बिजली ग्रिड के लिए ऊर्जा भंडारण: 2023 की बैटरी तकनीकों का परिचय

बिजली ग्रिड के लिए ऊर्जा भंडारण

बैटरियाँ छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के सस्ते पुर्जे से विकसित होकर इलेक्ट्रिक वाहनों का महत्त्वपूर्ण और महँगा घटक बन गई हैं। परिवहन के अलावा एक और क्षेत्र में बैटरी क्षमता की माँग बढ़ रही है: बिजली ग्रिड। यह लेख 2023 में चर्चा में रही तकनीकों का ऐतिहासिक परिचय है; उत्पादन लक्ष्य और अनुमान उसी संदर्भ में पढ़े जाने चाहिए।

कुल बिजली उत्पादन में नवीकरणीय ऊर्जा का हिस्सा बढ़ रहा है। विशेष रूप से सौर और पवन उत्पादन मौसम के साथ बदलता है और हमेशा अधिकतम माँग के समय उपलब्ध नहीं होता। बिजली व्यवस्था को उत्पादन और खपत में लगातार संतुलन रखना पड़ता है। भंडारण उपलब्ध ऊर्जा का उपयोग दूसरे समय करने देता है।

बैटरियाँ पारेषण नेटवर्क, माँग प्रबंधन और अन्य भंडारण साधनों के साथ ग्रिड को स्थिर रखने में मदद कर सकती हैं। दिसंबर 2022 में अमेरिकी EIA ने अनुमान लगाया था कि अमेरिका में बैटरी भंडारण की विद्युत क्षमता अक्टूबर 2022 के 7.8 GW से बढ़कर 2025 के अंत तक लगभग 30 GW हो सकती है। यह शक्ति का अनुमान था, GWh में ऊर्जा क्षमता का नहीं।

स्रोत: EIA

2023 के इस परिचय में कई बड़े भंडारण संयंत्र लिथियम-आयन बैटरियाँ इस्तेमाल कर रहे थे। अन्य तकनीकों का विकास भी जारी था।

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, तथा Wh/kg में मापी जाने वाली उच्च विशिष्ट ऊर्जा वाली।
• अनुप्रयोग के अनुकूल तापमान सीमा में काम करने वाली।
• कीमत, वजन, प्रदर्शन और सुरक्षा में उचित संतुलन वाली।
• उपयोग और चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के अनुसार उपयुक्त जीवनकाल, अक्सर कम से कम 5–10 वर्ष।

लिथियम-आयन बैटरियाँ इन आवश्यकताओं को अच्छी तरह पूरा करती हैं। सॉलिड-स्टेट एक विकास दिशा है, जबकि सोडियम-आयन अलग परिवार है। लेकिन लिथियम-आयरन-फॉस्फेट (LFP) स्वयं लिथियम-आयन का एक प्रकार है। अधिक जानकारी के लिए हमारा लेख पढ़ें: “मोबिलिटी का भविष्य – बैटरी तकनीक”।

बिजली ग्रिड की स्थिर बैटरियों की प्राथमिकताएँ अलग होती हैं।

• वजन वाहन की तुलना में कम बाधा है, लेकिन परिवहन, स्थापना और नींव की सीमाएँ बनी रहती हैं।
• जगह की बाधा कम हो सकती है, पर जमीन, अनुमति और स्थापना की लागत महत्त्वपूर्ण हैं।
• अंदर 200°C या अधिक तापमान पर काम करने वाली तकनीकें उचित इन्सुलेशन, ताप नियंत्रण और सुरक्षा व्यवस्था के साथ इस्तेमाल की जा सकती हैं। ठंड और बैटरी को गर्म रखने की ऊर्जा भी दक्षता पर असर डालती है।
• प्रति Wh लागत के साथ दक्षता, शक्ति और वापस दी जाने वाली ऊर्जा की कुल लागत भी महत्त्वपूर्ण है।
• लंबा जीवनकाल निवेश की लागत को अधिक वर्षों में वसूलने में मदद करता है। बिजली कंपनियाँ कुछ बुनियादी ढाँचे के लिए 30–40 वर्ष की योजना बनाती हैं, पर हर बैटरी इतनी नहीं चलती।

इन अलग प्राथमिकताओं के कारण बिजली कंपनियों और ग्रिड संचालकों को किफायती समाधान देने के लिए कई नई तकनीकें और बैटरी रसायन विकसित किए जा रहे हैं।

