अधिक ऊर्जा, कम कार्बन डाइऑक्साइड – नई बैटरी तकनीक का बहु-आयामी स्थिरता दृष्टिकोण

बैटरी या कार्बन कैप्चर? क्यों न दोनों?

ग्रीन ऊर्जा और विद्युतीकरण की धक्का मुख्यतः जलवायु परिवर्तन के संदर्भ में कार्बन उत्सर्जन को कम करने की आवश्यकता से प्रेरित है। हालांकि, सौर और पवन ऊर्जा स्वाभाविक रूप से अस्थिर होती है।

इसलिए, जितनी अधिक ग्रीन ऊर्जा ग्रिड को शक्ति देती है, उतनी ही अधिक यूटिलिटी-स्केल बैटरियों की आवश्यकता होती है ताकि पीक उत्पादन के दौरान ऊर्जा संग्रहीत की जा सके और बाद में ग्रिड को पुनः वितरित किया जा सके। यूटिलिटी-स्केल बैटरियों में संभवतः इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) की तुलना में बहुत अलग रसायन विज्ञान उपयोग होगा, क्योंकि वे समान प्रतिबंधों के तहत काम नहीं करतीं:

• उच्च घनत्व या हल्के वजन की आवश्यकता नहीं, यूटिलिटी बैटरियों को पावर प्लांट्स या समर्पित साइटों पर जमीन पर संग्रहीत किया जा सकता है।
• कुल लागत (निर्माण + संचालन) के प्रति अत्यधिक संवेदनशीलता।
• विस्तार में तैनात होने के लिए सस्ते और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्री का उपयोग आवश्यक है, जिससे कोबाल्ट, प्लेटिनम, पैलेडियम आदि जैसे धातुओं (या आदर्श रूप से लिथियम) को छोड़ना पड़े।
• बहुत लंबी आयु की आवश्यकता है जिसमें क्षमता में कोई गिरावट न हो, आदर्श रूप से कई दशकों की सीमा में।

यह वह विषय है जिसे हमने पहले अपने लेख “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” में गहराई से खोजा था, जहाँ हमने इस अनुप्रयोग के लिए विकसित हो रही अधिकांश संभावित रसायन विज्ञानों की सूची दी थी।

इन सभी बैटरियों का उद्देश्य ग्रीन ऊर्जा को अधिक आर्थिक रूप से व्यवहार्य और व्यापक रूप से अपनाने योग्य बनाना है, जिससे कार्बन उत्सर्जन कम होगा। हालांकि, इनमें से कोई भी सीधे उत्सर्जन को कम करने या कार्बन को पकड़ने में योगदान नहीं देता।

यहाँ तक कि तथाकथित CO2 बैटरियां भी बिजली डिस्चार्ज होने पर CO2 को पुनः उत्सर्जित कर देंगी।

यह बदलाव एक क्रांतिकारी नई बैटरी डिजाइन के कारण संभव हो सकता है, जो न केवल ऊर्जा संग्रहीत कर सकती है बल्कि हाइड्रोजन भी उत्पन्न कर सकती है और स्थायी रूप से कार्बन को पकड़ सकती है।

कार्बन-कैप्चर बैटरियां

कार्बन कैप्चर का विचार सामान्यतः उत्सर्जित CO2 को लेकर उसे उपयोगी उत्पादों में बदलना है। आप इस लेख में Energy Tracker द्वारा विभिन्न कार्बन कैप्चर तकनीकों के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं।

स्रोत: EnergyTracker

अब तक, ऐसी प्रक्रिया औद्योगिक प्रक्रियाओं के ऊपर जोड़ने के लिए थी और यह कोई व्यावहारिक उत्पाद नहीं, बल्कि कार्बन को पकड़ने के साथ अतिरिक्त लागत का प्रतिनिधित्व करती थी। प्रक्रिया स्वयं उपयोगी नहीं थी।

हमने अपने लेख “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In” में कार्बन कैप्चर की वर्तमान स्थिति पर अधिक विस्तार से चर्चा की।

Oak Ridge National Laboratory के शोधकर्ताओं ने संभवतः कार्बन कैप्चर को ग्रीन ऊर्जा पावर ग्रिड और संबंधित बैटरियों का अभिन्न हिस्सा बनाने का तरीका खोजा है। उन्होंने अपने निष्कर्ष जर्नल ऑफ पावर सोर्सेज में प्रकाशित किए, शीर्षक “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage” के तहत।

पिछला अवधारणा उन्नत

कार्बन-कैप्चर बैटरी पारंपरिक मेटल-CO2 से एक उन्नयन है जो CO2 को चक्रित करती है जबकि एक धातु (M) को ऑक्सीकरण करती है, जो सोडियम (Na), लिथियम (Li), या मैग्नीशियम (Mg) हो सकता है: CO2 ↔ MxCO3।

