กักเก็บพลังงานในระยะยาวด้วยแรงโน้มถ่วงและภูเขา

            เขื่อนเป็นตัวอย่างของระบบกักเก็บพลังงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วง แบตเตอรี่ทั่วไปกักเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักย์ไฟฟ้า แต่เขื่อนกักเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยมีน้ำเป็นตัวกลาง เมื่อมีความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำจะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานจลน์ซึ่งสามารถหมุนเครื่องกำเนิดพลังงานไฟฟ้า เช่น ไดนาโม หรือมอเตอร์ไฟฟ้าได้   


          แต่แม้ว่าเขื่อนจะสามารถกักเก็บพลังงานได้เป็นปริมาณมาก แต่มันก็มีข้อเสียหลายประการ การสร้างเขื่อนมักทำลายป่าไม้เป็นบริเวณกว้าง ทำลายที่อยู่อาศัยของสัตว์ป่า เพราะว่าเขื่อนมักจะถูกสร้างในบริเวณหุบเขาที่มีความอุดมสมบูรณ์ทางธรรมชาติ นอกจากนี้ยังมีความเสี่ยงในการขาดแคลนน้ำในหน้าแล้ง ซึ่งก่อให้เกิดความไม่มั่นคงทางด้านพลังงาน 

            การกักเก็บพลังงานโดยใช้แรงโน้มถ่วงเป็นอุบายในการกักเก็บพลังงานในระยะยาว (long-term energy storage) ซึ่งหมายถึงการกักเก็บพลังงานเพื่อผลิตไฟฟ้าเข้าสู่กริดได้เป็นเวลาหลายเดือนหรือแม้กระทั่งหลายปี ในขณะที่แบตเตอรีลิเทียม-ไอออน (Lithium-Ion battery) เป็นวิธีการกักเก็บพลังงานในระยะสั้น (short-term energy storage) ซึ่งสามารถสำรองพลังงานไฟฟ้าเพื่อใช้ประโยชน์ได้ภายในเวลาไม่กี่วัน การพยายามใช้แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนเพื่อกักเก็บพลังงานในระยะยาวจะมีการสูญเสียพลังงานสูงและมีต้นทุนในการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูงมาก ซึ่งไม่คุ้มค่าต่อการนำไปใช้ประโยชน์จริง  


          การกักเก็บพลังงานมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากลมและแสงอาทิตย์ เพราะความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามักจะไม่ตรงกันกับปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเหล่านี้ พลังงานที่ผลิตได้อาจจะมากเกินไปหรือน้อยเกินไปกับความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าในขณะนั้น ทำให้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้อาจสูญเปล่าหรือไม่พอใช้ภายในช่วงเวลาหนึ่ง ดังนั้นระบบการกักเก็บพลังงานจะช่วยทำให้การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนทางธรรมชาติเหล่านี้มีความเสถียรและมั่นคง


          นอกจากเขื่อนแล้ว ยังมีวิธีการกักเก็บพลังงานโดยใช้แรงโน้มถ่วงอีกหลายวิธี บริษัท Energy Vault จ่ายพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตได้จากลมหรือแสงอาทิตย์ให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อยกแท่งคอนกรีตขนาดใหญ่ขึ้นวางเรียงซ้อนกันเป็นหอคอย ดังนั้นพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากลมหรือแสงอาทิตย์จะถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่สะสมอยู่ภายในแท่งคอนกรีตขนาดใหญ่ หอคอยคอนกรีตมีน้ำหนักรวมประมาณ 35 ตัน จากนั้นเมื่อมีความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า แท่งคอนกรีตเหล่านี้จะถูกปล่อยให้เคลื่อนที่ลงมาวางเรียงซ้อนกันอยู่รอบๆ หอคอยคอนกรีต ในขณะที่แท่งคอนกรีตเคลื่อนที่ลงมานั้นก็จะทำให้มอเตอร์ไฟฟ้าหมุนไปด้วยซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปพลังงานศักย์โน้มถ่วงไปเป็นพลังงานไฟฟ้า ระบบนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เก็บสะสมเอาไว้ได้ประมาณ 10-80 ล้านวัตต์-ชั่วโมง (MWh) แต่ระบบนี้มีข้อจำกัดในเรื่องของความสูงระหว่างแท่งคอนกรีตที่อยู่ส่วนบนและส่วนล่างของหอคอย ^[1,2]

