ऊर्जा के स्रोत: पाठ, हल किए गए प्रश्न और अभ्यास

ऊर्जा हमें कहाँ से मिलती है

सुबह गाँव के घरों में चूल्हे पर उपले और लकड़ी जलती है, शहर में वही काम LPG का सिलेंडर करता है। खेत में डीज़ल पंपसेट पानी खींचता है, बिजली कटते ही इन्वर्टर की बैटरी पंखा चलाने लगती है, और अब बहुत-सी छतों पर सौर पैनल भी दिखते हैं। आप साइकिल से विद्यालय जाते हैं, तो उसमें आपकी पेशियों की ऊर्जा लगती है। इन सब कामों के पीछे कोई न कोई ऊर्जा का स्रोत है। यह अध्याय इन्हीं स्रोतों की पड़ताल करता है: कौन-सा स्रोत अच्छा है, कौन-सा कितने दिन चलेगा, और किससे पर्यावरण को कितना नुकसान पहुँचता है।

कक्षा 9 में आपने पढ़ा था कि किसी भी भौतिक या रासायनिक प्रक्रम में कुल ऊर्जा संरक्षित रहती है। ऊर्जा न पैदा की जा सकती है, न नष्ट होती है, वह एक रूप से दूसरे रूप में बदलती है। तब सवाल उठता है कि फिर ऊर्जा संकट की इतनी चर्चा क्यों होती है? कुछ उदाहरणों से बात साफ़ होती है:

1. गिरती प्लेट: ऊँचाई से गिरी प्लेट की स्थितिज ऊर्जा का अधिकांश भाग फ़र्श से टकराते समय ध्वनि ऊर्जा में बदल जाता है।
2. जलती मोमबत्ती: यह प्रक्रम अत्यधिक ऊष्माक्षेपी है। मोम की रासायनिक ऊर्जा ऊष्मा और प्रकाश में बदलती है, साथ में कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प जैसे उत्पाद भी बनते हैं। इस ऊष्मा, प्रकाश और गैसों को जोड़कर फिर से मोम नहीं बनाया जा सकता।
3. ठंडा होता पानी: 348 K (75 °C) ताप का 100 mL जल 298 K (25 °C) वाले कमरे में छोड़ दिया जाए, तो कुछ देर में वह कमरे के ताप पर आ जाता है। जो ऊष्मा कमरे की हवा में फैल गई, उसे बटोरकर पानी को दोबारा गर्म करने का कोई उपाय नहीं है।

इन उदाहरणों का निचोड़ यह है: काम में आने लायक (प्रयोज्य) रूप वाली ऊर्जा, काम होने के बाद चारों ओर के वातावरण में कम उपयोगी रूप में बिखर जाती है। ऊर्जा की कुल मात्रा तो बनी रहती है, पर उसका उपयोगी रूप खो जाता है। इसलिए जिस स्रोत से हमने एक बार काम ले लिया, उसका फिर से उपयोग नहीं हो सकता। असल में संकट उपयोगी ऊर्जा के स्रोतों का है।

ऊर्जा का उत्तम स्रोत और अच्छा ईंधन

दैनिक जीवन में हम कई स्रोतों से ऊर्जा लेते हैं: रेलगाड़ी डीज़ल से चलती है, सड़क की बत्तियाँ बिजली से जलती हैं, और साइकिल पेशियों की ऊर्जा से। इसी पर सोचने के लिए दो क्रियाकलाप हैं:

• ऊर्जा के रूपों की सूची: सुबह उठने से विद्यालय पहुँचने तक आप ऊर्जा के जिन रूपों का उपयोग करते हैं, उनमें से चार की सूची बनाइए, और सोचिए कि वे कहाँ से आते हैं। शरीर के काम के लिए पेशीय ऊर्जा, उपकरणों के लिए विद्युत ऊर्जा, खाना पकाने और गाड़ी चलाने के लिए रासायनिक ऊर्जा, ये सब किसी न किसी स्रोत से ही मिलती हैं।
• ईंधन का चुनाव: खाना पकाने के लिए ईंधन चुनते समय आपके पास कौन-कौन से विकल्प हैं? और यह चुनाव कैसे बदलता अगर आप जंगल में, किसी दूर के पहाड़ी गाँव या छोटे द्वीप पर, नई दिल्ली में, या पाँच सौ साल पहले रह रहे होते? हर जगह ईंधन की उपलब्धता अलग है, इसलिए पसंद भी अलग होगी।

ईंधन चुनते समय अपने आप से ऐसे प्रश्न पूछे जाते हैं: जलने पर यह कितनी ऊष्मा देता है? क्या यह बहुत धुआँ करता है? क्या यह आसानी से मिल जाता है? चुनाव काम पर भी निर्भर करता है। सर्दी में खाना पकाने के लिए एक ईंधन और कमरा गर्म करने के लिए दूसरा ईंधन चुना जा सकता है।

ऊर्जा का उत्तम स्रोत वह है जो:

1. प्रति एकांक आयतन या प्रति एकांक द्रव्यमान अधिक कार्य करे,
2. सरलता से सुलभ हो,
3. भंडारण और परिवहन में आसान हो,
4. और शायद सबसे बड़ी बात, सस्ता हो।

इसी आधार पर अच्छा ईंधन वह है जो जलने पर प्रति एकांक द्रव्यमान अधिक ऊष्मा दे, कम धुआँ करे, आसानी से और सस्ते में मिले, और जिसे रखना और ढोना सुविधाजनक हो।

जीवाश्मी ईंधन

पुराने समय में ऊष्मा का सबसे आम स्रोत लकड़ी थी। पवन और बहते जल की ऊर्जा से भी कुछ सीमित काम लिए जाते थे, जैसे पवन से पाल वाली नावें चलाना और बहते पानी से पनचक्की घुमाना। फिर कोयले के उपयोग ने औद्योगिक क्रांति को संभव बनाया। उद्योग बढ़े, जीवन की गुणवत्ता बढ़ी, और ऊर्जा की माँग बहुत तेज़ी से बढ़ने लगी। इस बढ़ी हुई माँग का अधिकांश भाग जीवाश्मी ईंधन, कोयला और पेट्रोलियम, से पूरा किया गया।

ये ईंधन करोड़ों वर्षों में बने हैं और अब इनके सीमित भंडार ही बचे हैं। एक बार जल जाने पर ये जल्दी दोबारा नहीं बनते, इसलिए जीवाश्मी ईंधन अनवीकरणीय स्रोत हैं और इन्हें बचाकर खर्च करने की ज़रूरत है। इसी चिंता से ऊर्जा के वैकल्पिक स्रोतों की खोज शुरू हुई। फिर भी आज हमारी अधिकांश ज़रूरतें जीवाश्मी ईंधन से ही पूरी होती हैं।

भारत में ऊर्जा की आवश्यकताएँ इन प्रमुख स्रोतों से पूरी होती हैं: कोयला, पेट्रोलियम और प्राकृतिक गैस, जल, नाभिकीय और पवन। इन्हें वृत्तारेख (पाई चार्ट) में दिखाया जाए, तो सबसे बड़ा भाग कोयले का बनता है, और नाभिकीय व पवन के भाग बहुत छोटे रहते हैं।

