पिछले 50 वर्षों में, वैश्विक बिजली की खपत में निरंतर वृद्धि हुई है, वर्ष 2021 में अनुमानित उपयोग लगभग 25,300 टेरावाट-घंटे है। उद्योग 4.0 की ओर संक्रमण के साथ, दुनिया भर में ऊर्जा की मांग में वृद्धि हुई है। ये संख्या हर साल बढ़ रही है, जिसमें औद्योगिक और अन्य आर्थिक क्षेत्रों की बिजली की आवश्यकताएं शामिल नहीं हैं। यह औद्योगिक बदलाव और उच्च-बिजली की खपत ग्रीनहाउस गैसों के अत्यधिक उत्सर्जन के कारण अधिक मूर्त जलवायु परिवर्तन प्रभावों से जुड़ी हुई है। वर्तमान में, अधिकांश बिजली उत्पादन संयंत्र और सुविधाएं ऐसी मांगों को पूरा करने के लिए जीवाश्म ईंधन स्रोतों (तेल और गैस) पर बहुत अधिक निर्भर हैं। ये जलवायु चिंताएं पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके अतिरिक्त ऊर्जा उत्पादन को रोकती हैं। इस प्रकार, नवीकरणीय स्रोतों से ऊर्जा की निरंतर और विश्वसनीय आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए कुशल और विश्वसनीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों का विकास तेजी से महत्वपूर्ण हो गया है।
ऊर्जा क्षेत्र ने नवीकरणीय ऊर्जा या "हरित" समाधानों की ओर रुख करके प्रतिक्रिया व्यक्त की है। इस बदलाव में बेहतर विनिर्माण तकनीकों का योगदान रहा है, उदाहरण के लिए, पवन टरबाइन ब्लेडों का अधिक कुशल निर्माण। इसके अलावा, शोधकर्ता फोटोवोल्टिक कोशिकाओं की दक्षता में सुधार करने में भी सक्षम रहे हैं, जिससे प्रत्येक उपयोग क्षेत्र में बेहतर ऊर्जा उत्पादन संभव हुआ है। 2021 में, सौर फोटोवोल्टिक (पीवी) स्रोतों से बिजली उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जो रिकॉर्ड 179 TWh तक पहुँच गया और 2020 की तुलना में 22% की वृद्धि दर्शाता है। सौर पीवी तकनीक अब वैश्विक बिजली उत्पादन का 3.6% हिस्सा है और वर्तमान में जल विद्युत और पवन ऊर्जा के बाद तीसरा सबसे बड़ा नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है।
हालाँकि, ये उपलब्धियाँ नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों की कुछ अंतर्निहित कमियों, मुख्यतः उपलब्धता, का समाधान नहीं करती हैं। इनमें से अधिकांश विधियाँ कोयला और तेल संयंत्रों की तरह माँग पर ऊर्जा उत्पन्न नहीं करतीं। उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जा का उत्पादन पूरे दिन उपलब्ध रहता है, जिसमें सूर्य के विकिरण कोण और पीवी पैनल की स्थिति के आधार पर भिन्नताएँ होती हैं। यह रात के दौरान कोई ऊर्जा उत्पन्न नहीं कर सकता, जबकि सर्दियों के मौसम और बहुत बादल वाले दिनों में इसका उत्पादन काफी कम हो जाता है। पवन ऊर्जा भी हवा की गति के आधार पर उतार-चढ़ाव से प्रभावित होती है। इसलिए, कम उत्पादन अवधि के दौरान ऊर्जा आपूर्ति बनाए रखने के लिए इन समाधानों को ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के साथ जोड़ा जाना आवश्यक है।
ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ क्या हैं?
ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ बाद में उपयोग के लिए ऊर्जा का भंडारण कर सकती हैं। कुछ मामलों में, संग्रहीत ऊर्जा और उपलब्ध ऊर्जा के बीच ऊर्जा रूपांतरण का एक रूप होगा। इसका सबसे आम उदाहरण लिथियम-आयन बैटरी या लेड-एसिड बैटरी जैसी विद्युत बैटरियाँ हैं। ये इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच रासायनिक अभिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा प्रदान करती हैं।
बैटरियाँ, या BESS (बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली), दैनिक जीवन में उपयोग की जाने वाली सबसे आम ऊर्जा भंडारण विधि का प्रतिनिधित्व करती हैं। अन्य भंडारण प्रणालियाँ भी मौजूद हैं, जैसे जलविद्युत संयंत्र जो बाँध में संग्रहीत पानी की स्थितिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। नीचे गिरने वाला पानी टरबाइन के चक्का को घुमाएगा जिससे विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होगी। एक अन्य उदाहरण संपीड़ित गैस है, जिसके मुक्त होने पर गैस टरबाइन के पहिये को घुमाएगी जिससे विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होगी।
बैटरियों को अन्य भंडारण विधियों से अलग करने वाली बात उनके संभावित संचालन क्षेत्र हैं। छोटे उपकरणों और ऑटोमोबाइल बिजली आपूर्ति से लेकर घरेलू अनुप्रयोगों और बड़े सौर ऊर्जा फार्मों तक, बैटरियों को किसी भी ऑफ-ग्रिड भंडारण अनुप्रयोग में निर्बाध रूप से एकीकृत किया जा सकता है। दूसरी ओर, जलविद्युत और संपीड़ित वायु विधियों के लिए भंडारण के लिए बहुत बड़े और जटिल बुनियादी ढाँचे की आवश्यकता होती है। इससे लागत बहुत अधिक हो जाती है और इसे उचित ठहराने के लिए बहुत बड़े अनुप्रयोगों की आवश्यकता होती है।
ऑफ-ग्रिड भंडारण प्रणालियों के लिए उपयोग के मामले।
जैसा कि पहले बताया गया है, ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम सौर और पवन ऊर्जा जैसी नवीकरणीय ऊर्जा विधियों के उपयोग और उन पर निर्भरता को सुगम बना सकते हैं। फिर भी, ऐसे अन्य अनुप्रयोग भी हैं जिनमें ऐसी प्रणालियों से बहुत लाभ हो सकता है।
शहरी पावर ग्रिड का उद्देश्य प्रत्येक शहर की आपूर्ति और मांग के आधार पर सही मात्रा में बिजली उपलब्ध कराना है। दिन भर आवश्यक बिजली की मात्रा में उतार-चढ़ाव हो सकता है। ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम का उपयोग उतार-चढ़ाव को कम करने और अधिकतम मांग के समय अधिक स्थिरता प्रदान करने के लिए किया गया है। एक अलग दृष्टिकोण से, ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम मुख्य पावर ग्रिड में या निर्धारित रखरखाव अवधि के दौरान किसी भी अप्रत्याशित तकनीकी खराबी की भरपाई के लिए अत्यधिक लाभकारी हो सकते हैं। ये वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की तलाश किए बिना बिजली की आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, फरवरी 2023 की शुरुआत में टेक्सास में आए बर्फीले तूफान का उदाहरण दिया जा सकता है, जिसने लगभग 262,000 लोगों को बिजली के बिना छोड़ दिया था, जबकि खराब मौसम के कारण मरम्मत में देरी हुई थी।
इलेक्ट्रिक वाहन एक और अनुप्रयोग हैं। शोधकर्ताओं ने बैटरियों के जीवनकाल और ऊर्जा घनत्व को बढ़ाने के लिए बैटरी निर्माण और चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीतियों को अनुकूलित करने के लिए बहुत प्रयास किए हैं। लिथियम-आयन बैटरियाँ इस छोटी सी क्रांति में सबसे आगे रही हैं और नई इलेक्ट्रिक कारों के साथ-साथ इलेक्ट्रिक बसों में भी इनका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। इस मामले में बेहतर बैटरियाँ न केवल बेहतर माइलेज दे सकती हैं, बल्कि सही तकनीकों के साथ चार्जिंग समय को भी कम कर सकती हैं।
यूएवी और मोबाइल रोबोट जैसी अन्य तकनीकी प्रगति को बैटरी विकास से काफ़ी फ़ायदा हुआ है। उनकी गति रणनीतियाँ और नियंत्रण रणनीतियाँ बैटरी की क्षमता और प्रदान की गई शक्ति पर काफ़ी हद तक निर्भर करती हैं।
बीईएसएस क्या है?
