धातु खनन की आवश्यकता के बिना हीट बैटरियों का तेज़ी से परिपक्व होना

बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता

ऐसे बैटरी सिस्टमों की बढ़ती आवश्यकता है जो कई घंटे या दिनों तक बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकें। ऐसा इसलिए है क्योंकि सौर और पवन ऊर्जा अस्थिर होती है, दिन के दौरान और दिन‑प्रतिदिन बदलती रहती है।

एक और कारक औद्योगिक प्रक्रियाओं, जैसे धातु विज्ञान, की ऊर्जा मांग है। इन कारखानों को 24/7 बिजली चाहिए, आमतौर पर 1,000‑1500°C के तापमान में बड़ी मात्रा में गर्मी उत्पन्न करने के लिए।

इलेक्ट्रिक वाहनों की तरह लिथियम‑आयन बैटरियों का उपयोग बड़े पैमाने पर समाधान के रूप में संभव नहीं है। वे बहुत महंगी, पर्याप्त टिकाऊ नहीं, और बहुत अधिक कच्चे माल की खपत करती हैं।

इसी कारण विभिन्न वैकल्पिक बैटरी रसायनों को यूटिलिटी‑स्केल ऊर्जा भंडारण के लिए माना गया है। हम इन विकल्पों में से अधिकांश को अपने लेख “ऊर्जा भंडारण का भविष्य – यूटिलिटी‑स्केल बैटरियों की तकनीक” में देखते हैं, जिसमें लिथियम‑आयरन‑फॉस्फेट, सोडियम‑आयन, रेडॉक्स‑फ़्लो, आयरन‑एयर, पिघला धातु, निकेल‑हाइड्रोजन, सोडियम‑सल्फर आदि शामिल हैं।

इन सभी बैटरियों में ऊर्जा को किसी न किसी रूप में बिजली के रूप में संग्रहीत किया जाता है, आमतौर पर धातु के ऑक्सीकरण और रिडक्शन के माध्यम से।

समस्या यह है कि यहाँ तक कि बहुत सामान्य धातुएँ जैसे लोहे या एल्युमीनियम को भी बहुत अधिक खनन की आवश्यकता होगी। तो क्या होगा यदि हम ऊर्जा को किसी अन्य रूप में संग्रहीत करें?

गर्मी संग्रहीत करना

बिना बिजली के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करने के कई आश्चर्यजनक विकल्प मौजूद हैं। हमने इन्हें अपने लेख “बिना‑रासायनिक बैटरियों के ऊर्जा संक्रमण के लिए वैकल्पिक विकल्प” में विस्तार से देखा।

• संपीड़ित हवा।
• गुरुत्वाकर्षण बैटरियां (पत्थर, पम्प्ड हाइड्रो)।
• हीट बैटरियां।
• फ्लाईव्हील।
• थर्मल सोलर।

इन विकल्पों, बैटरियों और गैर‑बैटरियों, के अपने‑अपने फायदे और नुकसान हैं। आदर्श ऊर्जा भंडारण समाधान में कुछ विशेषताएँ होनी चाहिए:

• धातु और दुर्लभ सामग्री की आवश्यकता नहीं।
• दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण।
• कम लागत।
• उपलब्ध साइटों या संसाधनों की सीमा के बिना आसानी से स्केलेबल।
• न्यूनतम हानि के साथ बिजली के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

पहले 4/5 विकल्पों के लिए, हीट भंडारण उपयुक्त होगा। सैंड बैटरियां, जैसे फिनिश कंपनी Polar Night Energy की, गर्मियों की अतिरिक्त ऊर्जा को सर्दियों में संग्रहीत कर सकती हैं, जो उत्तरी क्षेत्रों की ठंडी और धूप रहित सर्दियों में हीटिंग सिस्टम को नवीकरणीय ऊर्जा से चलाने के लिए आवश्यक है। और यह केवल कम ग्रेड रेत और फ्रेम व पाइपिंग के लिए थोड़ा धातु उपयोग करती है।

स्रोत: Polar Night Energy

एक समान हीट बैटरी Rondo Energy द्वारा कल्पित है, जिसमें ईंटें 1500°C तक गर्म की जा सकती हैं, और इस गर्मी का उपयोग सीमेंट या इस्पात उत्पादन जैसी औद्योगिक प्रक्रियाओं में किया जाता है।

ये हीट बैटरियां तब अच्छी तरह काम करती हैं जब इच्छित उत्पाद को पहले ही गर्म किया जाता है, चाहे वह अपार्टमेंट के लिए डिस्ट्रिक्ट हीटिंग हो या औद्योगिक गर्मी।

