^{छायाचित्र : सिक्कीम येथे स्थापन करण्यात आलेली सौर पॅनल्स  (श्रेय : प्रा. प्रकाश सी घोष, आयआयटी मुंबई)}

एप्रिल २०२१ मध्ये, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील ऊर्जा विज्ञान व अभियांत्रिकी विभागातील संशोधकांच्या गटाने सिक्कीममधील लष्करी तळासाठी ५० किलोवॅट 'पीक' पॉवर क्षमतेचे सौर मायक्रोग्रिड बसवले. अक्षय ऊर्जा स्रोतांच्या विकासासाठी भारत अनेक महत्त्वाकांक्षी योजना आखत आहे. या उद्दिष्टाच्या दिशेने उचललेले एक पाऊल म्हणजे मिशन इनोव्हेशन इंडिया ही योजना. मायक्रोग्रिडसाठी अनुकूल शाश्वत ऊर्जा साठवण प्रणाली (SENSUM) हा प्रकल्प या योजनेअंतर्गत सुरु असून सुमारे ९५ लाखाच्या या प्रकल्पास भारत सरकारच्या विज्ञान व तंत्रज्ञान विभागाने अर्थसहाय्य दिले आहे. 

प्रा. प्रकाश सी. घोष यांच्या नेतृत्वाखाली सुरु असलेल्या या प्रकल्पामध्ये प्रथमच समुद्रसपाटीपासून १७००० फुटांवर असलेल्या ठिकाणी सौर मायक्रोग्रिड बसवण्यात आले आहे. या मायक्रोग्रिडमध्ये ऊर्जा साठवण्यासाठी व्हॅनॅडियम रेडॉक्स फ्लो बॅटरी (VRBF) आणि हायड्रोजन फ्युएल सेल्स (हायड्रोजन इंधन विद्युत घट) असलेली हायब्रिड ऊर्जा साठवण प्रणाली वापरण्यात आलेली आहे. तूर्तास, या मायक्रोग्रिडद्वारे निर्मित ऊर्जेमुळे, एरवी येथे होणारा ३० केव्हीएच्या डिझेल जनित्राचा वापर कमी होण्यास मदत होते आहे. भविष्यात अधिक स्वच्छ आणि पर्यावरणस्नेही ऊर्जा स्रोत निर्माण करण्याच्या दिशेने होणारी ही वाटचाल आशादायी आहे.

उंचसखल प्रदेश, विरळ प्राणवायू आणि अनिश्चित हवामान अशी अनेक आव्हाने पेलत प्रा. घोष यांच्या संघाने या ठिकाणी मायक्रोग्रिड बसवण्याचे काम पूर्ण केले. क्रेनसारखी उपकरणे उपलब्ध नसताना देखील प्रकल्पातील अवजड साधने इतक्या उंचीवर वाहून नेणे हे एक विशेष मोठे आव्हान होते असे ते सांगतात.   ते म्हणतात, “शिवाय, हे सर्व काम पूर्ण करण्यासाठी आमच्या हातात पावसाळ्यापूर्वीचे केवळ दोन महिने होते. कारण पावसाळा सुरू झाल्यावर या साईटपर्यंत पोहोचण्याचा मार्ग बंद होऊन जातो.”

सौर मायक्रोग्रिड

मायक्रोग्रिड हे वीजपुरवठा करणाऱ्या प्राथमिक ग्रिडसाठी बॅकअप म्हणून काम करते. जेव्हा विजेची कमतरता, तूट, दुरुस्ती इत्यादी कोणत्याही कारणाने मुख्य वीजपुरवठा खंडित होतो तेव्हा मायक्रोग्रिडद्वारे वीजपुरवठा सुरु होतो. एरवी बॅकअपसाठी वापरले जाणारे जनित्र संच डिझेलवर चालतात. परंतु, मायक्रोग्रिड सौर ऊर्जा किंवा पवन ऊर्जा यांसारख्या अक्षय ऊर्जास्रोतांद्वारे वीज निर्मिती करते. सिक्कीम येथील लष्करी तळासारख्या दुर्गम ठिकाणी मुख्य वीजपुरवठ्याचा तुटवडा असल्याने, अशा ठिकाणची विजेची मागणी पूर्ण करण्यासाठी मायक्रोग्रिड हा एक आकर्षक आणि शाश्वत विकासाभिमुख पर्याय आहे.     

