विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड – ऊर्जा सुरक्षा का भविष्य

कई लोग विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड को ऊर्जा सुरक्षा में सुधार के लिए सबसे अच्छा विकल्प मानते हैं। ये नेटवर्क सामुदायिक-आधारित ऊर्जा संसाधनों को केंद्रीकृत पावर स्टेशनों के साथ उपयोग करके पारंपरिक ग्रिड बुनियादी ढांचे को सुदृढ़ बनाते हैं। यहाँ बताया गया है कि MIT के इंजीनियरों की एक टीम विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड को कैसे सुधारने और भविष्य में घरों को ऊर्जा प्रदान रखने की कोशिश कर रही है।

बिजली कटौती में वृद्धि

रिपोर्टें दर्शाती हैं कि कई कारणों से विश्व स्तर पर बिजली कटौती में वृद्धि हो रही है। रखरखाव और देखभाल की कमी के कारण कई क्षेत्रों में प्रणाली पुरानी हो रही है और प्रदर्शन घट रहा है। इसके अतिरिक्त, गंभीर मौसम स्थितियों की संभावना पहले से अधिक है, जिससे पुरानी बुनियादी ढांचे पर तनाव बढ़ रहा है।

बिजली कटौती का एक और योगदान देने वाला कारक, जिसके बारे में कई लोग नहीं सोचते, नवीकरणीय ऊर्जा की ओर बदलाव है। सोलर पैनल ऐसे सिस्टम के प्रमुख उदाहरण हैं जो कम लागत वाली ऊर्जा प्रदान करते हैं, लेकिन ऐसे समय और परिस्थितियाँ होती हैं जब वे कुछ भी उत्पादन नहीं कर पाते।

रात के समय या लगातार बादल वाले मौसम में, सोलर सिस्टम समुदायों को समर्थन देने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान नहीं कर पाते। पारंपरिक बिजली कटौती के विपरीत, नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन में पूर्वानुमेय अंतराल (जैसे बादल वाले दिन या सोलर के लिए रात) को ग्रिड-एज उपकरणों को समन्वयित करके वास्तविक समय में उपभोग और वितरण को समायोजित करके कम किया जा सकता है।

बिजली कटौती आँकड़े

2023 का American Housing Survey ने यह उजागर किया कि ऊर्जा संकट कितना गंभीर हो गया है। रिपोर्ट में दिखाया गया कि पिछले वर्ष में कम से कम चार में से एक अमेरिकी घर ने बिजली कटौती का अनुभव किया है। यह भी पता चला कि साक्षात्कार किए गए लोगों में से 70% से अधिक ने कटौती को 6 घंटे से अधिक समय तक झेला।दिलचस्प बात यह है कि आँकड़े दर्शाते हैं कि ग्रामीण समुदायों में लंबी अवधि की बिजली कटौती का जोखिम अधिक है। हालांकि, यह डेट्रॉइट जैसे कुछ शहरों को उजागर करता है, जहाँ खराब बुनियादी ढांचे और अन्य कारकों के कारण असामान्य रूप से उच्च कटौती होती है।

वैश्विक चिंताएँ

जब आप वैश्विक कटौतियों को देखते हैं तो आप इस समस्या के घातीय विस्तार को देख सकते हैं। कई मामलों में पूरे राष्ट्र कई दिनों या यहाँ तक कि हफ़्तों तक अंधेरे में डूब जाते हैं। एक घटना में, क्यूबा की पुरानी विद्युत ग्रिड विफल हो गई, जिससे 10 मिलियन से अधिक लोग कई दिनों तक बिना बिजली के रह गए।

स्थानीय पावर ग्रिड का विकास

जब आप अपने स्थानीय पावर ग्रिड के बारे में सोचते हैं, तो आप संभवतः एक केंद्रीकृत पावर प्लांट, सबस्टेशनों और ट्रांसमिशन लाइनों की कल्पना करेंगे। यह बुनियादी ढांचा अभी भी सबसे सामान्य है, लेकिन घर के इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास के कारण इसमें कुछ बड़े परिवर्तन हुए हैं।

