Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, हलचल भरे शहर को बिजली देने की कोशिश कर रहे हैं। आपके पास सौर पैनलों और पवन टरबाइनों का एक बेड़ा है, जो शानदार हैं क्योंकि वे तब बिजली पैदा करते हैं जब सूरज चमक रहा होता है और हवा चल रही होती है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: सूरज रात में नहीं चमकता, और हवा हमेशा नहीं चलती, खासकर उन लंबी, अंधेरी सर्दियों के हफ्तों के दौरान। रोशनी को 24/7 चालू रखने के लिए, आपको एक "बैकअप योजना" की आवश्यकता है जो तब काम आ सके जब प्रकृति विश्राम ले रही हो। यह ऊर्जा निवेश पर ऊर्जा वापसी (EROI) की दुनिया है। EROI को ऊर्जा के "लाभ मार्जिन" के रूप में सोचें। यदि आप एक पावर प्लांट बनाने के लिए 1 इकाई ऊर्जा खर्च करते हैं, और वह प्लांट अपने जीवनकाल में आपको 10 इकाइयां वापस देता है, तो आपका EROI 10 है। यह एक बहुत अच्छा सौदा है! लेकिन यदि आप 1 इकाई खर्च करके केवल 1.1 इकाइयां वापस पाते हैं, तो आपका EROI 1.1 है, जो अस्पतालों, स्कूलों या अंतरिक्ष रॉकेटों के निर्माण के लिए पर्याप्त नहीं है, बल्कि मुश्किल से रोशनी चालू रखने के लिए ही काफी है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं वह यह है: जब हम सौर और पवन को विश्वसनीय बनाने के लिए आवश्यक सभी अतिरिक्त चीजों (जैसे विशाल बैटरी या बैकअप गैस प्लांट) को जोड़ते हैं, तो क्या "लाभ" गायब हो जाता है?

हंस पीटर बेक द्वारा लिखा गया यह शोध पत्र ठीक इसी प्रश्न की गहराई में जाता है। यह भविष्य की ऊर्जा प्रणाली के लिए एक विशाल लेखांकन बहीखाते (accounting ledger) की तरह कार्य करता है। केवल छत पर लगे एक एकल सौर पैनल को देखने के बजाय, लेखक एक "बेड़ा" मॉडल बनाता है—मध्य यूरोप के लिए एक विशाल, काल्पनिक पावर ग्रिड जो 80% पवन और 20% सौर ऊर्जा पर निर्भर है। अध्ययन फिर पूछता है: "जब हम इस मौसम-निर्भर बिजली को विश्वसनीय बनाने के लिए आवश्यक भारी कार्यों (heavy lifting) को जोड़ते हैं, तो हमारी ऊर्जा का लाभ क्या होता है?" शोध पाता है कि हालांकि सौर पैनल अपने आप में बहुत अच्छे दिखते हैं, लेकिन जैसे ही आप सर्दियों के तूफानों के दौरान रोशनी चालू रखने के लिए आवश्यक "फर्मिंग" (बैकअप) प्रणालियों को जोड़ते हैं, ऊर्जा का लाभ नाटकीय रूप रूप से गिर जाता है। वास्तव में, परीक्षण किए गए सबसे विश्वसनीय बैकअप विकल्प (जैसे हाइड्रोजन स्टोरेज या गैस प्लांट) ऊर्जा के लाभ को एकल अंकों तक, या शून्य के करीब भी ले आते हैं। पेपर सुझाव देता है कि उच्च-ऊर्जा अधिशेष (surplus) के बिना, हमारा आधुनिक, जटिल समाज जीवित रहने के लिए संघर्ष कर सकता है, और फलना-फूलना तो दूर की बात है।

सौर पैनल का अकेला सपना

आइए हमारे कहानी के नायक से शुरुआत करें: सौर पैनल। अपने आप में, एक सौर पैनल एक रॉकस्टार की तरह है। यदि आप केवल इसके इंस्टालेशन—पैनल, तार और इन्वर्टर—को देखते हैं, तो इसमें एक शानदार ऊर्जा लाभ है। मध्य यूरोप के धूप वाले हिस्सों में, प्रत्येक इकाई ऊर्जा के लिए जो इसे बनाने में उपयोग की जाती है, यह अपने जीवनकाल में 15 से 20 इकाइयां वापस दे सकता है। यह $1 का टिकट खरीदने और$20 जीतने जैसा है। यह एक जीतने वाले लॉटरी टिकट जैसा लगता है!

