कार्बन थर्मल बैटरियाँ अमेरिकी उद्योग के लिए चौबीसों घंटे सस्ती ऊर्जा का लक्ष्य बना रही हैं

कार्बन और ग्रेफाइट उत्पादों की प्रमुख निर्माता ग्राफटेक इंटरनेशनल एक थर्मल एनर्जी स्टोरेज डेवलपर के साथ मिलकर कार्बन-आधारित थर्मल बैटरियों पर काम कर रही है, जिनका उद्देश्य अमेरिकी उद्योग को चौबीसों घंटे, कम लागत वाली ऊर्जा उपलब्ध कराना है। इंटरेस्टिंग इंजीनियरिंग द्वारा रिपोर्ट किए गए इस प्रयास में ग्रेफाइट निर्माण के क्षेत्र के एक स्थापित नाम को भंडारण की उस श्रेणी के केंद्र में रखा गया है, जो भारी औद्योगिक भार के लिए पारंपरिक बैटरियों के विकल्प के रूप में बढ़ता ध्यान आकर्षित कर रही है।

आधार सिद्धांत सीधा है, भले ही इंजीनियरिंग न हो: जिस तरह लिथियम-आयन सेल रासायनिक अभिक्रियाओं में ऊर्जा संग्रहित करते हैं, उसके विपरीत एक थर्मल बैटरी ऊर्जा को एक ठोस माध्यम — इस मामले में कार्बन — के भीतर ऊष्मा के रूप में संग्रहित करती है और कारखाने को आवश्यकता पड़ने पर उस ऊष्मा को मुक्त करती है। उन कई औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए जो केवल बिजली के बजाय उच्च तापमान वाली ऊष्मा पर चलती हैं, यह दृष्टिकोण सीधे उस तरीके से मेल खाता है जिस तरह संयंत्र वास्तव में ऊर्जा की खपत करते हैं।

औद्योगिक ऊष्मा ही कठिन समस्या क्यों है

भारी उद्योग कार्बन उन्मूलन के लिए सबसे जिद्दी क्षेत्रों में से एक है, क्योंकि इसका बहुत कुछ यांत्रिक या विद्युत कार्य के बजाय ऊष्मा पर निर्भर करता है। गलाना, कैल्सीनेशन, सुखाना, क्योरिंग, रिफाइनिंग और रासायनिक प्रसंस्करण सभी निरंतर उच्च तापमान की मांग करते हैं, और इन तापमानों को प्रदान करने वाले उपकरण ऐतिहासिक रूप से दहन के आधार पर डिज़ाइन किए गए हैं।

इससे एक साथ दो समस्याएँ पैदा होती हैं। पहली उत्सर्जन है: जीवाश्म ईंधन से प्राप्त प्रक्रिया ऊष्मा औद्योगिक ऊर्जा उपयोग का एक बड़ा हिस्सा है और, परिणामस्वरूप, औद्योगिक कार्बन उत्पादन का भी। दूसरी अर्थव्यवस्था है। गैस से चलने वाली भट्टी को अस्थिर थोक बिजली कीमतों पर चलने वाली प्रणाली से बदलने से एक नई तरह का वित्तीय जोखिम पैदा होता है, क्योंकि संयंत्र की लागत संरचना अब इस बात पर निर्भर करती है कि वह बिजली कब खींचना चुनता है।

थर्मल बैटरियों को इस कड़ी को तोड़ने के तरीके के रूप में प्रस्तुत किया जा रहा है। यदि कोई सुविधा बिजली को तब अवशोषित कर सकती है जब वह सस्ती और प्रचुर हो — जिसमें उच्च नवीकरणीय उत्पादन की अवधि भी शामिल है — और फिर मांग पर संग्रहित ऊष्मा छोड़ सकती है, तो वह बिजली के लिए प्रीमियम कीमत चुकाए बिना लगातार चल सकती है। यही चौबीसों घंटे का मूल्य प्रस्ताव है जिसका ग्राफटेक और उसका साझेदार पीछा कर रहे हैं।