BESS या बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली है जिसका उपयोग ऊर्जा भंडारण के लिए किया जा सकता है। यह ऊर्जा मुख्य ग्रिड से या पवन ऊर्जा और सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से प्राप्त की जा सकती है। यह विभिन्न विन्यासों (श्रेणी/समानांतर) में व्यवस्थित कई बैटरियों से बनी होती है और आवश्यकता के अनुसार आकार में भिन्न होती है। ये बैटरियाँ एक इन्वर्टर से जुड़ी होती हैं जिसका उपयोग डीसी पावर को एसी पावर में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है।बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस)इसका उपयोग बैटरी की स्थिति और चार्जिंग/डिस्चार्जिंग ऑपरेशन की निगरानी के लिए किया जाता है।
अन्य ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की तुलना में, इन्हें स्थापित करना/जोड़ना विशेष रूप से लचीला है और इनके लिए अत्यधिक महंगे बुनियादी ढांचे की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन फिर भी इनकी लागत काफी अधिक होती है और उपयोग के आधार पर नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है।
BESS आकार और उपयोग की आदतें
बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली स्थापित करते समय एक महत्वपूर्ण बिंदु आकार का होता है। कितनी बैटरियों की आवश्यकता है? किस विन्यास में? कुछ मामलों में, बैटरी का प्रकार लंबे समय में लागत बचत और दक्षता के मामले में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।
यह कार्य मामला-दर-मामला आधार पर किया जाता है, क्योंकि इसका अनुप्रयोग छोटे घरों से लेकर बड़े औद्योगिक संयंत्रों तक हो सकता है।
छोटे घरों, खासकर शहरी इलाकों में, के लिए सबसे आम नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग करके सौर ऊर्जा है। इंजीनियर आमतौर पर घर की औसत बिजली खपत को ध्यान में रखते हैं और विशिष्ट स्थान के लिए पूरे वर्ष सौर विकिरण का आकलन करते हैं। बैटरियों की संख्या और उनके ग्रिड विन्यास का चयन वर्ष की सबसे कम सौर ऊर्जा आपूर्ति के दौरान घर की माँग के अनुरूप किया जाता है, जबकि बैटरियाँ पूरी तरह से खत्म नहीं होतीं। यह मुख्य ग्रिड से पूरी तरह से बिजली स्वतंत्र होने के समाधान को मानकर किया जाता है।
बैटरी को अपेक्षाकृत मध्यम चार्ज स्थिति में रखना या उन्हें पूरी तरह डिस्चार्ज न करना, शुरुआत में थोड़ा विरोधाभासी लग सकता है। आखिर, अगर हम उसकी पूरी क्षमता का उपयोग नहीं कर सकते, तो स्टोरेज सिस्टम का इस्तेमाल क्यों करें? सैद्धांतिक रूप से यह संभव है, लेकिन यह निवेश पर अधिकतम लाभ देने वाली रणनीति नहीं हो सकती।
