नवीन प्रजाती भौगोलिक भिन्नता असल्यावरच तयार होतात या प्रस्थापित समजाला भेद देणारे निष्कर्ष काढून, अविभागित भूप्रदेशात प्राणी-पक्ष्यांच्या नवीन प्रजाती निर्माण होण्यामागे पर्यावरणातील संसाधने, जनुके आणि जोडीदाराची निवड यांची भूमिका काय असते याचा अभ्यास आयआयटी मुंबईच्या संशोधकांनी केला

कोळसा-आधारित वीजनिर्मिती क्षेत्रासाठी कार्यक्षमता वाढवणारे संशोधन

Read time: 1 min
Mumbai
11 डिसेंबर 2023
मध्य प्रदेश मधील एक औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प.

कोळसा-आधारित वीजनिर्मिती अधिक पर्यावरणपूरक आणि कार्यक्षम होण्यासाठी संशोधक सातत्याने प्रयत्न करत असतात. अलीकडे, एका नवीन निकेल-आधारित मिश्रधातूवर काही अभिनव प्रयोग केले गेले ज्यात हा मिश्रधातू अत्याधिक तापमान आणि दाब यांच्या प्रतिकूल परिस्थितींमध्ये देखील ऑक्सिडीकरण-रोधक (ऑक्सीडेशन रेसिस्टेंट) असल्याचे दिसून आले. या शोधामुळे कोळश्यासारखे जीवाष्म इंधनाचे स्रोत वापरून वीजनिर्मिती करताना होणारी पर्यावरणाची हानी कमी करणे व ऊर्जा क्षेत्रातील कार्यक्षमता वाढवणे शक्य होईल.

तापमान आणि दाब यांच्या क्रांतिक स्थिती पेक्षा कमी पातळीवर (सबक्रिटिकल अवस्था - १७ मेगापास्कल दाब आणि ५४० डिग्री सेल्सिअस तापमान) चालणारे बहुतांश कोळसा-आधारित ऊर्जा प्रकल्प शुद्ध पाण्यापासून वाफेची निर्मिती करतात. तयार होणारी अत्यंत गरम वाफ आणि उच्च तापमानाचे पाणी ज्या वाहिन्यांमधून वाहत जाते त्यांच्या आतील पृष्ठभागाचे ऑक्सिडीकरण करून त्याची झीज होते. यामुळे नळ्यांच्या पृष्ठभागावर एक पातळ थर सुद्धा तयार होऊ शकतो आणि ऊर्जानिर्मितीची कार्यक्षमता कमी होते. प्रस्तावित ॲडवान्सड अल्ट्रा सुपरक्रिटिकल (एयुएससी) प्रकल्पात पाण्याचा दाब ३२ मेगापास्कल असतो आणि तापमान ७१० डिग्री सेल्सिअस. यामुळे नळ्यांचे क्षरण मोठ्या प्रमाणावर होणे अपेक्षित आहे. त्यामुळे अशा ऊर्जा प्रकल्पांची कार्यक्षमता, सुरक्षितता आणि विश्वसनीयता वाढवायची असेल तर क्षरण शक्य तितके कमी करणे आवश्यक असते. हे साध्य करण्यासाठी संशोधक विविध सुपर-अलॉय (उच्च कार्यक्षमता व उच्च यांत्रिकी गुणधर्म असलेले आणि उच्च तापमानात काम करू शकणारे मिश्रधातू) तपासून बघत आहेत. यांमध्ये निकेल, लोह-निकेल आणि कोबाल्टच्या विशेष मिश्रधातूंचा समावेश आहे.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) मधील संशोधकांच्या एका गटाने निकेल-आधारित सुपर-अलॉय ६१७, किंवा अलॉय ६१७ वर स्टीम ऑक्सिडेशन (वाफेमुळे होणारे ऑक्सिडीकरण) चाचण्या केल्या आहेत. त्यांनी शोधनिबंधात सादर केलेल्या निष्कर्षांनुसार कोळसा-आधारित ऊर्जा प्रकल्प अधिक पर्यावरणपूरक रीतीने काम करतील अशी आशा निर्माण झाली आहे. कोळसा-आधारित ऊर्जा प्रकल्पांमध्ये ॲडवान्सड अल्ट्रा सुपरक्रिटिकल (एयुएससी) वातावरणात अतिउच्च तापमान आणि दाबाची स्थिती असते. तशी स्थिती कृत्रिमरीत्या निर्माण करून (सिम्युलेशन) त्यात सदर स्टीम ऑक्सिडेशन चाचण्या केल्या गेल्या आहेत.

