गुरुत्वाकर्षण बैटरी

गुरुत्वाकर्षण बैटरी एक प्रकार का बिजली भंडारण उपकरण है जो गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा को संग्रहीत करता है, गुरुत्वाकर्षण के कारण ऊंचाई में परिवर्तन के परिणामस्वरूप वस्तु में संग्रहीत ऊर्जा, जिसे संभावित ऊर्जा भी कहा जाता है। एक ग्रेविटी बैटरी ग्रिड से अतिरिक्त ऊर्जा का उपयोग करके द्रव्यमान को गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए काम करती है, जिसे बाद में विद्युत जनरेटर के माध्यम से संभावित ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने के लिए गिरा दिया जाता है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी से उत्पन्न ऊर्जा स्थायी ऊर्जा का एक रूप है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी का एक रूप वह है जो बिजली उत्पन्न करने के लिए कंक्रीट के ब्लॉक जैसे द्रव्यमान को कम करता है। पंप-स्टोरेज पनबिजली में सबसे आम ग्रेविटी बैटरी का उपयोग किया जाता है, जहां ऊर्जा को स्टोर करने के लिए पानी को अधिक ऊंचाई तक पंप किया जाता है और बिजली उत्पन्न करने के लिए पानी के टर्बाइनों के माध्यम से छोड़ा जाता है।

विकास
एक उपकरण का सबसे पहला रूप जो यांत्रिक गति को शक्ति देने के लिए गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करता था, वह पेंडुलम घड़ी थी, जिसका आविष्कार 1656 में क्रिस्टियान ह्यूजेंस द्वारा किया गया था। घड़ी को गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा संचालित किया गया था, जिसमें एक पलायन तंत्र का उपयोग किया गया था, जिससे एक पेंडुलम आगे और पीछे चला गया। तब से, ग्रेविटी बैटरियां उन प्रणालियों में उन्नत हो गई हैं जो गुरुत्वाकर्षण की शक्ति का उपयोग कर सकती हैं और इसे बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए बिजली में बदल सकती हैं।

1907 में स्विट्ज़रलैंड में पहला गुरुत्वाकर्षण आधारित पंप-स्टोरेज हाइड्रोइलेक्ट्रिकिटी (PSH) सिस्टम विकसित किया गया था। 1930 में, कनेक्टिकट इलेक्ट्रिक एंड पावर कंपनी द्वारा पंप-स्टोरेज संयुक्त राज्य अमेरिका में आया। 2019 तक, PSH की कुल विश्व क्षमता 168 GW (गीगावाट) है। संयुक्त राज्य अमेरिका में PSH से 23 GW क्षमता है, जो ऊर्जा आपूर्ति प्रणाली का लगभग 2% और US में यूटिलिटी-स्केल ऊर्जा भंडारण का 95% है। गुरुत्वाकर्षण आधारित पंप-भंडारण बिजली वर्तमान में दुनिया में ग्रिड ऊर्जा भंडारण का सबसे बड़ा रूप है। 2012 में, मार्टिन रिडिफर्ड और जिम रीव्स ने गुरुत्वाकर्षण प्रकाश  का पहला कामकाजी प्रोटोटाइप विकसित किया, जो एक छोटे पैमाने की गुरुत्वाकर्षण बैटरी है जो अब कुछ देशों में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है। एनर्जी वॉल्ट, 2017 में स्थापित एक स्विस कंपनी, एक क्रेन का उपयोग करके बिजली का भंडारण करती है जो कंक्रीट के ब्लॉक को ऊपर और नीचे करती है। 2020 के अंत में, अर्बेडो-कास्टियोन में निर्मित एक प्रोटोटाइप ने 80 मेगावाट घंटे की क्षमता वाले 35 टन कंक्रीट ब्लॉक को स्थानांतरित करने के लिए 110 मीटर ऊंचे टॉवर पर छह क्रेन का इस्तेमाल किया। ग्रेविट्रिकिटी, जिसे 2011 में पीटर फ्रेंकेल (समुद्री इंजीनियर) द्वारा स्थापित किया गया था, ने एडिनबरा, स्कॉटलैंड के पास 15-मीटर 250-किलोवाट ग्रेविटी बैटरी प्रोटोटाइप बनाया, जिसने अप्रैल 2021 में परीक्षण संचालन और ग्रिड-कनेक्शन शुरू किया।

