พลังงานแสงอาทิตย์และการหลอมด้วยการเหนี่ยวนำ: แนวทางปฏิบัติที่เป็นรูปธรรมสู่การผลิตโลหะปลอดคาร์บอน

พลังงานแสงอาทิตย์และการหลอมด้วยการเหนี่ยวนำ: แนวทางปฏิบัติที่เป็นรูปธรรมสู่การผลิตโลหะปลอดคาร์บอน

การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำไฟฟ้าเป็นหนึ่งในวิธีการหลอมโลหะที่สะอาดที่สุดอยู่แล้ว การเพิ่มพลังงานแสงอาทิตย์เข้าไปจะช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการหลอมลงเหลือเกือบศูนย์ การผสมผสานนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่ทางวิทยาศาสตร์ โรงหล่อหลายแห่งในตะวันออกกลาง ทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา และมองโกเลียใน กำลังใช้งานเตาหลอมแบบเหนี่ยวนำไฟฟ้าด้วยพลังงานแสงอาทิตย์และระบบจัดเก็บแบตเตอรี่ และเริ่มเห็นความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการใช้งานในระดับสูงแล้ว ผมจะอธิบายถึงวิธีการทำงานของระบบ ต้นทุนและผลประโยชน์ และทิศทางของเทคโนโลยีในอนาคต

เหตุใดระบบเหนี่ยวนำไฟฟ้า + พลังงานแสงอาทิตย์จึงได้ผล

การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำนั้นเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้พลังงานหมุนเวียน เนื่องจากภาระที่ใช้เป็นเพียงกระแสไฟฟ้า ความต้องการพลังงานสามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็ว และอ่างหลอมมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับการลดลงของพลังงานในช่วงสั้นๆ โดยไม่ส่งผลกระทบต่อโลหะหลอมเหลว การรวมกันของคุณลักษณะเหล่านี้ทำให้การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำเป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมแรกที่สามารถลดการปล่อยคาร์บอนในระดับใหญ่ได้ด้วยพลังงานหมุนเวียน

เตาหลอมแบบเหนี่ยวนำใช้กำลังไฟฟ้าแปรผันตามขั้นตอนการหลอม ขณะหลอมโลหะเย็นจะใช้กำลังไฟฟ้า 100 เปอร์เซ็นต์ของกำลังไฟฟ้าที่กำหนด ขณะหลอมจะใช้ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ และขณะคงอุณหภูมิจะใช้ 50 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ โดยเฉลี่ยแล้วกำลังไฟฟ้าที่ใช้ตลอดกระบวนการหลอมจะอยู่ที่ 60 ถึง 75 เปอร์เซ็นต์ของกำลังไฟฟ้าที่กำหนด โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีแบตเตอรี่สำรองสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยได้ และแบตเตอรี่สำรองจะช่วยรับมือกับความผันผวนในระยะสั้น

ขนาดของฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับกำลังของเตาหลอมและชั่วโมงการทำงาน เตาหลอมเหนี่ยวนำขนาด 5 เมกะวัตต์ที่ทำงาน 6,000 ชั่วโมงต่อปีจะใช้ไฟฟ้า 30 กิกะวัตต์ชั่วโมง ซึ่งต้องใช้กำลังการผลิตจากแผงโซลาร์เซลล์ประมาณ 40 เมกะวัตต์ (โดยสมมติว่าปัจจัยกำลังการผลิต 20 เปอร์เซ็นต์) บวกกับแบตเตอรี่สำรองอีก 5 ถึง 10 เมกะวัตต์ชั่วโมงสำหรับการปรับความสม่ำเสมอของพลังงาน

สถาปัตยกรรมระบบ

โครงสร้างมาตรฐานสำหรับระบบหลอมโลหะด้วยการเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์มีดังนี้:

