गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण: शाश्वत भविष्यासाठी उंचीचा वापर

जगभरात शाश्वत ऊर्जा स्रोतांकडे वेगाने संक्रमण होत असताना, विश्वसनीय ग्रिड ऑपरेशनसाठी नाविन्यपूर्ण साठवण उपाययोजना अत्यंत महत्त्वाच्या आहेत. विविध तंत्रज्ञानांमध्ये, गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण (GES) एक संभाव्य व्यवहार्य आणि पर्यावरणपूरक पर्याय म्हणून उदयास येत आहे. हा लेख GES ची तत्त्वे, प्रकार, फायदे, आव्हाने आणि जागतिक उपयोगांचा शोध घेतो, या रोमांचक क्षेत्राचे सर्वसमावेशक अवलोकन देतो.

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण (GES) म्हणजे काय?

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण, ज्याला अनेकदा "ग्रॅव्हिटी बॅटरी" म्हटले जाते, ही एक प्रकारची यांत्रिक ऊर्जा साठवण प्रणाली आहे जी उचललेल्या वस्तूंच्या स्थितिज ऊर्जेचा वापर वीज साठवण्यासाठी आणि सोडण्यासाठी करते. याचे मूळ तत्त्व सोपे आहे: जेव्हा अतिरिक्त ऊर्जा उपलब्ध असते (उदा. सौर किंवा पवन ऊर्जेच्या उच्च उत्पादनादरम्यान), तेव्हा तिचा वापर एका जड वस्तुमानाला उंच उचलण्यासाठी केला जातो. यामुळे ऊर्जा गुरुत्वाकर्षणीय स्थितिज ऊर्जेच्या रूपात साठवली जाते. जेव्हा ऊर्जेची मागणी वाढते, तेव्हा वस्तुमान खाली आणले जाते आणि खाली येण्याच्या गतीमुळे एक जनरेटर चालतो, ज्यामुळे स्थितिज ऊर्जेचे पुन्हा विजेमध्ये रूपांतर होते.

ही संकल्पना पंप हायड्रो स्टोरेज (PHS) प्रमाणेच आहे, जे GES चे सर्वात प्रगल्भ स्वरूप आहे. तथापि, PHS ला पर्वत आणि मोठे जलाशय यांसारख्या विशिष्ट भौगोलिक वैशिष्ट्यांची आवश्यकता असते, तर GES चे उद्दिष्ट स्थान आणि प्रमाणाच्या बाबतीत अधिक लवचिक असणे आहे. ही मूळभूत अनुकूलता GES ला विविध प्रकारच्या वातावरणात तैनात करण्याची परवानगी देते, ज्यामुळे ते अधिक बहुपयोगी ऊर्जा साठवण समाधान बनते.

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण प्रणालीचे प्रकार

जगभरात विविध GES डिझाइन्स विकसित आणि तपासल्या जात आहेत, प्रत्येकाचे स्वतःचे फायदे आणि तोटे आहेत. या प्रणालींचे वर्गीकरण वस्तुमान उचलण्यासाठी आणि खाली करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पद्धती आणि वापरलेल्या वस्तुमानाच्या प्रकारावर आधारित केले जाऊ शकते:

१. पंप हायड्रो स्टोरेज (PHS)

PHS हे GES चे सर्वात स्थापित स्वरूप आहे. यामध्ये अतिरिक्त विजेचा वापर करून खालच्या जलाशयातून वरच्या जलाशयात पाणी पंप करणे समाविष्ट आहे. जेव्हा ऊर्जेची आवश्यकता असते, तेव्हा पाणी खाली सोडले जाते, जे टर्बाइन चालवून वीज निर्माण करते.

उदाहरण: अमेरिकेतील व्हर्जिनिया येथील बाथ काउंटी पंप स्टोरेज स्टेशन ही जगातील सर्वात मोठ्या PHS सुविधांपैकी एक आहे. याची क्षमता ३ GW पेक्षा जास्त आहे आणि ती अत्यावश्यक ग्रिड स्थिरीकरण सेवा प्रदान करते.

