ऊर्जा संक्रमण के लिए बैटरियों के गैर‑रासायनिक विकल्प

क्या बैटरियां सही विचार हैं?

औद्योगिक अर्थव्यवस्थाओं से जीवाश्म ईंधन को हटाने के लिए प्राथमिक दृष्टिकोण विद्युतीकरण रहा है। लक्ष्य है आंतरिक दहन इंजन (ICE) वाहनों को इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) से बदलना और दहन के बजाय हीट पंप के माध्यम से गर्मी उत्पन्न करना। हमने इस पर अपने लेख “द फ्यूचर ऑफ़ मोबिलिटी – बैटरी टेक” में विस्तार से जांच किया है।

समस्या यह है कि इस परिवर्तन को वास्तव में ‘हरित’ बनाने के लिए बिजली को नवीकरणीय या सतत स्रोतों से आना चाहिए – जो, पूछे जाने पर, परमाणु ऊर्जा को भी शामिल कर सकते हैं।

दोनों मामलों में, दिन और मौसम के दौरान बिजली की मांग में परिवर्तन का अर्थ है कि आपको बहुत अधिक अतिरिक्त क्षमता बनानी पड़ेगी जो अधिकांश समय निष्क्रिय रहेगी। यह नवीकरणीय ऊर्जा के लिए विशेष रूप से सत्य है, क्योंकि ठंडे और बादल वाले सर्दियों में सौर ऊर्जा कम उत्पादन करती है, और हवा कई हफ्तों तक नहीं चल सकती।

इसलिए दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण की अत्यंत आवश्यकता है। एक समाधान उपयोगिता‑स्तर की बैटरियां हो सकती हैं, जो नई रसायनों का उपयोग करके कम लागत या अन्य लाभ प्रदान करती हैं। हमने इस पर अपने लेख “द फ्यूचर ऑफ़ एनर्जी स्टोरेज – यूटिलिटी‑स्केल बैटरियों की तकनीक” में विस्तार से जांच किया है। एक अन्य विकल्प कुछ प्रकार के तरल ईंधन का उत्पादन करना है जिसे हम आवश्यकता पड़ने तक संग्रहीत रख सकते हैं, जैसे तरल हाइड्रोजन या तरल अमोनिया, जिसके बारे में हमने अपने लेख “द अदर हाइड्रोजन फ़्यूल – टॉप 5 ग्रीन अमोनिया स्टॉक्स” एवं “एल्गल बायोफ़्यूल: द नेक्स्ट एनर्जी रेवल्यूशन?” में विवरण दिया है।

लेकिन क्या होगा यदि ऊर्जा को दिनों, हफ़्तों, महीनों या यहाँ तक कि वर्षों तक संग्रहीत करने का सही तरीका बैटरियां न हों? इस लेख में हम सभी गैर‑रासायनिक ऊर्जा भंडारण विकल्पों को देखेंगे।

संपीड़ित हवा

संपीड़ित हवा के लाभ

हवा को संपीड़ित करने में बहुत ऊर्जा लगती है। यह वही ऊर्जा हवा को डीकंप्रेस करने पर आंशिक रूप से पुनः प्राप्त की जा सकती है।

इस तकनीक का मुख्य लाभ यह है कि यह केवल पाइप, पंप और टैंकों जैसे यांत्रिक भागों का उपयोग करती है, जिनके लिए केवल स्टील जैसे सरल सामग्री की आवश्यकता होती है, न कि दुर्लभ पृथ्वी, कोबाल्ट, लिथियम आदि जैसे दुर्लभ पदार्थों की। यह एक समाप्त प्राकृतिक गैस भंडार पर भी निर्भर हो सकती है, जिससे बहुत बड़े “टैंक” बहुत कम लागत पर मिल सकते हैं। और निश्चित रूप से, हवा कहीं भी पूरी तरह मुफ्त और उपलब्ध आपूर्ति है।

स्रोत: Electricity Forum

एक और लाभ यह है कि हवा को संपीड़ित करना एक अच्छी तरह समझी गई तकनीक है, जिसकी आपूर्ति श्रृंखला बहुत स्थापित है, और आवश्यकता पड़ने पर इसे जल्दी से स्केल किया जा सकता है। यह एक ऐसा सिस्टम भी है जो बहुत कम या बिल्कुल नहीं होने वाले नुकसान के साथ बहुत लंबे समय तक ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है।

