जलविद्युत, पवन ऊर्जा और सौर ऊर्जा: दक्षिण अमेरिका और मध्य अमेरिका के लिए 100% नवीकरणीय ऊर्जा आपूर्ति का मार्ग

सामग्री सूची

1. परिचय एवं अवलोकन

This study presents a pioneering, hourly-resolution energy system modeling study to explore the feasibility of achieving 100% renewable energy supply in South and Central America by 2030. The region currently has the world's lowest carbon intensity power structure due to high hydropower penetration, but also faces significant challenges from climate change threatening water resources. This study examines the technical and economic feasibility of transitioning to an energy system dominated by hydropower, wind power, and solar PV, supported by enabling technologies such as HVDC transmission and power-to-gas.

2. शोध पद्धति एवं परिदृश्य निर्धारण

2.1. ऊर्जा मॉडल और क्षेत्रीय विभाजन

विश्लेषण में रैखिक अनुकूलन मॉडल का उपयोग किया गया है, जिसका उद्देश्य प्रणाली की वार्षिक कुल लागत को न्यूनतम करना है। भौगोलिक क्षेत्र को उप-विभाजित किया गया है15 परस्पर जुड़े उपक्षेत्र, ऊर्जा विनिमय का अनुकरण करने के लिए। यह मॉडल एक संदर्भ वर्ष केघंटा रिज़ॉल्यूशनडेटा, नवीकरणीय ऊर्जा की अस्थिरता को पकड़ता है।

2.2. परिभाषित परिदृश्य

बुनियादी ढांचे और सेक्टर युग्मन के प्रभाव का आकलन करने के लिए, चार मुख्य परिदृश्य निर्धारित किए गए हैं:

• Scenario 1 (Regional Level): HVDC grids are limited, primarily existing within large sub-regions.
• Scenario 2 (National Level): देश के भीतर HVDC कनेक्शन को मजबूत करना।
• परिदृश्य 3 (पूर्ण क्षेत्र): सभी 15 उप-क्षेत्रों के बीच पूर्ण HVDC ग्रिड एकीकरण प्राप्त करना।
• परिदृश्य 4 (एकीकृत): On the basis of Scenario 3, the electricity demand for seawater desalination (3.9 billion cubic meters) and for producing synthetic natural gas via Power-to-Gas (640 TWh_LHV) is added.

2.3. समुद्री जल विलवणीकरण और पावर-टू-गैस प्रौद्योगिकी का एकीकरण

The integrated scenario is a key innovation that goes beyond mere power supply. It addresses water scarcity through desalination and utilizes surplus renewable electricity that would otherwise be curtailed to provide carbon-neutral fuel (synthetic natural gas) for industrial processes that are difficult to electrify.

3. प्रमुख परिणाम एवं निष्कर्ष

3.1. ऊर्जा संरचना और स्थापित क्षमता

इष्टतम ऊर्जा संरचनासौर फोटोवोल्टाइक प्रमुख है (कुल उत्पादन का लगभग 50-60%), इसके बादपवन ऊर्जा (लगभग 20-30%)和जलविद्युत (लगभग 10-20%)मौजूदा जलविद्युत स्थापित क्षमता न केवल बिजली उत्पादन में, बल्कि और अधिक महत्वपूर्ण रूप से लचीलापन प्रदान करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

3.2. लागत विश्लेषण: LCOE, LCOG, LCOW

ग्रिड केंद्रीकरण ने लागत कम कर दी। विकेंद्रीकृत (क्षेत्रीय) परिदृश्य में समतलित बिजली लागत62 यूरो/मेगावाट-घंटापूर्ण केंद्रीकृत (पूर्ण क्षेत्र) परिदृश्य के तहत गिरावट56 यूरो/मेगावाट-घंटा। एकीकृत परिदृश्य उक्त लागत पर सिंथेटिक प्राकृतिक गैस और विलवणीकृत जल का उत्पादन करता है, जो क्षेत्रीय युग्मन की आर्थिक क्षमता को प्रदर्शित करता है।

3.3. जल विद्युत की आभासी ऊर्जा भंडारण के रूप में भूमिका

एक प्रमुख निष्कर्ष यह है किमौजूदा बांधों को "आभासी बैटरी" के रूप में उपयोग करना। सौर और पवन ऊर्जा उत्पादन के साथ समन्वय करके जलविद्युत का रणनीतिक प्रेषण, अतिरिक्त इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता को काफी कम कर सकता है। यह डूबी हुई अवसंरचना लागत का लाभ उठाता है और ग्रिड स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है।

