शानदोंग का समुद्री जल संयंत्र अपशिष्ट ऊष्मा से बना रहा सस्ता पानी और हरित हाइड्रोजन

पानी और हाइड्रोजन के लिए एक नया मॉडल

चीन ने शानदोंग प्रांत के तटीय शहर रिझाओ में एक छोटा लेकिन महत्वाकांक्षी संयंत्र शुरू किया है, जो समुद्री जल और औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा को दो रणनीतिक संसाधनों में बदलता है: कम लागत वाला ताज़ा पानी और हरित हाइड्रोजन। परियोजना संचालकों का कहना है कि यह संयंत्र प्रति घन मीटर लगभग दो युआन (करीब 28 अमेरिकी सेंट) की लागत पर ताज़ा पानी बनाता है, जो कई शहरों में नगर निगम के नल के पानी की आम दरों से कम है। यह सह-उत्पाद के रूप में उच्च शुद्धता वाली हाइड्रोजन भी बनाता है और खनिज-समृद्ध नमकीन पानी को समुद्री रसायनों के उत्पादन के लिए अलग करता है। यह संयंत्र तीन सप्ताह से अधिक समय से लगातार चल रहा है। एकीकृत जल और ऊर्जा प्रणाली के इस नए प्रकार की विश्वसनीयता साबित करने की दिशा में यह एक अहम पड़ाव है।

इस अवधारणा का वर्णन करना आसान, लेकिन इसे अमल में लाना कठिन है। एक ही इनपुट, समुद्री जल, से तीन उत्पाद मिलते हैं। हर साल 800 टन समुद्री जल के प्रसंस्करण पर संयंत्र लगभग 450 घन मीटर अति-शुद्ध पानी देता है, जो औद्योगिक शीतलन या घरेलू उपयोग के लिए उपयुक्त है; साथ ही लगभग 192,000 मानक घन मीटर हरित हाइड्रोजन और करीब 350 टन नमकीन पानी भी बनता है, जिसे रासायनिक उत्पादक खरीद सकते हैं। बताया गया है कि हाइड्रोजन के हर मानक घन मीटर के उत्पादन में लगभग 4.2 किलोवाट-घंटे बिजली लगती है, जो इस प्रक्रिया को आधुनिक इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रदर्शन के अनुरूप रखती है। रिझाओ की खासियत यह है कि वह पास के इस्पात और पेट्रोकेमिकल संयंत्रों से निम्न-स्तरीय ऊष्मा लेकर पानी की लागत घटाता है। यह ऊष्मा आम तौर पर हवा या समुद्र में बिखर जाती है।

रिझाओ प्रणाली कैसे काम करती है

इस संयंत्र में ताज़े पानी का उत्पादन ऊर्जा-गहन उद्योगों के ठीक बगल में होता है, जहां लगातार कम तापमान वाली ऊष्मा निकलती रहती है। यह ऊष्मा पृथक्करण की ऐसी प्रक्रिया चलाती है जो अपेक्षाकृत कम ताप पर समुद्री जल को बहुत साफ पानी में बदलती है। इस काम के लिए उपयुक्त तकनीकों में झिल्ली आसवन और आर्द्रीकरण-विआर्द्रीकरण शामिल हैं, जो कम तापमान वाली ऊष्मा से प्रभावी ढंग से काम करती हैं। ताज़े पानी का एक हिस्सा उपयोगकर्ताओं को दिया जाता है, जबकि बाकी इलेक्ट्रोलाइज़र में जाता है, जहां पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया जाता है। बचा हुआ सांद्र नमकीन पानी ब्रोमीन, मैग्नीशियम लवण और औद्योगिक नमक जैसे उत्पादों के लिए कच्चा माल बन सकता है। इससे सांद्र नमकीन पानी को वापस समुद्र में छोड़ने की जरूरत घटती है।

निम्न-स्तरीय ऊष्मा क्यों अहम है

भारी उद्योग बड़ी मात्रा में मध्यम और निम्न तापमान वाली ऊष्मा गंवाते हैं। इस्पात मिलें और तेल रिफाइनरियां इसके प्रमुख उदाहरण हैं। इस ऊष्मा को पकड़कर पानी बनाने में इस्तेमाल करने से अलवणीकरण के लिए अतिरिक्त बिजली की खपत बचती है। तटीय औद्योगिक पार्कों में समुद्री जल और अपशिष्ट ऊष्मा प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं, जबकि शीतलन की जरूरत लगातार बनी रहती है। अलवणीकरण और विद्युत-अपघटन को बड़े ऊष्मा स्रोतों के साथ रखने से परिचालन लागत और कार्बन उत्सर्जन, दोनों घटते हैं। इससे पानी का उपयोग नगर निगम की आपूर्ति के बजाय दूसरे स्रोतों से होता है, जिससे स्थानीय जलभृतों और नदियों पर दबाव कम होता है।

