Monday, April 8, 2013

การใช้รถยนต์ไฟฟ้ากับการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างเร็ว (Battery swapping)


การใช้รถยนต์ไฟฟ้ากับการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างเร็ว (Battery swapping)

ประกอบ คุปรัตน์
Pracob Cooparat
E-mail: pracob@sb4af.org

Keywords: การคมนาคม, transportation,การขนส่ง, ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน, fuel efficiency, Electric cars, EVs Battery Electric Vehicles – BEVs Charging station Better Place, SwapPack, Mitsubishi Heavy Industries, electric hybrid, PHEV

ความนำ

รถยนต์ไฟฟ้า (Electric cars, EVs)ต้องใช้พลังไฟฟ้าในการวิ่ง และพลังไฟฟ้านั้นจะมาจากแบตเตอรี่ แต่ข้อสำคัญเราจะจัดการกับแบตเตอรี่นั้นอย่างไร

แนวทางการจัดการด้านพลังงานไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า (Electric cars/ EVs) ที่ต้องใช้แบตเตอรี่ (Battery Electric Vehicles – BEVs) มีแนวทางในการพัฒนาดังนี้

1. การใช้แบตเตอรี่ที่บรรจุพลังไฟฟ้าได้มาก (High electric density) ซึ่งทุกฝ่ายกำลังดำเนินการกันอยู่ แต่ไม่เพียงพอ รถบางรุ่นต้องการพลังไฟฟ้ามาก ก็บรรจุแบตเตอรี่หนักมาก อาจหนักถึง 500 กิโลกรัม หรือเท่ากับคน 8-10 คน

2. การมีเทคโนโลยีที่ทำให้มีแบตเตอรี่ที่มีคุณภาพสูง ราคาไม่แพง (Lower cost) ทำให้ใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ได้ โดยไม่เป็นต้นทุนที่สูงเกินไป ขณะนี้แบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมไอออน (Lithium-ion) สามารถให้พลังงานได้ดี แต่ก็ยังมีราคาแพง ดูตัวอย่างรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Model S รุ่นดีที่สุด ก็ต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ทำให้ราคาสูงถึง US$80,000 แพงกว่ารถขนาดเดียวกันที่ใช้เครื่องยนต์เผาไหม้ถึง 3 เท่า ที่ทำให้ราคารถสูงมากนี้ ครึ่งหนึ่งในปัจจุบันเป็นราคาแบตเตอรี่

3. การมีเทคโนโลยีที่ทำให้ชาร์จไฟแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว (Fast charging) และปลอดภัย แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานได้ยาวนาน ขณะปัจจุบันกำลังอยู่ในการพัฒนาอย่างเร่งรีบ ประเด็นมีอยู่ว่า หากใช้การชาร์จไฟด้วยพลังสูง ระดับ 440-450 โวลท์ (Volt) ก็จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมคุณภาพได้รวดเร็ว แต่กระนั้นการจะชาร์จไฟให้ได้ร้อยละ 80 ของแบตเตอรี่ ก็ต้องใช้เวลา 90-120 นาที และการจะมีกระแสไฟฟ้าสูงระดับนี้ ก็ไม่ใช่มีตามบ้านทั่วไป ดังในประเทศไทยใช้กระแสไฟ 220 โวลท์ แต่โดยทั่วไปในอเมริกาใช้ไฟฟ้า 110 โวลท์เท่านั้น กระแสไฟแรงขนาดนี้ ต้องใช้เวลาชาร์จไฟ 7-8 ชั่วโมง กว่าจะชาร์จไฟเต็มแบตเตอรี่

ดังนั้นจึงมีคนคิดบริหารวิธีการเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่กระทำอย่างรวดเร็ว

การเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว (Battery Swapping)

Swap = การเปลี่ยน, การแลกเปลี่ยน, การผลัดเปลี่ยน

โดยทั่วไป การมีสถานีชาร์จไฟ เขาเรียกว่า Charging station ซึ่งหมายถึงการนำรถที่ไฟฟ้าหมดหรืออ่อนแล้ว ไปที่สถานีเพื่อชาร์จไฟให้เต็ม หรือเกือบเต็ม เพื่อที่จะได้ใช้พลังไฟฟ้า เพื่อการเดินทางต่อไป แต่ดังที่ได้ทราบแล้วว่า ไม่ว่าจะใช้กระแสไฟสูงเพียงใด ก็ยังต้องใช้เวลา ไม่เหมือนกับการเติมน้ำมัน ใช้เวลา 1-2 นาทีก็สามารถมีน้ำมันเต็มถึง เพื่อเดินทางต่อไปได้แล้ว แต่สถานีเดิมไฟฟ้าจะต้องใช้เวลาหลายชั่วโมง จึงจะเติมเต็มได้ ไม่สะดวกสำหรับผู้ขับขี่ที่จะต้องมีกิจกรรมอื่นๆต่อไป