3.4. सिस्टम एकीकरण के लाभ

समुद्री जल विलवणीकरण और पावर-टू-गैस प्रौद्योगिकियों के एकीकरण से,आवश्यक बिजली उत्पादन में 5% की कमी आई，सिस्टम की कुल लागत में 8% की कमी आई।यह उन नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करके हासिल किया गया जिन्हें अन्यथा बर्बाद कर दिया जाता, जिससे समग्र सिस्टम उपयोगिता और आर्थिक दक्षता में वृद्धि हुई।

4. तकनीकी विवरण एवं गणितीय सूत्र

मॉडल का मूल एक लागत न्यूनीकरण समस्या है। उद्देश्य फ़ंक्शन वार्षिक कुल लागत $C_{total}$ को न्यूनतम करना है:

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

बाधाओं में शामिल हैं:

• ऊर्जा संतुलन: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$, सभी घंटों $t$ और क्षेत्रों $r$ के लिए लागू।
• क्षमता सीमा: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$, जहाँ $CF$ प्रति घंटा क्षमता कारक है।
• ऊर्जा भंडारण गतिशीलता: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• जलाशय संचालन प्रबंधन: आगमन जल, जलाशय क्षमता सीमाओं और न्यूनतम पर्यावरणीय प्रवाह के बाधाओं का अनुकरण।

पावर-टू-गैस प्रक्रिया को दक्षता $\eta_{PtG}$ (उदाहरण के लिए, लगभग 58% सिंथेटिक प्राकृतिक गैस के लिए) के साथ मॉडल किया गया है, जो विद्युत इनपुट $E_{in}$ को गैस आउटपुट $G_{out}$ से जोड़ती है: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$।

5. प्रयोगात्मक परिणाम और चार्ट स्पष्टीकरण

चित्र 1: विभिन्न परिदृश्यों में स्थापित क्षमता
एक स्टैक्ड बार चार्ट चार परिदृश्यों में सौर फोटोवोल्टिक, पवन, जलविद्युत और गैस टर्बाइन (कुछ परिदृश्यों में बैकअप के रूप में) की स्थापित क्षमता (गीगावाट) दर्शाएगा। पावर-टू-गैस से उत्पन्न अतिरिक्त मांग के कारण, "एकीकृत" परिदृश्य कुल स्थापित क्षमता में सर्वोच्च दिखाई देता है।

चित्र 2: एक प्रतिनिधि उप-क्षेत्र (उदाहरण के लिए, दक्षिण-पूर्वी ब्राजील) के लिए प्रति घंटा उत्पादन वक्र
एक सप्ताह की अवधि का एक मल्टी-लाइन चार्ट दिखाएगा कि कैसे जलविद्युत उत्पादन सौर फोटोवोल्टिक के बड़े दैनिक शिखर और पवन ऊर्जा के परिवर्तनशील आउटपुट को सुचारू करता है। "वर्चुअल बैटरी" प्रभाव दृष्टिगत रूप से स्पष्ट है: धूप/तेज हवा वाले समय में जलविद्युत उत्पादन गिरता है; रात्रि या शांत हवा के समय में यह बढ़ जाता है।

चित्र 3: सिस्टम लागत संरचना
एकीकृत परिदृश्य का पाई चार्ट वार्षिक कुल लागत में विभिन्न घटकों के हिस्से को दर्शाता है: सौर फोटोवोल्टिक कैपिटल एक्सपेंडिचर और ऑपरेटिंग एक्सपेंडिचर, पवन ऊर्जा कैपिटल एक्सपेंडिचर और ऑपरेटिंग एक्सपेंडिचर, हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट ग्रिड, पावर-टू-गैस प्लांट और समुद्री जल विलवणीकरण प्लांट। यह ऊर्जा संक्रमण की पूंजी-गहन प्रकृति को उजागर करता है।

6. विश्लेषण ढांचा: परिदृश्य मॉडलिंग उदाहरण

केस स्टडी: ग्रिड विस्तार बनाम स्थानीय ऊर्जा भंडारण मूल्यांकन
चिली (प्रचुर सौर संसाधनों वाला) की एक उपयोगिता कंपनी यह विचार कर रही है कि अर्जेंटीना (पूरक पवन/जलविद्युत संसाधन) के लिए एक नई एचवीडीसी लाइन में निवेश करे या एक बड़ी बैटरी ऊर्जा भंडारण सुविधा का निर्माण करे।

