Form Energy นำโดยอดีตผู้บริหาร Tesla ทั้งยังได้รับการสนับสนุนจาก Breakthrough Energy Ventures ของ Bill Gates และ TPG ที่ต่างก็มองเห็นว่าเหล็กและสนิมคือวิธีแก้ปัญหาราคาประหยัดในการกักเก็บพลังงานส่วนเกินได้มากกว่าสี่วัน
ท่ามกลางศึกพิชิตการปล่อยคาร์บอนที่คุกคามโลก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จใหม่ได้กลับกลายมาเป็นกุญแจสำคัญ ซึ่งสามารถขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าให้วิ่งได้ไกลยิ่งขึ้นกว่า 300 ไมล์ต่อการชาร์จเพียงครั้งเดียว ทั้งยังสามารถสำรองไฟฟ้าแก่หลายล้านครัวเรือนนานหลายชั่วโมง แบตเตอรี่เหล่านี้ยังเป็นชิ้นส่วนหลักของโรงงานไฟฟ้าในการขยับขยายศักยภาพการกักเก็บพลังงานหมุนเวียน
แต่หากผลิตไม่ได้มาตรฐานแล้วละก็แบตเตอรี่เหล่านี้อาจร้อนเกินไปจนลุกไหม้เป็นไฟที่มีอันตรายทางเคมี ใช่ว่าจะพึ่งพามันได้ตลอด และรถยนต์ไฟฟ้าจำนวนมากก็ไม่สามารถวิ่งได้ไกลเท่าที่ทางบริษัทคุยโวไว้ มิหนำซ้ำยังมีราคาแพงอีกด้วย
ลิเธียมคาร์บอเนตเกรดเหมาะสมสำหรับผลิตแบตเตอรี่ราคาสูงกว่า 37,600 เหรียญสหรัฐฯ ต่อตัน อ้างอิงข้อมูลจาก Trading Economics นอกจากนี้พวกมันยังเก็บพลังงานได้เพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น หาใช่การกักเก็บพลังงานได้เป็นวัน และในการแข่งขันเพื่อยกระดับพลังงานหมุนเวียนนั้น นี่ถือเป็นปัญหาใหญ่ในวันที่มีเมฆมากหรือไร้กระแสลม
ทั้งหมดคือสาเหตุที่อดีตรองประธานโครงการพัฒนาแหล่งกักเก็บพลังงานขับเคลื่อนยานยนต์ของ Tesla อย่าง Mateo Jaramillo ทุ่มเทกับการผลิตแบตเตอรี่จากเหล็ก อันเป็นวัสดุหาง่ายราคาถูกเพียง 115 เหรียญต่อตันเท่านั้น
เขากล่าวว่าสตาร์ทอัพของเขา Form Energy กำลังสร้างสรรค์แบตเตอรี่เหล็กอากาศ (Iron-Air Battery) ซึ่งสามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้อย่างต่ำคือ 100 ชั่วโมง ยาวนานกว่าแผงลิเธียมไอออนขนาดใหญ่ที่กักเก็บได้เพียงสี่ถึงหกชั่วโมงหลายเท่าตัว
“บนโลกนี้ มีเหล็กแล้วจากนั้นก็มีอื่นๆ อีกตามลำดับความมากน้อย” Jaramillo วัย 46 ปีบอกกับ Forbes “การผลิตแบตเตอรี่จากเหล็กหมายความว่าคุณจะสร้างมันให้ใหญ่แค่ไหนก็ได้ตามที่คุณต้องการ เพราะมีวัตถุดิบเหลือเฟือ”
แผนภาพอธิบายการทำงานของแบตเตอรี่เหล็กอากาศ
เพื่อสร้างมูลค่าเชิงพาณิชย์ให้กับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ดังกล่าว Form Energy ที่ตั้งอยู่ในบอสตันระดมทุนได้มากกว่า 810 ล้านเหรียญจากผู้สนับสนุนอย่าง Breakthrough Energy Ventures ของ Bill Gates, TPG และ Energy Impact Partners
แต่ Jaramillio ก็ชัดเจนว่าเขาไม่ได้พยายามจะแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซี่งเขาเชื่อว่าจะมีราคาถูกลงในสิบปีนี้ ตรงกันข้าม คู่แข่งของ Form Energy คือเครื่องผลิตพลังงานจากก๊าซธรรมชาติที่ช่วยประคองระบบโครงข่ายพลังงาน (Power Grid) เมื่อความต้องการพลังงานพุ่งสูง เช่น ยามคลื่นความร้อนเข้าจู่โจมต่อเนื่อง
