ऊर्जा
इलेक्ट्रोकैलोरिक सामग्री के साथ HVAC समाधान को उन्नत बनाना
Securities.io को Google पर अपने पसंदीदा स्रोतों में जोड़ें
HVAC से उत्पन्न विशाल ऊर्जा मांग
आधुनिक समाज बहुत ऊर्जा इस्तेमाल करता है। भवनों और औद्योगिक प्रक्रियाओं को गर्म करने तथा ठंडा रखने में होने वाली खपत पर अक्सर पर्याप्त ध्यान नहीं दिया जाता। ताप संबंधी उपयोग वैश्विक अंतिम ऊर्जा खपत के लगभग आधे हिस्से के लिए जिम्मेदार हैं. इसमें केवल भवनों का HVAC नहीं, बल्कि औद्योगिक ताप भी शामिल है। बिजली एक ऊर्जा वाहक है, इसलिए उसे परिवहन और ताप जैसे अंतिम उपयोगों के साथ जोड़कर अलग-अलग हिस्सों के रूप में गिनना सही नहीं होगा।
HVAC अर्थात हीटिंग, वेंटिलेशन और एयर कंडीशनिंग की दक्षता बढ़ाना और जहाँ उपयुक्त हो वहाँ विद्युतीकरण करना उत्सर्जन घटाने में महत्वपूर्ण है। गर्म देशों में आय और आबादी बढ़ने से शीतलन की मांग भी बढ़ रही है। 2050 तक मांग तीन गुना होने का अनुमान एक परिदृश्य है, सुनिश्चित परिणाम नहीं।
स्रोत: Daikin
अब तक उच्च दक्षता वाले हीट पंपों में वाष्प-संपीड़न तकनीक का व्यापक उपयोग होता रहा है।
इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रभाव पर आधारित शीतलन एक संभावित विकल्प है, लेकिन यह अभी अनुसंधान और प्रोटोटाइप विकास का विषय है।
हीट पंप कैसे काम करते हैं
सभी हीट पंप ताप पैदा करने के बजाय उसे एक स्थान से दूसरे स्थान पर पहुँचाते हैं। यह सिद्धांत संपीड़न वाले हीट पंप और प्रस्तावित इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रणालियों दोनों पर लागू होता है।
इसके विपरीत, प्रतिरोधक विद्युत हीटर बिजली को सीधे ताप में बदलते हैं और जीवाश्म ईंधन वाले उपकरण गैस, कोयला या तेल जलाकर ताप पैदा करते हैं।
सर्दियों में हीट पंप बाहर की हवा या जमीन से ताप लेकर भवन के अंदर पहुँचा सकता है। प्रतिवर्ती प्रणाली गर्मियों में यह दिशा बदलकर भवन को ठंडा करती है।
अनुकूल परिस्थितियों में 1 वॉट विद्युत शक्ति खर्च करके लगभग 2–4 वॉट ताप स्थानांतरित किया जा सकता है। यह ऊर्जा पैदा करना नहीं है; अतिरिक्त ताप आसपास के वातावरण से आता है। वास्तविक प्रदर्शन तापमान और उपकरण पर निर्भर करता है।
स्रोत: RMI
हीट पंप के लिए बाहरी हवा या भूमिगत पाइपों के माध्यम से जमीन को ताप स्रोत या ताप ग्रहण करने वाले माध्यम के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।
हीट पंप घरों, कार्यालयों और वाणिज्यिक भवनों में उपयोग किए जाते हैं। उद्योग में भी एक प्रक्रिया से निकलने वाले अपशिष्ट ताप को दूसरी प्रक्रिया में उपयोगी स्तर तक पहुँचाकर ऊर्जा बचाई जा सकती है।
स्रोत: Sintef
कम्प्रेशन से परे जाने के लिए इलेक्ट्रोकैलोरिक हीट पंप
इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रौद्योगिकी में प्रगति