स्रोत – MIT

ग्रिड-एज उपकरण

ग्रिड-एज शब्द उन उपकरणों को दर्शाता है जो केंद्रीय पावर सप्लाई से दूर स्थित होते हैं। इन उपकरणों में अक्सर उन्नत क्षमताएँ होती हैं, जैसे पावर जनरेशन, स्टोरेज और ट्यूनिंग। ग्रिड-एज उपकरणों में आवासीय सोलर पैनल, बैटरियाँ, इलेक्ट्रिक वाहन, हीट पंप, जल हीटर, और IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स) उपकरण शामिल हैं।

वितरित ऊर्जा संसाधन (DERs)

वितरित ऊर्जा संसाधनों के बढ़ते उपयोग से बाजार में नई संभावनाएँ उत्पन्न होती हैं। ये स्मार्ट उपकरण मॉनिटरिंग, नियंत्रण, संचार और कार्यों को सक्रिय करने की क्षमता प्रदान करते हैं। यही लचीलापन MIT के इंजीनियरों की टीम ने अपनी नवीनतम रणनीति में ग्रिड की स्थिरता सुधारने, साइबर हमलों से बचाव करने और नेटवर्क को स्थिर करने के लिए उपयोग किया।

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड अध्ययन

राष्ट्रीय अकादमी ऑफ साइंसेज़ जर्नल में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन, जिसका शीर्षक है “Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets“¹, एक नया ढांचा प्रस्तुत करता है जिससे किनारे के उपकरणों का उपयोग करके विभिन्न परिदृश्यों में ग्रिड की स्थिरता सुनिश्चित की जा सके। नया सिस्टम समन्वित ग्रिड-एज उपकरणों का उपयोग करके नेटवर्क को पुनः संतुलित या समर्थन करता है।

IoT उपकरण

अध्ययन के केंद्र में IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स) उपकरणों का उपयोग है। एक IoT उपकरण के रूप में मान्यता पाने के लिए, इकाई में एक सेंसर होना चाहिए और उसे इंटरनेट पर डेटा संचारित करने में सक्षम होना चाहिए। उल्लेखनीय है कि वर्तमान में दुनिया भर में इन स्मार्ट उपकरणों की संख्या अरबों में है। इसलिए, शोधकर्ताओं ने इन उपकरणों का उपयोग करने पर ध्यान केंद्रित किया, क्योंकि अनुमान है कि अगले पाँच वर्षों में ये किनारे के उपकरणों का प्रमुख हिस्सा बनेंगे।रणनीति के तहत गृहस्वामी एक क्षेत्रीय बाजार की सदस्यता लेंगे। यह सदस्यता उनके IoT उपकरणों को माइक्रो ग्रिड के लिए योग्य बनाएगी। एक बार स्वीकृत होने पर, विश्वसनीय उपकरण स्वामित्व वाले एल्गोरिद्म द्वारा निर्धारित पावर खपत और वितरण को समन्वयित करने में सक्षम होंगे।

EURIEKA (कुशल, अल्ट्रा-स्थिर, IoT-समन्वित संपत्तियाँ)

EURIEKA एल्गोरिद्म इंजीनियरों के अध्ययन के केंद्र में है। यह एल्गोरिद्म नेटवर्क में भाग लेने वाले किनारे के उपकरणों को स्कैन करता है। फिर यह पूर्वनिर्धारित मानदंडों के आधार पर तय करता है कि पावर ग्रिड को पूरक किया जाए या IoT उपकरणों की पावर खपत को कम किया जाए। इस एल्गोरिद्म को इतना प्रभावी बनाने वाला कारण यह है कि यह प्रत्येक स्थानीय विद्युत बाजार पर आधारित है।