Jaramillo ตั้งเป้าเข้าครองเค้กชิ้นใหญ่ในตลาดตัวกักเก็บพลังงานระดับโลกซึ่งมีมูลค่ารวม 4.3 แสนล้านเหรียญเมื่อปีที่ผ่านมา และอาจไต่ถึง 1.7 ล้านล้านเหรียญในสิบปี อ้างอิงจากประมาณการของ Global Market Insights โดยนับรวมแบตเตอรี่ต่างๆ ระบบไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ และเทคโนโลยีอื่นๆ นอกเหนือจากแบตเตอรี่
เหล่านักวิจัยต่างเดิมพันการพัฒนาระบบโครงข่ายพลังงานของสหรัฐอเมริกาเพื่อรองรับพลังงานหมุนเวียนในระดับสูงขึ้นตลอดจนเพิ่มแหล่งกักเก็บพลังงานที่ 5 ล้านล้านเหรียญสู่ 21 ล้านล้านเหรียญในอีกหลายปีและหลายทศวรรษข้างหน้านี้
เพื่อไปให้ถึงจุดนั้น Form Energy กำลังสร้างโรงงานแห่งแรกซึ่งมีมูลค่า 760 ล้านเหรียญบนพื้นที่โรงงานเหล็กเก่าในเมือง Weirton รัฐเวสต์เวอร์จิเนีย โดยทางรัฐได้สนับสนุนสิทธิประโยชน์จูงใจมูลค่าถึง 290 ล้านเหรียญ
Form Energy มุ่งหมายจัดจำหน่ายแบตเตอรี่เหล็กอากาศของพวกเขาไปยังลูกค้ากลุ่มสาธารณูปโภค ซึ่งรวมถึง Xcel Energy และ Georgia Power ภายในปี 2025
กักเก็บพลังงานสำหรับวันเมฆมาก ไร้กระแสลม
ความพยายามไปถึงเป้าหมายระดับนานาชาติในการผลิตพลังงานสะอาด 100% ภายในปี 2035 ส่งผลให้โรงงานพลังงานแสงอาทิตย์และกังหันลมผุดขึ้นเป็นดอกเห็ดทั่วประเทศ
แต่พระอาทิตย์มิได้ส่องแสงตลอดเวลา เฉกเช่นสายลมที่มิได้พัดพาทุกชั่วยาม ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องกักเก็บพลังงานเมื่อผลิตเกินเพื่อให้เพียงพอต่อการใช้งานตอนที่ผลิตได้น้อยลง
แบตเตอรี่ไม่ใช่ตัวเลือกเพียงอย่างเดียว แต่แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้ทุกที่ ต่างจากตัวเลือกอื่นๆ ที่มีราคาถูกเหมือนกันอย่างระบบไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบกลับ (โดยใช้พลังงานส่วนเกินสูบน้ำขึ้นไปกักเก็บไว้ในอ่างเก็บน้ำที่ตั้งอยู่สูงก่อนจะปล่อยน้ำลงมายังอีกอ่างที่อยู่ต่ำกว่าเพื่อหมุนกังหันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า)
หรือไม่ก็การอัดอากาศ (ซึ่งใช้พลังงานส่วนเกิดอัดอากาศเข้าไปในแหล่งก๊าซธรรมชาติอันว่างเปล่าหรืออุโมงค์ใต้ดิน แล้วจึงปล่อยสู่เครื่องกำเนิดพลังงานในภายหลัง)
ย้อนกลับมาที่แบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนถือเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้กันมากที่สุดในการผลิตอุปกรณ์กักเก็บพลังงานชนิดนี้
Energy Information Administration ซึ่งเป็นหน่วยงานสถิติเกี่ยวกับพลังงานของสหรัฐฯ ได้คาดการณ์ว่า ณ สิ้นปี 2022 ประเทศแห่งนี้มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ใช้กักเก็บพลังงาน 22.4 กิกะวัตต์ชั่วโมงซึ่งแทบทั้งหมดเป็นลิเธียมไอออน โดยแคลิฟอร์เนียและเท็กซัสเป็นผู้นำการติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าว ซึ่งสำรองพลังงานเพียงพอสำหรับเกือบ 20 ล้านครัวเรือน การขยายระบบแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วนี้เองคือหนึ่งในเหตุผลที่ทั้งสองรัฐสามารถรับมือกับคลื่นความร้อนของปีนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
“แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถจัดหาและนำมาติดตั้งได้ง่าย ซึ่งเป็นวิธีการแก้ปัญหาในปัจจุบัน แต่ผมยังไม่เชื่อว่ามันจะเป็นวิธีการแก้ปัญหาในระยะยาว” Michael Webber ผู้เชี่ยวชาญด้านพลังงานและศาสตราจารย์มหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน กล่าว “ปัญหาที่เรากำลังเผชิญกันในขณะนี้เมื่อไม่มีลมพัดหรือท้องฟ้ามีเมฆมากติดต่อกันหลายวัน”
Webber ยังดำรงตำแหน่งประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีแห่ง Energy Impact Partners ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ลงทุนใน Form Energy เขาเผยว่าสาธารณูปโภคส่วนใหญ่มีการปรับแบตเตอรี่ให้เข้ากับโครงข่ายพลังงานในช่วงเวลา 4 โมงเย็นถึงสองทุ่ม ซึ่งเป็นเวลาที่ความต้องการของผู้บริโภคพุ่งสูง และการผลิตพลังงานหมุนเวียนลดลง
ลิเธียมไอออนเหมาะสมมากสำหรับกรณีนี้เนื่องจากว่ามันสามารถจ่ายพลังงานที่กักเก็บไว้ไปยังลูกค้าได้อย่างรวดเร็ว แต่ระบบโครงข่ายก็จำเป็นต้องมีตัวเลือกแหล่งพลังงานระยะยาว
“ที่ผมกำลังคิดอยู่คือร่างกายของเรามีกล้ามเนื้อหดตัวเร็วและหดตัวช้า โดยกล้ามเนื้อบางส่วนเหมาะสำหรับการวิ่งเร็วในระยะสั้น ในขณะที่บางส่วนเหมาะสำหรับความทนทาน ลิเธียมไอออนเปรียบได้กับกล้ามเนื้อหดตัวเร็วที่ยอดเยี่ยมต่อการตอบสนองฉับพลัน แต่ ณ จุดหนึ่งเมื่อคุณหมดแรงและจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้กล้ามเนื้อสำหรับการวิ่งมาราธอน ซึ่งต่างออกไปโดยสิ้นเชิง” เขาอธิบาย
Form Energy กำลังสร้างโรงงานขึ้นที่เมือง Weirton
แบตเตอรี่ VS ก๊าซธรรมชาติ
ระบบของ Form Energy หมายมั่นแข่งขันกับโรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ ซึ่งดีต่อการยกระดับการผลิตพลังงานไฟฟ้าเพื่อตอบสนองรูปแบบความต้องการในแต่ละวันซึ่งมักมีการเปลี่ยนแปลงบ่อยครั้ง ทั้งยังเป็นวิธีการหลักที่น่าเชื่อถือในตอนนี้
ต้องการพลังงานมากขึ้นหรือ? ก็เผาก๊าซให้มากขึ้นเสียสิ เพื่อที่จะบรรลุเป้าหมาย Form Energy จำเป็นต้องมีระบบที่ปลอดภัยและราคาถูกเพื่อให้สามารถประชันด้านราคากับโรงงานไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติ ทั้งยังต้องคำนึงถึงลดการปล่อยคาร์บอนด้วยเช่นกัน
เป้าหมายที่ทางบริษัทไว้คือการผลิตแบตเตอรี่ราคา 20 เหรียญต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งใกล้เคียงกับราคาในการดำเนินการระบบก๊าซธรรมชาติ (นอกจากนี้ยังใช้เงินราว 300 ล้านเหรียญเพื่อตั้งโรงงาน) เทียบกันแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนปัจจุบันราคาราว 150 เหรียญต่อกิโลวัตตต์ต่อชั่วโมง แม้ราคาดังกล่าวอาจตกลงถึง 50% หรือมากกว่าภายในสิบปี
