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सौर और पवन ऊर्जा का उत्पादन जितना बढ़ रहा है, ग्रिड को कई अलग-अलग समय-सीमाओं पर ऊर्जा की खपत में असंतुलन का सामना करना पड़ रहा है — न केवल "अगले कुछ सेकंड" बल्कि "आज शाम", "इस सप्ताह का खराब मौसम" और "पूरे मौसम में फैली मांग"। लिथियम-आयन बैटरियों की पावर (किलोवाट) और क्षमता (किलोवाट-घंटे) को काफी हद तक स्वतंत्र रूप से डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे वे कुछ मिनटों से लेकर कुछ घंटों तक के समायोजन के लिए सक्षम होती हैं (बैटरी की बुनियादी बातों के लिए, पावर बैटरी प्राइमर देखें)। लेकिन केवल बैटरियों के सहारे दिनों से लेकर मौसमों तक ऊर्जा संग्रहित करने का प्रयास करने पर आवश्यक क्षमता तेजी से बढ़ जाती है, और लागत अव्यावहारिक हो जाती है। पंप हाइड्रो स्टोरेज ने लंबे समय से इस लंबी समय-सीमा को पूरा किया है, और हाल के वर्षों में हाइड्रोजन ने इससे भी आगे की क्षमता वाली तकनीक के रूप में ध्यान आकर्षित किया है। यह लेख हाइड्रोलिक टर्बाइनों के मूलभूत भौतिकी को हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर प्राइमर के लिए छोड़ देता है, और इसके बजाय पंप हाइड्रो और हाइड्रोजन भंडारण को एक ही समस्या के दो समाधानों के रूप में साथ-साथ प्रस्तुत करता है: "ऊर्जा का भंडारण करें, और बाद में इसे बिजली में परिवर्तित करें।"

संक्षेप में सारांश

  • पंप हाइड्रो स्टोरेज, जो पानी को ऊपरी और निचले जलाशय के बीच आगे-पीछे ले जाता है, एक स्थापित बड़ी क्षमता वाली, दीर्घकालिक भंडारण तकनीक है। राउंड-ट्रिप दक्षता लगभग 70-87% है, जिसमें औसत आंकड़ा लगभग 80% है।

  • परिवर्तनीय गति वाले पंप-टर्बाइन पंपिंग के दौरान खपत होने वाली बिजली को लगातार समायोजित कर सकते हैं, और आवृत्ति कम होने पर पंपिंग लोड को तेजी से कम करके, वे बढ़ते जनरेटर आउटपुट के साथ-साथ ग्रिड को भी समर्थन दे सकते हैं (विवरण के लिए हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर प्राइमर देखें)।

हाइड्रोजन "बिजली को बिजली के रूप में संग्रहित" नहीं करता है - यह पानी को विद्युतीकृत करके हाइड्रोजन में परिवर्तित करता है, उसे संग्रहित करता है, और आवश्यकता पड़ने पर ईंधन सेल या गैस टरबाइन के माध्यम से उसे वापस बिजली में परिवर्तित करता है। वर्तमान में इसकी कुल दक्षता लगभग 30-50% है, जो पंप हाइड्रो से कम है।

इसके बदले में, हाइड्रोजन आपको भंडारण माध्यम (टैंक या भूमिगत भंडारण) और ऊर्जा रूपांतरण उपकरण (इलेक्ट्रोलाइज़र, ईंधन सेल) को अलग-अलग डिज़ाइन करने की सुविधा देता है, इसलिए सिद्धांत रूप में यह भूभाग पर निर्भर नहीं करता है और हफ्तों से लेकर मौसमों तक चलने वाले दीर्घकालिक भंडारण के लिए उपयुक्त है।

पंप हाइड्रो को "घंटों से दिनों तक कुशल भंडारण" और हाइड्रोजन को "कम कुशल लेकिन स्थान-निर्भर दीर्घकालिक भंडारण" के रूप में सोचना एक ऐसे संबंध को दर्शाता है जो प्रतिस्पर्धात्मक होने के बजाय पूरक के अधिक करीब है।

1. समय-सीमा के आधार पर "दीर्घकालिक भंडारण" समस्या का वर्गीकरण

नवीकरणीय ऊर्जा की परिवर्तनशीलता को एक ही समय-सीमा पर वर्णित नहीं किया जा सकता है। बादलों के गुजरने से कुछ मिनटों का बदलाव, शाम के समय मांग बढ़ने और सूर्यास्त के समय सौर ऊर्जा उत्पादन घटने से कई घंटों तक ऊर्जा प्रवाह में उतार-चढ़ाव, रुके हुए निम्न दबाव प्रणाली के कारण कई दिनों तक हवा की कमी, धूप और वर्षा के पैटर्न में मौसमी अंतर — भंडारण की आवश्यकता का स्वरूप समय के साथ बदलता रहता है।