            บริษัท Gravitricity ใช้วิธีการขุดบ่อเพื่อใช้ในการกักเก็บพลังงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วง บ่อนี้อาจจะลึกประมาณ 150-1,500 เมตรซึ่งอาจจะเป็นบ่อที่ขุดขึ้นใหม่หรือเป็นเหมืองแร่ที่ปลดประจำการแล้ว หลักการทำงานของระบบนี้คล้ายคลึงกับของบริษัท Energy Vault นั่นคือพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจะถูกจ่ายให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อยกแท่งคอนกรีตขนาด 500-3,000 ตันขึ้นมาจากก้นบ่อ และเมื่อมีความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า แท่งคอนกรีตจะถูกปล่อยให้เคลื่อนที่ลงสู่ก้นบ่อพร้อมกับหมุนมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า ระบบนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณ 10 ล้านวัตต์-ชั่วโมง แต่การขุดบ่อขนาดใหญ่ต้องใช้เงินลงทุนสูงซึ่งอาจทำให้ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าสูง ^[3]                เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิศวกรจากยุโรปได้นำเสนอระบบการกักเก็บพลังงานและผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงและภูเขาแบบใหม่ [4] ระบบนี้ช่วยลดการทำลายป่าจากการสร้างเขื่อน และสามารถกักเก็บพลังงานในระยะยาวได้เป็นเวลาหลายเดือน หลายปี ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าการกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรีลิเทียม-ไอออน 


          ระบบการกักเก็บพลังงานและการผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงและภูเขาประกอบไปด้วย 2 สถานีหลักซึ่งตั้งอยู่ที่ตีนเขาและยอดเขา ที่แต่ละสถานีจะมีเครน (crane) ติดตั้งอยู่ ระหว่างเครนทั้งสองนี้จะมีสายเคเบิลคล้องผ่านสองสาย มอเตอร์ไฟฟ้าจะถูกติดตั้งเข้ากับเครนของสถานียอดเขาเพื่อขับเคลื่อนให้สายเคเบิลทั้งสองเคลื่อนที่ไปพร้อมๆ กัน โดยสายเคเบิลข้างหนึ่งเคลื่อนที่ขึ้นสู่ยอดเขา และอีกสายเคลื่อนที่ลงสู่ตีนเขา (การติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าไว้ที่ยอดเขาจะช่วยลดแรงตึงเชือกของสายเคเบิล) บนสายเคเบิลจะมีภาชนะสำหรับบรรจุทรายหรือก้อนกรวดติดตั้งไว้อยู่ ทรายหรือก้อนกรวดจะทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการกักเก็บพลังงานในรูปของพลังงานศักย์โน้มถ่วง (เหมือนน้ำในกรณีของเขื่อน) และที่สถานีบนยอดเขาจะมีการขุดบ่อสำหรับกักเก็บทรายหรือกรวดเอาไว้            เมื่อต้องการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจากพลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์ วาล์วของถังกักเก็บทรายหรือก้อนกรวดบนตีนเขาจะถูกเปิดออกเพื่อบรรจุทรายหรือก้อนกรวดลงไปในภาชนะที่ห้อยอยู่กับสายเคเบิล จากนั้นมอเตอร์ไฟฟ้าจะขับเคลื่อนให้ภาชนะดังกล่าวมีการเคลื่อนที่ขึ้นสู่ยอดเขา กระบวนการนี้คือกระบวนการกักเก็บพลังงาน (energy storage) เนื่องจากมีการเปลี่ยนรูปพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยมีทรายหรือก้อนกรวดเป็นตัวกลาง เมื่อทรายหรือก้อนกรวดเคลื่อนที่ขึ้นจนถึงสถานีบนยอดเขาแล้วมันจะถูกเทออกจากภาชนะลงสู่บ่อเก็บบนยอดเขา การใช้ทรายหรือก้อนกรวดในการกักเก็บพลังงานมีข้อดีคือพวกมันไม่ระเหยเหมือนน้ำ ทำให้พลังงานศักย์โน้มถ่วงที่สะสมไว้ไม่สูญเสียออกสู่สิ่งแวดล้อม  


