ऊर्जा भंडारण का भविष्य – यूटिलिटी-स्केल बैटरियों की तकनीक

बिजली ग्रिड को बैटरियों की आवश्यकता

Batteries have evolved from a cheap component of small electronics to an expensive key component in the EV revolution. But there is another segment besides mobility that requires an increasingly large amount of battery capacity: the power grid.

Renewables are growing as a part of total electric power generation. But they are also more intermittent than fossil fuel-based power plants, as they mostly produce power when the sun shines or the wind blows. This might not coincide with the time of peak consumption, often in the evening or winter. The power grid does not store any electricity but needs to be balanced between production and consumption at all times.

So the more renewables generation, the more batteries will be needed to keep your power grid stable. This is a major area of new energy investment, with utility-scale battery projects scheduled to more than triple the current capacity by 2025.

स्रोत: EIA

अभी, इनमें से कई बैटरी पार्क लिथियम-आयन बैटरियों का उपयोग कर रहे हैं. लेकिन यह बदल भी सकता है।

विभिन्न आवश्यकताएँ

अभी, बैटरी उद्योग मुख्यतः छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स और EV बाजार की जरूरतों को पूरा करने के लिए विकसित हुआ है। ऐसा इसलिए है क्योंकि दोनों के लिए आदर्श बैटरी की समान आवश्यकताएँ होती हैं:

• छोटी और हल्की, इसलिए Wh/kg में मापी गई उच्च ऊर्जा घनत्व।
• ‘सामान्य’ तापमान सीमा में काम करना।
• बहुत अधिक कीमत-संवेदनशील नहीं।
• कम से कम 5-10 वर्षों तक चल सकती है, लगभग रोज़ एक पूर्ण चार्ज के साथ।

इन विशिष्ट मानदंडों के लिए, अब तक लिथियम-आयन प्रौद्योगिकी बैटरी तकनीक में सबसे अच्छी रही है। यह जल्द ही बदल भी सकता है, जैसे सॉलिड-स्टेट बैटरियां, सोडियम-आयन, या लिथियम-फेरस-फॉस्फेट (LFP) बैटरियां संभावित विकल्प के रूप में। आप हमारे लेख में इसके बारे में अधिक पढ़ सकते हैं: “मोबिलिटी का भविष्य – बैटरी तकनीक”。

लेकिन पावर ग्रिड / यूटिलिटी-स्केल बैटरियों की आवश्यकताएँ बहुत अलग हैं।

• वज़न पर कोई कठोर प्रतिबंध नहीं। बैटरियां कहीं नहीं जा रही हैं इसलिए वह वजन जो EV को बाधित कर सकता है, समस्या नहीं है।
• स्थान पर कोई कठोर प्रतिबंध नहीं। बैटरी पार्क सस्ती जमीन पर पावर स्टेशन के आसपास बनाए जाएंगे। कंप्यूटर या EV के फ्रेम में इसे कसकर पैक करने की आवश्यकता नहीं है।
• उच्च तापमान बड़ी समस्या नहीं है। यदि कोई विशिष्ट रसायन 200°C पर बेहतर काम करता है, तो यह EV के यात्रियों को नहीं जलाएगा। हालांकि, अधिकांश देशों में बैटरियों को ठंडे मौसम को सहन करना होगा, क्योंकि सर्दियों में उन्हें गर्म रखना बहुत महंगा होगा। यह लिथियम-आधारित बैटरियों के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकता है।
• प्रति Wh की लागत सबसे महत्वपूर्ण कारक है।
• जितनी लंबी बैटरी चलेगी, उसकी लागत को लंबी अवधि में अधिक amortize किया जा सकता है, क्योंकि यूटिलिटी कंपनियां 30-40 वर्षों की अवधि में निवेश करने के आदी हैं।

EVs और यूटिलिटी-स्केल बैटरियों के बीच बहुत अलग आवश्यकताओं को देखते हुए, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि नई प्रौद्योगिकियां और नई बैटरी रसायन विकसित किए जा रहे हैं ताकि पावर कंपनियों और ग्रिड ऑपरेटरों को अधिक लागत-प्रभावी समाधान प्रदान किए जा सकें।

