नए हीट पंप डिज़ाइन रेफ़्रिजरेंट्स को हटाकर चुंबकों के स्थान पर काम करते हैं

हीट उत्पादन में सुधार

सभी संभावित ऊर्जा मांगों में, हीट सबसे अधिक अंतिम उपयोग है (उदाहरण के तौर पर, बिजली को हीट में बदलना)। इसलिए यह समझ में आता है कि डिकार्बोनाइजेशन तभी संभव होगा जब हीट उत्पादन सबसे हरे तरीके से और बहुत कुशलता से किया जाए।

यह अभी दूर है, क्योंकि जीवाश्म ईंधन इमारतों से संबंधित हीटिंग के लिए वैश्विक ऊर्जा उपयोग का 63% हिस्सा बनाते हैं, जो 2010 से केवल 4 प्रतिशत अंक घटा है।

स्रोत: IEA

यह किसी भी नेट-ज़ीरो परिदृश्य के लिए एक बड़ी बाधा है, जिसके लिए व्यक्तिगत परिवहन साधनों को ईवी में बदलने जितना ही प्रयास आवश्यक है।

अभी के लिए, मुख्य विधि हीट पंपों की ओर रुख करना रही है, जो गर्मी उत्पन्न करने के लिए चीज़ें जलाने के बजाय, उसे एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाते हैं।

भले ही वे अधिक कुशल हों, हीट पंपों में अभी भी सुधार किया जा सकता है। यही काम एमेज़ नेशनल लैबोरेटरी (USA) और आयोवा स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता कर रहे हैं, एक नई प्रकार के हीट पंप पर जिसे “मैग्नेटोकैलोरिक हीट पंप” कहा जाता है।

उन्होंने हाल ही में अपने नवीनतम परिणाम “विस्तार योग्य और कॉम्पैक्ट मैग्नेटोकैलोरिक हीट पंप प्रौद्योगिकी¹” शीर्षक के तहत जर्नल Applied Energy में प्रकाशित किए हैं।

परम्परागत हीप पंप कैसे काम करते हैं?

हीट पंप की मुख्य अवधारणा यह है कि वह एक स्थान से ऊर्जा “पकड़े” और उसे दूसरे स्थान पर ले जाए।

आमतौर पर, यह घर या अन्य इमारतों के आसपास के पर्यावरण से गर्मी निकालता है और उसे फिर अंदर इंजेक्ट करता है।

क्योंकि वास्तविक रूप से कोई गर्मी उत्पन्न नहीं होती, केवल उसे स्थानांतरित किया जाता है, इसलिए यह उपभोग की गई बिजली (वॉट-घंटे) के हिसाब से 100% से अधिक दक्षता दर दिखा सकता है।

यह प्रणाली पारम्परिक हीटिंग सिस्टम की तुलना में अधिक बहु-उपयोगी है, क्योंकि यह उल्टा भी काम कर सकती है। इसलिए अधिकांश मामलों में, यह गर्मियों में ठंडक प्रदान करने के रूप में भी दोहरी भूमिका निभा सकती है।

स्रोत: The Heat Pump Warehouse

सामान्य हीट पंप गैस संपीड़न प्रणाली का उपयोग करके गर्मी को स्थानांतरित करता है, क्योंकि गैसें संपीड़ित/डिकम्प्रेस्ड होने पर गर्मी को अवशोषित या मुक्त करती हैं।

गैस संपीड़न सबसे अधिक प्रयुक्त विधि है, क्योंकि यह एक बहुत ही ज्ञात तकनीक है, जो वाल्व, पाइप और कंप्रेसर पर निर्भर करती है, जो दशकों पहले उपयोग किए गए से बहुत अलग नहीं है।

हालांकि, यह संभवतः सबसे अच्छा हीट पंप डिज़ाइन नहीं हो सकता, जहाँ चुंबक एक मजबूत प्रतिस्पर्धी बन रहा है।

हीट पंप के प्रकार

विभिन्न हीट पंप डिज़ाइन कई तरीकों से अलग होते हैं, जिसमें वे ऊर्जा कहाँ से निकालते हैं, उसे कहाँ भेजते हैं, और क्या वे ठंडे जलवायु के लिए अनुकूलित हैं या नहीं।

