Optimal Grid Connection Capacity of a Hybrid Renewable Microgrid: An Energy Management and Economic Optimisation Model
यह शोध पत्र एक हाइब्रिड नवीकरणीय माइक्रोग्रिड के लिए इष्टतम ग्रिड कनेक्शन क्षमता निर्धारित करने हेतु एक ऊर्जा प्रबंधन और आर्थिक अनुकूलन मॉडल प्रस्तुत करता है, जो आयात, बैकअप जनरेशन और भंडारण लागतों को संतुलित करने वाले एक प्राथमिकता-आधारित एल्गोरिदम के माध्यम से विभिन्न लोड परिदृश्यों में इसके लेवलाइज़्ड लागत (levelized cost) को 2.8% तक सफलतापूर्वक कम करता है।
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कल्पना कीजिए कि एक छोटा, आत्मनिर्भर पड़ोस है जो सूरज की रोशनी और हवा का उपयोग करके अपनी बिजली खुद बनाता है, अतिरिक्त शक्ति को एक विशाल बैटरी में संग्रहीत करता है, और बादलों वाले या शांत दिनों के लिए एक गैस जनरेटर को स्टैंडबाय पर रखता है। यह एक माइक्रोग्रिड है। अतीत में, इंजीनियर इन प्रणालियों को इस आधार पर डिजाइन करते थे कि उन्हें मुख्य शहर के ग्रिड से कितनी शक्ति खींचने की आवश्यकता हो सकती है या वे कितनी वापस भेज सकते हैं, इसका अनुमान लगाते थे। वे अक्सर मुख्य ग्रिड से कनेक्शन के आकार का निर्धारण एक 'वर्स्ट-केस' (सबसे खराब स्थिति) के अनुमान के आधार पर करते थे, जिसका अर्थ था एक बड़े, महंगे केबल के लिए भुगतान करना जो ज्यादातर अप्रयुक्त रहता था। लेकिन बिजली के बाजार बदल रहे हैं। बिजली खरीदने और बेचने की कीमतें हर घंटे घटती-बढ़ती रहती हैं, और कनेक्शन को खुला रखने की लागत एक निश्चित बिल है जिसे वास्तविक प्रवाह के बावजूद चुकाना ही पड़ता है। शोधकर्ता अब एक सरल लेकिन कठिन प्रश्न पूछ रहे हैं: मुख्य ग्रिड के साथ उस कनेक्शन का सटीक आकार क्या है जो पूरे सिस्टम को सबसे सस्ता बनाए रखता है, बिना किसी को अंधेरे में छोड़े?
यूक्रेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के हाइब्रिड माइक्रोग्रिड के लिए एक कंप्यूटर मॉडल बनाया है। उन्होंने केवल यह नहीं देखा कि सौर पैनल या पवन टरबाइन कितनी बिजली बना सकते हैं; उन्होंने एक विस्तृत आर्थिक सिमुलेशन बनाया जो हर संभावित लाभ के विरुद्ध हर संभावित लागत को तौलता है। उनके सिस्टम में साठ किलोवाट का सौर ऐरे, बीस किलोवाट की पवन टरबाइन, चालीस किलोवाट का बैकअप गैस जनरेटर और दो सौ किलोवाट-घंटे की ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम एक बैटरी सिस्टम शामिल है। मॉडल इस महत्वपूर्ण वास्तविकता को भी ध्यान में रखता है कि सभी बिजली उपयोगकर्ता एक जैसे नहीं होते हैं। कुछ लोड, जैसे अस्पताल या सुरक्षा प्रणालियाँ, महत्वपूर्ण हैं और उन्हें कभी भी बिजली नहीं खोनी चाहिए, जबकि अन्य, जैसे स्ट्रीटलाइट या ऑफिस हीटिंग, यदि आवश्यक हो तो बाधित किए जा सकते हैं। शोधकर्ताओं ने बिजली की कमी के लिए एक वित्तीय दंड (पेनल्टी) निर्धारित किया, जिससे ब्लैकआउट की लागत उनके समीकरण में ईंधन की कीमत की तरह एक वास्तविक संख्या बन गई।
उनके कार्य का मूल हिस्सा यह निर्णय लेने का एक नया तरीका है कि जब सूरज नहीं चमक रहा हो और हवा नहीं चल रही हो, तो बिजली कहाँ से प्राप्त की जाए। बैकअप गैस जनरेटर को आँख बंद करके चालू करने के बजाय, मॉडल इसे चलाने के लिए आवश्यक ईंधन की लागत की तुलना मुख्य ग्रिड से बिजली खरीदने की वर्तमान कीमत से करता है। यदि ग्रिड की कीमत गैस की लागत से कम है, तो सिस्टम बिजली खरीदता है। यदि गैस सस्ती है, तो यह जनरेटर चलाता है। यह निर्णय हर घंटे होता है, जो बदलते बाजार के प्रति प्रतिक्रिया करता है। मॉडल फिर हजारों सिमुलेशन चलाता है, जिसमें मुख्य ग्रिड के कनेक्शन के विभिन्न आकारों का परीक्षण किया जाता है, जो एक बहुत ही पतले तार से लेकर एक विशाल केबल तक है जो सिस्टम द्वारा निर्यात की जाने वाली अधिकतम संभावित शक्ति को संभाल सके। प्रत्येक आकार के लिए, यह कुल दैनिक लागत की गणना करता है, जिसमें ईंधन की कीमत, बैटरी का घिसाव, कनेक्शन के लिए शुल्क और ग्राहकों को दी न जा सकी बिजली के लिए दंड शामिल है।