व्यावहारिक रूप से, हम उम्मीद कर सकते हैं कि कई विभिन्न ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियां मिलकर “जीतें”गी, क्योंकि कुछ तत्काल ग्रिड संतुलन के लिए अधिक उपयुक्त हैं, और कुछ विभिन्न समय स्केल (घंटे, हफ्ते, पूरे मौसम) के लिए अधिक उपयुक्त हैं।

स्रोत: CleanTech

जबकि यह लेख आपको विषय का एक अवलोकन देगा, आप एरा अके की स्थिर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों पर यह विस्तृत रिपोर्ट को भी पढ़ना चाह सकते हैं।

ग्रिड-स्केल अनुप्रयोगों के लिए नई बैटरियों की रसायन विज्ञान

EVs-उत्पन्न नई रसायन विज्ञान

बैटरियों का निर्माण एक स्केलिंग खेल है। सबसे बड़े उत्पादन बैच, गहरी आपूर्ति श्रृंखला के साथ, पैमाने की अर्थव्यवस्थाओं को संभाल सकते हैं और इसलिए प्रति Wh कम लागत प्रदान कर सकते हैं।

इसी कारण, कई यूटिलिटी-स्केल बैटरी कंपनियां पहले से ही EVs में उपयोग की जाने वाली कम लागत वाली बैटरी रसायन विज्ञान पर दांव लगा रही हैं ताकि लिथियम-आयन-आधारित भंडारण को बदल सकें।

LFP बैटरियां

एक विकल्प LFP (लिथियम-आयरन-फॉस्फेट) है, जो कम लागत वाली EV बैटरियों के लिए एक अच्छा उम्मीदवार है, और एक बैटरी रसायन विज्ञान है जो महंगे कोबाल्ट और निकेल पर निर्भर नहीं करता। ये लिथियम-आयन की तुलना में अधिक टिकाऊ भी हैं, जिससे दीर्घकाल में यह और भी आर्थिक बनती हैं। यह पहले से ही तैयार, यूटिलिटी-स्केल समाधानों में उपलब्ध है, जिसमें क्षेत्र के नेताओं जैसे CATL या BYD शामिल हैं।

सोडियम-आयन बैटरियां

कोबाल्ट और निकेल के अलावा, लिथियम स्वयं भी कभी-कभी बहुत महंगा हो सकता है, लिथियम कीमत के उतार-चढ़ाव पर निर्भर करता है। इसलिए इसे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सोडियम से बदलने से कीमतों को और अधिक घटाया जा सकता है। यह LFP की तुलना में ऊर्जा घनत्व (Wh/kg) में थोड़ा कम है, लेकिन सस्ता भी है, इसलिए यह EVs और पावर ग्रिड दोनों में काम करने वाली बैटरी रसायन विज्ञान के लिए एक और बेहतर उम्मीदवार हो सकता है।

रेडॉक्स फ्लो बैटरियां

इन बैटरियों की श्रेणियां धातु के ऑक्सीकरण और अपचयन की रासायनिक प्रक्रिया पर निर्भर करती हैं। विभिन्न धातुओं का उपयोग रेडॉक्स-फ़्लो बैटरियों के लिए किया जा सकता है, साथ ही अन्य प्रकार के आयन प्रवाह भी।

स्रोत: CellCube

आयरन-एयर बैटरियां

ये बैटरियां लोहे के ऑक्सीकरण (जिसे सामान्यतः जंग कहा जाता है) का उपयोग करके काम करती हैं। बैटरियां लोहे को ऑक्सीकरण करके बिजली उत्पन्न करती हैं, और फिर प्रक्रिया को उलटकर बिजली का उपभोग करती हैं।

मुख्य लाभ यह है कि अत्यंत सस्ते सामग्री का उपयोग करके, ये बैटरियां बहुत लागत-प्रभावी हो सकती हैं। इस प्रौद्योगिकी के समर्थक दावा कर रहे हैं कि आयरन-एयर बैटरियां 10 गुना सस्ती, बेहतर प्रदर्शन करने वाली और 17 गुना अधिक टिकाऊ होंगी। बैटरियों के बड़े, भारी और चार्ज या डिस्चार्ज में धीमे होने का नुकसान यूटिलिटी-स्केल अनुप्रयोगों के लिए वास्तव में समस्या नहीं होना चाहिए। Form Energy जैसी कंपनियां पहले ही इन बैटरियों को बड़े पैमाने पर निर्मित करने के लिए सुविधाएं बना रही हैं।