समय सीमा विशिष्ट चुनौतियाँ उपयुक्त भंडारण तकनीक
सेकंड से मिनट आवृत्ति विनियमन, तात्कालिक आपूर्ति-मांग अंतर लिथियम-आयन बैटरी, फ्लाईव्हील
घंटों से आधा दिन सौर ऊर्जा उत्पादन में शाम का बदलाव, पीक शेविंग लिथियम-आयन बैटरी, पंप हाइड्रो

दिनों से हफ्तों | लगातार खराब मौसम, कई दिनों तक हवा की कमी | पंप हाइड्रो (बड़ी क्षमता वाले जलाशय), हाइड्रोजन |

हफ्तों से मौसम | मौसमी आपूर्ति-मांग अंतर | हाइड्रोजन (बड़े पैमाने पर, दीर्घकालिक भंडारण माध्यम) |

बैटरी में सेल की संख्या के आधार पर आउटपुट (kW) और क्षमता (kWh) को अपेक्षाकृत आसानी से निर्धारित किया जा सकता है, लेकिन क्षमता बढ़ने के साथ लागत भी लगभग उसी अनुपात में बढ़ती है। पंप हाइड्रो और हाइड्रोजन ऊर्जा को "जल की संभावित ऊर्जा" या "हाइड्रोजन अणुओं की रासायनिक ऊर्जा" के रूप में संग्रहित करते हैं, इसलिए भंडारण क्षमता बढ़ाने की लागत का वक्र बैटरी से भिन्न होता है। यही कारण है कि दोनों ही दीर्घकालिक भंडारण में अग्रणी भूमिका निभा सकते हैं।

2. पंप हाइड्रो स्टोरेज - एक स्थापित उच्च-क्षमता प्रौद्योगिकी का पुनरावलोकन

पंप हाइड्रो के मूल सिद्धांत और टरबाइन के भौतिकी को हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर प्राइमर में शामिल किया गया था। यहाँ हमारा ध्यान भंडारण प्रौद्योगिकी के रूप में इसके प्रदर्शन पर केंद्रित है।

संग्रहित की जा सकने वाली ऊर्जा की मात्रा का अनुमान जल आयतन (V), प्रभावी शीर्ष (H) और समग्र दक्षता (\eta) का उपयोग करके लगाया जा सकता है:

E\simeq\rho g V H\eta

बैटरी के kWh के समतुल्य क्षमता ऊपरी और निचले जलाशयों के प्रभावी भंडारण आयतन और शीर्ष द्वारा निर्धारित की जाती है, जबकि आउटपुट (kW) पंप-टर्बाइन और मोटर-जनरेटर की रेटिंग द्वारा निर्धारित किया जाता है। इन दोनों को स्वतंत्र रूप से डिजाइन करने की क्षमता पंप हाइड्रो और बैटरी दोनों में समान है, लेकिन पंप हाइड्रो के लिए भूभाग और जल अधिकारों की बाधाएं क्षमता डिजाइन के लिए एक पूर्व शर्त हैं।

राउंड-ट्रिप दक्षता — पंपिंग (चार्जिंग) और जनरेटिंग (डिस्चार्जिंग) के एक पूर्ण चक्र के बाद वापस आने वाली बिजली का हिस्सा — पंप दक्षता, टर्बाइन दक्षता, मोटर-जनरेटर दक्षता और पाइपिंग हानियों का गुणनफल है, और मापे गए मान लगभग 70-87% की सीमा में आते हैं, जिसमें मध्य आंकड़ा लगभग 80% है। यह दशकों के परिचालन अनुभव द्वारा समर्थित एक परिपक्व आंकड़ा है, जो लिथियम-आयन बैटरी की राउंड-ट्रिप दक्षता के बराबर या उससे थोड़ा कम है।

