हवाई के आखिरी कोयला बिजलीघर की जगह लेने वाली विशाल बैटरी
(canarymedia.com)- Oahu पावर ग्रिड ने 1 सितंबर 2022 को आखिरी कोयला बिजलीघर बंद होने के साथ 180MW का fossil-fuel baseload power खो दिया, और Plus Power की Kapolei Energy Storage ने उस खाली जगह की अहम grid functions संभालनी शुरू की
- Kapolei, 158 Tesla Megapack से बना 185MW बैटरी सिस्टम है, जो कोयला बिजलीघर जैसी तात्कालिक output scale को 250 मिलीसेकंड की response speed के साथ उपलब्ध कराता है
- 565MWh storage capacity सीधे तौर पर कोयला बिजलीघर के पूरे power generation को replace करने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन यह अतिरिक्त renewable energy को store करके शाम की demand के समय supply करता है और curtailment को कम करता है
- Hawaiian Electric और Plus Power ने इसे synthetic inertia, fast frequency response, और black start capability के साथ डिज़ाइन किया, ताकि blackout के बाद grid को फिर से चालू करने में भी मदद मिल सके
- Kapolei, Oahu की peak capacity का लगभग 17% है, और यह एक वास्तविक उदाहरण है कि fossil-fuel plants की ज़रूरी grid services को clean power में कैसे बदला जा सकता है
कोयला बिजलीघर बंद होने से पैदा हुआ ग्रिड का खालीपन
- हवाई ने 1 सितंबर 2022 को अपना आखिरी कोयला बिजलीघर बंद कर Oahu पावर ग्रिड से 180MW स्तर की fossil-fuel baseload power हटा दी
- यह 2045 तक बिजली उत्पादन में fossil-fuel combustion बंद करने के हवाई के लक्ष्य की दिशा में एक कदम था
- बाकी चुनौती यह थी कि मौसम के अनुसार output बदलने वाले बड़े-छोटे renewable energy portfolio की ओर बढ़ते हुए भी grid reliability बनाए रखी जाए
Kapolei Energy Storage की संरचना और संचालन
- Plus Power द्वारा विकसित और स्वामित्व वाली Kapolei Energy Storage ने पश्चिमी Oahu के औद्योगिक क्षेत्र में Christmas से पहले commercial operation शुरू किया
- यह सिस्टम Hawaiian Electric के signal के अनुसार charge और discharge करता है
- यह 158 Tesla Megapack से बना है
- इसकी तात्कालिक discharge capacity 185MW है, जो पुराने कोयला बिजलीघर की grid में देने योग्य output के बराबर है
- इसका response time 250 मिलीसेकंड है, जो पारंपरिक fossil-fuel power plants से कहीं तेज है
- बैटरी नई बिजली पैदा नहीं करती, बल्कि grid से ली गई बिजली को ज़रूरत पड़ने पर वापस देती है
- आदर्श रूप से इसे उन घंटों में charge किया जाता है जब renewable energy generation पर्याप्त होती है
- शाम जैसे समय में, जब बिजली की ज़रूरत सबसे अधिक होती है, यह सस्ती और स्वच्छ बिजली वापस दे सकती है
देरी से हुआ निर्माण और कोयला-प्रतिस्थापन परियोजना
- Kapolei बैटरी मूल रूप से कोयला बिजलीघर के रिटायर होने से पहले चालू होने वाली थी
- COVID-19 ने पूरे grid battery industry की deliveries में बाधा डाली, और प्रशांत महासागर के बीच स्थित Kapolei की दूरस्थ लोकेशन ने मुश्किलें और बढ़ा दीं
- 2021 की गर्मियों में Plus Power को उम्मीद थी कि निर्माण 2022 के अंत तक पूरा हो जाएगा, लेकिन वास्तविक completion में एक साल और लग गया
- फिर भी Kapolei, कोयला बिजलीघर के generation को clean power से replace करने के लिए तय अन्य बड़े solar-battery projects से पहले grid से जुड़ गया
वे grid functions जो बैटरी ने सीधे संभाले
- पुराने कोयला बिजलीघर ने Oahu को तीन मुख्य चीजें दी थीं
- energy: वास्तविक बिजली मात्रा
- capacity: ज़रूरत के समय तुरंत उपलब्ध output
- grid services: grid को स्थिर रखने वाले functions