संपीड़ित हवा के नुकसान

संपीड़ित हवा को कुशल बनाने में मुख्य समस्या वह भौतिक घटना है जो किसी भी गैस को संपीड़ित करने पर होती है। संपीड़न के दौरान गर्मी उत्पन्न होती है। इस गर्मी को आमतौर पर प्रणाली को नुकसान से बचाने के लिए विसर्जित करना पड़ता है, जिससे ऊर्जा की हानि होती है। डीकंप्रेस करने पर हवा ठंडी हो जाती है, जिसके लिए अक्सर पुनः गरम करने की प्रणाली की आवश्यकता होती है।

इस कारण 30‑40% ऊर्जा खो सकती है। कम कुशल डिज़ाइनों में यह और भी बुरा हो सकता है। अब तक स्केल पर सबसे अच्छी दक्षता चीन में 30% हानि के साथ हासिल की गई है, 400 MWh पर झांगजियाकौ प्लांट द्वारा डिजाइन किया गया चीनी विज्ञान अकादमी।

इसलिए जबकि संपीड़ित हवा मौसमी अंतराल के बीच कम लागत वाले दीर्घकालिक भंडारण के लिए एक स्वीकार्य विकल्प हो सकती है, 30% से अधिक अनिवार्य ऊर्जा हानि प्रणाली की आर्थिकता पर बोझ डालती है। केवल तब ही ये सिस्टम वास्तव में कुशल बन सकते हैं जब संपीड़न के दौरान उत्पन्न गर्मी को किसी अन्य प्रक्रिया में पुनः उपयोग किया जा सके।

गुरुत्वाकर्षण बैटरियां

भौतिकी में, ऊपर जाने वाला कोई भी वस्तु “संभावित ऊर्जा” के उच्च स्तर को प्राप्त करता माना जाता है। यह ऊर्जा नीचे की गति के रूप में प्रकट होती है जैसे ही वस्तु को नीचे जाने दिया जाता है। इस तथ्य से ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करने का विचार उत्पन्न हुआ।

पम्प्ड हाइड्रो

यह आज सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला उपयोगिता‑स्तर ऊर्जा भंडारण रूप है, जो 2020 में वैश्विक ग्रिड ऊर्जा भंडारण क्षमता का 90% बनाता है, डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी ग्लोबल एनर्जी स्टोरेज डेटाबेस के अनुसार।

हाइड्रोपावर उत्पादन वर्षा से प्राप्त जल की ऊर्जा क्षमता का उपयोग करता है, उसे बांधों के पीछे संग्रहीत करता है, और शक्ति उत्पन्न करने के लिए उसे जारी करता है। पम्प्ड हाइड्रो बिजली का उपयोग करके जल को हाइड्रोपावर स्टेशन की ओर वापस पंप करता है।

भंडारण बांध को केवल पम्प स्टोरेज के उद्देश्य से भी बनाया जा सकता है, और बड़े हाइड्रोपावर बांधों की तुलना में केवल पहाड़ी स्थलाकृति की आवश्यकता होती है। वैकल्पिक रूप से, एक भूमिगत जलाशय भी उपयोग किया जा सकता है।

स्रोत: Energy.gov

ऊर्जा हानि आमतौर पर 20-30% की सीमा में होती है। भंडारण कई महीनों तक सीमित हानियों के साथ चल सकता है, कम गर्म क्षेत्रों में कम से कम। पूंजी आवश्यकताएँ काफी बड़ी हो सकती हैं, लेकिन पम्प्ड हाइड्रो इंस्टॉलेशन भी अत्यंत दीर्घकालिक होते हैं।

एक रोचक विचार, जो केवल चर्चा में है लेकिन स्केल पर कभी परीक्षण नहीं किया गया, वह है इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके निचली ऊँचाई के जल को हाइड्रोजन में बदलना। यह हाइड्रोजन, हवा से हल्का, फिर “ऊर्जा‑रहित” रूप से ऊपर पाइप किया जाता है। फिर इसे जल में पुनः बदल दिया जाता है (इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा उपभोग की गई ऊर्जा का कुछ हिस्सा वापस मिलता है)। वह जल फिर नीचे गिरते समय हाइड्रोपावर टरबाइन के माध्यम से फिर से शक्ति उत्पन्न करता है।

हालांकि संभावित रूप से पम्प्ड हाइड्रो की तुलना में कुल दक्षता बहुत बेहतर हो सकती है, आवश्यक इलेक्ट्रोलाइज़र का आकार सिस्टम को अभी भी काफी महंगा बना सकता है।

कंक्रीट/रॉक ऊर्जा भंडारण

जल ही वह एकमात्र चीज़ नहीं है जिसे गुरुत्वाकर्षण के साथ ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए ऊपर उठाया जा सकता है। चट्टानें, कंक्रीट ब्लॉक, और अन्य अत्यधिक भारी वस्तुओं का भी उपयोग किया जा सकता है।