जीवाश्मी ईंधन जलाने की हानियाँ:

• जलने पर कार्बन, नाइट्रोजन और सल्फ़र के ऑक्साइड निकलते हैं, जिनसे वायु प्रदूषण होता है।
• ये ऑक्साइड अम्लीय हैं। इनसे अम्लीय वर्षा होती है, जो हमारे जल और मृदा के संसाधनों को नुकसान पहुँचाती है।
• कार्बन डाइऑक्साइड जैसी गैसें ग्रीन हाउस (पौधघर) प्रभाव बढ़ाती हैं।

पौधघर (ग्रीन हाउस) प्रभाव क्या है: सूर्य का प्रकाश वायुमंडल से होकर पृथ्वी की सतह को गर्म करता है। गर्म सतह यह ऊष्मा अवरक्त (इन्फ़्रारेड) विकिरण के रूप में वापस ऊपर छोड़ती है। वायुमंडल की कुछ गैसें, जैसे कार्बन डाइऑक्साइड, मेथेन और जलवाष्प (साथ में नाइट्रस ऑक्साइड और CFC भी), इस ऊष्मा का एक भाग सोखकर रोक लेती हैं, ठीक वैसे जैसे पौधघर का काँच भीतर की गर्मी को बाहर नहीं जाने देता। इन गैसों को ग्रीन हाउस गैसें कहते हैं, और ऊष्मा रोककर पृथ्वी को गर्म रखने की इस घटना को पौधघर प्रभाव।

यह प्रभाव अपने आप में बुरा नहीं है। इसके बिना पृथ्वी का औसत ताप लगभग −18 °C होता, जबकि अभी यह लगभग 15 °C है। समस्या तब है जब जीवाश्मी ईंधन जलाने और जंगल कटने से वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड बढ़ती जाती है। तब अधिक ऊष्मा रुकती है और पृथ्वी का औसत ताप धीरे-धीरे बढ़ता है। इसे वैश्विक ऊष्मण (ग्लोबल वार्मिंग) कहते हैं। इससे हिमनद पिघलते हैं, समुद्र का जल-स्तर बढ़ता है और मौसम का ढर्रा बिगड़ता है। वैश्विक ऊष्मण के लिए मुख्य रूप से कार्बन डाइऑक्साइड को उत्तरदायी माना जाता है। बाँधों में सड़ती वनस्पति से निकलने वाली मेथेन भी ग्रीन हाउस गैस है।

इस प्रदूषण को कुछ हद तक घटाया जा सकता है: दहन की दक्षता बढ़ाकर, और ऐसी तकनीकें अपनाकर जो दहन से निकली हानिकारक गैसों और राख को वातावरण में जाने से रोकें।

जीवाश्मी ईंधन गैस चूल्हों और वाहनों में तो सीधे जलता ही है, बिजली बनाने का भी यही प्रमुख ईंधन है। किसी देश में प्रति व्यक्ति कितनी विद्युत ऊर्जा उपलब्ध है, यह उस देश के विकास को मापने का एक पैमाना (प्राचल) माना जाता है।

टरबाइन का मॉडल और तापीय विद्युत संयंत्र

बिजली कैसे बनती है, इसे एक छोटे मॉडल से समझिए:

1. टेबल टेनिस की एक बॉल में तीन झिरियाँ बनाकर उनमें धातु की चादर से काटी गई अर्धवृत्ताकार पंखुड़ियाँ लगाइए।
2. बॉल के केंद्र से धातु का एक सीधा तार धुरी की तरह गुज़ारिए, ताकि बॉल उस पर आसानी से घूम सके।
3. धुरी से एक साइकिल डायनेमो जोड़िए और डायनेमो से एक टॉर्च का बल्ब।
4. पंखुड़ियों पर पानी की धार या दाब कुकर से निकलती भाप डालिए।

बॉल घूमती है, डायनेमो घूमता है और बल्ब जल उठता है। यही हमारा छोटा-सा टरबाइन है। सबसे सरल टरबाइन का घूमने वाला भाग रोटर-ब्लेड संयोजन होता है। बहता हुआ तरल (पानी, भाप या हवा) ब्लेडों पर बल लगाकर उन्हें घुमाता है और रोटर को ऊर्जा देता है। रोटर से जुड़ा डायनेमो (जनित्र) इस यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदल देता है। अगले सभी स्रोतों में बात यही है कि टरबाइन को किस चीज़ से घुमाया जाए। यह इस पर निर्भर करता है कि कौन-सा संसाधन उपलब्ध है।

तापीय विद्युत संयंत्र: इन संयंत्रों में रोज़ भारी मात्रा में जीवाश्मी ईंधन जलाकर पानी उबाला जाता है। बनी हुई भाप टरबाइन घुमाती है और बिजली बनती है। ईंधन के दहन से ऊष्मीय ऊर्जा बनती है, जिसे विद्युत ऊर्जा में बदला जाता है, इसीलिए इन्हें तापीय विद्युत संयंत्र कहते हैं।

ऊर्जा का क्रम: ईंधन की रासायनिक ऊर्जा → ऊष्मीय ऊर्जा (भाप) → टरबाइन की यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा

बराबर दूरी तक कोयला या पेट्रोलियम ढोने की तुलना में बिजली को तारों से भेजना (विद्युत संचरण) अधिक दक्ष है। इसी कारण बहुत-से तापीय विद्युत संयंत्र कोयले और तेल के क्षेत्रों के पास लगाए गए हैं।

जल विद्युत संयंत्र

ऊर्जा का एक और पारंपरिक स्रोत है बहते जल की गतिज ऊर्जा या ऊँचाई पर रुके जल की स्थितिज ऊर्जा। जल विद्युत संयंत्रों में गिरते जल की स्थितिज ऊर्जा को बिजली में बदला जाता है। ऐसे जल-प्रपात बहुत कम हैं जिनका इस काम में उपयोग हो सके, इसलिए जल विद्युत संयंत्र बाँधों से जोड़े जाते हैं। भारत में ऊर्जा की माँग का लगभग चौथाई भाग जल विद्युत संयंत्रों से पूरा होता है।

कैसे काम करता है: नदी के बहाव को रोककर ऊँचे बाँध बनाए जाते हैं, जिनके पीछे बड़े जलाशय (कृत्रिम झीलें) बनते हैं। जलाशय में पानी इकट्ठा होता रहता है और उसका तल ऊँचा उठ जाता है। बाँध के ऊपरी भाग से पाइपों द्वारा पानी नीचे, बाँध के आधार के पास लगे टरबाइन के ब्लेडों पर गिरता है। ब्लेड घूमते हैं और उनसे जुड़ा जनित्र बिजली बनाता है।

जल विद्युत संयंत्र के चित्र में बाईं ओर ऊँचे तल वाला जलाशय है, बाँध में जलकपाट है, पाइप से पानी नीचे टरबाइन तक जाता है, टरबाइन के ऊपर पावर हाउस में जनित्र है जिससे पावर लाइन निकलती है, और इस्तेमाल हुआ पानी आगे नदी में चला जाता है।

