สมดุลอุปสงค์อุปทาน Solar cell ตามแบบจำลอง “กราฟเป็ด (Duck chart)”

จากการเติบโตอย่างต่อเนื่องของอุตสาหกรรมด้านพลังงานทดแทนเช่น พลังงานลม พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานน้ำ และพลังงานแสงอาทิตย์ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการตระหนักถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของโลกจากการผลิตไฟฟ้าด้วยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหิน อีกทั้งการดำเนินการตามข้อตกลงร่วมปารีส [1] ของนานาประเทศที่มีจุดประสงค์ในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ เพื่อลดอุณหภูมิของโลกให้ต่ำกว่า 2 องศาเซลเซียส เหนืออุณหภูมิของโลกก่อนยุคการปฏิวัติอุตสาหกรรม

ในส่วนของพลังงานแสงอาทิตย์หรือ Solar cell มีอัตราการเติบโตที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับพลังงานทดแทนอื่นๆ [2,3] ส่วนหนึ่งเป็นผลของราคาอุปกรณ์แผง Solar cell ที่ถูกลงอย่างต่อเนื่องตลอดหลายปีที่ผ่านมา หรือการปรับเปลี่ยนนโยบายพลังงานของภาครัฐในประเทศต่างๆ การติดตั้งแผง Solar cell จึงเป็นที่แพร่หลายทั่วโลก หนึ่งในตัวอย่างการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ที่เห็นได้ชัดเจนและมีการเก็บข้อมูลการใช้งานอย่างเป็นระบบคือที่รัฐแคลิฟอร์เนีย ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยปีที่ผ่านมาการผลิตไฟฟ้าจาก Solar cell ในรัฐนี้ได้เพิ่มสูงขึ้นถึงกว่า 30% ของทั้งระบบการผลิตไฟฟ้า แต่อย่างไรก็ตามหน่วยงานที่เกี่ยวข้องด้านพลังงานของรัฐแคลิฟอร์เนีย California Independent System Operator (CISO) ได้นำเสนอข้อจำกัดที่จะเกิดขึ้นต่อระบบการผลิตไฟฟ้าทั้งระบบจากการเติบโตของพลังงานแสงอาทิตย์ โดย CISO ได้นำเสนอข้อมูลในรูปแบบของกราฟข้อมูลการใช้งานไฟฟ้าสุทธิ(Net load)ภายในหนึ่งวัน(รูปภาพที่ 1)ที่มีลักษณะคล้ายเป็ด (Duck chart) [4]

รูปภาพที่ 1. กราฟข้อมูลแสดงแนวโน้มการใช้งานไฟฟ้าสุทธิ(Net load)ภายในหนึ่งวันจากปี 2012 ถึง 2020 แสดงให้เห็นถึงลักษณะที่คล้ายกับเป็ด จึงถูกเรียกว่า Duck chart [4]

Net load คือผลต่างระหว่างปริมาณการใช้งานที่คาดการณ์ไว้(forecasted load)กับปริมาณการผลิตไฟฟ้าที่คาดหวังจากกระบวนการผลิตต่างๆ (expected electricity production) [4] ความต้องการการใช้ไฟฟ้าในแต่ละวันของมนุษย์เรานั้นแตกต่างไปตามช่วงเวลา โดยอัตราการใช้ไฟฟ้าในช่วงกลางคืนจะต่ำกว่าช่วงกลางวันอย่างชัดเจน ค่า Net load เริ่มเพิ่มขึ้นในช่วงเช้าเวลาประมาณ 4.00 เมื่อเราตื่นมาทำกิจวัตรประจำวัน ก่อนที่ค่า Net load นั้นจะลดลงอย่างมากในช่วง 7.00 เมื่อการผลิตกระแสไฟฟ้าจาก Solar cell เริ่มจ่ายเข้าสู่ระบบจนถึงช่วงเวลา 16.00 เมื่อ Net load นั้นเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจากความต้องการการใช้ไฟฟ้าในแต่ละครัวเรือนและค่อยๆลดลงอีกครั้งก่อนที่จะวนเข้าสู่เช้าวันใหม่ ช่วงที่กระแสไฟฟ้าถูกผลิตโดย Solar cell อย่างหนักจนทำให้ Net load ลดลงมากในเวลากลางวันก็เปรียบเสมือนบริเวณท้องของเป็ดและการเพิ่มขึ้นของ Net load ในเวลาเย็นก็เปรียบเสมือนคอของเป็ด นี่จึงเป็นที่มาของการเรียกกราฟนี้ว่า Duck chart