इस मामले में, आवश्यक तकनीक पम्प्ड हाइड्रो की तुलना में और भी सरल है, क्योंकि यह मुख्यतः क्रेन और अल्टरनेटर पर निर्भर करती है जो ऊर्जा संग्रहीत और पुनः उत्पन्न करते हैं। क्रेन और चट्टानें भी वास्तव में दुर्लभ सामग्री नहीं हैं।

इन सिस्टमों का बड़ा लाभ उनकी दक्षता है। पम्प्ड हाइड्रो में अधिकांश खोई हुई ऊर्जा जल में उत्पन्न टर्बुलेंस से आती है, जिससे पंप की दक्षता घटती है। इसके विपरीत, क्रेन और केबल 15% तक की बहुत कम हानि (पम्प्ड हाइड्रो से एक चौथाई कम) प्रदान कर सकते हैं।

वर्तमान में, कंपनियां Gravitricity  और Energy Vault (NRGV )  (NYSE – NRGV) इन अवधारणाओं को आगे बढ़ा रही हैं।

Gravitricity परित्यक्त खनन शाफ्टों को पुनः उपयोग करके कई सौ मीटर गहराई वाले तैयार और आसानी से संभालने योग्य कुओं तक पहुंच बनाता है, जिससे अपनी GraviStore प्रणाली के साथ ऊर्जा संग्रहीत की जा सके।

Energy Vault इसके बजाय समर्पित निर्माणों को लक्षित कर रहा है, जहाँ ब्लॉक ऊर्जा मांग के अनुसार ऊपर‑नीचे होते हैं।

दुनिया भर में सैकड़ों हजारों खनन साइटों के साथ, यह कई लोगों की कल्पना से अधिक संभावनाएँ रख सकता है और मौजूदा बुनियादी ढांचे का लाभ उठाता है। कंपनी स्वीडिश औद्योगिक दिग्गज ABB के साथ साझेदारी की तलाश कर रही है ताकि अपनी तकनीक विकास को अंतिम रूप दिया जा सके, साथ ही ABB के खनन ग्राहकों के विशाल पूल तक पहुंच बनाई जा सके।

स्रोत: ABB

गुरुत्वाकर्षण के साथ “ठोस ऊर्जा भंडारण” की सीमा यह है कि केवल कुछ दस या सौ मीटर की गहराई में संग्रहीत ऊर्जा बहुत बड़ी नहीं होती। एक विकल्प यह है कि पर्याप्त मात्रा में इसे बनाया जाए, जैसे Gravitricity जैसी सैकड़ों हजारों खनन शाफ्ट, या Energy Vault जैसी विशाल समर्पित “वेयरहाउस”।

एक अन्य विकल्प बहुत अधिक गहराई रखना है। इसके लिए तट के पास गहरे समुद्री तल एक विकल्प हो सकते हैं। एक तैरता प्लेटफ़ॉर्म ऐसे क्षेत्र के ऊपर खड़ा हो सकता है, और कई हजार मीटर तक वजन को नीचे‑ऊपर किया जा सकता है। इस अवधारणा को डीप ओशन ग्रैविटेशनल एनर्जी स्टोरेज (DOGES) कहा जाता है। इस पर काम करने वाली कंपनी फ्रेंच स्टार्ट‑अप Sink Float Solutions है।

स्रोत: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions 80% तक की दक्षता और बहुत कम लागत की संभावना का दावा करता है।

“वर्तमान में, सबसे बड़े लोड क्षमता वाले ऑफ़शोर क्रेन 4000 टन का भार उठा सकते हैं, जो 20 km/h की ऊर्ध्वाधर गति के लिए 200 MW की शक्ति के बराबर है। एक ही साइट पर कई विंच समानांतर में उपयोग किए जा सकते हैं।”

इन सिस्टमों की वास्तविक आर्थिकता उनकी टिकाऊपन पर अत्यधिक निर्भर करेगी, जहाँ समुद्री जल से यांत्रिक भागों का जंग लगना मुख्य चिंता है।

रेत/ताप बैटरियां

बहुत सारी बिजली का उपयोग गर्मी उत्पन्न करने में किया जाता है, चाहे औद्योगिक उपयोग के लिए हो या सर्दियों में घरों और अपार्टमेंटों को गर्म रखने के लिए। रासायनिक बैटरियों की तरह बिजली संग्रहीत करने के बजाय, रेत बैटरी सीधे गर्मी संग्रहीत करने का लक्ष्य रखती है।