- Kapolei ने इनमें से capacity और grid services को सीधे replace किया
- यह कोयला बिजलीघर की अधिकतम output के बराबर nominal capacity देता है
- इसे इस तरह program किया गया है कि grid तय frequency range के भीतर चलता रहे, इसके लिए आवश्यक services दे सके
- अगर कोई दूसरा power plant अचानक बंद हो जाए या solar generation उपभोग से अधिक हो जाए, तो grid frequency तय सीमा से बाहर जा सकती है
- Kapolei पहली रक्षा पंक्ति के रूप में synthetic inertia से real-time deviations का जवाब देता है
- अगर स्थिति तय threshold से आगे बिगड़ती है, तो fast frequency response दूसरी रक्षा पंक्ति की तरह काम करता है
energy production में solar के साथ पूरक भूमिका
- Kapolei की storage capacity 565MWh है, जो कोयला बिजलीघर के energy production को सीधे replace करने के लिए पर्याप्त नहीं है
- इसके बजाय यह Oahu के सक्रिय solar sector के साथ काम करके कोयला बिजलीघर की energy role की भरपाई करता है
- Hawaiian Electric की modeling के अनुसार Kapolei Energy Storage पहले 5 साल में renewable energy curtailment को लगभग 69% तक कम कर सकता है
- output reduction: {p:69}
- इससे वह अतिरिक्त clean electricity, जो अन्यथा बर्बाद हो सकती थी, grid में जा सकती है
black start और restart में भूमिका
- Hawaiian Electric ने Kapolei में black start capability की भी मांग की
- अगर cyclone या earthquake जैसी आपदा से पूरा grid बंद हो जाए, तो उसे फिर से चालू करने के लिए बिजली स्रोत चाहिए होता है
- Kapolei बैटरी को इस उद्देश्य के लिए कुछ energy reserve में रखने के लिए program किया गया है
- Plus Power ने इस सुविधा को तीन अन्य power plants से जुड़े substation के पास स्थापित किया
- यह व्यवस्था इस तरह की गई कि बैटरी दूसरे power plants को “jump start” कर सके
हवाई ने बैटरियों को सौंपी बड़ी ज़िम्मेदारी
- हवाई बड़े पैमाने पर rooftop solar adoption और Kauai के पहले utility-scale solar-battery power plant जैसी पहलों के जरिए energy transition के अग्रणी उदाहरण पेश करता रहा है
- जब renewable energy की हिस्सेदारी बढ़ती है और fossil-fuel power plants की रिटायरमेंट एक सीमा से आगे जाती है, तब केवल wind, solar और battery जोड़ना पर्याप्त नहीं होता
- digital control inverter पर चलने वाली clean technologies को सिर्फ बिजली supply ही नहीं, बल्कि grid maintenance भी संभालना होगा
- अन्य क्षेत्रों में frequency services देने वाली batteries मौजूद हैं, और Kapolei से बड़ी batteries भी कुछ जगह हैं
- लेकिन Kapolei की तरह peak capacity, frequency response, synthetic inertia, और grid reboot functions को एक ही large-scale battery facility में जोड़ने के उदाहरण बहुत कम हैं
- अकेला Kapolei, Oahu की peak capacity का लगभग 17% है
- California की grid battery installations 5,000MW से ऊपर जा चुकी हैं, लेकिन यह पूरे राज्य की nominal grid capacity का लगभग 7.6% है
synthetic inertia क्यों महत्वपूर्ण है
- पारंपरिक power plants, turbine के rotational mass के जरिए inertia निष्क्रिय रूप से देकर grid frequency को स्थिर रखते हैं
- पहले power plant चलाने पर inertia अपने-आप मिल जाता था, इसलिए इसे अलग service की तरह परिभाषित और compensate करने की ज़रूरत कम थी
- आज के grids उस मॉडल की ओर बढ़ रहे हैं जिसमें renewable energy उपलब्ध होने पर सस्ती renewable power को अधिकतम किया जाता है, और कमी होने पर fuel जलाया जाता है