अत्यंत प्रभावी असूनही, PHS भौगोलिकदृष्ट्या मर्यादित आहे, ज्यासाठी महत्त्वपूर्ण जमीन क्षेत्र आणि योग्य उंचीतील फरक, तसेच मोठ्या प्रमाणात पाण्याची उपलब्धता आवश्यक आहे.

२. प्रगत भूमिगत गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण (AUGES)

AUGES प्रणाली भूमिगत शाफ्ट आणि क्रेनचा वापर करून जड वजन उचलण्यासाठी आणि खाली करण्यासाठी करते, जे सामान्यतः वाळू, खडी किंवा खास डिझाइन केलेल्या काँक्रीट ब्लॉक्ससारख्या सामग्रीचे बनलेले असते. या प्रणाली PHS च्या भौगोलिक मर्यादांवर मात करण्यासाठी डिझाइन केल्या आहेत.

अनेक कंपन्या सक्रियपणे AUGES तंत्रज्ञान विकसित करत आहेत. उदाहरणार्थ, एनर्जी वॉल्ट (Energy Vault) कंपोझिट ब्लॉक्स आणि खास डिझाइन केलेल्या क्रेनचा वापर करून ब्लॉक्स उचलते आणि खाली करते, आवश्यकतेनुसार ऊर्जा साठवते आणि सोडते. ग्रॅव्हिट्रिसिटी (Gravitricity) द्वारेही असाच दृष्टिकोन स्वीकारला जात आहे, जी वापरात नसलेल्या खाणींच्या शाफ्टमध्ये केबलद्वारे लटकवलेले जड वजन वापरते.

उदाहरण: स्कॉटलंडमधील एडिनबर्ग येथील ग्रॅव्हिट्रिसिटीच्या प्रात्यक्षिक प्रकल्पाने त्यांच्या प्रणालीच्या जलद प्रतिसाद क्षमतेचे प्रदर्शन केले, ज्यामुळे ग्रिड स्थिरीकरणासाठी त्याची क्षमता दिसून आली.

३. टॉवर-आधारित गुरुत्वाकर्षण साठवण

या दृष्टिकोनामध्ये उंच टॉवर बांधणे आणि क्रेन किंवा इतर उचलण्याच्या यंत्रणेचा वापर करून जड वस्तू उभ्या उचलणे आणि खाली करणे समाविष्ट आहे. टॉवरची उंची किती स्थितिज ऊर्जा साठवली जाऊ शकते हे ठरवते.

एआरईएस (Advanced Rail Energy Storage) ने एका प्रणालीचा प्रस्ताव दिला आहे ज्यात जड सामग्रीने भरलेल्या रेल्वे गाड्या एका उताराच्या ट्रॅकवरून वर आणि खाली जातात. गाड्या खाली उतरताना, त्या पुनर्योजी ब्रेकिंगद्वारे (regenerative braking) वीज निर्माण करतात.

उदाहरण: जरी मोठ्या प्रमाणातील टॉवर-आधारित GES प्रणाली अद्याप व्यापकपणे तैनात केल्या गेल्या नसल्या तरी, त्यांची व्यवहार्यता आणि कार्यप्रदर्शन सिद्ध करण्यासाठी अनेक प्रायोगिक प्रकल्प सुरू आहेत.

४. पाण्याखालील गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण

या संकल्पनेमध्ये ऊर्जा साठवण्यासाठी आणि सोडण्यासाठी बुडलेल्या वस्तूंच्या प्लावकतेचा (buoyancy) वापर करणे समाविष्ट आहे. पोकळ गोल किंवा इतर प्लावक रचना समुद्राच्या तळाशी नांगरलेल्या असतात. ऊर्जेच्या अतिरिक्ततेदरम्यान, गोलांमध्ये पाणी पंप केले जाते, ज्यामुळे त्या बुडतात आणि स्थितिज ऊर्जा साठवतात. ऊर्जा सोडण्यासाठी, पाणी बाहेर पंप केले जाते आणि प्लावक शक्ती गोलांना उचलते, ज्यामुळे जनरेटर चालतो.