ऊर्जा के आंकड़ों का अर्थ

हाइड्रोजन की ऊर्जा खपत पर अक्सर प्रति किलोग्राम बिजली की मात्रा के हिसाब से चर्चा होती है। एक मानक घन मीटर हाइड्रोजन में लगभग एक-नौवां किलोग्राम हाइड्रोजन होता है। प्रति मानक घन मीटर 4.2 किलोवाट-घंटे की दर से देखें तो यह प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन लगभग 47 किलोवाट-घंटे बैठता है। यह आधुनिक क्षारीय और प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन इकाइयों की सीमा के भीतर है। रिझाओ का नवाचार कोई असाधारण इलेक्ट्रोलाइज़र नहीं, बल्कि यह है कि संयंत्र अपशिष्ट ऊष्मा से चलने वाली समुद्री जल प्रणाली के साथ इलेक्ट्रोलाइज़र जोड़कर लागत और पानी की जरूरत घटाता है। उत्पाद को हरित हाइड्रोजन कहने के लिए बिजली का कम कार्बन वाला होना अब भी जरूरी है, लेकिन ऊष्मा की लागत बहुत कम है, क्योंकि वरना वह बेकार चली जाती।

क्या हाइड्रोजन सीधे समुद्र से बनाई जा सकती है

सीधे समुद्री जल का विद्युत-अपघटन, जिसमें अलग से अलवणीकरण किए बिना इलेक्ट्रोलाइज़र समुद्री जल पर चलते हैं, शोध का एक सक्रिय क्षेत्र है। इसका सबसे बड़ा आकर्षण अपतटीय क्षेत्रों में है, जहां पवन फार्म और प्लेटफॉर्म समुद्र में हाइड्रोजन बना सकते हैं और उसे पाइपलाइन या जहाज से तट तक पहुंचा सकते हैं। चुनौती रसायन-विज्ञान की है। समुद्री जल में क्लोराइड, सल्फेट और कार्बनिक पदार्थों की मात्रा अधिक होती है। सामान्य सेल में एनोड पर क्लोरीन बनने की प्रतिक्रिया को प्राथमिकता मिल सकती है, जिससे पुर्जे खराब होते हैं और अवांछित क्लोरीन बनती है। रेत, जैविक परतों का जमाव और खनिज जमाव भी उपकरणों की उम्र घटाते हैं। इन समस्याओं से निपटने के लिए शोध दल ऐसे नए उत्प्रेरकों का परीक्षण कर रहे हैं जो क्लोराइड के असर का सामना कर सकें, ऐसे छिद्रयुक्त विभाजक जो पार्श्व प्रतिक्रियाएं शुरू करने वाले आयनों को रोकें, और ऐसे डिजाइन जो क्लोरीन को प्रतिक्रिया क्षेत्र से बाहर रखें। चीन के तट से दूर एक तैरते प्रदर्शन संयंत्र ने पहले ही दिखाया है कि झिल्ली-आधारित प्रणाली उग्र समुद्री परिस्थितियों में चल सकती है। इसमें समुद्र से पानी लेते हुए विद्युत-अपघटन के लिए साफ पानी की परत अलग रखी जाती है।