Energy Sources

• Ground Source: भू-तापीय हीट पंप के रूप में भी जाना जाता है, ये जमीन से गर्मी प्राप्त करते हैं और अपनी उच्च दक्षता के लिए प्रसिद्ध हैं।
• Air Source: सबसे सामान्य प्रकार, ये हवा से गर्मी निकालते हैं और जमीन-आधारित पंपों की तुलना में स्थापित करने में आसान होते हैं।
• Water Source: ये निकटवर्ती जल स्रोतों जैसे झील या कुओं का उपयोग गर्मी विनिमय के लिए करते हैं।

Installation

• Ducted: घर की डक्टवर्क में एकीकृत, ये केंद्रीकृत हीटिंग और कूलिंग प्रदान करते हैं।
• Mini-Split: डक्ट के बिना घरों के लिए आदर्श, ये कमरे के तापमान पर व्यक्तिगत नियंत्रण की अनुमति देते हैं।

Climate

• Cold Climate: कठोर सर्दियों वाले क्षेत्रों के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए, ये उन्नत विशेषताओं जैसे वैरिएबल-स्पीड कंप्रेसर के कारण अत्यधिक ठंडे तापमान में भी दक्षता बनाए रखते हैं।
• Normal Climate: मध्यम जलवायु के लिए आदर्श, ये मानक हीट पंप सामान्य हीटिंग और कूलिंग आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त हैं।

Heat Transfer Method

• Gas compression: सरल, ज्ञात तकनीक के साथ, यह पर्याप्त रूप से काम करता है।
• Magnets: बड़े “सॉलिड-स्टेट” कैलोरिक हीट पंप का एक उपसमुच्चय, जिसके लिए कोई कूलेंट आवश्यक नहीं होता।

मैग्नेटोकैलोरिक हीट पंप (MCHP) प्रौद्योगिकी

MCHP मैग्नेटोकैलोरिक प्रभावों के सिद्धांतों का उपयोग करता है, अर्थात बाहरी रूप से लागू किए गए चुंबकीय क्षेत्र के परिवर्तन से चुंबकीय पदार्थों का ठंडा या गर्म होना।

स्रोत: DST

सिद्धांत रूप में, यह एक बहुत बेहतर प्रणाली हो सकती है, क्योंकि यह रेफ़्रिजरेंट सामग्री की आवश्यकता को समाप्त करता है, जो सामान्यतः विषाक्त और/या पर्यावरणीय रूप से हानिकारक होती हैं, और पारम्परिक हीट पंपों से अक्सर लीकेज होती है, विशेषकर जब उपकरण पुराना हो जाता है।

वर्षों के दौरान, विभिन्न सेटअपों का उपयोग करके मैग्नेटोकैलोरिक हीट पंप के कई अलग-अलग डिज़ाइन प्रस्तावित किए गए हैं:

• विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति।
• विभिन्न मैग्नेटोकैलोरिक सामग्री, जैसे शुद्ध गैडोलिनियम, गैडोलिनियम मिश्रधातु, और LaFeSi मिश्रधातु (लैन्थेनम-आयरन-सिलिकॉन)।
• मैग्नेटोकैलोरिक सामग्री के विभिन्न आकार।

इन प्रणालियों ने सर्वश्रेष्ठ वाष्प-संपीड़न प्रणालियों से अधिक दक्षता प्रदर्शित की है। उनका तापमान अंतराल और थर्मल पावर भी अच्छा मेल था।

हालांकि, यह अभी सिद्ध नहीं हुआ है कि ये प्रणालियाँ लागत, द्रव्यमान और आकार के मामले में पारम्परिक हीट पंपों के बराबर हो सकती हैं, जो संभावित व्यावसायिक सफलता के लिए महत्वपूर्ण विचार हैं।

परिवर्तनीय प्रदर्शन

शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रस्तावित MCHP डिज़ाइनों की सिस्टम पावर डेंसिटी (SPD) मापी, अर्थात वॉट में थर्मल पावर को डिवाइस के किलोग्राम द्रव्यमान से विभाजित किया।