ऑपरेटर

स्थानीय बाजार ऑपरेटर इस दृष्टिकोण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। प्रत्येक बाजार में एक ऑपरेटर होता है जिसे ग्रिड प्रतिभागियों और अन्य ऑपरेटरों के साथ प्रबंधन और संचार करने का कार्य सौंपा जाता है। वे वही नोड्स हैं जो EURIEKA एल्गोरिद्म को शुरू करने और यह सुनिश्चित करने के लिए जिम्मेदार होते हैं कि यह सही ढंग से कार्य करे।

विश्वास स्थापित करना

इस प्रक्रिया का पहला कदम विश्वास स्थापित करना है। इतने सारे IoT उपकरणों के कारण यह आवश्यक है कि सिस्टम केवल जांचे और स्वीकृत इकाइयों के साथ ही काम करे ताकि सुरक्षा जोखिमों से बचा जा सके। एल्गोरिद्म स्वतंत्र रूप से विश्वसनीय IoT उपकरणों को सत्यापित और स्वीकृत कर सकता है, और पावर फेल्योर को प्रभावी रूप से कम करने और सिस्टम को स्थिर करने के लिए सर्वोत्तम संयोजन निर्धारित करता है।

स्थानीय विद्युत बाजार

इस रणनीति का एक भाग स्थानीय ऊर्जा बाजार बनाता है जहाँ IoT प्रतिभागी अपने प्रयासों के लिए इनाम सुरक्षित कर सकते हैं। सिस्टम स्वचालित रूप से प्रत्येक प्रतिभागी की क्रियाओं को ट्रैक करता है और उनकी ऊर्जा योगदान के आधार पर रिटर्न का भुगतान करता है। उल्लेखनीय है कि इंजीनियरों ने नेटवर्क प्रतिभागियों को प्रत्यक्ष भुगतान से लेकर बिल क्रेडिट तक विभिन्न प्रकार के मुआवजे के तरीके सोचे हैं।

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड का परीक्षण

MIT के इंजीनियर अपनी नई पद्धति का परीक्षण करने के लिए विभिन्न उपकरणों और एल्गोरिद्म का उपयोग करते हैं। विशेष रूप से, उन्होंने एक उपयोगिता-अनुकूल सिम्युलेटर, वास्तविक समय हार्डवेयर-इन-द-लूप वैधता, और एक को-सिमुलेशन प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग किया।

पावर-ग्रिड एल्गोरिद्म

परीक्षण में कई परिदृश्य शामिल थे जो पावर हानि स्थितियों की विविधता को दर्शाते थे। इन परिदृश्यों ने सिस्टम के प्रत्येक स्तर पर विफलताओं को ध्यान में रखा। कुछ मामलों में, हानि केवल 5% तक थी। अन्य मामलों में, नेटवर्क ने 40% तक की विनाशकारी विफलताओं का सामना किया।

ग्रिड हमले के परिदृश्य

शोधकर्ताओं ने सिस्टम को एक बड़े साइबर हमले के खिलाफ परीक्षण किया। इस परिदृश्य में, टीम ने एक स्मार्ट थर्मोस्टेट को हैक होते हुए कल्पना की। हैक किए गए उपकरणों को फिर पावर ग्रिड पर तनाव को खतरनाक स्तर तक बढ़ाने के लिए सक्रिय किया गया। बढ़ा हुआ तनाव पारंपरिक पावर ग्रिड को विफल कर देगा। हालांकि, ग्रिड-एज सिस्टम ने स्थिरता प्रदर्शित की।

प्राकृतिक आपदाएँ

टीम ने अपने नेटवर्क का परीक्षण मौसम संबंधी घटनाओं के खिलाफ भी किया। उन्होंने एक बड़े प्राकृतिक आपदा की कल्पना की जो ट्रांसमिशन लाइनों के बड़े प्रतिशत को नुकसान पहुंचाती है। यह परिदृश्य विश्व भर में आम है क्योंकि बड़े प्राकृतिक आपदाएँ अधिक बार होती हैं।