1. แผงโซลาร์เซลล์: ขนาด 30 ถึง 50 เมกะวัตต์ ประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์แบบติดตามแกนเดียว ออกแบบมาเพื่อผลิตพลังงานให้เพียงพอต่อความต้องการประจำปี โดยมีอัตราการใช้กำลังการผลิตอยู่ที่ 25 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์

2. ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS): แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) ขนาด 10 ถึง 30 เมกะวัตต์ชั่วโมง (MWh) ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการทำงานเต็มกำลังเป็นเวลา 2 ถึง 4 ชั่วโมง และเพื่อช่วยปรับเสถียรภาพของกำลังการผลิตจากแผงโซลาร์เซลล์

3. ระบบแปลงพลังงาน: อินเวอร์เตอร์แบบสองทิศทางขนาด 5 ถึง 10 เมกะวัตต์ ที่เชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์และระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่เข้ากับบัสของเตาหลอมเหนี่ยวนำ

4. เตาเหนี่ยวนำ: เตาเหนี่ยวนำความถี่กลางที่มีอยู่เดิมหรือเตาเหนี่ยวนำความถี่กลางใหม่ พร้อมระบบควบคุมที่ปรับอัตราการเผาไหม้ตามกำลังไฟฟ้าที่มีอยู่

5. การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า: การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าเป็นทางเลือกเสริม เพื่อให้พลังงานสำรองเมื่อพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงพอ (วันที่มีเมฆมาก คืนในฤดูหนาว)

ระบบควบคุมเป็นหัวใจสำคัญของการติดตั้ง ระบบจะตรวจสอบกำลังการผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ ระดับประจุของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ และความพร้อมใช้งานของไฟฟ้าจากโครงข่าย และจะปรับอัตราการเผาไหม้ของเตาเผาเพื่อให้ได้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์สูงสุด ในวันที่แดดจัด เตาเผาจะทำงานเต็มกำลัง ในวันที่เมฆมาก เตาเผาจะทำงานที่กำลัง 50 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ และระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่จะจ่ายไฟในช่วงสูงสุด ในเวลากลางคืน เตาเผาจะทำงานโดยใช้พลังงานจากระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่หรือจากโครงข่ายไฟฟ้า

เศรษฐศาสตร์ของระบบนี้ขึ้นอยู่กับต้นทุนสัมพัทธ์ของพลังงานแสงอาทิตย์ การจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ และพลังงานจากสายส่ง ในตลาดที่มีทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์อุดมสมบูรณ์และพลังงานจากสายส่งมีราคาแพง (ตะวันออกกลาง ทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา และบางส่วนของแอฟริกา) ต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยของไฟฟ้าจากระบบพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมระบบจัดเก็บพลังงานอยู่ที่ 0.05 ถึง 0.08 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งสามารถแข่งขันได้กับพลังงานจากสายส่งที่ 0.08 ถึง 0.15 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง ระยะเวลาคืนทุนของระบบพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมระบบจัดเก็บพลังงานอยู่ที่ 5 ถึง 8 ปีในตลาดเหล่านี้

ประสบการณ์การปฏิบัติงาน

MONTE INTELLIGENCE ได้ร่วมงานกับโรงหล่อหลายแห่งในการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับระบบเหนี่ยวนำ และประสบการณ์การใช้งานเป็นไปในเชิงบวก บทเรียนสำคัญจากโครงการติดตั้งเหล่านี้ ได้แก่:

ประการแรก การประเมินทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์มีความสำคัญอย่างยิ่ง ผลผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ต่อปีอาจแตกต่างกันถึง 20-30 เปอร์เซ็นต์ในพื้นที่ที่ดูคล้ายกันในทางทฤษฎี การประเมินทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์อย่างละเอียดโดยใช้การวัดภาคสนามเป็นเวลา 12-24 เดือนจึงเป็นสิ่งจำเป็นก่อนที่จะกำหนดขนาดของแผงโซลาร์เซลล์และระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS)

