سپر کنڈکٹنگ میگنیٹک انرجی سٹوریج سسٹمز (SMES)

توانائی کا ذخیرہ ایک ایسا عمل ہے جو آلات یا فزیکل میڈیا کے ساتھ ہوتا ہے جو توانائی کو ذخیرہ کرتے ہیں تاکہ وہ بعد میں اسے موثر طریقے سے استعمال کر سکیں۔

توانائی ذخیرہ کرنے کے نظام کو مکینیکل، برقی، کیمیائی اور تھرمل میں تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ جدید توانائی ذخیرہ کرنے والی ٹیکنالوجیز میں سے ایک ایس ایم ای ایس سسٹمز ہیں — سپر کنڈکٹنگ مقناطیسی توانائی کا ذخیرہ (سپر کنڈکٹنگ مقناطیسی توانائی ذخیرہ کرنے والے نظام)۔

سپر کنڈکٹنگ میگنیٹک انرجی سٹوریج (SMES) سسٹمز توانائی کو مقناطیسی میدان میں ذخیرہ کرتے ہیں جو ایک سپر کنڈکٹنگ کوائل میں براہ راست کرنٹ کے بہاؤ سے پیدا ہوتا ہے جسے کرائیوجینک طور پر اس کے اہم سپر کنڈکٹنگ درجہ حرارت سے کم درجہ حرارت پر ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ جب سپر کنڈکٹنگ کوائل کو چارج کیا جاتا ہے، تو کرنٹ کم نہیں ہوتا اور مقناطیسی توانائی کو غیر معینہ مدت تک ذخیرہ کیا جا سکتا ہے۔ ذخیرہ شدہ توانائی کوائل کو خارج کر کے گرڈ میں واپس کیا جا سکتا ہے۔

سپر کنڈکٹنگ مقناطیسی توانائی ذخیرہ کرنے کا نظام مقناطیسی میدان پر مبنی ہے جو براہ راست کرنٹ کے بہاؤ سے پیدا ہوتا ہے۔ ایک سپر کنڈکٹنگ کنڈلی میں.

سپر کنڈکٹنگ کوائل کو مسلسل کریوجینک طور پر ٹھنڈا کیا جاتا ہے، اس کے نتیجے میں یہ مسلسل نازک درجہ حرارت سے نیچے رہتا ہے، یعنی سپر کنڈکٹر… کنڈلی کے علاوہ، ایس ایم ای ایس سسٹم میں کرائیوجینک ریفریجریٹر کے ساتھ ساتھ ایئر کنڈیشنگ سسٹم بھی شامل ہے۔

نتیجہ یہ ہے کہ ایک سپر کنڈکٹنگ حالت میں چارج شدہ کنڈلی خود سے ایک مسلسل کرنٹ کو برقرار رکھنے کی صلاحیت رکھتی ہے، تاکہ دیے گئے کرنٹ کا مقناطیسی میدان اس میں ذخیرہ شدہ توانائی کو لامحدود طویل عرصے تک ذخیرہ کر سکے۔

سپر کنڈکٹنگ کوائل میں ذخیرہ شدہ توانائی، اگر ضروری ہو تو، ایسی کوائل کے خارج ہونے کے دوران نیٹ ورک کو فراہم کی جا سکتی ہے۔ DC پاور کو AC پاور میں تبدیل کرنے کے لیے، انورٹرز، اور نیٹ ورک سے کوائل چارج کرنے کے لیے — ریکٹیفائر یا AC-DC کنورٹرز۔

ایک یا دوسری سمت میں توانائی کی انتہائی موثر تبدیلی کے دوران، ایس ایم ای میں ہونے والے نقصانات زیادہ سے زیادہ 3 فیصد ہوتے ہیں، لیکن یہاں سب سے اہم بات یہ ہے کہ اس طریقے سے توانائی کے ذخیرہ کرنے کے عمل میں، نقصانات کم سے کم موروثی ہوتے ہیں۔ انرجی سٹوریج اور سٹوریج کے لیے فی الحال معلوم طریقوں میں سے کوئی بھی۔ SMEs کی مجموعی طور پر کم از کم کارکردگی 95% ہے۔

