Advanced and Long-Duration Energy Storage: A Review of Emerging Technologies, Applications, and Techno-Economic Assessment
यह समीक्षा वर्तमान तीन-घंटे की लिथियम-आयन क्षितिज से परे उभरती दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों का मूल्यांकन करती है, जो मूल तकनीकी-आर्थिक मॉडलिंग और सिमुलेशन के माध्यम से यह प्रदर्शित करती है कि संपीड़ित वायु (कंप्रेस्ड एयर) और फ्लो बैटरी जैसे समाधान विस्तारित डिस्चार्ज अवधि के लिए काफी कम लागत प्रदान करते हैं और ग्रिड विश्वसनीयता एवं भारत के महत्वाकांक्षी भंडारण लक्ष्यों के महत्वपूर्ण अंतराल को भी संबोधित करते हैं।
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पावर ग्रिड एक नाजुक संतुलन है। दशकों तक, यह उन बड़े बिजली संयंत्रों पर निर्भर रहा जो घरों और कारखानों की सटीक क्षण-दर-क्षण जरूरतों से मेल खाने के लिए अपनी क्षमता को इच्छानुसार घटा या बढ़ा सकते थे। आज, वह प्रणाली पवन और सौर ऊर्जा की ओर स्थानांतरित हो रही है, जो स्वच्छ तो हैं लेकिन अनिश्चित भी हैं। सूरज हमेशा नहीं चमकता और हवा हमेशा नहीं चलती, फिर भी बत्तियां जलती रहनी चाहिए। यह एक नई समस्या पैदा करता है: हमें बिजली को तब संचित करने की आवश्यकता है जब वह प्रचुर मात्रा में हो और तब छोड़ने की आवश्यकता है जब वह दुर्लभ हो। हालांकि बैटरी कुछ घंटों के लिए बिजली बनाए रखने में उत्कृष्ट हो गई है—जो सूरज ढलने के बाद शाम के पीक समय को कवर करने के लिए पर्याप्त है—लेकिन वे तब संघर्ष करती हैं जब मौसम कई दिनों तक खराब रहता है। एक बादलों वाला सप्ताह या हवा का शांत दौर ग्रिड को अल्प-अवधि वाली बैटरियों के खाली और असुरक्षित होने की स्थिति में छोड़ सकता है। इंजीनियरों और योजनाकारों के सामने सवाल अब केवल यह नहीं है कि हम कितनी ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं, बल्कि यह है कि हम इसे कितने लंबे समय तक वहां रख सकते हैं।
गुजरात टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा हाल ही में की गई एक समीक्षा 'लॉन्ग-ड्यूरेशन एनर्जी स्टोरेज' (दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण) के इस क्षेत्र की खोज करती है। उन्होंने कई तरह की तकनीकों का परीक्षण किया जो दिनों, हफ्तों या यहाँ तक कि मौसमों तक बिजली को रोकने के लिए डिज़ाइन की गई हैं, जो आज के बाजार पर हावी लिथियम-आयन बैटरियों से कहीं आगे निकल जाती हैं। लेखकों ने वैश्विक एजेंसियों, उद्योग रिपोर्टों और अपने स्वयं के कंप्यूटर सिमुलेशन से डेटा को संयोजित किया ताकि यह समझा जा सके कि कौन सी तकनीकें विभिन्न समय अवधियों के लिए सबसे अच्छा काम करती हैं और उनकी लागत कितनी हो सकती है। उनका कार्य एक स्पष्ट विभाजन रेखा प्रकट करता है: जबकि परिचित बैटरियां कुछ घंटों के लिए ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए सबसे किफायती विकल्प हैं, लंबी अवधि के लिए वे अत्यधिक महंगी हो जाती हैं। उन विस्तारित अवधियों के लिए, सबसे आशाजनक समाधान अक्सर यांत्रिक या रासायनिक प्रणालियाँ होती हैं जो हवा, पानी, लोहा या ऊष्मा जैसे प्रचुर और सस्ते पदार्थों का उपयोग करती हैं, भले ही वे ऊर्जा को वापस बदलने में कम कुशल हों।
