เหตุใดการจัดเก็บพลังงานไฮโดรเจนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความมั่นคงของระบบไฟฟ้า

ความท้าทายจากความไม่สม่ำเสมอของพลังงานหมุนเวียน: การลดกำลังการผลิตที่เกิดขึ้นจริง (Curtailed Generation) และความไม่สมดุลของระบบส่งไฟฟ้า

ปัญหาของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์คือ ทั้งสองแหล่งนี้ไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลงอย่างไม่แน่นอน ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาที่รุนแรงต่อระบบโครงข่ายไฟฟ้าอย่างมาก เมื่อมีแสงแดดหรือลมมากเกินไป เราจะสูญเสียพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนส่วนเกินจำนวนมาก เพราะไม่มีผู้ใช้ใดสามารถนำพลังงานทั้งหมดนั้นไปใช้ประโยชน์ได้พร้อมกัน และเมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไปในทางลบจนกำลังการผลิตลดลงอย่างฉับพลัน ผู้ควบคุมระบบโครงข่ายไฟฟ้าก็จะต้องเร่งหามาตรการชดเชยปริมาณไฟฟ้าที่ขาดหายไปทันที สถานการณ์เช่นนี้ทำให้บริษัทต่างๆ หันไปพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นทางเลือกสำรอง ซึ่งขัดขวางความพยายามในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนอย่างมีนัยสำคัญ เทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานจึงยังคงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง หากเราต้องการแก้ไขช่องว่างด้านการจัดหาพลังงานนี้ อย่างไรก็ตาม ระบบที่ใช้พลังงานไฮโดรเจนเพียงอย่างเดียวจะไม่สามารถแก้ปัญหาได้ หากปราศจากโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการจัดเก็บพลังงานที่เหมาะสม ยกตัวอย่างเช่น รัฐแคลิฟอร์เนีย — ตามรายงานของ CAISO เมื่อปีที่ผ่านมา มีพลังงานหมุนเวียนที่ถูกทิ้งสูญเปล่าไปมากกว่า 15% ของปริมาณที่ผลิตได้ทั้งหมด ปริมาณการสูญเสียเช่นนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าทำไมเราจึงจำเป็นเร่งด่วนต่อโซลูชันการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน

พลังงานไฮโดรเจนในฐานะโซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่สามารถปรับขนาดได้และใช้งานได้นาน

ไฮโดรเจนช่วยแก้ปัญหาหนึ่งในปัญหาที่ใหญ่ที่สุดที่แหล่งพลังงานหมุนเวียนกำลังเผชิญอยู่ในปัจจุบัน นั่นคือความไม่แน่นอนของแหล่งพลังงานเหล่านี้เมื่อลมหยุดพัดหรือดวงอาทิตย์ถูกเมฆบดบัง เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งสามารถทำงานได้ดีเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น ไฮโดรเจนมีข้อได้เปรียบพิเศษอย่างหนึ่ง นั่นคือความสามารถในการเก็บพลังงานที่เหนือกว่ามาก โดยมีค่าประมาณ 120 เมกะจูลต่อกิโลกรัม เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ทั่วไปที่ให้เพียง 0.4 เมกะจูลต่อกิโลกรัมเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าไฮโดรเจนสามารถเก็บพลังงานได้ไม่เพียงแค่ข้ามคืน แต่ยังอาจเก็บไว้ได้ตลอดทั้งฤดูกาลเลยทีเดียว เมื่อมีพลังงานส่วนเกินจากแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลม พลังงานส่วนเกินนี้จะถูกส่งเข้าสู่เครื่องแยกน้ำด้วยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) เพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียว จากนั้นไฮโดรเจนที่ได้จะถูกเก็บไว้อย่างปลอดภัยในถ้ำเกลือใต้ดินหรือแหล่งกักเก็บน้ำมันเก่าจนกว่าจะถึงเวลาที่ต้องการใช้งาน อีกทีหนึ่ง เมื่อความต้องการไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น เราจะแปลงไฮโดรเจนที่เก็บไว้กลับเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกครั้งโดยใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) งานวิจัยชี้ว่าแนวทางนี้อาจช่วยลดพลังงานหมุนเวียนที่สูญเสียไปได้ระหว่าง 8% ถึง 13% เมื่อโครงข่ายไฟฟ้ามีความชาญฉลาดและสะอาดยิ่งขึ้น โซลูชันเช่นนี้จึงดูมีความสำคัญยิ่งขึ้นเรื่อยๆ ในการรับรองว่าทุกคนจะสามารถเข้าถึงพลังงานที่มีความสม่ำเสมอและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้ตลอดเวลา ไม่ว่าจะเป็นช่วงเวลาใดของวันหรือฤดูกาลใดก็ตาม