سپر کنڈکٹنگ میٹریل کی زیادہ قیمت کی وجہ سے اور اس حقیقت کو مدنظر رکھتے ہوئے کہ کولنگ کے لیے بھی توانائی کی لاگت کی ضرورت ہوتی ہے، فی الحال ایس ایم ای ایس سسٹم صرف اس جگہ استعمال کیے جاتے ہیں جہاں تھوڑی دیر کے لیے توانائی کو ذخیرہ کرنا ضروری ہو اور ساتھ ہی ساتھ بجلی کی فراہمی کے معیار کو بھی بہتر بنایا جائے۔ . یعنی، وہ روایتی طور پر صرف فوری ضرورت کے معاملات میں استعمال ہوتے ہیں۔

ایس ایم ای نظام درج ذیل اجزاء پر مشتمل ہے:

• سپر کنڈکٹنگ کنڈلی،
• کریوسٹیٹ اور ویکیوم سسٹم،
• کولنگ سسٹم،
• توانائی کی تبدیلی کا نظام،
• کنٹرول ڈیوائس۔

ایس ایم ای سسٹمز کے اہم فوائد واضح ہیں۔ سب سے پہلے، یہ ایک انتہائی مختصر وقت ہے جس کے دوران سپر کنڈکٹنگ کنڈلی اپنے مقناطیسی میدان میں ذخیرہ شدہ توانائی کو قبول کرنے یا ترک کرنے کے قابل ہوتی ہے۔ اس طرح، نہ صرف زبردست فوری خارج ہونے والی قوتوں کو حاصل کرنا ممکن ہے، بلکہ کم سے کم وقت کی تاخیر کے ساتھ سپر کنڈکٹنگ کوائل کو ری چارج کرنا بھی ممکن ہے۔

اگر ہم ایس ایم ای کا موازنہ کمپریسڈ ایئر سٹوریج سسٹمز، فلائی وہیلز اور ہائیڈرولک اکومیولیٹرس کے ساتھ کریں، تو موخر الذکر میں بجلی کی مکینیکل میں تبدیلی کے دوران بہت زیادہ تاخیر کی خصوصیت ہوتی ہے (دیکھیں — فلائی وہیل توانائی کا ذخیرہ).

حرکت پذیر حصوں کی عدم موجودگی SMES سسٹمز کا ایک اور اہم فائدہ ہے، جو ان کی وشوسنییتا کو بڑھاتا ہے۔ اور، بلاشبہ، سپر کنڈکٹر میں فعال مزاحمت کی عدم موجودگی کی وجہ سے، یہاں ذخیرہ کرنے کے نقصانات کم سے کم ہیں۔ SMES کی مخصوص توانائی عام طور پر 1 اور 10 Wh/kg کے درمیان ہوتی ہے۔

1 MWh SMES کو دنیا بھر میں بجلی کے معیار کو بہتر بنانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے جہاں ضرورت ہو، جیسے مائیکرو الیکٹرانکس فیکٹریاں جنہیں اعلیٰ ترین معیار کی بجلی کی ضرورت ہوتی ہے۔

اس کے علاوہ، SMEs بھی افادیت میں کارآمد ہیں۔ لہذا، امریکہ کی ریاستوں میں سے ایک میں ایک کاغذ فیکٹری ہے، جو اس کے آپریشن کے دوران پاور لائنوں میں زبردست اضافے کا سبب بن سکتی ہے. آج، فیکٹری کی پاور لائن SMES ماڈیولز کی ایک پوری زنجیر سے لیس ہے جو پاور گرڈ کے استحکام کی ضمانت دیتی ہے۔ 20 میگاواٹ گھنٹہ کی صلاحیت والا SMES ماڈیول مستقل طور پر دو گھنٹے کے لیے 10 میگاواٹ یا آدھے گھنٹے کے لیے تمام 40 میگاواٹ فراہم کر سکتا ہے۔

ایک سپر کنڈکٹنگ کنڈلی کے ذریعہ ذخیرہ شدہ توانائی کی مقدار کا حساب درج ذیل فارمولے سے لگایا جاسکتا ہے (جہاں L انڈکٹنس ہے، E انرجی ہے، I کرنٹ ہے):