चित्र के नामांकन: 1. जलाशय, 2. बाँध, 3. जलकपाट, 4. पाइप, 5. टरबाइन, 6. जनित्र, 7. पावर हाउस, 8. पावर लाइन, 9. नदी

ऊर्जा का क्रम: जल की स्थितिज ऊर्जा → गिरते जल की गतिज ऊर्जा → टरबाइन की यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा

हर बरसात में जलाशय फिर से भर जाते हैं, इसलिए जल विद्युत नवीकरणीय स्रोत है। जीवाश्मी ईंधन की तरह इसके खत्म होने की चिंता नहीं है।

बड़े बाँधों की समस्याएँ:

• बाँध कुछ ही क्षेत्रों में बन सकते हैं, और इनके लिए पर्वतीय क्षेत्र अच्छे माने जाते हैं।
• बहुत-सी खेती लायक भूमि और लोगों के घर पानी में डूब जाते हैं।
• डूबे हुए क्षेत्र के बड़े-बड़े पारिस्थितिक तंत्र नष्ट हो जाते हैं।
• जो पेड़-पौधे पानी में डूब जाते हैं, वे ऑक्सीजन के बिना (अवायवीय दशा में) सड़कर भारी मात्रा में मेथेन बनाते हैं, जो एक ग्रीन हाउस गैस है।
• विस्थापित लोगों के संतोषजनक पुनर्वास और क्षतिपूर्ति की समस्या खड़ी होती है।

गंगा नदी पर टिहरी बाँध और नर्मदा नदी पर सरदार सरोवर बाँध की परियोजनाओं का विरोध इन्हीं समस्याओं के कारण हुआ था।

जैव-मात्रा: लकड़ी, उपले और चारकोल

पारंपरिक स्रोतों को बेहतर ढंग से काम में लाने के लिए तकनीक में सुधार किए गए हैं। सबसे पहले जैव-मात्रा (बायो-मास) की बात।

लकड़ी बहुत पुराने समय से ईंधन रही है। अगर काटे गए पेड़ों की जगह लगातार नए पेड़ लगाए जाते रहें, तो जलावन की लकड़ी मिलती रह सकती है। बिहार के गाँवों में गोबर के उपले जलाना आप रोज़ देखते हैं। भारत में पशुधन की बड़ी संख्या भी ईंधन के एक स्थायी स्रोत का भरोसा देती है। ये ईंधन पौधों और जंतुओं से मिलते हैं, इसलिए इनके स्रोत को जैव-मात्रा कहते हैं।

इनकी कमी यह है कि ये अधिक ऊष्मा नहीं देते और जलाने पर बहुत धुआँ करते हैं। इसलिए इनकी दक्षता बढ़ाने के लिए तकनीक का सहारा लिया जाता है।

चारकोल (लकड़ी का कोयला): जब लकड़ी को हवा की सीमित आपूर्ति में जलाया जाता है, तो उसका जल और वाष्पशील पदार्थ निकल जाते हैं और बचा हुआ पदार्थ चारकोल होता है।

जैव गैस (बायोगैस) संयंत्र

गोबर, फ़सल कटने के बाद बचे अवशेष, सब्ज़ियों का कचरा और वाहित मल जब ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में अपघटित होते हैं, तो जैव गैस (बायो गैस) निकलती है। इसे बनाने का मुख्य कच्चा पदार्थ गोबर है, इसलिए इसका प्रचलित नाम गोबर गैस है।

संयंत्र की बनावट: संयंत्र में ईंटों से बनी गुंबद जैसी संरचना होती है। इसके मुख्य भाग ये हैं:

• बाईं ओर कर्दम डालने का रास्ता, जहाँ मिश्रण टंकी से घोल आता है,
• बीच में ज़मीन के नीचे बंद कक्ष, संपाचित्र (डाइजेस्टर),
• संपाचित्र के ऊपर गुंबद में गैस टंकी और उसके सिरे पर वाल्व वाला गैस निर्गम,
• दाईं ओर निर्गम टंकी, जहाँ से बची स्लरी खाद (उर्वरक) के रूप में बाहर निकलती है,
• गुंबद के दोनों ओर ऊपर मिट्टी की परत।

चित्र के नामांकन: 1. मिश्रण टंकी, 2. कर्दम (स्लरी) डालने का रास्ता, 3. संपाचित्र (डाइजेस्टर), 4. गैस टंकी, 5. गैस निर्गम (वाल्व सहित), 6. मिट्टी, 7. निर्गम टंकी, 8. खाद (उर्वरक)

कार्यविधि:

1. मिश्रण टंकी में गोबर और पानी मिलाकर गाढ़ा घोल बनाते हैं, जिसे कर्दम (slurry) कहते हैं।
2. कर्दम को संपाचित्र में डाल दिया जाता है। यह चारों ओर से बंद कक्ष है, जिसमें ऑक्सीजन नहीं होती।
3. वहाँ अवायवीय सूक्ष्मजीव, जिन्हें जीने के लिए ऑक्सीजन नहीं चाहिए, गोबर के जटिल यौगिकों को तोड़ते हैं। यह अपघटन पूरा होने में कुछ दिन लगते हैं, और इससे मेथेन, कार्बन डाइऑक्साइड, हाइड्रोजन और हाइड्रोजन सल्फ़ाइड जैसी गैसें बनती हैं।
4. गैस संपाचित्र के ऊपर बनी गैस टंकी में जमा होती है और पाइपों से उपयोग के लिए बाहर ले जाई जाती है।
5. बची हुई स्लरी समय-समय पर बाहर निकाली जाती है।

जैव गैस उत्तम ईंधन क्यों है:

• इसमें 75 प्रतिशत तक मेथेन होती है।
• यह बिना धुआँ किए जलती है।
• लकड़ी, चारकोल और कोयले की तरह जलने के बाद राख नहीं बचती।
• इसकी तापन क्षमता उच्च है, और इसे प्रकाश के लिए भी जलाया जाता है।

बची हुई स्लरी में नाइट्रोजन और फ़ॉस्फ़ोरस भरपूर होते हैं, इसलिए वह उत्तम खाद है। इस तरह एक ही संयंत्र से तीन काम होते हैं: सुविधाजनक और दक्ष ईंधन मिलता है, अच्छी खाद मिलती है, और कचरे व मल का सुरक्षित निपटारा हो जाता है। जैव-मात्रा ऊर्जा का नवीकरणीय स्रोत है।

पवन ऊर्जा

सूर्य की किरणें ज़मीन और जलाशयों को असमान रूप से गर्म करती हैं। इससे हवा में गति पैदा होती है और पवनें चलती हैं। बहती पवन की गतिज ऊर्जा से काम लिया जा सकता है।

सदियों से पवन-चक्कियों से यांत्रिक काम लिए जाते रहे हैं। जैसे पवन-चक्की से चलने वाले जलपंप में पंखुड़ियों की घूर्णी गति से कुओं से पानी खींचा जाता है। आजकल पवन ऊर्जा से बिजली भी बनती है। पवन-चक्की की बनावट एक बहुत बड़े बिजली के पंखे जैसी होती है, जिसे किसी मज़बूत आधार पर कुछ ऊँचाई पर खड़ा कर दिया जाता है। इसकी घूर्णी गति से विद्युत जनित्र का टरबाइन घूमता है।