- thermal power plants को inertia देने के लिए घूमती अवस्था बनाए रखनी पड़ती है
- mainland में कभी-कभी ऐसी grid services के लिए पुराने coal plants चलते रखने हेतु renewable generation को curtail किया जाता है
- advanced batteries, inverter programming के जरिए inertia का synthetic version दे सकती हैं
- इससे अनावश्यक carbon emissions से बचते हुए अधिक किफायती विकल्प मिल सकता है
- ये अधिक तेज़ और सटीक प्रतिक्रिया देती हैं, इसलिए उन grids के लिए उपयुक्त हैं जहाँ renewable output में उतार-चढ़ाव अधिक होता है
clean power grid transition में इसकी जगह
- अमेरिका के दीर्घकालिक climate goals के लिए power grid से fossil fuels को चरणबद्ध तरीके से हटाना ज़रूरी है
- hydropower और nuclear, carbon emissions के बिना उपयोगी grid inertia देते हैं, लेकिन वे growth trajectory पर नहीं हैं
- Kapolei उन शुरुआती वास्तविक उदाहरणों में से एक है, जहाँ fossil-fuel power plants द्वारा दी जाने वाली महत्वपूर्ण grid functions को clean power facility में स्थानांतरित किया गया है
- Kapolei द्वारा दी गई इस प्रकार की grid services को लंबी अवधि में पूरे अमेरिका में विस्तार देना होगा
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
एक दिलचस्प बात यह है कि उस पुराने पावर प्लांट की exhaust cooling pipe समुद्र तक जाती थी, जिससे पानी का तापमान ज्यादा रहता था और समुद्री जीवों से भरपूर माहौल बनता था; यह diving और snorkeling spot के तौर पर भी मशहूर है। इसे Electric Beach भी कहा जाता है: https://www.snorkeling-report.com/spot/snorkeling-electric-b...
कई साल वहां रहते हुए मैंने snorkeling करने की कोशिश की, लेकिन डूबी हुई कृत्रिम संरचनाओं के डर की वजह से पानी में कुछ फीट से ज्यादा अंदर नहीं जा पाया। बड़ी और डरावनी-सी पाइप देखकर सच में डर गया था
https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fe...
लेख में कुछ रोचक आंकड़े थोड़े दबे हुए हैं, इसलिए संदर्भ के लिएまとめें तो storage capacity 565MWh, instantaneous output 185MW, और project financing 219 million dollars है
Hawaii में residential electricity rate करीब 0.415 dollars प्रति kWh है, जबकि US average लगभग 0.162 dollars है
https://www.energy-storage.news/global-bess-deployments-to-e...
जहां बिजली महंगी है, या जहां thermal generators की कमाई battery अपने हिस्से में ले सकती है, वहीं से शुरुआत करें तो economics बैठती है। grid ancillary services, synthetic inertia, black start जैसी क्षमताएं इसी में आती हैं, और battery costs घटने के साथ इसे धीरे-धीरे कम cost वाले segments तक फैलाया जा सकता है। इसे system-level पर सोचने की जरूरत है, जैसे thermal generators के running hours घटाकर उनकी economics कमजोर करना
battery होने पर उसे शाम जैसे बाद के समय इस्तेमाल किया जा सकता है, जिससे मौजूदा renewable energy installations का utilization बढ़ता है। home batteries और EV batteries भी जुड़ जाएं तो renewable generation बढ़ने और prices कम होने पर charge करने जैसी demand shifting भी संभव हो जाती है। अभी बड़े scale पर इसका इस्तेमाल नहीं हो रहा, लेकिन technically EVs भी grid को वापस बिजली supply कर सकते हैं
ऐसी batteries long-term storage के लिए नहीं, बल्कि grid stabilization और supply-demand के छोटे peaks और dips को संभालने के लिए होती हैं। coal और gas power plants के विपरीत ये milliseconds में react कर सकती हैं, और उस use case में cost-efficient भी हैं। coal/gas plant चालू करना महंगा और slow है, और बंद खड़े रहने पर भी cost आती है
