थर्मल ऊर्जा का पुनः उपयोग: घर का जलवायु नियंत्रण, कार पार्क, और कंप्यूटिंग

वैश्विक थर्मल ऊर्जा भंडारण बाजार पहुँच सकता है US$8 billion 2030 में US$4.4 बिलियन के आकार से, जो लगभग 7.7% की वार्षिक संयोजित वृद्धि दर (CAGR) है। भंडारण की बढ़ती मांग थर्मल ऊर्जा के निरंतर बढ़ते उपयोग को संकेत देती है।

लेकिन थर्मल ऊर्जा वास्तव में क्या है, और हम इसे कैसे संग्रहीत करते हैं? हम आने वाले भागों में इन प्रश्नों की जड़ तक पहुँचेंगे ताकि देख सकें कि थर्मल ऊर्जा हमारे आधुनिक विश्व की जरूरतों के लिए कुशल ऊर्जा उपयोग पैरेडाइम कैसे बना रही है।

थर्मल ऊर्जा का संक्षिप्त इतिहास

थर्मल ऊर्जा और उसकी संभावनाओं को पहचानने का इतिहास 1847 तक जाता है। यह श्रेय विश्व प्रसिद्ध अंग्रेज़ भौतिक विज्ञानी और गणितज्ञ जेम्स प्रेस्कॉट जौल को जाता है।

सरल शब्दों में, जौल ने गर्मी और यांत्रिक ऊर्जा के बीच संबंध को उजागर किया, जिससे अंततः ऊर्जा संरक्षण का नियम (जिसे थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम भी कहा जाता है) स्थापित हुआ। यह नियम कहता है कि ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन उसे न तो बनाया जा सकता है न ही नष्ट किया जा सकता है।

वैज्ञानिक जौल ने इस क्रांतिकारी निष्कर्ष तक कैसे पहुँचे, यह एक रोमांचक प्रयोग था जो हमें आज थर्मल ऊर्जा के रूप में ज्ञात प्रकृति को समझने में मदद कर सकता है।

अपने प्रयोग में, जौल ने मापा कि एक इलेक्ट्रिक मोटर को एक निश्चित मात्रा के पानी का तापमान एक डिग्री बढ़ाने के लिए कितना कार्य करना चाहिए। उन्होंने यह भी मापा कि जब पानी एक छिद्रयुक्त सिलेंडर से गुजरता है तो उसका तापमान कितना बढ़ता है और गैस को संकुचित करने पर उत्पन्न गर्मी।

अपने अनुसंधान के दौरान, उन्होंने पाया कि तरल पर लागू यांत्रिक ऊर्जा हमेशा उत्पन्न हुई गर्मी ऊर्जा के बराबर थी, जिससे यह संकेत मिलता है कि ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में पुनः उपयोग करना संभव है।

व्यापक रूप में, इस प्रयोग ने हमारे ब्रह्मांड और उसकी ऊर्जा प्रणाली के बारे में बहुत कुछ कहा। यह सबसे महत्वपूर्ण रूप से दर्शाता है कि ब्रह्मांड में कुल ऊर्जा स्थिर रहती है, जहाँ एक रूप की ऊर्जा दूसरे रूप में परिवर्तित होती है।

जौल की खोज ने थर्मोडायनामिक्स नामक एक पूर्ण अध्ययन शाखा को जन्म दिया। हमने पहले ही इस सिद्धांत का पहला नियम देखा है। इसके अलावा इसके तीन और नियम हैं। ये चार मूलभूत नियम थर्मोडायनामिक्स की रूपरेखा तय करते हैं, जो गर्मी, कार्य और तापमान से संबंधित हैं और उनके अंतःक्रिया कैसे ऊर्जा, विकिरण और पदार्थ की भौतिक गुणों को प्रभावित करती है।

यदि कोई थर्मल ऊर्जा की संभावनाओं और उनके हमारे प्रक्रियाओं में उपयोग को पूरी तरह समझना चाहता है, तो थर्मोडायनामिक्स को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है। मूल रूप से, थर्मोडायनामिक्स यह समझाता है कि थर्मल ऊर्जा कैसे अन्य रूपों में परिवर्तित होती है और इसके विपरीत। थर्मल ऊर्जा वस्तु के भीतर कणों की गति से उत्पन्न गर्मी से आती है। गति जितनी तेज़, उतनी ही अधिक गर्मी उत्पन्न होती है।

