क्या भाप का युग खत्म हो रहा है?
करीब दो सदियों से बिजली उत्पादन एक ऐसे सरल सिद्धांत पर निर्भर रहा है, जो औद्योगिक क्रांति के बाद से नहीं बदला: पानी उबालकर भाप बनाना, टर्बाइन घुमाना और बिजली पैदा करना। आज वैश्विक बिजली उत्पादन का 80 प्रतिशत हिस्सा इसी रैंकिन चक्र तकनीक पर निर्भर है। दिसंबर 2025 में चीन ने दुनिया का पहला वाणिज्यिक सुपरक्रिटिकल कार्बन डाइऑक्साइड बिजली जनरेटर, चाओतान वन, शुरू करके इस विरासत को चुनौती दी। गुइझोउ प्रांत के लिउपांशुई स्थित एक इस्पात संयंत्र में इस सुविधा ने कार्बन डाइऑक्साइड को सुपरक्रिटिकल अवस्था तक संपीड़ित करके औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा को बिजली में बदलना शुरू किया। इससे दक्षता में ऐसी वृद्धि हुई, जो तापीय बिजली उत्पादन के बुनियादी अर्थशास्त्र को चुनौती देती है।
विषय-सूची
इस प्रणाली में 15 मेगावाट की दो इकाइयां हैं, जिनकी कुल क्षमता 30 मेगावाट है। इन्हें शौगांग शुइचेंग आयरन एंड स्टील संयंत्र में ग्रिड से जोड़ा गया है। पहले वातावरण में छोड़ दी जाने वाली सिंटरिंग प्रक्रिया की अपशिष्ट ऊष्मा का इस्तेमाल करके यह संयंत्र सालाना 70 मिलियन किलोवाट-घंटे से अधिक बिजली पैदा करता है। इससे इस्पात संयंत्र को करीब 30 मिलियन युआन (लगभग 4.26 मिलियन अमेरिकी डॉलर) का अतिरिक्त राजस्व भी मिलता है। इससे भी अहम बात यह है कि यह तकनीक नई सुविधाएं बनाने के बजाय मौजूदा औद्योगिक बुनियादी ढांचे को उन्नत करने का रास्ता दिखाती है। वैश्विक बिजली मांग तेजी से बढ़ रही है, ऐसे में यह एक महत्वपूर्ण लाभ है।
सुपरक्रिटिकल CO2 कैसे सब कुछ बदलता है
सुपरक्रिटिकल CO2 द्रव और गैस के बीच की एक संकर अवस्था में होता है। यह अवस्था तब बनती है, जब द्रव का तापमान 31 डिग्री सेल्सियस से अधिक और दबाव 73 वायुमंडल से ऊपर हो जाता है। यह दबाव समुद्र की सतह से 800 मीटर नीचे के बराबर है। इस स्थिति में CO2 का घनत्व द्रव जैसा होता है, जबकि प्रवाह के गुण गैस जैसे बने रहते हैं। इससे यह भाप की तुलना में अधिक बल और काफी कम घर्षण के साथ टर्बाइन चला सकता है। यह तकनीक पारंपरिक रैंकिन चक्र की जगह ब्रेटन चक्र का इस्तेमाल करती है। रैंकिन चक्र तापीय ऊर्जा का करीब 33 प्रतिशत बिजली में बदलता है, जबकि ब्रेटन चक्र की सैद्धांतिक दक्षता 50 प्रतिशत से अधिक हो सकती है।
भाप प्रणालियों के विपरीत, sCO2 पूरी तरह बंद चक्र में काम करता है। इसमें कार्यशील द्रव को लगातार पुनर्चक्रित किया जाता है, वातावरण में नहीं छोड़ा जाता और पानी-आधारित शीतलन प्रणालियों की जरूरत नहीं पड़ती। पानी के बिना चलने की यह व्यवस्था विशेष रूप से शुष्क क्षेत्रों के लिए उपयोगी है, जहां पारंपरिक तापीय संयंत्रों को परिचालन संबंधी सीमाओं का सामना करना पड़ता है। समान क्षमता वाली भाप प्रणालियों की तुलना में इसका संक्षिप्त डिजाइन 50 प्रतिशत कम जगह लेता है। साथ ही, सरल संरचना में सहायक पुर्जे कम होते हैं और प्रणाली तेजी से प्रतिक्रिया दे सकती है।
चीन के न्यूक्लियर पावर इंस्टीट्यूट के मुख्य वैज्ञानिक और चाओतान वन के प्रमुख डिजाइनर हुआंग यानपिंग ने ऊष्मागतिकी के इस लाभ को एक सजीव उपमा से समझाया।
