पिछले 50 वर्षों में, वैश्विक बिजली की खपत में लगातार वृद्धि हुई है, जिसका अनुमान वर्ष 2021 में 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 संख्याएँ हर साल बढ़ रही हैं, जिसमें औद्योगिक और अन्य आर्थिक क्षेत्रों की बिजली की ज़रूरतें शामिल नहीं हैं। यह औद्योगिक बदलाव और उच्च-बिजली की खपत ग्रीनहाउस गैसों के अत्यधिक उत्सर्जन के कारण अधिक ठोस जलवायु परिवर्तन प्रभावों के साथ जुड़ी हुई है। वर्तमान में, अधिकांश बिजली उत्पादन संयंत्र और सुविधाएँ ऐसी मांगों को पूरा करने के लिए जीवाश्म ईंधन स्रोतों (तेल और गैस) पर बहुत अधिक निर्भर हैं। ये जलवायु संबंधी चिंताएँ पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके अतिरिक्त ऊर्जा उत्पादन को रोकती हैं। इस प्रकार, अक्षय 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 अक्षय ऊर्जा या "हरित" समाधानों की ओर रुख करके प्रतिक्रिया व्यक्त की है। विनिर्माण तकनीकों में सुधार से इस बदलाव में मदद मिली है, उदाहरण के लिए पवन टरबाइन ब्लेड के अधिक कुशल विनिर्माण के लिए। साथ ही, शोधकर्ता फोटोवोल्टिक कोशिकाओं की दक्षता में सुधार करने में सक्षम रहे हैं, जिससे प्रति उपयोग क्षेत्र में बेहतर ऊर्जा उत्पादन हुआ है। 2021 में, सौर फोटोवोल्टिक (पीवी) स्रोतों से बिजली उत्पादन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जो रिकॉर्ड 179 TWh तक पहुंच गई और 2020 की तुलना में 22% की वृद्धि का प्रतिनिधित्व करती है। सौर पीवी तकनीक अब वैश्विक बिजली उत्पादन का 3.6% हिस्सा है और वर्तमान में जलविद्युत और पवन के बाद तीसरा सबसे बड़ा नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है।

हालाँकि, ये सफलताएँ अक्षय ऊर्जा प्रणालियों की कुछ अंतर्निहित कमियों को हल नहीं करती हैं, मुख्य रूप से उपलब्धता। इनमें से ज़्यादातर विधियाँ कोयले और तेल बिजली संयंत्रों की तरह मांग पर ऊर्जा का उत्पादन नहीं करती हैं। उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जा आउटपुट पूरे दिन उपलब्ध होते हैं, 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 है, 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 ग्रस्त है। इसलिए, कम उत्पादन अवधि के दौरान ऊर्जा आपूर्ति को बनाए रखने के लिए इन समाधानों को ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के साथ जोड़ा जाना चाहिए।

ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ क्या हैं?

ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ बाद में उपयोग के लिए ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं। कुछ मामलों में, संग्रहीत ऊर्जा और प्रदान की गई ऊर्जा के बीच ऊर्जा रूपांतरण का एक रूप होगा। सबसे आम उदाहरण लिथियम-आयन बैटरी या लेड-एसिड बैटरी जैसी इलेक्ट्रिक बैटरियाँ हैं। वे इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा प्रदान करते हैं।

बैटरियाँ, या BESS (बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली), दैनिक जीवन के अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली सबसे आम ऊर्जा भंडारण विधि का प्रतिनिधित्व करती हैं। अन्य भंडारण प्रणाली मौजूद हैं जैसे कि जलविद्युत संयंत्र जो बांध में संग्रहीत पानी की संभावित ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। नीचे गिरने वाला पानी टरबाइन के फ्लाईव्हील को घुमाएगा जो विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करता है। एक अन्य उदाहरण संपीड़ित गैस है, गैस छोड़ने पर टरबाइन के पहिये को घुमाएगी जिससे बिजली पैदा होगी।