चित्र के नामांकन: 1. पंखुड़ियाँ (ब्लेड), 2. पंखुड़ियों का केंद्र (हब), 3. घूमने वाली धुरी, 4. विद्युत जनित्र, 5. ऊँचा खंभा, 6. मज़बूत आधार, 7. बिजली ले जाने वाला तार

एक अकेली पवन-चक्की से बहुत कम बिजली मिलती है, जिसका व्यापारिक उपयोग नहीं हो सकता। इसलिए किसी बड़े क्षेत्र में बहुत-सी पवन-चक्कियाँ लगाई जाती हैं। ऐसे क्षेत्र को पवन ऊर्जा फ़ार्म कहते हैं। फ़ार्म की सभी चक्कियाँ आपस में जोड़ दी जाती हैं, इसलिए कुल ऊर्जा सभी चक्कियों की बिजली के योग के बराबर होती है।

क्या आप जानते हैं: डेनमार्क को "पवनों का देश" कहते हैं। वहाँ की 25 प्रतिशत से अधिक बिजली पवन-चक्कियों से आती है। जर्मनी भी इसमें आगे है, और पवन से बिजली बनाने वाले देशों में भारत का पाँचवाँ स्थान है। अनुमान है कि भारत अपनी पूरी क्षमता से लगभग 45,000 MW बिजली पवन से बना सकता है। भारत का सबसे बड़ा पवन ऊर्जा फ़ार्म तमिलनाडु में कन्याकुमारी के पास है, जो 380 MW बिजली बनाता है। ये आँकड़े कुछ साल पुराने हैं। आज भारत में पवन से बनने वाली बिजली इससे कई गुना है, पर परीक्षा की तैयारी के लिए पुस्तक वाले आँकड़े याद रखिए।

लाभ: पवन ऊर्जा नवीकरणीय, पर्यावरण-हितैषी और दक्ष स्रोत है। बिजली बनाने के लिए बार-बार पैसा खर्च नहीं करना पड़ता।

सीमाएँ:

1. पवन फ़ार्म वहीं लग सकते हैं जहाँ साल के अधिकांश दिन तेज़ हवा चलती हो।
2. टरबाइन की आवश्यक चाल बनाए रखने के लिए हवा की चाल 15 km/h से अधिक होनी चाहिए।
3. हवा न चलने के समय के लिए संचायक सेल जैसी कोई सहायक व्यवस्था चाहिए।
4. फ़ार्म के लिए बहुत बड़ी भूमि चाहिए। 1 MW के जनित्र के लिए लगभग 2 हेक्टेयर भूमि लगती है।
5. फ़ार्म लगाने की शुरुआती लागत बहुत अधिक है।
6. चक्कियों के आधार और पंखुड़ियाँ खुले में रहते हैं और आँधी, चक्रवात, धूप, वर्षा झेलते हैं, इसलिए रखरखाव बहुत करना पड़ता है।

वैकल्पिक स्रोतों की ज़रूरत और सौर ऊर्जा

तकनीक बढ़ने के साथ हमारी ऊर्जा की माँग रोज़ बढ़ रही है। हम ज़्यादा से ज़्यादा काम मशीनों से लेते हैं, और जीवन-स्तर ऊँचा होने के साथ ज़रूरतें भी बढ़ती जाती हैं। एक छोटा क्रियाकलाप कीजिए: अपने दादा-दादी से पूछना है कि वे बचपन में विद्यालय कैसे जाते थे, पानी कैसे लाते थे और मनोरंजन कैसे करते थे, फिर इसकी तुलना आज से करनी है। आज साइकिल की जगह मोटरसाइकिल, कुएँ की जगह मोटर पंप और कहानी-किस्सों की जगह टीवी-मोबाइल हैं। हर बदलाव में बाहर के स्रोत से ज़्यादा ऊर्जा लग रही है। माँग बढ़ने पर हमें पुराने स्रोतों का अधिक दक्ष उपयोग करना होता है और नए स्रोत खोजने होते हैं। ऐसे नए स्रोत वैकल्पिक या गैर-परंपरागत ऊर्जा स्रोत कहलाते हैं।

सौर ऊर्जा: सूर्य लगभग 5 अरब (500 करोड़) वर्ष से लगभग इसी दर पर भारी मात्रा में ऊर्जा विकिरित कर रहा है, और आगे भी लगभग इतने ही वर्ष ऐसा करता रहेगा। पाठ्यपुस्तक में यहाँ "5 करोड़ वर्ष" छपा है, जो छपाई की भूल है। सूर्य की ऊर्जा का छोटा-सा भाग ही पृथ्वी के वायुमंडल की बाहरी परतों तक पहुँचता है। उसका लगभग आधा भाग वायुमंडल से गुज़रते समय अवशोषित हो जाता है, और बाकी पृथ्वी की सतह तक आता है।

क्या आप जानते हैं: भारत भाग्यशाली है, क्योंकि यहाँ साल के अधिकांश दिन धूप मिलती है। अनुमान है कि भारत हर साल लगभग 5000 ट्रिलियन किलोवाट घंटा सौर ऊर्जा पाता है। साफ़ आसमान वाले दिन पृथ्वी के किसी क्षेत्र पर रोज़ मिलने वाली सौर ऊर्जा का औसत 4 से 7 kWh/m² होता है। सूर्य और पृथ्वी के बीच की औसत दूरी पर, वायुमंडल की बाहरी सीमा पर, सूर्य की किरणों के लंबवत रखे खुले क्षेत्र के प्रति एकांक क्षेत्रफल पर प्रति सेकंड पहुँचने वाली सौर ऊर्जा को सौर स्थिरांक कहते हैं। इसका मान लगभग 1.4 kW/m² है।

काले और सफ़ेद फ़्लास्क वाला प्रयोग: दो शंक्वाकार फ़्लास्क लीजिए, एक को काले और दूसरे को सफ़ेद रंग से पोतिए और दोनों में पानी भरिए। दोनों को एक से डेढ़ घंटे सीधी धूप में रखिए। छूकर या तापमापी से देखने पर काले फ़्लास्क का पानी अधिक गर्म मिलता है।

निष्कर्ष: एक जैसी परिस्थिति में काला पृष्ठ, सफ़ेद या परावर्तक पृष्ठ की तुलना में अधिक ऊष्मा अवशोषित करता है। गर्मी में सफ़ेद कपड़े और सर्दी में गहरे रंग के कपड़े आरामदायक लगने का कारण भी यही है।

सौर कुकर और सौर जल तापक

काले पृष्ठ के इसी गुण पर सौर कुकर और सौर जल तापक काम करते हैं। डिब्बे वाला सौर कुकर ऐसा होता है:

• डिब्बे के भीतर का भाग काला रंगा होता है, ताकि वह अधिक ऊष्मा सोखे। खाने के बर्तन भी प्रायः काले रखे जाते हैं।
• डिब्बे पर काँच की शीट का ढक्कन होता है।
• ढक्कन के ऊपर एक दर्पण लगा होता है, जो सूर्य की किरणों को परावर्तित करके डिब्बे के भीतर भेजता है।