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थर्मल ऊर्जा उत्पादन के पीछे का विज्ञान: संचरण, संवहन, विकिरण

कण या अणुओं की गति से गर्मी उत्पन्न होती है। लेकिन इन गतियों से गर्मी उत्पन्न करने के कम से कम तीन तरीके हैं।

संचरण प्रक्रिया में, बिना शरीर के गति किए, घटक कणों की गति से गर्मी उत्पन्न होती है। संचरण द्वारा गर्मी उत्पन्न होने का वास्तविक जीवन उदाहरण वह है जब स्टेनलेस स्टील की चम्मच को कुछ समय के लिए पकाने के बर्तन के अंदर रखा जाता है जबकि बर्तन नीचे से गर्म किया जा रहा होता है, जिससे चम्मच का तापमान बढ़ जाता है।

संवहन प्रक्रिया वह है जहाँ ऊर्जा का स्थानांतरण ठोस सतह और चलती हुई तरल या गैस के बीच होता है। बर्तन में पानी डालकर सीधे बर्तन को गर्म करने का उदाहरण संवहन ऊर्जा स्थानांतरण प्रक्रिया है।

अंत में, विकिरण प्रक्रिया में, गर्मी या थर्मल ऊर्जा के आदान-प्रदान के लिए दो शरीर या पदार्थों को एक-दूसरे के संपर्क में होने की आवश्यकता नहीं होती। इस प्रक्रिया का सामान्य उदाहरण इन्कैंडेसेंट लैंप को बर्फ के पास रखना है, जिससे बर्फ पिघल जाती है, जबकि लैंप और बर्फ कभी नहीं छूते।

जबकि ये थर्मल ऊर्जा उत्पादन के तरीके मानव आँख से नहीं देखे जा सकते और केवल उनके बाहरी या भौतिक अभिव्यक्तियों को देखकर समझे जा सकते हैं, थर्मल ऊर्जा के उदाहरण अक्सर पहचानने में आसान होते हैं क्योंकि हम उनके साथ कई बार संपर्क में आते हैं।

उदाहरण के लिए, सौर विकिरण हमारे वायुमंडल को गर्म करता है, और हम इसके परिणामस्वरूप गर्मी महसूस करते हैं। इसी प्रकार, भू-तापीय ऊर्जा भी है, जो पृथ्वी की गहरी परतों से निरंतर बाहर की ओर प्रवाहित होने वाली तीव्र गर्मी है। चट्टानों में मौजूद रेडियोधर्मी तत्वों के क्षय से यह गर्मी उत्पन्न होती है। फिर समुद्र के सतह की बात करें तो, यह सूर्य की किरणों के सीधे लंबे समय तक संपर्क में रहने के कारण विशाल थर्मल ऊर्जा भंडारण क्षमता रखती है। ईंधन कोशिकाएँ भी थर्मल ऊर्जा से उत्पन्न ऊर्जा को उपयोग में लाने में मदद करती हैं।

थर्मल ऊर्जा का पुनः उपयोग: विश्व भर में प्रयास

सिद्धांत रूप में, ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित होती है। इसलिए ऊर्जा का पुनः उपयोग हमारे प्राकृतिक विज्ञान सिद्धांतों के अनुरूप है। यह ऊर्जा की वास्तविक संभावनाओं को उसकी तत्काल उपयोगिता से परे जाकर उपयोग करने का एक कुशल तरीका है। हम कुछ थर्मल ऊर्जा पुनः उपयोग के उदाहरणों को देखेंगे।

भूमिगत कार पार्कों में उत्पन्न थर्मल ऊर्जा से भूजल को गर्म करना

मार्टिन लूथर यूनिवर्सिटी हाले-विटेनबर्ग (MLU), कार्ल्सरुहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, और यूनिवर्सिटी ऑफ बेसल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विस्तृत अध्ययन किया जर्मनी, ऑस्ट्रिया और स्विट्ज़रलैंड के शहरों में 31 भूमिगत कार पार्कों का।