कई भंडारण तकनीकें साथ सफल हो सकती हैं। कुछ तुरंत संतुलन बनाने, कुछ घंटों या दिनों के भंडारण के अनुकूल हैं। हफ्तों या मौसमों तक भंडारण के लिए विशेष डिजाइन चाहिए और बैटरियों के अलावा अन्य साधन भी उपयोगी हो सकते हैं।

स्रोत: CleanTech

ऐतिहासिक तुलना के लिए Ara Ake की स्थिर बैटरी भंडारण पर मार्च 2023 में प्रकाशित यह विस्तृत रिपोर्ट भी पढ़ी जा सकती है।

बिजली ग्रिड के लिए नए बैटरी रसायन

इलेक्ट्रिक वाहनों से विकसित रसायन

बड़े उत्पादन स्तर और स्थापित आपूर्ति शृंखलाएँ पैमाने की बचत से प्रति Wh लागत घटा सकती हैं।

इसलिए ग्रिड भंडारण में इलेक्ट्रिक वाहनों के मौजूदा रसायनों, खासकर अपेक्षाकृत सस्ते लिथियम-आयन प्रकारों, पर भी विचार किया जा रहा है।

LFP बैटरियां

LFP अर्थात लिथियम-आयरन-फॉस्फेट एक लिथियम-आयन रसायन है जिसके कैथोड पदार्थ में कोबाल्ट और निकेल नहीं होते। कुछ निकेल-समृद्ध रसायनों से इसकी कीमत कम और चक्र आयु अधिक हो सकती है, लेकिन यह उत्पाद और संचालन पर निर्भर करता है। उस समय व्यावसायिक समाधान देने वाली कंपनियों में CATL या BYD शामिल थीं।

सोडियम-आयन बैटरियां

प्रचुर सोडियम लिथियम पर निर्भरता और उसकी कीमत के उतार-चढ़ाव का असर कम कर सकता है। शुरुआती सोडियम-आयन सेल की विशिष्ट ऊर्जा सामान्यतः LFP से कम थी। अंतिम कीमत सामग्री, उत्पादन और पूरे तंत्र पर निर्भर करती है; सस्ता कच्चा माल सस्ती बैटरी की गारंटी नहीं है। वाहन और ग्रिड दोनों संभावित अनुप्रयोग हैं।

रेडॉक्स फ्लो बैटरियां

फ्लो बैटरियाँ इलेक्ट्रोलाइट के ऑक्सीकरण और अपचयन में ऊर्जा संचित करती हैं। इनमें अलग-अलग धातुएँ या कार्बनिक यौगिक इस्तेमाल हो सकते हैं। नीचे वर्णित सभी तकनीकें फ्लो बैटरियाँ नहीं हैं।

स्रोत: CellCube

आयरन-एयर बैटरियां

ये बैटरियां लोहे के ऑक्सीकरण (जिसे सामान्यतः जंग कहा जाता है) का उपयोग करके काम करती हैं। ये लोहे का ऑक्सीकरण करके बिजली देती हैं और चार्ज करते समय बिजली लगाकर प्रक्रिया को उलटती हैं।

प्रचुर और सस्ता लोहा कम लागत की संभावना देता है। Form Energy के तंत्र अधिकतम 100 घंटे डिस्चार्ज के लिए डिजाइन किए गए थे। यह बिजली देने की अवधि है, 17 गुना लंबा जीवनकाल नहीं। बताई गई लागत बचत भी तकनीकी लक्ष्य थी, सार्वभौमिक गारंटी नहीं। वजन, जगह, दक्षता और चार्ज की गति डिजाइन में महत्त्वपूर्ण रहते हैं। Form Energy ने मई 2023 में कारखाने का निर्माण शुरू किया और सितंबर 2024 में परीक्षण उत्पादन की घोषणा की।

जिंक बैटरियां

जिंक बैटरियों में जिंक-ब्रोमीन, जिंक-मैंगनीज और जिंक-एयर जैसे अलग रसायन आते हैं। उनकी विशेषताएँ भिन्न होती हैं; सभी हफ्तों तक बहुत कम हानि के साथ ऊर्जा नहीं रखते। लंबी अवधि के लिए बनाया तंत्र कम हवा वाले समय में मदद कर सकता है। मूल लेख ने Avicenne Consulting का अनुमान उद्धृत किया था कि 2030 तक जिंक बैटरियाँ भंडारण बाजार का 10% हिस्सा बन सकती हैं। यह अनुमान था, हासिल बाजार हिस्सा नहीं। 2023 में दिए उदाहरणों में Redflow (जिंक-ब्रोमीन) और Zinc8 (जिंक-एयर) शामिल थे।