मौजूदा वैज्ञानिक साहित्य में SPD की विस्तृत विविधता दिखती है, जो लगभग 1 से 40 W/kg तक होती है।

रोचक बात यह है कि सबसे अधिक SPD वाले दो डिज़ाइनों में पूरी तरह अलग दृष्टिकोण थे: एक ने उच्च आवृत्तियों पर उच्च चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग किया, और दूसरे ने कम आवृत्तियों पर कम क्षेत्रों का उपयोग किया। इसलिए संभवतः कई ऐसे दृष्टिकोण हैं जो तकनीकी रूप से व्यवहार्य हैं।

कंप्रेसरों के साथ प्रतिस्पर्धा

शोधकर्ताओं ने SPD को बढ़ाने के कई तरीकों की जांच की है, एक ऐसा शोध क्षेत्र जिसे अब तक उपेक्षित किया गया था, जहाँ निरपेक्ष दक्षता और अधिक पर सामग्री विज्ञान शोधकर्ताओं का ध्यान केंद्रित है।

हालांकि, SPD ही संभवतः ऐसे हीट पंपों के बड़े पैमाने पर अपनाने के लिए सबसे अधिक महत्वपूर्ण होगा, क्योंकि कोई भी अंतिम उपयोगकर्ता, चाहे उपभोक्ता हो या बिल्डर, पूर्ण कमरे के आकार या बहुत भारी हीट पंप को आसानी से संभालने योग्य नहीं मानेंगे।

उन्होंने विभिन्न तरीकों का उपयोग किया:

• वापर किए गए चुंबकीय मिश्रधातु में विविधता:
  • गैडोलिनियम अकेले के लिए पावर प्रति द्रव्यमान 374 W/kg था।
  • LaFeSi-आधारित सामग्री के लिए यह 854 W/kg था।
• चुंबकीय सामग्री के विभिन्न डिज़ाइन, प्लेट से मोती तक।
• विभिन्न चुंबकीय इम्पल्स, आवृत्ति और तीव्रता में विविध।

इस व्यवस्थित परीक्षण के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पाया कि 5.9 W/kg की तकनीकी बेसलाइन से, MCHP प्रणालियों को 81.3 W/kg तक बढ़ाया जा सकता है, अर्थात सिस्टम पावर डेंसिटी में लगभग 14 गुना वृद्धि।

इन निष्कर्षों से पता चलता है कि MCHP लगभग उन कुछ वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले कंप्रेसर-आधारित हीट पंपों की SPD के बराबर हो सकते हैं, विशेषकर कम या मध्यम कूलिंग पावर (< 200 W) के लिए।

मैग्नेटोकैलोरिक हीट पंप कंपनियां

अगली कंपनी अभी तक सार्वजनिक रूप से सूचीबद्ध नहीं लगती है जो MCHP बेच रही हो। हालांकि यह एक बहुत सक्रिय क्षेत्र है जिसमें कई स्टार्टअप्स हैं, अक्सर शीर्ष विश्वविद्यालयों में किए गए अत्याधुनिक शोध के स्पिन-ऑफ़। उदाहरण के तौर पर:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, is a subsidiary of the German HYDAC Group(also privately held).
• Camfridge

इसलिए, जबकि आसानी से उपलब्ध नहीं है, यह उन लोगों के लिए एक रोचक विचार हो सकता है जो मान्य निवेशक हैं और ऐसे निवेशों तक पहुंच रखते हैं।

गैडोलिनियम कंपनी

गैडोलिनियम एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व है, और वैश्विक उत्पादन (गैडोलिनियम डाइऑक्साइड) का 97% चीन द्वारा किया जाता है।

रोचक बात यह है कि इस धातु का वर्तमान में न्यूनतम उपयोग है, जैसे कुछ परमाणु रिएक्टरों में न्यूट्रॉन अवशोषण या MRI के लिए चुंबकीय कंट्रास्ट एजेंट, और इसलिए यह हीट पंपों में उपयोग किए जाने वाले प्रदूषित रेफ़्रिजरेंट के बजाय उपयोग करने के लिए एक उत्तम संसाधन होगा।