इन सिमुलेशन के परिणाम एक स्पष्ट पैटर्न प्रकट करते हैं। जैसे-जैसे माइक्रोग्रिड में बिजली की कुल मांग बढ़ती है, मुख्य ग्रिड के साथ कनेक्शन का इष्टतम (ऑप्टिमल) आकार भी बढ़ता है, लेकिन एक सीधी रेखा में नहीं। चालीस किलोवाट के छोटे लोड के लिए, सबसे किफायती कनेक्शन का आकार आश्चर्यजनक रूप से छोटा, केवल अठारह किलोवाट से कम है। जैसे-जैसे लोड बढ़कर दो सौ किलोवाट होता है, कनेक्शन का इष्टतम आकार बढ़कर एक सौ सत्तर किलोवाट हो जाता है, जो वह अधिकतम शक्ति है जिसे सिस्टम भौतिक रूप से निर्यात कर सकता है। हालांकि, कनेक्शन का सटीक आकार खोजने का वित्तीय लाभ सिस्टम के बड़े होने पर कम होता जाता है। सबसे छोटे लोड वाले परिदृश्य के लिए, कनेक्शन के आकार को अनुकूलित करने से कुल दैनिक लागत में लगभग तीन प्रतिशत की कमी आई। बड़े भार के लिए, बचत कम हो गई, जो एक प्रतिशत से भी कम रह गई, क्योंकि सिस्टम को उच्च मांग को पूरा करने के लिए पहले से ही एक बड़े कनेक्शन का उपयोग करने के लिए मजबूर किया गया था।
महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन में पाया गया कि यदि लोड बहुत अधिक बढ़ जाता है—विशेष रूप से दो सौ चालीस किलोवाट तक—तो सिस्टम एक कठिन दीवार से टकरा जाता है। सबसे बड़े संभव कनेक्शन के साथ भी, उपलब्ध सौर, पवन, बैटरी और जनरेटर की शक्ति मांग को पूरा नहीं कर सकती। इस परिदृश्य में, मॉडल दिखाता है कि सिस्टम अनिवार्य रूप से प्रतिदिन चौंसठ किलोवाट-घंटे की बिजली की आपूर्ति करने में विफल रहेगा, जिससे बिजली की हानि के लिए वित्तीय दंड लगेगा। यह इंगित करता है कि अधिक उत्पादन या भंडारण जोड़े बिना यह सिस्टम कितना बढ़ सकता है, इसकी एक सीमा है। शोधकर्ताओं ने अपने वर्तमान मॉडल में एक सीमा भी नोट की: बैटरी को एक सरल नियम द्वारा प्रबंधित किया जाता है जो अतिरिक्त शक्ति होने पर इसे भर देता है और कमी होने पर इसे खाली कर देता है, बिना यह देखे कि क्या बाद में उस दिन बिजली की कीमतें गिर सकती हैं। इसका अर्थ है कि बैटरी का उतना कुशलता से उपयोग नहीं किया जा सकता जितना कि किया जा सकता था यदि सिस्टम भविष्य की बिजली की कीमतों का पूर्वानुमान लगा पाता।
अंततः, यह कार्य इंजीनियरों और योजनाकारों के लिए एक व्यावहारिक उपकरण प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि कनेक्शन को मुख्य ग्रिड के साथ एक लचीले चर (वेरिएबल) के रूप में मानना, न कि एक निश्चित अनुमान के रूप में, वास्तविक लागत बचत की ओर ले जा सकता है। आयातित बिजली की कीमत बनाम स्थानीय उत्पादन और भंडारण की लागत को संतुलित करके, और बिजली कटौती की वास्तविक लागत को ध्यान में रखकर, मॉडल कनेक्शन के आकार के लिए एक "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) खोजता है। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि माइक्रोग्रिड अपने सबसे महत्वपूर्ण उपयोगकर्ताओं के लिए विश्वसनीय बना रहे और साथ ही अपनी वास्तविक जरूरतों के लिए बहुत बड़े कनेक्शन के भुगतान के अपव्यय से बचा जा सके। अध्ययन पुष्टि करता है कि भले ही बचत प्रतिशत के मामले में छोटी लगें, वे संसाधनों के अधिक कुशल उपयोग का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो यह सिद्ध करती है कि तारों, बैटरियों और जनरेटरों की एक जटिल प्रणाली में भी, सही आर्थिक गणना एक मापने योग्य अंतर ला सकती है।
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