การผลิตไฮโดรเจนสีเขียว: ใช้พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อขับเคลื่อนระบบจัดเก็บพลังงาน

ความก้าวหน้าของอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์และการลดลงของต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยของไฮโดรเจน (LCOH)

ความก้าวหน้าล่าสุดด้านประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์กำลังเร่งให้ไฮโดรเจนสีเขียวเข้าสู่กระแสหลักอย่างแท้จริง ปัจจุบันระบบ PEM และระบบอัลคาไลน์สามารถบรรลุประสิทธิภาพได้ประมาณ 80% ซึ่งช่วยลดปริมาณพลังงานส่วนเกินที่จำเป็นสำหรับการดำเนินงานลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อพิจารณารวมกับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมที่ใหญ่ขึ้น รวมทั้งราคาไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ถูกลง ก็ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนโดยรวมลดลงประมาณ 30% เมื่อเทียบกับเมื่อสี่ปีก่อน ตัวเลขยังคงยืนยันแนวโน้มนี้อย่างชัดเจน: การผลิตทั่วโลกเมื่อปีที่ผ่านมาอยู่ที่ 1.2 ล้านตัน เพิ่มขึ้นจาก 800,000 ตันในปี ค.ศ. 2022 การเติบโตนี้แสดงให้เห็นว่า ไฮโดรเจนสีเขียวไม่เพียงแต่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกต่อไป แต่ยังเริ่มมีความคุ้มค่าทางการเงินด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการจัดเก็บพลังงานส่วนเกินที่ผลิตจากฟาร์มกังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์ในช่วงที่ความต้องการพลังงานต่ำ

กลยุทธ์การตั้งสถานที่ร่วมกัน: การผสานระบบอิเล็กโทรไลซิสเข้ากับแหล่งพลังงานหมุนเวียนโดยตรง

การติดตั้งอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzers) ไว้ใกล้กับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์หรือฟาร์มลมโดยตรง จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่งผ่าน (transmission losses) ที่น่ารำคาญ และป้องกันไม่ให้พลังงานส่วนเกินถูกตัดทิ้ง (curtailed) แทนที่จะปล่อยให้พลังงานส่วนเกินสูญเปล่า ระบบที่ออกแบบเช่นนี้จะแปลงพลังงานส่วนเกินนั้นโดยตรงเป็นไฮโดรเจน เพื่อเก็บไว้ใช้งานในภายหลัง การทดลองจริงบางครั้งพบว่าแนวทางนี้ให้ประสิทธิภาพสูงขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับระบบที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าทั่วไป เมื่อเราหลีกเลี่ยงปัญหาด้านโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดเหล่านี้ แหล่งพลังงานหมุนเวียนและอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าจะถูกใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้ผลตอบแทนจากการลงทุนดีขึ้น และยังช่วยรักษาความมั่นคงของโครงข่ายไฟฟ้าในท้องถิ่นอีกด้วย เนื่องจากระบบสามารถตอบสนองต่อความต้องการพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปตลอดทั้งวันได้อย่างยืดหยุ่น

การจัดเก็บไฮโดรเจนใต้ดิน: ด้านธรณีวิทยา ความจุ และความปลอดภัย

ถ้ำเกลือ (Salt Caverns) เทียบกับแหล่งกักเก็บแบบพรุน (Porous Reservoirs): ความเหมาะสมทางเทคนิคและความพร้อมในการนำไปใช้งาน

