पिछले 50 वर्षों में वैश्विक बिजली खपत में लगातार वृद्धि हुई है, और अनुमान है कि वर्ष 2021 में यह खपत लगभग 25,300 टेरावॉट-घंटे तक पहुंच गई थी। उद्योग 4.0 की ओर बढ़ते कदम के साथ, विश्व भर में ऊर्जा की मांग में वृद्धि हुई है। औद्योगिक और अन्य आर्थिक क्षेत्रों की बिजली आवश्यकताओं को छोड़कर, ये आंकड़े हर साल बढ़ रहे हैं। इस औद्योगिक बदलाव और उच्च बिजली खपत के साथ-साथ ग्रीनहाउस गैसों के अत्यधिक उत्सर्जन के कारण जलवायु परिवर्तन के प्रभाव भी स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे हैं। 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। जलवायु संबंधी ये चिंताएं पारंपरिक तरीकों से अतिरिक्त ऊर्जा उत्पादन को रोकती हैं। इसलिए, 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 इस बदलाव का जवाब दिया है। बेहतर विनिर्माण तकनीकों ने इस परिवर्तन में मदद की है, उदाहरण के लिए पवन टरबाइन ब्लेडों का अधिक कुशल निर्माण संभव हुआ है। साथ ही, शोधकर्ताओं ने फोटोवोल्टिक सेल की दक्षता में सुधार किया है, जिससे प्रति 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 पहुंच 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 जलविद्युत और पवन ऊर्जा के बाद तीसरा सबसे बड़ा नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है।
हालांकि, ये उपलब्धियां नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों की कुछ अंतर्निहित कमियों, मुख्य रूप से उपलब्धता की समस्या का समाधान नहीं करती हैं। इनमें से अधिकांश विधियां कोयला और तेल विद्युत संयंत्रों की तरह मांग के अनुसार ऊर्जा उत्पादन नहीं करती हैं। उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जा दिन भर उपलब्ध रहती है, हालांकि सूर्य की किरणों के कोण और सौर पैनलों की स्थिति के आधार पर इसमें उतार-चढ़ाव होता रहता है। यह रात में ऊर्जा का उत्पादन नहीं कर सकती, जबकि सर्दियों के मौसम और अत्यधिक 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 को बनाए रखने के लिए इन समाधानों को ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के साथ जोड़ना आवश्यक है।
ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ क्या हैं?
ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ ऊर्जा को संग्रहित कर सकती हैं ताकि बाद में इसका उपयोग किया जा सके। कुछ मामलों में, संग्रहित ऊर्जा और प्रदान की गई ऊर्जा के बीच ऊर्जा रूपांतरण होता है। इसका सबसे आम उदाहरण लिथियम-आयन बैटरी या लेड-एसिड बैटरी जैसी विद्युत बैटरियाँ हैं। ये इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा प्रदान करती हैं।
बैटरी, या बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली (BESS), दैनिक जीवन में उपयोग होने वाली सबसे आम ऊर्जा भंडारण विधि है। अन्य भंडारण प्रणालियाँ भी मौजूद हैं, जैसे जलविद्युत संयंत्र जो बांध में संग्रहित जल की संभावित ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। नीचे गिरता पानी टरबाइन के फ्लाईव्हील को घुमाता है जिससे विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है। एक अन्य उदाहरण संपीड़ित गैस है; छोड़े जाने पर गैस टरबाइन के पहिए को घुमाती है जिससे बिजली उत्पन्न होती है।
अन्य भंडारण विधियों से बैटरी को अलग करने वाली बात उनके उपयोग के संभावित क्षेत्र हैं। छोटे उपकरणों और ऑटोमोबाइल बिजली आपूर्ति से लेकर घरेलू अनुप्रयोगों और बड़े सौर फार्मों तक, बैटरी को किसी भी ऑफ-ग्रिड भंडारण अनुप्रयोग में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। दूसरी ओर, जलविद्युत और संपीड़ित वायु विधियों के लिए भंडारण हेतु बहुत बड़े और जटिल बुनियादी ढांचे 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 स्टोरेज सिस्टम के उपयोग के उदाहरण।