जिंक बैटरियां

एक अन्य सस्ते धातु का उपयोग करके, इन बैटरियों में कई विकल्प शामिल हैं जैसे जिंक-ब्रोमीन, जिंक-मैंगनीज़, या जिंक-एयर रसायन विज्ञान। इस प्रौद्योगिकी का मुख्य लाभ इसकी बहुत लंबी भंडारण क्षमता है, जिसमें बहुत कम हानि/डिस्चार्ज होता है। यह इसे पवन ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए एक अच्छा उम्मीदवार बना सकता है, क्योंकि बिना पवन वाले दिन कभी-कभी कई हफ्तों तक चल सकते हैं, जो कम टिकाऊ भंडारण वाली बैटरियों के लिए चुनौतीपूर्ण है। “ऊर्जा विश्लेषक Avicenne Consulting के अनुसार, जिंक बैटरियां 2030 तक भंडारण बाजार का 10% हिस्सा बनेंगी।” इस क्षेत्र की कुछ उल्लेखनीय कंपनियां हैं Redflow (जिंक-ब्रोमीन) और Zinc8 (जिंक-एयर)।

वैनाडियम रेडॉक्स फ्लो बैटरियां – VRFB

वैनाडियम एक धातु है जो आज मुख्यतः स्टेनलेस स्टील के उत्पादन में उपयोग होती है। बैटरियों में, यह ऐसी बैटरियां बना सकता है जो दैनिक चक्रों और दिन के दौरान नवीकरणीय ऊर्जा के उत्पादन वक्र को सुगम बनाने के लिए सबसे उपयुक्त हों, क्योंकि यह कम से कम 10 चार्ज-डिस्चार्ज चक्र प्रतिदिन संभाल सकता है, साथ ही 24 घंटे तक अच्छी रिटेंशन क्षमता रखता है। बैटरी का जीवनकाल बहुत लंबा हो सकता है, 20-25 वर्ष तक, और तब भी केवल प्लास्टिक फ्रेम भागों को बदलने की आवश्यकता होगी, जबकि धातु घटक लगभग पूरी तरह से पुनर्चक्रणीय होते हैं।

यह सेक्टर बहुत सक्रिय है, जिसमें CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power, और VRB Energy जैसी कंपनियां इस प्रौद्योगिकी पर काम कर रही हैं।

सी-सॉल्ट / जलीय नमक जल बैटरियां

यह अवधारणा ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए एक झिल्ली के माध्यम से नमक आयनों के प्रवाह पर निर्भर करती है। Salgenx द्वारा बनाई गई इस बैटरी का कुछ संस्करण बिल्कुल भी झिल्ली का उपयोग नहीं करता, जिससे लागत, जटिलता और रखरखाव कम होते हैं, लेकिन एक कस्टम इलेक्ट्रोलाइट के साथ जो पानी के साथ मिश्रित नहीं होता।

पिघले हुए धातु बैटरियां

यह अवधारणा एल्यूमीनियम पिघलाने पर आधारित है, जो बहुत अधिक बिजली की खपत करने वाली प्रक्रिया है; क्या होगा अगर इसे उलटा जा सके?

बैटरियों की बहुत सी लागत उनके निर्माण की कठिनाइयों से आती है। एनोड और कैथोड को शॉर्टकट से बचने के लिए पूरी तरह से अलग होना चाहिए।

पिघले हुए धातु बैटरी में, सभी 3 मुख्य घटक—एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट—तरल होते हैं। वे विभिन्न तरल घनत्वों के कारण स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे से अलग हो जाते हैं। ठोस घटकों की अनुपस्थिति सिद्धांत रूप में बैटरी के जीवनकाल को बहुत बढ़ा देनी चाहिए, साथ ही इसे बहुत तेज़ चार्ज और डिस्चार्ज करने और पूरी तरह से पुनर्चक्रणीय बनाने की अनुमति देती है।

कंपनी Ambri, जो कैल्शियम और एंटिमनी बैटरी का उपयोग करती है, 2024 तक अपने नए कारखाने में प्रति वर्ष 200,000 बैटरी सेल का उत्पादन करने का लक्ष्य रखती है, और 2022 से माइक्रोसॉफ्ट को आपूर्तिकर्ता रही है।