वैनाडियम रेडॉक्स फ्लो बैटरियां – VRFB

वैनाडियम मुख्यतः स्टील में मिश्रधातु तत्व के रूप में इस्तेमाल होता है, न कि मुख्यतः केवल स्टेनलेस स्टील में। वैनाडियम फ्लो बैटरियाँ दैनिक चक्र और नवीकरणीय उत्पादन का उपयोग दूसरे समय करने में मदद कर सकती हैं। डिस्चार्ज अवधि टैंकों और शक्ति पर निर्भर करती है; रोज दस पूरे चक्र और 24 घंटे डिस्चार्ज को एक साथ सामान्य प्रदर्शन नहीं मानना चाहिए। डिजाइन आयु 20–25 वर्ष हो सकती है, लेकिन सेल स्टैक और दूसरे पुर्जों के रखरखाव या बदलाव की आवश्यकता हो सकती है। इलेक्ट्रोलाइट दोबारा इस्तेमाल और पुनर्चक्रित किया जा सकता है।

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

समुद्री नमक / लवणीय इलेक्ट्रोलाइट बैटरियाँ

लवणीय इलेक्ट्रोलाइट वाले भंडारण के कई प्रकार हैं। कुछ आयन प्रवाह नियंत्रित करने या द्रव अलग रखने के लिए झिल्ली इस्तेमाल करते हैं। Salgenx विशेष इलेक्ट्रोलाइट और न मिलने वाली द्रव अवस्थाओं वाला झिल्ली-रहित तंत्र प्रस्तुत करता है। निर्माता का यह विवरण सभी खारे पानी वाली बैटरियों पर लागू नहीं होता।

तरल धातु बैटरियाँ

तरल धातु बैटरियाँ उच्च तापमान पर उलट सकने वाली विद्युत-रासायनिक प्रतिक्रियाओं से ऊर्जा रखती हैं। यह केवल एल्युमीनियम गलाने की प्रक्रिया को उलटना नहीं है।

निर्माण की कठिनाइयाँ बैटरी लागत को प्रभावित करती हैं। शॉर्ट सर्किट रोकने के लिए एनोड और कैथोड का उचित पृथक्करण आवश्यक है।

इलेक्ट्रोड के सक्रिय पदार्थ और इलेक्ट्रोलाइट तीन तरल परतें बना सकते हैं, जिन्हें घनत्व और आपस में न मिलने का गुण अलग रखता है। पात्र और अन्य पुर्जे ठोस रहते हैं। यह डिजाइन टिकाऊपन में मदद कर सकता है, पर असीमित आयु, तत्काल चार्जिंग या पूरा पुनर्चक्रण सुनिश्चित नहीं करता।

कैल्शियम और एंटिमनी इस्तेमाल करने वाली Ambri ने 2022 में नए कारखाने की सालाना 200,000 सेल क्षमता और 2023 में डिलीवरी की योजना घोषित की थी। इससे 2024 में वास्तव में उतना उत्पादन सिद्ध नहीं होता। सितंबर 2022 में उसने माइक्रोसॉफ्ट (MSFT ) के लिए एक प्रदर्शन तंत्र घोषित किया था। यह सभी डेटा सेंटरों को लगातार व्यावसायिक आपूर्ति के बराबर नहीं है। जुलाई 2024 में Ambri ने बिक्री पूरी होने और Chapter 11 प्रक्रिया से बाहर आने की घोषणा की।

स्रोत: Ambri

2023 के परिदृश्य में NGK Insulators पहले से व्यावसायिक सोडियम-सल्फर पिघले-नमक बैटरियाँ बेचती थी और FZSoNick सोडियम-निकेल-क्लोराइड बैटरियाँ प्रदान करती थी।

मेटल हाइड्रोजन / निकेल हाइड्रोजन बैटरियां

निकेल-हाइड्रोजन बैटरी में निकेल हाइड्रॉक्साइड/ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड इलेक्ट्रोड के साथ क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट में हाइड्रोजन उत्पादन और ऑक्सीकरण की उलट सकने वाली प्रतिक्रियाएँ होती हैं। यह सिर्फ हाइड्रोजन को पानी बनाकर फिर धातु का ऑक्सीकरण करना नहीं है। अन्य मेटल-हाइड्रोजन परिवार दूसरे कैथोड पदार्थ इस्तेमाल कर सकते हैं।