इनमें से छह स्थानों में, उन्होंने पास के भूजल का तापमान भी मापा। उन्होंने तैयार किए गए हीट प्रोफ़ाइल से निष्कर्ष निकाला कि भूमिगत कार पार्क पूरे वर्ष भूजल को लगातार गर्म करते हैं। यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि यह गर्मी मुख्यतः पार्केड कारों के इंजनों से आती है।

मैक्सिमिलियन नोएथेन, MLU के भूविज्ञानी, ने कहा, “सार्वजनिक भूमिगत कार पार्क निजी कार पार्कों की तुलना में अधिक भूजल को गर्म करते हैं, क्योंकि वे अक्सर गहरे होते हैं और कारें वहाँ कम समय के लिए पार्क की जाती हैं।”

शोधकर्ताओं ने इस थर्मल ऊर्जा को पुनः उपयोग करने की संभावना भी बताई। उदाहरण के लिए, बर्लिन के भूमिगत कार पार्कों से वार्षिक ऊर्जा उत्पादन, लगभग 0.65 पेटाजूल, सैद्धांतिक रूप से लगभग 14,660 घरों को गर्मी प्रदान कर सकता है।

इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की गर्मी का पुनः उपयोग

यह अध्ययन मार्टिन लूथर यूनिवर्सिटी हाले-विटेनबर्ग (MLU) और चीन के सेंट्रल साउथ यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों द्वारा किया गया। यह अध्ययन तकनीकी उपकरणों में उत्पन्न गर्मी को कंप्यूटिंग के लिए उपयोग करने की व्यवहार्यता का प्रस्ताव करता है। इसके लिए केवल विशिष्ट सामग्री को मिलाना आवश्यक है।

इलेक्ट्रॉनिक उपकरण विद्युत धारा के प्रवाह के कारण गर्म होते हैं। यह गर्मी प्रसारित होती है और प्रक्रिया में खो जाती है। मार्टिन लूथर यूनिवर्सिटी (MLU) के भौतिकी प्रोफेसर डॉ. जमाल बेराकदार के अनुसार, “दशकों से लोग इलेक्ट्रॉनिक्स में इस खोई हुई ऊर्जा को पुनः उपयोग करने के तरीकों की खोज में लगे हुए हैं।”

गर्मी को पुनः उपयोग करने की नई विधि पारम्परिक इलेक्ट्रॉनिक सर्किटों के बजाय गैर-चालक चुंबकीय पट्टियों को सामान्य धातु स्पेसर के साथ उपयोग करने का प्रस्ताव रखती है। “हमारी तकनीक सूचना प्रौद्योगिकी में अतिरिक्त गर्मी का उपयोग करके ऊर्जा बचाने में योगदान दे सकती है,” बेराकदार बताते हैं।

गर्मी संग्रहीत करने के लिए नमक बैटरियां

यह शोध पत्र एक हालिया विकास है क्योंकि रेडबौड विश्वविद्यालय की पीएचडी छात्रा लियन ब्लिज़लेवेंस अपने थर्मल ऊर्जा भंडारण में नमक की उपयोगिता पर शोध का बचाव करने वाली हैं। यहाँ उल्लेखित नमक सामान्य टेबल नमक नहीं, बल्कि स्ट्रॉंटियम क्लोराइड जैसे प्रकार हैं।

ब्लिज़लेवेंस के अध्ययन का मूल भाग नमक बैटरी है, जो नमक जलयोजन और जलयुक्त नमकों को क्रिस्टलीय रूप में संग्रहीत करने के लिए डिजाइन की गई है। इस बैटरी को रीचार्ज करने में नमक को गर्म करना शामिल है, जिससे क्रिस्टल से पानी निकल जाता है।

“जब आपको गर्मी की आवश्यकता हो, तो आप क्रिस्टलों में जलवाष्प जोड़ते हैं, और फिर से गर्मी मुक्त होती है,” ब्लिज़लेवेंस निष्कर्ष निकालती हैं।