दो रास्ते, एक लक्ष्य

समुद्र और हाइड्रोजन को जोड़ने के दो मुख्य तरीके हैं। पहले तरीके में समुद्री जल का अलवणीकरण करके फिर पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइज़र चलाया जाता है। दूसरे में इलेक्ट्रोलाइज़र को समुद्री जल या चलते-चलते पर्याप्त साफ किए गए पानी पर काम करने के लिए अनुकूलित किया जाता है। रिझाओ छोटे पैमाने पर पहले तरीके जैसा दिखता है, लेकिन इसमें एक खास बदलाव है। पानी की प्रक्रिया के लिए बड़े बिजली चालित पंपों और उच्च-दबाव वाले रिवर्स ऑस्मोसिस के बजाय यह पास के संयंत्रों की ऊष्मा इस्तेमाल करता है। अपतटीय और दूरस्थ पवन ऊर्जा स्थल दूसरा तरीका अपना सकते हैं, क्योंकि वहां जगह और रखरखाव सीमित होते हैं। तटीय औद्योगिक पार्क पहला तरीका पसंद कर सकते हैं, क्योंकि वहां अपशिष्ट ऊष्मा उपलब्ध है और इससे उद्योगों के लिए पानी और हाइड्रोजन, दोनों बनते हैं। प्रयोगशालाओं और प्रायोगिक संयंत्रों में जंग-रोधी उत्प्रेरक, नई झिल्लियां और झिल्ली-रहित अवधारणाएं, दोनों तरीकों को आगे बढ़ा रही हैं।

प्रायोगिक संयंत्र से उद्योग तक लागत और विस्तार

ताज़े पानी की कीमत दो युआन प्रति घन मीटर बताना खासा ध्यान खींचता है। यह दर कई शहरी नल-जल शुल्कों से कम है और इसमें शुद्धिकरण का वह स्तर शामिल है, जिसे कई औद्योगिक उपयोगकर्ता अन्यथा खुद हासिल करते। पानी की कम लागत से जल-संकट वाले प्रांतों में हाइड्रोजन उत्पादन अधिक आकर्षक बनता है, क्योंकि इलेक्ट्रोलाइज़र की सुरक्षा के लिए आम तौर पर बहुत साफ पानी चाहिए। पानी और हाइड्रोजन का सह-उत्पादन पूंजीगत लागत को दो उत्पादों में बांटता है, जबकि नमकीन पानी से बने रसायनों की बिक्री परिचालन खर्च का कुछ हिस्सा पूरा कर सकती है।

हाइड्रोजन की बिजली लागत ऊर्जा स्रोत पर निर्भर करती है। लगभग 47 किलोवाट-घंटे प्रति किलोग्राम की खपत पर, तीन से पांच अमेरिकी सेंट प्रति किलोवाट-घंटे की बिजली दर से ऊर्जा का खर्च करीब 1.40 से 2.35 डॉलर प्रति किलोग्राम होगा। उपकरण, रखरखाव और वित्तपोषण की लागत भी इसमें जुड़ती है और ये खर्च काफी अलग-अलग हो सकते हैं। रिझाओ का संयंत्र छोटा है, लेकिन इससे एक ऐसे मॉडल का संकेत मिलता है जिसे चीन के तटीय इलाकों में बड़े पैमाने पर अपनाया जा सकता है। देश में घने औद्योगिक गलियारे हैं, जहां अपशिष्ट ऊष्मा प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है। इस वजह से शानदोंग, हेबेई और जियांगसू के इस्पात औद्योगिक समूहों जैसे स्थल बड़े उपकरणों के साथ इस अवधारणा को दोहराने के उपयुक्त उम्मीदवार हैं।

बिजली की उपलब्धता भी बेहतर हो रही है। एक अति-उच्च-वोल्टेज गलियारा अब पश्चिमी प्रांतों के बड़े पवन और सौर ऊर्जा क्षेत्रों को पूर्व के बिजली खपत केंद्रों से जोड़ता है। नई बिजली लाइनें गांसू की नई उत्पादन क्षमता को शानदोंग तक बिजली पहुंचाने वाले ग्रिड से जोड़ती हैं। स्थिर नवीकरणीय बिजली मिलने पर भविष्य में रिझाओ जैसे संयंत्र इलेक्ट्रोलाइज़र की क्षमता बढ़ा सकेंगे और उन घंटों में भी हाइड्रोजन का कार्बन उत्सर्जन कम रख सकेंगे, जब केवल अपशिष्ट ऊष्मा से मांग पूरी न हो।