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड परीक्षण परिणाम

एल्गोरिद्म के परीक्षण ने सिद्ध किया कि ग्रिड-एज उपकरणों के नेटवर्क विभिन्न हमलों के कारण ऊर्जा हानि को पूरक कर सकते हैं। सिस्टम ने ग्रिड टोपोलॉजी को समायोजित करके ग्रिड को सफलतापूर्वक पुनः स्थिर किया। अतिरिक्त रूप से, नया एल्गोरिद्म स्वचालित रूप से यह निर्धारित कर सकता है कि कौन से उपकरण विश्वसनीय हैं और उनकी क्षमताएँ क्या हैं।

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड के लाभ

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड बाजार में कई लाभ लाते हैं। सबसे पहले, वे प्रत्येक उपकरण की पावर खपत को ध्यान में रखते हुए अनुकूलित पावर जनरेशन प्रदान करते हैं, जिससे दक्षता मिलती है। यह सिस्टम मौजूदा स्थिति की तुलना में अधिक हरित और सतत विकल्प है।

IoT उपकरण हर जगह हैं

एक और लाभ IoT उपकरणों का उपयोग है। इन इकाइयों की संख्या अरबों में है और वे विश्व स्तर पर पावर ग्रिड को स्थिर करने की क्षमता रखते हैं। यह रणनीति उनकी क्षमताओं को ध्यान में रखती है और उन्हें मिलाकर एक अधिक मजबूत विद्युत ग्रिड बनाती है, जो अत्यधिक परिस्थितियों को बिना विफलता के संभाल सकता है।

नवीकरणीय ऊर्जा अंतर को भरता है

पवन और सौर ऊर्जा जैसी तकनीकें स्वच्छ ऊर्जा बनाने में उत्कृष्ट हैं। हालांकि, ऐसे समय होते हैं जब वे घरों को चलाने के लिए आवश्यक बिजली उत्पन्न नहीं कर पाते। इन परिदृश्यों में, इंजीनियर ग्रिड-एज उपकरणों को अतिरिक्त कार्यभार संभालने की कल्पना करते हैं।

लाभदायक

इस रणनीति का एक संभावित लाभ अधिक गतिशील स्थानीय विद्युत बाजार है, जहाँ प्रतिभागियों को उनके योगदान के लिए मुआवजा मिल सकता है। जबकि MIT शोधकर्ता इस अवधारणा का प्रस्ताव रखते हैं, विशिष्ट वित्तीय प्रोत्साहन जैसे बिल क्रेडिट या भुगतान बाजार कार्यान्वयन और नियामक ढाँचों पर निर्भर करेंगे। यह अच्छा होगा यदि आपको एक महीने की मुफ्त बिजली मिल सके क्योंकि पिछले महीने आपके स्मार्ट फ्रिज और थर्मोस्टेट ने ग्रिड को स्थिर रखने में अपना योगदान दिया था।

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड शोधकर्ता

विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड अध्ययन MIT के इंजीनियरों की एक टीम द्वारा प्रस्तुत किया गया था। पत्र में मुख्य लेखकों के रूप में Vineet Nair और John Williams का उल्लेख है। इस शोध को Anu Annaswamy ने भी सह-लेखक के रूप में लिखा है। उल्लेखनीय है कि इसे भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान, नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लैबोरेटरी, यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी और MIT एनर्जी इनिशिएटिव से फंडिंग मिली है।यह अध्ययन प्रमुख शोधकर्ता Nair के अनुकूलन नियंत्रण सिद्धांत के क्षेत्र में पूर्व कार्य को विस्तारित करता है। अनुकूलन नियंत्रण सिद्धांत उन सिस्टमों के निर्माण पर केंद्रित है जो बिना मानव हस्तक्षेप के समस्याओं को महसूस कर सकते हैं और स्वचालित रूप से सुधार सकते हैं। यह नवीनतम प्रोटोकॉल इस शोध के साथ संगत है और एक दिन पूरे वर्ष घरों को ऊर्जा प्रदान करने में मदद कर सकता है।