भले ही कोई coal power plant तथाकथित baseload दे सकता था, यह बात तभी लागू होती है जब वह 24x365 लगातार चलता रहे। वास्तविकता में maintenance और repairs के कारण वह कई हफ्तों या महीनों तक बंद रह सकता है, और nuclear plants के साथ भी यही है; इसलिए यह मानकर चलना कि ऐसा नहीं होगा, अच्छी planning नहीं थी
आम तौर पर माना जाता है कि baseload की कमी पूरी करने के लिए long-term storage जरूरी है, लेकिन baseload भी तब तक काफी धुंधला concept है जब तक उसे GWh और GW में व्यक्त न किया जाए। Hawaii शायद दिखा रहा है कि जरूरी long-term storage कुछ लोगों की सोच से बहुत कम हो सकता है। समय के साथ वे wind, solar और batteries और जोड़ेंगे, लेकिन अगर modeling और review सही से हुआ है, तो मौजूदा configuration ही ठीक हो सकता है
long term में यह द्वीप की electricity rates को काफी कम कर देगा लगता है। solar capacity बढ़ाना coal power plant चलाते रहने से कहीं सस्ता है, और इस battery की वजह से ज्यादा solar लगाकर रात में इस्तेमाल किया जा सकता है। Hawaii में wind power कितनी है, मुझे नहीं पता, लेकिन जगह काफी windy लगती है
मज़े के लिए मैंने जिस Netherlands में रहता हूँ, उसकी योजना खोजी। 1.7 करोड़ आबादी वाले Netherlands समेत दुनिया भर की सरकारें आने वाले कुछ वर्षों में ग्रिड-स्केल बैटरियां लगाना शुरू करेंगी, क्योंकि इनके बिना renewable energy में transition व्यावहारिक रूप से मुश्किल है
Dutch सरकार ने 400 मिलियन यूरो आवंटित किए हैं, और इस राशि से 160MW~380MW लगाने की उम्मीद है। यह Hawaii battery power plant के 1~2 गुना आकार का है। लेकिन राष्ट्रीय transmission grid operator connection fees घटाकर 2030 तक नई battery capacity 2~5GW तक बढ़ाने की कोशिश कर रहा है, जो काफी बड़ा पैमाना है
लगता है लगभग हर जगह इसी तरह की नई installations होती रहेंगी
https://www.pv-magazine.com/2023/10/09/netherlands-allocates...
Netherlands में शायद wind supply मुख्य variable होगी, और आम तौर पर ऐसे मामलों में week-level storage चाहिए होता है। उस time range में अभी कौन-सी technology सबसे अच्छी है, यह मुझे ठीक से नहीं पता
शायद पहले वाला होने की संभावना ज़्यादा लगती है
दो दिन पहले तूफ़ान से कुछ generators को नुकसान पहुँचा, और battery level भी बहुत कम हो गया, जिससे पूरे द्वीप में बिजली की कमी के कारण rolling blackouts करने पड़े
https://www.hawaiianelectric.com/update-rolling-oahu-outages...
जीवाश्म ईंधन वाले power plant को renewable energy और batteries से बदलते समय मुख्य समस्या यह है कि ऐसा battery system मिले जो ऊर्जा को पर्याप्त लंबे समय तक स्टोर कर सके और जब अंधेरा हो और हवा न चल रही हो, तब solar और wind की जगह लेने लायक बड़ी capacity रखता हो
मैंने जो studies देखी हैं, उनमें ज़रूरी time shifting seasonal स्तर की थी, और ज़रूरी capacity cost के लिहाज़ से असहनीय निकली थी
शायद Hawaii के weather patterns इतने stable हों कि सहायक baseload generation capacity हटाई जा सके। article भी संकेत देता है कि coal plant की कुल capacity battery storage capacity से कहीं ज़्यादा थी
इसमें लिखा है, “565MWh storage capacity से battery coal plant के energy production को सीधे replace नहीं कर सकती…”, इसलिए इस transition से असल में capacity कितनी घटी, यह साफ़ नहीं है। article में शामिल न किए गए generation portfolio में दूसरे बदलाव भी हो सकते हैं
