कंसन्ट्रेटेड सोलर पावर (CSP): सोलर थर्मल बिजली और स्टोरेज: कैसे काम करती है

प्रकार	कैपेसिटी फैक्टर	लागत $/MWh	gCO₂e/kWh	ज़मीन m²/MWh	मौतें/TWh	निर्माण (साल)
कंसंट्रेटेड सोलर (स्टोरेज के साथ)	30–55%	70–200	27 (8.8–63)	22	—	2–4

कंसन्ट्रेटेड सोलर पावर (CSP), जिसे सोलर थर्मल बिजली भी कहते हैं, सूरज की रोशनी से नहीं, उसकी गर्मी से बिजली बनाता है। शीशों के बड़े मैदान सूरज के साथ घूमते हैं और उसकी किरणें एक रिसीवर पर केंद्रित करते हैं, जहां कोई द्रव 300 °C से 565 °C के बीच गर्म होता है। यह गर्मी टरबाइन के लिए भाप बनाती है, यानी वही पावर ब्लॉक जो कोयला या गैस प्लांट में होता है। CSP की असली खासियत स्टोरेज है: गर्मी जमा करना बिजली जमा करने से कहीं सस्ता है, इसलिए पिघले नमक की टंकी वाला प्लांट रात में भी सोलर बिजली बेच सकता है।

दुनिया के स्तर पर CSP छोटा है। IRENA, REN21 और SolarPACES प्रोजेक्ट डेटाबेस के अनुसार 2020 के दशक के मध्य में चालू क्षमता लगभग 7 GW थी, जबकि सोलर पीवी 2,000 GW से ज़्यादा है। इस साइट के बिजली आंकड़े (Ember और Our World in Data से) CSP को अलग से नहीं दिखाते; यह सोलर के आंकड़ों में ही शामिल है, जहां इसका हिस्सा उत्पादन के 1% से काफ़ी कम है। इसकी अहमियत मौजूदा आकार से ज़्यादा इस बात में है कि धूप वाले सूखे इलाकों में यह क्या कर सकता है: ऐसी सोलर बिजली देना जिसे जमा करके मांग के हिसाब से भेजा जा सके।

CSP कैसे काम करता है

हर CSP प्लांट के चार हिस्से होते हैं:

सोलर फ़ील्ड। शीशे (हेलियोस्टैट या मुड़े हुए रिफ़्लेक्टर) सूरज के साथ घूमते हैं और डायरेक्ट नॉर्मल इरेडिएंस को रिसीवर पर केंद्रित करते हैं। लाइन-फ़ोकस सिस्टम लगभग 30-100 सूरज के बराबर सांद्रता तक पहुंचते हैं; पॉइंट-फ़ोकस टावर 500-1,000+ तक।
रिसीवर। यह केंद्रित रोशनी सोखकर गर्मी किसी द्रव को देता है: सिंथेटिक थर्मल ऑयल, पिघला नाइट्रेट नमक, या सीधे पानी/भाप।
थर्मल एनर्जी स्टोरेज। आम तौर पर पिघले नमक की दो टंकियां, जिनमें “सोलर सॉल्ट” होता है: लगभग 60% सोडियम नाइट्रेट और 40% पोटैशियम नाइट्रेट का मिश्रण। नमक ठंडी टंकी (~290 °C) से रिसीवर या हीट एक्सचेंजर से होकर गर्म टंकी (ट्रफ़ प्लांट में ~390 °C, टावर में ~565 °C) में पंप किया जाता है।
पावर ब्लॉक। टरबाइन, जनरेटर और कंडेंसर वाला रैंकिन स्टीम साइकिल, जो सिद्धांत में जीवाश्म ईंधन वाले प्लांट जैसा ही है।

सिर्फ सीधी किरणों को केंद्रित किया जा सकता है, इसलिए धुंधले दिनों में जिस बिखरी रोशनी को पीवी फिर भी बिजली में बदल लेता है, उससे CSP को कुछ नहीं मिलता। जगह चुनने के लिए असली आंकड़ा DNI है, ग्लोबल हॉरिज़ॉन्टल इरेडिएंस नहीं (सोलर पोटेंशियल मैप देखें)।

