ระบบบริหารจัดการพลังงาน (Energy Management System: EMS)
ระบบบริหารจัดการพลังงาน (Energy Management System: EMS) หมายถึง ระบบอัตโนมัติที่นำเข้ามาใช้ในการควบคุมให้การผลิต การส่ง พลังงาน รวมถึงให้การใช้พลังงานนั้นเป็นไปอย่างเหมาะสมที่สุด ความหมายของระบบบริหารจัดการพลังงานนั้นค่อนข้างกว้างโดยมิได้หมายถึงเฉพาะเพียงพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังครอบคลุมถึงพลังงานในรูปแบบอื่นด้วย เช่น พลังงานความร้อน เป็นต้น ในบริบทของระบบสมาร์ทกริดนั้น ระบบบริหารจัดการพลังงานจะหมายความถึงการบริหารจัดการพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น ซึ่งอ้างอิงระบบบริหารจัดการพลังงานตามแผนแม่บทการพัฒนาระบบโครงข่ายไฟฟ้าสมาร์ทกริด พ.ศ. 2558 – 2579 ซึ่งเน้นระบบบริหารจัดการพลังงานด้านผู้ใช้ไฟฟ้าเป็นหลัก ซึ่งการบริหารจัดการพลังงานในด้านของผู้ใช้ไฟฟ้าจะกล่าวถึงระบบบริหารจัดการพลังงานในบ้านเรือน ระบบบริหารจัดการพลังงานในอาคาร และระบบบริหารจัดการพลังงานในโรงงานอุตสาหกรรม
ระบบบริหารจัดการพลังงานควบคุมการทำงานประสานกันระหว่างอุปกรณ์ตรวจวัด (Sensor) สมาร์ทมิเตอร์ (Smart Meter) และระบบควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าอัตโนมัติ (Actuator หรือ Controller) บนโครงสร้างของระบบเทคโนโลยีและสารสนเทศ (Information Technology: IT) รวมถึงยังสามารถควบคุมเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่จะเข้ามามีส่วนในระบบไฟฟ้ามากขึ้น เช่น การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานหมุนเวียนและระบบกักเก็บพลังงาน เป็นต้น
ระบบบริหารจัดการพลังงานจะรับข้อมูลจากอุปกรณ์ตรวจวัดต่าง ๆ ที่กระจายตัวอยู่ทั่วไป เช่น ปริมาณการใช้ไฟฟ้าของอุปกรณ์หรือระบบต่าง ๆ ในช่วงเวลานั้นได้ ระบบที่มีขีดความสามารถในระดับที่สูงขึ้นจะสามารถเชื่อมโยงข้อมูลอื่นที่เกี่ยวข้อง เช่น สภาพอากาศ ราคาค่าไฟฟ้าในช่วงเวลาต่าง ๆ จากหน่วยงานด้านการไฟฟ้า เป็นต้น โดยข้อมูลที่ได้จะถูกนำมารวมศูนย์ในส่วนกลางเพื่อการแสดงผลอย่างเป็นระบบต่อผู้ใช้ไฟฟ้าทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้ามีความเข้าใจพฤติกรรมการใช้พลังงานของตนเองมากขึ้น ซึ่งอาจจะทำให้สามารถระบุแนวทางหรือศักยภาพที่เป็นไปได้ในการปรับเปลี่ยนการใช้พลังงานให้เหมาะสมมากขึ้น
นอกจากนี้ ระบบจะใช้ข้อมูลที่รวบรวมมาในการประมวลและวิเคราะห์ผลเพื่อหาแนวทางการบริหารจัดการพลังงานที่เหมาะสมที่สุด (Optimization) โดยการวิเคราะห์หาจุดที่เหมาะสมที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของผู้ใช้ไฟฟ้า ซึ่งอาจจะเป็นจุดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงเศรษฐศาสตร์ กล่าวคือ บริหารจัดการพลังงานให้เกิดผลการประหยัดในเชิงการเงินมากที่สุด หรือจุดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงพลังงาน กล่าวคือบริหารจัดการพลังงานให้เกิดผลประหยัดหน่วยการใช้ไฟฟ้ามากที่สุด ในบางกรณีอาจจะรวมถึงการงดใช้พลังงานหรือการลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม จะต้องไม่ทำให้ความสามารถในการทำงานหรือผลิตภาพ (Productivity) ลดลง รวมถึงต้องไม่ก่อให้เกิดผลเสียทางสุขภาพใด ๆ กับผู้ที่อาศัยหรือทำงานอยู่ในพื้นที่นั้น ๆ
นอกจากนั้น ระบบบริหารจัดการพลังงานยังสามารถทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้าสามารถควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าได้โดยตรงแม้จะไม่ได้อยู่ในสถานที่นั้น ๆ โดยผ่านทางอุปกรณ์เคลื่อนที่และอินเตอร์เน็ต เช่น สามารถกำหนดการเปิด-ปิดเครื่องใช้ไฟฟ้า ผ่านทางโทรศัพท์เคลื่อนที่
ระบบบริหารจัดการพลังงานในบ้านเรือน (Home Energy Management System: HEMS) และระบบบริหารจัดการพลังงานในอาคาร (Building Energy Management System: BEMS) เชื่อมโยงอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและระบบต่าง ๆ ซึ่งใช้ไฟฟ้าในบ้านเรือนหรืออาคารพาณิชย์เข้าด้วยกันภายใต้ระบบควบคุมส่วนกลาง โดยทั่วไปแล้ว HEMS กับ BEMS มีลักษณะคล้ายคลึงกันในเชิงของวัตถุประสงค์การใช้งานและหลักการทำงาน อย่างไรก็ตาม BEMS จะมีความซับซ้อนมากกว่าเนื่องจากในอาคารพาณิชย์มีจำนวนจุดที่จะต้องควบคุมและจุดตรวจวัดมากกว่าหากเทียบกับ HEMS รูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงถึง BEMS และ HEMS ตามลำดับ
รูปที่ 1 ระบบบริหารจัดการพลังงานในอาคาร (ดัดแปลงจากรูปภาพของ NEC)
รูปที่ 2 ระบบบริหารจัดการพลังงานในบ้านเรือน (ดัดแปลงจากรูปภาพของ GE)
ตัวอย่างการทำงานของ HEMS/BEMS เช่น ในช่วงเวลาเที่ยงวัน ระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบติดตั้งบนหลังคาผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าการใช้ไฟฟ้าภายในบ้านหรืออาคาร HEMS/BEMS จะทำการเปรียบเทียบว่าจะระบบควรจะชาร์จไฟฟ้าส่วนเกินเก็บไว้ในแบตเตอรี่ หรือจะจ่ายคืนเข้าระบบไฟฟ้า หรือจะสั่งให้ดำเนินการตอบสนองด้านโหลดกับอุปกรณ์หรือระบบบางชนิดที่เหมาะสม เพื่อเพิ่มการใช้ไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น เป็นต้น โดยการประมวลผลจะอยู่บนพื้นฐานของข้อกำหนดที่ผู้ใช้ไฟฟ้าได้ตั้งไว้ก่อนหน้า เช่น หากผู้ใช้ไฟฟ้า กำหนดให้ระบบหาจุดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงเศรษฐศาสตร์ ระบบจะดำเนินการตามแนวทางที่ทำให้ได้รับค่าไฟฟ้ามากที่สุดหรือเสียค่าไฟฟ้าน้อยที่สุด หรือหากผู้ใช้กำหนดให้ระบบ หาจุดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงพลังงาน ระบบจะดำเนินการตามแนวทางที่ทำให้เกิดการใช้ไฟฟ้าอย่างน้อยที่สุด เป็นต้น
