Life Cycle Assessment and Costing of an Anode-Supported SOFC with SCFA10 coating: A Modular and High-Resolution Approach

भविष्य की ऊर्जा प्रणालियों का मूल्यांकन केवल इस आधार पर नहीं किया जाना चाहिए कि वे ईंधन को कितनी कुशलता से बिजली में बदलती हैं, बल्कि उनके अस्तित्व की पूर्ण लागत के आधार पर किया जाना चाहिए, कच्चे माल के पृथ्वी से निकाले जाने के क्षण से लेकर उपकरण के निर्माण के क्षण तक। सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल्स (solid oxide fuel cells) इस भविष्य के लिए एक प्रमुख दावेदार हैं। ये ऐसे उपकरण हैं जो ईंधन और हवा के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न करते हैं, जो आयनों के संचलन के लिए एक ठोस सिरेमिक सामग्री का उपयोग करते हुए बहुत उच्च तापमान पर कार्य करते हैं। बैटरी के विपरीत जो ऊर्जा संग्रहीत करती हैं, ये तब तक निरंतर ऊर्जा बनाती रहती हैं जब तक ईंधन की आपूर्ति होती रहती है, और ये हाइड्रोजन या प्राकृतिक गैस पर उच्च दक्षता के साथ चल सकती हैं। हालाँकि, इनका निर्माण एक भारी प्रक्रिया है। आवश्यक सामग्रियाँ अक्सर दुर्लभ होती हैं, और इनके निर्माण में तीव्र ऊष्मा और ऊर्जा शामिल होती है, जो उपकरण के चालू होने से पहले ही एक महत्वपूर्ण पर्यावरणीय पदचिह्न बना सकती है। वैज्ञानिक लगातार इन सेल्स को बेहतर बनाने के तरीकों की खोज कर रहे हैं, अक्सर नई सामग्रियों की पतली परतें जोड़कर ताकि वे बेहतर ढंग से कार्य कर सकें, लेकिन एक महत्वपूर्ण प्रश्न बना हुआ है: क्या इन नई परतों को जोड़ना निर्माण प्रक्रिया को इतना गंदा या महंगा बना देता है कि यह इसके लायक न रहे?

इटली की शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट नई सामग्री जिसे SCFA10 कहा जाता है, के लिए इस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास किया। यह सामग्री एक प्रकार का सिरेमिक पाउडर है जिसे एक अति-पतली कोटिंग के रूप में बनाया जा सकता है, जो लगभग दो माइक्रोमीटर मोटी होती है, और इसे सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल के एनोड, या ईंधन पक्ष, पर लगाया जाता है। इस कोटिंग का लक्ष्य यह सुधारना है कि सेल ईंधन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, जिससे संभावित रूप से पूरा सिस्टम अधिक कुशल या लंबे समय तक चलने वाला बन सके। यह निर्धारित करने के लिए कि क्या यह नवाचार एक अच्छा विचार है, शोधकर्ताओं ने केवल रसायन विज्ञान को नहीं देखा; उन्होंने इस नए कोटिंग के साथ एक सेल बनाने में शामिल पर्यावरणीय और आर्थिक लागतों का पूर्ण लेखा-जोखा प्रस्तुत किया, इसकी तुलना बिना कोटिंग वाले मानक सेल से की। उन्होंने 'लाइफ साइकिल असेसमेंट' (life cycle assessment) नामक पद्धति का उपयोग किया, जो कच्चे माल के निष्कर्षण से लेकर सेल के अंतिम संयोजन तक प्रत्येक ग्राम सामग्री और उपयोग किए गए प्रत्येक किलोवाट-घंटे ऊर्जा का पता लगाती है। उन्होंने इसे 'लाइफ साइकिल कॉस्टिंग एनालिसिस' के साथ जोड़ा ताकि यह देखा जा सके कि मशीनरी, श्रम और बिजली की कीमत सहित सेल का उत्पादन करने में कितना पैसा लगेगा।