CSP की मुख्य तकनीकें

पैराबोलिक ट्रफ़

परवलयाकार शीशों की लंबी कतारें धूप को फ़ोकल लाइन पर लगी निर्वात वाली रिसीवर ट्यूब पर केंद्रित करती हैं, जिससे सिंथेटिक ऑयल लगभग 390-400 °C तक गर्म होता है। ट्रफ़ सबसे परिपक्व डिज़ाइन है और स्थापित क्षमता का ज़्यादातर हिस्सा इसी का है। उदाहरण हैं स्पेन के 50 MW वाले प्लांट (Andasol 1-3, हर एक में 7.5 घंटे का स्टोरेज), एरिज़ोना का 280 MW का Solana प्लांट, और दुबई के Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park Phase 4 का 600 MW वाला ट्रफ़ हिस्सा। ऑयल की तापमान सीमा स्टीम साइकिल की दक्षता को रोके रखती है, और स्टोरेज के लिए ऑयल-से-नमक हीट एक्सचेंजर चाहिए।

सोलर पावर टावर (सेंट्रल रिसीवर)

हज़ारों सपाट हेलियोस्टैट, हर एक अपने-आप सूरज के साथ घूमता हुआ, रोशनी को टावर के ऊपर लगे रिसीवर पर भेजते हैं। टावर ज़्यादा तापमान पर चलते हैं (पिघला नमक लगभग 565 °C), इसलिए टरबाइन ज़्यादा कुशल होती है और नमक को बिना हीट एक्सचेंजर के सीधे जमा किया जा सकता है, जिससे स्टोरेज सस्ता पड़ता है। मोरक्को का Noor III (150 MW), चिली का Cerro Dominador (110 MW, लगभग 17.5 घंटे स्टोरेज) और दुबई का 100 MW वाला 262 मीटर ऊंचा टावर, जो अब तक बना सबसे ऊंचा सोलर टावर है, इसके उदाहरण हैं। कैलिफ़ोर्निया का Ivanpah (लगभग 390 MW ग्रॉस, तीन टावर, डायरेक्ट स्टीम, कोई स्टोरेज नहीं) बिना स्टोरेज वाला सबसे जाना-माना टावर है।

लीनियर फ़्रेनेल

लीनियर फ़्रेनेल प्लांट ज़मीन के पास लगी लंबी, लगभग सपाट शीशे की पट्टियों से रोशनी को उनके ऊपर लगे एक स्थिर रिसीवर पर केंद्रित करते हैं। ये ट्रफ़ से सस्ते बनते हैं और प्रति MW कम ज़मीन लेते हैं, पर इनकी ऑप्टिकल दक्षता कम है, खासकर सर्दियों में और ऊंचे अक्षांशों पर। ऐसे प्लांट आम तौर पर दसियों MW के होते हैं, जैसे स्पेन का Puerto Errado 2 (30 MW) और भारत का धुरसर प्लांट (125 MW)।

पैराबोलिक डिश

डिश रोशनी को अपने फ़ोकल पॉइंट पर लगे रिसीवर पर केंद्रित करती है, जो आम तौर पर प्रति यूनिट लगभग 10-25 kW का स्टर्लिंग इंजन चलाता है। सूरज की रोशनी से बिजली बनाने की दक्षता का रिकॉर्ड डिश-स्टर्लिंग सिस्टम के नाम है (पीक पर 30% से ऊपर)। पर इनमें स्टोरेज आसानी से नहीं जुड़ता, और ये कभी कमर्शियल स्तर तक नहीं पहुंचे: 2010 के दशक की शुरुआत के अमेरिका के बड़े डिश प्रोजेक्ट या तो रद्द हुए या पीवी में बदल दिए गए।

तकनीक	ऑपरेटिंग तापमान	सांद्रता	सालाना सोलर-से-बिजली दक्षता	स्टोरेज जोड़ना	परिपक्वता
पैराबोलिक ट्रफ़	390-400 °C (ऑयल)	70-100 सूरज	~13-16%	अप्रत्यक्ष मोल्टन सॉल्ट	सबसे ज़्यादा लगा
पावर टावर	500-565 °C (नमक)	500-1,000+ सूरज	~15-20%	सीधा मोल्टन सॉल्ट	कमर्शियल, बढ़ता हुआ
लीनियर फ़्रेनेल	250-500 °C	25-100 सूरज	~8-12%	सीमित	शुरुआती कमर्शियल
पैराबोलिक डिश	650-750 °C (इंजन)	1,000-3,000 सूरज	~20-25% (दावा)	मुश्किल	प्रदर्शन स्तर