सौर मायक्रोग्रिडमध्ये सौर पॅनल, फोटोव्होल्टाइक सेल्स (प्रकाशव्होल्टीय घट)आणि ऊर्जा साठवणासाठी अनुकूल बॅटरी यांचा समावेश असतो. फोटोव्होल्टाइक सेल्सद्वारे सौर ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर केले जाते. या विद्युत ऊर्जेद्वारे वापरासाठी वीज पुरवली  जाते आणि बॅटरी चार्ज केल्या जातात. ही ऊर्जा बॅटरीमध्ये विद्युतरासायनिक स्वरूपात साठवली जाते. रात्री किंवा ढगाळ हवामान असताना, म्हणजेच सौर ऊर्जा उपलब्ध नसताना बॅटरीमधील साठवलेली ऊर्जा वापरली जाऊ शकते. 

वर्षातील सुमारे ३०० दिवस तिथे असणाऱ्या भरपूर सूर्यप्रकाशाचा ऊर्जानिर्मितीसाठी वापर करण्याच्या दृष्टीने संशोधकांनी या ठिकाणी ५० किलोवॅट 'पीक' पॉवर क्षमतेच्या फोटोव्होल्टाइक सेल्सचा वापर करण्याचा प्रस्ताव ठेवला. या प्रणालीमध्ये व्हॅनॅडियम रेडॉक्स फ्लो बॅटरी आणि हायड्रोजन स्टोरेज सेल्स वापरण्याची शिफारस होती. ही प्रणाली कोणत्याही हवामानाच्या स्थितीमध्ये या लष्करी तळास वीजपुरवठा करण्यास सक्षम आहे. प्रा. घोष म्हणतात, “या लष्करी तळाच्या ३० केव्हीए जनित्र संचाला हे मायक्रोग्रिड २० किलोवॅट/२०० किलोवॅट तास इतका बॅकअप देते.” 

व्हॅनॅडियम फ्लो बॅटरी का ?

विविध प्रकारच्या तंत्रज्ञानाचा वापर करणाऱ्या बॅटरी उपलब्ध असूनही, सध्या उदयोन्मुख असलेल्या व्हॅनॅडियम फ्लो बॅटरी या तंत्रज्ञानाचे अनेक दूरगामी फायदे आहेत. प्रा. घोष स्पष्ट करतात, “लेड-ॲसिड बॅटरीचे आयुष्य कमी असते आणि कमी तापमानात तिची क्षमता देखील खालावते. तसेच, मोठ्या प्रमाणात ऊर्जेची साठवण करण्यासाठी सुपरकपॅसिटर तितकेसे अनुकूल नाहीत. त्यामुळे आम्ही व्हॅनॅडियम फ्लो बॅटरी (VRFB) आणि फोटोव्होल्टाइक सौर सेल्स एकत्रितपणे वापरले. हा पर्याय अधिक विश्वासार्ह, किफायती, दीर्घकाळ चालणारा आणि अधिक बॅटरी लाईफ देणारा आहे.”

व्हॅनॅडियम फ्लो बॅटरीच्या गाभ्यामध्ये ऊर्जा संचयन करणाऱ्या दोन इलेक्ट्रोलाईटच्या (विद्युत अपघटनी) टाक्या असतात. या टाक्यांमध्ये रासायनिकदृष्ट्या सक्रिय असलेली, सल्फ्युरिक आम्ल मिश्रित व्हॅनॅडियम संयुगे (V⁴⁺ व V³⁺ आयन अवस्थेतील) असतात. आयनिक पडद्याने विलग केलेले २ भाग विद्युतरासायनिक सेल्समध्ये असतात. या भागांमध्ये विद्युतवाहक इलेक्ट्रोड असतात. या सेल्सच्या एका थरामधून इलेक्ट्रोलाईट पंप केले जातात.

चार्जिंगच्या प्रक्रियेदरम्यान, फोटोव्होल्टाइक सेल्स इलेक्ट्रोडमधून विद्युतप्रवाह पाठवतात. V⁴⁺ असलेले इलेक्ट्रोलाईट घन भाराच्या बाजूला शिरते आणि त्यातून एक इलेक्ट्रॉन कमी होऊन त्याचे ऑक्सिडीभवन होते (V⁵⁺). हा इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथातून (सर्कीट) प्रवास करून ऋण बाजूस पोहोचतो आणि V³⁺ आयनांद्वारे शोषून घेतला जातो व त्याचे V²⁺ मध्ये परिवर्तन होते. विलग करणाऱ्या पडद्यामुळे इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होणार नाहीत व त्यांचे उदासीनीकरण होणार नाही याची काळजी घेतली जाते. प्रा. घोष म्हणतात, “एकंदर, एकच सेल १.२६ व्होल्ट इतकी विद्युतगामक क्षमता निर्माण करतो.” या प्रकारे चार्जिंग सुरु राहते आणि टाक्यांमध्ये चार्ज संचयित होत जातो. प्रा. घोष म्हणतात की टाक्यांची एक जोडी ५० किलोवॅट तास इतकी ऊर्जा निर्माण करू शकते.