यह ऐसा है जैसे कोई ताकतवर व्यक्ति चिकनाई वाले तेल से लिपटी साइकिल चला रहा हो, जिससे वह लंबी दूरी तक बिना थके पैडल मार सके।
बंद चक्र वाला डिजाइन आधुनिक ऊर्जा बुनियादी ढांचे की अहम सीमाओं को दूर करता है। कृत्रिम बुद्धिमत्ता के डेटा केंद्रों और उन्नत विनिर्माण से बिजली की मांग तेजी से बढ़ रही है। केवल अमेरिका में ही AI सुविधाओं को बिजली देने के लिए 2030 तक उत्पादन क्षमता में अनुमानित 165 प्रतिशत वृद्धि की जरूरत होगी। ऐसे में नए निर्माण के बिना दक्ष बिजली उत्पादन तैनात करने की क्षमता रणनीतिक रूप से अहम हो जाती है। यह तकनीक मध्यम तापमान वाले अपशिष्ट ऊष्मा स्रोतों से ऊर्जा हासिल करती है, जिन्हें पहले बिजली उत्पादन के लिए किफायती नहीं माना जाता था।
सत्रह साल की मेहनत
चाओतान वन का वाणिज्यिक संचालन उस शोध कार्यक्रम का नतीजा है, जिसे चीन नेशनल न्यूक्लियर कॉरपोरेशन के तहत चीन के न्यूक्लियर पावर इंस्टीट्यूट ने 2009 में शुरू किया था। इस तकनीक को विकसित करने के लिए इंजीनियरिंग की उन बुनियादी चुनौतियों का समाधान जरूरी था, जिन्होंने 1948 में पहली बार यह विचार सामने आने के बाद से अंतरराष्ट्रीय प्रगति को रोक रखा था। इस सफलता में करीब एक मिलीमीटर व्यास वाले चैनलों से बने माइक्रोचैनल हीट एक्सचेंजर का विकास अहम रहा। सुपरक्रिटिकल दबाव पर कुशल ताप हस्तांतरण के लिए इनकी जरूरत थी।
विनिर्माण प्रक्रिया में निर्वात डिफ्यूजन वेल्डिंग की नई तकनीक विकसित करनी पड़ी। इसमें धातु की प्लेटों को पिघलाए बिना उच्च तापमान और दबाव पर जोड़ा जाता है। विदेशी आपूर्तिकर्ताओं ने इस तकनीक का निर्यात करने से इनकार कर दिया था और इसे सख्त पाबंदियों वाली वाणिज्यिक नियंत्रण सूची में शामिल कर दिया था। इसके बाद हुआंग की टीम ने 829 दिन तक शोध किया, 27 चरणों के अनुकूलन में वेल्डिंग के 218 अलग-अलग मापदंडों को परखा। सफलता मिलने से पहले असफल परीक्षण नमूनों से गोदाम का आधा हिस्सा भर गया था। निर्णायक जोड़ 2021 की एक सर्द सुबह प्रक्रिया के 49वें परीक्षण में बना। प्रयोगशाला की निगरानी स्क्रीन पर स्थिर हरी रेखाएं दिखने से इसकी पुष्टि हुई।
एक और बड़ी चुनौती सीलिंग तकनीक थी। पारंपरिक सोच के मुताबिक, उच्च दबाव वाले घूमते शाफ्ट से रिसाव के जोखिम के कारण मेगावाट क्षमता वाली sCO2 टर्बाइन बनाना असंभव था। विदेशी विशेषज्ञों ने हुआंग को 100 किलोवाट से बड़ी इकाइयों पर काम न करने की सलाह दी और मेगावाट स्तर की प्रणालियों को नामुमकिन माना। टीम ने हार नहीं मानी। उसने सीलिंग की कई तकनीकों का विश्लेषण किया और सुपरक्रिटिकल CO2 की स्थितियों के लिए खास तौर पर ड्राई गैस सील प्रणाली विकसित की। इस तरह sCO2 टर्बोमशीनरी में मेगावाट स्तर पर ड्राई गैस सील के सफल इस्तेमाल का दुनिया का पहला उदाहरण सामने आया।
ग्रिड तक पहुंचने में चीन अमेरिका से आगे क्यों रहा