चित्र के नामांकन: 1. सूर्य की किरणें, 2. दर्पण (परावर्तक), 3. काँच की शीट का ढक्कन, 4. काला रंगा भीतरी भाग, 5. खाने के काले बर्तन, 6. ऊष्मारोधी दीवार

कुछ सौर कुकरों में किरणों को फ़ोकसित करने के लिए दर्पण लगाए जाते हैं, जिससे ताप और ऊँचा हो जाता है। किरणों को एक जगह इकट्ठा करने का काम अवतल दर्पण सबसे अच्छा करता है।

काँच का ढक्कन क्यों: यहाँ पौधघर (ग्रीन हाउस) प्रभाव काम करता है। सूर्य का प्रकाश काँच से भीतर चला जाता है, पर भीतर की गर्म वस्तुओं से निकलने वाली ऊष्मा काँच से बाहर नहीं निकल पाती। इस तरह ऊष्मा डिब्बे में फँसी रहती है।

अगले क्रियाकलाप में सौर कुकर या सौर जल तापक को इस नज़र से देखना है कि उसमें ऊष्मारोधन (ऊष्मा को बाहर जाने से रोकना) कैसे किया गया है और अधिकतम ऊष्मा अवशोषण कैसे पक्का किया गया है। फिर सस्ते सामान से अपना कुकर बनाकर उसका अधिकतम ताप मापना है, और इसकी सीमाओं पर चर्चा करनी है।

सबसे बड़ी सीमा: ये युक्तियाँ दिन के कुछ निश्चित समय पर ही काम आती हैं। रात में, बादल वाले दिन या वर्षा में इनसे काम नहीं चलता।

सौर सेल और सौर पैनल

सौर कुकर की सीमा पर सौर सेल से पार पाया जाता है। सौर सेल सौर ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में बदलते हैं।

• धूप में रखा एक सामान्य सौर सेल 0.5 से 1.0 V तक वोल्टता देता है और लगभग 0.7 W बिजली बना सकता है।
• बहुत-से सौर सेल जोड़ देने पर बनी व्यवस्था सौर पैनल कहलाती है। इससे काम लायक पर्याप्त बिजली मिल जाती है।

लाभ:

1. इनमें कोई गतिमान पुर्ज़ा नहीं होता।
2. रखरखाव सस्ता है।
3. ये बिना किसी फ़ोकसन युक्ति के भी अच्छा काम करते हैं।
4. इन्हें दूर-दराज़ और दुर्गम स्थानों पर लगाया जा सकता है, और ऐसे छितरे बसे क्षेत्रों में भी जहाँ बिजली की केबल बिछाना बहुत महँगा पड़ता है।

हानियाँ और कठिनाइयाँ:

• सौर सेल सिलिकॉन से बनते हैं। सिलिकॉन प्रकृति में बहुत है, पर सेल के लिए आवश्यक विशेष श्रेणी का सिलिकॉन सीमित है।
• सेल बनाने की पूरी प्रक्रिया अभी भी बहुत महँगी है।
• सेलों को आपस में जोड़कर पैनल बनाने में चाँदी (सिल्वर) लगती है, जिससे लागत और बढ़ जाती है।
• इनकी दक्षता कम है, और महँगे होने के कारण घरों में इनका उपयोग अभी सीमित है।

उपयोग: मानव-निर्मित उपग्रहों और मार्स ऑर्बिटर जैसे अंतरिक्ष यानों में ये प्रमुख ऊर्जा स्रोत हैं। रेडियो या बेतार संचार तंत्रों, दूर के क्षेत्रों के टीवी रिले केंद्रों, ट्रैफ़िक सिग्नलों, परिकलकों (कैलकुलेटर) और बहुत-से खिलौनों में सौर सेल लगते हैं। सौर पैनल विशेष रूप से बनी आनत (झुकी हुई) छतों पर लगाए जाते हैं, ताकि उन पर अधिक से अधिक धूप पड़े।

समुद्रों से ऊर्जा और भूतापीय ऊर्जा

1. ज्वारीय ऊर्जा: घूमती पृथ्वी पर मुख्य रूप से चंद्रमा के गुरुत्वीय खिंचाव के कारण समुद्र के जल का स्तर दिन में चढ़ता और उतरता रहता है। इसे ज्वार-भाटा कहते हैं। जल के चढ़ने-उतरने से ज्वारीय ऊर्जा मिलती है। इसके लिए समुद्र के किसी संकरे क्षेत्र पर बाँध बनाया जाता है, और बाँध के द्वार पर लगी टरबाइन ज्वारीय ऊर्जा को बिजली में बदलती है। ऐसे बाँध बनाने लायक जगहें बहुत कम हैं।

2. तरंग ऊर्जा: महासागरों की सतह पर बहती तेज़ पवनें तरंगें बनाती हैं। तट के पास की विशाल तरंगों की गतिज ऊर्जा को भी पकड़कर टरबाइन घुमाई जा सकती है। इसके लिए कई युक्तियाँ बनाई गई हैं, पर इसका व्यावहारिक उपयोग वहीं हो सकता है जहाँ तरंगें बहुत प्रबल हों।

3. महासागरीय तापीय ऊर्जा: समुद्र की सतह का पानी सूर्य से गर्म रहता है, जबकि गहराई का पानी अपेक्षाकृत ठंडा। ताप के इसी अंतर से सागरीय तापीय ऊर्जा रूपांतरण विद्युत संयंत्र (OTEC) ऊर्जा लेते हैं:

• OTEC संयंत्र तभी चलता है जब सतह के पानी और लगभग 2 km गहराई तक के पानी के ताप में 20 °C (या अधिक) का अंतर हो।
• सतह के गर्म पानी से अमोनिया जैसे वाष्पशील द्रव उबाले जाते हैं।
• उनकी वाष्प जनित्र का टरबाइन घुमाती है।
• गहराई से पंप करके लाया गया ठंडा पानी इस वाष्प को फिर से द्रव में बदल देता है।

महासागरों की ऊर्जा की क्षमता बहुत बड़ी है, पर इसके दक्षतापूर्ण व्यापारिक दोहन में कठिनाइयाँ हैं।

भूतापीय ऊर्जा: भौमिकीय परिवर्तनों के कारण भूपर्पटी की गहराइयों के गर्म क्षेत्रों से पिघली चट्टानें ऊपर धकेल दी जाती हैं और कुछ जगहों पर इकट्ठा हो जाती हैं। इन जगहों को तप्त स्थल कहते हैं। भूमिगत जल इनके संपर्क में आता है तो भाप बनती है।

• कभी-कभी यह गर्म जल धरती की सतह से बाहर निकलने का रास्ता पा लेता है। ऐसे निकास मार्गों को गरम चश्मा या ऊष्ण स्रोत कहते हैं।
• कभी-कभी भाप चट्टानों के बीच फँसकर बहुत ऊँचे दाब पर रहती है। तप्त स्थलों तक पाइप डालकर इसे निकाला जाता है, और यह उच्च दाब वाली भाप जनित्र का टरबाइन घुमाती है।

