પાવર ગ્રીડની નવી કરોડરજ્જુ: વિશાળ બેટરી સંગ્રહ પ્રણાલીની ટેકનોલોજી અને ભવિષ્ય

વિશ્વભરમાં અશ્મિભૂત ઇંધણ આધારિત વીજ ઉત્પાદન ઘટાડીને સૌર અને પવન જેવા પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જા સ્ત્રોતો અપનાવવાની હોડ ચાલી રહી છે. પરંતુ સૂર્ય આથમ્યા પછી કે પવન ધીમો પડ્યા પછી ગ્રીડની વીજળી સ્થિર કેવી રીતે રાખવી, તે સૌથી મોટો પ્રશ્ન રહ્યો છે. આ કોયડાનો સૌથી ઝડપી અને વ્યવહારુ ઉકેલ બનીને ઊભરી આવી છે બેટરી એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ (Battery Energy Storage System - BESS). સામાન્ય રીતે જેને આપણે પાવર ગ્રીડ બેટરી તરીકે ઓળખીએ છીએ, તે માત્ર બેટરીઓનો સમૂહ નથી પરંતુ વીજ પુરવઠામાં સેકન્ડના સોમા ભાગમાં વધઘટ સંભાળી શકતી અત્યાધુનિક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સિસ્ટમ છે.

વોલ્ટા ફાઉન્ડેશનના વર્ષ ૨૦૨૫ના વૈશ્વિક અહેવાલ મુજબ, એક જ વર્ષમાં ગ્રીડ બેટરી સ્થાપનમાં ૧૦૪ ગીગાવોટ (GW) અને ૨૫૭ ગીગાવોટ-અવર (GWh) નો જંગી વધારો નોંધાયો હતો. રસપ્રદ બાબત એ છે કે અત્યાર સુધી સ્થાપિત કુલ વૈશ્વિક BESS ક્ષમતામાંથી ૪૦% ક્ષમતા માત્ર વર્ષ ૨૦૨૫માં જ ઉમેરાઈ હતી. આ અભૂતપૂર્વ ઝડપ પાછળનું મુખ્ય કારણ વાર્ષિક ધોરણે ખર્ચમાં થયેલો ૩૧% નો તીવ્ર ઘટાડો છે. ભારત જેવા દેશો માટે, જ્યાં પીક અવર્સ દરમિયાન વીજળીની માંગ આકાશે પહોંચે છે, ત્યાં આવી ગ્રીડ-સ્કેલ બેટરીઓ ઊર્જા સંક્રમણની કરોડરજ્જુ સાબિત થઈ રહી છે.

ગ્રીડ બેટરી શું છે અને તેની રચના કેવી હોય છે?

ગ્રીડ-સ્કેલ બેટરી સ્ટોરેજ એ વિશાળ પાયે વિદ્યુત ઊર્જા સંગ્રહિત કરતી પ્રણાલી છે, જે કટોકટી વખતે અથવા પીક ડિમાન્ડ સમયે ગ્રીડમાં તુરંત વીજળી મોકલી શકે છે. આ પ્લાન્ટ્સ અનઇન્ટરપ્ટીબલ પાવર સપ્લાય (uninterruptible power supplies - UPS) જેવી જ કાર્યપદ્ધતિ ધરાવે છે, પરંતુ તેમનું કદ અને ક્ષમતા અતિ વિશાળ હોય છે. સુરક્ષાના કારણોસર, સેલ અને પેકને ખાસ વેરહાઉસ અથવા મજબૂત શિપિંગ કન્ટેનરમાં ગોઠવવામાં આવે છે.

રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા ઊર્જા સંગ્રહતી બેટરીઓ હંમેશા ડાયરેક્ટ કરન્ટ (direct current - DC) ઉત્પન્ન કરે છે, જ્યારે આપણા ટ્રાન્સમિશન નેટવર્ક અલ્ટરનેટિંગ કરન્ટ (alternating current - AC) પર કામ કરે છે. તેથી બેટરી પ્લાન્ટ્સમાં મોટા પાવર ઇન્વર્ટર અને ગેટ ટર્ન-ઓફ થાયરિસ્ટર (gate turn-off thyristor) જેવા પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાધનો લગાડવામાં આવે છે, જે હાઇ-વોલ્ટેજ ડાયરેક્ટ કરન્ટ (HVDC) ટ્રાન્સમિશન સાથે સંકલન સાધીને ગ્રીડ સાથે જોડાય છે.