एयुएससी ऊर्जा प्रकल्प ७१० डिग्री सेल्सिअस तापमानाला आणि ३२ मेगापास्कल दाबावर कार्य करणारे विशिष्ट प्रकारचे ऊर्जा प्रकल्प आहेत. तापमान आणि दाबाच्या या स्थितीमुळे  एयुएससी ऊर्जा प्रकल्पांची औष्णिक कार्यक्षमता (थर्मल एफिशियंसी) साधारण ५०% असून ते इतर सामान्य कोळसा-ऊर्जा प्रकल्पांच्या तुलनेत अधिक कोळश्याचे रूपांतर वापरण्यायोग्य विजेमध्ये करतात. या कारणांमुळे सबक्रिटिकल प्रकल्पांच्या (क्रांतिक स्थिती पेक्षा कमी तापमान आणि दाब यावर चालणारे) मानाने एयुएससी प्रकल्प ३०% कमी कार्बन डायऑक्साईड उत्सर्जित करतात. अत्यंत विषम तापमान आणि दाबाच्या स्थितीत सुद्धा टिकणारे आणि कार्य करू शकणारे पदार्थ विकसित करणे या प्रकल्पांच्या दृष्टीने सर्वात मोठे आव्हान आहे. इथे वापरले जाणारे पदार्थ उच्च तापमानात ताण झेलू शकणारे आणि ऑक्सिडीकरण-रोधक असणारे पाहिजेत.

“कर्बोत्सर्जनाला आळा घालायला मदत करणारे कोणतेही संशोधन कार्य आजच्या घडीला स्वागतार्हच आहे. त्यामुळे आम्हाला हे काम करताना आनंद वाटतो. आयआयटी मुंबई कडे या संदर्भात कौशल्य असल्यामुळे आम्हाला भारत सरकारच्या ॲडवान्सड अल्ट्रा सुपरक्रिटिकल प्रोजेक्टच्या अभियान संचलनालय (मिशन डायरेक्टोरेट) कडून हा अभ्यास हाती घ्यायला बोलावले गेले. श्री. एस. सी. चेतल अभियान संचलनालयाचे प्रमुख आहेत. हे अभियान राष्ट्रीय स्तरावर चालवले जात होते. औष्णिक ऊर्जा प्रकल्प अधिक औष्णिक कार्यक्षमतेवर चालू ठेवण्याचा भारत सरकारचा मानस होता,” प्रा. राजा यांनी अभ्यासामागील प्रेरणा स्पष्ट केली.

एयुएससी तंत्रज्ञानासाठी अलॉय ६१७ चा आता पर्यंत फार अभ्यास केला गेला नाहीये. एयुएससी मधील स्टीम ऑक्सिडेशन चाचणीसाठी खऱ्या एयुएससी स्थितींनुसार उच्च तापमान आणि दाब असलेले वातावरण कृत्रिमपणे उभे करणे खूप कठीण असल्याने अलॉय ६१७चा संभाव्य उपयोग तपासून पाहता आलेला नाही.  परिणामी, पूर्वी केलेल्या अभ्यासांमध्ये कमाल तापमान ६७० डिग्री सेल्सिअस आणि दाब २७ मेगापास्कल एवढेच ठेवता आले होते, जे वास्तविक एयुएससी स्थितींपेक्षा कमी होते. याशिवाय, पाण्याची रासायनिक स्थिती देखील अचूकपणे नियंत्रित करता न आल्याने पूर्वीच्या अभ्यासांमधून मर्यादित निष्कर्ष निघाले आणि ते अनिर्णायक होते.