जल-संकट वाले क्षेत्रों के लिए यह क्यों अहम है

जहां पानी की कमी हो, वहां हाइड्रोजन बनाने में पानी की बड़ी जरूरत पड़ती है। एक किलोग्राम हाइड्रोजन बनाने के लिए आम तौर पर करीब नौ लीटर साफ पानी चाहिए। विश्लेषकों का अनुमान है कि अगले दशक में हाइड्रोजन की नई मांग के लिए अरबों घन मीटर ताज़े पानी की जरूरत होगी। यदि यह मांग सूखे क्षेत्रों में बढ़ती है, तो समुद्री जल और अपशिष्ट जल के इस्तेमाल के बिना जलापूर्ति पर दबाव पड़ेगा। शोध से पता चलता है कि अलवणीकरण को विद्युत-अपघटन के साथ जोड़ने और ईंधन सेल तथा इलेक्ट्रोलाइज़र की अपशिष्ट ऊष्मा वापस हासिल करने से कुल ऊर्जा लागत कुछ प्रतिशत घट सकती है। पानी का स्रोत तट पर ले जाने और ऐसी ऊष्मा का इस्तेमाल करने से, जो वरना बेकार जाती, अंदरूनी इलाकों का पानी खेतों और शहरों के लिए बचा रहता है और ऊर्जा की खपत भी कुछ कम होती है।

पर्यावरणीय डिजाइन भी अहम है। बिना सावधानी के समुद्र में छोड़ा गया नमकीन पानी समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र को नुकसान पहुंचा सकता है। रिझाओ मॉडल नमकीन पानी को रासायनिक उत्पादन के लिए बेचकर यह जोखिम घटाता है, जिससे समुद्र में उसका बहाव सीमित रहता है। समुद्री जीवों को नुकसान से बचाने के लिए समुद्री जल का सेवन भी सावधानी से डिजाइन करना जरूरी है। बेहतर तरीका यह है कि बारीक जालियों से पानी कम वेग पर लिया जाए और सेवन बिंदु ऐसी जगहों पर हों, जहां मछलियां और उनके लार्वा कम हों। ये बातें बाद में सोचने की नहीं हैं। तटीय औद्योगिक पार्कों में अलवणीकरण और विद्युत-अपघटन को जोड़ने वाली परियोजनाओं की संख्या बढ़ने के साथ अनुमति और समुदाय का समर्थन हासिल करने के लिए ये जरूरी हैं।

चीन हाइड्रोजन तकनीक के इर्द-गिर्द पारिस्थितिकी तंत्र बना रहा है

रिझाओ जैसी परियोजनाओं के पीछे बढ़ता विनिर्माण आधार और साझेदारों का मजबूत नेटवर्क है। तियानजिन में अब एक यूरोपीय कंपनी के पूर्ण नियंत्रण वाला बड़ा इलेक्ट्रोलाइज़र कारखाना हर साल सैकड़ों मेगावाट क्षमता वाले क्षारीय मॉड्यूल बनाता है। इस संयंत्र ने स्वचालन और गुणवत्ता प्रणालियों को उन्नत किया है और परिचालन में मौजूद कुछ सबसे बड़ी हाइड्रोजन परियोजनाओं को उपकरण दे चुका है। पूर्ण नियंत्रण से डिजाइन में बदलाव तेजी से किए जा सकते हैं, लॉजिस्टिक्स पर बेहतर पकड़ रहती है और वैश्विक ऑर्डर के लिए गुणवत्ता आश्वासन मजबूत होता है।

हाइड्रोजनप्रो के मुख्य कार्यकारी यार्ले ड्रैगविक ने इस बदलाव को बहुत बड़ी परियोजनाओं की मांग के अनुरूप क्षमता तैयार करने का तरीका बताया।

यह परिचालन को सुव्यवस्थित करने और बड़े पैमाने की परियोजनाओं के लिए तैयार, लागत-कुशल व्यवस्था सुनिश्चित करने के बारे में है।

चीन में विदेशी और घरेलू कंपनियां अलवणीकरण, नवीकरणीय ऊर्जा और हाइड्रोजन के क्षेत्रों में अपने संबंध मजबूत कर रही हैं। पानी और ऊर्जा क्षेत्र की एक वैश्विक विकास कंपनी ने विश्वविद्यालयों और प्रयोगशालाओं के साथ मिलकर फोटोवोल्टिक, पवन ऊर्जा, ऊर्जा भंडारण, हरित हाइड्रोजन और समुद्री जल के अलवणीकरण पर काम करने के लिए शंघाई में एक नवाचार केंद्र खोला है। चीनी कंपनियां अपनी विशेषज्ञता का निर्यात भी कर रही हैं। इनमें से एक मिस्र में पवन और सौर ऊर्जा से जुड़ी हरित हाइड्रोजन परियोजना बना रही है, जिसका लक्ष्य अमोनिया का निर्यात है। दूसरी कंपनी सऊदी अरब में एक विशाल हाइड्रोजन-से-अमोनिया संयंत्र के डिजाइन में साझेदारी कर रही है। ये कदम ऐसी आपूर्ति शृंखला की ओर इशारा करते हैं, जो देश और विदेश की परियोजनाओं के लिए उपकरण, सेवाएं और संचालन का अनुभव मुहैया करा सकती है।

