गुरुत्वाकर्षण बैटरी

एक गुरुत्वाकर्षण बैटरी एक प्रकार का बिजली भंडारण उपकरण है जो गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा को संग्रहीत करता है, गुरुत्वाकर्षण के कारण ऊंचाई में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होने वाली वस्तु में संग्रहीत ऊर्जा, जिसे स्थितिज ऊर्जा भी कहा जाता है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए एक द्रव्यमान को बढ़ाने के लिए ग्रिड से अतिरिक्त ऊर्जा का उपयोग करके काम करती है, जिसे बाद में विद्युत जनित्र के माध्यम से संभावित ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने के लिए छोड दिया जाता है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी से उत्पन्न ऊर्जा संधारणीय ऊर्जा का एक रूप है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी का एक रूप वह है जो एक द्रव्यमान को कम करता है, जैसे कि कंक्रीट का एक ब्लॉक, बिजली उत्पन्न करने के लिए। पंप-भंडारण पनबिजली में सबसे सामान्य गुरुत्वाकर्षण बैटरी का उपयोग किया जाता है, जहां ऊर्जा को भंडार करने के लिए पानी को अधिक ऊंचाई तक उत्तेजित किया जाता है और बिजली उत्पन्न करने के लिए पानी के टर्बाइनों के माध्यम से विमुक्त कर दिया जाता है।

विकास
शक्ति यांत्रिक गति के लिए गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करने वाले उपकरण का सबसे पहला रूप पेंडुलम घड़ी थी, जिसका आविष्कार 1656 में क्रिस्टियान ह्यूजेंस द्वारा किया गया था। घड़ी को एक भागने के तंत्र का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण के बल द्वारा संचालित किया गया था, जिसने आगे और पीछे की ओर बढ़ने के लिए एक पेंडुलम बना दिया। तब से, गुरुत्वाकर्षण बैटरी उन प्रणालियों में उन्नत हो गई है जो गुरुत्वाकर्षण की शक्ति का उपयोग कर सकते हैं और इसे बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण के लिए बिजली में बदल सकते हैं।

पहला गुरुत्व आधारित पंप-भंडारण हाइड्रोविद्युतिटी (PSH) प्रणाली 1907 में स्विट्जरलैंड में विकसित की गई थी। 1930 में, कनेक्टिकट विद्युत तथा बिजली कंपनी द्वारा पंप-भंडार संयुक्त राज्य अमेरिका में आया था। 2019 तक, PSH के लिए कुल विश्व क्षमता 168 GW (गीगावाट) है। संयुक्त राज्य अमेरिका में PSH से 23 GW क्षमता है, जो ऊर्जा आपूर्ति प्रणाली के लगभग 2% और US में उपयोगिता-पैमाने पर 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 कार्यकरण आदिप्ररूप विकसित किया, जो एक छोटे पैमाने की गुरुत्वाकर्षण बैटरी है जो अब कुछ देशों में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है।

ऊर्जा 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 आदिप्ररूप ने 80 मेगावाट घंटे की क्षमता वाले 35 टन कंक्रीट ब्लॉकों को स्थानांतरित करने के लिए 110 मीटर ऊंचे टॉवर पर छह क्रेन का उपयोग किया।

ग्रेविट्रिकिटी, 2011 में पीटर फ्रेंकेल (समुद्री इंजीनियर) द्वारा स्थापित किया गया था, स्कॉटलैंड के पास 15-मीटर 250-किलोवाट गुरुत्वाकर्षण बैटरी आदिप्ररूप का निर्माण किया, जिसने अप्रैल 2021 में परीक्षण संचालन और ग्रिड-संयोजन प्रारंभ किया।