hydrogen बंद करने पर यह भी देख सकते हैं कि storage को सिर्फ batteries से संभालने पर cost कितनी बढ़ती है। Germany जैसी जगहों पर cost increase बड़ा है, और India जैसी जगहों पर लगभग नगण्य
अगर cost assumptions पसंद न आएँ, तो sources दिए गए हैं, इसलिए उन्हें adjust करके देख सकते हैं कि optimal solution कैसे बदलता है
जो समझना मुश्किल है, वह यह attitude है कि project पहले से सफलतापूर्वक चल रहा है, फिर भी लोग ज़बरदस्ती possibilities पकड़कर “अगर ऐसा हुआ तो” पूछते रहते हैं। और क्या देखना होगा, समझ नहीं आता। क्या 50 साल चलने के बाद मानेंगे
Tony Seba ने इस विषय पर कुछ presentations दिए हैं, और उनका तर्क है कि renewables इतने सस्ते हो रहे हैं कि इतनी अधिक capacity बनाई जा सकती है कि minimum production भी लगभग हर दिन की demand cover कर ले। लगता है वे reasonable grid upgrades भी assume करते हैं
Marc Z Jacobsen ने 100% renewable energy transition पर काफ़ी detailed research की है, और आम तौर पर technology improvement assume नहीं करते, इसलिए estimates conservative रहते हैं। मुझे याद नहीं कि उसमें seasonal storage की ज़रूरत बताई गई हो
ठंडे regions में waste incineration और district heating, geothermal district heating, और कुछ अतिरिक्त baseload के लिए nuclear power समाधान हो सकते हैं। Scandinavia में waste incineration आम होता जा रहा है, और Oslo के power plant की तरह उसके साथ carbon capture भी जोड़ा जा सकता है। UK, Sweden, Finland nuclear plants भी बना रहे हैं
carbon-free होने के लिए hydrogen, ammonia, electrofuels, biofuels, bio-oil और bio-coal बहुत बड़ी मात्रा में बनाने होंगे, यह भी ध्यान में रखना चाहिए। मैंने यह खबर भी देखी कि एक Danish company ने sewage sludge से bio-oil और coal efficiently बनाने वाले बड़े microwave reactor का commercial operation शुरू किया है
इन सभी समाधानों में काफ़ी storage capacity अंतर्निहित है। अगर बहुत अधिक hydrogen बनाया जाए, तो production side और consumption side दोनों पर buffer storage बनता है, और ज़रूरत पड़ने पर production को control भी किया जा सकता है
मौजूदा hydrogen power plants भी backup के लिए रहेंगे, ऐसा लगता है। Norway से Europe जाने वाली natural gas pipelines को gas से hydrogen में बदलने पर भी गंभीर चर्चा है। शुरुआत में carbon capture और storage से बने hydrogen का उपयोग, और बाद में offshore wind आधारित green hydrogen पर transition—इस तरह
offshore wind भी लगातार आम होता जा रहा है। बहुत बड़े offshore wind turbines बनाए जाएँ तो production काफ़ी stable होता है
इसलिए मुझे लगता है कि Northern Europe में solar+wind, Germany में दिखने जैसा, लगभग dead end है। सर्दियों में sunlight बहुत कम होती है, और लगभग बिना हवा वाले periods कई-कई हफ्तों तक चलते हैं; overcapacity strategy अपनाने के लिए शायद solar को करीब 10 गुना लगाना पड़े, और तब cost संभालना असंभव हो जाएगा
जिज्ञासा में खोजा तो पता चला कि अभी geothermal energy Hawaii की energy demand का 10–15% पूरा करती है। जगह volcanic activity वाली है, इसलिए लगता है इसे और बढ़ाया जा सकता है
तुलना करें तो Iceland में geothermal power electricity production का 50% से ज़्यादा है
फर्क physical/geological कारणों से है या किसी और वजह से, यह जानना चाहूँगा
कहा जाता है कि इस battery system के advantages/functions में से एक grid stabilization है, यानी rotating generators की inertia को replace करके stable 60Hz बनाए रखना। क्या इसका उपयोग power line frequency को और stable बनाने के लिए होगा, यह जानना चाहूँगा [1]