ऊर्जा समाधान में अग्रणी कंपनियाँ

बाजार में सबसे स्थिर ऊर्जा समाधान प्रदान करने की दौड़ ने कई प्रमुख खिलाड़ियों को उभारा है। इन कंपनियों ने बाजार में ऊर्जा उत्पादन और वितरण को बेहतर बनाने के लिए लाखों डॉलर R&D में निवेश किए हैं। यहाँ एक कंपनी है जो किसी भी पावर ग्रिड सुधार का लाभ उठाने के लिए आदर्श रूप से स्थित है।

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK ) ने 1904 में कटाुबा नदी पर स्थित एक जलविद्युत पावर प्लांट के रूप में बाजार में प्रवेश किया। कंपनी की स्थापना James Buchanan Duke और Benjamin Newton Duke ने की थी और इसका मुख्यालय Charlotte, North Carolina में स्थित है। अपने लॉन्च के बाद से, Duke Energy Corporation ने महत्वपूर्ण वृद्धि देखी। आज यह संयुक्त राज्य अमेरिका की सबसे बड़ी इलेक्ट्रिक पावर कंपनियों में से एक है।

Duke Energy का बाजार में प्रभुत्व कई दशकों, अधिग्रहणों और बाजार गतियों के माध्यम से आया। 1997 में, कंपनी ने अपने प्रस्तावों को विस्तारित करने के लिए PanEnergy Corporation के साथ विलय किया। फिर, 2005 में, Duke Energy ने Cinergy Corporation का अधिग्रहण किया, जिससे प्रमुख राज्यों में बाजार पैठ बढ़ी।

आज, Duke Energy ऊर्जा उत्पादन क्षेत्र में एक बाजार नेता बना हुआ है। कंपनी अपनी रणनीति के हिस्से के रूप में विश्वसनीय और किफायती ऊर्जा प्रदान करने के लिए नई तकनीक को नवाचार और एकीकृत करती रहती है।

इसकी स्थिति और इतिहास Duke Energy को ग्रिड-एज अध्ययन के निष्कर्षों को एकीकृत करके अपने प्रस्तावों में सुधार करने में सक्षम बनाते हैं। इसलिए, DUK को किसी भी पोर्टफोलियो में एक मजबूत जोड़ के रूप में देखा जाता है।

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विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड का भविष्य

इंजीनियर मानते हैं कि अपनाने में अभी भी कई बाधाएँ हैं जिन्हें सफल होने के लिए पार करना आवश्यक है। सबसे पहले, सिस्टम को ग्राहकों और व्यवसायों को नेटवर्क में शामिल होने के लिए विकल्प चुनना पड़ेगा। इसके बाद, उन्हें कुछ हार्डवेयर को एकीकृत करने के लिए सहमत होना होगा ताकि सिस्टम नेटवर्क में पावर वापस इंजेक्ट कर सके और उनके प्रयासों को ट्रैक कर सके। इन सभी चरणों के लिए जनता को शिक्षित करना और कम लागत व सुलभ समाधान प्रदान करना आवश्यक होगा।

पावर ग्रिड की स्थिरता प्राप्त करना

इस टीम को उनके अनोखे दृष्टिकोण के लिए सराहना करनी चाहिए। उनका सिद्धांत उपलब्ध ग्रिड-एज उपकरणों का उपयोग करके पूरे सिस्टम को स्थिर करने में मदद करता है। यह रणनीति समझदारीपूर्ण है, बड़े खर्च या नेटवर्क परिवर्तन की आवश्यकता नहीं है, और आज मौजूद विशाल IoT नेटवर्क का लाभ उठाती है। इसलिए, आप भविष्य में विकेंद्रीकृत पावर ग्रिड पर आगे के शोध की उम्मीद कर सकते हैं।

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अध्ययन संदर्भ:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, विश्वसनीय IoT-समन्वित संपत्तियों के माध्यम से विद्युत ग्रिड की स्थिरता, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}