BESS का एक मुख्य नुकसान बैटरियों की अपेक्षाकृत ऊँची कीमत है। इसलिए, बैटरी के जीवनकाल को अधिकतम करने वाली उपयोग की आदत या चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीति चुनना ज़रूरी है। उदाहरण के लिए, लेड-एसिड बैटरियों को 50% से कम क्षमता पर डिस्चार्ज किए बिना अपरिवर्तनीय क्षति नहीं पहुँच सकती। लिथियम-आयन बैटरियों का ऊर्जा घनत्व अधिक होता है और इनका चक्र जीवन लंबा होता है। इन्हें लंबी दूरी तक डिस्चार्ज भी किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए इनकी कीमत बढ़ जाती है। विभिन्न रसायनों के बीच लागत में बहुत अंतर होता है, लेड-एसिड बैटरियाँ समान आकार की लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में सैकड़ों से हज़ारों डॉलर सस्ती हो सकती हैं। यही कारण है कि तीसरी दुनिया के देशों और गरीब समुदायों में सौर ऊर्जा अनुप्रयोगों में लेड-एसिड बैटरियों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।
बैटरी का प्रदर्शन उसके जीवनकाल के दौरान होने वाली गिरावट से काफ़ी प्रभावित होता है। इसका प्रदर्शन स्थिर नहीं होता और अचानक खराब होने पर समाप्त हो जाता है। इसके बजाय, इसकी क्षमता और प्रदान की गई क्षमता धीरे-धीरे कम हो सकती है। व्यवहार में, बैटरी का जीवनकाल तब समाप्त माना जाता है जब इसकी क्षमता अपनी मूल क्षमता के 80% तक पहुँच जाती है। दूसरे शब्दों में, जब इसकी क्षमता 20% कम हो जाती है। व्यवहार में, इसका मतलब है कि कम ऊर्जा प्रदान की जा सकती है। यह पूरी तरह से स्वतंत्र प्रणालियों के उपयोग की अवधि और एक इलेक्ट्रिक वाहन द्वारा तय की जाने वाली माइलेज को प्रभावित कर सकता है।
सुरक्षा पर भी विचार करना ज़रूरी है। विनिर्माण और तकनीकी प्रगति के साथ, हाल की बैटरियाँ आम तौर पर रासायनिक रूप से ज़्यादा स्थिर रही हैं। हालाँकि, क्षरण और दुरुपयोग के इतिहास के कारण, सेल तापीय गतिरोध में जा सकते हैं जिससे विनाशकारी परिणाम हो सकते हैं और कुछ मामलों में उपभोक्ताओं की जान को भी खतरा हो सकता है।
यही कारण है कि कंपनियों ने बैटरी के उपयोग को नियंत्रित करने के लिए बेहतर बैटरी मॉनिटरिंग सॉफ्टवेयर (बीएमएस) विकसित किया है, साथ ही समय पर रखरखाव प्रदान करने और गंभीर परिणामों से बचने के लिए बैटरी की स्थिति की निगरानी भी की है।
निष्कर्ष
ग्रिड-ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ न केवल मुख्य ग्रिड से ऊर्जा स्वतंत्रता प्राप्त करने का एक शानदार अवसर प्रदान करती हैं, बल्कि डाउनटाइम और पीक लोड अवधि के दौरान बिजली का एक बैकअप स्रोत भी प्रदान करती हैं। इनके विकास से हरित ऊर्जा स्रोतों की ओर बदलाव को बढ़ावा मिलेगा, जिससे जलवायु परिवर्तन पर ऊर्जा उत्पादन के प्रभाव को सीमित किया जा सकेगा और साथ ही खपत में निरंतर वृद्धि के साथ ऊर्जा आवश्यकताओं को भी पूरा किया जा सकेगा।
बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली और विभिन्न दैनिक अनुप्रयोगों के लिए कॉन्फ़िगर करने में सबसे आसान हैं। इनका उच्च लचीलापन अपेक्षाकृत उच्च लागत से संतुलित होता है, जिसके कारण संबंधित जीवनकाल को यथासंभव बढ़ाने के लिए निगरानी रणनीतियों का विकास होता है। वर्तमान में, उद्योग और शिक्षा जगत विभिन्न परिस्थितियों में बैटरी क्षरण की जाँच और समझने के लिए काफी प्रयास कर रहे हैं।
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