कैसे ऊर्जा स्टोर करने के लिए पर एक बड़ी शर्त, सस्ता

एक गोदाम-आकार की कार्यशाला के पीछे, हार्डहेट्स में लगभग एक दर्जन इंजीनियर एक विशाल नीली मशीन का निर्माण कर रहे हैं। छह सिलेंडर, एक व्यक्ति की तुलना में प्रत्येक लंबा, और ट्यूब, पाइप और वाल्व की एक मोटी तीन-मंजिला मचान से घिरे हुए एक समुद्री डीजल इंजन से ऊपर की ओर बढ़ती है।

सीब्रुक, न्यू हैम्पशायर में स्टार्टअप सस्टेनएक्स द्वारा कल्पना की गई, मशीन को हवा को संपीड़ित करके ऊर्जा को स्टोर करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक इलेक्ट्रिक मोटर ऊपर सिलेंडर में पिस्टन ड्राइव करने के लिए इंजन के क्रैंकशाफ्ट को चालू करता है। पिस्टन हवा और झागयुक्त पानी के मिश्रण को निचोड़ते हैं और दबाव वाली हवा को बड़े स्टील टैंकों में पंप करते हैं, जहां इसे कुंडलित वसंत की तरह रखा जा सकता है। जब एक इलेक्ट्रिक यूटिलिटी को पावर की जरूरत होती है, तो टैंक को अनकैप्ड किया जाएगा, जिससे एयर को बाहर निकलने की अनुमति मिल सकती है, इंजन को पावर दे सकता है और यूटिलिटी के ग्राहकों के लिए बिजली पैदा कर सकता है।

दाव बहुत ऊंचा है। यदि सस्टेनक्स जैसी कंपनी एक ऐसी प्रणाली दे सकती है जो एक समय में कुछ घंटों के लिए भी ऊर्जा को सस्ते में संग्रहित कर सकती है, तो यह हवा और सौर को भरोसेमंद बिजली प्रदाताओं में बदल देगी, जैसे जीवाश्म ईंधन संयंत्र। पवन और सौर उत्पादन में उतार-चढ़ाव को सुचारू किया जा सकता है और रात के समय की हवाओं से अतिरिक्त शक्ति, उदाहरण के लिए, बाद में भेजा जा सकता है जब मांग अधिक होती है।

सस्टेनेक्स की मशीन और उसके जैसे अन्य लोग ऊर्जा भंडारण में एक प्रौद्योगिकी दौड़ के अग्रणी किनारे पर हैं। निजी और सरकारी फंडों में $ 30 मिलियन से अधिक का समर्थन करने वाली कंपनी का काम एक शर्त का प्रतिनिधित्व करता है, जिसमें हवा और पानी जैसी सस्ती और आसानी से उपलब्ध सामग्री का उपयोग करने वाले चतुर इंजीनियर बैटरी में सफलता का पीछा करने वाले वैज्ञानिकों की विरासत को हरा देंगे।

2013 की मई में यहां प्रदर्शित सस्टेनेक्स मशीन, ऊर्जा स्टोर करने के लिए आइसोथर्मल संपीड़ित हवा प्रौद्योगिकी का उपयोग करती है। (फोटो: सस्टेनेक्स)

ऊर्जा भंडारण इतना ध्यान आकर्षित करता है क्योंकि लागत और प्रदर्शन में एक सफलता इलेक्ट्रिक ग्रिड क्लीनर और अधिक विश्वसनीय बना सकती है। हर दिन, उपयोगिताओं एक निरंतर संतुलन अधिनियम को संचालित करती हैं: विश्वसनीय सेवा सुनिश्चित करने के लिए, बिजली संयंत्रों में उत्पन्न बिजली की मात्रा का मिलान करने की आवश्यकता है कि घरों और व्यवसायों में क्या खपत हो रही है। यदि गर्म गर्मी के दिन एयर कंडीशनर की मांग में वृद्धि होती है, उदाहरण के लिए, बिजली संयंत्रों को अधिक बिजली की आवश्यकता होती है और रात में मांग कम होने पर इसे वापस डायल करना पड़ता है।