आयआयटी मुंबईच्या संशोधकांनी एयुएससी स्टीम चाचणीसाठी सिम्युलेशन उभे केले आणि त्यात त्यांना ३१ मेगापास्कल दाब आणि ६५०-७१० डिग्री सेल्सिअस तापमानाची स्थिती तयार ठेवण्यात यश मिळाले. या सिम्युलेशन मध्ये खऱ्याखुऱ्या ऊर्जा प्रकल्पांमधील सुपरहिटर आणि रिहिटरच्या नलिका प्रणालींप्रमाणे (ट्युबिंग) त्यांनी अलॉय ६१७ ला ६०० तास ही स्थिती सहन करण्यासाठी ठेवून दिले.

“आम्ही या प्रयोगासाठी शुन्यातून सुरुवात केली. प्रयोगाची रचना पूर्णपणे स्वदेशी आहे आणि हे आमच्या अभ्यासाचे वैशिष्ट्य आहे. मेसर्स सायमेक इंजिनियर्स या स्थानिक कंपनीने याची निर्मिती केली असून, भारतात या प्रकारचा हा पहिलाच प्रायोगिक अभ्यास आहे. संपूर्ण जगात या प्रकारचे अत्यंत कमी प्रयोगसंच (सेटअप) आहेत आणि भारतातील तर हा एकमेव प्रयोगसंच आहे,” असे प्रा. राजा यांनी नमूद केले.

AUSC Lab setup
छायाचित्र: एयुएससी प्रयोगशाळेतील प्रायोगिक मांडणी. सौजन्य: प्रा. व्ही. एस. राजा

नुकतेच, भारत सरकारच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभागाच्या भारतीय उन्नत अल्ट्रा सुपरक्रिटिकल योजना आणि श्री. चेतल यांच्या पुढाकाराने एनटीपीसी (NTPC) आणि बीएचइएल (BHEL) यांना हा सेटअप वापरता यावा म्हणून एक-दिवसीय कार्यशाळा आयोजित केली गेली होती. या प्रयोगसंचाच्या सोयीमुळे अनेकविध प्रयोग करून ऊर्जा प्रकल्पांमधील क्षरणावरील पाण्याच्या रासायनिक परिणामांबद्दल समजून घेणे आता शक्य होऊ शकेल. यशस्वी कार्यशाळेनंतर, जल-रसायनशास्त्राचा अभ्यास आणि एयुएससी प्रकल्पांसाठी जल-प्रक्रिया ठरवणे याकरता  विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभागाने बीएचइएल आणि एनटीपीसी यांच्या सहयोगाने काम करण्यास पुढे सहाय्य देण्यात रस दाखवला आहे.  

आयआयटी मुंबईमधील या अभ्यासात वरील नवीन प्रयोगसंचामध्ये अलॉय ६१७ च्या चाचण्या केल्या गेल्या. संशोधकांना त्याच्या वजनात नगण्य वाढ दिसून आली आणि आतून एक क्रोमिक ऑक्साईडचा थर तयार झालेला दिसून आला. त्या बाहेर मँगॅनीज, निकेल किंवा लोह-आधारित क्रोमिक ऑक्साईडचे खनिज निक्षेप ऑक्साईडच्या थरावर आढळले. हा एक संरक्षक थर असतो जो धातूंचे आणखी क्षरण रोखू शकतो. त्यांना असेही दिसून आले की ऑक्साईडच्या थरावर खनिज निक्षेप अत्यल्प होते. ऑक्साईडचा थर त्याच्या खालील धातूचे संरक्षण करतो.
 