दक्षता की रेंज IRENA और SolarPACES साहित्य से लिए गए डिज़ाइन और ऑपरेटिंग मानों के मोटे अनुमान हैं। असली प्लांट DNI, स्टोरेज के आकार और चलाने के तरीके के हिसाब से अलग होते हैं।

दक्षता, स्टोरेज और कैपेसिटी फैक्टर

CSP की दक्षता कई रूपांतरणों की एक कड़ी है। ऑप्टिकल नुकसान (शीशों की परावर्तन क्षमता, कोसाइन और छाया) के बाद साल भर में आम तौर पर 55-75% बचता है; रिसीवर सोखने और गर्मी के नुकसान के बाद 80-90% रखता है; स्टीम साइकिल लगभग 35-42% बदलता है। इन्हें गुणा करें तो सालाना सोलर-से-बिजली दक्षता लगभग 13-20% आती है, जो पीवी मॉड्यूल के बराबर या उससे कम है। पावर ब्लॉक की थर्मोडायनामिक ऊपरी सीमा कार्नो सीमा तय करती है:

η_Carnot = 1 − T_cold / T_hot (temperatures in kelvin)

Example: trough, T_hot = 663 K (390 °C), T_cold = 313 K (40 °C) → η_max ≈ 53% tower, T_hot = 838 K (565 °C), T_cold = 313 K → η_max ≈ 63%

Solar multiple SM = thermal power of solar field at design point / thermal input of power block

तापमान की इसी बढ़त की वजह से नए प्रोजेक्ट में टावर छाए हुए हैं। ज़रूरत पर बिजली देने की क्षमता के लिए डिज़ाइन का मुख्य औज़ार सोलर मल्टीपल है। SM = 1 पर फ़ील्ड बस इतना बड़ा होता है कि दोपहर में टरबाइन चला सके। SM 2.5-3.5 होने पर प्लांट दिन में अतिरिक्त गर्मी इकट्ठा करता है और शाम व रात के लिए जमा रखता है। पिघले नमक की टंकियां रोज़ अपनी गर्मी का बस कुछ प्रतिशत खोती हैं और प्रति kWh क्षमता बैटरी से कहीं सस्ती पड़ती हैं, इसलिए 6-15 घंटे का स्टोरेज अब मानक बन चुका है।

इसलिए CSP प्लांट का कैपेसिटी फैक्टर ज़्यादातर स्टोरेज पर टिका है। बिना स्टोरेज के प्लांट लगभग 20-30% पर चलते हैं। 7-10 घंटे के स्टोरेज के साथ अच्छी जगहों पर 40-55% आम है, और Cerro Dominador जैसे प्लांट 60-70% या उससे ज़्यादा के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। स्टोरेज की अवधि बढ़ने के साथ नए चालू प्लांट का IRENA भारित औसत 2010 के लगभग 30% से बढ़कर हाल के सालों में 40-55% हो गया। सालाना ऊर्जा में इसका क्या मतलब है, यह कैपेसिटी फैक्टर कैलकुलेटर दिखाता है।

खर्च

CSP का खर्च भी तेज़ी से गिरा है, हालांकि पीवी के मुकाबले ऊंचे स्तर से और बहुत कम प्रोजेक्ट के साथ।