निकेल-हाइड्रोजन तकनीक पहले NASA के अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन में इस्तेमाल होती थी। स्टेशन की बैटरियाँ 2017–2021 के बीच लिथियम-आयन से बदली गईं।

EnerVenue कम रखरखाव और तापीय अनियंत्रण से मुक्त स्थिर प्रणाली प्रस्तावित करती है। पहले बताए गए -40 से +60°C सहित तापमान दायरे उत्पाद और परीक्षण पर निर्भर करते हैं; वे सभी मेटल-हाइड्रोजन बैटरियों पर लागू नहीं होते।

इस तकनीक को विकसित करने वाली EnerVenue ने 2020 में अपने काम को सार्वजनिक किया। सितंबर 2023 में उसने 30 वर्ष और 30,000 चक्र की अपेक्षित डिजाइन आयु वाला नया संस्करण प्रस्तुत किया। यह तीस वर्ष के वास्तविक संचालन का रिकॉर्ड नहीं है। हाइड्रोजन-मैंगनीज फ्लो बैटरियाँ RFC Power विकसित करती है, जिसका वर्तमान नाम Certain Energy है।

CO₂ बैटरियाँ

CO₂ के बढ़ते स्तर के कारण नवीकरणीय ऊर्जा, विद्युतीकरण और भंडारण पर जोर बढ़ा है। इसी बीच CO₂ को ऊर्जा भंडारण में इस्तेमाल करने वाली तकनीकें भी विकसित हो रही हैं।

Noon Energy चार्जिंग के दौरान CO₂ को ठोस कार्बन और ऑक्सीजन में अलग करके, और डिस्चार्ज में प्रक्रिया उलटकर, विद्युत-रासायनिक भंडारण विकसित करती है। पुराने परियोजना विवरण में 50–200 बार और 600–800°C बताए गए थे; ये सभी उत्पादों के सार्वभौमिक सत्यापित विनिर्देश नहीं हैं। तकनीक का संबंध ठोस-ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस से है, पर पर्सिवरेंस का MOXIE प्रयोग CO₂ से ऑक्सीजन बनाता था, वह भंडारण बैटरी नहीं था।

इसके विपरीत Energy Dome की “CO₂ Battery” CO₂ के संपीड़न, द्रवीकरण और विस्तार पर आधारित ताप-यांत्रिक भंडारण है। यहाँ बैटरी व्यापारिक नाम है, Noon जैसी विद्युत-रासायनिक प्रक्रिया नहीं।

सोडियम-सल्फर बैटरियां

उच्च तापमान वाली सोडियम-सल्फर बैटरियाँ लगभग 300°C पर चलती हैं और इन्सुलेशन तथा ताप नियंत्रण चाहती हैं। उचित डिजाइन वाले स्थिर अनुप्रयोगों में इन्हें इस्तेमाल किया जा सकता है। यह 2023 में व्यावसायिक उत्पादन से वंचित नई तकनीक नहीं थी: NGK ने 2002 में व्यावसायीकरण और 2003 में पूर्ण उत्पादन शुरू किया। कमरे के तापमान पर चलने वाले प्रकारों का अनुसंधान अलग दिशा है। अक्टूबर 2025 में NGK ने नया उत्पादन और नई परियोजनाओं के लिए बिक्री बंद करने की घोषणा की।

पॉलीमर बैटरियां

PolyJoule जैसे चालक पॉलीमर बैटरी तंत्र पारंपरिक धातु-आधारित सक्रिय पदार्थों को कार्बनिक पॉलीमर से बदलते हैं। इन्हें हर पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट बैटरी से न मिलाएँ, जिसमें लिथियम अभी भी हो सकता है। लक्ष्य आसानी से मिलने वाली सामग्री, बड़े स्तर पर उत्पादन और सरल ताप प्रबंधन है। सुरक्षा, आयु और लागत उत्पाद के अनुसार बदलते हैं।

Polyjoule MIT के शोध से निकली कंपनी है जो इस तकनीक का विकास करती है। प्रतिस्पर्धात्मकता अनुप्रयोग और भंडारण के बाद दी गई ऊर्जा की कुल लागत पर निर्भर करती है।