Halle Cheeseman ให้ความเห็นว่า ระบบแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ยาวนานมูลค่า 20 เหรียญต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงจะเป็นที่ล่อตาล่อใจบรรดาสาธารณูปโภคต่างๆ เขาเป็นผู้อำนวยการโครงการแผนกพลังงานแห่ง Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) ซึ่งดูแลทุนสนับสนุนจากรัฐบาลสำหรับเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานแห่งอนาคต (ก่อนหน้านี้ Form Energy ได้รับเงินรางวัล 2.9 ล้านเหรียญในปี 2019 ด้วยระบบกักเก็บพลังงานจากกำมะถันที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ ทว่าพวกเขากลับเลิกสนใจเทคโนโลยีนี้ในปี 2021)
แต่นั่นก็ยังขึ้นกับว่าแบตเตอรี่ของ Form Energy จะคงอยู่ได้นานเพียงใด ทางบริษัทคิดว่าน่าจะใช้งานได้กว่า 10 ปี ส่วน Jaramillo เชื่อว่ามันสามารถมีอายุการใช้งานถึง 20 ปีเลยทีเดียว
“เมื่อพูดกว้างๆ เกี่ยวกับแบตเตอรี่ โดยเฉพาะแบตเตอรี่ที่ชาร์จใหม่ได้ ต่างก็มีระบบที่ไม่เสถียรในเชิงอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic) คุณเอาระบบพวกนี้มาใช้ด้วยกันแล้วคุณภาพของมันจะค่อยๆ ตกลง” นักวิทยาศาสตร์ผู้วิจัยแบตเตอรี่ Robert Kostecki ผู้อำนวยการฝ่ายการกักเก็บพลังงานแห่ง Lawrence Berkeley National Laboratory กล่าว
เขาตั้งคำถามว่า “คุณจะรับมือกับปรากฏการณ์เสื่อมคุณภาพที่เกิดขึ้นได้ดีแค่ไหนด้วยความรู้ทางเคมีที่มีอาจจะมีอยู่? คุณอาจมีองค์ประกอบราคาถูก แต่หากมันเสื่อมไวเกินไป เมื่อคำนวณค่าใช้จ่ายรวมทั้งหมดแล้วคุณต้องหนาวแน่ๆ”
เหล็กและอากาศ
สิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่เหล็กอากาศราคาถูกกว่าหลายเท่าคือวิธีการทำงานและการผลิตจากวัสดุราคาประหยัด
“โดยพื้นฐานแล้ว มันคือแบตเตอรี่บนหลักการเกิดสนิม เหล็กเป็นแอโนด อากาศเป็นแคโทด” Cheeseman กล่าว “ในแง่ค่าใช้จ่ายพื้นฐานแล้ว เป็นเรื่องยากที่จะหาวัตถุดิบราคาถูกกว่าเหล็กและอากาศ”
การทำงานของแบตเตอรี่คร่าวๆ เริ่มจากจุ่มแผ่นโลหะมีรูพรุนลงในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งจะก่อให้เกิดวงจรไฟฟ้าเคมีที่ทางบริษัทเรียกว่าเป็นการ “พลิกกลับ” กระบวนการเกิดสนิม เมื่อมันปล่อยกระแสไฟฟ้าออกมา แบตเตอรี่จะซึมซับออกซิเจนจากอากาศและเปลี่ยนโลหะอย่างเหล็กเป็นสนิม
ณ ขณะชาร์จ กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าไปจะเปลี่ยนสนิมกลับเป็นโลหะ และแบตเตอรี่ก็จะปล่อยออกซิเจนออกมา ทว่าโลหะไม่ได้หายไปในกระบวนการ ทำให้แบตเตอรี่ชนิดนี้ทนทานอย่างยิ่ง
แบตเตอรี่เหล็กอากาศไม่สามารถผลิตให้มีขนาดเล็กเท่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ อย่างไรก็ดีพวกมันถูกออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์กักเก็บพลังงานขนาดใหญ่อยู่แล้ว ไม่ใช่รถยนต์ ประเด็นนี้จึงไม่เป็นปัญหา
แผงแบตเตอรี่ของ Form Energy ซึ่งเต็มไปด้วยเซลล์แบตเตอรี่หลายชิ้นจะถูกจัดใส่ในบรรจุภัณฑ์ปิดขนาด 40 ฟุตและกักเก็บพลังงานไฟฟ้า 5 เมกะวัตต์ซึ่งมากพอจะจ่ายให้ 3,750 ครัวเรือน ความเสี่ยงเรื่องอันตรายจากไฟมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จึงสามารถเรียงแบตเตอรี่เหล่านี้ไว้ข้างกันหรือจัดเป็นชั้นก็ได้