हे तंत्रज्ञान अजूनही विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात आहे, परंतु ते ऑफशोअर वातावरणात मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा साठवण्याची क्षमता प्रदान करते.

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवणुकीचे फायदे

GES इतर ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत अनेक आकर्षक फायदे देते:

• प्रमाणात बदल करण्याची क्षमता (स्केलेबिलिटी): GES प्रणाली लहान प्रमाणात वितरित ऊर्जा साठवणुकीपासून ते मोठ्या प्रमाणात ग्रिड स्थिरीकरणापर्यंतच्या विविध ऊर्जा साठवणुकीच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी तयार केल्या जाऊ शकतात.
• दीर्घ आयुष्य: GES प्रणालीमध्ये वापरलेले यांत्रिक घटक सामान्यतः मजबूत आणि टिकाऊ असतात, ज्यामुळे त्यांचे कार्यान्वयन आयुष्य ५० वर्षांपेक्षा जास्त असते.
• पर्यावरणपूरक: इतर ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत GES प्रणालींचा पर्यावरणावर तुलनेने कमी परिणाम होतो. त्या लिथियम किंवा कोबाल्टसारख्या दुर्मिळ सामग्रीवर अवलंबून नसतात आणि कार्यान्वयनादरम्यान हानिकारक उत्सर्जन करत नाहीत.
• उच्च कार्यक्षमता: GES प्रणाली इतर साठवण तंत्रज्ञानाच्या तुलनेत जास्त कार्यक्षमता प्राप्त करू शकतात, सामान्यतः ७०-८५% च्या श्रेणीत.
• जलद प्रतिसाद वेळ: काही GES डिझाइन्स, जसे की क्रेन किंवा जलद उचलण्याची यंत्रणा वापरणाऱ्या, ऊर्जेच्या मागणीतील बदलांना त्वरीत प्रतिसाद देऊ शकतात, ज्यामुळे त्या ग्रिड स्थिरीकरण सेवा प्रदान करण्यासाठी योग्य ठरतात.
• स्थानाची लवचिकता: जरी PHS भौगोलिकदृष्ट्या मर्यादित असले तरी, प्रगत GES डिझाइन्स शहरी भाग आणि ब्राऊनफील्ड साइट्ससह विविध ठिकाणी तैनात केल्या जाऊ शकतात.
• सेवामुक्त करण्याची सोय: त्यांच्या कार्यान्वयन आयुष्याच्या शेवटी, GES प्रणाली तुलनेने सहजपणे सेवामुक्त केल्या जाऊ शकतात, ज्यातील बहुतेक घटक पुनर्वापर करण्यायोग्य किंवा पुन्हा वापरण्यायोग्य असतात.

आव्हाने आणि विचार करण्याजोग्या गोष्टी

त्याच्या संभाव्यतेव्यतिरिक्त, GES ला अनेक आव्हानांचा सामना करावा लागतो ज्यांना व्यापक स्वीकृतीसाठी सामोरे जाणे आवश्यक आहे:

• उच्च प्रारंभिक गुंतवणूक खर्च: GES सुविधांचे बांधकाम भांडवल-केंद्रित असू शकते, विशेषतः मोठ्या प्रमाणातील प्रणालींसाठी.
• जमिनीचा वापर: डिझाइनवर अवलंबून, GES प्रणालींना महत्त्वपूर्ण जमीन क्षेत्राची आवश्यकता असू शकते, विशेषतः टॉवर-आधारित आणि ARES प्रणालींना. अगदी AUGES प्रणालींनाही शाफ्ट आणि संबंधित पायाभूत सुविधांसाठी जागेची आवश्यकता असते.
• पर्यावरणीय परिणाम मूल्यांकन: जरी GES सामान्यतः पर्यावरणपूरक मानले जात असले तरी, स्थानिक परिसंस्था आणि समुदायांवरील संभाव्य परिणाम कमी करण्यासाठी काळजीपूर्वक पर्यावरणीय परिणाम मूल्यांकन आवश्यक आहे. यामध्ये बांधकाम आणि कार्यान्वयनादरम्यान होणारे ध्वनी प्रदूषण, दृष्य परिणाम आणि अधिवासांच्या संभाव्य विघाडाचा विचार करणे समाविष्ट आहे.
• भूगर्भीय विचार: AUGES प्रणालींना भूमिगत शाफ्टची अखंडता सुनिश्चित करण्यासाठी स्थिर भूवैज्ञानिक रचनांची आवश्यकता असते. संभाव्य ठिकाणांची योग्यता तपासण्यासाठी तपशीलवार भूगर्भीय तपासणी आवश्यक आहे.
• ग्रिड कनेक्शन: GES प्रणालींना विद्यमान विद्युत ग्रिडमध्ये समाकलित करण्यासाठी मजबूत ग्रिड पायाभूत सुविधा आणि अत्याधुनिक नियंत्रण प्रणालींची आवश्यकता असते.
• कार्यक्षमतेतील घट: उचलण्याच्या आणि खाली करण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान, तसेच विद्युत आणि यांत्रिक ऊर्जेतील रूपांतरणादरम्यान ऊर्जेचे नुकसान होते. GES प्रणालींची एकूण कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी हे नुकसान कमी करणे महत्त्वाचे आहे.
• सार्वजनिक धारणा: कोणत्याही ऊर्जा पायाभूत सुविधा प्रकल्पाच्या यशस्वी तैनातीसाठी सार्वजनिक स्वीकृती आवश्यक आहे. दृष्य परिणाम, ध्वनी प्रदूषण आणि संभाव्य सुरक्षा धोक्यांबद्दलच्या चिंता दूर करणे सार्वजनिक समर्थन मिळवण्यासाठी महत्त्वाचे आहे.

जागतिक अनुप्रयोग आणि प्रकल्प

जगभरातील विविध देशांमध्ये GES एक व्यवहार्य ऊर्जा साठवण उपाय म्हणून महत्त्व मिळवत आहे. येथे काही उल्लेखनीय उदाहरणे आहेत:

• युनायटेड स्टेट्स: अनेक कंपन्या अमेरिकेत AUGES आणि ARES प्रणालींच्या विकासाचा शोध घेत आहेत, ज्यांचे लक्ष्य ग्रिड स्थिरीकरण आणि नवीकरणीय ऊर्जा एकत्रीकरण आहे.
• युनायटेड किंगडम: ग्रॅव्हिट्रिसिटी यूकेमध्ये आपल्या भूमिगत गुरुत्वाकर्षण साठवण तंत्रज्ञानाचा सक्रियपणे विकास करत आहे, वापरात नसलेल्या खाणींच्या शाफ्टमध्ये व्यावसायिक स्तरावरील तैनातीची योजना आहे.
• स्वित्झर्लंड: एनर्जी वॉल्ट, एक स्विस कंपनी, ने जागतिक स्तरावर गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण प्रणाली कार्यान्वित केल्या आहेत, ज्यामुळे त्यांच्या तंत्रज्ञानाची व्यवहार्यता दिसून येते.
• चीन: चीन, नवीकरणीय ऊर्जा उपयोजनात जागतिक नेता, आपल्या महत्त्वाकांक्षी डीकार्बनायझेशन ध्येयांना समर्थन देण्यासाठी GES सह विविध ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानाचा शोध घेत आहे.
• ऑस्ट्रेलिया: ऑस्ट्रेलियाची विशाल खाण पायाभूत सुविधा AUGES प्रणालींसाठी सोडून दिलेल्या खाण साइट्सचा पुनर्वापर करण्याची संधी देते.
• भारत: भारत आपल्या वेगाने वाढणाऱ्या नवीकरणीय ऊर्जा क्षमतेला समर्थन देण्यासाठी ऊर्जा साठवणुकीत सक्रियपणे गुंतवणूक करत आहे. GES ग्रिड संतुलित करण्यात आणि विश्वसनीय वीज पुरवठा सुनिश्चित करण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावू शकते.