विचार यह है कि एक बड़ा सिलो (जैसे अनाज के लिए उपयोग किया जाता है) बनाया जाए, उसे रेत से भरा जाए, और उसमें इन्सुलेशन जोड़ा जाए। रेत को फिर 400 °C तक गरम किया जाता है। क्योंकि रेत की थर्मल कंडक्टिविटी कम और थर्मल मास अधिक है, यह बहुत अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती है। यह बहुत प्रतिरोधी भी है, उच्च तापमान पर भी कोई क्षति नहीं होती।

स्रोत: Polar Night Energy

यह अवधारणा बहुत सरल तकनीक पर निर्भर करती है, जिसमें मानक पाइप, एयर पंप, इलेक्ट्रिक रेजिस्टेंस, स्टील, और कम‑ग्रेड रेत शामिल हैं, जिसे कंक्रीट जैसी अनुप्रयोगों में उपयोग नहीं किया जा सकता।

इस तकनीक के नेता फिनिश कंपनी Polar Night Energy है। यह अवधारणा विशेष रूप से नॉर्डिक देशों में अच्छी तरह काम करती है जहाँ पहले से “डिस्ट्रिक्ट हीटिंग” मौजूद है, जहाँ रेडिएटरों के लिए गर्म पानी सेंट्रलाइज्ड रूप से सैकड़ों या हजारों फ्लैट्स के लिए उत्पन्न किया जाता है। यह स्कैंडिनेविया, जर्मनी, और अधिकांश पूर्वी यूरोप तथा पूर्व सोवियत देशों में विशेष रूप से प्रचलित है।

क्योंकि ऊर्जा हानि न्यूनतम है, ऊर्जा को लंबे धूप वाले गर्मियों के महीनों (फ़िनलैंड में 20‑24 घंटे/दिन) के दौरान संग्रहीत किया जा सकता है। इस प्रकार अतिरिक्त फोटोवोल्टाइक उत्पादन को संग्रहीत करके सर्दियों में देश को गर्म रखा जा सकता है और हीटिंग की आवश्यकता से उत्पन्न मौसमी पावर स्पाइक को कम किया जा सकता है।

हम कल्पना कर सकते हैं कि इस अवधारणा के आगे के संस्करण ग्रीनहाउस को गर्म करने या थर्मल सोलर सिस्टम पर निर्भर करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

एक समान “हीट बैटरी” अवधारणा Rondo Energy द्वारा भी विकसित की जा रही है। ये ईंटें 1500 °C तक गरम की जा सकती हैं। उच्च तापमान के कारण यह अनुप्रयोग न केवल डिस्ट्रिक्ट हीटिंग के लिए, बल्कि सीमेंट उत्पादन, धातु विज्ञान, रसायन, या खनन जैसी औद्योगिक उपयोगों के लिए भी उपयुक्त हो सकता है।

स्रोत: Rondo Energy

इसी बीच, कंपनी Stiesdal भी क्रश्ड रॉक्स का उपयोग करके एक हीट बैटरी पर काम कर रही है। ग्रिड भंडारण क्षमता 10 घंटे से 10 दिन तक के बीच होने की उम्मीद है।

अंत में, वृहद सीमेंट निर्माता Holcim भी एक समाधान विकसित कर रहा है जो सीमेंट पर निर्भर करता है, जो सूखा होने पर गर्मी संग्रहीत करता है और जलने पर इसे रिलीज़ करता है। चक्र को अनंत बार दोहराया जा सकता है, इसलिए यह लंबी अवधि में कम लागत पर उपलब्ध होना चाहिए।

यह किसी भी अतिरिक्त गर्मी को औद्योगिक सेटअप में संग्रहीत करने के लिए डिजाइन किया गया है। शायद इसे संपीड़ित स्टेशन के पूरक के रूप में उपयोग किया जा सके, जिससे संपीड़ित हवा के गरम होने से होने वाले नुकसान को कम किया जा सके।

300 kW प्रति घन मीटर घनत्व के साथ, यह कुछ हजार टन सस्ते और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सीमेंट से बहुत अधिक शक्ति संग्रहीत कर सकता है। 2022 में ही उजागर हुई यह अवधारणा वर्तमान में विकास चरण में है।

फ़्लायव्हील

ऊर्जा संग्रहीत करने का एक और तरीका इसे यांत्रिक गति के रूप में रखना है। फ़्लायव्हील ऐसे उपकरण हैं जो वैक्यूम में एक मैग्नेटिक बेयरिंग पर घूमते हुए यांत्रिक पहिये को 20,000 से 50,000 RPM तक की गति से घुमाकर ऊर्जा संग्रहीत करते हैं। सिस्टम फ़्लायव्हील को तेज़ या धीमा करके ऊर्जा संग्रहीत या वापस दे सकता है।

