2016 में, विशाल ह्यूस्टन ऊर्जा सम्मेलन CERAWeek में, MIT सामग्री वैज्ञानिक येट-मिंग चियांग ने खुद को टेस्ला के एक कार्यकारी से एक जटिल समस्या के बारे में बात करते हुए पाया कि सौर पैनलों और पवन टरबाइनों के आउटपुट को लंबी अवधि के लिए कैसे संग्रहीत किया जाए।
चियांग, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के क्योसेरा प्रोफेसर, और टेस्ला के उपाध्यक्ष माटेओ जारामिलो, जानते थे कि उपयोगिताओं के पास मांग के चरम स्तर को कवर करने और हवा रहित और बादल वाले दिनों के दौरान अंतराल को पाटने के लिए नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए लागत प्रभावी तरीके का अभाव था। वे यह भी जानते थे कि यदि नवीकरणीय ऊर्जा कभी बड़े पैमाने पर ग्रिड पर जीवाश्म ईंधन को विस्थापित करने वाली है तो पारंपरिक ऊर्जा भंडारण उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले कच्चे माल की कमी को संबोधित करने की आवश्यकता है।
ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियां नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों तक पहुंच की सुविधा प्रदान कर सकती हैं, पावर ग्रिड की स्थिरता और विश्वसनीयता को बढ़ावा दे सकती हैं और अंततः ग्रिड डीकार्बोनाइजेशन में तेजी ला सकती हैं। इन प्रणालियों के लिए वैश्विक बाजार – अनिवार्य रूप से बड़ी बैटरी – आने वाले वर्षों में काफी बढ़ने की उम्मीद है। गैर-लाभकारी एलडीईएस (लंबी अवधि ऊर्जा भंडारण) परिषद के एक अध्ययन में 2040 तक लंबी अवधि के ऊर्जा भंडारण बाजार को 80 से 140 टेरावाट-घंटे के बीच आंका गया है। चियांग कहते हैं, “यह वास्तव में एक बड़ी संख्या है।” “ग्रह पर प्रत्येक 10 लोगों को अपनी ऊर्जा जरूरतों को पूरा करने के लिए एक ईवी [इलेक्ट्रिक वाहन] बैटरी के बराबर पहुंच की आवश्यकता होगी।”
2017 में, ह्यूस्टन में मुलाकात के एक साल बाद, चियांग और जारामिलो एमआईटी स्नातक मार्को फेरारा एसएम ’06, पीएचडी ’08 और विलियम वुडफोर्ड पीएचडी ’13 और ऊर्जा भंडारण अनुभवी के साथ समरविले, मैसाचुसेट्स में फॉर्म एनर्जी के सह-संस्थापक बन गए।
सॉफ्टवेयर और एनालिटिक्स के प्रभारी फॉर्म के वरिष्ठ उपाध्यक्ष फेरारा कहते हैं, “विद्युत ऊर्जा भंडारण के लिए एक बढ़ता हुआ बाजार है क्योंकि हम जितनी जल्दी हो सके डीकार्बोनाइजेशन हासिल करना चाहते हैं और लागत प्रभावी ढंग से प्राप्त करना चाहते हैं।” निवेशक सहमत हुए. अगले छह वर्षों में, फॉर्म एनर्जी उद्यम पूंजी में $800 मिलियन से अधिक जुटाएगा।
सबसे सरल बैटरी में एक एनोड, एक कैथोड और एक इलेक्ट्रोलाइट होता है। डिस्चार्ज के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट की मदद से, इलेक्ट्रॉन नकारात्मक एनोड से सकारात्मक कैथोड की ओर प्रवाहित होते हैं। चार्ज के दौरान, बाहरी वोल्टेज प्रक्रिया को उलट देता है। एनोड सकारात्मक टर्मिनल बन जाता है, कैथोड नकारात्मक टर्मिनल बन जाता है, और इलेक्ट्रॉन वापस वहीं चले जाते हैं जहां से उन्होंने शुरू किया था। एनोड, कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री बैटरी के वजन, शक्ति और लागत “पात्रता” को निर्धारित करती है, जो घटक स्तर पर कुल लागत है।
1980 और 1990 के दशक के दौरान, लिथियम के उपयोग ने बैटरियों में क्रांति ला दी, जिससे वे छोटी, हल्की और लंबे समय तक चार्ज रखने में सक्षम हो गईं। फॉर्म एनर्जी द्वारा तैयार किए गए भंडारण उपकरण लोहे पर आधारित रिचार्जेबल बैटरी हैं, जिनमें लिथियम की तुलना में कई फायदे हैं। एक बड़ी बात लागत है.