बैटरी को अन्य भंडारण विधियों से अलग करने वाली बात उनके संचालन के संभावित क्षेत्र हैं। छोटे उपकरणों और ऑटोमोबाइल बिजली आपूर्ति से लेकर घरेलू अनुप्रयोगों और बड़े सौर खेतों तक, बैटरी को किसी भी ऑफ-ग्रिड भंडारण अनुप्रयोग में सहजता से एकीकृत किया जा सकता है। दूसरी ओर, जलविद्युत और संपीड़ित वायु विधियों को भंडारण के लिए बहुत बड़े और जटिल बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है। इससे बहुत अधिक लागत आती है जिसके लिए बहुत बड़े अनुप्रयोगों की आवश्यकता होती है ताकि इसे उचित ठहराया जा सके।

ऑफ-ग्रिड भंडारण प्रणालियों के लिए उपयोग के मामले।

जैसा कि पहले बताया गया है, ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम सौर और पवन ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा तरीकों के उपयोग और निर्भरता को सुविधाजनक बना सकते हैं। फिर भी, ऐसे अन्य अनुप्रयोग हैं जो ऐसी प्रणालियों से बहुत लाभ उठा सकते हैं

शहरी बिजली ग्रिड का उद्देश्य प्रत्येक शहर की आपूर्ति और मांग के आधार पर सही मात्रा में बिजली उपलब्ध कराना है। पूरे दिन में आवश्यक बिजली में उतार-चढ़ाव हो सकता है। उतार-चढ़ाव को कम करने और अधिकतम मांग के मामलों में अधिक स्थिरता प्रदान करने के लिए ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम का उपयोग किया गया है। एक अलग दृष्टिकोण से, ऑफ-ग्रिड स्टोरेज सिस्टम मुख्य बिजली ग्रिड में या निर्धारित रखरखाव अवधि के दौरान किसी भी अप्रत्याशित तकनीकी खराबी की भरपाई करने के लिए अत्यधिक लाभकारी हो सकते हैं। वे वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की खोज किए बिना बिजली की आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं। उदाहरण के लिए फरवरी 2023 की शुरुआत में टेक्सास में आए बर्फीले तूफान का हवाला दिया जा सकता है, जिसने लगभग 262 000 लोगों को बिना बिजली के छोड़ दिया, जबकि खराब मौसम की स्थिति के कारण मरम्मत में देरी हुई।

इलेक्ट्रिक वाहन एक और अनुप्रयोग हैं। बैटरी के जीवनकाल और शक्ति घनत्व को बढ़ाने के लिए शोधकर्ताओं ने बैटरी निर्माण और चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीतियों को अनुकूलित करने के लिए बहुत प्रयास किए हैं। लिथियम-आयन बैटरियां इस छोटी क्रांति में सबसे आगे रही हैं और इनका इस्तेमाल नई इलेक्ट्रिक कारों के साथ-साथ इलेक्ट्रिक बसों में भी बड़े पैमाने पर किया गया है। इस मामले में बेहतर बैटरियां अधिक माइलेज दे सकती हैं लेकिन सही तकनीकों के साथ चार्जिंग का समय भी कम कर सकती हैं।

यूएवी और मोबाइल रोबोट जैसी अन्य तकनीकी प्रगति को बैटरी विकास से बहुत लाभ हुआ है। उनकी गति रणनीतियाँ और नियंत्रण रणनीतियाँ बैटरी की क्षमता और प्रदान की गई शक्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं।

बी.ई.एस. क्या है?

BESS या बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणाली एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली है जिसका उपयोग ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है। यह ऊर्जा मुख्य ग्रिड से या पवन ऊर्जा और सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से आ सकती है। यह विभिन्न विन्यासों (श्रृंखला/समानांतर) में व्यवस्थित कई बैटरियों से बना है और आवश्यकताओं के आधार पर आकार दिया गया है। वे एक इन्वर्टर से जुड़े होते हैं जिसका उपयोग उपयोग के लिए डीसी पावर को एसी पावर में बदलने के लिए किया जाता है। बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS) का 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 है। कितनी बैटरियों की आवश्यकता है? किस विन्यास में? कुछ मामलों में, बैटरी का प्रकार लागत बचत और दक्षता के मामले में लंबे समय में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है

यह मामला-दर-मामला आधार पर किया जाता है, क्योंकि इसका अनुप्रयोग छोटे घरों से लेकर बड़े औद्योगिक संयंत्रों तक हो सकता है।