जैसे ही USA और चीन के बीच व्यापार तनाव पहले ट्रम्प राष्ट्रपति पद से लगातार बढ़ते रहे हैं, यह संभावना है कि कोई भी पश्चिमी निवेशक जो दुर्लभ पृथ्वी, जिसमें गैडोलिनियम भी शामिल है, पर दांव लगाना चाहता है, वैकल्पिक स्रोतों को प्राथमिकता देगा।

ऐसी संभावित कंपनी Neo Materials है।

Neo Materials दुर्लभ पृथ्वी और महत्वपूर्ण सामग्री उत्पादन में विशेषज्ञता रखती है। इसमें गैडोलिनियम शामिल है, लेकिन वर्तमान में अन्य महत्वपूर्ण दुर्लभ पृथ्वी और सामग्री जैसे हाफ़्नियम, नियोबियम, गैलियम, और दुर्लभ पृथ्वी चुंबक भी शामिल हैं।

स्रोत: Neo Materials

इन सभी उत्पादों का उपयोग अर्धचालकों, पवन टरबाइन के चुंबकों, इलेक्ट्रिक वाहनों आदि के उत्पादन में महत्वपूर्ण है। और अधिकांश मामलों में, 90-99% चीन द्वारा आपूर्ति किया जाता है।

कंपनी अपनी अधिकांश आय “Magnequench” से प्राप्त कर रही है: नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन (NdFeB) चुंबकीय पाउडर और चुंबक जो इलेक्ट्रिक मोटर्स (इलेक्ट्रिक वाहनों सहित) में उपयोग होते हैं।

दूसरा सबसे बड़ा स्रोत पेट्रोलियम और रासायनिक उत्प्रेरकों, हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों, जल शोधन, उच्च-कार्यक्षमता डिस्प्ले, ऑप्टिकल लेंस, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स आदि में उपयोग होने वाले रसायन और ऑक्साइड से आता है।

स्रोत: Neo Materials

Neo की आय भी भौगोलिक रूप से बहुत विविधित है, जिससे यह इस क्षेत्र की अधिकांश कंपनियों की तुलना में भू-राजनीतिक तूफानों से अधिक सुरक्षित है। यह कुछ उत्पाद चीन में बनाती है और 2019 में अधिग्रहित AsiaMag को बिक्री मात्रा को 5 गुना बढ़ाकर चीन के शीर्ष 5 सबसे बड़े बंधित चुंबक निर्माताओं में बदल दिया है।

लेकिन यह अपने भौगोलिक जोखिम को भी विविधित करता है। उदाहरण के तौर पर, कंपनी यूरोपीय संघ (एस्टोनिया) में चीन के बाहर पहला सिन्टरड मैग्नेट प्लांट बनाएगी, जिसका पहला उत्पादन 2025 में अपेक्षित है।

स्रोत: Neo Materials

कुल मिलाकर, Neo Materials चीन में स्थायी चुंबक और दुर्लभ पृथ्वी मूल्य श्रृंखला में सबसे अधिक एकीकृत उपस्थिति रखती है, केवल कच्चे अयस्क का खनन ही वर्टिकली इंटीग्रेटेड नहीं है।

कंपनी के पास दुर्लभ पृथ्वी के उन्नत डिग्री और तकनीकी विशेषज्ञ भी हैं, जो चीन या जापान के बाहर किसी भी अन्य कंपनी से अधिक हैं। और जापान में भी, यह स्थानीय प्रतिस्पर्धियों को मात देकर होंडा या Daido Steel जैसी कंपनियों के साथ अनुबंध साइन कर सकती है।

स्रोत: Neo Materials

ग्रीन ट्रांज़िशन के लिए महत्वपूर्ण सामग्री में यह मजबूत उपस्थिति, साथ ही अर्धचालक निर्माण से लेकर विशेष मिश्रधातु और उत्प्रेरकों तक कई हाई-टेक अनुप्रयोग, Neo को उन निवेशकों के लिए एक अच्छा स्टॉक विकल्प बनाते हैं जो इस क्षेत्र में एक्सपोज़र चाहते हैं, और व्यापार युद्धों के बिगड़ने की स्थिति में संभावित लाभ की संभावना है।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में मशीन लर्निंग अनुप्रयोगों की व्यापक समीक्षा. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798} (ATLO )