जेव्हा बॅटरीद्वारे ऊर्जा वापरासाठी दिली जाते तेव्हा याउलट प्रक्रिया घडते. V²⁺ द्वारे इलेक्ट्रॉन सोडले जाऊन त्याचे V3+ मध्ये परिवर्तन होते. आता ही व्युत्क्रमी (रिव्हर्स) धारा बॅटरीला जोडलेल्या विद्युतजोडणीमधून वापरली जाते आणि सेलच्या घन अग्राकडे पोहोचते. तेथे ती V⁵⁺ मध्ये घेतली जाते व तिचे  V⁴⁺ मध्ये परिवर्तन होते. या तंत्रामुळे VRFB मध्ये ऊर्जा संचयनाची प्रचंड क्षमता निर्माण होते. शिवाय ती ज्वालाग्राही नाही आणि दीर्घकाळ चालणारी आहे.  
 

^{प्रकल्पाची आकृती (श्रेय : प्रा. प्रकाश  सी. घोष, आय आय टी, मुंबई)}

प्रा. घोष पुढे म्हणतात, “रेडॉक्स बॅटरीचा आणखी एक फायदा म्हणजे त्यातील ऊर्जा आणि विद्युत क्षमता (किलोवॅट आणि किलोवॅट तास) वेगवेगळी करता येते. टाक्यांची क्षमता वाढवली (अधिक इलेक्ट्रोलाईट) तर ऊर्जा क्षमतेचा घटक वाढतो. याउलट, सेल्सच्या थरांची संख्या वाढवली तर जास्त निष्पन्न शक्ति (आऊटपुट पॉवर) मिळते.  

प्रकल्पाचे विनियोजन

नोव्हेंबर २०१९ मध्ये या प्रकल्पाचा पहिला टप्पा पार पडला. प्रथम, या डोंगराळ प्रदेशात मोठ्या संख्येने सौर पॅनल बसवता येतील असे सांगाडे उभारण्यात आले. योग्य आणि अनुकूल पद्धतीने उभारण्यात आलेल्या या रचनेची ऊर्जा निर्मिती क्षमता ५० किलोवॅट 'पीक' पॉवर इतकी होती. “मनुष्यबळ कमी असताना पावसाळ्याच्या आधी ही रचना उभारणे हे आमच्यासाठी सर्वात आव्हानात्मक काम होते,” असे प्रा. घोष यांनी सांगितले. काम करण्यासाठी पुढील अनुकूल कालावधी एप्रिल २०२० मध्ये होता. परंतु, वेगाने पसरणाऱ्या कोवीड महामारीमुळे प्रकल्पाचे वेळापत्रक पाळता आले नाही. त्यामुळे प्रकल्पाचा पुढील टप्पा नुकताच पूर्ण झाला आहे.   

पुढील टप्प्यात मायक्रोग्रिड सामावून घेण्याच्या दृष्टीने हायड्रोजन संचयन प्रणाली असलेले ५ किलोवॅट क्षमतेचे फ्युएल सेल बसवण्यात येणार आहेत. फ्युएल सेल ही आणखी एक किफायती प्रणाली आहे. यामध्ये बॅटरी चार्ज करण्यासाठी हायड्रोजनचा वापर केला जातो. खराब हवामान किंवा ऋतूनुसार वातावरणात होणाऱ्या बदलामुळे जर फ्लो बॅटरी पुरेशी ऊर्जा देऊ शकली नाही तर फ्युएल सेलचा वापर केला जाईल. फ्लो बॅटरी आणि फ्युएल सेल यांच्या संयुक्त ऊर्जा संचयनामुळे मायक्रोग्रिड वीजपुरवठ्याच्या दृष्टीने जास्त विश्वासार्ह होईल.  

प्रा. घोष स्पष्ट करतात की, “फ्युएल सेल कार्य करत असताना औष्णिक ऊर्जा देखील निर्माण होते. फ्युएल सेलने ~४५-५०% इतक्या विद्युत कार्यक्षमतेने काम करणे अपेक्षित आहे. म्हणजेच, उर्वरित (साधारण तेवढ्याच प्रमाणात) ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपात देखील निर्माण होते. या उष्णतेचा वापर फ्लो बॅटरीचे कार्यकारी तापमान विशिष्ट राखण्यासाठी आणि आसपासचा परिसर उबदार ठेवण्यासाठी करता येऊ शकतो.” याच पद्धतीचे मायक्रोग्रिड सिक्कीम पर्यटनासाठी देखील उपलब्ध करून देण्याचा संशोधक गटाचा मानस आहे.