ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สามารถใช้ลดยอดโหลดสูงสุดในโครงข่ายไฟฟ้าเมืองได้หรือไม่

การเข้าใจแนวคิดการลดยอดโหลดสูงสุดและความเครียดต่อโครงข่ายไฟฟ้าในเมือง

โครงข่ายไฟฟ้าในเมืองเผชิญภาวะไม่สมดุลพื้นฐานระหว่างการผลิตกับความต้องการใช้ไฟฟ้า โดยการใช้ไฟฟ้าจะพุ่งสูงขึ้นในช่วงเช้าและเย็น ขณะที่อาคารพาณิชย์ ระบบขนส่งมวลชน และผู้ใช้ครัวเรือนดึงพลังงานไปพร้อมกัน ช่องว่างระหว่างภาระพื้นฐานกับยอดโหลดสูงสุดนี้ทำให้หน่วยงานให้บริการไฟฟ้าจำเป็นต้องรักษาศักยภาพสำรองแบบหมุนอยู่เสมอ — คือโรงไฟฟ้าที่เดินเครื่องไว้ที่กำลังการผลิตบางส่วน ซึ่งสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงโดยรอคอยภาวะความต้องการที่อาจเกิดขึ้นหรือไม่เกิดขึ้นก็ได้

การตัดยอดโหลดช่วยจัดการปัญหาความไม่ประสิทธิภาพนี้โดยการลดกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ดึงจากโครงข่ายในช่วงเวลาที่มีความต้องการสูง แทนที่จะเพิ่มกำลังการผลิต ผู้ให้บริการไฟฟ้าหรือผู้ใช้พลังงานรายใหญ่จะนำพลังงานที่เก็บไว้มาใช้เพื่อชดเชยส่วนต่างนั้น กรณีทางเศรษฐกิจสำหรับการตัดยอดโหลดจึงแข็งแกร่งยิ่งขึ้นเมื่อระบบคิดค่าไฟฟ้าตามช่วงเวลาเริ่มเป็นมาตรฐานในตลาดเมืองใหญ่ ซึ่งอัตราค่าไฟฟ้าในช่วงพีคอาจสูงกว่าช่วงนอกพีคถึงสามเท่าหรือมากกว่านั้น

เบส — ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (BESS) — ได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการใช้งานนี้ ต่างจากโรงเก็บพลังงานแบบปั๊มน้ำแบบดั้งเดิมที่ต้องอาศัยภูมิประเทศเฉพาะ หรือระบบที่ใช้ล้อหมุนซึ่งเหมาะเฉพาะกับการปล่อยพลังงานระยะสั้นเท่านั้น ระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่สามารถปรับขนาดได้ตั้งแต่การใช้งานในอาคารพาณิชย์ไปจนถึงการติดตั้งระดับสาธารณูปโภคที่ให้บริการทั้งเขตเมือง

วิธีที่ BESS ดำเนินการตัดยอดโหลดในสภาพแวดล้อมเมือง

ตรรกะการชาร์จ-คายประจุ

เอ เบส การติดตั้งที่เชื่อมต่อกับสถานีไฟฟ้าย่อยในเมืองจะชาร์จพลังงานในช่วงเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าน้อยที่สุด — โดยทั่วไปคือระหว่างเที่ยงคืนถึง 06.00 น. เมื่อการผลิตไฟฟ้าพื้นฐานเกินความต้องการ ซึ่งพลังงานที่เก็บไว้จะถูกปล่อยกลับเข้าสู่ระบบไฟฟ้าในช่วงเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าสูงสุดตอนเช้า (07.00–10.00 น.) และช่วงเย็น (17.00–21.00 น.) เพื่อทำให้เส้นโค้งภาระสุทธิที่เครือข่ายส่งไฟฟ้าระดับสูงกว่าต้องรับมือมีความเรียบขึ้น

แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) ครองส่วนแบ่งใหญ่ในการติดตั้งระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ในเมือง (urban BESS) ด้วยเหตุผลหลายประการ ความเสถียรทางความร้อนของแบตเตอรี่ชนิดนี้ช่วยลดความเสี่ยงจากเพลิงไหม้ในพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่น ซึ่งเหตุการณ์ thermal runaway จะส่งผลกระทบร้ายแรงเกินกว่าที่จะยอมรับได้ อายุการใช้งานแบบวงจร (cycle life) ที่มากกว่า 6,000 รอบการชาร์จ-คายประจุ ที่ความลึกของการคายประจุ (depth of discharge) ร้อยละ 80 หมายความว่า ระบบที่ติดตั้งในวันนี้จะยังคงสร้างผลตอบแทนทางเศรษฐกิจได้เป็นระยะเวลา 15–20 ปี ภายใต้การปฏิบัติการตัดยอดโหลด (peak shaving) ทุกวัน

หน่วยงานสาธารณูปโภคของท้องถิ่นแห่งหนึ่งในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ติดตั้งระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ขนาด 20 เมกะวัตต์/40 เมกะวัตต์-ชั่วโมง ที่สถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองที่มีความแออัด ซึ่งข้อจำกัดด้านพื้นที่ทำให้ไม่สามารถติดตั้งหม้อแปลงเครื่องที่สามเพิ่มเติมได้ ระบบแบตเตอรี่ดูดซับโหลดสูงสุดจากเครื่องปรับอากาศช่วงบ่ายจำนวน 15 เมกะวัตต์ จึงเลื่อนการลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานของสถานีไฟฟ้าย่อยออกไปประมาณเจ็ดปี คิดเป็นมูลค่าประมาณ 12 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

การผสานรวมกับโครงสร้างพื้นฐานสถานีไฟฟ้าย่อยที่มีอยู่แล้ว

การติดตั้งระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ในเขตเมืองมักเชื่อมต่อกับระดับแรงดันไฟฟ้าปานกลาง (10–35 กิโลโวลต์) ผ่านหม้อแปลงแบบเพิ่มแรงดันที่ติดตั้งรวมอยู่ภายในตู้แบตเตอรี่ หรือติดตั้งแยกไว้ใกล้เคียงกับตู้แบตเตอรี่ ระบบแปลงกำลังไฟฟ้า (PCS) ควบคุมการไหลของพลังงานสองทิศทาง โดยเปลี่ยนโหมดการทำงานจากโหมดเรกติฟิเคชันขณะชาร์จ ไปเป็นโหมดอินเวอร์ชันขณะปล่อยพลังงาน ภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีหลังรับสัญญาณควบคุมจากโครงข่ายไฟฟ้า

การจัดวางระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่แบบติดตั้งบนแร็ก (Rack-mounting BESS) เหมาะสำหรับการติดตั้งภายในสถานีไฟฟ้าย่อยในเมืองที่มีพื้นที่จำกัด รูปแบบ BESS ที่สามารถซ้อนกันได้ช่วยให้หน่วยงานด้านสาธารณูปโภคสามารถเพิ่มกำลังการผลิตได้ตามลำดับ — เริ่มต้นจากคอนเทนเนอร์ความจุ 5 เมกะวัตต์-ชั่วโมง และเพิ่มหน่วยเข้าไปตามความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไป แนวทางแบบโมดูลาร์นี้ช่วยลดการลงทุนเบื้องต้นเมื่อเปรียบเทียบกับการสร้างศูนย์เก็บพลังงานแบตเตอรี่เฉพาะทาง

ข้อกำหนดเชิงเทคนิคสำหรับการติดตั้ง BESS ในเขตเมือง

ข้อพิจารณาด้านพื้นที่และความปลอดภัย

สถานีไฟฟ้าย่อยในเขตเมืองมักไม่มีพื้นที่ว่างสำหรับติดตั้งแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ โซลูชัน BESS แบบบรรจุในคอนเทนเนอร์จึงตอบโจทย์โดยการผลิตระบบทั้งหมดล่วงหน้า — ทั้งแบตเตอรี่, ระบบควบคุมพลังงาน (PCS), ระบบจัดการอุณหภูมิ และระบบดับเพลิง — ให้อยู่ในรูปแบบคอนเทนเนอร์มาตรฐาน ซึ่งสามารถติดตั้งได้ทันทีบนพื้นคอนกรีตที่มีอยู่แล้วภายในสถานีไฟฟ้าย่อย

