุดในปี 2020
แต่มีคำถามตามมาก็คือ เราจะกักเก็บพลังงานเหล่านั้นไว้ได้อย่างไร ? เนื่องจากไม่ได้มีแดดตลอดเวลา หรือลมพัดตลอด 24 ชั่วโมงทั้ง 7 วัน ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องหาแหล่งเก็บพลังงานที่ผลิตได้
……
ถ้าหากเรามองเครื่องใช้ไฟฟ้ารอบตัว ส่วนใหญ่หรือแทบทั้งหมดในเวลานี้ใช้แบตเตอรีลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นแบตเตอรีที่มีคุณภาพดีที่สุดในเวลานี้
ย้อนกลับไปในปี 2019 มีนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากการประดิษฐ์และพัฒนาแบตเตอรีลิเธียมไอออน ได้แก่ อากิระ โยชิโนะ นักเคมีชาวญี่ปุ่น , จอห์น บานนิสเตอร์ กูดอีนาฟ เป็นนักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุชาวอเมริกัน และ เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม ศาสตราจารย์ทางด้านเคมีเชื้อสายอังกฤษอเมริกัน โดยเริ่มทำการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรีลิเธียมไอออนมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 70 ซึ่งในทศวรรษนั้นเกิดวิกฤตการณ์น้ำมันอันมีสาเหตุมาจากสงครามในตะวันออกกลางและการปฏวัติอิหร่าน ทำให้น้ำมันมีราคาแพงขึ้นอย่างมาก
บอนนี่ คาร์เพนเทียร์ ประธานสมาคมเคมีแห่งอเมริกัน ( American Chemical Society ) กล่าวว่า ” แบตเตอรีลิเธียมไอออนนั้นเป็นตัวอย่างที่ดีมากที่ทำให้เราเห็นว่า ศาสตร์ด้านเคมีนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของผู้คนได้อย่างไร ?”
แบตเตอรีลิเธียมไอออนนั้น มีประสิทธิภาพดี น้ำหนักเบา ชาร์จไฟได้หลายครั้ง ทุกวันนี้เราจะเห็นว่าเครื่องใช้ไฟฟ้ารอบตัวเราเกือบทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็น สมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ กล้องถ่ายรูป สว่านไร้สาย แม้แต่บนสถานีอวกาศก็ยังใช้แบตเตอรีชนิดนี้ รวมถึงใช้กักเก็บพลังงานที่ได้จากโซล่าเซลล์ กังหัน คลื่น กระแสน้ำ เป็นต้น โดยคุณประโยชน์อีกอย่างก็คือช่วยลดการพึ่งพาพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างน้ำมันและถ่านหิน ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นตัวการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่กำลังเป็นปัญหาใหญ่อยู่ในตอนนี้
แต่…………
การทำเหมืองลิเธียมนั้น ในขั้นตอนการถลุงแร่ต้องอาศัยการดูดเอาน้ำใต้ดินขึ้นมาใช้ ซึ่งใช้น้ำราว ๆ 70,000 ลิตรเพื่อถลุงให้ได้ลิเธียม 1 ตัน
เหมืองลิเธียมส่วนใหญ่จะอยู่ในอาเจนตินา โบลิเวียและชิลี การทำเหมืองต้องใช้น้ำถึง 65% ของพื้นที่แถบนี้ที่กำลังเผชิญกับปัญหาความแห้งแล้ง นอกจากนั้นแล้วแบตเตอรีลิเธียมไอออนก็ยังต้องใช้ร่วมกับโคบอลต์ที่มีราคาแพงซึ่งในแบตเตอรีโคบอลต์จะทำหน้าที่เป็นตะแกรงดักอิเล็กตรอน นั่นก็หมายความว่าต้องมีการทำเหมืองโคบอลต์ด้วย ซึ่งได้มาจากเหมืองโคบอลต์ในสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก โดยที่ผ่านมาอาจจะเคยได้ยินข่าวเรื่องการใช้แรงงานเด็ก รวมถึงการบุกรุกทำลายชุมชนท้องถิ่นที่ตั้งอยู่บริเวณเหมือง และประการสุดท้าย แบตเตอรีลิเธียมไอออนสามารถติดไฟและระเบิดได้ และในระยะยาวก็เหมือนกันกับแบตเตอรีอื่น ๆ คือชาร์จไฟไม่ค่อยเข้า เก็บไฟไม่ค่อยได้แล้ว
ดังนั้นโจทย์ใหม่ในปัจจจุบันนี้ก็คือ การดิสรัปของพลังงานสะอาด ไม่ว่าจะเป็นจากแสงแดด น้ำ ลม คลื่นทะเล พลังงานความร้อนใต้พิภพ ทั้งหมดนี้หากมองในสเกลที่ใหญ่ในระดับโรงไฟฟ้า เมื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าได้แล้วจะนำไปเก็บไว้ที่ไหน โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่จะขยับไปใช้แบตเตอรีลิเธียมไอออนหลายลูกขึ้นหรือผลิตให้ขนาดใหญ่ ความจุมากขึ้น ก็ทำได้แต่มันก็ไม่ใช่การต่อยอดไปสู่การพัฒนาพลังงานสะอาดที่ดี ตามที่ทาง International Energy Agency (IEA) ระบุ เราจำเป็นต้องมีตัวกักเก็บพลังงานที่มีความจุในระดับที่ใกล้เคียงกับ 10,000 กิโลวัตต์ ใช้กระจายกันออกไปทั่วโลกภายในปี 2040 เพื่อให้เป็นไปตามเป้าหมายการรักษาสมดุลสภาพภูมิอากาศ
แต่ไม่ได้หมายความว่า เราจะเลิกใช้แบตเตอรีลิเธียมไอออนวันนี้พรุ่งนี้เลยทันที !!!! ผู้คนทั่วโลกตระหนักถึงเงื่อนไขดังกล่าวและกำลังหาทางพัฒนาทางเลือกอื่นเข้ามาทดแทน
…….. ……….