โดยทั่วไปแล้ว อาคารพาณิชย์ในประเทศไทยนั้นจะใช้พลังงานไฟฟ้าส่วนมากไปกับระบบปรับอากาศ BEMS จึงมักจะประกอบด้วยส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้ การควบคุมระบบปรับอากาศ ระบบทำความร้อนและระบายอากาศ (Heating, Ventilation, and Air Conditioning: HVAC) ระบบควบคุมแสงสว่างในอาคาร การรวบรวมข้อมูลจากสมาร์ทมิเตอร์ การควบคุมการทำงานของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานในอาคาร เป็นต้น นอกจากนี้ ในอนาคตอาจจำเป็นต้องมีการติดตั้งสถานีชาร์จยานยนต์ไฟฟ้าไว้ในอาคาร เพื่อรองรับการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้าของผู้ที่อาศัยหรือทำงานอยู่ภายในอาคาร ดังนั้น BEMS บางระบบจึงต้องสามารถควบคุมการทำงานของสถานีชาร์จยานยนต์ไฟฟ้าได้ด้วย
อาคารพาณิชย์ที่มีขนาดใหญ่ เช่น ห้างสรรพสินค้าหรือสำนักงานใหญ่ เป็นต้น มีศักยภาพในการดำเนินการตอบสนองด้านโหลด BEMS เป็นระบบที่สามารถนำมาใช้เพื่อรองรับการตอบสนองด้านโหลดแบบอัตโนมัติได้
ระบบการจัดการพลังงานในโรงงานอุตสาหกรรม (Factory Energy Management System: FEMS) เป็นระบบจัดการพลังงานในอนาคตที่ใช้ควบคุมการผลิต การซื้อ การส่ง การจำหน่าย และการใช้พลังงานที่ใช้ในการกระบวนการผลิตของโรงงาน หากเปรียบเทียบกับ HEMS หรือ BEMS แล้ว FEMS ถือเป็นระบบที่มีความซับซ้อนมากที่สุด เนื่องจากการใช้พลังงานไฟฟ้าของโรงงานแตกต่างกันออกไปตามลักษณะกระบวนการผลิตของโรงงานนั้น ๆ ในขณะที่ BEMS หรือ HEMS จะจำกัดอยู่แค่การควบคุมระบบหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดเท่านั้น เช่น ระบบปรับอากาศ ระบบทำความร้อน หรือระบบแสงสว่าง เป็นต้น แต่ FEMS จำเป็นต้องเข้าไปทำงานร่วมกับระบบควบคุมของโรงงานที่มีอยู่แล้ว รวมถึงอาจจะต้องมีขีดความสามารถในการจัดการตารางการเดินเครื่องจักรรวมถึงการซ่อมบำรุงอุปกรณ์เครื่องจักรต่าง ๆ เป็นต้น การออกแบบ FEMS จึงมีความซับซ้อนมากกว่า เนื่องจากต้องมีการศึกษาให้เข้าใจถึงพฤติกรรมการใช้พลังงานของโรงงานโดยละเอียด ซึ่งรวมถึงความรู้ความเข้าใจในกระบวนการผลิตของโรงงานนั้น อย่างไรก็ตาม FEMS มีประโยชน์เป็นอย่างมากต่อภาคอุตสาหกรรม โดยสามารถเพิ่มความสามารถหรือสนับสนุนการบริหารจัดการพลังงาน ให้เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 50001:2011 ด้านการบริหารจัดการพลังงาน (Energy Management Systems) ได้
โดยทั่วไปแล้ว FEMS อาจจะทำงานร่วมกับระบบอื่น ๆ ซึ่งมิได้เกี่ยวข้องกับด้านพลังงาน เช่น ระบบควบคุมคุณภาพ (Quality Control) การบริหารจัดการด้านความปลอดภัย (Safety Management) การบริหารจัดการด้านสิ่งแวดล้อม (Environment Management) เป็นต้น FEMS จะต้องมีความสามารถในการทำงานร่วมกับระบบอื่น ๆ ได้ และจะเป็นส่วนหนึ่งในการพัฒนาโรงงานอุตสาหกรรมดังกล่าวให้เป็นโรงงาน อัจฉริยะ (Smart Factory) ในที่สุด