चियांग ने एक बार उत्तरी कैलिफोर्निया के एमआईटी क्लब में घोषणा की थी, “मुझे लिथियम-आयन पसंद है।” चार एमआईटी स्पिनऑफ़ चियांग में से दो ने अभिनव लिथियम-आयन बैटरी पर केंद्र की स्थापना की। लेकिन सैकड़ों डॉलर प्रति किलोवाट-घंटा (kWh) पर और भंडारण क्षमता आमतौर पर घंटों में मापी जाती है, लिथियम-आयन उस उपयोग के लिए अनुपयुक्त था जो अब उनके मन में था।
चियांग ने जिस दृष्टिकोण की कल्पना की थी वह नवीकरणीय ऊर्जा के आकर्षण को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त लागत प्रभावी होना चाहिए। लाखों ग्राहकों के लिए सौर और पवन ऊर्जा को पर्याप्त रूप से विश्वसनीय बनाने का मतलब है कि इसे लंबे समय तक संग्रहीत करना ताकि चरम मौसम की स्थिति, ग्रिड आउटेज और जब हवा में शांति हो या कुछ दिनों के बादल छाए हों तो पैदा हुए अंतराल को भरा जा सके।
पुराने बिजली संयंत्रों के साथ प्रतिस्पर्धी होने के लिए, चियांग की विधि को लगभग 20 डॉलर प्रति किलोवाट-घंटे संग्रहीत ऊर्जा पर आना पड़ा – लिथियम-आयन बैटरी भंडारण की लागत का दसवां हिस्सा।
लेकिन कुछ घंटों में स्टोर और डिस्चार्ज होने वाली महंगी बैटरियों से अब तक अपरिभाषित, सस्ती, लंबी अवधि वाली तकनीक में कैसे बदलाव किया जाए?
यहीं पर फेरारा आता है। फेरारा ने एमआईटी से परमाणु इंजीनियरिंग में पीएचडी की है और अपने मूल इटली में एल’अक्विला विश्वविद्यालय से इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान में पीएचडी की है। 2017 में, एमआईटी सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में एक शोध सहयोगी के रूप में, उन्होंने नवीकरणीय ऊर्जा की रुक-रुक कर प्रबंधन करने के लिए ग्रिड की आवश्यकता को मॉडल करने के लिए चियांग के साथ काम किया।
कितना रुक-रुक कर होता है यह इस बात पर निर्भर करता है कि आप कहां हैं। उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका में, हवादार ग्रेट प्लेन्स है; एरिज़ोना, न्यू मैक्सिको और नेवादा के धूप से सराबोर, अपेक्षाकृत कम हवा वाले रेगिस्तान; और अक्सर बादल छाए रहने वाला प्रशांत उत्तरपश्चिम।
फेरारा ने एमआईटी के इंस्टीट्यूट फॉर डेटा, सिस्टम्स एंड सोसाइटी की प्रोफेसर जेसिका ट्रान्सिक और उनकी एमआईटी टीम के सहयोग से संयुक्त राज्य अमेरिका में चार प्रतिनिधि स्थानों का मॉडल तैयार किया और निष्कर्ष निकाला कि लगभग 20 डॉलर प्रति किलोवाट से कम क्षमता लागत और कई दिनों की डिस्चार्ज अवधि के साथ ऊर्जा भंडारण संसाधन-प्रचुर स्थानों में लागत-प्रतिस्पर्धी, दृढ़ बिजली प्रदान करने के लिए पवन-सौर मिश्रण की अनुमति होगी।