ऊर्जा भंडारण आरक्षित, या ऊर्जा बैंक खाते के रूप में कार्य करता है। पीक डिमांड के दौरान, स्टोरेज "पीक" जीवाश्म ईंधन संयंत्रों के स्थान पर बिजली पहुंचा सकता है। प्रौद्योगिकी पवन और सौर खेतों से परिवर्तनीय उत्पादन को मजबूत कर सकती है या अधिकतम पड़ोस वाले सबस्टेशनों की क्षमता में वृद्धि कर सकती है जो स्थानीय पड़ोस को शक्ति प्रदान करते हैं। जब इमारतों में या आस-पास रखा जाता है, तो ऊर्जा भंडारण बिजली आउटेज के दौरान बैकअप प्रदान कर सकता है। हालांकि, इन अनुप्रयोगों में से कई को एक उपकरण की आवश्यकता होती है जो कुछ घंटों या शायद आधे दिन के लिए बिजली प्रदान कर सकता है। और इसे सुरक्षित और कम लागत पर किया जाना है।

उद्योग के अधिकारियों का कहना है कि बहु-घंटे के भंडारण के लिए, विद्युत बैटरी पर यांत्रिक भंडारण प्रणालियों को आगे बढ़ाने के लिए आकर्षक कारण हैं। बैटरियों को अधिक महंगी सामग्री की आवश्यकता होती है, जैसे लिथियम या कोबाल्ट, जो आपूर्ति की कमी के अधीन हो सकते हैं। एक यांत्रिक प्रणाली के विपरीत, एक रिचार्जेबल बैटरी की भंडारण क्षमता समय के साथ कम हो जाती है, जैसा कि अधिकांश लैपटॉप उपयोगकर्ताओं ने अनुभव किया है।

फिर नवाचार की गति है। सामान्य तौर पर, बैटरी अनुसंधान में विकास की गति धीमी होती है - महीनों के बजाय वर्षों में मापा जाता है - और प्रदर्शन में सुधार अक्सर वृद्धिशील होता है। इसके अलावा, बड़ी मात्रा में नई प्रकार की बैटरी बनाने से कारखानों में बड़े निवेश की आवश्यकता होती है। एक नवीन यांत्रिक प्रणाली, इसके विपरीत, थोड़ा संशोधित इंजन, औद्योगिक गैस टैंक और अन्य उपकरणों से इकट्ठा किया जा सकता है जो पहले से ही बड़े पैमाने पर अच्छी तरह से समझा और उत्पादित किया गया है।

लंदन स्थित हाईव्यू पॉवर स्टोरेज के सीईओ गैरेथ ब्रेट कहते हैं, "यह एक तरह का [सिस्टम इंटीग्रेशन चैलेंज है, बल्कि किसी खास डिवाइस को ईजाद करने और बनाने के लिए किया जाता है।" और तब तक ठंडा किया जाता है जब तक कि यह ग्रिड पर ऊर्जा को जमा करने के लिए तरल नहीं बन जाता। "हमारी बौद्धिक संपदा इस बात में है कि सिस्टम को किस तरह से व्यवस्थित और एक साथ लाया जाए जो कि कुशल और कम लागत वाला हो।"

जब पावर ग्रिड पर उपयोग के लिए बिजली के भंडारण की बात आती है, तो पंप स्टोरेज हाइड्रोपावर को सोने के मानक के रूप में माना जाता है - एक अपेक्षाकृत सस्ती तकनीक जिसने 80 से अधिक वर्षों से संयुक्त राज्य में ऊर्जा वितरित की है। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है कि बिजली की मांग कम होने पर पानी को एक जलाशय तक पंप किया जाता है, और जब एक जलविद्युत टरबाइन के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए इसे छोड़ा जाता है। पंप किए गए पनबिजली स्टेशन कई घंटों तक बिजली की बड़ी आपूर्ति कर सकते हैं, जिससे ग्रिड ऑपरेटरों को जीवाश्म ईंधन जलाने वाले बिजली संयंत्रों का दोहन किए बिना बिजली की आपूर्ति में अंतराल भरने की अनुमति मिलती है। वे ज्यादातर पहाड़ी इलाकों तक ही सीमित हैं, जो जलाशयों के बीच आवश्यक ऊंचाई हासिल करता है, और पर्यावरणीय समीक्षा में कई साल लगते हैं।