แต่เดิมนั้นผู้ใช้ไฟฟ้าโดยเฉพาะในภาคบ้านเรือน ทราบเพียงปริมาณการใช้ไฟฟ้าของตนเองย้อนหลังในภาพรวมจากใบแจ้งหนี้ค่าไฟฟ้าเท่านั้น การนำระบบบริหารจัดการพลังงานเข้ามาใช้สามารถทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นในภาคบ้านเรือน อาคาร หรือโรงงานอุตสาหกรรมทราบ ลักษณะรูปแบบการใช้ไฟฟ้าของตนเองได้ในแต่ละช่วงเวลา โดยละเอียดผ่านทางระบบแสดงผลในรูปแบบต่าง ๆ ผู้ใช้ไฟฟ้าจะรับทราบข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากขึ้น รวมถึงทราบพฤติกรรมและรูปแบบการใช้ไฟฟ้าของ ตนเองอย่างชัดเจนมากขึ้น เช่น ทราบว่าการใช้ไฟฟ้าสูงสุดเกิดขึ้นในช่วงเวลาใด มีการใช้พลังงานไฟฟ้าไปกับอุปกรณ์ต่าง ๆ มากน้อยเพียงใด เป็นต้น การรับรู้ข้อมูลการใช้ไฟฟ้าของตนเองในรายละเอียดมากขึ้นสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของผู้ใช้ไฟฟ้า
ระบบบริหารจัดการพลังงานช่วยให้ผู้ใช้ไฟฟ้ามีความสะดวกสบายมากขึ้นในการควบคุมสั่งการอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ 3 ถึงตัวอย่างของประโยชน์ที่ได้ เมื่อนำ HEMS มาติดตั้งในบ้านเรือน แต่เดิมนั้นในกรณีไม่มีการติดตั้ง HEMS ผู้ใช้ไฟฟ้าจำเป็นต้องควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ในแต่ละพื้นที่ด้วยตนเอง เช่น การไปเปิดหรือสวิตช์ไฟส่องสว่างในแต่ละจุดโดยตรง สั่งการเพิ่มลดอุณหภูมิของเครื่องปรับอากาศผ่านทางรีโมตหรือสวิตช์ควบคุมโดยตรงในแต่ละห้อง เป็นต้น
เมื่อมี HEMS มาติดตั้งในบ้าน ผู้ใช้ไฟฟ้าจะสามารถควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ผ่านทางอุปกรณ์เคลื่อนที่ได้ เช่น สมาร์ทโฟน หรือแท็บเล็ต เป็นต้น จากที่ใดในบ้านก็ได้ โดยที่ไม่ต้องไปควบคุมอุปกรณ์เหล่านั้นในแต่ละบริเวณโดยตรง ความสะดวกในการควบคุมที่มากขึ้นเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ผู้ใช้ไฟฟ้าปรับเปลี่ยนพฤติกรรมตนเองลงโดยลดการไฟฟ้าในส่วนที่ไม่จำเป็นลง อันจะมีส่วนช่วยในการประหยัดไฟฟ้าและลดค่าไฟฟ้าลงได้ นอกจากนี้ ผู้ใช้ไฟฟ้าจะทราบถึงสถานะการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ ผ่านทางอุปกรณ์เคลื่อนที่ ตลอดเวลาจึงทราบได้หากลืมเปิดอุปกรณ์บางอย่างทิ้งไว้โดยมิได้ตั้งใจ เป็นต้น อุปกรณ์อัตโนมัติบางชนิดสามารถทำงานร่วมกับ HEMS ได้ เช่น เซ็นเซอร์จับการเคลื่อนไหวเพื่อเป็นส่วนในการควบคุมปิดไฟส่องสว่างในบริเวณบ้านที่ไม่มีคนอยู่ เป็นต้น จึงสามารถลดภาระของผู้ใช้ไฟฟ้าในการควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าบางชนิดลงได้
รูปที่ 3 ประโยชน์ของเทคโนโลยีระบบบริหารจัดการพลังงานในบ้านเรือน (HEMS) ในเชิงของการเพิ่มความสะดวกสบายในการควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าและการประหยัดพลังงาน