IRENA (2024): नए चालू CSP का वैश्विक भारित औसत LCOE 2010 के लगभग USD 0.39/kWh से गिरकर 2023 में करीब USD 0.12/kWh रह गया, यानी लगभग 70% की गिरावट। हर साल गिनती के प्लांट चालू होते हैं (हाल में ज़्यादातर चीन में), इसलिए सालाना औसत ऊपर-नीचे होता रहता है।
टेंडर कीमतें: दुबई का 950 MW का Noor Energy 1 (Phase 4, 700 MW CSP और 250 MW पीवी, 15 घंटे स्टोरेज) 2017 में लगभग USD 0.073/kWh पर अनुबंधित हुआ। चिली और चीन के प्रोजेक्ट ने फ़ाइनेंसिंग और सहायता योजनाओं के हिसाब से USD 0.06-0.11/kWh की बोलियां लगाई हैं।
Lazard LCOE+ के विश्लेषणों में अमेरिका में स्टोरेज वाले सोलर थर्मल टावर बिना सब्सिडी के लगभग USD 120-160/MWh पर आते हैं, जो यूटिलिटी पीवी से काफ़ी ऊपर है।
NREL ATB का मॉडल दिखाता है कि अगली पीढ़ी के डिज़ाइन (ज़्यादा गर्म रिसीवर, सुपरक्रिटिकल CO2 साइकिल) बाज़ार में आए तो मोल्टन-सॉल्ट टावर का खर्च और काफ़ी घट सकता है।

इंस्टॉलेशन खर्च ऊंचा है, स्टोरेज के घंटों के हिसाब से आम तौर पर कई हज़ार USD प्रति kW, और LCOE WACC, प्लांट के आकार और DNI के साथ काफ़ी बदलता है। सही तुलना CSP बनाम सिर्फ पीवी की नहीं है। तुलना CSP और उस पीवी प्लस बैटरी स्टोरेज की होनी चाहिए जो शाम और रात में उतनी ही ऊर्जा दे। छोटी अवधि (2-4 घंटे) के लिए लिथियम-आयन बैटरी वाला पीवी अब लगभग हर जगह जीतता है; 8+ घंटे और औद्योगिक गर्मी के लिए CSP बेहतर दिखता है। ये समझौते आप LCOE कैलकुलेटर में परख सकते हैं।

प्रमुख प्रोजेक्ट

Noor Ouarzazate, मोरक्को। 580 MW का कॉम्प्लेक्स: Noor I (160 MW ट्रफ़, 3 घंटे स्टोरेज), Noor II (200 MW ट्रफ़, 7 घंटे), Noor III (150 MW टावर, लगभग 7.5 घंटे) और Noor IV (72 MW पीवी)। बहुपक्षीय रियायती कर्ज़ से बना यह प्रोजेक्ट उभरते बाज़ारों में बड़े CSP का मॉडल बन गया।
Cerro Dominador, चिली। लैटिन अमेरिका का पहला CSP प्लांट (2021): लगभग 17.5 घंटे स्टोरेज वाला 110 MW का मोल्टन-सॉल्ट टावर, साथ में 100 MW पीवी। यह अटाकामा रेगिस्तान में है, जहां DNI धरती पर सबसे ऊंचे स्तरों में है।
Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park Phase 4, UAE। किसी एक जगह पर दुनिया का सबसे बड़ा CSP निवेश: 600 MW ट्रफ़, 100 MW टावर और 250 MW पीवी, 15 घंटे के स्टोरेज के साथ।
Ivanpah, अमेरिका। 2014 में खुलते समय यह दुनिया का सबसे बड़ा CSP प्लांट था। इसमें बिना स्टोरेज के डायरेक्ट स्टीम टावर हैं और चालू करने के लिए प्राकृतिक गैस जलाई जाती है। यह शुरुआती उत्पादन लक्ष्यों से चूका और पक्षियों की मौत को लेकर आलोचना झेली। 2025 में इसकी बिजली खरीदने वाली कंपनियां योजनाबद्ध आंशिक बंदी से पहले अनुबंध खत्म करने पर राज़ी हुईं।
Crescent Dunes, अमेरिका। 10 घंटे स्टोरेज वाला 110 MW का टावर, जिसकी नमक की टंकी लीक हुई और जो लंबे समय तक बंद रहा। इसकी परेशानियों ने 2010 के दशक के आखिर में CSP में निवेशकों की रुचि ठंडी कर दी।

ज़मीन, पानी और कच्चा माल

ज़मीन। CSP को प्रति MW लगभग 2-4 हेक्टेयर चाहिए। स्टोरेज के लिए बड़ा रखा गया फ़ील्ड गिनें तो यह यूटिलिटी पीवी के बराबर या थोड़ा ज़्यादा है। ज़मीन समतल होनी चाहिए, ढलान आम तौर पर 1-3% से कम।