इन सिस्टमों का मुख्य लाभ यह है कि वे केवल मिलीसेकंड में बहुत तेज़ प्रतिक्रिया देते हैं। इसलिए वे न केवल ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं, बल्कि विद्युत ग्रिड की आवृत्ति को स्थिर करने में भी मदद कर सकते हैं, जो कोयला, गैस या परमाणु जैसे बड़े केंद्रीकृत पावर प्लांटों के बिना करना कठिन है।

कंपनियों जैसेSiemens Energy ने साउथ ऑस्ट्रेलिया में फ़्लायव्हील का उपयोग करके पायलट प्रोजेक्ट किए हैं (ENR.SW ) (ENR.DE ) ।

अन्य स्टार्ट‑अप भी इस अवधारणा पर काम कर रहे हैं जैसे Stornetic, जिसका सिस्टम कम से कम 20 वर्ष तक चलने और 100,000 चार्ज/डिस्चार्ज साइकिल का लक्ष्य रखता है।

स्रोत: Stornetic

एक अन्य कंपनी S4 Energy है, जिसके पास 60 MWh संचालन में या निर्माणाधीन है, और 1,050 MWh की पाइपलाइन है। फ़्लायव्हील की प्रतिक्रिया शक्ति की अचानक बढ़ोतरी के समय कुछ संचालन को अधिक कुशल बना सकती है, जैसे रॉटरडैम पोर्ट में क्रेन, जहाँ लोड नीचे गिरते समय ऊर्जा को पुनः प्राप्त करने के लिए फ़्लायव्हील का उपयोग किया जाता है। कंपनी का फ़्लायव्हील KINEXT विशेष रूप से भारी (5 टन) है और अपेक्षाकृत धीमी गति (केवल 1,800 RPM) से चलता है, जिससे यह बहुत दीर्घकालिक, कम संचालन लागत वाला और रखरखाव में आसान बनता है। फ़्लायव्हील केवल 8% ऊर्जा हानि रखता है, जो लिथियम‑आयन बैटरियों से भी थोड़ा बेहतर है।

हालांकि बहुत कुशल और प्रतिक्रियाशील है, फ़्लायव्हील द्वारा संग्रहीत कुल ऊर्जा अन्य समाधानों की तुलना में कम है, इसलिए यह संभवतः निचे के अनुप्रयोगों और ग्रिड आवृत्ति स्थिरता के लिए ही सीमित रहेगा।

थर्मल सोलर

फोटोवोल्टाइक पैनल सीधे सूर्य की किरणों को बिजली में बदलते हैं। तुलना में, एक सोलर थर्मल पावर प्लांट सूर्य की गर्मी को इकट्ठा करता है और उसे केंद्रित करके बिजली उत्पन्न करता है। चूंकि गर्मी को कुछ जड़ता के साथ संग्रहीत करना आसान है, ऐसे सोलर स्टेशन सूर्यास्त के कई घंटे बाद भी बिजली उत्पन्न कर सकते हैं, जब ऊर्जा की मांग सबसे अधिक होती है।

यह विचार, जो फोटोवोल्टाइक पैनलों की बढ़ती दक्षता के सामने लोकप्रियता खो गया था, अब पुनः उभर सकता है क्योंकि नवीकरणीय ऊर्जा की अंतराल समस्या बड़े पैमाने पर ऊर्जा उत्पादन मिश्रण में बढ़ती जा रही है।

स्रोत: Energy.gov

हालांकि आशाजनक है, इस अवधारणा को ऐतिहासिक रूप से उच्च लागत ने परेशान किया है। कलेक्टर से जनरेटर तक गर्मी ले जाना कठिन साबित हुआ है, जिससे खतरनाक गर्मी और अपशिष्ट हाइड्रोजन उत्पन्न होते हैं। पिघले हुए नमक का उपयोग करने वाला एक अन्य डिज़ाइन लीक और विश्वसनीयता समस्याओं से ग्रस्त रहा है।

यह वन्यजीवों के लिए भी समस्या पैदा करता है, क्योंकि पक्षियों को अदृश्य और अत्यधिक केंद्रित सूर्य किरणों द्वारा नियमित रूप से जलाया जा सकता है।

भविष्य में, कम भारी और इसलिए कम पर्यावरणीय रूप से बाधक डिज़ाइन संभवतः केंद्रित सौर ऊर्जा को फिर से प्रमुखता में ला सकते हैं।