अन्य सिद्ध, कम लागत वाली थोक भंडारण विधि संपीड़ित वायु ऊर्जा भंडारण, या सीएईएस है, जिसमें कंप्रेशर्स हवा को भूमिगत गुफाओं में पंप करते हैं। जब बिजली की जरूरत होती है, तो दबाव वाली हवा को छोड़ दिया जाता है और प्राकृतिक गैस को जलाकर गर्म किया जाता है। उस हवा को फिर बिजली पैदा करने के लिए एक टरबाइन में ब्लास्ट किया जाता है। दुनिया में दो भूगर्भीय संपीडित वायु ऊर्जा भंडारण संयंत्र हैं, जिनमें 1978 में जर्मनी में खोला गया और दूसरा 1991 में अलबामा में खोला गया। दोनों इकाइयाँ अभी भी संचालित हैं और सफल मानी जाती हैं। लेकिन कोई अन्य नहीं बनाया गया है क्योंकि एक उपयुक्त भूवैज्ञानिक गठन के साथ स्थानों को खोजना और इन परियोजनाओं को वित्त देना मुश्किल है। एक तीसरा प्लांट टेक्सास में अपने रैंकों में शामिल हो सकता है, जिसमें एक $ 200 मिलियन की परियोजना के लिए 317 मेगावाट तक स्टोर करने की योजना है - जो मध्यम आकार के बिजली संयंत्र के उत्पादन के लिए तुलनीय है।

एनर्जी स्टार्टअप्स के इनोवेटर्स ने इन दोनों तकनीकों से प्रेरणा ली है, कई तरह की दिशाओं में आगे बढ़ रहे हैं। सस्टेनेक्स और बर्कले, कैलिफ़ोर्निया स्थित लाइटसेल एनर्जी ने भंडारण के लिए हवा को संपीड़ित करने का प्रस्ताव दिया है, लेकिन इसे ऊपर-जमीन के टैंक में रखें, जिसका अर्थ है कि वे भूमिगत caverns के साथ स्थानों तक सीमित नहीं हैं। न्यूटन, मैसाचुसेट्स-आधारित सामान्य संपीड़न ने एक संपीड़ित वायु भंडारण प्रणाली विकसित की है जो सीधे पवन टर्बाइनों से जुड़ती है।

इन दृष्टिकोणों में पारंपरिक सीएईएस से प्रमुख अंतर, जिसे आइसोथर्मल संपीड़ित वायु ऊर्जा भंडारण कहा जाता है, यह है कि साइट पर किसी भी ईंधन को जलाने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, ये दूसरी पीढ़ी के सीएईएस कंपनियां उस ऊष्मा को पकड़ती हैं और उसका पुन: उपयोग करती हैं जब हवा को उच्च दबाव में रखा जाता है। लाइटसैल एनर्जी का इरादा है कि पानी की एक अच्छी धुंध छिड़कनी चाहिए क्योंकि हवा संपीड़ित होती है और बाद में उस गर्म पानी को संग्रहित करती है। जब दबावयुक्त हवा को बिजली उत्पन्न करने के लिए छोड़ा जाता है, तो एक प्राकृतिक गैस बर्नर के बजाय गर्म पानी, हीट एक्सचेंजर के माध्यम से हवा को गर्म करता है।

संभावित रूप से सस्ता सीएईएस दृष्टिकोण कपड़े के बैगों में संपीड़ित हवा का भंडारण कर रहा है। स्टील टैंकों में हवा का भंडारण करते समय, उच्च दबाव वाली हवा को शामिल करने के लिए स्टील को पर्याप्त मोटा होना चाहिए। लेकिन पानी का दबाव काम मुफ्त में कर सकता था। एक सौर स्टार्टअप पर काम करते समय, पूर्व रॉकेट इंजीनियर स्कॉट फ्रैजियर ने एक सस्ती भंडारण प्रणाली की आवश्यकता बताई, जिसे लगभग कहीं भी रखा जा सके। और 2010 में, उन्होंने समुद्र तल या ताजे पानी के जलाशयों के लिए लंगर डाले बड़े ब्लैडर में संपीड़ित हवा के भंडारण के विचार को आगे बढ़ाने के लिए एक कंपनी, ब्राइट एनर्जी स्टोरेज टेक्नोलॉजीज की सह-स्थापना की।