स्रोत: Rondo Energy

हालांकि, हीट बैटरियों को ग्रिड को ऊर्जा प्रदान करने के लिए उपयुक्त नहीं माना जाता था, क्योंकि गर्मी को फिर से बिजली में बदलने की दक्षता आमतौर पर 20‑30% के निम्न स्तर पर होती है। इसका मतलब है कि संग्रहीत ऊर्जा का लगभग 4/5 हिस्सा वास्तव में खो जाता है। या दूसरे शब्दों में, संग्रहीत ऊर्जा उत्पादन के समय की तुलना में अचानक 5 गुना अधिक महंगी हो जाती है।

भले ही अब सौर ऊर्जा जीवाश्म ईंधन ऊर्जा के बराबर हो गई है, फिर भी यह पाँच गुना सस्ती नहीं है। हालांकि, यह समस्या केवल अस्थायी हो सकती है, क्योंकि थर्मोफोटोवोल्टाइक नामक तकनीक में नवाचार हो रहा है।

थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स – फोटोवोल्टाइक, लेकिन गर्मी के साथ

थर्मोफोटोवोल्टाइक का विचार पारंपरिक फोटोवोल्टाइक की तरह शक्ति उत्पन्न करने का है, लेकिन सूर्य के प्रकाश के बजाय गर्मी—या अधिक सटीक रूप से, गर्म पदार्थों द्वारा उत्सर्जित इन्फ्रारेड प्रकाश—का उपयोग करके।

एक पारंपरिक फोटोवोल्टाइक पैनल में, किसी भी प्रकाश आवृत्ति जो एक निश्चित सीमा से नीचे होती है, वह करंट उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं रखती और बर्बाद हो जाती है। यह सभी इन्फ्रारेड प्रकाश के लिए सत्य है, क्योंकि इन्फ्रारेड विद्युतचुंबकीय तरंगें ऊर्जा में बहुत कम होती हैं।

यह स्वयं में नई तकनीक नहीं है, लेकिन यह हमेशा बहुत कम दक्षता स्तर के कारण व्यापक रूप से अपनाई नहीं गई। यह तब तक सत्य था जब तक मिशिगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक उपलब्धि हासिल नहीं की, जिसे उन्होंने वैज्ञानिक प्रकाशन “उच्च दक्षता एयर‑ब्रिज थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स” में प्रकाशित किया।

उन्होंने दावा किया है कि उन्होंने 1,500°C से नीचे के तापमान पर 44% की रिकॉर्ड दक्षता हासिल की है, जो पहले के 37% परिणामों से काफी अधिक है।

और शोधकर्ता मानते हैं कि वे निकट भविष्य में 50% दक्षता तक पहुंचने का तरीका खोज चुके हैं।

स्रोत: Cell

थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स कैसे काम करते हैं?

सबसे पहले, भंडारण सामग्री, जो पत्थर, रेत, कार्बन, ईंट, सिरेमिक आदि हो सकती है, को गर्म किया जाना चाहिए, या तो नवीकरणीय स्रोतों से अतिरिक्त बिजली के साथ या सीधे सौर गर्मी से।

1435°C पर, लगभग 20‑30% इन्फ्रारेड फोटॉनों में पर्याप्त ऊर्जा होती है जो शोध टीम के थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स में बिजली उत्पन्न कर सकती है।

स्रोत: Design Boom

थर्मोफोटोवोल्टाइक पैनल में उपयोग किए गए अर्धचालक के साथ अन्य इन्फ्रारेड आवृत्तियों को बिजली में बदलना संभव नहीं था।

तो, उन्होंने 44% तक कैसे पहुँचा? चतुर “ट्रिक” यह थी कि थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल के अर्धचालक के ठीक बाद एक पतली हवा की परत और हवा के अंतराल के परे एक सोने का रिफ्लेक्टर जोड़ा गया।

यह सही ऊर्जा स्तर वाले फोटॉनों को फँसाए रखता है और उन्हें बिजली उत्पन्न करने के लिए तैयार करता है। अन्य फोटॉनों को फिर से गर्म सामग्री की ओर वापस भेजा जाता है, जिससे वह पुनः गर्म हो जाता है। फिर उन्हें सही प्रकाश आवृत्ति के साथ थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल की ओर भेजे जाने का एक और अवसर मिलता है।