ประการที่สอง ระบบควบคุมเตาเหนี่ยวนำต้องได้รับการปรับเปลี่ยนเพื่อให้รองรับค่ากำลังไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงได้ ระบบควบคุมเตามาตรฐานคาดหวังอินพุตที่คงที่ และอินพุตที่เปลี่ยนแปลงได้นั้นต้องการตรรกะเพิ่มเติมเพื่อจัดการขั้นตอนการหลอม (ซึ่งใช้พลังงานมากที่สุด) และขั้นตอนการคงอุณหภูมิ (ซึ่งมีความยืดหยุ่นมากที่สุด)

ประการที่สาม การกำหนดขนาดของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) เป็นการประนีประนอมระหว่างต้นทุนการลงทุนและความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน ระบบ BESS ขนาด 2 ชั่วโมง (10 เมกะวัตต์ชั่วโมง สำหรับเตาหลอมขนาด 5 เมกะวัตต์) สามารถรองรับวันที่ฟ้าครึ้มส่วนใหญ่ได้ ในขณะที่ระบบ BESS ขนาด 4 ชั่วโมง (20 เมกะวัตต์ชั่วโมง) สามารถรองรับการทำงานในเวลากลางคืนส่วนใหญ่ได้ แต่ต้นทุนการลงทุนจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยประมาณ

ประการที่สี่ การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นในฐานะระบบสำรอง ระบบพลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวจะมีปัญหาเรื่องความพร้อมใช้งานในช่วงที่มีเมฆมากเป็นเวลานานและในช่วงฤดูหนาว การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าช่วยให้เครื่องทำความร้อนทำงานได้อย่างต่อเนื่อง โดยระบบพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) จะครอบคลุมพลังงานประจำปีได้ 60 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์

ทิศทางของเทคโนโลยีในอนาคต

แนวโน้มหลายประการจะเร่งการนำระบบพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับแบตเตอรี่เหนี่ยวนำมาใช้ในช่วง 5-10 ปีข้างหน้า ประการแรก ต้นทุนของแบตเตอรี่ LFP ลดลง 10-15 เปอร์เซ็นต์ต่อปี และความหนาแน่นของพลังงานก็ดีขึ้น ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ขนาด 20 MWh ที่มีราคา 8 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2024 จะมีราคา 4-5 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2028

ประการที่สอง ต้นทุนของแผงโซลาร์เซลล์ก็ลดลงเช่นกัน แม้ว่าจะลดลงในอัตราที่ช้าลงก็ตาม แผงโซลาร์เซลล์แบบติดตามแกนเดียวขนาด 40 เมกะวัตต์ ที่มีราคา 25 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2024 จะมีราคา 18 ถึง 20 ล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2028

ประการที่สาม ต้นทุนค่าไฟฟ้าจากระบบสายส่งในหลายตลาดกำลังเพิ่มสูงขึ้น เนื่องจากมาตรการกำหนดราคาคาร์บอนและมาตรฐานการใช้พลังงานหมุนเวียนส่งผลให้ต้นทุนค่าไฟฟ้าขายส่งสูงขึ้น ในสหภาพยุโรป ต้นทุนคาร์บอนตามโครงการ CBAM จะเพิ่มราคาไฟฟ้า 30 ถึง 80 ดอลลาร์สหรัฐต่อตันของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงปี 2026 ถึง 2030 ซึ่งคิดเป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม 0.02 ถึง 0.05 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงในบิลค่าไฟฟ้า

ประการที่สี่ เทคโนโลยีการหลอมด้วยการเหนี่ยวนำแบบปรับกำลังไฟฟ้าได้กำลังพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ปัจจุบันผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์หลายรายนำเสนออินเวอร์เตอร์แบบติดตามโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งสามารถปรับอัตราการเผาไหม้ได้ในระดับมิลลิวินาทีเพื่อให้ตรงกับพลังงานหมุนเวียนที่มีอยู่ MONTE INTELLIGENCE กำลังผสานรวมอินเวอร์เตอร์เหล่านี้เข้ากับการออกแบบเตาหลอมมาตรฐานของบริษัท