เมื่อพูดถึงการจัดเก็บไฮโดรเจนในปริมาณมากใต้ผิวดิน จะมีทางเลือกทางธรณีวิทยาหลักสองแบบ ได้แก่ ถ้ำเกลือ (salt caverns) และแหล่งกักเก็บที่มีรูพรุน (porous reservoirs) แต่ละแบบมีข้อดีและข้อจำกัดของตนเองจากมุมมองเชิงเทคนิค ถ้ำเกลือเป็นโครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้นภายในชั้นสะสมของเกลือรูปโดม ซึ่งสามารถรองรับอัตราการฉีดและระบายไฮโดรเจนได้อย่างรวดเร็ว จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับสมดุลระบบไฟฟ้าในแต่ละวัน นอกจากนี้ ถ้ำเหล่านี้ยังสูญเสียไฮโดรเจนน้อยมาก เนื่องจากเกลือมีคุณสมบัติในการปิดผนึกตัวเองโดยธรรมชาติเมื่อได้รับความเสียหาย ข้อจำกัดคือ โครงสร้างประเภทนี้พบได้เฉพาะในบางภูมิภาคของโลกเท่านั้น โดยเฉพาะบริเวณแอ่งตะกอนที่มีปริมาณเกลือเพียงพอ ส่วนแหล่งกักเก็บที่มีรูพรุน เช่น แหล่งก๊าซธรรมชาติเก่าหรือชั้นน้ำใต้ดิน (aquifers) สามารถเก็บไฮโดรเจนได้มากกว่ามาก บางครั้งอาจสูงถึงกว่าหนึ่งพันล้านลูกบาศก์เมตร แต่ใช้เวลานานกว่าจะเติมหรือระบายออกให้หมด และวิศวกรจำเป็นต้องตรวจสอบอย่างละเอียดว่าชั้นหินด้านบนจะไม่ปล่อยให้ไฮโดรเจนรั่วไหลออกมา ปัจจุบันโครงการเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่พึ่งพาเทคโนโลยีถ้ำเกลือ โดยมีสถานที่ปฏิบัติงานแล้วประมาณ 15 แห่งทั่วโลก ในขณะเดียวกัน แนวทางการใช้แหล่งกักเก็บที่มีรูพรุนยังคงอยู่ในขั้นทดลองเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากนักวิจัยยังคงศึกษาอย่างต่อเนื่องว่าชั้นหินแต่ละประเภทจะสามารถใช้งานได้ดีเพียงใดสำหรับการจัดเก็บในระยะยาว

การลดผลกระทบของไฮโดรเจนทำให้วัสดุเปราะและรับประกันความสมบูรณ์ในระยะยาว

เมื่อโมเลกุลไฮโดรเจนแทรกซึมเข้าไปในปลอกหลอดโลหะของบ่อก๊าซและชั้นหินโดยรอบ จะก่อให้เกิดปัญหาการเสื่อมสภาพของวัสดุอย่างรุนแรง โดยเฉพาะเมื่อสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงความดันซ้ำๆ ทีมวิศวกรจึงใช้แนวทางหลายประการร่วมกันเพื่อแก้ไขปัญหานี้ ประการแรก ใช้อัลลอยโครเมียมพิเศษซึ่งต้านทานความเสียหายจากไฮโดรเจนได้ดีกว่าวัสดุทั่วไป ประการที่สอง ควบคุมความดันในการจัดเก็บให้อยู่ต่ำกว่า 200 บาร์ เพื่อลดปัญหานี้ให้น้อยที่สุด ประการที่สาม หลายสถานประกอบการเริ่มติดตั้งเซ็นเซอร์ตรวจจับคลื่นเสียงแบบกระจาย (distributed acoustic sensors) ซึ่งสามารถตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างอย่างต่อเนื่อง ควบคู่ไปกับมาตรการเหล่านี้ การตรวจสอบเชิงธรณีกลเป็นประจำ รวมถึงการเก็บตัวอย่างแกนหิน (core samples) และการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนสามมิติ (3D seismic surveys) อย่างละเอียด ก็เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อตรวจจับปัญหาการรั่วซึมที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่จะลุกลามจนกลายเป็นภัยพิบัติ แม้ตัวเลขที่แน่นอนจะแปรผันตามเงื่อนไขต่างๆ แต่ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เห็นพ้องว่า วิธีการผสมผสานเหล่านี้สามารถลดความเสี่ยงจากการเปราะหักของวัสดุ (embrittlement) ลงได้ประมาณร้อยละ 70 หรือมากกว่านั้น ทำให้การจัดเก็บระยะยาวเป็นไปได้จริงเป็นเวลาหลายสิบปี หรือแม้แต่หลายร้อยปี

การผสานพลังงานไฮโดรเจนเข้ากับโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่

การผสมไฮโดรเจนลงในท่อส่งก๊าซธรรมชาติ: แนวทางระยะสั้นเพื่อความยืดหยุ่นของระบบไฟฟ้า