चीन ने 20 दिसंबर 2025 को ग्रिड से जुड़ने का जश्न मनाया, जबकि अमेरिका सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज के सुपरक्रिटिकल ट्रांसफॉर्मेशनल इलेक्ट्रिक पावर कार्यक्रम के तहत इसी तरह की तकनीक का परीक्षण कर रहा है। अमेरिकी तरीका वाणिज्यिक तैनाती से पहले प्रयोगशाला में व्यापक सत्यापन पर जोर देता है। अप्रैल 2022 में सैंडिया ने sCO2 का इस्तेमाल करके 50 मिनट तक ग्रिड को 10 किलोवाट बिजली दी। अक्टूबर 2024 तक यह क्षमता बढ़कर ग्रिड के साथ समन्वित 4 मेगावाट हो गई। हालांकि, अमेरिका में वाणिज्यिक इस्तेमाल का लक्ष्य अब भी 2030 के मध्य तक का है।
यह अंतर नवाचार के अलग-अलग नजरियों को दिखाता है। अमेरिकी शोधकर्ता बड़े पैमाने पर उत्पादन से पहले सभी सैद्धांतिक समस्याओं को सुलझाने और सामग्रियों के दीर्घकालीन व्यवहार को समझने को प्राथमिकता देते हैं। इसके लिए जंग के व्यापक परीक्षण और मिश्रधातुओं की उपयुक्तता जांचने के कार्यक्रम चलाए जाते हैं। चीन का विकास तरीका व्यावहारिक है, जिसे वहां की कहावत में नदी पार करते समय पत्थरों को टटोलकर आगे बढ़ना कहा जाता है। पहले निर्माण करने के इस तरीके में यह माना जाता है कि संचालन संबंधी चुनौतियां सामने आएंगी और उन्हें चरणबद्ध सुधार के जरिए सुलझाया जाएगा। इस रणनीति से तेजी से तैनाती संभव हुई, लेकिन दीर्घकालीन विश्वसनीयता को लेकर अनिश्चितताएं भी पैदा हुईं, जिन्हें अधिक सतर्क विकास समयसीमा कम करने की कोशिश करती है।
अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने 2017 में सुपरक्रिटिकल CO2 बिजली उत्पादन को रणनीतिक रूप से महत्वपूर्ण अग्रणी तकनीक बताया था और एमआईटी टेक्नोलॉजी रिव्यू ने 2018 में इसे शीर्ष 10 परिवर्तनकारी तकनीकों में शामिल किया था। शुरुआती पहचान के बावजूद, नियामक सतर्कता और जोखिमों को व्यापक रूप से कम करने पर जोर के चलते अमेरिका में इसका वाणिज्यिक इस्तेमाल देर से हो रहा है।
अपशिष्ट ऊष्मा को राजस्व में बदलना
चाओतान वन की स्थापना मध्यम तापमान वाले ऊष्मा स्रोतों के छोटे और मध्यम स्तर पर इस्तेमाल की लंबे समय से चली आ रही बाधा को दूर करती है। पारंपरिक भाप प्रणालियां अक्सर एक निश्चित तापमान सीमा से नीचे अपशिष्ट ऊष्मा हासिल करने के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं होतीं। नतीजतन, बड़ी मात्रा में ऊर्जा बेकार चली जाती है। sCO2 चक्र का बेहतर ऊष्मागतिकीय प्रदर्शन उस ऊर्जा को हासिल करता है, जो अन्यथा नष्ट हो जाती। इससे भारी उद्योग को पूरे संयंत्र का पुनर्निर्माण किए बिना कार्बन उत्सर्जन घटाने का व्यावहारिक रास्ता मिलता है।
इस्पात संयंत्र में यह प्रणाली सिंटरिंग प्रक्रिया की बची हुई ऊष्मा का इस्तेमाल करती है। इस प्रक्रिया में लौह अयस्क के बारीक कणों को ब्लास्ट फर्नेस में डालने से पहले गर्म किया जाता है। पहले यह ऊष्मा बेकार चली जाती थी। इस संयंत्र से पता चलता है कि सुपरक्रिटिकल CO2 जनरेटर पारंपरिक अपशिष्ट-ऊष्मा भाप तकनीकों की तुलना में 85 प्रतिशत अधिक उत्पादन दक्षता और 50 प्रतिशत अधिक शुद्ध बिजली उत्पादन हासिल कर सकते हैं, जबकि इन्हें आधी जगह की जरूरत होती है।