سپر کنڈکٹنگ کنڈلی کی ساختی ترتیب کے نقطہ نظر سے، یہ بہت اہم ہے کہ یہ اخترتی کے خلاف مزاحم ہے، اس میں تھرمل توسیع اور سکڑاؤ کے کم سے کم اشارے ہیں، اور لورینٹز فورس کے لیے بھی کم حساسیت ہے، جو لامحالہ اس دوران پیدا ہوتی ہے۔ تنصیب کا عمل (برقی حرکیات کے اہم ترین قوانین)۔ تنصیب کی خصوصیات اور تعمیراتی مواد کی مقدار کا حساب لگانے کے مرحلے پر سمیٹ کی تباہی کو روکنے کے لیے یہ سب ضروری ہے۔

چھوٹے سسٹمز کے لیے، 0.3% کی مجموعی تناؤ کی شرح کو قابل قبول سمجھا جاتا ہے۔ اس کے علاوہ، کنڈلی کی ٹورائیڈل جیومیٹری بیرونی مقناطیسی قوتوں کو کم کرنے میں معاون ہے، جو معاون ڈھانچے کی لاگت کو کم کرنا ممکن بناتی ہے، اور تنصیب کو بوجھ والی اشیاء کے قریب رکھنے کی بھی اجازت دیتی ہے۔

اگر ایس ایم ای ایس کی تنصیب چھوٹی ہے، تو سولینائڈ کوائل بھی موزوں ہو سکتا ہے، جس کے لیے ٹورائڈ کے برعکس کسی خاص سپورٹ ڈھانچے کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ تاہم، یہ واضح رہے کہ ٹورائیڈل کوائل کو پریس ہوپس اور ڈسکس کی ضرورت ہوتی ہے، خاص طور پر جب بات توانائی سے بھرپور ساخت کی ہو۔

جیسا کہ اوپر بتایا گیا ہے، ٹھنڈے ہوئے سپر کنڈکٹر ریفریجریٹر کو کام کرنے کے لیے مسلسل توانائی کی ضرورت ہوتی ہے، جو یقیناً SMES کی مجموعی کارکردگی کو کم کرتی ہے۔

لہذا، تنصیب کو ڈیزائن کرتے وقت جن تھرمل بوجھ کو مدنظر رکھنا ضروری ہے ان میں شامل ہیں: معاون ڈھانچے کی تھرمل چالکتا، گرم سطحوں کے اطراف سے تھرمل تابکاری، تاروں میں جول نقصانات جن کے ذریعے چارجنگ اور ڈسچارج کرنٹ بہتے ہیں، نیز نقصانات۔ کام کرتے وقت فریج میں

لیکن اگرچہ یہ نقصانات عام طور پر تنصیب کی برائے نام طاقت کے متناسب ہوتے ہیں، لیکن SMES سسٹمز کا فائدہ یہ ہے کہ توانائی کی صلاحیت میں 100 گنا اضافے کے ساتھ، کولنگ کی لاگت صرف 20 گنا بڑھ جاتی ہے۔ اس کے علاوہ، اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کے لیے، کم درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کے استعمال سے ٹھنڈک کی بچت زیادہ ہوتی ہے۔

ایسا معلوم ہوتا ہے کہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹر پر مبنی ایک سپر کنڈکٹنگ انرجی سٹوریج سسٹم کولنگ پر کم مطالبہ کرتا ہے اور اس لیے اس کی قیمت کم ہونی چاہیے۔

عملی طور پر، تاہم، ایسا نہیں ہے، کیونکہ تنصیب کے بنیادی ڈھانچے کی کل لاگت عام طور پر سپر کنڈکٹر کی لاگت سے زیادہ ہوتی ہے، اور اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی کنڈلی کم درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی کنڈلیوں سے 4 گنا زیادہ مہنگی ہوتی ہے۔ .