อย่างบ้านเรามีการใช้น้ำจากเขื่อนไปหมุนกังหันผลิตไฟฟ้าแต่ไม่เพียงพอ ต้องมีการซื้อไฟฟ้าจากประเทศเพื่อนบ้าน โรงไฟฟ้าประเทศเพื่อนบ้านบางส่วนก็ใช้ก๊าซในการผลิตไฟฟ้า พอก๊าซแพงไฟฟ้าก็แพง ที่ต่างประเทศก็ใช้หลักการโรงไฟฟ้าพลังน้ำเช่นเดียวกัน แต่ต่างออกไปเล็กน้อย โดยเรียกวิธีการนี้ว่า pumped hydro storage ก็เหมือนเราใช้หลักการพลังงานศักย์ พลังงานจลน์ วิธีการก็คือ ต้องมีอ่างเก็บน้ำสองแห่งที่ต่างระดับกันมาก ๆ ยิ่งถ้าเป็นยอดดอยกับตีนดอย ยิ่งดี เมื่อโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าได้มากเกินความต้องการ ก็จะใช้พลังงานส่วนเกินนั้นสูบน้ำจากอ่างน้ำที่ต่ำกว่าขึ้นไปเก็บไว้ในอ่างที่อยู่สูงกว่า ในทางกลับกัน หากต้องการพลังงานกลับมาใช้ ก็ทำการปล่อยน้ำจากอ่างน้ำที่อยู่สูงกว่าลงมาหมุนกังหันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าคืนมา ซึ่งเป็นโครงการที่ต้องใช้ที่ดินขนาดใหญ่และต้องมีทำเลที่เหมาะสมมีความสูงชันต้องใช้เงินลงทุนมหาศาล รวมถึงอาจต้องตัดไม้ทำลายป่าและเวนคืนที่ดิน
วิธีการดังกล่าวนี้ตอบโจทย์ในเรื่องของการกักเก็บพลังงานแต่ว่าไม่ค่อยมีความยืดหยุ่น การกักเก็บพลังงานที่ดี ควรยืดหยุ่นได้ เพิ่มหรือลดความจุได้ มีความสะดวกในการเคลื่อนย้ายซึ่งการย้ายอ่างเก็บน้ำคงไม่ใช่เรื่องง่าย ๆ
……
ลองใช้เกลือดูไหม ? สมัยโบราณเกลือมีค่ามาก ใช้แทนเงิน หายาก ผู้คนใช้เกลือถนอมอาหาร
แล้วเกลือมาเกี่ยวอะไรกับแบตเตอรี ปรกติขี้เกลือขึ้นขั้วแบตเตอรี ไฟรถก็ติด ๆ ดับๆ ยังจะใช้เกลืออีกเหรอ ?