આ પ્લાન્ટ્સ પરંપરાગત પાવર સ્ટેશનો કરતા અનેક ગણા સુગમ હોય છે. તેમને કોઈ ઇંધણ લાવવા-લઈ જવાની જરૂર પડતી નથી, કોઈ ઊંચી ચીમની હોતી નથી અને પ્રચંડ કૂલિંગ સિસ્ટમની જરૂર રહેતી નથી. આ કારણોસર તેમને શહેરી વિસ્તારોમાં, વપરાશકારોના લોડ સેન્ટર પાસે અથવા તો બંધ પડેલા જૂના પાવર પ્લાન્ટની જમીન પર ખૂબ ઓછા સમયમાં સ્થાપિત કરી શકાય છે.

અંદરનું રસાયણશાસ્ત્ર: લિથિયમ-આયન કેવી રીતે કામ કરે છે?

આધુનિક BESS મથકોમાં સૌથી વધુ વપરાતી ટેકનોલોજી લિથિયમ-આયન બેટરી છે. આ બેટરીનો પાયો ૧૯૭૦ના દાયકામાં એમ. સ્ટેનલી વ્હિટિંગહામ દ્વારા નખાયો હતો, જેને ૧૯૮૦માં જ્હોન ગુડઇનફે લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ કેથોડ સાથે આગળ વધાર્યો. ત્યારબાદ અકીરા યોશિનોએ ૧૯૮૫માં કાર્બન આધારિત એનોડ બનાવી આધુનિક પ્રોટોટાઇપ તૈયાર કર્યો, જેને ૧૯૯૧માં સોની દ્વારા બજારમાં મૂકવામાં આવ્યો. આ ત્રણેય વૈજ્ઞાનિકોને ૨૦૧૯માં રસાયણશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક મળ્યું હતું.

લિથિયમ-આયન સેલની મૂળભૂત પ્રક્રિયા ઇન્ટરકેલેશન (intercalation) એટલે કે પરમાણુ સ્તરો વચ્ચે આયનોના પ્રવેશ અને નિકાસ પર આધારિત છે. સામાન્ય રીતે સેલમાં નેગેટિવ ઇલેક્ટ્રોડ (anode) તરીકે ગ્રેફાઇટ હોય છે અને પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ (cathode) તરીકે લિથિયમ સંયોજન હોય છે. જ્યારે બેટરી ચાર્જ થાય છે, ત્યારે એક્સટર્નલ પાવર મળવાથી લિથિયમ આયનો કેથોડમાંથી નીકળી ઓર્ગેનિક કાર્બોનેટમાં ઓગળેલા લિથિયમ હેક્સાફ્લોરોફોસ્ફેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા વહીને ગ્રેફાઇટના સ્તરો વચ્ચે ગોઠવાઈ જાય છે.

ડિસ્ચાર્જ વખતે આ પ્રક્રિયા ઊલટી થાય છે; ગ્રેફાઇટ એનોડ ઓક્સિડાઇઝ થઈ લિથિયમ આયનો મુક્ત કરે છે જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મારફતે કેથોડ તરફ જાય છે, જ્યારે મુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય સર્કિટમાંથી વહીને વિદ્યુત પ્રવાહ રચે છે. લિથિયમ આયનો બંને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે સતત ઝૂલતા રહેતા હોવાથી તેને 'રોકિંગ-ચેર' (rocking-chair) બેટરી પણ કહેવાય છે. સેલ વોલ્ટેજ અને ચાર્જના ગુણાકારથી ઊર્જા મળે છે. દરેક એક ગ્રામ લિથિયમ આશરે ૧૩,૯૦૧ કુલમ્બ ચાર્જનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જે ૩ વોલ્ટ પર પ્રતિ કિલોગ્રામ ૧૧.૬ kWh ઊર્જા આપે છે.