फ्रेमवर्क अनुप्रयोग:
1. नोड परिभाषित करें: चिली (नोड A), अर्जेंटीना (नोड B).
2. इनपुट डेटा: नोड A का प्रति घंटा सौर क्षमता कारक, नोड B का प्रति घंटा पवन/जलविद्युत क्षमता कारक, मांग वक्र, HVDC लाइनों (USD/MW-km) और बैटरी (USD/kWh) की पूंजीगत लागत।
3. मॉडल वेरिएंट चलाएं:
- वेरिएंट 1 (पृथक संचालन): नोड A को स्थानीय रूप से अपनी मांग पूरी करनी चाहिए, जिसके लिए रात्रि विद्युत आवश्यकताओं को पूरा करने हेतु पर्याप्त बैटरी क्षमता की आवश्यकता है।
- वेरिएंट 2 (परस्पर जुड़ा संचालन): नोड A और B एक निर्दिष्ट क्षमता वाली उच्च-वोल्टेज प्रत्यक्ष धारा लाइन से जुड़े हैं। दिन के समय, नोड A का अतिरिक्त सौर ऊर्जा नोड B को प्रेषित किया जा सकता है; रात में, नोड B की जल/पवन ऊर्जा नोड A की आपूर्ति कर सकती है।
4. अनुकूलन और तुलना: मॉडल दोनों प्रकारों की कुल लागत को न्यूनतम करता है। परिणाम आम तौर पर दर्शाते हैं कि, संचरण लागत को ध्यान में रखते हुए भी,वेरिएंट 2 यह सस्ता भी है क्योंकि यह नोड A पर महंगी ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता को कम करता है और नोड B पर मौजूदा लचीले जलविद्युत संसाधनों का बेहतर उपयोग करता है। यह इस अध्ययन के ट्रांसमिशन मूल्य पर केंद्रित मुख्य निष्कर्ष को दर्शाता है।

7. आलोचनात्मक विश्लेषण एवं विशेषज्ञ व्याख्या

मुख्य अंतर्दृष्टि: यह अध्ययन केवल एक हरित कल्पना नहीं है; यह एक व्यावहारिक इंजीनियरिंग खाका है जो दक्षिण अमेरिका के मौजूदा जलविद्युत बुनियादी ढांचे में निहित संभावित वित्तीय और रणनीतिक मूल्य को उजागर करता है। वास्तविक सफलता बांधों को केवल जनरेटर के रूप में नहीं, बल्कि महाद्वीपीय पैमाने के, शून्य सीमांत लागत वाले ग्रिड स्टेबलाइजर के रूप में पुनः स्थापित करने में निहित है - एक "वर्चुअल बैटरी" जो नई ऊर्जा भंडारण में अरबों डॉलर के निवेश को बचा सकती है। यह संभावित जलवायु संवेदनशीलता (जलवैज्ञानिक परिवर्तन) को लचीलेपन की आधारशिला में बदल देता है।

तार्किक क्रम: तर्क प्रक्रिया अत्यधिक प्रभावशाली है: 1) परिवर्तनशील नवीकरणीय ऊर्जा (सौर/पवन) अब सबसे सस्ती ऊर्जा है। 2) इसकी रुक-रुक कर उपलब्धता मुख्य समस्या है। 3) दक्षिण अमेरिका के पास एक अद्वितीय, पूर्व-भुगतान वाला समाधान है - इसकी विशाल जलविद्युत क्षमता, जिसे डिजिटलीकरण के माध्यम से पुनः अनुकूलित करके भंडारण-प्राथमिकता मोड में चलाया जा सकता है। 4) पूरक क्षेत्रों (जैसे, हवादार पेटागोनिया से धूप वाले उत्तर-पूर्वी ब्राज़ील तक) के बीच उच्च-वोल्टेज डीसी "इंटरलिंक्स" जोड़ने से भौगोलिक बैटरी प्रभाव सृजित होता है, जिससे लागत और कम हो जाती है। 5) अंत में, अतिरिक्त नवीकरणीय बिजली का उपयोग करके अणु (गैस) और पानी का उत्पादन, पड़ोसी अरबों-डॉलर के उद्योगों और संसाधनों की कमी की समस्याओं का समाधान करता है, एक सकारात्मक आर्थिक चक्र बनाता है।