निश्चित गति वाले पंप-टर्बाइन पंपिंग के दौरान लगभग स्थिर बिजली की खपत करते हैं, जिससे वे अनियमित मात्रा में आने वाली अतिरिक्त नवीकरणीय बिजली को ट्रैक करने में असमर्थ होते हैं। परिवर्तनीय गति वाले पंप स्टोरेज पावर इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके घूर्णी गति को लगातार बदलते रहते हैं, जिससे पंपिंग लोड का सटीक समायोजन संभव होता है। आवृत्ति कम होने पर, यह पंपिंग वॉल्यूम को तेजी से कम कर सकता है, जिससे उत्पादन बढ़ाने के साथ-साथ ग्रिड को भी समर्थन मिलता है। जापान में, गुन्मा प्रान्त में स्थित कन्नागावा पावर स्टेशन (TEPCO) को दुनिया के सबसे बड़े पंप स्टोरेज संयंत्रों में से एक माना जाता है। इसे 653 मीटर के प्रभावी हेड के साथ डिज़ाइन किया गया है और इसमें कागजों पर 470,000 किलोवाट-250 की छह मोटर-जनरेटर इकाइयाँ हैं, जिससे सभी इकाइयों के चलने पर अधिकतम 2.82 मिलियन किलोवाट-250 का उत्पादन होता है। वर्तमान में, यूनिट 1 और 2 ने परिचालन शुरू कर दिया है, जिससे अधिकतम 940,000 किलोवाट का उत्पादन प्राप्त हो रहा है। पंप हाइड्रो के तकनीकी विवरणों के लिए, जिसमें परिवर्तनीय गति संचालन और क्षमता वृद्धि शामिल है, हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर प्राइमर के संबंधित अनुभाग देखें।

Diagram 1 · Use the button to switch views
The round trip of energy in pumped hydro storageA diagram showing the round-trip energy flow of pumping with surplus power and generating on demand Upper reservoir Lower reservoir Reversible pump-turbine + motor-generator Generating: upper → lower Pumping: lower → upper (surplus power) Grid (round-trip efficiency ~80%)

चित्र 1 — पंपयुक्त जलविद्युत प्रणाली एक प्रतिवर्ती पंप-टर्बाइन के साथ पंपिंग और जनरेशन के बीच स्विच करते हुए ऊपरी और निचले जलाशयों के बीच पानी का परिवहन करती है। आने-जाने की दक्षता लगभग 70-87% है, जो लगभग 80% के आसपास केंद्रित है।

3. हाइड्रोजन के माध्यम से दीर्घकालिक भंडारण — अणुओं के रूप में बिजली का भंडारण

हाइड्रोजन भंडारण के पीछे मूल विचार हाइड्रोजन का उपयोग करना है अतिरिक्त बिजली का उपयोग जल को हाइड्रोजन में विद्युतीकृत करने, इसे संपीड़ित, द्रवीकृत या भूमिगत रूप में संग्रहित करने और आवश्यकता पड़ने पर ईंधन सेल या हाइड्रोजन-चालित/सह-चालित गैस टर्बाइनों के माध्यम से इसे वापस बिजली में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। इस पूरी प्रक्रिया को पावर-टू-गैस-टू-पावर (P2G2P) कहा जाता है। सौर या पवन जैसी नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से प्राप्त बिजली का उपयोग करके उत्पादित हाइड्रोजन को "ग्रीन हाइड्रोजन" कहा जाता है, और इसकी विशिष्ट विशेषता उत्पादन के दौरान कम CO2 उत्सर्जन है।

इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रकारों में क्षारीय जल विद्युतीकरण, पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) जल विद्युतीकरण और सॉलिड ऑक्साइड विद्युतीकरण सेल (SOEC) शामिल हैं, जो उच्च तापमान पर संचालित होते हैं। क्षारीय जल विद्युतीकरण पैमाने और सफल संचालन के मामले में अग्रणी है, जबकि PEM बेहतर प्रतिक्रियाशीलता प्रदान करता है, जिससे यह परिवर्तनशील नवीकरणीय ऊर्जा के लिए उपयुक्त है। उत्पादित हाइड्रोजन को कभी-कभी भंडारण और परिवहन के लिए उच्च दबाव वाली गैस, तरल हाइड्रोजन या अमोनिया जैसे किसी अन्य रासायनिक रूप में परिवर्तित किया जाता है।

पुन: रूपांतरण के संदर्भ में, पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल से बिजली उत्पादन के अलावा अन्य रासायनिक स्रोत भी हैं। ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) या PEFC के साथ-साथ हाइड्रोजन-ईंधन वाले गैस टर्बाइनों का उपयोग करके बिजली उत्पादन को बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों के लिए भी विचाराधीन किया जा रहा है। सरल विन्यास (लगभग 80% इलेक्ट्रोलाइसिस दक्षता × लगभग 60% ईंधन सेल दक्षता) के लिए विद्युत अपघटन और पुनर्परिवर्तन को मिलाकर राउंड-ट्रिप दक्षता लगभग 48% रहती है, जबकि पूर्ण प्रणालियों के लिए रिपोर्ट किए गए आंकड़े साहित्य में लगभग 28% से 52% तक भिन्न होते हैं। कुछ शोध ठोस ऑक्साइड प्रणालियों के साथ संयुक्त अधिक उन्नत इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए 60% के आंकड़े और भविष्य की उच्च-दक्षता प्रणालियों के लिए 80% से भी अधिक आंकड़े दर्शाते हैं, लेकिन वर्तमान स्थिति में, मुख्यधारा के विन्यास की राउंड-ट्रिप दक्षता पंप हाइड्रो की तुलना में कम है।