इन शोध पत्रों में इस क्षेत्र में एक समृद्ध नवाचार माहौल दिखता है, कुछ समाधान एंटरप्राइज़ स्तर पर थर्मल ऊर्जा को पुनः उपयोग करने में मदद करते हैं। हम अगले भागों में कुछ ऐसे समाधान प्रदाताओं पर चर्चा करेंगे।

ऊर्जा पुनः उपयोग समाधान प्रदाता: एंटरप्राइज़ स्तर

#1. Calefa

Calefa एक फ़िनलैंड-आधारित टर्नकी समाधान प्रदाता है जो गर्मी के पुनर्चक्रण में विशेषज्ञता रखता है। इसकी पेशकश में एक मॉड्यूलर AmbiHeat हीट पंप प्लांट शामिल है। यह अपशिष्ट गर्मी को पुनर्चक्रित करने के लिए परिवेशीय ऊर्जा स्रोतों और रेट्रोफ़िट सिस्टमों का उपयोग करता है। चूँकि हमने समाधान के रूप में हीट पंपों का उल्लेख किया है, इसलिए यह समझाना उपयोगी होगा कि उन्हें क्यों घर के जलवायु नियंत्रण के लिए शीर्ष विकल्प माना जाता है।

हीट पंप कई-स्थापना जलवायु नियंत्रण उपकरण हैं जो गर्मी को एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित करते हैं। यह गर्मी उत्पन्न नहीं करता, केवल उसे ले जाता है, जिससे घर को गर्म या ठंडा करने के लिए यह ऊर्जा-कुशल विकल्प बनता है। सर्दियों में, ये पंप बाहरी से गर्मी निकालते हैं और उसे अंदर स्थानांतरित करते हैं। गर्मियों में, यह प्रक्रिया उलट जाती है।

संगठन द्वारा प्रकाशित प्रकाशित डेटा के अनुसार, Calefa ने पिछले दस वर्षों में लगभग 200 ऊर्जा प्रणालियों को वितरित किया है जो अपशिष्ट गर्मी या परिवेशीय ऊर्जा का उपयोग करती हैं। इसने 34 मिलियन अमेरिकी डॉलर से अधिक की मौद्रिक बचत, लगभग 650,000 MWh ऊर्जा, और 142 मिलियन किलोग्राम से अधिक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में कमी में मदद की है।

#2. Heata

Heata, एक यूके-आधारित नवाचारी स्टार्टअप, ने कंप्यूटरों द्वारा उत्पन्न गर्मी का उपयोग करके मुफ्त गर्म पानी प्रदान करने का विचार प्रस्तुत किया। यह स्टार्टअप एक नवाचार परियोजना British Gas के साथ, उन लोगों की मदद करने के लिए जो ईंधन की कमी या ईंधन गरीबी में जी रहे हैं।

उन्होंने ब्लॉकचेन क्षेत्र की जांच की और बिटकॉइन माइनरों द्वारा उपयोग की जाने वाली बड़ी मात्रा में ऊर्जा और प्रक्रिया में उत्पन्न बड़ी मात्रा में अपशिष्ट गर्मी के बारे में जाना। इस गर्मी को पुनः उपयोग करने के लिए, Heata टीम ने बिटमाइनर को खनिज तेल में डुबोया और इसे रेडिएटर से जोड़ा ताकि उनके विचार की व्यवहार्यता का परीक्षण किया जा सके।

एक बार जब उन्होंने इस विचार को लागू करने योग्य पाया, तो उन्होंने गर्म पानी के सिलेंडर स्थापित किए जहाँ मांग वर्ष भर काफी स्थिर रहती है। उन्होंने इस उद्योग में डिकार्बोनाइजेशन प्रयासों का समर्थन करने के लिए बिटकॉइन माइनिंग से सामान्य कंप्यूटिंग की ओर भी रुख किया।

2017 में स्थापित और यूनाइटेड किंगडम के सरे के गोडाल्मिंग में मुख्यालय स्थित, Heata कंपनियों को उनके कार्बन फुटप्रिंट को कम करने और परिवारों को उनके ऊर्जा बिलों पर प्रति वर्ष £450 तक बचाने में सक्षम बनाता है। इस स्टार्टअप ने इस वर्ष अक्टूबर में 1 मिलियन पाउंड की सीड फंडिंग बंद की।