तंत्र और भाग
गुरुत्वाकर्षण बैटरियों में अलग-अलग डिज़ाइन और संरचनाएँ हो सकती हैं, लेकिन सभी गुरुत्व बैटरी ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भौतिकी के समान गुणों का उपयोग करती हैं। गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा समीकरण द्वारा व्यक्त पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण की विपरीत दिशा में किसी वस्तु को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक कार्य है

$$U = mgh$$

जहां U गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा है, m वस्तु का द्रव्यमान है, g गुरुत्वाकर्षण (पृथ्वी पर 9.8 m/s2) के कारण वस्तु का त्वरण है, और h वस्तु की ऊँचाई है। कार्य-ऊर्जा सिद्धांत का उपयोग करते हुए, उत्पन्न ऊर्जा की कुल मात्रा को समीकरण द्वारा व्यक्त की जा सकती 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 विस्थापित होता है, या उठाया, गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जो बिजली में परिवर्तित हो जाती है। गुरुत्वाकर्षण बैटरी एक पंप, सारस या मोटर का उपयोग करके एक द्रव्यमान को एक निश्चित ऊंचाई तक उठाकर गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा को संग्रहित करती है। द्रव्यमान उठाने के बाद, यह अब वस्तु के द्रव्यमान के आधार पर एक निश्चित गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा को संग्रहीत करता है और इसे कितना ऊंचा उठा लिया गया था। संग्रहीत गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा को फिर बिजली में स्थानांतरित किया जाता है। द्रव्यमान को अपनी मूल ऊंचाई पर वापस गिरने के लिए उतारा जाता है, जो एक जनित्र को घूमने और बिजली बनाने का कारण बनता है।

बड़े पैमाने पर
पंप-भंडारण पनबिजली (PSH) ग्रिड-ऊर्जा भंडारण का सबसे व्यापक रूप से उपयोग 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 ऊर्जा बनाने के लिए टर्बाइनों के माध्यम से जारी किया जा सकता है। एक वैकल्पिक पीएसएच प्रस्ताव एक स्वामित्व उच्च घनत्व वाले तरल का उपयोग करता है, जो पानी की तुलना में $2 1/2$ गुना अधिक सघन है, जिसके लिए एक छोटे सिर (ऊंचाई) की आवश्यकता होती है और इस प्रकार आवश्यक अवसंरचना के आकार और लागत में कमी आती है।

ऊर्जा-भंडारण-दर-रेल एक अवधारणा है जहां कम ऊर्जा की मांग के समय भारी ट्रेन कारों को चलाने के लिए चलाने के लिए अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। संभावित ऊर्जा को बाद में पुनर्योजी ब्रेकिंग का उपयोग करके जारी किया जाता है क्योंकि वे अधोगामी रोल करते हैं, एक गुरुत्वाकर्षण बैटरी के रूप में कार्य करते हैं। ग्रैविटीलाइन नामक एक उपयोगिता पैमाने (50 मेगावाट) की सुविधा अक्टूबर 2020 में एडवांस्ड रेल ऊर्जा भंडारण द्वारा निर्माण प्रारंभ किया गया था, जो कि पहरंप घाटी, नेवादा में गेमबर्ड पिट बजरी खदान में स्थित है, और पूरी क्षमता से 15 मिनट तक की सेवा देने की योजना है।

लिफ्ट नवीकरणीय ऊर्जा गुरुत्वाकर्षण बैटरी के एक रूप का उपयोग करती है। ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए, उत्प्लावक गैस पात्र को विंच द्वारा पानी में नीचे खींचा जाता है, जो पानी सैकड़ों मीटर की दूरी पर होता है। इसके बाद चक्र को उल्टा कर दिया जाता है और गैस पात्र के ऊपर उठने पर बिजली उत्पन्न होती है। अपेक्षाकृत कम अवसंरचना की आवश्यकता होती है, बैटरी को प्रमुख जनसंख्या केंद्रों के पास रखा जा सकता है, पूर्ण चक्र दक्षता 85+% है, और प्रणाली को GWh पैमाने पर बनाया जा सकता है।

भारित भार भंडारण (LWS) तकनीक यांत्रिक रूप से ठोस वजन को लंबवत रूप से उठाने के लिए अधिशेष ऊर्जा का उपयोग करती है, सामान्यतः एक घिरनी प्रणाली पर। जब अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो द्रव्यमान को कम किया जाता है, और घिरनी एक जनित्र को घुमाती है।