लेकिन यहाँ कहानी में मोड़ आता है: एक सौर पैनल एक "अच्छे मौसम का दोस्त" है। यह केवल तभी काम करता है जब सूरज बाहर होता है। यदि आप पूरे शहर को चलाना चाहते हैं, तो आप केवल अच्छे मौसम के दोस्तों पर भरोसा नहीं कर सकते। आपको बारिश के दिनों, बादलों वाली रातों और उन भयानक रूप से लंबी सर्दियों के लिए एक बैकअप योजना की आवश्यकता है जहाँ सूरज मुश्किल से झाँकता है और हवा बिल्कुल शांत होती है। वैज्ञानिक इस आवश्यकता को "फर्मिंग" (firming) कहते हैं। यह एक पिकनिक कंबल (सौर) होने और हीटर के साथ एक पूर्ण तंबू (फर्म पावर) होने के बीच का अंतर है।

बैकअप योजना की लागत

यह शोध पत्र एक पावर ग्रिड का एक विशाल सिमुलेशन बनाता है ताकि यह देखा जा सके कि जब हम उस "अच्छे मौसम के दोस्त" को एक "विश्वसनीय रूममेट" बनाने की कोशिश करते हैं तो क्या होता है। लेखक एक परिदृश्य बनाता है जहाँ 80% बिजली पवन से आती है और 20% सौर से। यह मिश्रण अच्छा है क्योंकि जब सूरज नहीं चमक रहा होता है तब अक्सर हवा चलती है, लेकिन इस संयोजन में भी एक कमजोरी है: कभी-कभी, हवा और सूरज दोनों एक साथ सो जाते हैं। इन्हें "डंकलफ्लोट" (Dunkelflaute) घटनाएं कहा जाता है (एक फैंसी जर्मन शब्द जिसका अर्थ है "अंधेरे सुस्ती के दौर")।

इन अंधेरे दौरों से बचने के लिए, पेपर तीन अलग-अलग बैकअप रणनीतियों का परीक्षण करता है, और इसके परिणाम चौंकाने वाले हैं।

1. बैटरी बैंक (अल्पकालिक समाधान)
कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल बैटरी के साथ समस्या को हल करने की कोशिश करते हैं। बैटरियां दोपहर से शाम तक ऊर्जा स्थानांतरित करने के लिए बेहतरीन हैं, जैसे एक भरी हुई टोकरी से कुछ सेब खाली टोकरी में ले जाना। लेकिन क्या होगा यदि टोकरी पूरे एक सप्ताह तक खाली रहती है?
पेपर गणना करता है कि यदि आप केवल 24 घंटों तक टिकने के लिए पर्याप्त ऊर्जा स्टोर करने की कोशिश करते हैं, तो ऊर्जा का लाभ गिर जाता है। 15 इकाइयां वापस पाने के बजाय, आपको शायद केवल 0.7 से 2.3 इकाइयां ही मिलेंगी। क्यों? क्योंकि उन विशाल बैटरियों को बनाने में बहुत अधिक ऊर्जा लगती है। यह किराने का सामान खरीदने के लिए दुकान तक जाने के लिए ईंटों से भरा बैग उठाने जैसा है; बैग जितना भारी होगा, आपके पास वास्तव में सामान खरीदने के लिए उतनी ही कम ऊर्जा बचेगी। यहाँ तक कि 4-घंटे की बैटरी भी लाभ को 3.4 से 7.6 की सीमा तक गिरा देती है। पेपर सुझाव देता है कि जबकि बैटरियां छोटी झपकी के लिए उपयोगी हैं, वे हमें लंबी सर्दियों से निकालने के लिए बहुत भारी और महंगी हैं।

2. हाइड्रोजन टैंक (दीर्घकालिक समाधान)
इसके बाद, पेपर हाइड्रोजन को देखता है। यह बिजली को गैस में बदलने, उसे एक विशाल भूमिगत टैंक में स्टोर करने और आवश्यकता होने पर उसे वापस बिजली में बदलने जैसा है। यह अंतिम दीर्घकालिक भंडारण है, जो हफ्तों या महीनों तक ऊर्जा रखने में सक्षम है।
हालाँकि, यह प्रक्रिया बहुत अक्षम है। यह एक लीक होते पाइप से बाल्टी भरने की कोशिश करने जैसा है। आपको बाल्टी में थोड़ा सा पानी (बिजली) रोकने के लिए बहुत अधिक पानी पंप करना पड़ता है। इन नुकसानों के कारण, आपको टैंक भरने के लिए और अधिक सौर पैनल और पवन टरबाइन बनाने की आवश्यकता होती है। पेपर पाता है कि इस "सुपर स्टोरेज" के साथ भी, ऊर्जा का लाभ घटकर 3.4 से 7.7 के बीच रह जाता है। यह 24-घंटे वाली बैटरी से बेहतर है, लेकिन यह अभी भी "एकल अंक" वाले क्षेत्र में है, जो एक आधुनिक समाज के लिए खतरनाक जगह है।