मेटल-CO2 बैटरियों की एक बार-बार आने वाली समस्या ठोस डिस्चार्ज उत्पादों जैसे M2CO3(s) (M = Li या Na), Al2(C2O4)3(s), या MgCO3(s) का इलेक्ट्रोड सतह पर जमा होना है, जो अक्सर छिद्रयुक्त इलेक्ट्रोड संरचना को जाम कर देता है।

यह जाम बैटरी को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है, उसकी क्षमता को शीघ्रता से घटा देता है।

इस समस्या को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो संभावित बैटरियों का विकास किया, एक सोडियम पर आधारित और दूसरा एल्यूमीनियम पर, दोनों प्रचुर मात्रा में उपलब्ध और कम लागत वाली सामग्री हैं।

Na-CO2 बैटरी एक आयरन-निकेल उत्प्रेरक पर निर्भर करती है, जो उद्योग में अधिकांश उत्प्रेरकों से बहुत सस्ता है।

पिछले डिजाइनों के विपरीत, नई CO2 बैटरी गैसीय रूप में CO2 नहीं छोड़ती, बल्कि कार्बोनेट उपउत्पाद तरल इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाता है।

इन कार्बोनेटों को फिर या तो बैटरी में रखा जा सकता है या जब वे जमा होकर ठोस रूप में अवक्षेपित हों तो एकत्र किया जा सकता है। फार्मास्यूटिकल या सीमेंट उद्योग इन्हें उपयोग कर सकता है।

एकमात्र गैसें जो जारी होती हैं, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन हैं, जो जलवायु परिवर्तन में योगदान नहीं देतीं और यहाँ तक कि ऊर्जा या ईंधन उत्पादन के लिए पकड़ी जा सकती हैं।

स्रोत: Oak Ridge National Laboratory

इंजीनियरिंग चुनौतियों को पार करना

यह विचार इतना प्रभावशाली लगता है कि यह आश्चर्यजनक हो सकता है कि इसे पहले नहीं किया गया है।

कारण यह है कि इसे व्यावहारिक रूप से लागू करने के लिए कुछ तकनीकी मुद्दों को पार करना पड़ा।

पहले, इलेक्ट्रोड को गीले और सूखे कक्षों में एक ठोस आयन चालक के साथ अलग किया जाना चाहिए। चालक ने इलेक्ट्रॉन गति को धीमा कर दिया, जिससे बैटरी की दक्षता घट गई।

दूसरे, इस प्रकार की Na-CO2 बैटरी इलेक्ट्रोड पर फिल्म जमा होने की CO2 बैटरी समस्या से मुक्त नहीं है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने बहुत उन्नत माइक्रोस्कोप और एक्स-रे मशीनों का उपयोग करके पाया कि असमान चार्जिंग और डिस्चार्जिंग पल्स ने इलेक्ट्रोड पर फिल्म जमा होने से रोका।

“हम पहली बार रिपोर्ट कर रहे हैं कि निष्क्रिय सेल को पुनः सक्रिय किया जा सकता है।

और हमने निष्क्रियता और सक्रियता का मूल कारण पाया। यदि आप बैटरी को बहुत लंबे समय तक सममित रूप से चार्ज-डिस्चार्ज करते हैं, तो यह एक चरण में मृत हो जाती है। यदि आप हमारे सेल के लिए स्थापित प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं, तो विफलता की संभावना बहुत कम होती है।

रुहुल अमिन – परियोजना के प्रमुख शोधकर्ता

शायद और भी अधिक प्रभावशाली यह है कि ये बैटरियां संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग करके CO2 को पकड़ सकती हैं, इसलिए नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के चरम पर नहीं, जिससे इसे अधिक लचीलापन मिलता है। यह उन पीकर पावर प्लांटों से कार्बन पकड़ने के लिए भी एक आदर्श मेल हो सकता है जो पवन कमजोर या सूर्य नहीं चमक रहा हो तो ऊर्जा उत्पादन के लिए जीवाश्म ईंधन पर निर्भर होते हैं।

व्यावसायिक डिजाइन की ओर बढ़ना

CO2 बैटरी के पुनः सक्रिय हो सकने के प्रमाण के साथ, टीम ने एक व्यावहारिक यूटिलिटी-स्केल बैटरी की आवश्यकताओं के अनुरूप प्रदर्शन को सुधारने की दिशा में काम किया।

इसके लिए, उन्होंने Na-CO2 प्रोटोटाइप के समान सिद्धांत पर आधारित एक Al-CO2 बैटरी विकसित की।

प्रोटोटाइप ने उल्लेखनीय परिणाम हासिल किए, विशेष रूप से:

• 600 घंटे (25 दिन) संचालन बिना क्षमता खोए।
• बाद में उपयोग के लिए 10 घंटे से अधिक बिजली संग्रहीत करने की पर्याप्त क्षमता।

आगे क्या है?