एनर्जी वॉल्ट 32-टन कंक्रीट ब्लॉकों से निर्मित एक टॉवर का उपयोग करके एक LWS प्रणाली डिजाइन कर रहा है, जो 120-मीटर क्रेन के साथ स्टैक किया गया है। एक वाणिज्यिक इकाई से 20 MWh ऊर्जा की उम्मीद की जाती है, या एक दिन में 2,000 स्विस घरों को बिजली देने के लिए पर्याप्त है।

एक भूमिगत शाफ्ट में गुरुत्वाकर्षण की LWS प्रणाली 500 से 5000 टन के वजन को उठाने के लिए एक विद्युत घिरनी का उपयोग करती है, जो जब कम हो जाती है, तो घिरनी मोटर को जनित्र के रूप में बदल देती है। प्रणाली 10 MWh उत्पन्न करती है, जो दो घंटे के लिए 13,000 घरों को बिजली देने के लिए पर्याप्त है। बिजली के एक छोटे से विस्फोट के लिए वजन भी जल्दी से गिराया जा सकता है।

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

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

पंप किए गए भंडारण पनबिजली की लागत $165/kWh को संचालित करने के लिए $0.17/kWh की एक स्तर की लागत (LCOS) के साथ संचालित करने के लिए है।  PSH प्रणाली के पंप और टर्बाइन 90% दक्षता तक संचालित होते हैं।

ग्रेविट्रिकिटी के 250 kW प्रदर्शनकारी $1.25 मिलियन होने की उम्मीद है, जो 50 साल के जीवनकाल और 80-90% की दक्षता का वादा करता है। प्रस्ताव की 2018 की तुलनात्मक समीक्षा विस्तारित जीवनकाल और बिजली से ऊर्जा लागत अनुपात को देखते हुए अनुकूल थी।

गुरुत्वाकर्षण बैटरी सौर और पवन को अधिक व्यवहार्य बना सकती हैं क्योंकि वे व्यस्ततम समय के अतिरिक्त ऊर्जा को संग्रह कर सकती हैं और बाद में जरूरत पड़ने पर इसे वितरित कर सकती हैं।

पर्यावरणीय प्रभाव
गुरुत्वाकर्षण बैटरियों को नवीकरणीय ऊर्जा समाधानों के साथ जोड़े जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिनके स्रोत (सूर्य का प्रकाश, हवा, आदि) लगातार परिवर्तनशील होते हैं और जरूरी नहीं कि मांग के समान होते हों। यह आशा की जाती है कि रासायनिक बैटरियों की तुलना में बेहतर दीर्घकालिक लागत होगी, जबकि पंप-पानी के भंडारण जैसे अन्य पारंपरिक भंडारण समाधानों की तुलना में कम पर्यावरणीय मुद्दे होंगे। यह अनुमान लगाया गया है कि गुरुत्वाकर्षण बैटरी प्रणाली पीक खपत के समय जल्दी से बिजली प्रदान करने में सक्षम होगा जो उन्हें जीवाश्म ईंधन शिखरक विद्युत संयंत्र को पूरक या बदलने की अनुमति दे सकता है। एकल वजन प्रणालियों 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 भंडारण जलविद्युत में सबसे कम विद्युत धारा ऊर्जा लागत थी, यद्यपि लिथियम-आयन बैटरी को भविष्य में इससे आगे निकलने की उम्मीद है। पंप किए गए भंडारण जलविद्युत और अन्य लंबी अवधि के भंडारण विधियों को बैटरी प्रौद्योगिकी की तुलना में कम पर्यावरणीय और सुरक्षा जोखिम माना जाता है, जिसमें एकमात्र सीमित कारक भूविज्ञान है।

गुरुत्वाकर्षण (रासायनिक) बैटरी
1870 से 1930 तक, गुरुत्वाकर्षण बैटरी शब्द का उपयोग लोकप्रिय बैटरी प्रकारों के एक 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।