Standard Thermal สตาร์ทอัพจาก Massachusetts เสนอแนวทางแปลกใหม่สำหรับการกักเก็บพลังงานหมุนเวียน คือการทำให้ดินร้อนถึง 600 องศาเซลเซียสโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์ และเก็บพลังงานนั้นไว้เป็นเดือน บริษัทอ้างว่าวิธีการนี้สามารถทำให้พลังงานแสงอาทิตย์ใช้งานได้ตลอด 24 ชั่วโมง 7 วันต่อสัปดาห์ 365 วันต่อปี ด้วยต้นทุนที่แข่งขันได้กับโรงไฟฟ้าแก๊สธรรมชาติแบบ peaker อย่างไรก็ตาม ชุมชนเทคโนโลยีกำลังตั้งคำถามอย่างจริงจังเกี่ยวกับความเป็นไปได้และเศรษฐศาสตร์ของแนวทางนี้
เทคโนโลยีแบตเตอรี่สร้างการแข่งขันที่เข้มข้น
ความท้าทายที่สำคัญที่สุดที่ Standard Thermal เผชิญมาจากต้นทุนแบตเตอรี่ที่ลดลงอย่างรวดเร็ว การอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LiFePO4) ขณะนี้มีราคาต่ำถึง 115 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง โดยผู้ใช้บางรายรายงานว่าระบบโซลาร์เซลล์ในบ้านสามารถบรรลุต้นทุนต่ำกว่า 0.008 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงในระยะเวลาห้าปี การลดราคาอย่างมากนี้สร้างแรงกดดันให้เทคโนโลยีการกักเก็บทางเลือกใดๆ ต้องพิสูจน์ข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจ
โปรไฟล์ความปลอดภัยของแบตเตอรี่สมัยใหม่ก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมที่อาจเกิด thermal runaway แบตเตอรี่ LiFePO4 ไม่ผลิตออกซิเจนเองระหว่างไฟไหม้ ทำให้ปลอดภัยกว่ามากสำหรับการติดตั้งในที่อยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์ หลายรุ่นมาพร้อมระบบดับเพลิงในตัวและเคสเหล็กป้องกัน
การเปรียบเทียบต้นทุนแบตเตอรี่
- แบตเตอรี่ LiFePO4 : ประมาณ $115 USD ต่อ kWh (ราคาปลีก)
- ระบบโซลาร์เซลล์ในบ้าน: $0.008 USD ต่อ kWh (ค่าเฉลี่ย 5 ปี รวมทุนและค่าบำรุงรักษา)
- เป้าหมาย Standard Thermal : แข่งขันได้กับโรงไฟฟ้าแก๊สธรรมชาติแบบ peaker
การกักเก็บตามฤดูกาลยังคงเป็นจุดมุ่งหมายสูงสุด
ปัญหาพื้นฐานที่ Standard Thermal ตั้งเป้าจะแก้ไขนั้นเป็นเรื่องจริง คือการกักเก็บพลังงานข้ามฤดูกาลแทนที่จะเป็นแค่รอบวันต่อวัน เจ้าของบ้านที่มีประสบการณ์การใช้ชีวิตนอกเขตไฟฟ้าคนหนึ่งสังเกตว่าปริมาณหินที่ต้องใช้เพื่อทำความร้อนให้บ้านเฉลี่ยเพียงสองสัปดาห์จะหนักกว่าตัวบ้านเอง สิ่งนี้เน้นย้ำถึงขนาดใหญ่มหาศาลที่ต้องการสำหรับการกักเก็บตามฤดูกาลที่มีความหมาย
ปริมาณหินที่ต้องใช้เพื่อทำความร้อนให้บ้านเฉลี่ยเพียงสองสัปดาห์หนักกว่าตัวบ้านเองอย่างง่ายดาย
ฟิสิกส์นั้นเป็นเรื่องท้าทาย ในสภาพอากาศเหนือ การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ในฤดูหนาวอาจต่ำกว่าฤดูร้อน 5-7 เท่า แม้ว่าการสร้างแผงโซลาร์เซลล์เกินความต้องการอาจดูเป็นทางแก้ไข แต่ข้อจำกัดด้านพื้นที่และมุมที่ไม่ดีในฤดูหนาวทำให้ไม่เป็นไปได้สำหรับการติดตั้งหลายแห่ง
ความแปรปรวนของพลังงานแสงอาทิตย์ตามฤดูกาล
- การผลิตในฤดูหนาวเทียบกับฤดูร้อน: แตกต่างกัน 5-7 เท่าในภูมิอากาศเหนือ
- ระยะเวลาการเก็บพลังงานที่จำเป็น: สูงสุด 6 เดือนสำหรับการชดเชยตามฤดูกาล
- การเก็บพลังงานรายวัน: 2-14 วัน (จัดการได้ค่อนข้างง่าย)
- เป้าหมายอุณหภูมิการเก็บความร้อน: 600°C