"यदि मेरे पास जमीन से ऊपर एक टैंक है, तो आपको उच्च दबाव के लिए अधिक भुगतान करना होगा। जितना अधिक हवा मैं पंप करता हूं, उतनी ही अधिक स्टील की आवश्यकता होती है - यह बहुत रैखिक है, " फ्रेज़ियर कहते हैं। हवाई में अमेरिकी नौसेना के लिए बनाया गया कंपनी का पहला प्रोटोटाइप, एक संशोधित ट्रक इंजन का उपयोग जमीन के ऊपर टैंकों में हवा के दबाव के लिए करेगा। यदि उस मशीन के मैकेनिक व्यावहारिक साबित होते हैं, तो कंपनी और नौसेना एक दूसरे प्रोटोटाइप का निर्माण करने की योजना बनाते हैं जो हवा के पानी के नीचे स्टोर करता है।

यहां तक ​​कि सरल बल्क स्टोरेज डिजाइन गुरुत्वाकर्षण को बहुत प्रभावित करते हैं जिस तरह से पनबिजली स्टेशनों को पंप करते हैं। सांता बारबरा, कैलिफोर्निया में स्थित उन्नत रेल ऊर्जा भंडारण, उन परियोजनाओं के निर्माण की मांग कर रहा है जहां सौर या पवन खेतों से ऊर्जा ग्रिड पर ऊर्जा की कम मांग होने पर पहाड़ी की रेलगाड़ी को धक्का देती है। जब बिजली की सबसे अधिक आवश्यकता होती है, तो रेल कारें डाउनहिल यात्रा करती हैं और बिजली उत्पन्न करती हैं। इलेक्ट्रिक ट्रैक्शन मोटर्स, जो डाउनहिल जाते समय कारों को ऊपर की ओर धकेलती हैं और जनरेटर के रूप में काम करती हैं, उसी तरह हाइब्रिड कार ब्रेकिंग के दौरान बैटरी चार्ज करती है। इसी तरह की अवधारणा में, एमआइटी मैकेनिकल इंजीनियर द्वारा स्थापित और बिल गेट्स द्वारा वित्त पोषित एनर्जी कैश ने एक प्रदर्शन भंडारण प्रणाली का निर्माण किया, जहां संशोधित स्की लिफ्ट उपकरण का उपयोग करके बजरी का परिवहन और डाउनहिल किया जाता है।

पंप किए गए हाइड्रो स्टोरेज के दशकों पुराने क्षेत्र में, उपन्यास विचार भी हैं, जिसमें एक्वीफर्स में पानी जमा करना या समुद्र में पौधों को बैठाना भी शामिल है, जैसा कि जापान की एक कंपनी पहले ही कर चुकी है। ये दृष्टिकोण एक ही मूल विन्यास का उपयोग करते हैं - एक निचले जलाशय के बगल में एक उच्च स्थान पर एक कृत्रिम जलाशय - लेकिन संभवतः अधिक स्थानों में बनाया जा सकता है। अधिकांश महत्वाकांक्षी डच या बेल्जियम के तटों से उत्तरी सागर में एक "ऊर्जा द्वीप" बनाने के प्रस्ताव हैं। एक जलाशय के साथ एक कृत्रिम द्वीप का निर्माण और भंडारण के लिए पानी को पंप करने के लिए कम-मांग समय पर पवन टर्बाइनों द्वारा उत्पन्न अतिरिक्त ऊर्जा का उपयोग करने का विचार है।

ये सभी नवाचार सस्ते सामग्रियों से शुरू होते हैं लेकिन अंततः एक ही इंजीनियरिंग चुनौती में चलते हैं: दक्षता। यदि बहुत सारी ऊर्जा खोई हुई हवा या संचित पानी में बिजली को परिवर्तित करने में खो जाती है और लागत फिर से बढ़ जाती है। इस क्षेत्र में, बैटरी बहुत अच्छी तरह से प्रतिस्पर्धा करती हैं: कुछ प्रकार चार्ज और निर्वहन में 90 प्रतिशत से अधिक कुशल हैं।

मैकेनिकल स्टोरेज के लिए चाल को अधिक से अधिक तरीकों से कुशलता से टक्कर देना है। हवा के भंडारण के साथ, इसका मतलब अक्सर गर्मी का बेहतर उपयोग करना होता है। जबकि इयरथर्मल सीएईएस डेवलपर्स जैसे लाइटसैल कैप्चर हीट को संपीड़ित हवा से उत्पन्न किया जाता है, अन्य नवोन्मेषक बाहरी स्रोतों से गर्मी काटा जा रहा है जो अन्यथा बर्बाद हो जाएंगे। लंदन के पास अपनी डेमो परियोजना में, संग्रहित तरल हवा को उच्च-दबाव गैस में परिवर्तित करने पर पास के बिजली संयंत्र से अपशिष्ट गर्मी में हाईव्यू पावर स्टोरेज पाइप, जो बिजली बनाने के लिए एक टरबाइन में बदल जाता है। उन्होंने बताया कि कई प्रकार की तकनीकों का उपयोग करते हुए, यहां तक ​​कि बजरी में ठंडी हवा को ठंडा करने की प्रक्रिया में मदद करने के लिए, हाईव्यू पावर स्टोरेज से 70 प्रतिशत से अधिक ऊर्जा रूपांतरण दक्षता प्राप्त की जा सकती है।