जापान में एक प्रमुख प्रदर्शन स्थल फुकुशिमा हाइड्रोजन ऊर्जा अनुसंधान क्षेत्र (FH2R) है, जो मार्च 2020 में फुकुशिमा प्रान्त के नामी में खोला गया था। इसमें 20 मेगावाट की सौर ऊर्जा सुविधा को दुनिया के सबसे बड़े क्षारीय जल संयंत्रों में से एक के साथ जोड़ा गया है। 10 मेगावाट श्रेणी की इलेक्ट्रोलाइसिस इकाइयाँ (6 मेगावाट रेटेड आउटपुट, 10 मेगावाट अधिकतम बिजली खपत), रेटेड परिचालन पर प्रति घंटे 1,200 Nm³ हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम हैं। कहा जाता है कि यह लगभग 560 ईंधन सेल वाहनों (एफसीवी) को भरने के लिए पर्याप्त है, और यह सुविधा अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा को हाइड्रोजन में परिवर्तित करने, फिर उसे संग्रहित करने और उपयोग करने की पूरी प्रौद्योगिकी श्रृंखला को मान्य करने के लिए एक प्रदर्शन स्थल के रूप में स्थापित है।

Diagram 2 · Use the button to switch views
Power-to-Gas-to-Power with green hydrogenA one-directional diagram showing electrolysis powered by renewable electricity, hydrogen storage, and reconversion via fuel cell Surplus renewable power ElectrolyzerEfficiency ~70–80% Hydrogen storageHigh-pressure, liquid, underground Fuel cell /hydrogen turbine Grid Round-trip efficiency (electrolysis × storage × reconversion) is roughly 30–50%

चित्र 2 — हाइड्रोजन विद्युत को आणविक रूप में परिवर्तित करके संग्रहित करता है। क्योंकि विद्युत अपघटन और पुनर्परिवर्तन दोनों में हानि होती है, इसलिए पंप हाइड्रो की तुलना में राउंड-ट्रिप दक्षता कम होती है, लेकिन भंडारण माध्यम को उत्पादन उपकरण से अलग रखना दीर्घकालिक, बड़े पैमाने पर भंडारण के लिए उपयुक्त है।

4. दोनों तकनीकों की तुलना

विषय पंप हाइड्रो हाइड्रोजन भंडारण (P2G2P)
अनुमानित राउंड-ट्रिप दक्षता ~70–87% (केंद्रीय ~80%) ~30–50% (संरचना के अनुसार भिन्न होता है)
सर्वोत्तम समय सीमा घंटों से लेकर कुछ दिनों तक दिनों से लेकर मौसमों तक (दीर्घकालिक, बड़े पैमाने पर भंडारण)
स्थान निर्धारण संबंधी बाधाएँ ऊपरी/निचले जलाशयों के लिए ऊँचाई में अंतर और भूमि की आवश्यकता होती है इलेक्ट्रोलाइज़र और भंडारण टैंकों को अपेक्षाकृत स्वतंत्र रूप से स्थापित किया जा सकता है
प्रतिक्रिया गति सेकंड से मिनट तक (परिवर्तनीय गति इकाइयों के साथ तेज़) इलेक्ट्रोलाइज़र/ईंधन-सेल स्टार्टअप विशेषताओं पर निर्भर करता है
प्रौद्योगिकी परिपक्वता परिपक्व (दशकों का वाणिज्यिक परिचालन अनुभव) प्रदर्शन और विस्तार चरण
द्वितीयक उपयोग सिंक्रोनस कंडेंसर संचालन, ब्लैक स्टार्ट औद्योगिक हाइड्रोजन और परिवहन ईंधन के रूप में बहुमुखी प्रतिभा

केवल दक्षता के आधार पर देखें तो पंप्ड हाइड्रो आगे निकलता है, लेकिन यह एक सशर्त लाभ है — "यदि उपयुक्त भूभाग मौजूद हो।" हाइड्रोजन समतल भूमि या मौजूदा बुनियादी ढांचे वाले क्षेत्रों में तैनात होने की क्षमता और बिजली के अलावा अन्य उपयोगों (औद्योगिक कच्चा माल, ईंधन सेल वाहन, भविष्य में ईंधन उपयोग) में विविधता के बदले दक्षता का त्याग करता है। एक को दूसरे के स्थान पर देखने के बजाय, भूभाग, मांग और मौजूदा बुनियादी ढांचे के आधार पर उनकी भूमिकाओं को विभाजित करना अधिक व्यावहारिक है।