มาตรการด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัยต้องใช้การป้องกันแบบหลายชั้น: การตรวจสอบระดับเซลล์เพื่อตรวจจับความผิดปกติของแรงดันไฟฟ้าก่อนที่จะเกิดภาวะร้อนล้น (thermal runaway), การตรวจจับก๊าซระดับโมดูลเพื่อกระตุ้นระบบระบายอากาศก่อนที่ไอของอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้จะสะสมตัว, และระบบยับยั้งเปลวไฟด้วยสารละอองฝอยระดับคอนเทนเนอร์ที่ทำงานโดยอัตโนมัติ มาตรฐาน NFPA 855 กำหนดข้อกำหนดสำหรับการติดตั้งระบบเก็บพลังงาน รวมถึงระยะห่างระหว่างโครงสร้างและข้อกำหนดด้านการระบายอากาศ ซึ่งการติดตั้งในเขตเมืองจำเป็นต้องปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัด เนื่องจากตั้งอยู่ใกล้สิ่งปลูกสร้างที่มีผู้พักอาศัย

มาตรฐานการเชื่อมต่อกับระบบสายส่งไฟฟ้า

IEEE 1547 ควบคุมการเชื่อมต่อแหล่งพลังงานแบบกระจาย เช่น BESS เข้ากับระบบจ่ายไฟฟ้า เมื่อติดตั้งในเขตเมือง ระบบต้องแสดงความสามารถในการคงการเชื่อมต่อไว้ (ride-through capability) แม้ในช่วงที่แรงดันตกชั่วคราว โดยไม่ตัดการเชื่อมต่อ ซึ่งหากตัดการเชื่อมต่อจะยิ่งทำให้ระบบจ่ายไฟฟ้าไม่เสถียรยิ่งขึ้นในช่วงเหตุการณ์สูงสุดที่ระบบถูกออกแบบมาเพื่อบรรเทาผลกระทบ หน่วยควบคุมพลังงาน (PCS) ต้องสามารถปรับความถี่ให้สอดคล้องกับระบบจ่ายไฟฟ้าภายในช่วง ±0.5 Hz และตอบสนองต่อสัญญาณควบคุมจากหน่วยงานผู้ให้บริการไฟฟ้าผ่านการบูรณาการเข้ากับระบบ SCADA

คำถามที่พบบ่อย

ต้องใช้ BESS ขนาดเท่าใดสำหรับการลดพีคในเขตเมือง

การใช้งานในอาคารเชิงพาณิชย์มักต้องการ BESS ขนาด 500 kWh ถึง 2 MWh เพื่อลดพีคระดับอาคาร ส่วนการลดพีคที่สถานีจ่ายไฟฟ้าย่อย (distribution substation) ต้องการ BESS ขนาด 10–50 MWh ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้โหลดของสายจ่ายไฟ ในขณะที่การติดตั้งระดับสาธารณูปโภคในเขตเมืองมีขนาดตั้งแต่ 100 MWh ขึ้นไป การกำหนดขนาด BESS ขึ้นอยู่กับขนาดและระยะเวลาของพีคที่เกิดขึ้น รวมถึงเปอร์เซ็นต์การลดพีคที่ตั้งเป้าหมาย มากกว่าการใช้สูตรคงที่ใดๆ

BESS สามารถปล่อยพลังงานเพื่อลดพีคได้นานเท่าใด

ระบบตัดยอดโหลดในเขตเมืองส่วนใหญ่ออกแบบให้ปล่อยพลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 2–4 ชั่วโมงที่กำลังไฟอันดับ ซึ่งเพียงพอต่อช่วงเวลาที่มีการใช้ไฟฟ้าสูงสุดในตอนเช้าหรือเย็นตามปกติ ระบบแบบระยะเวลานานกว่านี้ (6–8 ชั่วโมง) มีอยู่จริง แต่มีต้นทุนต่อหน่วยพลังงานกิโลวัตต์-ชั่วโมงสูงกว่า จึงมักไม่คุ้มค่าหากใช้เพื่อการตัดยอดโหลดเพียงอย่างเดียว แม้กระนั้น ระบบที่มีความจุมากขึ้นนี้จะสร้างมูลค่าเพิ่มผ่านบริการเสริมต่าง ๆ เช่น การควบคุมความถี่