अब जब उनके पास समय सीमा थी, तो उन्होंने अपना ध्यान सामग्रियों पर केंद्रित किया। जिस मूल्य बिंदु पर फॉर्म एनर्जी का लक्ष्य था, लिथियम प्रश्न से बाहर था। चियांग ने प्रचुर मात्रा में और सस्ते सल्फर को देखा। लेकिन सल्फर, सोडियम, पानी और वायु बैटरी में तकनीकी चुनौतियाँ थीं।
थॉमस एडिसन ने एक बार इलेक्ट्रोड के रूप में लोहे का उपयोग किया था, और लौह-वायु बैटरियों का पहली बार अध्ययन 1960 के दशक में किया गया था। अच्छी परिवहन बैटरियाँ बनाने के लिए वे बहुत भारी थीं। लेकिन इस बार, चियांग और टीम एक ऐसी बैटरी को देख रहे थे जो जमीन पर पड़ी थी, इसलिए वजन कोई मायने नहीं रखता था। उनकी प्राथमिकताएँ लागत और उपलब्धता थीं।
चियांग कहते हैं, “हर महाद्वीप पर लोहे का उत्पादन, खनन और प्रसंस्करण किया जाता है।” “पृथ्वी लोहे की एक बड़ी गेंद है। हमें कभी भी सबसे महत्वाकांक्षी अनुमानों के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं होगी कि दुनिया मध्य शताब्दी तक कितने भंडारण का उपयोग कर सकती है। चियांग हंसते हुए कहते हैं, “यदि फॉर्म कभी भी आवासीय बाजार में आता है, तो यह आपके घर पर पार्क की गई सबसे सुरक्षित बैटरी होगी।” “सिर्फ लोहा, हवा और पानी।”
वैज्ञानिक इसे प्रतिवर्ती जंग लगना कहते हैं। डिस्चार्ज होते समय बैटरी ऑक्सीजन लेती है और लोहे को जंग में बदल देती है। विद्युत प्रवाह लागू करने से जंग लगे कण वापस लोहे में परिवर्तित हो जाते हैं, और बैटरी चार्ज होते समय ऑक्सीजन “बाहर निकालती” है। चियांग कहते हैं, “रासायनिक शब्दों में, आपके पास लोहा है, और यह लौह हाइड्रॉक्साइड बन जाता है।” “इसका मतलब है कि इलेक्ट्रॉन निकाले गए। आप उन इलेक्ट्रॉनों को बाहरी सर्किट से गुजरते हैं, और अब आपके पास एक बैटरी है।
फॉर्म एनर्जी के बैटरी मॉड्यूल लगभग वॉशर-एंड-ड्रायर इकाई के आकार के होते हैं। उन्हें 40 फुट के कंटेनरों में रखा जाता है, और भंडारण संयंत्र बनाने के लिए कई कंटेनरों को बिजली रूपांतरण प्रणालियों से विद्युत रूप से जोड़ा जाता है जो कई एकड़ को कवर कर सकते हैं।
मॉड्यूल ऐसे नहीं दिखते या कार्य नहीं करते जैसे किसी उपयोगिता ने पहले अनुबंध किया हो।
यह फॉर्म की प्रमुख चुनौतियों में से एक है। फेरारा का कहना है, “डीकार्बोनाइज्ड ग्रिड के लिए इन नए उपकरणों की आवश्यकता के बारे में व्यापक ज्ञान नहीं है।” “यह वह तरीका नहीं है जिस तरह उपयोगिताओं ने आम तौर पर योजना बनाई है। वे आज मौजूद टूलकिट के सभी उपकरणों को देख रहे हैं, जो बहु-दिवसीय ऊर्जा भंडारण संपत्ति पर विचार नहीं कर सकते हैं।