เกลือแกงหรือโซเดียมคลอไรด์ สูตรโครงสร้างทางเคมีคือ NaCl แต่เราจะเจาะจงไปที่โซเดียม
โซเดียมเป็นสิ่งที่มีอยู่มากมายมหาศาลทั้งยังมีโครงสร้างทางเคมีที่ใกล้เคียงกับลิเธียม จัดอยู่ในกลุ่มเดียวกันบนตารางธาตุ แต่โซเดียมนั้นมีปริมาณมากกว่าลิเธียมมหาศาล ราคาก็ต่ำกว่า 20-40% มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิต่ำกว่าลิเธียม ทำให้ติดไฟได้ยาก ระเบิดยาก แต่ข้อเสียก็คือเกลือมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าลิเธียม นั่นหมายความว่า หากจะใช้เกลือแทนลิเธียมก็ต้องเพิ่มปริมาณเกลือทำให้แบตเตอรีมีน้ำหนักเพิ่มมากขึ้นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมถึงไม่ผลิตแบตเตอรีที่ใช้เกลือมาใช้ในเชิงพาณิชย์สักที
แต่ถ้าเรานำเกลือมาใช้ในการกักเก็บพลังงานในระดับโรงไฟฟ้า การสร้างแท้งก์ขนาดใหญ่เพื่อเก็บเกลือซึ่งก็ตั้งอยู่กับที่ไม่ได้เคลื่อนย้ายหรือพกพาไปไหน ประหยัดและใช้เก็บพลังงานได้เลย ไม่ต้องรอเทคโนโลยีในอนาคต ยังมีการวิจัยสำหรับแบตเตอรีที่ใช้ธาตุอื่น ๆ อย่าง แคลเซียม แมกนีเซียม และสังกะสี อีกด้วย แต่ยังอยู่ในขั้นวิจัยและทดลอง
…. …… …….
หากพูดถึงเกลือ จะเป็นอย่างไรหากเรากักเก็บพลังงานไว้ในรูปของความร้อนโดยอาศัยเกลือ ?
เราได้พลังงานไฟฟ้าจากลมหรือจากแผงโซลาเซลล์หรือโรงไฟฟ้าก็ได้แล้วเราก็แปลงพลังงานเหล่านั้นให้อยู่ในรูปของพลังงานความร้อน เมื่อมีพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินพลังงานดังกล่าวจะถูกนำไปให้ความร้อนกับเกลือในแท้งก์ที่มีการหุ้มฉนวนไว้สำหรับกักเก็บเกลือหลอมเหลวซึ่งจะมีอุณหภูมิสูงมาก ๆ การทำให้ผลึกเกลือกลายเป็นเกลือหลอมเหลวนั้นเป็นการเก็บพลังงานความร้อนได้อย่างมาก เนื่องจากเกลือมีจุดหลอมเหลวสูง ทำให้สามารถดูดซับพลังงานได้จำนวนมาก โดยเกลือมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ 300-500 องศาเซลเซียส แต่ทั้งนี้พวกมันก็อาจมีการสูญเสียความร้อนได้บ้างเล็กน้อย แต่ยังสามารถเก็บความร้อนได้นานถึง 6 ชั่วโมง เมื่อเทียบกับแบตเตอรีลิเธียมแล้วนั้นจะเก็บความร้อนได้เพียง 4 ชั่วโมง
เมื่อโรงฟ้าต้องการไฟฟ้าก็จะทำการปั๊มเกลือหลอมเหลวที่มีความร้อนสูงเหล่านี้ไปยังอุปกรณ์ที่เรียกว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งก็จะทำหน้าที่นำความร้อนที่ได้ไปเพิ่มอุณหภูมิให้กับของเหลวจนกลายเป็นไอ แล้วแรงดันไอก็จะไปหมุนใบพัดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งโรงงานหนึ่งแห่งสามารถป้อนพลังงานให้เพียงพอกับเมืองใหญ่ได้อย่างน้อย 10 ชั่วโมง
…… ……. …….
ถ้าหลักการคือ จุดหลอมเหลวที่สูง ทราย ล่ะ ? เป็นไง ?
สาธารณรัฐฟินแลนด์อยู่ในกลุ่มประเทศนอร์ดิก เท่านี้ก็พอนึกภาพออกแล้วว่า หนาววววว}}}} สุด ๆ แล้วก็มืดครึ้ม
ที่นี่ Markku Ylonen ได้ร่วมก่อตั้งบริษัทที่ทำแบตเตอรีทรายขึ้น จากพลังงานสะอาดที่ได้ไม่ว่าจะด้วยโซล่าเซลล์หรือกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า จากนั้นก็นำกระแสไฟฟ้าที่ได้ไปทำความร้อนให้กับทรายในแท้งก์ที่สร้างไว้ใกล้กับอาคาร โดยใช้ทรายเพื่อเป็นตัวเก็บความร้อนและถ่ายเทความร้อนผ่านท่อในอาคารเพื่อให้ความอบอุ่น
หากเทียบระหว่างทรายกับลิเธียม ทรายถูกกว่าลิเธียมเกือบ 1,000 เท่า
แล้วควรใช้ทรายเท่าไหร่ ?