ટેકનોલોજીની ઉત્ક્રાંતિ: લેડ-એસિડથી LFP અને સોડિયમ-આયન

૧૯૮૦ના દાયકામાં સૌપ્રથમ બેટરી સ્ટોરેજ પ્લાન્ટ્સમાં લેડ-એસિડ બેટરીઓ વપરાતી હતી. ૧૯૯૭માં કાર્યરત થયેલી આવી એક સિસ્ટમ ૧.૬ MW પીક અને ૧.૦ MW સતત આઉટપુટ આપતી હતી. જોકે, લેડ-એસિડ બેટરીમાં ઊર્જા ઘનતા ઓછી હોય છે અને ઓવરચાર્જિંગ વખતે હાઇડ્રોજન વાયુ મુક્ત થતો હોવાથી વિસ્ફોટનું જોખમ ટાળવા માટે સતત પાણી ઉમેરવું અને વેન્ટિલેશન જાળવવું પડતું હતું. ત્યારબાદ નિકલ-કેડમિયમ અને સોડિયમ-સલ્ફર જેવી પ્રણાલીઓ આવી.

વર્ષ ૨૦૧૦ પછી ઇલેક્ટ્રિક વાહનોના વિકાસ સાથે લિથિયમ-આયન બેટરીઓ ગ્રીડ સ્ટોરેજ પર હાવી થઈ ગઈ. ખાસ કરીને વર્ષ ૨૦૨૪ સુધીમાં લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LiFePO4 - LFP) રસાયણશાસ્ત્ર યુટિલિટી સ્ટોરેજમાં મુખ્ય બની ગયું. LFP માં મોંઘા અને સંઘર્ષગ્રસ્ત કોબાલ્ટનો ઉપયોગ થતો નથી, તેના કાચા માલ સરળતાથી મળે છે, તેનું આયુષ્ય લાંબુ છે અને તે થર્મલ રીતે ખૂબ સુરક્ષિત છે. તાઇવાનના માઉન્ટ જેડ પર પાઇયુન લોજ ખાતે ૨૦૧૬થી સ્થાપિત LFP સિસ્ટમ કોઈપણ સુરક્ષા અકસ્માત વિના સતત ચાલી રહી છે.

લિથિયમની અછત અને પાણીના વપરાશના વિકલ્પ તરીકે સોડિયમ-આયન બેટરીઓ પણ ઝડપથી આગળ વધી રહી છે. સોડિયમ-આયન સેલની કાર્યપદ્ધતિ લિથિયમ જેવી જ છે પરંતુ તેમાં લિથિયમને બદલે સોડિયમ આયનો વપરાય છે. તેની ઊર્જા ઘનતા થોડી ઓછી છે પરંતુ કિંમત નીચી અને સુરક્ષા ઉત્તમ છે. વર્ષ ૨૦૨૪માં ચીનના હુબેઈ પ્રાંતમાં ૫૦ MW / ૧૦૦ MWh નો સોડિયમ-આયન BESS શરૂ થયો હતો. વર્ષ ૨૦૨૬માં CATL કંપનીએ મોડ્યુલર TENER સોડિયમ સિસ્ટમ રજૂ કરી, જે ૩૦ MWh સંગ્રહ ક્ષમતા આપે છે અને ૧ થી ૮ કલાક સુધી પાવર સપ્લાય કરી શકે છે. આ ઉપરાંત લાંબા ગાળાના સંગ્રહ માટે વર્ષ ૨૦૨૪માં ૧૭૫ MW / ૭૦૦ MWh ક્ષમતાનો ૪ કલાકનો વેનેડિયમ રેડોક્સ ફ્લો બેટરી પ્લાન્ટ પણ કાર્યરત થયો છે.

ગ્રીડની સ્થિરતા અને અસાધારણ પ્રતિભાવ ઝડપ

પરંપરાગત કોલસા કે ગેસ આધારિત પાવર પ્લાન્ટને બંધ સ્થિતિમાંથી પૂરી ક્ષમતાએ ચાલુ થવામાં કલાકો કે મિનિટો લાગે છે, જ્યારે બેટરી સ્ટોરેજ સ્ટેન્ડબાય મોડમાંથી પૂરા પાવર પર આવવા માટે એક સેકન્ડ કરતાં પણ ઓછો સમય લે છે. કોઈ યાંત્રિક હલનચલન ન હોવાને કારણે BESS નો સ્ટાર્ટ ટાઈમ માત્ર ૧૦ મિલિસેકન્ડ (ms) જેટલો ઝડપી હોઈ શકે છે. આ ઝડપ ગ્રીડની આવૃત્તિ (frequency control) અને વોલ્ટેજ નિયંત્રણ જાળવવા માટે વરદાનરૂપ છે.