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 बढ़ावा दे सकते हैं। फिर भी, ऐसे सिस्टम से अन्य अनुप्रयोगों को भी काफी लाभ मिल सकता है।
शहरों के बिजली ग्रिड का उद्देश्य प्रत्येक शहर की आपूर्ति और मांग के आधार पर बिजली की सही मात्रा प्रदान करना है। बिजली की आवश्यकता दिन भर में घट-बढ़ सकती है। चरम मांग के मामलों में उतार-चढ़ाव को कम करने और अधिक स्थिरता प्रदान करने के लिए ऑफ-ग्रिड भंडारण प्रणालियों का उपयोग किया जाता है। एक अन्य दृष्टिकोण से, ऑफ-ग्रिड भंडारण प्रणालियाँ मुख्य बिजली ग्रिड में किसी भी अप्रत्याशित तकनीकी खराबी या निर्धारित रखरखाव अवधि के दौरान बिजली की आपूर्ति में कमी की भरपाई करने में अत्यधिक लाभदायक हो सकती हैं। वे वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की खोज किए बिना बिजली की आवश्यकताओं को पूरा कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, फरवरी 2023 की शुरुआत में टेक्सास में आए हिमपात के कारण लगभग 262,000 लोग बिजली से वंचित रह गए थे, जबकि खराब मौसम की स्थिति के कारण मरम्मत कार्य में देरी हुई थी।
इलेक्ट्रिक वाहन एक और उदाहरण हैं। शोधकर्ताओं ने बैटरी के जीवनकाल और पावर घनत्व को बढ़ाने के लिए बैटरी निर्माण और चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीतियों को अनुकूलित करने में काफी प्रयास किए हैं। लिथियम-आयन बैटरियां इस छोटे से बदलाव में सबसे आगे रही हैं और इनका व्यापक रूप से नई इलेक्ट्रिक कारों के साथ-साथ इलेक्ट्रिक बसों में भी उपयोग किया जा रहा है। बेहतर बैटरियां सही तकनीकों के साथ अधिक माइलेज के साथ-साथ चार्जिंग समय को भी कम कर सकती हैं।
अन्य तकनीकी प्रगति जैसे यूएवी और मोबाइल रोबोट को बैटरी के विकास से काफी लाभ हुआ है। इनकी गति और नियंत्रण रणनीतियाँ बैटरी की क्षमता और उससे मिलने वाली शक्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं।
BESS क्या है?
बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली (BESS) एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली है जिसका उपयोग ऊर्जा को संग्रहित करने 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। इसमें कई बैटरियां विभिन्न विन्यासों (श्रृंखला/समानांतर) में व्यवस्थित होती हैं और आवश्यकताओं के अनुसार इनका आकार निर्धारित किया जाता है। ये बैटरियां एक इन्वर्टर से जुड़ी होती हैं जो डीसी पावर को एसी पावर में परिवर्तित करके उपयोग के लिए तैयार करता है। बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) का उपयोग बैटरी की स्थिति और चार्जिंग/डिस्चार्जिंग प्रक्रिया की निगरानी के लिए किया जाता है।
अन्य ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की तुलना में, इन्हें स्थापित करना/जोड़ना विशेष रूप से लचीला होता है और इसके लिए अत्यधिक महंगी अवसंरचना की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन फिर भी इनकी लागत काफी अधिक होती है और उपयोग के आधार पर अधिक नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है।
BESS के आकार और उपयोग की आदतें
बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली स्थापित करते समय ध्यान देने योग्य एक महत्वपूर्ण बिंदु है बैटरी का आकार निर्धारित करना। कितनी बैटरियों की आवश्यकता है? किस कॉन्फ़िगरेशन में? कुछ मामलों में, बैटरी का प्रकार लागत बचत और दक्षता के मामले में दीर्घकालिक रूप से महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।
यह प्रत्येक मामले के आधार पर किया जाता है क्योंकि आवेदन छोटे घरों से लेकर बड़े औद्योगिक संयंत्रों तक हो सकते हैं।