पारंपरिक वाष्प-संपीड़न हीट पंप रेफ्रिजरेंट को संपीड़ित और विस्तारित करके ताप स्थानांतरित करते हैं। कुछ रेफ्रिजरेंट, जैसे कई HFC, रिसाव होने पर शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस बन सकते हैं। अमोनिया को उसी श्रेणी की प्रत्यक्ष ग्रीनहाउस गैस कहना सही नहीं है; उसकी विषाक्तता और संचालन सुरक्षा अलग चिंताएँ हैं। बिजली के उत्पादन से अप्रत्यक्ष उत्सर्जन भी हो सकता है।
कुछ ध्रुवीय पदार्थों में विद्युत क्षेत्र बदलने से ध्रुवीकरण और एंट्रॉपी बदलते हैं। उपयुक्त परिस्थितियों में क्षेत्र लगाने पर पदार्थ गर्म और हटाने पर ठंडा हो सकता है। उपयोगी शीतलन चक्र के लिए इसके साथ नियंत्रित ताप हस्तांतरण भी आवश्यक है।
स्रोत: Fraunhofer IPM
इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रभाव पर कई दशकों से शोध हो रहा है। शुरुआती उपकरणों में प्राप्त तापमान परिवर्तन सीमित था।
इस दिशा में एक महत्वपूर्ण प्रगति 2006 में लेड जिरकोनेट टाइटेनेट की पतली परत में लगभग 12°C तापमान परिवर्तन का प्रदर्शन था. तापमान परिवर्तन शीतलन शक्ति, जिसे वॉट में मापा जाता है, के समान नहीं है।
बाद में बेलवो स्थित लक्ज़मबर्ग इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक प्रोटोटाइप में लगभग 21 केल्विन का तापांतर प्रदर्शित किया। यह उपयोगी प्रगति है, लेकिन अपने आप में व्यावसायिक उपयोग की तैयारी सिद्ध नहीं करती।
इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रोटोटाइप
अध्ययन में लेड स्कैंडियम टैंटलेट (PST) के बहुपरत संधारित्रों का उपयोग किया गया। PST एक फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक है; इसे पॉलिमर और PST के मिश्रण के रूप में बताना सही नहीं है।
स्रोत: UPCommons
शोधकर्ताओं ने लगभग 10 वोल्ट प्रति माइक्रोमीटर के विद्युत क्षेत्र पर परीक्षण किए और अधिकतम लगभग 4.2 वॉट शीतलन शक्ति प्राप्त की। वोल्ट प्रति माइक्रोमीटर विद्युत क्षेत्र की इकाई है, शक्ति की नहीं।
स्रोत: Techspot
अध्ययन में अधिकतम तापांतर लगभग 20.9 केल्विन और अधिकतम शीतलन शक्ति लगभग 4.2 वॉट बताई गई। लेखकों के अनुसार ये पूर्ववर्ती इलेक्ट्रोकैलोरिक उपकरणों के सर्वोत्तम परिणामों से क्रमशः लगभग 50% और 15 गुना अधिक थे। ये अलग संचालन स्थितियों में प्राप्त अधिकतम मान हो सकते हैं।
यह प्रयोगशाला स्तर पर महत्वपूर्ण सुधार है। इसे सभी मौजूदा व्यावसायिक शीतलन प्रणालियों से श्रेष्ठ होने का प्रमाण नहीं मानना चाहिए।
स्रोत: UPCommons
स्रोत: UPCommons
बार-बार चक्र चलाने के परीक्षणों में अध्ययन की परिस्थितियों के भीतर महत्वपूर्ण गिरावट नहीं दिखी। इससे दशकों की व्यावसायिक सेवा अवधि की गारंटी नहीं मिलती।
इलेक्ट्रोकैलोरिक उपकरणों का संभावित लाभ छोटा आकार है। इसलिए भविष्य के हीट पंपों के अलावा छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और बैटरियों के ताप प्रबंधन में भी इनका उपयोग तलाशा जा सकता है.