पानी। रेगिस्तान में पानी CSP की सबसे बड़ी पर्यावरणीय समस्या है। पानी से ठंडे होने वाले ट्रफ़ प्लांट प्रति MWh लगभग 3,000-3,500 लीटर खपाते हैं, जो कोयला प्लांट जितना है। ड्राई (हवा) कूलिंग इसे लगभग 90% घटाकर प्रति MWh कुछ सौ लीटर पर ले आती है, जो शीशे धोने और भाप की भरपाई में जाता है, पर इससे उत्पादन कुछ प्रतिशत घटता है और पूंजी खर्च बढ़ता है। पानी की कमी वाले इलाकों के ज़्यादातर नए प्लांट ड्राई-कूल्ड हैं।

कच्चा माल। CSP में बहुत सामग्री लगती है: ढांचे और नींव के लिए स्टील और कंक्रीट, शीशों के लिए कांच और चांदी, और हर प्लांट में दसियों हज़ार टन नाइट्रेट नमक। इनमें से कुछ भी दुर्लभ नहीं है, पर प्रति MW वज़न पीवी से ज़्यादा है।

लाइफ़साइकिल CO2 उत्सर्जन

IPCC AR5 WGIII Annex III (2014): मीडियन 27 gCO2e/kWh, रेंज 8.8-63 g।
UNECE (2021): इस आकलन में CSP औसतन पीवी से ऊपर आता है। कारण हैं स्टील, कंक्रीट, कांच और नाइट्रेट नमक की बड़ी मात्रा, और कुछ डिज़ाइनों में चालू करने और नमक को जमने से बचाने के लिए जलाई जाने वाली प्राकृतिक गैस। फिर भी ये आंकड़े जीवाश्म ईंधन वाली बिजली से दस गुना तक कम हैं।

सबसे बड़ा फ़र्क गैस के सह-दहन (को-फ़ायरिंग) से पड़ता है। जो प्लांट चालू करने या नमक को जमने से रोकने के लिए बहुत गैस जलाते हैं, उनका चलते समय का उत्सर्जन सिर्फ सोलर वाले डिज़ाइनों से साफ़ तौर पर ज़्यादा होता है। पिघला नमक लगभग 220-240 °C पर जम जाता है, इसलिए बादलों वाले दिनों में भी इसे गर्म रखना पड़ता है।

सुरक्षा और पर्यावरण पर असर

औद्योगिक खतरे वही हैं जो किसी भी थर्मल प्लांट में होते हैं: ऊंचे दबाव की भाप, गर्म द्रव, और ट्रफ़ प्लांट में सिंथेटिक थर्मल ऑयल से आग का खतरा। टावर रिसीवर के पास की केंद्रित रोशनी उसमें से उड़ने वाले पक्षियों और कीड़ों को जला सकती है; Ivanpah में हर साल कितने पक्षी मरते हैं, इस पर अध्ययनों के अनुमान बहुत अलग-अलग हैं। चकाचौंध पायलटों और ड्राइवरों को परेशान कर सकती है। नाइट्रेट नमक ज़हरीले नहीं हैं, ये खाद-ग्रेड रसायन हैं, हालांकि लीक होने पर उपकरण खराब कर सकते हैं।

आगे की तस्वीर

2010 के दशक में पीवी के ढहते खर्च के बीच CSP की बढ़त रुक गई थी, पर स्टोरेज ने इसमें दिलचस्पी लौटाई है। चीन में पीवी और पवन के बगल में बनने वाले टावर और फ़्रेनेल प्रोजेक्ट की लंबी कतार है, जो दूरदराज़ के “क्लीन एनर्जी बेस” को भरोसेमंद बिजली देंगे। चिली, मोरक्को, सऊदी अरब, UAE और दक्षिण अफ़्रीका अब भी सक्रिय बाज़ार हैं। CSP की संभावित जगह है सस्ते पीवी के साथ ज़रूरत पर बिजली देने वाले साथी के रूप में शाम और रात को संभालना, और ऊंचे तापमान वाली औद्योगिक गर्मी देना, क्योंकि CSP फ़ील्ड सीधे भाप दे सकता है। शोध 700 °C से ऊपर के रिसीवर, सुपरक्रिटिकल CO2 पावर साइकिल और कणों पर आधारित स्टोरेज पर केंद्रित है। सोलर के पीवी पक्ष के लिए सोलर पावर देखें; दूसरे विकल्पों से खर्च और उत्सर्जन की तुलना के लिए टेक्नोलॉजी तुलना देखें।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

कंसन्ट्रेटेड सोलर पावर क्या है?