कार्बन-आधारित थर्मल बैटरी क्या करती है

इस डिज़ाइन में एक थर्मल बैटरी विद्युत इनपुट लेती है और उसे भंडारण माध्यम के भीतर ऊष्मा में परिवर्तित करती है। ऊष्मा को एक इंसुलेटेड पिंड में तब तक रखा जाता है जब तक प्रक्रिया को इसकी आवश्यकता न हो, जिस बिंदु पर इसे उच्च तापमान वाली तापीय ऊर्जा के रूप में पहुँचाया जाता है। इस क्रम में कुछ भी ईंधन आपूर्ति कार्यक्रम की रुक-रुक कर उपलब्धता पर निर्भर नहीं करता; बाधा यह बन जाती है कि भंडारण ब्लॉक कितनी ऊर्जा धारण कर सकता है और उसे कितनी कुशलता से पुनः प्राप्त किया जा सकता है।

कई विशेषताएँ कार्बन को उस भूमिका के लिए आकर्षक सामग्री बनाती हैं:

• उच्च तापमान सहनशीलता। कार्बन और ग्रेफाइट सामग्री औद्योगिक परिवेश में ठीक इसलिए उपयोग की जाती हैं क्योंकि वे संरचनात्मक अखंडता खोए बिना अत्यधिक ऊष्मा सहन करती हैं।
• तापीय प्रदर्शन। ग्रेफाइट ऊष्मा का प्रभावी संचालन करता है, जो भंडारण माध्यम को चार्ज करने और नियंत्रित दर पर ऊष्मा निकालने दोनों के लिए महत्वपूर्ण है।
• स्थापित आपूर्ति शृंखलाएँ। कार्बन और ग्रेफाइट पहले से ही इलेक्ट्रोड, भट्टी अस्तर और अन्य कठिन अनुप्रयोगों के लिए औद्योगिक पैमाने पर उत्पादित किए जाते हैं।
• लागत प्रोफ़ाइल। भंडारण माध्यम की अर्थव्यवस्था काफी हद तक इस पर निर्भर करती है कि कच्चा माल थोड़ी, सटीक-इंजीनियर मात्राओं के बजाय थोक में तैनात करने के लिए पर्याप्त सस्ता हो।

यही वे गुण हैं जो कार्बन-आधारित भंडारण को उस समस्या का एक विश्वसनीय उत्तर बनाते हैं जिसे केवल बैटरी रसायन विज्ञान औद्योगिक पैमाने पर आर्थिक रूप से हल करने में संघर्ष कर रहा है।

ग्राफटेक और एंटोरा की जोड़ी

इस सहयोग में ग्राफटेक की भूमिका निर्माण में निहित है। कंपनी बड़े पैमाने पर कार्बन और ग्रेफाइट उत्पाद बनाती है, जिसका अर्थ है कि वह भंडारण-सॉफ़्टवेयर या पावर-इलेक्ट्रॉनिक्स विशेषज्ञता के बजाय सामग्री उत्पादन और औद्योगिक प्रसंस्करण विशेषज्ञता लाती है। इसका साझेदार, थर्मल एनर्जी स्टोरेज कंपनी एंटोरा, बिजली को संग्रहित ऊष्मा में परिवर्तित करने और उसे औद्योगिक ग्राहकों को वापस पहुँचाने पर काम करती है।

श्रम का यह विभाजन बहुत कुछ बताता है। भारी उद्योग के लिए थर्मल भंडारण उतना ही सामग्री और निर्माण की चुनौती है जितना कि ऊर्जा-प्रौद्योगिकी की। ऐसा भंडारण बनाना जो एक चालू संयंत्र के भीतर रह सके, वर्षों के तापीय चक्रण को सह सके, और इतनी मात्रा में उत्पादित हो सके कि मायने रखे, उस तरह के भारी-औद्योगिक आपूर्ति आधार की मांग करता है जिसे ग्राफटेक पहले से संचालित करती है।

यह जोड़ी यह भी संकेत देती है कि डेवलपर्स मानते हैं कि बाज़ार किस ओर बढ़ रहा है: उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स या यात्री वाहनों की ओर नहीं, बल्कि उन औद्योगिक ग्राहकों की ओर जिनकी ऊर्जा मांग बड़ी, निरंतर और कार्बन उन्मूलन के लिए महँगी है।