छोटे घरों के लिए सबसे आम अक्षय ऊर्जा स्रोत, विशेष रूप से शहरी क्षेत्रों में, फोटोवोल्टिक पैनलों का उपयोग करके सौर ऊर्जा है। इंजीनियर आम तौर पर घर की औसत बिजली खपत पर विचार करेगा और विशिष्ट स्थान के लिए पूरे वर्ष सौर विकिरण का आकलन करेगा। बैटरियों की संख्या और उनके ग्रिड विन्यास को वर्ष की सबसे कम सौर ऊर्जा आपूर्ति के दौरान घरेलू मांगों से मेल खाने के लिए चुना जाता है, जबकि बैटरियों को पूरी तरह से खत्म नहीं किया जाता है। यह मुख्य ग्रिड से पूरी तरह से बिजली स्वतंत्रता रखने के समाधान को मान रहा है।

बैटरी को अपेक्षाकृत मध्यम स्तर पर चार्ज रखना या बैटरी को पूरी तरह से डिस्चार्ज न करना कुछ ऐसा है जो पहली नज़र में सहज नहीं लग सकता। आखिर, अगर हम इसकी पूरी क्षमता का उपयोग नहीं कर सकते तो स्टोरेज सिस्टम का उपयोग क्यों करें? सिद्धांत रूप में यह संभव है, लेकिन यह वह रणनीति नहीं हो सकती जो निवेश पर अधिकतम लाभ दे।

BESS का एक मुख्य नुकसान बैटरी की अपेक्षाकृत उच्च लागत है। इसलिए, बैटरी के जीवनकाल को अधिकतम करने वाली उपयोग की आदत या चार्जिंग/डिस्चार्जिंग रणनीति चुनना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, लेड एसिड बैटरी को अपरिवर्तनीय क्षति के बिना 50% क्षमता से कम डिस्चार्ज नहीं किया जा सकता है। लिथियम-आयन बैटरी में उच्च ऊर्जा घनत्व, लंबा चक्र जीवन होता है। उन्हें बड़ी रेंज का उपयोग करके भी डिस्चार्ज किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए बढ़ी हुई कीमत चुकानी पड़ती है। विभिन्न रसायनों के बीच लागत में बहुत अधिक अंतर होता है, लेड एसिड बैटरी 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 अनुप्रयोगों में लेड एसिड बैटरी का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।

बैटरी का प्रदर्शन उसके जीवनकाल के दौरान गिरावट से बहुत प्रभावित होता है, इसका प्रदर्शन स्थिर नहीं होता है जो अचानक विफलता के साथ समाप्त होता है। इसके बजाय, 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 इसकी 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 मात्रा में ऊर्जा प्रदान की जा सकती है। यह पूरी तरह से स्वतंत्र प्रणालियों के लिए उपयोग अवधि और ईवी द्वारा कवर की जा सकने वाली माइलेज की मात्रा को प्रभावित कर सकता है।

विचार करने के लिए एक और बिंदु सुरक्षा है। विनिर्माण और प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ, हाल ही में बैटरियां आम तौर पर रासायनिक रूप से अधिक स्थिर रही हैं। हालांकि गिरावट और दुरुपयोग के इतिहास के कारण, सेल थर्मल रनवे में जा सकते हैं जिससे भयावह परिणाम हो सकते हैं और कुछ मामलों में उपभोक्ताओं के जीवन को खतरे में डाल सकते हैं।

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 करने और गंभीर परिणामों से बचने के लिए बैटरी की स्थिति पर भी नजर रखी है।

निष्कर्ष

ग्रिड-ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ मुख्य ग्रिड से बिजली की स्वतंत्रता प्राप्त करने का एक शानदार अवसर प्रदान करती हैं, लेकिन डाउनटाइम और पीक लोड अवधि के दौरान बिजली का 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, जबकि खपत में निरंतर वृद्धि के साथ ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा किया जा सकेगा।

बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली और विभिन्न दैनिक अनुप्रयोगों के लिए कॉन्फ़िगर करने में सबसे आसान हैं। उनकी उच्च लचीलापन अपेक्षाकृत उच्च लागत से मुकाबला करती है, जिससे संबंधित जीवनकाल को यथासंभव लंबा करने के लिए निगरानी रणनीतियों का विकास होता है। वर्तमान में, उद्योग और शिक्षाविद विभिन्न परिस्थितियों में बैटरी के क्षरण की जांच और समझने के लिए बहुत प्रयास कर रहे हैं।