फायदे और कमियाँ:
फायदे: घंटा-स्तरीय मॉडलिंग विश्वसनीय नवीकरणीय ऊर्जा अनुसंधान के लिए एक अनिवार्य उन्नत पद्धति है। सेक्टर युग्मन (पावर-टू-गैस, समुद्री जल विलवणीकरण) एक शैक्षणिक अभ्यास से परे है और इसकी वास्तविक दुनिया में नीतिगत प्रासंगिकता है। मौजूदा जलविद्युत का लाभ उठाना व्यावहारिक सोच का एक उत्कृष्ट उदाहरण है।
कमियाँ: मॉडल की सुंदरता कठिन राजनीतिक और नियामक बाधाओं को छुपाती है। एक महाद्वीप-व्यापी HVDC ग्रिड का निर्माण यूरोपीय संघ के सामने आने वाली समान संप्रभुता चुनौतियों को शामिल करता है। इस पैमाने की परियोजनाओं के वित्तपोषण और अनुमति के लिए 2030 की समयसीमा बहुत आशावादी है। यह यह भी मानता है कि समाज नए बड़े बुनियादी ढांचे के प्रति अनुमति देने वाला है, जो तेजी से प्रश्न के घेरे में है। लागत अनुमान, हालांकि 2015 के डेटा का संदर्भ देते हैं, 2022 के बाद की मुद्रास्फीति और आपूर्ति श्रृंखला झटकों के बाद तत्काल अद्यतन की आवश्यकता है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि:
1. नियामकों के लिए: बिजली बाजार डिजाइन में तत्काल सुधार करें, लचीलेपन और क्षमता (केवल ऊर्जा नहीं) को वित्तीय रूप से पुरस्कृत करें। जलविद्युत ऑपरेटरों को बैटरी के समान "संतुलन सेवाओं" के लिए भुगतान मिलना चाहिए।
2. निवेशकों के लिए: निकट भविष्य का सबसे बड़ा अवसर नए सौर ऊर्जा संयंत्रों के निर्माण में नहीं, बल्कि मौजूदा जलविद्युत परियोजनाओं के डिजिटलीकरण और नियंत्रण प्रणालियों के उन्नयन में है, ताकि उनकी ग्रिड संतुलन आय को अधिकतम किया जा सके।
3. सरकार के लिए: द्विपक्षीय "ऊर्जा पुल" संधियों (जैसे चिली-अर्जेंटीना) से पायलट परियोजनाओं के रूप में शुरुआत करें। अनुसंधान और विकास का ध्यान पावर-टू-गैस इलेक्ट्रोलाइज़र की पूंजीगत लागत को कम करने पर केंद्रित करें, क्योंकि यह एकीकृत परिदृश्य की कुंजी है।
4. क्रिटिकल पाथ: सबसे महत्वपूर्ण सफलता कारक हैट्रांसमिशनइसके बिना, आभासी बैटरियाँ अभी भी बिखरी हुई रहेंगी। यूरोपीय TEN-E के मॉडल पर आधारित एक अमेरिकी महाद्वीप-व्यापी ग्रिड पहल को कूटनीतिक प्राथमिकता बनना चाहिए।

8. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध संभावनाएँ

• ग्रीन हाइड्रोजन निर्यात: मॉडल का पावर-टू-गैस घटक विस्तार योग्य है, जिसका उपयोग यूरोप और एशिया को निर्यात के लिए बड़े पैमाने पर हरित हाइड्रोजन उत्पादन का अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है, जिससे दक्षिण अमेरिका एक नवीकरणीय ऊर्जा महाशक्ति में परिवर्तित हो सके।
• जलवायु लचीलापन मॉडलिंग: भविष्य के कार्यों को हाइड्रोलॉजिकल चक्र और पवन पैटर्न में अपेक्षित परिवर्तनों के प्रति सिस्टम की क्षमता का तनाव परीक्षण करने के लिए अधिक परिष्कृत जलवायु मॉडल को एकीकृत करना चाहिए।
• वितरित ऊर्जा संसाधन एकीकरण: छत सौर, उपयोगकर्ता-पक्ष ऊर्जा भंडारण और इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग को मॉडल में शामिल करना, ताकि केंद्रीकृत ग्रिड योजना पर उनके प्रभाव को समझा जा सके।
• उन्नत ऊर्जा भंडारण मूल्यांकन: जलविद्युत लचीलेपन द्वारा प्रदान किए गए आर्थिक मूल्य का विस्तृत विश्लेषण, आधुनिकीकरण निवेश को आकर्षित करने के लिए मानकीकृत मेट्रिक्स बनाना।
• नीति और बाजार सिमुलेशन: नियामक ढांचे, निवेश व्यवहार और सीमा पार बिजली व्यापार समझौतों का अनुकरण करने के लिए तकनीकी-आर्थिक मॉडल को एजेंट-आधारित मॉडल के साथ एकीकृत करना।

9. संदर्भ सूची

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