คำถามทางเทคนิคเกี่ยวกับการกู้คืนความร้อน
แนวทางของ Standard Thermal เกี่ยวข้องกับการใช้แผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตไฟฟ้า จากนั้นใช้การทำความร้อนแบบต้านทานเพื่อทำให้ดินร้อนถึง 600 องศาเซลเซียส นักวิจารณ์ตั้งคำถามว่าทำไมพวกเขาไม่ใช้การทำความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรง ซึ่งจะมีประสิทธิภาพสูงกว่ามากในการสร้างความร้อน การตอบสนองของบริษัทมุ่งเน้นไปที่ความต้องการความร้อนระดับสูง (300-500 องศาเซลเซียส) แทนที่จะเป็นความร้อนระดับต่ำ (ต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส) เพื่อผลิตไฟฟ้าผ่านกังหันไอน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ
สูตรประสิทธิภาพ Carnot อธิบายว่าทำไมอุณหภูมิจึงสำคัญมาก เครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานระหว่าง 500 องศาเซลเซียสและ 25 องศาเซลเซียสมีประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎี 61% ในขณะที่เครื่องที่ทำงานระหว่าง 50 องศาเซลเซียสและ 25 องศาเซลเซียสสามารถบรรลุประสิทธิภาพได้เพียง 7.7% เท่านั้น สิ่งนี้ทำให้แนวทางอุณหภูมิสูงจำเป็นสำหรับการผลิตไฟฟ้า แม้ว่าจะต้องใช้ขั้นตอนการแปลงมากกว่าก็ตาม
ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน (ค่าสูงสุดตามทฤษฎี Carnot)
- 500°C ถึง 25°C: ประสิทธิภาพ 61%
- 200°C ถึง 25°C: ประสิทธิภาพ 37%
- 50°C ถึง 25°C: ประสิทธิภาพ 7.7%
- ประสิทธิภาพในโลกแห่งความจริง: 1/2 ถึง 1/10 ของค่าสูงสุด Carnot
การตรวจสอบความเป็นจริงของตลาด
Standard Thermal เผชิญการแข่งขันจากเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้วซึ่งดำเนินการอยู่แล้ว เครือข่ายการทำความร้อนระยะไกลของยุโรปใช้แหล่งเก็บน้ำใต้ดินสำหรับการกักเก็บความร้อน และหมู่บ้านสแกนดิเนเวียนดำเนินการแบตเตอรี่ความร้อนจากทรายโดยใช้เทคโนโลยีไซโลแบบดั้งเดิม ฮีตปั๊มก็กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว ขณะนี้สามารถผลิตไอน้ำสำหรับกระบวนการได้ถึง 160 องศาเซลเซียสและตั้งเป้า 200 องศาเซลเซียส
ตลาดเป้าหมายของบริษัทรวมถึงสถานที่ห่างไกลที่ใช้ดีเซล ชุมชนที่ขาดการบริการ และนักพัฒนาโซลาร์เซลล์ในละติจูดสูง แม้ว่าตลาดเหล่านี้จะมีอยู่ แต่เศรษฐศาสตร์ต้องแข่งขันกับการกักเก็บด้วยแบตเตอรี่ที่มีราคาไม่แพงขึ้นและโครงสร้างพื้นฐานของเครือข่ายไฟฟ้าที่ดีขึ้น
เส้นทางข้างหน้า
Standard Thermal กำลังหาเงินทุน pre-seed 500,000 ดอลลาร์สหรัฐเพื่อสร้างการติดตั้งทดสอบครั้งแรก ความสำเร็จของบริษัทจะขึ้นอยู่กับการพิสูจน์ว่าแนวทางดินร้อนของพวกเขาสามารถบรรลุต้นทุนที่ต่ำกว่าการกักเก็บด้วยแบตเตอรี่ปัจจุบันอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่รักษาความน่าเชื่อถือตลอดรอบฤดูกาล เมื่อเทคโนโลยีแบตเตอรี่พัฒนาอย่างรวดเร็วและต้นทุนลดลง หน้าต่างสำหรับเทคโนโลยีการกักเก็บทางเลือกอาจปิดลงเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้
หมายเหตุ: ประสิทธิภาพ Carnot - ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ คำนวณเป็น η = 1 – Tcold/Thot โดยที่อุณหภูมิอยู่ในหน่วยเคลวิน