ระบบการบริหารจัดการพลังงาน สามารถช่วยสนับสนุนการดำเนินการตอบสนองด้านโหลดให้เป็นไปอย่างรวดเร็วมากขึ้น ตัวอย่างการประสานงานเพื่อดำเนินการตอบสนองด้านโหลดระหว่างหน่วยงานด้านการไฟฟ้าและอาคารพาณิชย์ สามารถแสดงได้ดังรูปที่ 4 การตอบสนองด้านโหลดในรูปแบบที่ไม่เป็นอัตโนมัติ (Manual Demand Response) สามารถดำเนินการได้ทันทีโดยมิต้องอาศัยการสื่อสารโดยตรง ระหว่างอุปกรณ์หรือระบบต่าง ๆ แต่จะอาศัยการสื่อสารโดยตรงระหว่างบุคคลเป็นหลักแทน ในกรณีนี้เจ้าหน้าที่จากหน่วยงานด้านการไฟฟ้าจะติดต่อผู้ดูแลอาคารพาณิชย์ต่าง ๆ โดยตรงผ่านระบบการสื่อสารทั่วไป เช่น อีเมล์ โทรศัพท์ เป็นต้น เพื่อแจ้งให้ผู้ดูแลอาคารลดการใช้ไฟฟ้าลงในช่วงเวลาที่กำหนดไว้ ผู้ดูแลอาคารก็จะต้องวิเคราะห์และวางแผนว่าจะสามารถลดการใช้ไฟฟ้าในอาคารลงได้อย่างไรในช่วงเวลานั้น ก่อนจะสั่งการต่อให้บุคลากรที่เกี่ยวข้องในอาคารนั้นดำเนินการงดหรือลดการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าลง
เนื่องจากมีปัจจัยด้านคนเข้ามาเกี่ยวข้องเป็นจำนวนมาก การสั่งการตอบสนองด้านโหลดในลักษณะนี้ต้องอาศัย ความสามารถด้านการสื่อสารที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ เพื่อไม่ให้เกิดข้อผิดพลาดในการรับส่งสารขึ้น
เมื่อมีการนำ BEMS มาประยุกต์ใช้จะทำให้สามารถดำเนินการตอบสนองด้านโหลดแบบกึ่งอัตโนมัติ (Semi-automated Demand Response) หรืออัตโนมัติ (Full-automated Demand Response) ได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีการนำระบบควบคุมการตอบสนองด้านโหลดแบบอัตโนมัติเข้ามาใช้งาน หน่วยงานด้านการไฟฟ้าสั่งการดำเนินการตอบสนองด้านโหลดผ่านทางระบบดังกล่าว ซึ่งหลังจากนั้นกระบวนการต่าง ๆ จะเป็นไปอย่างอัตโนมัติ ระบบจะส่งสัญญาณเรียกให้ตอบสนองด้านโหลดไปยัง BEMS ของอาคาร จากนั้น BEMS จะประเมินความสามารถในปรับเปลี่ยนรูปแบบการใช้ไฟฟ้าของอาคารว่าสามารถทำได้มากน้อยเพียงใด แล้วจึงสั่งการโดยตรงไปยังระบบหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ให้ลดหรือหยุดการทำงานภายใต้ตามเงื่อนไขที่กำหนดไว้แล้ว จึงสื่อสารกลับไปยังระบบควบคุมการตอบสนองด้านโหลด ส่วนกลางเพื่อแจ้งว่าสามารถอาคารนี้สามารถช่วยลดโหลดได้เท่าไหร่ กล่าวคือ BEMS สามารถลดความเกี่ยวข้องของบุคคลในกระบวนสื่อสารสั่งการที่จำเป็นเพื่อการตอบสนองด้านโหลดไปได้อย่างมาก ส่งผลให้ระยะเวลาการตอบสนองลดลง หน่วยงานด้านการไฟฟ้าสามารถเรียกขอการตอบสนองด้านโหลดในเวลาที่กระชั้นขึ้นได้หากมีความจำเป็น
รูปที่ 4 ประโยชน์ของเทคโนโลยีระบบบริหารจัดการพลังงานในอาคาร (BEMS) ในเชิงของรองรับการตอบสนองด้านโหลด (Demand Response) แบบอัตโนมัติ