शोधकर्ताओं ने पंप हाइड्रो (पम्प्ड हाइड्रो) जैसी एक सदी पुरानी तकनीक से लेकर संपीड़ित वायु (कंप्रेस्ड एयर), तरल वायु और फ्लो बैटरी जैसे उभरते तंत्रों तक, भंडारण के परिदृश्य का मानचित्रण करना शुरू किया। उन्होंने आयरन-एयर बैटरी का भी अध्ययन किया, जो रिवर्सिबल जंग (रस्टिंग) प्रक्रिया के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करती है, और थर्मल सिस्टम का भी अध्ययन किया जो ईंटों या पिघले हुए नमक में गर्मी को बनाए रखते हैं। उनके विश्लेषण का एक प्रमुख निष्कर्ष यह है कि इन तकनीकों की लागत संरचना इस बात पर निर्भर करती है कि उन्हें कितने समय तक टिकना है। कम अवधि के लिए, लागत उस बिजली उपकरण द्वारा संचालित होती है जो तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज करने के लिए आवश्यक है। लेकिन जैसे ही अवधि दिनों या हफ्तों तक बढ़ती है, लागत भंडारण माध्यम (स्टोरेज मीडियम)—यानी पानी, हवा या लोहे—की कीमत से नियंत्रित होती है। इसका अर्थ यह है कि एक तकनीक जो चार घंटे की शिफ्ट के लिए बहुत महंगी है, वह सौ घंटे की शिफ्ट के लिए सबसे सस्ता विकल्प बन सकती है क्योंकि उसका भंडारण पदार्थ बहुत सस्ता है।
इन विचारों का परीक्षण करने के लिए, लेखकों ने 'लेवललाइज्ड कॉस्ट ऑफ स्टोरेज' (LCOS) की गणना करने के लिए एक मॉडल बनाया, जो सिस्टम के जीवनकाल में वितरित ऊर्जा की औसत कीमत को दर्शाता है। उन्होंने आठ अलग-अलग तकनीकों पर यह मॉडल चलाया, जिसमें एक मानक उपयोग पैटर्न माना गया जहाँ सिस्टम हर कुछ दिनों में पूरी तरह से डिस्चार्ज होता है। परिणामों ने एक तीव्र क्रॉसओवर पॉइंट दिखाया। लिथियम-आयन बैटरियां, जो वर्तमान में उद्योग का मानक हैं, केवल लगभग दो या तीन घंटे तक सबसे सस्ता विकल्प बनी रहीं। उसके बाद, उनकी लागत तेजी से बढ़ गई क्योंकि प्रत्येक अतिरिक्त घंटे के भंडारण के लिए अधिक महंगी बैटरी सेल जोड़ने की आवश्यकता थी। इसके विपरीत, एडियाबेटिक कंप्रेस्ड एयर स्टोरेज (adiabatic compressed air storage), जो हवा को संपीड़ित करते समय उत्पन्न ऊष्मा को कैद करता है, और आयरन-एयर बैटरियां, जो ऑक्सीजन के साथ एक सरल रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करती हैं, अवधि बढ़ने के साथ बहुत सस्ती बनी रहीं। उनकी गणना में, चौबीस घंटे की अवधि पर, लिथियम-आयन का उपयोग करने की लागत संपीड़ित वायु का उपयोग करने की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक थी। सौ घंटे की अवधि पर, यह अंतर बढ़कर लगभग छह गुना हो गया।