ดังนั้นเขาจึงคิดวิธีการมีสถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่ (Battery swapping stations) เหมือนกับรถยกของ (Forklift trucks) สำหรับยกของในโกดัง เมื่อไฟฟ้าของรถอ่อนลง เขาก็มีแบตเตอรี่สำรองที่อัดไฟไว้แล้วเปลี่ยน แล้วรถก็สามารถใช้งานได้ต่อไป ส่วนแบตเตอรี่ที่ไฟหมด ก็จะนำแบตเตอรี่นั้นไปชาร์จไฟ รอสับเปลี่ยนในกะต่อไป

แต่สำหรับรถยนต์นั้น มีรถไฟฟ้าหลายยี่ห้อ มีเทคโนโลยีหลายระบบ แล้วจะเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้อย่างไร

ในปัจจุบัน มีหลายบริษัทที่กำลังพัฒนาเทคโนโลยีเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว (Battery swapping) ซึ่งมี บริษัทให้บริการสนับสนุนกิจการรถยนต์ไฟฟ้า Better Place, บริษัทรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Motors ของสหรัฐอเมริกา และบริษัททางด้านอุตสาหกรรมหนัก และมีประสบการณ์ด้านไฟฟ้าอย่าง Mitsubishi Heavy Industries เป็นต้น

บริษัท Better Place ใช้วิธีการสับเปลี่ยนแบตเตอรี่ไฟฟ้าด้วยเทคโนโลยีอย่างเดียวกับที่เครื่องบินรบ F-16 jet fighter aircraft ใช้ในการติดตั้งระเบิดที่ใต้ปีก ซึ่งก็ต้องทำอย่างรวดเร็ว และอย่างปลอดภัย
สถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่นี้มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า Quickdrop Stations โดยเจ้าของรถยนต์มาเปลี่ยนเอาแบตเตอรี่ที่เติมไฟไว้เต็มพร้อมแล้วในเวลาเพียงต่ำกว่า 60 วินาที ซึ่งเร็วกว่าการใช้เวลาเติมน้ำมันปิโตรเลียมของรถยนต์เสียอีก แล้วขณะเดียวกัน ก็ทิ้งแบตเตอรี่ที่ไฟหมดแล้ว เพื่อให้ทางสถานีได้เติมไฟเพื่อใช้ต่อไป

ในเดือนเมษายน ค.ศ. 2010 บริษัท SwapPack ในรัฐเทกซัส สหรัฐอเมริกา ได้พัฒนาวิธีการเปลี่ยนแบตเตอรี่ เหมือนการเปลี่ยนถังแก๊สบิวเทน (Butane gas tanks) ตามร้านสะดวกซื้อ โดยอนุญาตให้คนขับได้รับบริการเปลี่ยนชุดแบตเตอรี่ (Battery packs) โดยรับเอาชุดที่เติมไฟไว้เต็มแล้ว และทิ้งแบตเตอรี่ที่ใช้ไฟหมดแล้ว เพื่อเอาไว้เติมไฟฟ้าให้เต็ม และใช้เปลี่ยนรถคันต่อไปที่ต้องการมารับบริการ โดยทั่วไป แบตเตอรี่ไฟฟ้าดังที่ใช้ในรถยนต์ Toyota Prius วิ่งมากว่า 160,000 กิโลเมตร ก็ยังไม่หมดอายุ

การเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบ Battery swapping นี้ ลองให้คิดถึงตามบ้านที่เขาซื้อบริการแก๊ส ลูกค้าจ่ายค่าถังแก๊สเอาไว้ แต่ระหว่างใช้บริการ เปลี่ยนเอาถึงใหม่มา ก็ไม่ได้ต้องรับถังใบเดิมกลับมา ถังแก๊สนั้นก็เวียนไปยังที่ต่างๆ เมื่อถังหมดอายุ ทางบริษัทบริการแก๊สเขาก็นำถังหมดอายุนี้ไปทำลาย และเข้ากระบวนการ Recycle ขายเป็นเศษเหล็ก