જ્યારે વીજળીની માંગ અને પુરવઠામાં તફાવત સર્જાય છે, ત્યારે ગ્રીડમાં આવર્તન વધઘટ (oscillations) પેદા થાય છે. ૩૦ સેકન્ડ સુધી ચાલતા આવા મોજાં જો કાબૂમાં ન આવે તો મોટા પ્રદેશોમાં બ્લેકઆઉટ સર્જી શકે છે. BESS આ વધઘટને તુરંત શોષી લઈને ગ્રીડને સ્થિર રાખે છે. સામાન્ય રીતે બેટરી પ્રણાલીઓ ૧ થી ૪ કલાક માટે સંપૂર્ણ ક્ષમતાનો પાવર આપવા ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે, જે સાંજની પીક ડિમાન્ડ (peak shaving) સંભાળવા પૂરતી છે. વર્ષ ૨૦૧૯થી ૨ કલાક સુધીના પાવર ઉપયોગ માટે બેટરી સ્ટોરેજ ઓપન-સાયકલ ગેસ ટર્બાઇન કરતાં પણ સસ્તું સાબિત થયું છે.

ઘટતો ખર્ચ અને વિશાળ વૈશ્વિક આંકડા

ટેકનોલોજીના સ્કેલ અને ઉત્પાદન ક્ષમતા વધવાને કારણે લેવલાઇઝ્ડ કોસ્ટ ઓફ સ્ટોરેજ (LCOS) અસાધારણ ઝડપે ઘટ્યો છે. વર્ષ ૨૦૧૪ થી ૨૦૨૪ વચ્ચેના દાયકામાં સ્ટોરેજનો ખર્ચ દર ૪.૧ વર્ષે અડધો થતો રહ્યો છે. વર્ષ ૨૦૨૦માં બેટરી સ્ટોરેજનો ખર્ચ ૧૫૦ અમેરિકી ડૉલર પ્રતિ MWh હતો, જે ૨૦૨૩ સુધીમાં ઘટીને ૧૧૭ ડૉલર પ્રતિ MWh થઈ ગયો હતો. વર્ષ ૨૦૨૫માં સરેરાશ વૈશ્વિક સિસ્ટમ કિંમત આશરે ૧૨૦ ડૉલર પ્રતિ kWh પર પહોંચી હતી, જેમાં સેલનો હિસ્સો ૩૦% થી ૪૦% જેટલો છે.

આ ઝડપી ભાવ ઘટાડાને પગલે વર્ષ ૨૦૨૫ સુધીમાં વિશ્વભરમાં ગ્રીડ બેટરી પાવર ક્ષમતા ૨૬૭ GW અને ઊર્જા સંગ્રહ ક્ષમતા ૬૧૦ GWh પર પહોંચી ગઈ હતી. ઇન્ટરનેશનલ હાઇડ્રોપાવર એસોસિએશન મુજબ, પરંપરાગત પમ્પડ-સ્ટોરેજ હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિસિટીની વૈશ્વિક ક્ષમતા ૨૦૦ GW પાવર અને ૯,૦૦૦ GWh ઊર્જા સંગ્રહ હતી. આમ, વીજ વિતરણ ક્ષમતા (પાવર) ની દ્રષ્ટિએ બેટરી સ્ટોરેજે પમ્પડ-સ્ટોરેજને વટાવી દીધું છે, જોકે કુલ ઊર્જા જથ્થામાં હજુ હાઇડ્રો સ્ટોરેજ આગળ છે.