डेटा सेंटर की गर्मी का पुनः उपयोग

वर्ल्ड इकोनॉमिक फोरम ने उन तकनीकी कंपनियों पर ध्यान दिया है जो अपने डेटा सेंटर—जहाँ उनके सर्वर स्थित हैं—का उपयोग घरों को गर्म करने और कार्बन डाइऑक्साइड को कम करने के लिए कर रही हैं। कई पहलें इस प्रक्रिया को सुगम बना रही हैं, और इंटरनेशनल डेटा कॉरपोरेशन के अनुसार, डेटा सेंटर हीटिंग बाजार का मूल्य US$2.5 billion 2025 तक हो सकता है।

स्टॉकहोम डेटा पार्क्स स्वीडन में ऐसी ही एक पहल है जो स्टॉकहोम डेटा सेंटरों द्वारा उत्पन्न अपशिष्ट गर्मी को उपयोग करके घरों को गर्म करती है। महत्वाकांक्षी लक्ष्य के साथ, यह पहल 2035 तक इस तरीके से स्टॉकहोम की कुल हीटिंग आवश्यकता का 10% पूरा करने की योजना बना रही है। इस संभावनाओं को बड़े पैमाने पर दोहराते हुए, थिंक टैंक Energy Innovation बताता है कि सबसे बड़े डेटा सेंटर 100 मेगावॉट से अधिक ऊर्जा उत्पन्न कर सकते हैं, जो 80,000 घरों को शक्ति प्रदान करने के लिए पर्याप्त है।

Switch Datacenters एक और नीदरलैंड-आधारित कंपनी है जिसने प्राकृतिक गैस पर अपनी निर्भरता को कम किया है, गैस जनरेटर यूनिटों को डेटा सेंटर हीटिंग से बदलकर। कंपनी के सीईओ के अनुसार, इस प्रणाली के माध्यम से सर्वर की गर्मी का 97% तक घरों और कार्यालयों तक पहुँचाना संभव है।

भविष्य: वैश्विक तकनीकी दिग्गज माइक्रोसॉफ्ट का कदम

माइक्रोसॉफ्ट ने फिनिश कंपनी फोर्टम के साथ साझेदारी की है ताकि हेलसिंकी में हजारों घरों को गर्म किया जा सके, और जैसे ही यह सहयोग सफल साबित हुआ, फोर्टम को उम्मीद है कि उनका समाधान हेलसिंकी के 40% घरों को गर्म करने में मदद करेगा।

स्थिरता के प्रति अपनी प्रतिबद्धता को आगे बढ़ाते हुए, माइक्रोसॉफ्ट ने अब हेलसिंकी में अपने दो नए डेटा सेंटरों को नवीकरणीय ऊर्जा से चलाने का निर्णय लिया है, जो वार्षिक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को 400,000 tonnes से कम करने की संभावना रखता है।

हालांकि, यह पर्यावरणीय पहल माइक्रोसॉफ्ट के वैश्विक प्रभाव का केवल एक पहलू है। कंपनी, जो विश्वभर में प्रसिद्ध है, ने FY2023 में US$211 billion की आय की रिपोर्ट की और ऑपरेटिंग इनकम US$88 बिलियन से अधिक थी। माइक्रोसॉफ्ट की थर्मल ऊर्जा पुनः उपयोग प्रयासों में भागीदारी न केवल उसकी स्थिरता प्रतिबद्धताओं को उजागर करती है बल्कि इन प्रयासों को महत्वपूर्ण दृश्यता और अनुकूलनशीलता भी प्रदान करती है।

अब, फिर से थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम की ओर लौटते हैं। ऊर्जा का सबसे अच्छा उपयोग तब होता है जब प्रयास इसे एक रूप से दूसरे रूप में बदलने की दिशा में होते हैं। थर्मल ऊर्जा का पुनः उपयोग इस दिशा में एक कुशल कदम है। आने वाले वर्षों में इसके अपनाने में महत्वपूर्ण वृद्धि न देखने का कोई कारण नहीं है।