ใช้ทราย 100 ตัน ซึ่งจะสามารถกักเก็บความร้อนได้ราว ๆ 500-600 องศาเซลเซียสเป็นเวลานานหลายเดือน โดยความร้อนที่กักเก็บไว้นี้จะใช้ในการทำความอบอุ่นให้กับอาคารหรือแม้แต่สระว่ายน้ำ สิ่งสำคัญที่สุดก็คือ ด้วยวิธีการนี้สามารถจัดหาความร้อนให้กับภาคอุตสาหกรรมหนักซึ่งเป็นหนึ่งในตัวการหลักในการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ทำให้ช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ส่วนหนึ่ง ในทางเทคนิคแล้วทรายในแท้งก์สามารถเก็บความร้อนได้นานหลายเดือน แต่พวกเขาจะทำการชาร์จประจุทุก 2 สัปดาห์เพื่อให้คงประสิทธิภาพไว้ ทางผู้พัฒนาพยายามเสาะหาแหล่งทรายที่ไม่ได้ใช้ในอุตสาหกรรมก่อสร้างเนื่องจากมันค่อนข้างหายากรวมถึงพยายามจะทำแบตเตอรีทรายที่ใหญ่ขึ้นอีกด้วย
และเทคโนโลยีที่หมายมั่นปั้นมือว่าจะนำมาใช้เก็บสำรองไฟฟ้าในสเกลใหญ่ระดับโรงไฟฟ้าเลยนั้นก็คือ Redox flow batteries
หลักการทำงานก็คล้ายกันกับลิเธียมไอออน ซึ่งอิเล็กตรอนจะไหลผ่านสารละลายอิเล็กโตรไลท์ที่อยู่ระหว่างสองขั้วไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนไหลเป็นทิศทางก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น จุดเด่นของระบบนี้คือ สารละลายอิเล็กโตรไลท์จะอยู่ในถังแยกกันด้านนอก ถ้าถังยิ่งมีขนาดใหญ่มากเท่าไหร่ก็จะกักเก็บประจุได้มากเท่าขึ้น ทำให้สามารถปรับลดกำลังการผลิตไฟฟ้าได้อย่างง่ายดาย รวมถึงโลหะที่ใช้ก็เลือกใช้แร่วาเนเดียม เพราะแร่วาเนเดียมมีควาทนทานสามารถนำมารีไซเคิลซ้ำแล้วซ้ำเล่าได้โดยคุณภาพยังคงเหมือนเดิม ซึ่งทำให้โดยทางทฤษฏีแล้วแบตเตอรีแบบนี้สามารถใช้งานได้นานถึง 30 ปี แต่เราก็ต้องมาคอยเปลี่ยนท่อกับแท้งก์เก็บสารละลายอิเล็กโตรไลท์อยู่ดีเพียงแต่วาเนเดียมยังใช้ได้นาน
…. …… ….
จากทั้งหมดที่กล่าวมา จะเห็นได้ว่าทุกเทคโนโลยีต่างก็มีทั้งข้อดีและข้อเสียในตัวเอง ดังนั้นเราต้องหาทางปรับใช้ให้เหมาะสม ปัจจุบันมีการลงทุนเพื่อพัฒนาแบตเตอรีแบบใหม่กันมากขึ้นโดยมีรถยนต์ไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อนตลาด และในส่วนของโรงไฟฟ้าทั่วโลกนั้นคาดว่าจะมีการเติบโตขึ้นราว 25% ภายในปี 2027
เราไม่ได้จะเลิกใช้แบตเตอรีลิเธียมในเร็วๆ นี้ ความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างมากหมายความว่า เทคโนโลยีต่าง ๆ รวมถึงการพัฒนาจะกระจายไปทั่วภาคอุตสาหกรรมไฟฟ้านี้ ในอดีตนั้นอุตสาหกรรมพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลได้หลอมหลวมเป็นโครงสร้างของระบบเศรษฐกิจ มันจึงเป็นความท้าทายอย่างมากที่จะปรับเปลี่ยนทั้งระบบ ไม่ว่าจะเป็นในส่วนของโครงสร้างพื้นฐานรวมถึงนโยบายต่าง ๆ ที่จะต้องนำมาใช้กับพลังงานทดแทนซึ่งเป็นทางเลือกใหม่ เราเริ่มเห็นการลงทุนในด้านนี้อย่างจริงจัง ในปี 2020 มีค่าใช้จ่ายในด้านแบตเตอรีสำหรับใช้ในโรงไฟฟ้าเพิ่มขึ้นกว่า 60% แต่ในภาพรวมนั้นต้นทุนเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ยังเป็นข้อจำกัดต่อการปรับใช้เทคโนโลยีใหม่ดังกล่าว ดังนั้นแล้วกลไกตลาดจะเป็นผู้เฉลยว่ามันจะไปได้ไกลแค่ไหน