तंत्र और भाग
ग्रेविटी बैटरियों में अलग-अलग डिज़ाइन और संरचनाएँ हो सकती हैं, लेकिन सभी ग्रेविटी बैटरियाँ ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भौतिकी के समान गुणों का उपयोग करती हैं। गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा वह कार्य है जो किसी वस्तु को पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के विपरीत दिशा में ले जाने के लिए आवश्यक होता है, जिसे समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है

$$U = mgh$$ जहां U गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा है, m वस्तु का द्रव्यमान है, g गुरुत्वाकर्षण के कारण वस्तु का त्वरण है (9.8 m/s2 पृथ्वी पर), और h वस्तु की ऊँचाई है। कार्य-ऊर्जा सिद्धांत का उपयोग करते हुए, उत्पन्न ऊर्जा की कुल मात्रा को समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है

$$\Delta E=mg(h_1- h_2)$$ जहाँ E उत्पन्न ऊर्जा की कुल मात्रा है और h1 और h2 किसी वस्तु की प्रारंभिक और अंतिम ऊँचाइयों का प्रतिनिधित्व करते हैं। ऊर्जा का परिवर्तन सीधे द्रव्यमान के लंबवत विस्थापन से संबंधित होता है; जितना अधिक द्रव्यमान उठाया जाता है, उतना ही अधिक गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा संग्रहित होती है। ऊर्जा में परिवर्तन भी किसी वस्तु के द्रव्यमान से सीधे संबंधित होता है; द्रव्यमान जितना भारी होगा, ऊर्जा में परिवर्तन उतना ही बड़ा होगा।

गुरुत्वाकर्षण बैटरी में, एक द्रव्यमान को विस्थापित किया जाता है, या गुरुत्वाकर्षण क्षमता ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए उठाया जाता है जो बिजली में परिवर्तित हो जाती है। ग्रेविटी बैटरी एक पंप, क्रेन या मोटर का उपयोग करके एक द्रव्यमान को एक निश्चित ऊंचाई तक उठाकर गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा को संग्रहित करती है। द्रव्यमान को उठा लिए जाने के बाद, यह अब वस्तु के द्रव्यमान के आधार पर एक निश्चित गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा को संग्रहीत करता है और इसे कितना ऊपर उठाया गया था। संग्रहीत गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा को तब बिजली में स्थानांतरित किया जाता है। द्रव्यमान को उसकी मूल ऊंचाई पर वापस गिरने के लिए कम किया जाता है, जिससे जनरेटर घूमने लगता है और बिजली पैदा होती है।

बड़े पैमाने पर
पंप-स्टोरेज पनबिजली (PSH) ग्रिड-ऊर्जा भंडारण का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला और उच्चतम क्षमता वाला रूप है। पीएसएच में, पानी को एक निचले जलाशय से एक उच्च जलाशय में पंप किया जाता है, जिसे तब टर्बाइनों के माध्यम से ऊर्जा बनाने के लिए छोड़ा जा सकता है। एक वैकल्पिक पीएसएच प्रस्ताव एक मालिकाना उच्च घनत्व वाले तरल का उपयोग करता है, $2 1/2$ पानी से गुना सघन, जिसके लिए एक छोटे हाइड्रोलिक हेड (ऊंचाई) की आवश्यकता होती है और इस प्रकार आवश्यक बुनियादी ढांचे के आकार और लागत में कमी आती है। एनर्जी-स्टोरेज-बाय-रेल एक अवधारणा है जहां कम ऊर्जा की मांग के दौरान भारी रेल का डिब्बा ों को ऊपर की ओर चलाने के लिए अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। पुनरुत्पादक ब्रेक का उपयोग करके बाद में संभावित ऊर्जा जारी की जाती है क्योंकि वे गुरुत्वाकर्षण बैटरी के रूप में कार्य करते हुए डाउनहिल रोल करते हैं। ग्रैविटीलाइन नामक एक यूटिलिटी-स्केल (50 मेगावाट) सुविधा का निर्माण अक्टूबर 2020 में एडवांस्ड रेल एनर्जी स्टोरेज द्वारा शुरू किया गया था, जो नेवादा के पहरंप घाटी में गेमबर्ड पिट बजरी खदान में स्थित है, और पूरी क्षमता से 15 मिनट तक की सेवा देने की योजना है।. लिफ्ट रिन्यूएबल एनर्जी ग्रेविटी बैटरी के एक रूप का उपयोग करती है। ऊर्जा को स्टोर करने के लिए, उत्प्लावक गैस कंटेनरों को एक विंच द्वारा पानी में नीचे खींचा जाता है, पानी वास्तव में सैकड़ों मीटर ऊपर उठा लिया जाता है। इसके बाद चक्र को उल्टा कर दिया जाता है और गैस कंटेनरों के ऊपर उठने पर बिजली उत्पन्न होती है। अपेक्षाकृत कम बुनियादी ढांचे की आवश्यकता होती है, बैटरी को प्रमुख जनसंख्या केंद्रों के पास रखा जा सकता है, राउंड ट्रिप दक्षता 85+% है, और सिस्टम को GWh पैमाने पर बनाया जा सकता है।

लिफ्टेड वेट स्टोरेज (एलडब्ल्यूएस) तकनीक अधिशेष ऊर्जा का उपयोग यांत्रिक रूप से ठोस भार को लंबवत रूप से उठाने के लिए करती है, आमतौर पर एक चरखी प्रणाली पर। जब अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, द्रव्यमान कम हो जाता है, और चरखी एक जनरेटर को घुमाती है।