फॉर्म एनर्जी के ग्राहक मुख्य रूप से पारंपरिक बिजली कंपनियां हैं जो नवीकरणीय बिजली के अपने पोर्टफोलियो का विस्तार करना चाहती हैं। कुछ कोयला संयंत्रों को बंद करने और नवीकरणीय ऊर्जा में स्थानांतरित करने की प्रक्रिया में हैं।
बहुत कम लागत वाले मल्टी-डे स्टोरेज की आवश्यकता को इंगित करने वाला फेरारा का शोध बिजली आपूर्तिकर्ताओं के लिए महत्वपूर्ण डेटा प्रदान करता है जो अधिक नवीकरणीय ऊर्जा को एकीकृत करने के लिए सबसे अधिक लागत प्रभावी तरीका निर्धारित करना चाहते हैं।
समान मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए, फेरारा और टीम संभावित ग्राहकों को दिखाती है कि तकनीक उनके मौजूदा सिस्टम के साथ कैसे फिट बैठती है, यह अन्य प्रौद्योगिकियों के साथ कैसे प्रतिस्पर्धा करती है, और कैसे, कुछ मामलों में, यह अन्य भंडारण प्रौद्योगिकियों के साथ सहक्रियात्मक रूप से काम कर सकती है।
वे कहते हैं, ”उन्हें रुक-रुक कर अलग-अलग समय के पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा को पूरी तरह से संतुलित करने के लिए भंडारण प्रौद्योगिकियों के एक पोर्टफोलियो की आवश्यकता हो सकती है।” लेकिन फॉर्म में विकसित तकनीक के अलावा, “वहां बहुत कुछ नहीं है, निश्चित रूप से हम जो बाजार में ला रहे हैं उसकी लागत पात्रता के भीतर नहीं है।” ह्यूस्टन में चियांग और जेरामिलो की आकस्मिक मुठभेड़ के लिए धन्यवाद, फॉर्म ने इस चुनौती का समाधान करने के लिए काम करने वाली अन्य कंपनियों पर कई वर्षों की बढ़त बना ली है।
जून 2023 में, फॉर्म एनर्जी ने एकल परियोजना के लिए अपना अब तक का सबसे बड़ा सौदा पूरा किया: 15-मेगावाट/1,500-मेगावाट-घंटे प्रणाली के लिए जॉर्जिया पावर का ऑर्डर। यह आदेश उपयोगिता ग्राहकों के साथ अनुबंध के तहत फॉर्म की ऊर्जा भंडारण की कुल मात्रा को 40 मेगावाट/4 गीगावाट-घंटे तक लाता है। मांग को पूरा करने के लिए, फॉर्म वेस्ट वर्जीनिया में एक नई व्यावसायिक पैमाने की बैटरी विनिर्माण सुविधा का निर्माण कर रहा है।
तथ्य यह है कि फॉर्म एनर्जी उस क्षेत्र में नौकरियां पैदा कर रही है, जहां पिछले दशक में 10,000 से अधिक इस्पात नौकरियां खो गईं, चियांग पर कोई असर नहीं पड़ा है। “और ये नई नौकरियाँ स्वच्छ तकनीक में हैं। मेरे लिए व्यक्तिगत रूप से कुछ ऐसा करना बेहद रोमांचक है जिससे हमारे पारंपरिक प्रौद्योगिकी केंद्रों के बाहर के समुदायों को लाभ हो।
चियांग कहते हैं, “कई कारणों से यह सही समय है।” उनका कहना है कि वह और उनके फॉर्म एनर्जी के सह-संस्थापक “इन बैटरियों को दुनिया में लाने की अत्यधिक आवश्यकता महसूस करते हैं।”
साभार : (www.news.mit.edu)