اس کے علاوہ، اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کے لیے محدود کرنٹ کثافت کم درجہ حرارت والے کے مقابلے میں کم ہے، یہ 5 سے 10 T کی حد میں آپریٹنگ مقناطیسی فیلڈز پر لاگو ہوتا ہے۔

لہذا اسی انڈکٹنس والی بیٹریاں حاصل کرنے کے لیے، زیادہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹنگ تاروں کی ضرورت ہے۔ اور اگر تنصیب کی توانائی کی کھپت تقریباً 200 میگاواٹ ہے، تو کم درجہ حرارت والا سپر کنڈکٹر (کنڈکٹر) دس گنا زیادہ مہنگا ہو جائے گا۔

اس کے علاوہ، لاگت کے اہم عوامل میں سے ایک یہ ہے: ریفریجریٹر کی قیمت کسی بھی صورت میں اتنی کم ہے کہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کا استعمال کرتے ہوئے کولنگ انرجی کو کم کرنے سے بہت کم فیصد کی بچت ہوتی ہے۔

چوٹی آپریٹنگ مقناطیسی فیلڈ کو بڑھا کر حجم کو کم کرنا اور SMES میں ذخیرہ شدہ توانائی کی کثافت کو بڑھانا ممکن ہے، جس سے تار کی لمبائی میں کمی اور مجموعی لاگت دونوں میں کمی واقع ہوگی۔ زیادہ سے زیادہ قدر تقریباً 7 T کا چوٹی مقناطیسی میدان سمجھا جاتا ہے۔

بلاشبہ، اگر فیلڈ کو زیادہ سے زیادہ بڑھایا جاتا ہے، تو قیمت میں کم سے کم اضافے کے ساتھ حجم میں مزید کمی ممکن ہے۔ لیکن فیلڈ انڈکشن کی حد عام طور پر جسمانی طور پر محدود ہوتی ہے، جس کی وجہ ٹورائڈ کے اندرونی حصوں کو ایک ساتھ لانے کے ناممکن ہونے کی وجہ سے ہے جب کہ اب بھی معاوضہ دینے والے سلنڈر کے لیے جگہ چھوڑی جاتی ہے۔

سپر کنڈکٹنگ مواد ایس ایم ایز کے لیے سرمایہ کاری مؤثر اور موثر تنصیبات بنانے میں ایک اہم مسئلہ بنی ہوئی ہے۔ آج ڈویلپرز کی کوششوں کا مقصد اہم کرنٹ اور سپر کنڈکٹنگ مواد کی خرابی کی حد کو بڑھانے کے ساتھ ساتھ ان کی پیداوار کی لاگت کو کم کرنا ہے۔

ایس ایم ای سسٹمز کے وسیع پیمانے پر تعارف کے راستے میں آنے والی تکنیکی مشکلات کا خلاصہ کرتے ہوئے، درج ذیل کو واضح طور پر پہچانا جا سکتا ہے۔ کنڈلی میں پیدا ہونے والی اہم لورینٹز قوت کو برداشت کرنے کے قابل ٹھوس مکینیکل سپورٹ کی ضرورت۔

زمین کے ایک بڑے ٹکڑے کی ضرورت، کیونکہ SME کی تنصیب، مثال کے طور پر 5 GWh کی گنجائش کے ساتھ، تقریباً 600 میٹر لمبائی کا ایک سپر کنڈکٹنگ سرکٹ (سرکلر یا مستطیل) پر مشتمل ہوگا۔ اس کے علاوہ، سپر کنڈکٹر کے ارد گرد مائع نائٹروجن (600 میٹر لمبا) کا ویکیوم کنٹینر زیر زمین ہونا چاہیے اور قابل اعتماد مدد فراہم کی جانی چاہیے۔

اگلی رکاوٹ سپر کنڈکٹنگ ہائی ٹمپریچر سیرامکس کی ٹوٹ پھوٹ ہے، جس کی وجہ سے تیز دھاروں کے لیے تاروں کو کھینچنا مشکل ہو جاتا ہے۔اہم مقناطیسی میدان جو سپر کنڈکٹیوٹی کو تباہ کرتا ہے وہ بھی SMES کی مخصوص توانائی کی شدت کو بڑھانے میں ایک رکاوٹ ہے۔ NS میں اسی وجہ سے موجودہ ایک اہم مسئلہ ہے۔