इससे बिजली बनाने की लागत अधिक नहीं है, पर ऐसे क्षेत्र बहुत कम हैं जहाँ इसका व्यापारिक दोहन व्यावहारिक हो। न्यूज़ीलैंड और संयुक्त राज्य अमेरिका में भूतापीय ऊर्जा पर चलने वाले कई विद्युत संयंत्र काम कर रहे हैं।

नाभिकीय ऊर्जा: विखंडन

नाभिकीय विखंडन वह प्रक्रिया है जिसमें किसी भारी परमाणु (जैसे यूरेनियम, प्लूटोनियम या थोरियम) के नाभिक पर निम्न ऊर्जा वाले न्यूट्रॉनों की बमबारी करके उसे हल्के नाभिकों में तोड़ा जाता है। इसमें विशाल मात्रा में ऊर्जा मुक्त होती है। ऐसा तब होता है जब मूल नाभिक का द्रव्यमान, बने हुए नाभिकों के द्रव्यमानों के योग से थोड़ा-सा अधिक हो।

यूरेनियम के एक परमाणु के विखंडन से निकली ऊर्जा, कोयले के एक कार्बन परमाणु के दहन से निकली ऊर्जा की तुलना में लगभग 1 करोड़ गुनी होती है। बिजली बनाने वाले नाभिकीय संयंत्रों में नाभिकीय ईंधन स्वपोषी विखंडन श्रृंखला अभिक्रिया का भाग होता है, जिसमें ऊर्जा नियंत्रित दर पर निकलती है। इस ऊर्जा से भाप बनाकर बिजली बनाई जाती है।

क्या आप जानते हैं: विखंडन में मूल नाभिक और उत्पाद नाभिकों के द्रव्यमानों का अंतर $\Delta m$ ऊर्जा $E$ में बदल जाता है। यह ऊर्जा सन् 1905 में अल्बर्ट आइंस्टीन के दिए समीकरण से मिलती है:

$$E=\Delta m\,c^{2}$$

यहाँ $c$ निर्वात में प्रकाश की चाल है (लगभग $3\times10^{8}$ m/s)। नाभिकीय विज्ञान में ऊर्जा प्रायः इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) में लिखी जाती है: $1\ \text{eV}=1.602\times10^{-19}\ \text{J}$। इसी समीकरण से जाँचा जा सकता है कि 1 (एकीकृत) परमाणु द्रव्यमान मात्रक (u) लगभग 931 MeV ऊर्जा के तुल्य है।

भारत के नाभिकीय विद्युत संयंत्र:

इनकी स्थापित क्षमता देश की कुल विद्युत उत्पादन क्षमता के 3% से भी कम है, जबकि बहुत-से औद्योगिक देश अपनी कुल बिजली की 30% से अधिक ज़रूरत नाभिकीय संयंत्रों से पूरी करते हैं।

नाभिकीय ऊर्जा के खतरे:

1. सबसे बड़ा संकट उपयोग के बाद बचे नाभिकीय ईंधन का भंडारण और निपटारा है, क्योंकि उसका यूरेनियम अब भी हानिकारक कणों (विकिरणों) में क्षयित होता रहता है। ठीक से न रखा जाए तो पर्यावरण संदूषित हो सकता है।
2. नाभिकीय विकिरणों के आकस्मिक रिसाव का खतरा बना रहता है।
3. संयंत्र लगाने की लागत बहुत अधिक है।
4. यूरेनियम सीमित मात्रा में उपलब्ध है।

इन कारणों से बड़े पैमाने पर नाभिकीय ऊर्जा का उपयोग कठिन बना हुआ है। बिजलीघरों से पहले नाभिकीय ऊर्जा का उपयोग विनाश के लिए हुआ था। नाभिकीय हथियार और नियंत्रित रिएक्टर, दोनों में श्रृंखला विखंडन का सिद्धांत एक है, पर दोनों की बनावट एकदम अलग होती है।

नाभिकीय संलयन और सब ऊर्जाओं का अंतिम स्रोत

क्या आप जानते हैं: आज के सभी व्यापारिक नाभिकीय रिएक्टर विखंडन पर चलते हैं। पर एक दूसरी, अपेक्षाकृत सुरक्षित प्रक्रिया नाभिकीय संलयन से भी नाभिकीय ऊर्जा पाने की संभावना देखी जा रही है।

संलयन का अर्थ है दो हल्के नाभिकों को जोड़कर एक भारी नाभिक बनाना। प्रायः हाइड्रोजन या उसके समस्थानिकों से हीलियम बनती है:

$$^{2}\text{H}+{}^{2}\text{H}\rightarrow{}^{3}\text{He}+n$$

यहाँ भी आइंस्टीन के समीकरण के अनुसार विशाल ऊर्जा निकलती है, क्योंकि बने हुए उत्पाद का द्रव्यमान, भाग लेने वाले मूल नाभिकों के द्रव्यमानों के योग से थोड़ा कम होता है। सूर्य और दूसरे तारों की विशाल ऊर्जा का स्रोत यही संलयन अभिक्रियाएँ हैं।

नाभिकों को आपस में जुड़ने के लिए मजबूर करने को बहुत अधिक ऊर्जा चाहिए। संलयन की शर्तें चरम हैं: मिलियन कोटि केल्विन ताप और मिलियन कोटि पास्कल दाब।

हाइड्रोजन बम "ताप नाभिकीय अभिक्रिया" पर आधारित है। इसके क्रोड में यूरेनियम या प्लूटोनियम के विखंडन वाला एक नाभिकीय बम रखा जाता है, जो ड्यूटीरियम और लीथियम वाले पदार्थ में धँसा होता है। विखंडन बम फटने पर कुछ ही माइक्रोसेकंड में इस पदार्थ का ताप $10^{7}$ K तक पहुँच जाता है, जिससे हल्के नाभिक जुड़ने लगते हैं और अति विशाल ऊर्जा निकलती है।

अंतिम स्रोत कौन? इस पर कक्षा में चर्चा करनी है। उत्तर यह बनता है:

तो भूतापीय और नाभिकीय ऊर्जा इस मामले में अलग हैं। बाकी अधिकांश ऊर्जा स्रोत अंततः सूर्य से ही ऊर्जा पाते हैं। ज्वारीय ऊर्जा मुख्य रूप से चंद्रमा के खिंचाव से आती है।

पर्यावरण की चिंता और स्रोत कब तक चलेगा

किसी भी स्रोत से ऊर्जा लेने पर पर्यावरण में किसी न किसी तरह की गड़बड़ी होती है। इसलिए किसी स्रोत का चुनाव इन बातों पर टिका होता है:

1. उस स्रोत से ऊर्जा पाने में सरलता,
2. ऊर्जा पाने में खर्च (मितव्ययता),
3. उपलब्ध प्रौद्योगिकी की दक्षता,
4. उसके उपयोग से पर्यावरण को होने वाली क्षति।

हम CNG (संपीडित प्राकृतिक गैस) को "स्वच्छ" ईंधन कहते हैं, पर ज़्यादा सही यह कहना है कि कौन-सा स्रोत किस दूसरे स्रोत से अधिक स्वच्छ है। जीवाश्मी ईंधन जलाने से हवा प्रदूषित होती है, यह हम देख चुके हैं। सौर सेल जैसी कुछ युक्तियाँ चलते समय भले प्रदूषण न फैलाएँ, पर उन्हें बनाने में पर्यावरण को नुकसान हुआ हो सकता है। इसीलिए ऐसी युक्तियों पर शोध चल रहा है जो लंबे समय तक चलें और अपने पूरे जीवनकाल में कम से कम नुकसान पहुँचाएँ। एक क्रियाकलाप में अलग-अलग स्रोतों के लाभ-हानि पर वाद-विवाद करके सबसे अच्छा स्रोत चुनना है।

कोई स्रोत कब तक बना रहेगा?