यापूर्वी केल्या गेलेल्या अभ्यासांनुसार अशी धारणा होती की अलॉय ६१७ मध्ये अल्युमिनियम लक्षणीय प्रमाणात असल्यामुळे त्यात अंतर्गत ऑक्सिडीकरण घडणार. परंतु, या अभ्यासातील सिम्युलेटेड वातावरणात केलेल्या प्रयोगांमध्ये असे लक्षात आले की खरेतर ७१० डिग्री सेल्सिअस वर ६०० तास प्रयोग चालल्यावर देखील अल्युमिनियम ऑक्साईडचा निक्षेप अगदीच नगण्य होता.

“६०० तास चालवून सुद्धा हा प्रयोग ऊर्जा प्रकल्पांच्या वास्तविक कार्य-कालावधीपेक्षा कमी काळ सुरू होता. तरीही ऑक्सिडीकरणामागचे विज्ञान आणखी व्यवस्थित समजायला त्यातून महत्वाची मदत झाली. त्यावरून आपल्याला क्षरणाच्या प्रक्रियेवर परिणाम करणारे घटक शोधता येतात. आम्ही आता अलॉय ७४० आणि ३०४ एचसीयु सारखे मिश्रधातू संभाव्य वापरासाठी तपासून बघत आहोत,” असे प्रा. राजा यांनी सांगितले.

प्रयोगाच्या निष्कर्षांमुळे अलॉय ६१७ एयुएससी तंत्रज्ञानातील सुपरहिटर आणि रिहिटर भागाच्या नळ्या (ट्युबिंगस) बनवण्यासाठी अनुरूप मिश्रधातू असू शकतो असे आढळले आहे. एयुएससी तंत्रज्ञान वापरून चालणाऱ्या प्रकल्पांमधील विषम वातावरणाच्या जवळपास अलॉय ६१७ तग धरू शकतो. त्यामुळे कार्यक्षमता टिकवून पर्यावरणास कमीतकमी हानी करणारी कोळसा-आधारित ऊर्जा निर्मिती अलॉय ६१७ वापरून शक्य होऊ शकेल.  

एयुएससीच्या वातावरणात अलॉय ६१७ खात्रीशीरपणे दीर्घकाल कसे काम करू शकेल ते यापुढील अभ्यासांनी तपासणे गरजेचे आहे.

“भारतात कोळसा मुबलकपणे उपलब्ध आहे आणि जगभरात अजूनही कोळसा-आधारित ऊर्जानिर्मिती हा एकंदर ऊर्जानिर्मितीचा लक्षणीय भाग आहे. त्यामुळे हे संशोधन अशा ऊर्जा प्रकल्पांची दीर्घकालीन स्थिरता आणि पर्यावरणीय बाबी सुधारण्यासाठी अत्यंत महत्वाचे आहे,” असे मत प्रा. राजा यांनी नोंदवले.

एयुएससी तंत्रज्ञानात सुधारणा घडवून औष्णिक ऊर्जा निर्मितीमुळे होणारे प्रदूषण घटवता येऊ शकेल, तसेच कार्यक्षमता बरीच वाढवता येऊ शकेल. यामुळे ऊर्जा क्षेत्र आर्थिक दृष्ट्या सुदृढ राहू शकेल आणि त्याबरोबर तंत्रज्ञान पर्यावरणपूरक होण्यास मदत होईल.

भारत सरकारच्या ॲडवान्सड अल्ट्रा सुपरक्रिटिकल प्रोजेक्टच्या अभियान संचलनालयाकडून या संशोधनाला अर्थसहाय्य लाभले. कालांतराने नॅशनल प्रोजेक्ट ऑन क्लीन कोल एनर्जी, भारत सरकार आणि इंदिरा गांधी अणुसंशोधन केंद्र (आयजीसीएआर), कल्पक्कम यांच्याकडून संशोधनाला निधी प्राप्त झाला. या कार्यात आयजीसीएआर, कल्पक्कम, एनटीपीसी, बीएचइएल आणि भारतीय विज्ञान संस्था बेंगळुरू यांचा सहयोग लक्षवेधक ठरला. भगवत घुले आणि सुंदरेसन सी. या पीएचडी संशोधकांनी या प्रकल्पासाठी अथक परिश्रम केले.