आगे क्या हो सकता है

रिझाओ और इसी तरह के संयंत्रों के लिए अगली परीक्षा समय की है। इंजीनियर ऊष्मा से चलने वाली झिल्लियों पर जमाव, पाइपों में खनिज जमने और अपशिष्ट ऊष्मा की उपलब्धता के साथ चालू-बंद होने वाले इलेक्ट्रोलाइज़र की स्थिरता पर नजर रखेंगे। अधिक समय तक संचालन से रखरखाव की वास्तविक जरूरतें और कामकाज के सबसे अच्छे समय स्पष्ट होंगे। कारोबारी पक्ष पर पानी, हाइड्रोजन और नमकीन पानी से बने रसायनों की तीन उत्पाद धाराओं का एकीकरण, राजस्व में उतार-चढ़ाव को संभालने और परियोजना को वित्तपोषण योग्य बनाने में मदद कर सकता है।

दो तकनीकी रास्तों के बीच चुनाव भी स्पष्ट होगा। प्रत्यक्ष समुद्री जल विद्युत-अपघटन को पवन और तरंग ऊर्जा वाले अपतटीय क्षेत्रों में जगह मिल सकती है, जहां सरलता और छोटे उपकरण अहम हैं। जहां निम्न-स्तरीय ऊष्मा प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है और बहुत साफ प्रक्रिया जल की लगातार मांग है, वहां अलवणीकरण के बाद विद्युत-अपघटन को बढ़त मिल सकती है। अंतिम लक्ष्य एक ही है: दुर्लभ मीठे पानी के स्रोतों पर दबाव डाले बिना प्रतिस्पर्धी लागत पर हरित हाइड्रोजन उपलब्ध कराना। रिझाओ का प्रायोगिक संयंत्र इसे हासिल करने का एक व्यावहारिक तरीका दिखाता है, जिसमें उद्योग की बेकार जा रही ऊष्मा से उपयोगी उत्पाद भी बनता है।

मुख्य बिंदु

• शानदोंग के तटीय शहर रिझाओ में एक संयंत्र औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग करके समुद्री जल से ताज़ा पानी और हरित हाइड्रोजन बनाता है।
• बताई गई पानी की कीमत लगभग दो युआन प्रति घन मीटर है और हाइड्रोजन की ऊर्जा खपत करीब 4.2 किलोवाट-घंटे प्रति मानक घन मीटर है।
• हर साल 800 टन समुद्री जल के प्रसंस्करण से 450 घन मीटर अति-शुद्ध पानी, 192,000 मानक घन मीटर हाइड्रोजन और समुद्री रसायनों के लिए 350 टन नमकीन पानी मिलता है।
• अलवणीकरण के लिए निम्न-स्तरीय ऊष्मा के इस्तेमाल से बिजली की जरूरत घटती है और नगर निगम की जलापूर्ति पर दबाव कम होता है।
• प्रत्यक्ष समुद्री जल विद्युत-अपघटन में प्रगति हो रही है, लेकिन सामग्री से जुड़ी चुनौतियां अब भी हैं, इसलिए कई परियोजनाएं अलवणीकरण के बाद विद्युत-अपघटन को प्राथमिकता देती हैं।
• चीन का अति-उच्च-वोल्टेज ग्रिड नई पवन और सौर बिजली शानदोंग तक पहुंचाता है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र की बड़ी इकाइयों को मदद मिलती है।
• तियानजिन में विनिर्माण क्षमता और शंघाई में नए नवाचार केंद्र हाइड्रोजन तथा अलवणीकरण के बढ़ते पारिस्थितिकी तंत्र को दिखाते हैं।
• मिस्र और सऊदी अरब की निर्यात परियोजनाएं चीनी हाइड्रोजन और अलवणीकरण विशेषज्ञता की वैश्विक पहुंच को रेखांकित करती हैं।
• तटीय परियोजनाओं के विस्तार के साथ समुद्री जीवों की रक्षा के लिए पानी लेने के बिंदुओं का सावधानी से डिजाइन और नमकीन पानी का उचित प्रबंधन जरूरी है।