अध्ययन में एक वास्तविक मौसम चुनौती का सामना कर रहे पावर ग्रिड का सिमुलेशन भी शामिल था: चार दिनों की अवधि जहाँ हवा चलना बंद हो गई। इस परिदृश्य में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम मॉडल किया जहाँ सौर और पवन ऊर्जा एक स्थिर मांग को पूरा करने की कोशिश कर रही है। बिना किसी भंडारण के, सिस्टम केवल लगभग 70 प्रतिशत मांग को पूरा कर सकता है। एक मानक चार घंटे की बैटरी जोड़ने से यह बढ़कर 83 प्रतिशत हो जाता है, लेकिन बैटरी हवा के थमने की पहली रात में ही खत्म हो जाएगी और कभी उबर नहीं पाएगी। पूरे चार दिनों के अंतराल को बिना विफल हुए पार करने के लिए, सिमुलेशन ने दिखाया कि ग्रिड को लगभग सौ घंटे तक डिस्चार्ज करने में सक्षम भंडारण प्रणाली की आवश्यकता होगी। यह निष्कर्ष इस बात पर प्रकाश डालता है कि भंडारण का मूल्य रैखिक (linear) नहीं है; पहले कुछ घंटे एक महत्वपूर्ण बढ़त प्रदान करते हैं, लेकिन विश्वसनीयता के अंतिम चरण के लिए एक पूरी तरह से अलग प्रकार की तकनीक की आवश्यकता होती है—एक ऐसी तकनीक जो बिना भारी खर्च के लंबे समय तक बड़ी मात्रा में ऊर्जा को थामे रख सके।
शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से भारत की स्थिति पर ध्यान दिया, जहाँ योजना और वास्तविकता के बीच का अंतर बहुत बड़ा है। सरकार की योजनाएं नवीकरणीय ऊर्जा के व्यापक विस्तार को सहारा देने के लिए शुरुआती 2030 के दशक तक सैकड़ों गीगावाट-घंटे के भंडारण की मांग करती हैं, फिर भी 2025 में वास्तव में संचालित बैटरी स्टोरेज एक गीगावाट-घंटे से भी कम है। देश ने पंप हाइड्रो स्टोरेज के लिए विशाल क्षमता की पहचान की है, जो पानी और गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करता है, और इसके लिए निविदाएं (टेंडर) जारी करना शुरू कर दिया है। हालांकि, समीक्षा नोट करती है कि इन निविदाओं को चालू संयंत्रों में बदलना एक बड़ी चुनौती है, और स्थानीय परिस्थितियों में गैर-लिथियम तकनीकों का परीक्षण करने की तत्काल आवश्यकता है। लेखकों का सुझाव है कि जबकि पंप हाइड्रो और लिथियम-आयन तत्काल बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए तैयार हैं, दीर्घकालिक भंडारण का भविष्य आयरन-एयर और कंप्रेस्ड एयर जैसे उभरते विकल्पों के मिश्रण में निहित है, बशर्ते उन्हें वास्तविक दुनिया के परिवेश में सिद्ध किया जा सके।
अंततः, यह शोध पत्र तर्क देता है कि ऊर्जा भंडारण की सभी जरूरतों के लिए कोई एक "सर्वश्रेष्ठ" तकनीक नहीं है। इसके बजाय, ग्रिड को विशिष्ट अवधि की समस्याओं के अनुरूप समाधानों के एक पोर्टफोलियो की आवश्यकता है। बिजली के छोटे झटकों को तेज़, कुशल बैटरियों द्वारा संभाला जाना सबसे अच्छा है, जबकि आपूर्ति के लंबे, धीमे अंतराल के लिए ऐसे तंत्रों की आवश्यकता होती है जो उच्च दक्षता के बजाय कम लागत वाले भंडारण पदार्थों को प्राथमिकता देते हैं। नवीकरणीय ऊर्जा संचालित दुनिया में संक्रमण सफल दीर्घकालिक भंडारण तकनीकों को तैनात करने पर निर्भर करेगा, जो वर्तमान अल्पकालिक भंडारण के युग से एक ऐसे भविष्य की ओर बढ़ेगा जहाँ ग्रिड बिना किसी बाधा के दिनों तक शांत या बादलों वाले मौसम का सामना कर सके। आगे का रास्ता केवल वही बनाने में नहीं है जो हमारे पास पहले से है, बल्कि विविध यांत्रिक और रासायनिक प्रणालों को अपनाने में है जो दुनिया की जरूरत के अनुसार सूरज और हवा की शक्ति को लंबे समय तक थामे रख सकें।
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