5. ग्रिड के परिप्रेक्ष्य से यह कैसा दिखता है

ग्रिड संचालन के दृष्टिकोण से, न तो पंप्ड हाइड्रो और न ही हाइड्रोजन भंडारण "बिजली संयंत्र" हैं — दोनों "समय को स्थानांतरित करने वाले उपकरण" हैं। सेकंड से मिनट के पैमाने पर होने वाली प्रतिक्रिया, जैसे कि आवृत्ति विनियमन, को बैटरी या परिवर्तनीय गति वाले पंप हाइड्रो द्वारा बेहतर प्रतिक्रिया गति के साथ सबसे अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है। घंटे से दिन के पैमाने पर ऊर्जा स्थानांतरण को पंप हाइड्रो द्वारा सबसे अच्छी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है, जो राउंड-ट्रिप दक्षता में श्रेष्ठ है। और लंबी अवधि की परिवर्तनशीलता के लिए जिसे केवल बैटरी या पंप हाइड्रो भंडारण क्षमता से पूरा नहीं किया जा सकता है - कई दिनों तक लगातार खराब मौसम, या मौसमी आपूर्ति-मांग अंतर - हाइड्रोजन जैसे आणविक भंडारण एक उपयुक्त विकल्प बन जाता है।

संतुलन-विद्युत बाजार जैसे बाजार डिजाइनों में, प्रत्येक लक्षित प्रतिक्रिया समय के लिए विनियमित विद्युत की विभिन्न उत्पाद श्रेणियां स्थापित की जाती हैं, और भंडारण प्रौद्योगिकी के आदर्श समय पैमाने को बाजार के उत्पाद डिजाइन के साथ मिलाना प्रत्येक प्रौद्योगिकी से अधिकतम लाभ प्राप्त करने की कुंजी है। इस बाजार प्रणाली का विवरण VPP (वर्चुअल पावर प्लांट) प्राइमर और ग्रिड इनर्शिया और आवृत्ति विनियमन प्राइमर में दिया गया है।

सारांश: दक्षता और स्थान निर्धारण के बीच संतुलन का विश्लेषण

स्थापित तकनीक और उच्च राउंड-ट्रिप दक्षता से लैस पंप हाइड्रो (हाइड्रो) बिजली आपूर्ति कुछ घंटों से लेकर कुछ दिनों तक के समय में ऊर्जा का स्थानांतरण कर सकती है। हाइड्रोजन में दक्षता की कमी होती है, लेकिन भंडारण माध्यम को उत्पादन उपकरण से अलग करने की सुविधा इसे दीर्घकालिक, बड़े पैमाने पर भंडारण क्षमता प्रदान करती है, जो पंप हाइड्रो में संभव नहीं है, और बिजली के अलावा अन्य उपयोगों में भी इसका विस्तार हो सकता है।

बड़े पैमाने पर भंडारण परियोजना का मूल्यांकन करते समय, निम्नलिखित बातों की जाँच करना महत्वपूर्ण है:

  1. लक्षित समयसीमा क्या है — घंटे, दिन या मौसम?

  2. राउंड-ट्रिप दक्षता की तुलना पंप हाइड्रो से कैसे की जाती है?

  3. डिज़ाइन स्थान निर्धारण की स्थितियों (भूभाग, भूमि, मौजूदा बुनियादी ढांचा) पर कितना निर्भर करता है?

  4. क्या यह बिजली के अलावा अन्य उपयोगों (औद्योगिक उपयोग, ईंधन के रूप में उपयोग) के साथ मूल्य साझा कर सकता है?

इन चार बिंदुओं को ध्यान में रखते हुए, आप पंप हाइड्रो और हाइड्रोजन भंडारण को "पुराने बनाम नए" प्रतिद्वंद्विता के रूप में नहीं, बल्कि विभिन्न समय-सीमाओं के लिए उपयुक्त पूरक प्रौद्योगिकियों के रूप में देख सकते हैं।

अपनी समझ की जाँच करें
क्या केवल राउंड-ट्रिप दक्षता ही दीर्घकालिक भंडारण का चयन कर सकती है?

अवधि, क्षमता, स्थान, लागत और उपयोग भी मायने रखते हैं। बार-बार होने वाले छोटे चक्र और मौसमी भंडारण अलग-अलग आवश्यकताएँ उत्पन्न करते हैं।

संदर्भ

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