เหล็กอากาศคือหนึ่งในความเป็นไปได้ทางเคมีที่บรรดานักวิทยาศาสตร์และสตาร์ทอัพพร้อมใช้งานเพื่อสำรองไฟฟ้าไว้ใช้ในระยะเวลาที่ยาวนานยิ่งขึ้น เทคโนโลยีอื่นๆ เช่น แบตเตอรี่ไหล (Flow Battery) ซึ่งมีหลักการทำงานคือ การปั๊มส่วนประกอบทางเคมีที่ละลายในของเหลวผ่านแผ่นกั้นแต่ละฝั่งซึ่งส่วนใหญ่มักทำจากธาตุวาเนเดียม ทว่าผู้ผลิตแบตเตอรี่ไหล ESS คู่แข่งของ Form Energy เลือกจะใช้วัสดุอื่นที่พวกเขามองว่าส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า
แบตเตอรี่จากโซเดียมและสังกะสีก็ดูมีอนาคตเช่นกัน ณ ตอนนี้ผู้วิจัยพัฒนาแบตเตอรี่จากโซเดียมและสังกะสีต่างเผยว่าผลงานของพวกเขาสามารถสำรองพลังงานได้นานราว 12 ชั่วโมง แต่ก็ยังน้อยกว่าเป้าหมาย 100 ชั่วโมงของ Form Energy ไปไกลมาก
แต่การจะผลิตแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงขนาดนั้นด้วยค่าใช้จ่ายเหมือนจะเป็นเรื่องท้าทายสำหรับ Kostecki แห่ง Berkeley Lab พิจารณาจากที่ยังไม่มีการพิสูจน์อายุการใช้งานในโลกจริง
เขาเผยว่า “เรื่องใหญ่ที่เรากังวลกันเกี่ยวกับทุกๆ ระบบ ไม่ว่าจะลิเธียมไอออน วาเนเดียม สังกะสี หรือเหล็กอากาศ คือการที่ค่าใช้จ่ายแพงขึ้น 3 เท่าหากต้องการให้มีคุณภาพสูงสุด ซึ่งราคานี้เป็นราคาต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อรอบชาร์จ” โดยเทียบกับก๊าซธรรมชาติและระบบกักเก็บพลังงานแบบดั้งเดิมที่ไม่ใช่แบตเตอรี่
Mateo Jaramillo ซีอีโอแห่ง Form Energy ในพิธีวางศิลาฤกษ์ตั้งโรงงานใหม่
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบใหม่อาจเก็บพลังงานได้ยาวนานว่าแบบปัจจุบันที่มีอยู่ในท้องตลาด Taylor Kelly หัวหน้าด้านเทคนิคอาวุโสแห่ง Electric Power Research Institute (EPRI) กล่าว
“ลิเธียมไอออนที่ใช้กันมาตลอดนั้นเก็บพลังงานได้สี่ชั่วโมง พวกเขาจึงมักออกแบบการทำงานให้เป็นดังนั้น” เธอเล่า แต่ในการประมูลล่าสุดของ California Energy Commission เพื่อสรรหาระบบกักเก็บพลังงาน 10 ชั่วโมง “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคว้าชัยชนะไป” เธอว่า “ดังเราจะเห็นว่าแบตเตอรี่ชนิดนี้ยังขยายขอบเขตอายุการใช้งานได้อีก”
ด้วยเงินทุนที่ได้มาและการเปลี่ยนสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ในอีก 18 เดือนข้างหน้า Jaramillo เชื่อว่า Form Energy พร้อมจะเข้าแข่งขันในตลาดแบตเตอรี่อายุการใช้งานยืนยาวแล้ว แต่ Kostecki ยังไม่สามารถบอกได้ว่าแบตเตอรี่ชนิดใดจะกลายมาเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด
“แน่นอนว่าเราไม่รู้เลย แม้จะรู้สึกฮึกเหิมที่ได้เห็นทุกคนก้าวหน้าและเริ่มแก้ปัญหาเรื่องเคมีและการผลิตกันแล้วก็ตาม” เขากล่าว “แต่เราจะไปถึงระดับเทระวัตต์กันได้ไหม? พวกเราเองก็ยังไม่อาจคาดเดาได้ในตอนนี้”
แปลและเรียบเรียงจาก Iron And Rust Could Be The Secret To Storing Clean Power For Days ซึ่งเผยแพร่บน Forbes
อ่านเพิ่มเติม : นารายณ์ ฮอสพิทาลิตี้ กรุ๊ป เปิดตัว “หลับดี” 3 ที่พักใหม่ในโอซาก้า ประเทศญี่ปุ่น เกาะเต่าและย่านไชน่าทาวน์ ใจกลางกรุงเทพ
ไม่พลาดบทความและเรื่องราวน่าสนใจอื่นๆ ติดตามเราได้ที่เฟซบุ๊ก Forbes Thailand Magazine