और क्या इससे power hum के आधार पर recording का समय estimate करना मुश्किल या असंभव हो सकता है [2]
[1]: http://leapsecond.com/pages/mains/
[2]: http://hummingbirdclock.info/about
battery यह function देती है या नहीं, यह तुरंत स्पष्ट नहीं है। कुछ projects में विशाल flywheel और motor-generator लगाए जा रहे हैं, और मैंने सुना है कि retired power plants को idle-running state में चलाया भी जाता है। बाद वाला active power/reactive power control की वजह से भी हो सकता है
जानना चाहूँगा कि ये चीज़ें सिर्फ battery से lower-tech alternatives हैं, या rotating generators में ही ऐसे गुण होते हैं जिन्हें reproduce करना मुश्किल है
मुझे लगा था कि Hawaii ज़्यादातर डीज़ल पर चलता है
https://www.eia.gov/state/?sid=HI#tabs-4
लगता है 2021 में ऊर्जा खपत में कोयले की हिस्सेदारी करीब 12% थी। यह अच्छा बदलाव तो है, लेकिन Hawaii में बेहद गंदे और महंगे बिजली स्रोतों को पूरी तरह हटाने के लिए अभी लंबा रास्ता बाकी है
ग्रिड-स्टोरेज बैटरियां आज न सिर्फ संभव हैं, बल्कि लागत के लिहाज़ से भी बहुत आकर्षक हैं। हालांकि वजह वह नहीं है जो आम तौर पर सोची जाती है। यह अतिरिक्त ग्रीन बिजली को फेंकने की जगह के तौर पर इस्तेमाल करने के लिए नहीं, बल्कि पीक पावर प्लांट की ज़रूरत घटाने के लिए है
बिजली उत्पादन में आम तौर पर बेसलोड प्लांट होते हैं, जो हमेशा चालू रहते हैं, और पीक प्लांट होते हैं, जिन्हें मांग ज़्यादा होने पर चालू किया जा सकता है। पीक प्लांट में प्रति यूनिट उत्पादित बिजली की लागत कहीं ज़्यादा होती है और वे ईंधन भी कहीं ज़्यादा जलाते हैं। इसलिए ग्रिड-स्टोरेज सिस्टम 100% fossil-fuel ग्रिड पर भी मायने रख सकते हैं
बड़ा अपवाद वह स्थिति है जहां जलविद्युत बहुत ज़्यादा हो। जलविद्युत में टर्बाइन से ज़्यादा पानी बहाकर इसे पीक प्लांट की तरह चलाया जा सकता है, इसलिए ग्रिड स्टोरेज का असर कम हो जाता है। हालांकि यह हाइड्रो प्लांट और ग्रिड की विशेषताओं पर निर्भर करता है, और बहुत जलविद्युत होने पर भी कई बार यह फिर भी मायने रखता है
https://en.wikipedia.org/wiki/Peaking_power_plant
फ़्रीक्वेंसी रेगुलेशन ऐसा क्षेत्र है जिसमें ग्रिड-स्टोरेज बैटरियां खास तौर पर अच्छी होती हैं, और इसे मौजूदा पावर प्लांट से हासिल करना बहुत महंगा हो सकता है
https://en.wikipedia.org/wiki/Ancillary_services_(electric_p...
बेशक समझौता यह है कि ग्रिड स्टोरेज बनाने के लिए शुरुआती पूंजी निवेश बहुत अधिक चाहिए
यह निंदक लग सकता है, लेकिन मुझे लगता है कि तकनीक और सप्लाई चेन बनाए रखने के लिए हर राज्य को कम-से-कम 1 कोयला बिजलीघर स्थायी रूप से चलाना चाहिए। कोयला अमेरिका के सबसे प्रचुर प्राकृतिक संसाधनों में से एक है। राष्ट्रीय आपातकाल में हमें उस पर निर्भर हो सकना चाहिए, और अगर हम खुद को बंद गली में धकेल दें तो ऐसा नहीं कर पाएंगे
सौर ऊर्जा उत्पादन आम तौर पर कुछ विशाल कोयला बिजलीघरों की तुलना में कहीं ज़्यादा वितरित होता है
सिर्फ सौर को ही देखें तो भी, और पवन, तरंग, भू-तापीय वगैरह मिलाकर बिजली बनाने के तरीके और भी हैं। यही विविधीकरण है, और इसकी रक्षा करना भी शायद आसान होगा
मेरे हिसाब से किसी एक बिजली स्रोत पर निर्भर होना ही खुद को बंद गली में धकेलकर उसका पेंट पीने जैसा है
हो सकता है यह पहली बार नहीं है जब मुख्यभूमि ने किसी क्षेत्र पर बोझिल मांगें थोपी हों। Jones Act याद आता है
https://www.hawaiianelectric.com/clean-energy-hawaii/our-cle...