จากการคาดการณ์ของ CISO ส่วนท้องของกราฟเป็ดมีแนวโน้มที่จะลดลงอย่างต่อเนื่องทุกปีอย่างมีนัยสำคัญต่อการเติบโตขึ้นของพลังงานแสงอาทิตย์ ทำให้ปริมาณความต้องการการใช้ไฟฟ้าในช่วงเย็นหรือช่วงคอของเป็ดในกราฟนั้นเพิ่มสูงขึ้น สิ่งนี้เองที่ทำให้หน่วยงานดังกล่าวแสดงความกังวลต่อการจ่ายไฟฟ้าจากแหล่งผลิตต่างๆทั้งระบบในอนาคต ทั้งนี้การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนยังคงต้องการการสนับสนุนจากแหล่งเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลอยู่ เพราะพลังงานแสงอาทิตย์ หรือพลังงานจากลมก็ดีไม่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ตลอดเวลาตามสภาพอากาศที่แตกต่างกันไปของวันและฤดูกาล การที่จะเพิ่มอัตราการผลิตของเชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อนำมาทดแทนในช่วงเวลาที่มีความต้องการการใช้ไฟฟ้าที่เพิ่มสูงขึ้นในแต่ละวันนั้นไม่สามารถทำได้โดยฉับพลัน เพราะการผลิตไฟฟ้าจากการเผาไหม้ต้องใช้ระยะเวลาในการผลิตก่อนที่จะได้ปริมาณการผลิตตามที่ต้องการ ในทางตรงกันข้ามหากการผลิตไฟฟ้าทั้งระบบถูกกำหนดไว้เพื่อบรรลุปริมาณความต้องการสูงสุดก็จะนำไปสู่ปัญหาการผลิตเกินค่าปริมาณการใช้ไฟฟ้าจริง จากการศึกษากราฟนี้ทำให้เกิดการตระหนักถึงความเสี่ยงต่อการผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เกินกว่าความจำเป็นเข้าสู่ระบบ ซึ่งจะนำไปสู่การลดลงของราคาต้นทุนต่อหน่วยการผลิตไฟฟ้าจาก Solar cell ส่งผลให้เกิดการหดตัวของอุตสาหกรรมพลังงานทดแทนในรูปแบบดังกล่าว

ดังนั้นแล้วการควบคุมการผลิตกระแสไฟฟ้าต่อการบริโภคจึงมีความสำคัญกับระบบการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทนอย่างยิ่ง โดยทั้งระบบของการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแหล่งต่างๆต้องสามารถลองรับการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันต่อความต้องการการใช้ไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกหนึ่งทางเลือกคือการจัดเก็บกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ในปริมาณมากภายในช่วงเวลากลางวันจาก Solar cell เพื่อนำไปใช้ในช่วงที่มีการใช้งานสูงในช่วงเย็น ทั้งนี้เทคโนโลยีแบตเตอรี่เพื่อจัดเก็บไฟฟ้าในปัจจุบันได้แสดงให้เห็นแล้วว่ากระแสไฟฟ้าที่ถูกจัดเก็บในปริมาณที่มากพอสามารถสนับสนุนการจ่ายกระแสไฟฟ้าของเมืองได้ เมื่อการผลิตกระแสไฟฟ้าหลักประสบกับปัญหาและทำให้ปริมาณการผลิตลดลง [5]

แบบจำลอง Duck chart นี่อาจเป็นประโยชน์ต่อแนวทางการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานทดแทนในประเทศไทย ซึ่งเป็นหนึ่งในประเทศที่อุตสาหกรรมพลังงานทดแทนมีอัตราการเติบโตสูง ทั้งนี้เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการใช้ประโยชน์จากพลังงานทดแทน แต่อย่างไรก็ตามการนำมาประยุกต์ใช้ยังต้องคำนึงถึงสภาพแวดล้อมทั้งภูมิประเทศ ภูมิอากาศและรูปแบบการบริโภคการใช้ไฟฟ้าที่แตกต่างไปจากแบบจำลองนี้อีกด้วย

อ้างอิง

[1] “Paris agreement”, United Nation, 2015. (http://unfccc.int/paris_agreement/items/9485.php)

[2]  “Renewables 2017”, International energy agency (IEA), 2017. (https://www.iea.org/publications/renewables2017/)

[3] “A record year for renewable energy”, R. Rapier, Forbes, 2016. (https://www.forbes.com/sites/rrapier/2016/06/03/a-record-year-for-renewable-energy/#317827106c90)

[4] “Flexible resource to help renewables - Fast fact”, California ISO, 2016. (http://www.caiso.com/Documents/FlexibleResourcesHelpRenewables_FastFacts.pdf)

[5] http://www.independent.co.uk/news/world/australasia/tesla-mega-battery-south-australia-outage-reaction-time-hornsdale-power-reserve-a8130986.html