สำหรับการใช้เทคโนโลยี Battery swapping นี้ จำเป็นต้องมีระบบติดตั้งและเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่สะดวกในการสับเปลี่ยน มีขนาดมาตรฐานของแบตเตอรี่ที่ทำให้สามารถใช้ร่วมกันได้ เพราะถ้าหลากหลายมากๆ การให้บริการก็จะไม่สะดวก บริการด้วยต้นทุนที่สูง ต้องมีบริการสำรองแบตเตอรี่หลายๆขนาดจนเกินไป แต่ในปัจจุบัน แต่ละบริษัทที่ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ายังไม่ได้ตกลงกันว่าจะใช้เทคโนโลยีสลับเปลี่ยนแบตเตอรี่นี้หรือไม่และอย่างไร บางบริษัทติดตั้งแบตเตอรี่แบบตายตัว ไม่ได้ออกแบบสำหรับถอดและเปลี่ยนเข้าได้อย่างสะดวก

รถยนต์ไฟฟ้า Renault Fluence Z.E. นับเป็นรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นแรก ที่มีบริการเปลี่ยนแบตเตอรี่ โดยทำความร่วมมือกับบริษัท Better Place network

ข้อดีของวิธีการสลับแบตเตอรี่

1. การสลับแบตเตอรี่นี้สามารถกระทำได้ภายในเวลา 59 วินาที เร็วกว่าเติมน้ำมันอีก และระหว่างการเปลี่ยนแบตเตอรี่ คนขับไม่ต้องลงจากรถได้ รอตรวจสอบ แล้วขับรถออกไปใช้งานต่อได้เลย

2. ข้อดีของบริการเปลี่ยนแบตเตอรี่นี้ คือเปลี่ยนค่าต้นทุนแบตเตอรี่ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การบำรุงรักษา ค่าเงินทุน คุณภาพของเทคโนโลยี การรับประกันบริการ เหล่านี้ให้ไปอยู่กับบริษัทให้บริการ

3. คนซื้อรถไม่ต้องซื้อแบตเตอรี่ ส่วนบริษัทผู้ให้บริการแบตเตอรี่ก็สามารถให้บริการแบตเตอรี่ไปตามมาตรฐานที่กำหนด เมื่อมีวิทยาการก้าวหน้า แบตเตอรี่รุ่นใหม่มีคุณภาพดีขึ้นไปอีกเรื่อยๆ กิจการบริการก็จะสามารถทำให้มีต้นทุนถูกลง สามารถแข่งขันได้ดียิ่งขึ้นไปอีก

4. เมื่อมีบริการสลับแบตเตอรี่ดังนี้ บริษัทผู้ขายรถยนต์ก็สามารถลดต้นทุนแบตเตอรี่ โดยให้ค่าแบตเตอรี่เป็นแบบเช่าเหมาบริการตลอดช่วงเวลาที่ทำสัญญาซื้อขาย หรืออาจไม่มีบริการขายรถยนต์แบบขายขาด แต่จะเป็นบริการให้เช่าใช้รถยนต์ตลอดช่วงเวลาดังกล่าวแทน

5. บริษัทผู้ผลิตรถยนต์ก็ไม่ต้องไปคำนึงถึงการต้องติดตั้งแบตเตอรี่ที่จุพลังไฟฟ้ามากจนเกินไป ทำให้น้ำหนักรถมาก และมีต้นทุนค่ารถยนต์ที่แพงจนเกินไป รถยนต์ไฟฟ้า ก็จะคิดโดยเป็นต้นทุนที่ต้องวิ่งเป็นระยะทาง ซึ่งทำให้รถยนต์ไฟฟ้าหันมามีข้อดีกว่ารถยนต์แบบใช้น้ำมันเชื้อเพลิง ที่ราคาน้ำมันมีแต่จะสูงขึ้นเรื่อยๆ

ในขั้นตอนต่อไป ...