ระบบก๊าซธรรมชาติที่มีอยู่จริงแล้วให้ทางออกที่ค่อนข้างดีสำหรับการนำไฮโดรเจนเข้ามาใช้ในระยะสั้น เมื่อเราผสมไฮโดรเจนประมาณ 20% ลงในท่อส่งก๊าซเหล่านี้ ก็จะสามารถใช้เครือข่ายที่สร้างไว้แล้วทั้งหมดในการขนส่งและจัดเก็บพลังงานสะอาด โดยไม่จำเป็นต้องรื้อถอนโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดทันที สิ่งที่เกิดขึ้นคือ ไฟฟ้าส่วนเกินจากฟาร์มกังหันลมและแผงโซลาร์เซลล์จะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนในช่วงที่การผลิตสูงสุด จากนั้นท่อส่งก๊าซเดียวกันนี้จะทำหน้าที่เสมือนถังจัดเก็บขนาดใหญ่เมื่อมีช่วงที่การจ่ายไฟไม่เพียงพอ แน่นอนว่า หากเราต้องการเพิ่มสัดส่วนไฮโดรเจนเกินระดับ 20% นี้ เราจะต้องปรับปรุงวัสดุที่ใช้ เนื่องจากไฮโดรเจนอาจทำให้โลหะเปราะบางลงตามระยะเวลา แต่การดำเนินการภายในขีดจำกัดปัจจุบันนี้ก็ยังช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนได้ทันที และเร่งกระบวนการเปลี่ยนผ่านไปสู่พลังงานหมุนเวียนโดยรวม

• การปรับสมดุลความต้องการ : การดูดซับพลังงานหมุนเวียนส่วนเกิน
• การใช้พื้นที่จัดเก็บ การแปลงท่อส่งก๊าซเป็นแหล่งเก็บก๊าซไฮโดรเจนแบบกระจายตัว
• ประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่าย การหลีกเลี่ยงการก่อสร้างท่อส่งเฉพาะสำหรับไฮโดรเจนใหม่
  เมื่อกรอบกฎระเบียบพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับสัดส่วนผสมไฮโดรเจนที่สูงขึ้น กลยุทธ์นี้จึงทำหน้าที่เป็นแนวทางการเปลี่ยนผ่านที่สามารถปรับขนาดได้ สู่เครือข่ายไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในอนาคต

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมการจัดเก็บพลังงานจากไฮโดรเจนจึงมีความสำคัญต่อความมั่นคงของระบบไฟฟ้า?

การจัดเก็บพลังงานจากไฮโดรเจนมีความสำคัญต่อความมั่นคงของระบบไฟฟ้า เนื่องจากเป็นวิธีการที่เชื่อถือได้และสามารถปรับขนาดได้ เพื่อจัดการกับลักษณะการผลิตพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอของแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์

ข้อได้เปรียบของไฮโดรเจนเหนือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในการจัดเก็บพลังงานคืออะไร?

ไฮโดรเจนมีความสามารถในการจัดเก็บพลังงานได้มากกว่า และสามารถเก็บพลังงานไว้ได้ข้ามฤดูกาล ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีประสิทธิภาพเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น

กลยุทธ์การตั้งสถานีผลิตไฮโดรเจนร่วมกับแหล่งพลังงานหมุนเวียน (co-location) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตไฮโดรเจนได้อย่างไร?

ด้วยการติดตั้งอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzers) ไว้ใกล้แหล่งพลังงานหมุนเวียนโดยตรง จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่งผ่าน และเพิ่มประสิทธิภาพขึ้น 15%–20% เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าแบบดั้งเดิม

ความแตกต่างระหว่างถ้ำเกลือกับแหล่งกักเก็บแบบพรุนสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนคืออะไร

ถ้ำเกลือมีความเร็วในการหมุนเวียนที่สูงและถูกใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว แต่มีข้อจำกัดด้านสถานที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ ในขณะที่แหล่งกักเก็บแบบพรุนมีความจุสูงกว่าและยังอยู่ในระยะทดลองนำร่อง

การผสมไฮโดรเจนเข้ากับท่อส่งก๊าซธรรมชาติทำงานอย่างไรในฐานะแนวทางหนึ่งในการเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับระบบโครงข่ายไฟฟ้า

การผสมไฮโดรเจนเข้ากับท่อส่งก๊าซธรรมชาติจะสามารถใช้โครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้วสำหรับการกระจายและจัดเก็บพลังงาน ซึ่งเป็นวิธีการแก้ปัญหาในระยะสั้นที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุนสำหรับการผสานไฮโดรเจนเข้ากับระบบพลังงาน