तत्काल आर्थिक लाभ के अलावा, यह तकनीक औद्योगिक अपशिष्ट को स्वच्छ बिजली में बदलकर चीन के दोहरे कार्बन लक्ष्यों को हासिल करने में मदद करती है। पानी की खपत खत्म होने से दक्षिण-पश्चिमी चीन में इसे विशेष लाभ मिलता है, जहां पानी की कमी अक्सर औद्योगिक विस्तार को सीमित करती है। भाप संयंत्रों के विपरीत, जिन्हें ठंडा करने के लिए बड़ी मात्रा में पानी चाहिए, बंद चक्र वाली sCO2 प्रणाली शुष्क क्षेत्रों में भी प्रभावी ढंग से काम करती है। इससे उन इलाकों का दायरा बढ़ता है जहां अपशिष्ट ऊष्मा हासिल करना आर्थिक रूप से व्यवहार्य है।
टिकाऊपन पर सवाल और तकनीकी जोखिम
इस उपलब्धि के बावजूद, स्वतंत्र विश्लेषक शुरुआती प्रदर्शन के आंकड़ों को बिना जांचे स्वीकार करने से आगाह करते हैं। क्लीनटेक्निका के विश्लेषक माइकल बार्नार्ड ने अनुमान लगाया है कि दो से पांच साल के भीतर चाओतान वन के प्रदर्शन में मापने योग्य गिरावट की संभावना 40 से 70 प्रतिशत है। यह आकलन 200 वायुमंडल दबाव और उच्च तापमान पर काम करने वाली सुपरक्रिटिकल CO2 प्रणालियों में मौजूद कई परस्पर जुड़ी विफलता स्थितियों पर आधारित है।
सटीक हीट एक्सचेंजर में डिफ्यूजन बॉन्डिंग का इस्तेमाल करके ऐसे माइक्रोचैनल बनाए जाते हैं, जो अत्यधिक दबाव सह सकें। जुड़ी हुई सतहों पर खराबी आने के बाद मरम्मत व्यावहारिक रूप से असंभव हो जाती है और पूरी इकाई बदलनी पड़ती है। सुपरक्रिटिकल स्थितियों में कार्बन का स्टील मिश्रधातुओं के भीतर पहुंचना, जिसे कार्बराइजेशन कहते हैं, सामग्री को भंगुर बना सकता है और चैनलों की सतह की खुरदराहट बदल सकता है। इससे दबाव में गिरावट बढ़ती है और समय के साथ चक्र की दक्षता घटती है। इस तरह संयंत्र चालू होने के समय बताई गई 85 प्रतिशत दक्षता की बढ़त धीरे-धीरे कम हो सकती है।
सील की मजबूती एक और कमजोर कड़ी है। उच्च दबाव वाला CO2 अणु छोटा और गतिशील होता है, हाइड्रोजन की तरह। इसलिए घूमते शाफ्ट और उन फ्लैंजों पर पूरी तरह रिसाव-रहित सील जरूरी है, जिन पर तापीय और यांत्रिक दबाव में बदलाव होता रहता है। हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों के ऐतिहासिक आंकड़ों में सील की खराबी सेवा बाधित होने के करीब 50 प्रतिशत मामलों के लिए जिम्मेदार रही है। इससे संकेत मिलता है कि कई वर्षों तक लगातार संचालन के दौरान सील को पूरी तरह रिसाव-रहित बनाए रखना शायद जरूरत से ज्यादा आशावादी अनुमान है। छोटे रिसाव से कार्यशील द्रव की मात्रा बदल जाती है, कंप्रेसर अपने अनुकूल संचालन स्तर से हट जाते हैं और सहायक ऊर्जा की खपत बढ़ती है।
औद्योगिक प्रदूषण इन जोखिमों को और बढ़ाता है। इस्पात संयंत्रों से निकलने वाली गैसों में कण, धातु ऑक्साइड और सल्फर यौगिक होते हैं, जो ऊष्मा हस्तांतरण वाली सतहों पर जम जाते हैं। इससे धीरे-धीरे दक्षता घटती है, ठीक वैसे ही जैसे चूने की परत जमने से होता है। बार्नार्ड का अनुमान है कि इस औद्योगिक वातावरण में जमाव के कारण दो से पांच साल में प्रदर्शन घटने की संभावना 60 से 85 प्रतिशत है। इससे टर्बाइन के प्रवेश तापमान में गिरावट आ सकती है, भले ही अंदरूनी CO2 चक्र की सील ठीक बनी रहे।
इस्पात से आगे: अगले अवसर