मूल रूप से, यह सेल को पहली बार न पकड़े गए फोटॉनों को पुनः उपयोग करने देता है, जिससे कुल रूपांतरण दक्षता बढ़ती है।

भविष्य की हीट बैटरियां

44% या 50% की दक्षता पम्प्ड हाइड्रो (70‑85%) या लिथियम‑आयन बैटरियों (85‑95%) की तुलना में उतनी प्रभावशाली नहीं लग सकती।

स्रोत: EESI

लेकिन यह नज़रअंदाज़ करना होगा कि यूटिलिटी‑स्केल ऊर्जा भंडारण का बड़े पैमाने पर कार्यान्वयन आर्थिक पहलुओं के साथ-साथ तकनीकी पहलुओं पर भी निर्भर करता है।

बैटरियों की आयु वर्षों में मापी जाती है, जिसके बाद उन्हें रीसाइक्लिंग की आवश्यकता होती है। इस पैमाने पर उन्हें लागू करने के लिए पर्याप्त लिथियम नहीं है और तांबा, निकल या कोबाल्ट और भी कम उपलब्ध हैं, विशेष रूप से जब इस धातु का अधिकांश उत्पादन पहले से ही इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए आवश्यक है।

इसके विपरीत, हीट बैटरियां दशकों तक चल सकती हैं और उन्हें बहुत कम या कोई रखरखाव नहीं चाहिए। उन्हें पत्थर, रेत या मिट्टी के अलावा लगभग कोई सामग्री नहीं चाहिए। इन्हें कहीं भी और किसी भी आकार में बनाया जा सकता है, यहाँ तक कि अत्यधिक बड़े आकार में, और यह पारिस्थितिक तंत्र पर लगभग कोई प्रभाव नहीं डालता, जो हाइड्रोइलेक्ट्रिक के विपरीत है।

अंत में, जब ऊर्जा को हफ्तों और महीनों तक संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है, तो गर्मी सबसे प्रभावी तरीकों में से एक है, क्योंकि लगभग सभी प्रकार की बैटरियां समय के साथ शक्ति “लीक” करती हैं, जो एक अच्छी तरह से अलग किए गए हीट स्टोरेज सिस्टम की तुलना में बहुत अधिक दर से होती है।

“यह एक प्रकार की बैटरी है, लेकिन बहुत निष्क्रिय। आपको इलेक्ट्रोकेमिकल सेल्स की तरह लिथियम खनन करने की जरूरत नहीं है, जिसका मतलब है कि आपको इलेक्ट्रिक वाहन बाजार के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं करनी पड़ेगी।

हाइड्रोइलेक्ट्रिक ऊर्जा भंडारण के लिए पम्प्ड पानी के विपरीत, आप इसे कहीं भी रख सकते हैं और निकटवर्ती जल स्रोत की आवश्यकता नहीं होती,”

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

इस प्रकार, कुल मिलाकर, हीट बैटरी नवीकरणीय ऊर्जा की अस्थिरता को संतुलित करने के लिए एक आदर्श ऊर्जा भंडारण समाधान हो सकती है। और यह पवन या धूप वाले महीनों की अतिरिक्त ऊर्जा को ठंडे जलवायु में सर्दियों के लिए, या उष्णकटिबंधीय जलवायु में बरसात के मौसम के लिए संग्रहीत कर सकती है।

हीट स्टोरेज / थर्मोफोटोवोल्टाइक कंपनियां

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow II-VI Inc. की एक शाखा है, जो (वर्तमान में अपेक्षाकृत छोटा) थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स के उत्पादन का क्षेत्र में उद्योग अग्रणी है। 2022 में, II-VI Inc. ने लेज़र निर्माता Coherent Inc. (COHR ) का अधिग्रहण किया और बाद में अपना कंपनी नाम बदल दिया।

कंपनी लेज़र, ऑप्टिक्स और फोटॉनिक्स में उपयोग होने वाली उन्नत सामग्रियों, जैसे इंडियम फॉस्फाइड, एपिटैक्सियल वेफ़र और गैलियम आर्सेनाइड, में विशेषज्ञ है। यह पिछले दशक में कई अधिग्रहणों के कारण बड़ी हुई है।

स्रोत: Coherent

कंपनी की थर्मोफोटोवोल्टाइक गतिविधि उसके कुल राजस्व का केवल एक छोटा हिस्सा है, जबकि ऑप्टिक फाइबर, लेज़र आदि उसकी आय का मुख्य भाग बनाते हैं। यह निवेशकों के लिए अच्छी खबर हो सकती है, क्योंकि इसका मतलब है कि यदि नवाचार नए बाजार खोलता है तो उसके पास नई तकनीक को औद्योगिक स्तर पर जल्दी से लागू करने के लिए पूंजी है।