ही केवळ काही उदाहरणे आहेत आणि GES प्रकल्पांचे जागतिक चित्र वेगाने विकसित होत आहे.

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवणुकीचे भविष्य

तंत्रज्ञान जसजसे प्रगत होत आहे आणि खर्च कमी होत आहे, तसतसे GES चे भविष्य आश्वासक दिसत आहे. अनेक प्रमुख ट्रेंड या तंत्रज्ञानाच्या विकासाला आकार देत आहेत:

• प्रगत साहित्य: उच्च-शक्तीचे कंपोझिट आणि हलके काँक्रीट यांसारख्या प्रगत साहित्याचा वापर GES प्रणालींचे वजन आणि खर्च कमी करू शकतो.
• ऑटोमेशन आणि रोबोटिक्स: ऑटोमेशन आणि रोबोटिक्स GES प्रणालींची कार्यक्षमता सुधारू शकतात आणि कार्यान्वयन खर्च कमी करू शकतात.
• कृत्रिम बुद्धिमत्ता आणि मशीन लर्निंग: AI आणि मशीन लर्निंग GES प्रणालींच्या कार्यान्वयनाला ऑप्टिमाइझ करू शकतात, त्यांची कार्यक्षमता आणि प्रतिसाद सुधारू शकतात.
• मानकीकरण आणि मॉड्युलरायझेशन: GES घटकांच्या डिझाइन आणि उत्पादनाचे मानकीकरण खर्च कमी करू शकते आणि उपयोजन सुलभ करू शकते.
• धोरणात्मक समर्थन: कर सवलती आणि अनुदानासारखी सरकारी धोरणे GES प्रणालींच्या उपयोजनाला गती देऊ शकतात.
• संशोधन आणि विकास: GES तंत्रज्ञानाचे कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी आणि खर्च कमी करण्यासाठी सतत संशोधन आणि विकास महत्त्वाचा आहे.

ऊर्जा साठवणुकीची मागणी वाढत असताना, GES शाश्वत ऊर्जा भविष्याकडे संक्रमणात अधिकाधिक महत्त्वाची भूमिका बजावण्यासाठी सज्ज आहे.

निष्कर्ष

गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा साठवण हे ऊर्जा साठवण क्षेत्रातील एक महत्त्वपूर्ण योगदान दर्शवते. गुरुत्वाकर्षणाच्या शक्तीचा वापर करून, या प्रणाली पारंपारिक ऊर्जा साठवण पद्धतींना एक शाश्वत, स्केलेबल आणि पर्यावरणपूरक पर्याय देतात. आव्हाने असली तरी, चालू असलेले तांत्रिक प्रगती, सहाय्यक धोरणे आणि स्वच्छ ऊर्जेची वाढती जागतिक मागणी जगभरात GES प्रणालींच्या विकासाला आणि उपयोजनाला चालना देत आहे. जग कार्बन-न्यूट्रल भविष्य साध्य करण्यासाठी प्रयत्नशील असताना, GES एक लवचिक आणि शाश्वत ऊर्जा पायाभूत सुविधांचा एक अविभाज्य घटक बनण्याची शक्यता आहे, जो येणाऱ्या पिढ्यांसाठी विश्वसनीय आणि परवडणारी ऊर्जा साठवण प्रदान करेल.

GES ची अनुकूलता, विशेषतः भूमिगत आणि टॉवर डिझाइनसह, पूर्वी पारंपारिक हायड्रो स्टोरेजसाठी अयोग्य असलेल्या प्रदेशांमध्ये अंमलबजावणी करण्यास परवानगी देते. ही लवचिकता जगभरातील विविध ऊर्जा ग्रिडमध्ये व्यापक स्वीकृती आणि एकत्रीकरणासाठी महत्त्वाची आहे. GES ची पूर्ण क्षमता उघड करण्यासाठी आणि सर्वांसाठी स्वच्छ, अधिक शाश्वत ऊर्जा भविष्यासाठी त्याचे योगदान सुनिश्चित करण्यासाठी पुढील संशोधन आणि गुंतवणूक आवश्यक आहे.