कंसन्ट्रेटेड सोलर पावर (CSP) में शीशे धूप को एक रिसीवर पर केंद्रित करते हैं और किसी द्रव को कई सौ डिग्री सेल्सियस तक गर्म करते हैं। यह गर्मी एक साधारण स्टीम टरबाइन चलाती है। गर्मी को पिघले नमक (मोल्टन सॉल्ट) में सस्ते में जमा किया जा सकता है, इसलिए CSP प्लांट सूरज ढलने के बाद भी कई घंटे बिजली बनाता रह सकता है।

दुनिया में कितनी CSP क्षमता लगी है?

IRENA और REN21 के आंकड़ों के मुताबिक 2020 के दशक के मध्य में दुनिया की CSP क्षमता लगभग 7 GW थी, जबकि सोलर पीवी 2,000 GW से ज़्यादा है। सबसे बड़ा बेड़ा स्पेन के पास है, करीब 2.3 GW, उसके बाद अमेरिका। चीन, मोरक्को, UAE, दक्षिण अफ़्रीका और चिली में क्षमता बढ़ रही है।

CSP बिजली कितने की पड़ती है?

IRENA के अनुसार नए चालू हुए CSP का वैश्विक भारित औसत LCOE 2010 के लगभग USD 0.39/kWh से गिरकर 2023 में करीब USD 0.12/kWh रह गया। लंबे स्टोरेज वाले हाल के टेंडर लगभग USD 0.07-0.10/kWh पर आए हैं (दुबई का Noor Energy 1 7.3 US सेंट/kWh पर साइन हुआ), फिर भी प्रति kWh CSP पीवी से महंगा है।

CSP सोलर पीवी जितना लोकप्रिय क्यों नहीं है?

पीवी मॉड्यूल की कीमतें CSP के खर्च से कहीं तेज़ी से गिरीं, और पीवी लगभग कहीं भी छोटे-छोटे हिस्सों में लगाया जा सकता है। CSP को बड़े प्रोजेक्ट, तेज़ सीधी धूप और जटिल इंजीनियरिंग चाहिए, और Crescent Dunes व Ivanpah जैसे कुछ शुरुआती प्लांट उम्मीद से कम चले। इसकी ताकत आज भी सस्ता, लंबी अवधि का थर्मल स्टोरेज है।

CSP प्लांट कितनी देर तक ऊर्जा जमा रख सकता है?

नए टावर और ट्रफ़ प्लांट आम तौर पर टरबाइन के पूरे आउटपुट पर 6-15 घंटे के मोल्टन-सॉल्ट स्टोरेज के साथ बनाए जाते हैं। चिली के Cerro Dominador में लगभग 17.5 घंटे का स्टोरेज है, जो साल के कई दिनों में उसे चौबीसों घंटे चलाने के लिए काफ़ी है।

CSP सबसे अच्छा कहां काम करता है?

CSP को ऊंचा डायरेक्ट नॉर्मल इरेडिएंस (DNI) चाहिए: आम तौर पर सालाना कम से कम 1,900-2,000 kWh/m², और बेहतर हो कि 2,500 से ऊपर। व्यवहार में इसका मतलब है साफ़ आसमान वाले सूखे इलाके, जैसे अटाकामा रेगिस्तान, उत्तरी अफ़्रीका, मध्य पूर्व, दक्षिणी स्पेन, अमेरिका का दक्षिण-पश्चिम, पश्चिमी चीन, दक्षिण अफ़्रीका और ऑस्ट्रेलिया।

कंसन्ट्रेटेड सोलर पावर (CSP): सोलर थर्मल बिजली और स्टोरेज

मुख्य विशेषताएँ