समुद्र जल को जल माध्यम के रूप में उपयोग करने से बैटरी की गति और हाइड्रोजन+ऑक्सीजन उत्पादन को क्लोरीन परमाणुओं से ब्लीच बनाकर काफी सुधार सकता है। इसलिए, यह बैटरी प्रारंभिक अपेक्षा से भी अधिक उपयोगी उपउत्पादों के साथ काम कर सकती है।

एक और चुनौती यह होगी कि एल्यूमीनियम-CO2 बैटरी डिजाइन को वास्तविक यूटिलिटी-स्केल तैनाती के लिए बड़े पैमाने पर लाया जाए।

एक और चल रहा कार्य सोडियम-CO2 बैटरी पर वापस जाना और बैटरी कक्षों को अलग करने के लिए बहुत बारीक, घना, यांत्रिक रूप से स्थिर सिरेमिक मेम्ब्रेन विकसित करना है, ताकि बैटरी व्यावसायिक रूप से प्रतिस्पर्धी बन सके।

बैटरियों की कंपनियां

उनकी पूर्व सीमाओं के कारण, CO2 बैटरी कंपनियों की संख्या कम है। हालांकि, नई तकनीक को शीघ्र अपनाने के इतिहास वाली नवाचारी बैटरी कंपनियां आवश्यक होने पर क्षेत्र में प्रगति का उपयोग करके नई रसायन विज्ञान विकसित कर सकती हैं।

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD चीन की प्रमुख EV कंपनी है, जिसने 2022 में 1,860,000 वाहन बेचे, 2022 में €20B राजस्व प्राप्त किया, और देश की सबसे बड़ी निजी कंपनियों में से एक है।

कंपनी ने 2000 में Motorola को लिथियम-आयन बैटरियों का पहला आपूर्तिकर्ता बनकर शुरुआत की और 2003 में ही ऑटोमोबाइल व्यवसाय में प्रवेश किया। आज, यह बसों, ट्रेनों, अर्धचालकों और बैटरी ऊर्जा भंडारण में भी सक्रिय है।

स्रोत: Byd Company

इसके विशाल आकार के कारण, “BYD ने LG को पीछे छोड़ कर विश्व की दूसरी सबसे बड़ी EV बैटरी आपूर्तिकर्ता बन गई”

EV बाजार के परे, BYD, टेस्ला की तरह, अपनी विशाल बैटरी आपूर्ति को अन्य बाजारों में उपयोग करने की तलाश में है। इसने विशेष रूप से आवासीय उपयोग के लिए Battery-Box लॉन्च किया, जो कोबाल्ट-रहित लिथियम आयरन फॉस्फेट रसायन विज्ञान का उपयोग करता है। यह अपने New Energy पैकेज की भी पेशकश करता है, जो सौर और भंडारण समाधान को मिलाता है।

Battery-Box और New Energy को मिलाकर, BYD Energy Storage System (ESS) ने 14 GWh से अधिक भंडारण क्षमता शिप की है।

BYD खनिज बैटरी सेल से बैटरी पैक तक पूरी सप्लाई चेन लेआउट का मालिक है। इसने उसे अपनी स्वयं की स्वामित्व वाली रीसाइक्लिंग समाधान स्थापित करने में मदद की, जहाँ पुराने कार बैटरियों को स्थिर भंडारण या नई उपविभाग 2022 में के माध्यम से पूरी बैटरी रीसाइक्लिंग की जाती है।

BYD अब विदेशों में विस्तार कर रहा है, विशेष रूप से यूरोप में, अपने अभी भी छोटे बाजार हिस्से को चार गुना करने की योजनाओं के साथ, साथ ही हंगरी में स्थानीय उत्पादन, जिसमें 150,000 वाहन प्रति वर्ष की क्षमता है जिसे 300,000 तक दुगुना किया जा सकता है। यह स्थानीय निर्माताओं और टेस्ला पर दबाव डाल सकता है, क्योंकि अब कीमत ईंधन-चालित कारों की सीमा में है।

संयुक्त राज्य में विस्तार अधिक सतर्क है क्योंकि यूएस-चीन प्रतिद्वंद्विता बढ़ती जा रही है, और वसंत 2024 में चीनी कारों पर 100% टैरिफ लगाया गया है।