દેશોની સરખામણી કરીએ તો, ચીન BESS ક્ષેત્રે સૌથી આગળ છે. મે ૨૦૨૫ સુધીમાં ચીનની સંચિત BESS ક્ષમતા ૧૦૬.૯ GW અને ૨૪૦.૩ GWh પર પહોંચી ગઈ હતી (જે ૨૦૨૪ના અંતે ૬૨ GW / ૧૪૧ GWh હતી). બીજી તરફ, અમેરિકાએ વર્ષ ૨૦૨૪માં ૧૨.૩ GW / ૩૭.૧ GWh અને વર્ષ ૨૦૨૫માં ૫૭.૬ GWh ની સ્થાપના કરી હતી, જ્યાં સ્થાનિક ઉત્પાદન ક્ષમતા ૭૦ GWh સુધી પહોંચી ગઈ છે. વર્ષ ૨૦૨૬ સુધીમાં આ ક્ષેત્રમાં સંસ્થાકીય રોકાણકારો માટે બેટરી પોર્ટફોલિયો એક નવી એસેટ ક્લાસ તરીકે પણ સ્થાપિત થઈ ચૂક્યા છે.

સુરક્ષા, બેટરીનું આયુષ્ય અને ભવિષ્યના પડકારો

વિશાળ બેટરી સિસ્ટમ્સ સામે સૌથી મોટો ટેકનિકલ પડકાર સાયકલ એજિંગ (cycle ageing) અને થર્મલ રનઅવે છે. વારંવાર ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ થવાથી, ખાસ કરીને ઊંચા ચાર્જિંગ દર અને વધારે પડતા ડિસ્ચાર્જ (depth of discharge) વખતે સેલનું આંતરિક બંધારણ ઘસાય છે. આનાથી ક્ષમતા ઘટે છે, વોલ્ટેજ ડ્રોપ થાય છે અને વધુ પડતી ગરમી પેદા થઈ શકે છે. જો તાપમાન અનિયંત્રિત બને તો લિથિયમ-આયન બેટરીના જ્વલનશીલ ઓર્ગેનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટને કારણે આગ કે વિસ્ફોટ થઈ શકે છે.

દક્ષિણ કોરિયામાં ૨૦૧૭ થી ૨૦૧૯ દરમિયાન ૨૩ બેટરી ફાર્મ્સમાં આગ, ઓસ્ટ્રેલિયાના ગીલોંગ ખાતે ટેસ્લા મેગાપેકમાં આગ, એરિઝોનામાં બેટરી મોડ્યુલ વિસ્ફોટ અને મોસ લેન્ડિંગ એલજી બેટરી ખાતે કૂલિંગ લિક્વિડ શોર્ટ સર્કિટ જેવી ઘટનાઓએ ઉદ્યોગને સુરક્ષા ધોરણો સુધારવા મજબૂર કર્યો હતો. આ ઘટનાઓ છતાં, ટેકનોલોજી સુધરતા નિષ્ફળતાનો દર નોંધપાત્ર ઘટ્યો છે. મોટાભાગની નિષ્ફળતાઓ કંટ્રોલ સિસ્ટમમાં થાય છે, જ્યારે માત્ર ૧૧% ખામી સેલમાં જોવા મળી છે. વર્ષ ૨૦૨૫ સુધીમાં નિષ્ફળતાનો દર ઘટીને પ્રતિ GWh માત્ર ૦.૦૪ ઘટનાઓ પર આવી ગયો છે.

અમેરિકા જેવા દેશોમાં સ્થાનિક સ્તરે આગના ભયથી પ્રોજેક્ટ્સ અટકાવવાના પ્રયાસો થયા હોવા છતાં, સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીઓ અને બિન-જ્વલનશીલ સોડિયમ-આયન કેમિસ્ટ્રીના સંશોધનો આ ચિંતાઓને દૂર કરી રહ્યા છે. ભારતના સંદર્ભમાં, જ્યાં સૌર ક્ષમતા ઝડપથી વધી રહી છે પરંતુ ગ્રીડ પર દબાણ છે, ત્યાં આવી ૧ થી ૪ કલાકની લિથિયમ અને સોડિયમ BESS સિસ્ટમ્સ કોલસા આધારિત પીકિંગ પ્લાન્ટ્સનું સ્થાન લઈ સ્વચ્છ ઊર્જાનું અવિરત વિતરણ સુનિશ્ચિત કરશે.