हाईव्यू, यूके में 300 किलोवाट के लिक्विड एयर एनर्जी स्टोरेज (एलईईएस) का पायलट प्लांट। (फोटो: हाईव्यू पावर स्टोरेज)

एक यांत्रिक प्रणाली दक्षता पर सबसे अच्छी बैटरी से मेल नहीं खा सकती है, लेकिन यह बात याद आती है, सस्टेन्क्स में व्यवसाय विकास के पूर्व उपाध्यक्ष रिचर्ड ब्रॉडी कहते हैं। अधिक महत्वपूर्ण, विशेष रूप से कई-घंटे के भंडारण अनुप्रयोगों के लिए, अपेक्षाकृत कम अग्रिम लागत और तथ्य यह है कि यांत्रिक प्रणालियां भंडारण क्षमता खोए बिना दशकों तक चल सकती हैं। यांत्रिक भंडारण अधिवक्ताओं का कहना है कि बुनियादी सामग्री- स्टील, हवा, पानी और बजरी के साथ एक अच्छी तरह से तैयार की गई मशीन बैटरी के इलेक्ट्रोड में रासायनिक यौगिकों को खराब नहीं करेगी। "हम किसी भी विद्युत रासायनिक [बैटरी] तकनीक को नहीं देखा है जो हम उस पैमाने और प्रणाली के जीवन में कर सकते हैं जो हम बात कर रहे हैं, " ब्रॉडी कहते हैं। "हमें लगता है कि इन सेल-आधारित बैटरी प्रणालियों में से किसी के साथ मेगावट-स्केल सामान करना अव्यावहारिक है।"

ग्रिड पर व्यापक ऊर्जा भंडारण की क्षमता को देखते हुए, कम लागत वाली सामग्रियों का उपयोग करने वाले दृष्टिकोण गंभीर ध्यान आकर्षित करते हैं। कई स्टार्टअप्स के अलावा, कई शोधकर्ता संपीड़ित या तरलीकृत हवा पर काम कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, यूनाइटेड किंगडम में बर्मिंघम विश्वविद्यालय ने क्रायोजेनिक ऊर्जा भंडारण के लिए एक अनुसंधान केंद्र बनाया और जर्मन यूटिलिटी आरडब्ल्यूई के नेतृत्व में एक कंसोर्टियम ने उच्च दक्षता वाले सीएईएस विकसित करने के लिए साढ़े तीन साल में 40 मिलियन यूरो (53 मिलियन डॉलर) की कमाई की है। प्रणाली जो सिरेमिक सामग्री से भरे बड़े थर्मस जैसे जहाजों में संपीड़न प्रक्रिया से गर्मी का भंडारण करेगी।

भंडारण प्रौद्योगिकी की यह शाखा परिवहन को भी सहायता दे सकती है। इंजीनियरिंग कंपनी रिकार्डो के पास यह पता लगाने के लिए दो परियोजनाएं हैं कि कैसे तरलीकृत हवा आंतरिक दहन इंजन की दक्षता में सुधार कर सकती है। Peugeot Citroen, अन्य वाहन निर्माताओं के बीच, एक हाइब्रिड यात्री कार में बैटरी के रूप में प्रभावी ढंग से कार्य करने के लिए एक संपीड़ित वायु भंडारण टैंक का उपयोग करने के लिए एक विधि का पीछा कर रहा है। ज्यादातर अपील, भागों और बुनियादी ढांचे की तैयार उपलब्धता है, डॉ। एंड्रयू एटकिंस, रिकार्डो में प्रौद्योगिकी के मुख्य अभियंता कहते हैं। "आपके पास कोई आपूर्ति श्रृंखला समस्या नहीं है, " वे कहते हैं। "आखिर, हवा हमारे बारे में है।"