          เมื่อต้องการผลิตพลังงานไฟฟ้า (electricity generation) วาว์วของบ่อเก็บทรายหรือก้อนกรวดที่อยู่บนยอดเขาจะถูกเปิดออกเพื่อเททรายหรือก้อนกรวดลงบนภาชนะที่ห้อยอยู่กับสายเคเบิล จากนั้นภาชนะดังกล่าวจะถูกปล่อยลงมาซึ่งจะทำให้สายเคเบิลเกิดการเคลื่อนที่และมอเตอร์ไฟฟ้าเกิดการหมุน ดังนั้นจึงมีการเปลี่ยนรูปพลังงานศักย์โน้มถ่วงของทรายหรือก้อนกรวดไปเป็นพลังงานไฟฟ้า  พลังงานศักย์โน้มถ่วงของทรายหรือก้อนกรวดที่ถูกกักเก็บไว้โดยระบบนี้สามารถคำนวณได้จากสูตรของพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่พวกเราคุ้นเคยกันดี นั่นคือ 
 

          h คือความสูง (หน่วยเป็น m) ความสูงนี้ไม่ใช่ความสูงของภูเขาเพียงอย่างเดียว แต่เป็นความสูงของภูเขาลบด้วยผลบวกระหว่างความสูงของเครนบนตีนเขาและความลึกของบ่อเก็บสะสมทรายหรือก้อนกรวดบนยอดเขา  
          สุดท้าย ประสิทธิภาพของระบบหมายถึงประสิทธิภาพในการทำงานของเครนในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นงาน    

   

          เครนโดยทั่วไปสามารถรองรับน้ำหนักได้สูงสุดประมาณ 8 ตัน ดังนั้นเราจะกำหนดให้ภาชนะแต่ละใบสามารถบรรจุทรายหรือก้อนกรวดได้ 8 ตัน เราจะมีภาชนะ 2 ใบ ใบหนึ่งเคลื่อนที่จากสถานีตีนเขาขึ้นสู่สถานียอดเขา ส่วนอีกใบเคลื่อนที่จากสถานียอดเขาลงสู่สถานีตีนเขา ทั้งคู่เคลื่อนที่พร้อมๆ กันด้วยความเร็วเท่ากัน 


          ในกระบวนการกักเก็บพลังงาน พลังงานไฟฟ้าจะถูกจ่ายให้กันเครนเพื่อเลื่อนภาชนะที่บรรจุทรายหรือก้อนกรวดปริมาณ 8 ตันขึ้นสู่สถานียอดเขา และในขณะเดียวกันภาชนะที่ว่างเปล่าบนสถานียอดเขาก็จะเคลื่อนที่ลงมายังสถานีตีนเขาด้วย หนึ่งรอบ (cycle) ของการกักเก็บพลังงานคือเวลาที่ภาชนะแต่ละใบใช้เพื่อเคลื่อนที่ระหว่างสองสถานี 


          ภาชนะของเครนโดยทั่วไปเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 1 m/s ดังนั้นเวลาของการกักเก็บพลังงานใน 1 รอบจะขึ้นอยู่กับระดับความสูง เช่น ถ้าระดับความสูงเท่ากับ 200 เมตร, 500 เมตร, และ 1,000 เมตรแล้วเวลาในการอัดพลังงานในแต่ละรอบจะเท่ากับ 200 วินาที, 500 วินาที, และ 1,000 วินาที ตามลำดับ เป็นต้น