การตัดยอดโหลดด้วยระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) สามารถทำงานร่วมกับการผสานพลังงานหมุนเวียนได้หรือไม่

ได้ ระบบไฮบริดที่ผสาน BESS เข้ากับแผงโซลาร์รูฟท็อปหรือกังหันลมในเขตเมือง จะทำให้พลังงานหมุนเวียนส่วนเกินที่ผลิตได้ในช่วงกลางวันชาร์จเข้าแบตเตอรี่ เพื่อนำมาปล่อยพลังงานในช่วงเย็นที่มีการใช้ไฟฟ้าสูงสุด ซึ่งช่วยแก้ปัญหา "เส้นโค้งเป็ด (duck curve)" ที่เกิดขึ้นเมื่อการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงพอดีกับช่วงเวลาที่ความต้องการไฟฟ้าในตอนเย็นเพิ่มสูงขึ้น ผู้จัดจำหน่ายอย่าง Liaoning Sinotech Group ให้บริการโซลูชันแบบบูรณาการที่รวม BESS และระบบโซลาร์สำหรับการใช้งานนี้

การติดตั้ง BESS แบบติดตั้งบนแร็ก (rack-mounting) กับแบบซ้อนได้ (stackable) แตกต่างกันอย่างไร

ระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่แบบติดตั้งบนแร็ก (Rack-mounting BESS) เข้ากับแร็กเซิร์ฟเวอร์มาตรฐานขนาด 19 นิ้วสำหรับการติดตั้งภายในอาคารที่มีสภาวะแวดล้อมควบคุมได้ ส่วนระบบเก็บพลังงานแบตเตอรี่แบบซ้อนกันได้ (Stackable BESS) ใช้ตู้ภายนอกที่กันน้ำและกันฝุ่น สามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างกันและสื่อสารผ่านตัวควบคุมกลาง ระบบแบบติดตั้งบนแร็กเหมาะสำหรับอาคารควบคุมสถานีไฟฟ้า ส่วนระบบแบบซ้อนกันได้เหมาะสำหรับการติดตั้งภายนอกบนฐานคอนกรีต (pad-mounted) เมื่อไม่มีพื้นที่ภายในอาคาร

การตัดยอดโหลดด้วย BESS ช่วยลดค่าไฟฟ้าได้อย่างไร

ผู้ใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมที่อยู่ภายใต้อัตราค่าไฟฟ้าแบบจ่ายตามช่วงเวลา (time-of-use tariffs) สามารถหลีกเลี่ยงค่าความต้องการสูงสุด (demand charges) ได้โดยการจ่ายไฟจาก BESS ในช่วงเวลาที่ค่าไฟฟ้าสูงสุด ค่าความต้องการสูงสุดนี้คำนวณจากช่วงเวลา 15 นาทีที่มีการใช้พลังงานสูงสุดในแต่ละเดือน และอาจคิดเป็นสัดส่วน 30–70% ของค่าไฟฟ้ารวมทั้งหมดของสถานที่นั้น การตัดยอดโหลดช่วยกำจัดหรือลดค่าใช้จ่ายดังกล่าวลงโดยไม่จำเป็นต้องลดปริมาณการใช้พลังงานจริง

การติดตั้ง BESS ในเขตเมืองต้องการการบำรุงรักษาอะไรบ้าง

การตรวจสอบระบบจัดการความร้อนทุกไตรมาส การทดสอบความสามารถทุกหกเดือน และการติดตามผลระยะไกลอย่างต่อเนื่องผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สารเคมีชนิดลิเธียมเฟอร์โรฟอสเฟต (LiFePO4) ไม่จำเป็นต้องเติมอิเล็กโทรไลต์ใหม่ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดแบบดั้งเดิม การปรับสมดุลเซลล์เกิดขึ้นโดยอัตโนมัติผ่าน BMS ระหว่างการใช้งานที่มีระดับประจุบางส่วน ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการทำงานแบบลดพีคโหลด (peak shaving)