छोटे घरों, विशेषकर शहरी क्षेत्रों में, नवीकरणीय ऊर्जा का सबसे आम स्रोत सौर ऊर्जा है, जिसके लिए फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग किया जाता है। इंजीनियर आमतौर पर घर की औसत बिजली खपत पर विचार करता है और उस विशेष स्थान के लिए पूरे वर्ष सौर विकिरण का आकलन करता है। बैटरियों की संख्या और उनका ग्रिड कॉन्फ़िगरेशन इस तरह से चुना जाता है कि वे वर्ष के सबसे कम सौर ऊर्जा आपूर्ति वाले समय में घर की मांगों को पूरा कर सकें और बैटरियों को पूरी तरह से डिस्चार्ज न करें। यह इस धारणा पर आधारित है कि मुख्य ग्रिड से बिजली की पूरी तरह से निर्भरता दूर हो जाएगी।
बैटरी को अपेक्षाकृत संतुलित अवस्था में रखना या उसे पूरी तरह से डिस्चार्ज न करना, पहली नज़र में अटपटा लग सकता है। आख़िरकार, अगर हम स्टोरेज सिस्टम की पूरी क्षमता का उपयोग ही नहीं कर सकते, तो उसका इस्तेमाल क्यों करें? सैद्धांतिक रूप से यह संभव है, लेकिन निवेश पर अधिकतम लाभ प्राप्त करने की यह रणनीति शायद कारगर न हो।
BESS की मुख्य कमियों में से एक है बैटरियों की अपेक्षाकृत अधिक लागत। इसलिए, बैटरी के जीवनकाल को अधिकतम करने वाली उपयोग की आदत या चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीति का चुनाव करना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, लेड एसिड बैटरियों को 50% क्षमता से कम डिस्चार्ज करने पर अपरिवर्तनीय क्षति हो सकती है। लिथियम-आयन बैटरियों में उच्च ऊर्जा घनत्व और लंबा चक्र जीवन होता है। इन्हें अधिक रेंज तक डिस्चार्ज किया जा सकता है, लेकिन इसकी कीमत अधिक होती है। विभिन्न रासायनिक संरचनाओं की लागत में काफी अंतर होता है; समान आकार की लेड एसिड बैटरियां लिथियम-आयन बैटरी की तुलना में सैकड़ों से हजारों डॉलर सस्ती हो सकती हैं। यही कारण है कि तृतीय विश्व के देशों और गरीब समुदायों में सौर अनुप्रयोगों में लेड एसिड बैटरियों का सबसे अधिक उपयोग होता है।
बैटरी का प्रदर्शन उसके जीवनकाल के दौरान होने वाली गिरावट से काफी प्रभावित होता है; इसका प्रदर्शन स्थिर नहीं होता और अचानक खराब नहीं होता। इसके बजाय, इसकी क्षमता धीरे-धीरे कम होती जाती है। व्यवहार में, बैटरी का जीवनकाल तब समाप्त माना जाता है जब उसकी क्षमता अपनी मूल क्षमता के 80% तक पहुँच जाती है। दूसरे शब्दों में, जब उसकी क्षमता में 20% की गिरावट आती है। इसका मतलब है कि अब वह कम ऊर्जा प्रदान कर सकती है। इससे पूरी तरह स्वतंत्र सिस्टम के उपयोग की अवधि और इलेक्ट्रिक वाहन की तय की जाने वाली दूरी पर असर पड़ सकता है।
सुरक्षा भी एक महत्वपूर्ण पहलू है। विनिर्माण और प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ, हाल की बैटरियां रासायनिक रूप से अधिक स्थिर रही हैं। हालांकि, समय के साथ होने वाली खराबी और दुरुपयोग के कारण, सेल में अत्यधिक गर्मी उत्पन्न हो सकती है जिससे विनाशकारी परिणाम हो सकते हैं और कुछ मामलों में उपभोक्ताओं का जीवन भी खतरे में पड़ सकता है।
यही कारण है कि कंपनियों ने बैटरी के उपयोग को नियंत्रित करने के साथ-साथ उसकी स्थिति की निगरानी करने के लिए बेहतर बैटरी मॉनिटरिंग सॉफ्टवेयर (बीएमएस) विकसित किया है, ताकि समय पर रखरखाव प्रदान किया जा सके और गंभीर परिणामों से बचा जा सके।
निष्कर्ष
ग्रिड-ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ मुख्य ग्रिड से बिजली की स्वतंत्रता प्राप्त करने का एक बड़ा अवसर प्रदान करती हैं, साथ ही बिजली की कमी और चरम भार अवधि के दौरान बिजली का एक बैकअप स्रोत भी प्रदान करती हैं। इनका विकास हरित ऊर्जा स्रोतों की ओर बदलाव को सुगम बनाएगा, 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 पूरा किया जा सकेगा।
बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली और विभिन्न दैनिक अनुप्रयोगों के लिए सबसे आसानी से कॉन्फ़िगर की जाने वाली प्रणालियाँ हैं। इनकी उच्च लचीलता के बावजूद इनकी लागत अपेक्षाकृत अधिक होती है, जिसके कारण इनके जीवनकाल को यथासंभव बढ़ाने के लिए निगरानी रणनीतियों का विकास किया जा रहा है। वर्तमान में, उद्योग और शिक्षा जगत विभिन्न परिस्थितियों में बैटरी के क्षरण का अध्ययन और विश्लेषण करने के लिए अथक प्रयास कर रहे हैं।