3. गैस बैकअप (जीवाश्म ईंधन का सहारा)
अंत में, पेपर गैस पावर प्लांट को स्टैंडबाय पर रखने की संभावना देखता है। इन प्लांटों को ऊर्जा स्टोर करने की आवश्यकता नहीं होती; वे बस गैस जलाते हैं जब हवा और सूरज विफल हो जाते हैं।
यहाँ परिणाम और भी स्पष्ट है। क्योंकि आपको इन विशाल गैस प्लांटों को बना कर तैयार रखना पड़ता है (भले ही वे अधिकांश समय खाली बैठे रहें), और क्योंकि आपको उन्हें चलाने के लिए ईंधन जलाना पड़ता है, इसलिए ऊर्जा का लाभ तेजी से गिरकर पाइपलाइन गैस के लिए 1.2 से 2.6 और लिक्विड नेचुरल गैस (LNG) के लिए और भी कम (1.0 से 2.2) हो जाता है।
पेपर समझाता है कि 2 के EROI पर, आप अपने कुल ऊर्जा उत्पादन का आधा हिस्सा केवल पावर प्लांट चलाने के लिए खर्च कर रहे हैं। यह एक ऐसे व्यवसाय की तरह है जहाँ आपका आधा राजस्व किराया चुकाने में चला जाता है, जिससे बाकी सब कुछ के लिए बहुत कम बचता है। 1 के EROI पर, आप केवल बराबर (break even) पर हैं, और 1 से नीचे, आप घाटे में हैं। पेपर सुझाव देता है कि गैस बैकअप पर निर्भर रहने से रोशनी तो बनी रह सकती है, लेकिन यह समाज के बाकी हिस्सों के लिए स्कूल बनाने, बीमारियों के इलाज या अंतरिक्ष की खोज के लिए लगभग कोई "अधिशेष" (surplus) ऊर्जा नहीं छोड़ता है।

"अल्पाइन" भ्रम

आप सोच सकते हैं, "क्या होगा अगर हम पहाड़ों पर सौर पैनल लगा दें? बर्फ प्रकाश को परावर्तित करती है, इसलिए उन्हें बेहतर काम करना चाहिए!" पेपर इसकी भी जांच करता है। यह सच है कि पहाड़ी पैनलों को थोड़ा अधिक धूप मिलती है, लेकिन पहाड़ों में सड़कें, भारी माउंट और बिजली की लाइनें बनाने की लागत उस अतिरिक्त लाभ को खा जाती है। बैकअप आवश्यकताओं को जोड़ने पर पहाड़ी सौर का ऊर्जा लाभ नियमित सौर के समान ही कम हो जाता है। पेपर सुझाव देता है कि कठिन इलाकों में पैनल लगाने से उस मौलिक समस्या का समाधान नहीं होता है जिसमें एक विशाल बैकअप सिस्टम की आवश्यकता होती है।

बड़ी तस्वीर: यह क्यों मायने रखता है

तो, इस विशाल ऊर्जा लेखांकन से क्या निष्कर्ष निकलता है? पेपर सुझाव देता है कि हम सौर और पवन को अलग-थलग देख रहे हैं, जैसे ईंधन, टायर और ड्राइवर पर विचार किए बिना केवल इंजन के आधार पर कार का निर्णय लेना। जब आप एक शहर को विश्वसनीय रूप से चलाने के लिए आवश्यक पूरे सिस्टम को देखते हैं, तो नवीकरणीय ऊर्जा का "लाभ" काफी कम हो जाता है।

लेखक का तर्क है कि एक आधुनिक, औद्योगिक समाज को स्वास्थ्य सेवा, शिक्षा और वैज्ञानिक अनुसंधान जैसी चीजों का समर्थन करने के लिए उच्च ऊर्जा लाभ (कम से कम 7 से 10 का EROI) की आवश्यकता होती है। यदि ऊर्जा प्रणाली इतनी अक्षम है कि उसे खुद को बनाने और बनाए रखने के लिए अपनी ही ऊर्जा का अधिकांश हिस्सा खर्च करना पड़ता है, तो शेष समाज के लिए बहुत कम बचता है। पेपर सुझाव देता है कि हालांकि सौर और पवन महत्वपूर्ण हैं, लेकिन यदि हम अपनी जटिल दुनिया को बिना ऊर्जा अधिशेष खत्म हुए चलाने के लिए चाहते हैं, तो वे एकमात्र समाधान नहीं हो सकते। यह संकेत देता है कि हमें अन्य प्रकार की ऊर्जा की आवश्यकता हो सकती है जो "फर्म" (हमेशा चालू रहने वाली) हो और जिसका उच्च ऊर्जा लाभ हो, जैसे परमाणु ऊर्जा या जलविद्युत।

संक्षेप में, पेपर चेतावनी देता है कि हरित भविष्य का रास्ता केवल छतों पर अधिक पैनल लगाने के बारे में नहीं है। यह विश्वसनीयता की भारी लागत को समझने के बारे में है। यदि हम बैकअप की लागत को अनदेखा करते हैं, तो हम खुद को बहुत सारी हरित ऊर्जा के साथ पा सकते हैं जो उस दुनिया को चलाने के लिए पर्याप्त नहीं होगी जिसमें हम रहते हैं।