शोधकर्ताओं ने निर्माण प्रक्रिया के एक विस्तृत, चरण-दर-चरण मॉडल पर अपना अध्ययन बनाया। उन्होंने पहले प्रयोगशाला में रासायनिक समाधानों को मिलाकर और उन्हें तब तक गर्म करके जब तक कि वे प्रतिक्रिया न करें और एक ठोस पाउडर न बन जाएं, स्वयं SCFA10 पाउडर बनाकर शुरुआत की। फिर उन्होंने मॉडल किया कि इस पाउडर को पेस्ट में कैसे बदला जाएगा, सेल पर कैसे फैलाया जाएगा और उच्च तापमान पर कैसे पकाया जाएगा। फ्यूल सेल को उसके व्यक्तिगत परतों—एनोड, इलेक्ट्रोलाइट, कैथोड और नई कोटिंग—में विभाजित करके, वे देख सके कि पर्यावरणीय प्रभाव कहाँ से आ रहा है। उन्होंने पाया कि सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल्स का निर्माण मुख्य सिरेमिक भागों के उत्पादन और उन्हें पकाने के लिए आवश्यक तीव्र ऊष्मा द्वारा संचालित होता है। ये पारंपरिक चरण पर्यावरणीय लागत के मुख्य कारक हैं। जब उन्होंने अपने मॉडल में नया SCFA10 परत जोड़ी, तो परिणाम आश्चर्यजनक रूप से शांत थे। कोटिंग जोड़ने से उनके द्वारा मापी गई सभी श्रेणियों में पर्यावरणीय प्रभाव एक प्रतिशत से भी कम बढ़ गया, जिसमें उत्सर्जित ग्रीनहाउस गैसों की मात्रा भी शामिल थी। वास्तव में, कोटिंग ने सेल बनाने के कुल पर्यावरणीय बोझ में 0.3 प्रतिशत से भी कम योगदान दिया। नए पाउडर को संश्लेषित करने और पतली परत लगाने के लिए आवश्यक अतिरिक्त ऊर्जा, सेल के बाकी हिस्सों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा की तुलना में इतनी कम थी कि इसने पैमाने पर बहुत कम प्रभाव डाला।

आर्थिक चित्र भी उतना ही स्थिर था। शोधकर्ताओं ने कच्चे माल की कीमत, ओवन और मशीनों को चलाने के लिए बिजली और श्रमिकों के वेतन सहित, एक सेल का उत्पादन करने की लागत की गणना की। उन्होंने अनुमान लगाया कि एक एकल सेल का उत्पादन करने की लागत लगभग 66 यूरो होगी, चाहे उसमें नई कोटिंग हो या न हो। कुल कीमत के व्यापक परिप्रेक्ष्य में नई सामग्री और उसे लगाने के अतिरिक्त चरणों की लागत नगण्य थी। जब उन्होंने इन इकाइयों को बेचने से प्राप्त होने वाली संभावित आय को शामिल किया, तो उन्होंने पाया कि एक व्यवसाय जो इन इकाइयों का निर्माण कर रहा है, वह लगभग छह या सात वर्षों के बाद ब्रेक-ईवन (बराबर स्थिति) कर सकता है और लाभ कमाना शुरू कर सकता है। यह समयसीमा इस बात से महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदली कि वे मानक सेल बना रहे हैं या SCFA10 कोटिंग वाला सेल। अध्ययन ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि नई सामग्री सेल को बनाने के लिए बहुत महंगी या बहुत गंदी बना देगी। डेटा ने दिखाया कि निर्माण चरण के दौरान यह नवाचार पर्यावरणीय और आर्थिक रूप से तटस्थ है।

इसका मतलब यह नहीं है कि नई कोटिंग बेकार है; इसका अर्थ केवल यह है कि इसका मूल्य कहीं और है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि SCFA10 परत के लाभ बाद में दिखने की उम्मीद है, जब सेल वास्तव में चल रहा होता है। कोटिंग को यह सुधारने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि ईंधन सेल के साथ कैसे इंटरैक्ट करता है, जिससे बेहतर प्रदर्शन, लंबा जीवन, या सरल ईंधन प्रणालियों का उपयोग करने की क्षमता मिल सकती है। चूंकि दोनों संस्करणों के बीच निर्माण लागत और पर्यावरणीय प्रभाव इतने समान हैं, इसलिए नई सामग्री का उपयोग करने का निर्णय इसे बनाने की लागत पर नहीं, बल्कि इस पर निर्भर करता है कि स्थापित होने के बाद यह कितना बेहतर काम करता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि जबकि निर्माण चरण वह स्थान नहीं है जहाँ यह नवाचार चमकता है, यह इसमें बाधा भी नहीं डालता है। इस तकनीक के लिए आगे का रास्ता स्पष्ट है: नई कोटिंग को बिना किसी दंड के जोड़ा जा सकता है, और वास्तविक परीक्षण यह होगा कि क्या यह क्षेत्र में किए गए वादों को पूरा करती है, जिससे एक तटस्थ निर्माण चरण को एक महत्वपूर्ण प्रणाली-व्यापी लाभ में बदला जा सके।