सीएनएनसी ने पहले ही सुपरक्रिटिकल CO2 तकनीक को पिघले हुए नमक की ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के साथ जोड़ने की योजनाओं की घोषणा की है। इसका लक्ष्य 2028 तक प्रदर्शन संचालन शुरू करना है। यह संयुक्त तरीका पिघले हुए नमक में तापीय ऊर्जा जमा करके नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की रुक-रुककर उपलब्धता की समस्या से निपटता है। मांग बढ़ने पर कुशल sCO2 चक्र के जरिए इस ऊर्जा को बिजली में बदला जाएगा। इस परियोजना को चीन के ऊर्जा उपकरणों के पांचवें प्रमुख प्रथम-प्रयोग बैच के लिए चुना गया है।
केंद्रित सौर ऊर्जा संयंत्रों के साथ इस तकनीक की अनुकूलता विकास का एक और रास्ता खोलती है। सौर तापीय सुविधाएं उच्च तापमान पैदा करती हैं, जो sCO2 ब्रेटन चक्र के लिए उपयुक्त हैं। इससे मौजूदा भाप-आधारित सौर संयंत्रों की तुलना में ऊर्जा रूपांतरण की दक्षता बढ़ सकती है। परमाणु ऊर्जा में भी इसके इस्तेमाल की संभावनाएं हैं। इसका संक्षिप्त टर्बोमशीनरी डिजाइन छोटे मॉड्यूलर रिएक्टरों और उच्च तापमान वाली गैस-शीतित प्रणालियों समेत उन्नत रिएक्टर डिजाइनों के लिए फायदेमंद हो सकता है।
हुआंग यानपिंग ऊर्जा भंडारण, अपशिष्ट ऊष्मा हासिल करने और औद्योगिक भाप आपूर्ति में इसके व्यापक इस्तेमाल की कल्पना करते हैं। यह सफलता खास तौर पर मध्यम क्षमता वाले तापीय स्रोतों पर केंद्रित है, जिन्हें कुशलता से ऊर्जा में बदलना पहले मुश्किल रहा है। इससे ऐसे बाजार खुलते हैं, जहां बिजली उत्पादन के उपकरण पहले आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं थे। अगर आने वाले वर्षों में यह तकनीक टिकाऊ साबित होती है, तो यह दुनिया भर में वितरित बिजली उत्पादन और औद्योगिक कार्बन उत्सर्जन घटाने का अर्थशास्त्र बुनियादी तौर पर बदल सकती है।
मुख्य बिंदु
- दुनिया का पहला वाणिज्यिक सुपरक्रिटिकल CO2 बिजली जनरेटर चाओतान वन ने दिसंबर 2025 में चीन के गुइझोउ प्रांत में काम शुरू किया
- 30 मेगावाट की यह सुविधा इस्पात संयंत्र की अपशिष्ट ऊष्मा से बिजली बनाती है और पारंपरिक भाप प्रणालियों की तुलना में इसकी दक्षता 85% अधिक है
- सुपरक्रिटिकल CO2, 31 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान और 73 वायुमंडल से ऊपर दबाव पर काम करता है। इसमें घनत्व द्रव जैसा और प्रवाह के गुण गैस जैसे होते हैं
- इसे विकसित करने में 17 साल का शोध लगा। इस दौरान निर्वात डिफ्यूजन वेल्डिंग और मेगावाट स्तर की ड्राई गैस सीलिंग तकनीक में सफलताएं हासिल की गईं
- बंद चक्र वाली इस प्रणाली को ठंडा करने के लिए पानी की जरूरत नहीं पड़ती और इसे नए निर्माण के बिना मौजूदा औद्योगिक संयंत्रों में लगाया जा सकता है
- विश्लेषकों ने आगाह किया है कि हीट एक्सचेंजर का खराब होना, सील से रिसाव और औद्योगिक प्रदूषण के कारण दो से पांच साल के भीतर प्रदर्शन घटने की संभावना 40-70% है
- अमेरिका STEP कार्यक्रम के तहत इसी तरह की तकनीक का परीक्षण जारी रखे हुए है। वहां वाणिज्यिक तैनाती का लक्ष्य 2030 का दशक है
- भविष्य में इस तकनीक को पिघले नमक वाली ऊर्जा भंडारण प्रणालियों, केंद्रित सौर ऊर्जा और उन्नत परमाणु रिएक्टरों के साथ जोड़ा जा सकता है