ข้อจำกัดและข้อแลกเปลี่ยน

แนวทางพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับระบบเหนี่ยวนำมีข้อจำกัด ประการแรก ทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับฤดูกาลและสภาพอากาศ แผงโซลาร์เซลล์ขนาด 40 เมกะวัตต์ในมองโกเลียในผลิตพลังงานได้มากกว่าในฤดูร้อน 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับฤดูหนาว และช่วงที่มีเมฆมากหลายวันอาจทำให้ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) หมดพลังงานได้ การเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง

ประการที่สอง ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) มีต้นทุนการลงทุนสูงมาก เตาหลอมเหนี่ยวนำขนาด 5 เมกะวัตต์ที่ใช้งานร่วมกับ BESS เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ต้องใช้แบตเตอรี่ขนาด 20 เมกะวัตต์ชั่วโมง ซึ่งมีราคาประมาณ 8 ถึง 12 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2024 นอกจากนี้ BESS ยังเสื่อมสภาพได้ แบตเตอรี่ชนิด LFP โดยทั่วไปมีอายุการใช้งาน 10 ถึง 15 ปี และค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนใหม่จะอยู่ที่ 60 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ของราคาเดิม

ประการที่สาม เตาเหนี่ยวนำไฟฟ้ามีระดับกำลังไฟฟ้าขั้นต่ำที่เสถียร โดยทั่วไปอยู่ที่ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของกำลังไฟฟ้าที่กำหนด ระบบ PV-plus-BESS ต้องจ่ายพลังงานอย่างน้อยในระดับขั้นต่ำนี้ มิฉะนั้นเตาจะต้องถูกปิด ในช่วงที่มีแสงแดดน้อย เตาจะทำงานที่ระดับกำลังไฟฟ้าขั้นต่ำจนกว่าปริมาณแสงแดดจะกลับมาเพียงพอ

แม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ แต่แนวทางพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับระบบเหนี่ยวนำก็เป็นเส้นทางที่ปฏิบัติได้จริงที่สุดสำหรับการผลิตโลหะแบบลดการปล่อยคาร์บอนในอีก 10 ถึง 20 ปีข้างหน้า เทคโนโลยีมีอยู่แล้ว เศรษฐกิจกำลังดีขึ้น และประสบการณ์การใช้งานก็เป็นไปในเชิงบวก MONTE INTELLIGENCE มุ่งมั่นที่จะสนับสนุนการเปลี่ยนแปลงนี้ด้วยการออกแบบระบบแบบบูรณาการและการสนับสนุนการดำเนินงาน

ติดต่อ MONTE INTELLIGENCE เพื่อสอบถามข้อมูลเกี่ยวกับการหลอมโลหะด้วยระบบเหนี่ยวนำพลังงานแสงอาทิตย์

สำหรับผู้ซื้อที่กำลังพิจารณาติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับเตาเหนี่ยวนำ MONTE INTELLIGENCE engineering สามารถจำลองขนาดระบบ ต้นทุนการดำเนินงาน และการประหยัดคาร์บอนสำหรับสถานที่และลักษณะการใช้งานเฉพาะได้ แบบจำลองนี้รวมถึงการประเมินทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์ การกำหนดขนาดระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) การปรับเปลี่ยนการควบคุมเตา และข้อกำหนดการสำรองไฟจากโครงข่ายไฟฟ้า เยี่ยมชมเว็บไซต์ของเราwww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html สำหรับข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์และกรณีศึกษา หากต้องการพูดคุยเกี่ยวกับโครงการ โปรดส่งอีเมลไปที่ helenxu@cnlymonte.com โดยระบุหัวข้อว่า "solarduction" และรายละเอียดเกี่ยวกับขนาดเตาเผา ชั่วโมงการทำงาน และแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ในพื้นที่ของคุณ