चौबीसों घंटे ऊर्जा ही बिक्री का आकर्षण

इस संदर्भ में "चौबीसों घंटे" वाक्यांश का एक विशिष्ट अर्थ है। औद्योगिक सुविधाएँ तब नहीं रुकतीं जब सूरज डूब जाता है या जब पवन उत्पादन घट जाता है। ऐसी भंडारण प्रणाली जो केवल कुछ घंटों में ऊर्जा स्थानांतरित करती है, उनकी समस्या का समाधान नहीं करती। उद्योग को ऐसी राह चाहिए जिससे वह ऊर्जा तब खरीद सके जब वह सबसे सस्ती हो और फिर भी लगातार संचालित हो सके।

थर्मल बैटरियाँ खरीद के क्षण को उपयोग के क्षण से अलग करके इसे संबोधित करती हैं। बिजली कम-कीमत वाली अवधियों के दौरान खींची जा सकती है, ऊष्मा में परिवर्तित की जा सकती है, और तब तक रखी जा सकती है जब तक प्रक्रिया को इसकी आवश्यकता न हो। संयंत्र संचालकों के लिए, परिणाम एक अधिक पूर्वानुमेय लागत आधार और पूरी उत्पादन लाइन को पुनः डिज़ाइन किए बिना कम-कार्बन बिजली का उपयोग करने का मार्ग है।

ग्रिड-स्तर का तर्क भी है। बड़े औद्योगिक भार जो बिजली को लचीले ढंग से अवशोषित कर सकते हैं, बढ़ती परिवर्तनीय नवीकरणीय उत्पादन वाली प्रणाली के लिए उपयोगी हैं, क्योंकि वे आपूर्ति प्रचुर होने पर बिजली की खपत कर सकते हैं, बजाय पीक घंटों के दौरान दबाव बढ़ाने के। थर्मल भंडारण प्रभावी रूप से एक कारखाने को कठोर के बजाय एक लचीली संपत्ति में बदल देता है।

क्या देखना है

यह सहयोग एक विकास है जिसका अनुसरण किया जाना चाहिए, न कि कोई पूर्ण तैनाती की कहानी। प्रौद्योगिकी कैसा प्रदर्शन करेगी यह कई कारकों पर निर्भर करेगा जो परियोजनाओं के आगे बढ़ने के साथ स्पष्ट होते जाएँगे:

• संग्रहित ऊष्मा की प्रति इकाई लागत। थर्मल भंडारण जीवाश्म ईंधन से चलने वाली प्रक्रिया ऊष्मा को तभी विस्थापित करता है जब वितरित लागत प्रतिस्पर्धी हो।
• मौजूदा संयंत्रों के साथ एकीकरण। चालू औद्योगिक स्थलों में भंडारण को रेट्रोफिट करना प्रयोगशाला में इसे बनाने से अलग एक इंजीनियरिंग समस्या है।
• सामग्री की टिकाऊपन। बार-बार उच्च तापमान चक्रण के तहत लंबी सेवा आयु यह निर्धारित करती है कि अर्थव्यवस्था दशकों तक टिकती है या नहीं।
• निर्माण पैमाना। कार्बन और ग्रेफाइट उत्पादन क्षमता यह आकार देगी कि प्रौद्योगिकी कितनी जल्दी तैनात की जा सकती है।

ग्राफटेक के लिए, यह पहल एक सामग्री व्यवसाय को ऊर्जा संक्रमण में विस्तारित करती है, जहाँ ग्रेफाइट और कार्बन विशेषज्ञता का मूल्य पारंपरिक औद्योगिक ग्राहकों से परे है। अमेरिकी उद्योग के लिए, यह सस्ती, निरंतर, कम-कार्बन ऊष्मा को दीर्घकालिक आकांक्षा के बजाय एक व्यावहारिक विकल्प बनाने का एक और प्रयास है। अंतर्निहित दांव सरल है: यदि ऊष्मा को उतनी ही सस्ती दर पर संग्रहित किया जा सके जितनी सस्ती दर पर उत्पन्न किया जा सकता है, तो बिजली की कीमतों का समय यह तय करना बंद कर देता है कि अमेरिकी कारखाने कब चल सकते हैं।

यह लेख इंटरेस्टिंग इंजीनियरिंग की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।