सैद्धांतिक रूप से अच्छी दक्षता संभव है, लेकिन संपूर्ण उपकरण में ताप हस्तांतरण, पंप और नियंत्रण की ऊर्जा भी गिननी होगी। व्यावसायिक संपीड़न प्रणालियों से बेहतर प्रदर्शन अभी प्रमाणित नहीं है।
अधिक सुधार
Science में प्रकाशित अध्ययन एक प्रोटोटाइप और उसमें संभावित सुधारों का वर्णन करता है।
प्रोटोटाइप में विद्युत शॉर्ट सर्किट से बचाने के लिए जल के बजाय एक परावैद्युत द्रव इस्तेमाल किया गया। उसकी ताप संबंधी विशेषताएँ पानी से कम अनुकूल थीं।
जलरोधी बहुपरत संधारित्र विकसित करने से पानी जैसे बेहतर ताप हस्तांतरण माध्यम का उपयोग संभव हो सकता है और उपकरण का प्रदर्शन बढ़ सकता है।
संधारित्रों की संख्या और उनका घनत्व बढ़ाने से भी शीतलन क्षमता बढ़ने की संभावना है।
पतले और समतल मॉड्यूल उपयोगी हो सकते हैं। अधिक विद्युत क्षेत्र लगाने से पहले परावैद्युत विफलता, सुरक्षा और टिकाऊपन की सीमाएँ जाँचनी होंगी।
उन्नत हीट पंप कंपनियां
2024 में यह तकनीक मुख्यतः अनुसंधान और प्रोटोटाइप के स्तर पर थी। इसे व्यापक रूप से उपलब्ध घरेलू इलेक्ट्रोकैलोरिक हीट पंपों का स्थापित बाजार नहीं समझना चाहिए।
यदि दक्षता, लागत और विश्वसनीयता के लक्ष्य हासिल होते हैं तो शोध संस्थान और कंपनियाँ पेटेंट लाइसेंस या उत्पाद विकास के माध्यम से इसे बाजार तक ला सकती हैं।
इसलिए मौजूदा हीट पंप निर्माता संभावित साझेदार हो सकते हैं। नीचे दी गई कंपनियों की चर्चा का अर्थ यह नहीं है कि उन्होंने इस प्रोटोटाइप का लाइसेंस लिया है।
व्यावसायिक उपकरण विकसित करने, प्रमाणन कराने और बड़े पैमाने पर बनाने में काफी निवेश लग सकता है। बड़ी कंपनियों के पास संसाधन होते हैं, लेकिन सफलता निश्चित नहीं होती।
1. Carrier Global
CARR मूल्य चार्ट
Carrier के ऐतिहासिक कारोबार में HVAC अर्थात वाणिज्यिक और आवासीय ताप तथा शीतलन, कोल्ड चेन और अग्नि सुरक्षा तथा सुरक्षा प्रणालियाँ शामिल रही हैं। लेख में उद्धृत अवधि में कर्मचारियों की संख्या 58,000 से अधिक थी। बाद में पोर्टफोलियो में बदलाव हुए, इसलिए इन आँकड़ों को उसी ऐतिहासिक संदर्भ में पढ़ना चाहिए।
उद्धृत अवधि में अमेरिका कंपनी का प्रमुख बाजार था और HVAC से उसकी बिक्री का आधे से अधिक हिस्सा आता था।
स्रोत: Carrier Global
कंपनी ने उस समय लगभग 3.3 लाख वाणिज्यिक HVAC, 3.3 करोड़ आवासीय HVAC, 18 लाख प्रशीतन उपकरण और 9 करोड़ से अधिक अग्नि तथा सुरक्षा प्रणालियों के स्थापित आधार का उल्लेख किया था। यह ऐतिहासिक आँकड़ा है।
कंपनी ने 2030 तक अपने ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन घटाने के लक्ष्य घोषित किए हैं। लक्ष्य और प्राप्त परिणाम अलग हैं।
रेफ्रिजरेंट रिसाव और उपकरणों की ऊर्जा खपत दोनों पर्यावरणीय प्रभाव पैदा कर सकते हैं। भविष्य की इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रणाली कुछ रेफ्रिजरेंट-संबंधी प्रभाव घटा सकती है, लेकिन उसकी सामग्री, निर्माण, बिजली और निपटान के पूरे जीवनचक्र का आकलन जरूरी होगा। अमोनिया को इन उत्सर्जनों का मुख्य प्रत्यक्ष ग्रीनहाउस स्रोत कहना गलत है।