EnergyVault 120-मीटर क्रेन के साथ खड़ी 32-टन कंक्रीट ब्लॉक से बने टॉवर का उपयोग करके एक LWS सिस्टम डिज़ाइन कर रहा है। उम्मीद की जाती है कि एक वाणिज्यिक इकाई 20 MWh ऊर्जा का भंडारण करेगी, या एक दिन में 2,000 स्विस घरों को बिजली देने के लिए पर्याप्त होगी।

एक भूमिगत शाफ्ट में गुरुत्वाकर्षण की एलडब्लूएस प्रणाली 500 से 5000 टन वजन उठाने के लिए एक इलेक्ट्रिक चरखी का उपयोग करती है, जो कम होने पर चरखी मोटर को जनरेटर के रूप में बदल देती है। प्रणाली 10 मेगावाट घंटे उत्पन्न करती है, जो दो घंटे के लिए 13,000 घरों को बिजली देने के लिए पर्याप्त है। शक्ति के एक छोटे से विस्फोट के लिए वजन भी जल्दी से गिराया जा सकता है।

छोटा पैमाना
ग्रेविटीलाइट एक छोटा गुरुत्वाकर्षण-संचालित प्रकाश है जो मैन्युअल रूप से चट्टानों या रेत के एक बैग को ऊपर उठाकर संचालित होता है और फिर ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए इसे अपने आप गिरने देता है। यह उन लोगों के लिए एक विकल्प के रूप में डिज़ाइन किया गया है जिनके पास बिजली तक पहुंच नहीं है और आमतौर पर मिट्टी के तेल के लैंप पर निर्भर हैं, जो महंगे, खतरनाक और प्रदूषणकारी हैं।

अर्थशास्त्र और दक्षता
ग्रेविटी बैटरियों की लागत डिज़ाइन के अनुसार भिन्न होती है।

$0.17/kWh की स्तरीय भंडारण लागत (LCOS) के साथ, पंप किए गए भंडारण जलविद्युत की लागत $165/kWh है। PSH सिस्टम के पंप और टर्बाइन 90% दक्षता तक काम करते हैं। ग्रेविट्रिकिटी का 250 kW डेमोंस्ट्रेटर $1.25 मिलियन होने की उम्मीद है, जो 50 साल के जीवनकाल और 80-90% की दक्षता का वादा करता है। 2018 प्रस्ताव की तुलनात्मक समीक्षा विस्तारित जीवनकाल और बिजली से ऊर्जा लागत अनुपात को देखते हुए अनुकूल थी। ग्रेविटी बैटरी सौर और पवन को अधिक व्यवहार्य बना सकती हैं क्योंकि वे पीक आवर्स के दौरान अतिरिक्त ऊर्जा को स्टोर कर सकती हैं और बाद में जरूरत पड़ने पर वितरित कर सकती हैं।

पर्यावरणीय प्रभाव
ग्रेविटी बैटरियों को नवीकरणीय ऊर्जा समाधानों के साथ जोड़े जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है जिनके स्रोत (सूर्य का प्रकाश, हवा, आदि) अक्सर परिवर्तनशील होते हैं और जरूरी नहीं कि मांग के साथ मेल खाते हों। यह आशा की जाती है कि रासायनिक बैटरियों की तुलना में उनकी लंबी अवधि की लागत बेहतर होगी, जबकि अन्य पारंपरिक भंडारण समाधानों जैसे पंप-जल भंडारण की तुलना में कम पर्यावरणीय मुद्दे होंगे। यह अनुमान लगाया गया है कि ग्रेविटी बैटरी सिस्टम पीक खपत के दौरान जल्दी से बिजली प्रदान करने में सक्षम होंगे जो उन्हें जीवाश्म ईंधन शिखर बिजली संयंत्र  को पूरक या बदलने की अनुमति दे सकता है। सिंगल वेट सिस्टम से एक सेकंड से भी कम समय में पूर्ण बिजली उत्पादन प्राप्त करने में सक्षम होने की उम्मीद है।

कम कार्बन लंबी अवधि की ऊर्जा भंडारण विधियों में, पंप स्टोरेज हाइड्रोपावर की वर्तमान ऊर्जा लागत सबसे कम थी, हालांकि भविष्य में लिथियम-आयन बैटरी के इससे आगे निकलने की उम्मीद है। बैटरी तकनीक की तुलना में पम्प स्टोरेज हाइड्रोपावर और अन्य लंबी अवधि की स्टोरेज विधियों को कम पर्यावरणीय और सुरक्षा जोखिम माना जाता है, जिसमें एकमात्र सीमित कारक भूविज्ञान है।

गुरुत्वाकर्षण (रासायनिक) बैटरी
1870 से 1930 तक, ग्रेविटी बैटरी शब्द का उपयोग लोकप्रिय बैटरी प्रकारों के संग्रह का वर्णन करने के लिए किया गया था जहां गुरुत्वाकर्षण का उपयोग रासायनिक घटकों को उनके संबंधित घनत्वों के आधार पर अलग रखने के लिए किया गया था।