स्रोत: Coherent

उदाहरण के लिए, अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा के यूटिलिटी‑स्केल भंडारण का विशाल बाजार…

जैसा कि मिशिगन विश्वविद्यालय ने “पेटेंट सुरक्षा के लिए आवेदन किया है (…) और तकनीक को बाजार में लाने के लिए साझेदारों की तलाश कर रहा है”, यह आश्चर्यजनक नहीं होगा यदि Coherent जैसी कंपनी नई थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स को बाजार में लाने वाली बन जाए। विशेष रूप से क्योंकि उसके पास थर्मोफोटोवोल्टाइक और समान उन्नत सामग्रियों के औद्योगिक उत्पादन में पहले से ही विशेषज्ञता है।

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

मिशिगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए गए थर्मोफोटोवोल्टाइक सेल्स InGaAsP (इंडियम गैलियम आर्सेनाइड फॉस्फाइड) से बनाए गए थे।

“इसलिए हम जांचते हैं कि क्या एयर‑ब्रिज आर्किटेक्चर को टर्नरी से क्वाटर्नरी ग्रुप III‑V एब्जॉर्बर्स (InGaAsP, जो InP सब्सट्रेट के साथ लैटिस‑मैच्ड है) में बदलने से इमिटर तापमान की लक्ष्य सीमा में दक्षता बढ़ सकती है।”

यदि यह तकनीक यूटिलिटी‑स्केल ऊर्जा भंडारण के लिए मानक बन जाती है, तो हमें InGaAsP की बड़ी मात्रा की आवश्यकता होगी।

इसलिए इस परिदृश्य में यह समझदारी होगी कि हम उस कंपनी पर दांव लगाएँ जो 30 वर्षों से InGaAsP उत्पादन में अग्रणी रही है, जापानी समूह Sumitomo।

“30 से अधिक वर्षों से, Sumitomo Electric का सेमीकंडक्टर डिवीजन विश्व का सबसे बड़ा गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) और इंडियम फॉस्फाइड (InP) निर्माता के रूप में अपनी नेतृत्व स्थिति बनाए रखता आया है।

Sumitomo नाम III‑V सामग्रियों में गुणवत्ता का पर्याय बन गया है। Sumitomo Electric ने अपने वैश्विक ग्राहकों को उच्च‑गुणवत्ता वाले सब्सट्रेट प्रदान करके, जो उच्च उपज और स्थिर विद्युत विशेषताओं वाले उपकरण देते हैं, इस प्रतिष्ठा को हासिल किया है।”

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, और उसका कॉम्पाउंड सेमीकंडक्टर्स विभाग, बड़े Sumitomo समूह की शाखा है, जो विश्व के सबसे बड़े सोगो शॉ (सामान्य व्यापार कंपनियों) में से एक है।

InGaAsP के अलावा, Sumitomo Electric Industries की मुख्य गतिविधि उत्पादन में शामिल है:

• टेलीकॉम उपकरण (ऑप्टिकल फाइबर, 5G)
• ऑटोमोबाइल वायरिंग और हाई‑पावर केबल
• इलेक्ट्रॉनिक्स (लचीले प्रिंटेड सर्किट, डेटा वायर, फ़िल्ट्रेशन मेम्ब्रेन)
• उच्च‑गुणवत्ता वाली सामग्री (कार्बाइड, कटिंग टूल, प्री‑स्ट्रेसिंग स्टील स्ट्रैंड)।

स्रोत: Sumitomo

उच्च‑गुणवत्ता वाली सामग्री के बड़े पैमाने पर उत्पादन में विशेषज्ञता, InGaAsP उत्पादन में नेतृत्व, और सोगो शॉ / सामान्य व्यापार कंपनी के रूप में व्यापारिक कनेक्शन यह सुनिश्चित करेंगे कि Sumitomo Electric Industries थर्मोफोटोवोल्टाइक के बड़े पैमाने पर अपनाने के मुख्य लाभार्थियों में से एक होगी।

यह वृद्धि टेलीकॉम (डिजिटलीकरण, AI) और इलेक्ट्रिक वाहनों के सहायक उत्पादों (केबल, वायरिंग) के लिए भी लाभदायक होगी, जो दोनों ही तेज़ी से बढ़ते सेक्टर हैं।