บริษัทบริการเปลี่ยนแบตเตอรี่เหล่านี้ จะต้องมีบริการเปลี่ยนแบตเตอรี่นี้ที่ถูกกว่าการใช้บริการเติมน้ำมันตามปั้มน้ำมันทั่วไป เมื่อเทียบระยะทางที่วิ่ง คิดต้นทุนของค่าแบตเตอรี่ + ค่าบริการ + ค่าต้นทุนไฟฟ้า + ค่าบริหารบริการ

สถานีให้บริการ Battery swap นี้ ควรมีบริการกระจายเป็นเครือข่าย (Battery swap grids) ผู้ขับรถทางไกล ไฟฟ้าหมดที่ไหน ก็เปลี่ยนแบตเตอรี่ที่นั่น ผู้ใช้บริการสามารถจะไปเปลี่ยนที่ไหนก็ได้ โดยมีบริการที่มีมาตรฐานที่คาดหวังได้เหมือนกันกระจายในทุกพื้นที่ เมื่อผู้ใช้มั่นใจในบริการที่มีกระจายอยู่ทั่วไปเพียงพอ ความกลัวว่ารถไฟฟ้าหมด (Range anxiety) ก็จะลดลง ปัจจุบัน คนเป็นอันมากที่จะใช้รถยนต์ไฟฟ้า ก็มักจะเลือกใช้รถไฟฟ้าลูกประสม (Hybrid Electric Vehicles – BEVs) หรือรถยนต์ไฟฟ้าลูกประสมแบบเสียบปลั๊ก (PHEVs) ด้วยคิดว่า เมื่อไฟฟ้าหมด ก็จะยังมีระบบเครื่องยนต์ใช้น้ำมัน สามารถวิ่งต่อไปได้ แต่การที่รถยนต์ต้องมีทั้งสองระบบ ก็ทำให้มีต้นทุนสร้างรถยนต์เพิ่มขึ้น รถมีน้ำหนักมากขึ้น เพราะต้องแบกทั้งสองระบบไว้ด้วยกัน ประสิทธิภาพการใช้พลังงานก็ไม่เต็มที่ ค่าดูแลรักษาระบบก็ต้องแพง เพราะต้องมีทั้งสองระบบ ทำให้เป็นระบบที่ซับซ้อน ยากแก่การดูแลรักษา


บริษัท Better Place พัฒนาระบบเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว โดยใช้เวลาไม่เกิน 1 นาที


ภาพ สถานบริการ Battery Swapping Station ของ Better Place


ภาพ เทคนิคการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างเร็วของ Better Place คล้ายกับเครื่องบินรบที่ต้องติดตั้งระเบิด หรือถังน้ำมันอย่างเร็ว


ภาพ แนวคิดการเปลี่่ยนแบตเตอรี่ ก็เหมือนกับเครื่องบินรบ ที่เขามีระบบติดตั้งและถอดถังน้ำมันและระเบิดที่ติดตั้งอยู่ใต้ปีก



ภาพ รถยนต์ไฟฟ้า Renault Fluence Z.E. ที่มีความร่วมมือใช้บริการ Battery Swapping กับ Better Place


ภาพ ถังแก๊ส LPG ที่เราใช้ตามบ้าน เราซื้อถังแก๊ส แต่เมื่อใช้หมด เราเอาถึงไปเปลี่ยน ก็จะไม่ได้ถังใบเดิมกลับมา ส่วนถังที่ซื้อไปนั้น เขามีกระบวนการดูแลคุณภาพ หากถังเสื่อมใช้ไม่ได้ เขาก็นำไปทำลาย แล้ว Recycling เหล็ก เพื่อเอาไปใช้ประโยชน์ต่อไป


ภาพ บริการถังแก๊ส Butane ที่ใช้ในอุตสาหกรรม ก็มีบริการถังในแบบเดียวกัน ค่าถังเป็นการซื้อหรือมัดจำ แต่ที่จะซื้อสิน้ค้ากันคือแก๊สในถังที่ขายเป็นปริมาณกิโลกรัม

ภาพ บริการของบริษัท SwapPack ในเทกซัส


ภาพ ระบบถอดแบตเตอรี่ และติดตั้งแบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟแล้ว


ภาพ รถยนต์ของบริษัท Tesla Motors 2 รุ่น Tesla Model S และ Tesla Roadster ที่เป็นรถยนต์ใข้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ ต้นทุนแบตเตอรี่เป็นราคาที่สูงถึงครึ่งหนึ่งของราคารถทั้งคัน


ภาพ รถยนต์นั่ง Tesla Model S คนที่ซื้อเลือกซื้อรุ่นสูงสุดที่มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ และทำให้ราคาแพงถึง US$ 80,000 เพราะกล้วไฟฟ้าหมด แล้วยุ่งยากในการเติมไฟ (Charging)