स्रोत: Ambri

कंपनी NGK इंसुलेटर भी सोडियम-सल्फर पिघला नमक बैटरी पर काम कर रहा है, और कंपनी FZSoNick एक सोडियम-निकेल-क्लोराइड बैटरी पर काम कर रही है।

मेटल हाइड्रोजन / निकेल हाइड्रोजन बैटरियां

ये बैटरियां हाइड्रोजन को पानी में चक्रित करती हैं और फिर एक धातु को ऑक्सीकरण करती हैं। जबकि निकेल इस प्रौद्योगिकी में एकमात्र संभावित कैथोड धातु नहीं है (विकल्प में मैंगनीज़, सीसा, या लोहे शामिल हो सकते हैं), यह सबसे सामान्य और ऊर्जा-घनत्व वाला विकल्प है।

यह वह बैटरी प्रकार है जिसे NASA द्वारा ISS (अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन) पर उपयोग की गई।

इस प्रौद्योगिकी का लाभ यह है कि यह बहुत सुरक्षित है, शून्य रखरखाव के साथ और -40 से +60°C तक के विस्तृत तापमान रेंज को संभाल सकता है।

यह प्रौद्योगिकी विशेष रूप से Enervenue द्वारा प्रचारित की गई है, जो 2020 में स्टीथ मोड से बाहर आया, और सितंबर 2023 में जारी 30 साल, 30,000 चक्रों का जीवनकाल दिखाया। हाइड्रोजन-मैंगनीज़ बैटरियां RFC Power द्वारा विकसित की गई हैं।

CO2 बैटरियां

CO2 स्तर में वृद्धि नवीकरणीय ऊर्जा और विद्युतीकरण को बढ़ावा देने की मुख्य प्रेरणा है, और इसलिए बैटरियों की बढ़ती आवश्यकता का कारण भी है। इसलिए यह कुछ हद तक विडंबनापूर्ण है कि वही अणु नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए उपयोग किया जाता है।

Noon Energy की CO2 बैटरी CO2 को कार्बन और ऑक्सीजन में विभाजित करके ऊर्जा संग्रहीत करती है। फ्लो बैटरी 50 से 200 बार और 600 से 800 ºC के उच्च दबाव और तापमान पर संचालित होती है। यह बैटरी प्रकार पहली बार मार्स रोवर पर्सिवरेंस के लिए विकसित किया गया था।

यह समझना गलत होगा कि यह CO2 बैटरी की “CO2 बैटरी” के समान है, जो CO2 के द्रवण और वाष्पीकरण चक्र पर निर्भर करती है, जिससे यह वास्तविक बैटरी नहीं बल्कि संपीड़ित गैस ऊर्जा भंडारण के समान है।

सोडियम-सल्फर बैटरियां

इन बैटरियों को अभी तक उन अनुप्रयोगों तक सीमित किया गया है जहाँ बैटरी को उच्च तापमान (300°C) पर रखा जाता है। यह यूटिलिटी-स्केल अनुप्रयोगों के लिए समस्या नहीं हो सकती। हालांकि, यह प्रौद्योगिकी अभी भी कुछ हद तक नई है और वर्तमान में स्केल और बड़े पैमाने पर उत्पादन की कमी है। इन बैटरियों को बहुत लंबा चलाने योग्य बनाना भी एक तकनीकी चुनौती हो सकती है।

पॉलीमर बैटरियां

प्लास्टिक बैटरियों के रूप में भी जाना जाता है, यह अवधारणा लिथियम या अन्य धातुओं के बजाय चालक पॉलीमर का उपयोग करती है। इस अवधारणा का मुख्य लाभ यह है कि यह सरल निर्माण और आसानी से उपलब्ध सामग्री पर निर्भर करती है। परिणामी बैटरी भी बहुत लंबी आयु वाली और सुरक्षित रूप से संचालित करने में आसान होगी।

Polyjoule, एक MIT स्पिन-ऑफ़, इस विचार में अग्रणी में से एक है। लेकिन दीर्घकाल में यह संभवतः वह बैटरी प्रकार नहीं हो सकता जो कुछ अन्य विकल्पों की तुलना में लागत को इतना कम कर सके।