          ต่อไปเราจะสมมติให้บ่อกักเก็บทรายหรือก้อนกรวดบนยอดเขามีความจุ 80,000 ตัน ดังนั้นเครนจะต้องอัดพลังงานทั้งหมด 10,000 รอบเพื่อทำให้พลังงานเต็ม เวลาทั้งหมดในการอัดพลังงานสำหรับระดับความสูง 200 เมตร, 500 เมตร, และ 1,000 เมตรเท่ากับ 23.1 วัน, 57.9 วัน, และ 115.7 วัน ตามลำดับ 


          กระบวนการผลิตพลังงานไฟฟ้านั้นจะกลับกันกับกระบวนการกักเก็บพลังงาน นั่นคือภาชนะจะบรรจุทรายหรือก้อนกรวดจากสถานียอดเขาแล้วเคลื่อนที่ลงสู่สถานีตีนเขาโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงพร้อมกับหมุนมอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า ในขณะเดียวกันภาชนะที่ว่างเปล่าจากสถานีตีนเขาก็จะเคลื่อนที่ขึ้นสู่สถานียอดเขาเพื่อบรรจุทรายหรือก้อนกรวดในรอบถัดไป เนื่องจากภาชนะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับกรณีของการกักเก็บพลังงาน ดังนั้นระยะเวลาที่ระบบนี้สามารถผลิตไฟฟ้าเข้าสู่กริดได้จะเท่ากับ 23.1 วัน, 57.9 วัน, และ 115.7 วัน สำหรับระดับความสูง 200 เมตร, 500 เมตร, และ 1,000 เมตร ตามลำดับ ดังนั้นภูเขาสูงจะสามารถกักเก็บพลังงานไว้ใช้ได้นานกว่าภูเขาเตี้ย  

   

          ในทำนองเดียวกัน เราสามารถคำนวณหากำลังไฟฟ้าที่ระดับความสูง 500 เมตรและ 1,000 เมตรได้เท่ากับ 254.1 MWh และ 254.4 MWh ตามลำดับ ดังนั้นระดับความสูงที่เพิ่มขึ้นไม่ได้ทำให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้มีค่าเพิ่มสูงขึ้นแต่อย่างใด 


          จากการคำนวณอย่างง่ายของเรา เราได้ค้นพบว่า ระดับความสูงของภูเขามีผลอย่างมากต่อช่วงเวลาของการผลิตไฟฟ้า แต่จะมีผลน้อยมากต่อกำลังการผลิตไฟฟ้า เราควรสร้างบ่อกักเก็บทรายหรือก้อนกรวดปริมาณ 80,000 ตันบนยอดเขาที่ให้ระดับความสูง 200-500 เมตรเมื่อต้องการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเอาไว้ใช้ได้ในช่วงเวลา 1-2 เดือน แต่ถ้าเราต้องการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าให้สามารถใช้ได้หลายปี เราจะต้องมองหาภูเขาที่ให้ระดับความสูงเกิน 1,000 เมตรและอาจจะต้องยอมลดกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ลงโดยการลดความเร็วของพาหนะเพื่อยืดระยะเวลาในการผลิตไฟฟ้าออกไปอีก 


          นักวิจัยได้คาดการณ์ว่าต้นทุนในการกักเก็บพลังงานด้วยภูเขาและแรงโน้มถ่วงจะอยู่ในช่วง 50-100 ดอลลาร์ต่อ MWh ต่อปี ซึ่งนับว่าถูกว่าแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนประมาณ 10 เท่า ^[5]
     
 

อ้างอิง

• [1] https://www.youtube.com/watch?v=gn5AM75AGvw
• [2] https://energyvault.com/
• [3] https://www.gravitricity.com/
• [4] J. D. Hunt, B. Zakeri, G. Falchetta, A. Nascimento, Y. Wada, and K. Riahi, “Mountain gravity energy storage: a new solution for closing the gap between existing short- and long-term storage technologies,” Energy 190, 116419 (2020).
• [5] https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/environment/mix-mountains-and-gravity-for-longterm-energy-storage