स्रोत: Carrier Global
2. Daikin Industries
1924 में स्थापित जापानी कंपनी Daikin एयर कंडीशनिंग की प्रमुख वैश्विक निर्माताओं में शामिल है।
कंपनी लंबे समय से हीट पंप विकसित कर रही है। 2008 में उसने चीन की Gree Electric Appliances के साथ कारोबारी गठबंधन किया।
अमेरिका, यूरोप और पूर्वी एशिया उसके महत्वपूर्ण बाजार हैं। कंपनी ने भारत में 2009 से 2022 के बीच बिक्री लगभग 23 गुना बढ़ने का उल्लेख किया था; यह उस अवधि का ऐतिहासिक आँकड़ा है।
स्रोत: Daikin
Daikin ने R32 रेफ्रिजरेंट को बढ़ावा दिया है। उसका ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल R410A जैसे कुछ प्रचलित विकल्पों से कम है, लेकिन सभी रेफ्रिजरेंट से कम नहीं।
यदि इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रणालियाँ व्यावसायिक रूप से सफल होती हैं तो प्रतिस्पर्धा बदल सकती है। इसे Daikin के लिए तत्काल सिद्ध खतरा नहीं मानना चाहिए।
स्रोत: Daikin
कंपनी की शीतलन तकनीक में अनुसंधान और विकास की क्षमता भी प्रासंगिक है। उदाहरण के लिए, उसने 2015 में एक नए अनुसंधान एवं विकास केंद्र में लगभग 30 करोड़ डॉलर निवेश किए. फिर भी इससे यह निष्कर्ष नहीं निकलता कि वह इलेक्ट्रोकैलोरिक उपकरण का व्यावसायीकरण करेगी।
Daikin ने 2015 से कुछ बुनियादी R32 पेटेंट और 2019 में अतिरिक्त संबंधित पेटेंट बिना शुल्क के उपयोग के लिए उपलब्ध कराए। यह R32 उपकरणों से संबंधित सीमित पहल है, समूह के सभी पेटेंटों की सार्वभौमिक छूट नहीं।
3. NIBE Group
हीट पंप उद्योग में अधिक केंद्रित कारोबार चाहने वाले निवेशक NIBE पर विचार कर सकते हैं। फिर भी कंपनी कई उत्पाद क्षेत्रों में काम करती है और किसी निवेश में जोखिम समाप्त नहीं होता।
स्वीडन की NIBE हीट पंप और लकड़ी जलाने वाले स्टोव सहित विभिन्न ताप संबंधी उत्पाद बनाती है। लकड़ी जलाना स्वतः कार्बन-तटस्थ नहीं होता; प्रभाव वन प्रबंधन, समयावधि, उत्सर्जन और आपूर्ति पर निर्भर करता है।
कंपनी का मूल स्वीडन में है और यूरोप तथा नॉर्डिक देशों में उसका महत्वपूर्ण कारोबार है। 2022 में उसके 21,333 कर्मचारी थे।
स्रोत: Nibe
कंपनी ने एक वर्ष के लिए अपने हीट पंपों से लगभग 3.6 लाख टन CO2 उत्सर्जन टलने का अनुमान प्रस्तुत किया था। यह तुलना और गणना की मान्यताओं पर निर्भर कंपनी का अनुमान है।
NIBE हीट पंप बाजार की महत्वपूर्ण कंपनी है। उसकी तुलना Daikin और Carrier से करने के लिए समान उत्पाद श्रेणी, क्षेत्र और वर्ष के आँकड़े आवश्यक हैं।
लक्ज़मबर्ग और जर्मनी जैसे देशों में इलेक्ट्रोकैलोरिक अनुसंधान यूरोपीय निर्माताओं के लिए सहयोग के अवसर पैदा कर सकता है। NIBE के इस तकनीक को अपनाने या सबसे पहले बाजार में लाने की पुष्टि इससे नहीं होती।