स्रोत: BYD

दक्षिण अमेरिका, एशिया और यूरोप में मजबूत विकास संभावनाओं के साथ, साथ ही चीन में प्रमुख स्थिति, जो EVs का मुख्य बाजार है, BYD का स्टॉक टेस्ला की तुलना में कम प्रसिद्ध और कम मूल्यांकन वाले गुणकों वाला विकल्प है।

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

चीन की CATL बैटरियों की मात्रा के आधार पर विश्व की सबसे बड़ी बैटरी कंपनी है। इसने 2022 में लगभग विश्व की बैटरियों का आधा हिस्सा GWh में उत्पादन किया।

इसके पास कुछ सबसे उन्नत लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरियां भी हैं, जो कम लागत वाले EVs के लिए सस्ती और “पर्याप्त घनी” बैटरियां बनाने का समाधान हो सकती हैं।

CATL की बैटरी रसायन विज्ञान में विशेषज्ञता अन्य विकल्पों तक भी विस्तारित है। विशेष रूप से, प्रभावशाली 160 Wh/kg सोडियम-आयन बैटरी 2021 में घोषित की गई थी. लिथियम को प्रचुर और सस्ते सोडियम से बदलना लिथियम का एक विकल्प प्रदान करता है, जिसकी कीमत हाल के वर्षों में बहुत अस्थिर और उच्च रही है। और उन अनुप्रयोगों के लिए जो अभी भी लिथियम की आवश्यकता रखते हैं, CATL भी बोलीविया में लिथियम उत्पादन विकसित करने के लिए $1.4B निवेश कर रहा है।

लेकिन बैटरी प्रदर्शन की बात आए तो, CATL प्रगति के सबसे अग्रभाग में है। पहले, उसने 330 Wh/kg अल्ट्रा-टिकाऊ “मिलियन माइल्स” बैटरी की घोषणा की, जो 5 मिनट में 80% चार्ज होती है और व्यावसायीकरण के लिए तैयार है। यह बैटरी भविष्य में टेस्ला द्वारा उपयोग की जानी चाहिए और हाई-परफॉर्मेंस EVs के लिए नया मानक बन जाएगी।

इसने हाल ही में 500 Wh/kg “संघनित” बैटरी की रिकॉर्ड-तोड़ घोषणा भी की, जो लंबी दूरी के EVs और विमानों को चलाने के लिए पर्याप्त घनी होगी। यह भी दावा करता है कि उसने बैटरियों को ठंडे मौसम में बेहतर संभालने का तरीका खोजा है, लेकिन यह अभी भी तकनीक की कमजोरी और ठंडे देशों में EVs के लिए समस्या है।

Tesla (TSLA ) और BYD जैसे EV नेताओं, या टॉयोटा जैसे महत्वाकांक्षी नए प्रवेशकों, अपने स्वयं के बैटरी तकनीक को एक अनूठा लाभ के रूप में विकसित करने पर विचार कर सकते हैं। लेकिन ऑटो उद्योग के बाकी हिस्से, जिसमें जर्मन, अमेरिकी और जापानी ऑटोमेकर शामिल हैं, उन्नत बैटरियों की दौड़ में बने रहने के लिए साझेदारों की तलाश कर रहे हैं। इसमें विशेष रूप से Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, और Mercedes Benz शामिल हैं।

CATL के पास उत्पादन मात्रा है जिससे वह बैटरी निर्माण में पैमाने की अर्थव्यवस्थाओं से सबसे अधिक लाभ उठा सकता है। उसकी बड़ी बिक्री मात्रा सीधे वैज्ञानिक विशेषज्ञता और बड़े R&D बजट में योगदान देती है, जिससे अधिक breakthroughs संभव होते हैं। ऑटोमेकर न होने के कारण, यह अधिकांश उद्योग के लिए BYD और Tesla जैसे प्रत्यक्ष प्रतिस्पर्धियों की तुलना में बेहतर साझेदार है।

अभी के लिए, कंपनी मुख्यतः EVs पर केंद्रित रही है। जैसे-जैसे चीन की नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन बढ़ेगा और तकनीक परिपक्व होगी, यह यूटिलिटी-स्केल बैटरियों की ओर मुड़ सकती है।

समग्र रूप से, यह CATL को बैटरी उत्पादन में विश्व का नेता बने रहने के लिए एक सम्मोहक तर्क प्रस्तुत करता है। हालांकि, यूएस और चीन के बीच बढ़ते तनाव को पूरी तरह से नहीं भूलना चाहिए, और इसका स्टॉक दुनिया की दो सबसे बड़ी अर्थव्यवस्थाओं के बीच शक्ति संघर्ष के बीच फँस सकता है।