• समाप्य या अनवीकरणीय स्रोत: जो किसी न किसी दिन खत्म हो जाएँगे। जैसे कोयला, पेट्रोलियम, प्राकृतिक गैस।
• नवीकरणीय स्रोत: जिनका पुनर्जनन हो सकता है। जैसे लकड़ी के लिए काटे गए पेड़ों की जगह नए पेड़ लगाकर जैव-मात्रा का ठीक प्रबंधन किया जाए, तो एक निश्चित दर पर ऊर्जा मिलती रह सकती है।
• नवीकरणीय ऊर्जा प्रकृति में लगातार या बार-बार आने वाली धाराओं के रूप में मिलती है (जैसे धूप, पवन, बहता पानी), या भूमिगत भंडारों में इतनी अधिक जमा है कि उनके खाली होने की दर व्यवहार में नगण्य है। ऐसे कभी न चुकने वाले स्रोत अक्षय कहलाते हैं।

कक्षा के वाद-विवाद वाले क्रियाकलाप में दो बातों पर बहस करनी है: (a) कोयले के भंडार लगभग दो सौ साल चलेंगे, तो क्या चिंता करनी चाहिए? (b) सूर्य अभी अरबों साल चमकता रहेगा, तो क्या सौर ऊर्जा खत्म होने की चिंता है? पहले में चिंता उचित है, क्योंकि कोयला एक दिन खत्म होगा और दोबारा नहीं बनेगा। दूसरे में हमारे लिए सौर ऊर्जा व्यवहार में कभी खत्म न होने वाली है।

अध्याय की सीख: जीवन-स्तर बढ़ने के साथ ऊर्जा की माँग बढ़ती है। इसे पूरा करने के लिए ऊर्जा का अधिक दक्ष उपयोग करना होगा और नए स्रोतों को परखकर उनका दोहन करना होगा, क्योंकि जीवाश्मी ईंधन जैसे पारंपरिक स्रोत जल्दी खत्म होने वाले हैं।

ऊर्जा संरक्षित है, फिर संकट क्यों

प्रश्न 1. यदि ऊर्जा न बनाई जा सकती है और न नष्ट होती है, तो हमें ऊर्जा संकट की चिंता क्यों करनी चाहिए? (2 अंक)

उत्तर:

यह सही है कि किसी भी प्रक्रम में कुल ऊर्जा बनी रहती है। पर काम होने के बाद उपयोगी रूप वाली ऊर्जा चारों ओर के वातावरण में कम उपयोगी रूप में, जैसे हवा की हल्की गर्मी के रूप में, बिखर जाती है। जलती मोमबत्ती की ऊष्मा और प्रकाश से फिर मोम नहीं बनता, और ठंडे हो चुके पानी की ऊष्मा हवा से वापस नहीं बटोरी जा सकती। ऊर्जा की मात्रा नहीं घटती, उसका उपयोगी रूप खत्म होता है, इसलिए उपयोगी ऊर्जा के स्रोतों की चिंता करनी पड़ती है।

उत्तम ईंधन

प्रश्न 2. उत्तम ईंधन किसे कहते हैं? (2 अंक)

उत्तर:

जो ईंधन नीचे लिखे गुण रखता हो, उसे उत्तम ईंधन कहते हैं:

1. जलने पर प्रति एकांक द्रव्यमान अधिक ऊष्मा दे।
2. जलने पर कम धुआँ करे और कम राख छोड़े।
3. आसानी से और सस्ते दाम पर मिले।
4. उसका भंडारण और परिवहन आसान हो।

LPG और जैव गैस ऐसे ईंधनों के अच्छे उदाहरण हैं।

जीवाश्मी ईंधन और सूर्य की तुलना

प्रश्न 3. ऊर्जा स्रोत के रूप में जीवाश्मी ईंधन तथा सूर्य की तुलना कीजिए और उनमें अंतर लिखिए। (5 अंक)

उत्तर:

एक समानता भी याद रखिए: जीवाश्मी ईंधन की ऊर्जा भी अंततः सूर्य की ही है, क्योंकि यह उन पौधों में जमा हुई थी जिन्होंने करोड़ों साल पहले सूर्य के प्रकाश से भोजन बनाया था।

जैव-मात्रा और जल विद्युत की तुलना

प्रश्न 4. ऊर्जा स्रोत के रूप में जैव-मात्रा तथा जल विद्युत की तुलना कीजिए और उनमें अंतर लिखिए। (5 अंक)

उत्तर:

एक समानता यह है कि दोनों की ऊर्जा अंततः सूर्य से आती है: पौधे सूर्य के प्रकाश से भोजन बनाते हैं, और सूर्य की गर्मी से हुए वाष्पन और वर्षा से जलाशय भरते हैं।

तापीय विद्युत संयंत्र कोयला क्षेत्र के पास

प्रश्न 5. तापीय विद्युत संयंत्र किसे कहते हैं? ये प्रायः कोयले या तेल के क्षेत्रों के पास क्यों लगाए जाते हैं? (2 अंक)

उत्तर:

जिस संयंत्र में कोयला या तेल जैसे जीवाश्मी ईंधन को जलाकर पानी को भाप में बदला जाता है और भाप से टरबाइन घुमाकर बिजली बनाई जाती है, उसे तापीय विद्युत संयंत्र कहते हैं। इसमें ईंधन की ऊष्मीय ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में बदलती है।

इन संयंत्रों में रोज़ भारी मात्रा में ईंधन जलता है। बराबर दूरी तक कोयला या तेल ढोने की तुलना में बिजली को तारों से भेजना अधिक दक्ष और सस्ता है। इसलिए संयंत्र ईंधन के क्षेत्र के पास लगाकर बिजली दूर भेजी जाती है।

जल विद्युत संयंत्र: लंबा उत्तर

प्रश्न 6. जल विद्युत संयंत्र में विद्युत उत्पादन की विधि का वर्णन कीजिए। बड़े बाँधों के निर्माण से कौन-सी समस्याएँ उत्पन्न होती हैं? (6 अंक)

उत्तर:

सिद्धांत: ऊँचाई पर इकट्ठा जल की स्थितिज ऊर्जा, गिरते समय गतिज ऊर्जा में बदलती है, और इससे टरबाइन घुमाकर बिजली बनाई जाती है।

विधि:

1. नदी के बहाव को रोककर ऊँचा बाँध बनाया जाता है। बाँध के पीछे बड़ा जलाशय (कृत्रिम झील) बनता है, जिसमें जल का तल ऊँचा हो जाता है।
2. बाँध के ऊपरी भाग से पाइपों द्वारा पानी नीचे बाँध के आधार के पास लगे टरबाइन के ब्लेडों पर गिराया जाता है।
3. ब्लेड घूमते हैं और टरबाइन से जुड़ा जनित्र बिजली बनाता है, जो पावर लाइन से भेजी जाती है।

ऊर्जा का क्रम: स्थितिज ऊर्जा → गतिज ऊर्जा → यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा

चित्र बनाना हो तो: बाईं ओर ऊँचे तल वाला जलाशय, बीच में बाँध और उसमें जलकपाट, बाँध से नीचे जाता पाइप, पाइप के सिरे पर टरबाइन, उसके ऊपर पावर हाउस में जनित्र, जनित्र से निकलती पावर लाइन, और दाईं ओर नदी में जाता पानी। नामांकन: जलाशय, जलकपाट, टरबाइन, जनित्र, पावर हाउस, पावर लाइन।

चित्र के नामांकन: 1. जलाशय, 2. बाँध, 3. जलकपाट, 4. पाइप, 5. टरबाइन, 6. जनित्र, 7. पावर हाउस, 8. पावर लाइन, 9. नदी

वर्षा से जलाशय फिर भर जाता है, इसलिए यह नवीकरणीय स्रोत है।

बड़े बाँधों की समस्याएँ:

1. बाँध कुछ ही जगहों पर, प्रायः पहाड़ी क्षेत्रों में बन सकते हैं।
2. खेती लायक भूमि और लोगों के घर डूब जाते हैं।
3. बड़े पारिस्थितिक तंत्र नष्ट हो जाते हैं।
4. डूबी वनस्पति ऑक्सीजन के बिना सड़कर मेथेन बनाती है, जो ग्रीन हाउस गैस है।
5. विस्थापित लोगों के पुनर्वास और क्षतिपूर्ति की समस्या आती है। टिहरी और सरदार सरोवर बाँध का विरोध इन्हीं कारणों से हुआ।

चारकोल, लकड़ी से बेहतर क्यों

प्रश्न 7. चारकोल कैसे बनाया जाता है? ईंधन के रूप में यह लकड़ी से अच्छा क्यों है? (2 अंक)

उत्तर:

लकड़ी को हवा की सीमित आपूर्ति में जलाने पर उसका जल और वाष्पशील पदार्थ निकल जाते हैं और बचा हुआ अवशेष चारकोल होता है।

चारकोल बिना ज्वाला के जलता है, लकड़ी की तुलना में कम धुआँ करता है और इसकी ऊष्मा देने की दक्षता अधिक होती है। इसलिए यह लकड़ी से अच्छा ईंधन है।

पवन ऊर्जा फ़ार्म

प्रश्न 8. पवन ऊर्जा फ़ार्म क्या है? पवन ऊर्जा के लाभ लिखिए और इससे ऊर्जा प्राप्त करने की सीमाएँ बताइए। (6 अंक)

उत्तर:

एक पवन-चक्की से बहुत कम बिजली बनती है, जिसका व्यापारिक उपयोग नहीं हो सकता। इसलिए किसी बड़े क्षेत्र में बहुत-सी पवन-चक्कियाँ लगाकर उन्हें आपस में जोड़ दिया जाता है। ऐसे क्षेत्र को पवन ऊर्जा फ़ार्म कहते हैं। इसकी कुल ऊर्जा सभी चक्कियों की बिजली के योग के बराबर होती है। हवा की गतिज ऊर्जा से चक्की की पंखुड़ियाँ घूमती हैं और उनकी घूर्णी गति से जनित्र का टरबाइन घूमकर बिजली बनाता है। भारत का सबसे बड़ा पवन फ़ार्म कन्याकुमारी (तमिलनाडु) के पास है, जो 380 MW बिजली बनाता है।

लाभ:

1. यह नवीकरणीय स्रोत है, हवा कभी खत्म नहीं होती।
2. इससे कोई धुआँ या प्रदूषण नहीं होता।
3. एक बार लगाने के बाद बिजली के लिए बार-बार पैसा खर्च नहीं होता।

सीमाएँ:

1. फ़ार्म वहीं लग सकता है जहाँ साल के अधिकांश दिन तेज़ हवा चले।
2. टरबाइन को ठीक चाल से घुमाने के लिए हवा की चाल 15 km/h से अधिक होनी चाहिए।
3. हवा न चलने के समय के लिए संचायक सेल जैसी व्यवस्था चाहिए।
4. बहुत बड़ी भूमि चाहिए, 1 MW के लिए लगभग 2 हेक्टेयर।
5. शुरुआती लागत बहुत अधिक है।
6. आँधी, चक्रवात, धूप और वर्षा से बचाने के लिए बहुत रखरखाव करना पड़ता है।

पवन फ़ार्म की भूमि का हिसाब

प्रश्न 9. 1 MW के जनित्र के लिए पवन फ़ार्म को लगभग 2 हेक्टेयर भूमि चाहिए। कन्याकुमारी के पास का 380 MW वाला पवन फ़ार्म लगभग कितनी भूमि घेरेगा? उत्तर वर्ग किलोमीटर में भी लिखिए। (1 km² = 100 हेक्टेयर) (2 अंक)

हल:

दिया है: 1 MW के लिए भूमि = 2 हेक्टेयर, फ़ार्म की क्षमता = 380 MW

$\text{Land}=380\times2=760$ हेक्टेयर

वर्ग किलोमीटर में: $\dfrac{760}{100}=7.6\ \text{km}^{2}$

उत्तर: लगभग 760 हेक्टेयर, यानी 7.6 km²। यही बड़ी भूमि की ज़रूरत पवन ऊर्जा की एक बड़ी सीमा है।

सौर कुकर की बनावट

प्रश्न 10. सौर कुकर के लिए कौन-सा दर्पण, अवतल, उत्तल या समतल, सबसे उपयुक्त है और क्यों? सौर कुकर का भीतरी भाग काला क्यों रंगा जाता है और उस पर काँच का ढक्कन क्यों लगाते हैं? (3 अंक)

उत्तर:

1. अवतल दर्पण सबसे उपयुक्त है। यह सूर्य की समांतर किरणों को परावर्तित करके एक बिंदु (फ़ोकस) पर इकट्ठा करता है, जिससे वहाँ ताप बहुत ऊँचा हो जाता है। उत्तल दर्पण किरणों को फैला देता है, इसलिए वह बेकार है। समतल दर्पण किरणों को डिब्बे के भीतर भेज तो देता है, पर उन्हें एक जगह इकट्ठा नहीं करता।
2. काला रंग इसलिए, क्योंकि एक जैसी परिस्थिति में काला पृष्ठ सफ़ेद या चमकीले पृष्ठ से अधिक ऊष्मा सोखता है।
3. काँच का ढक्कन पौधघर प्रभाव के कारण लगाया जाता है। सूर्य का प्रकाश काँच से भीतर चला जाता है, पर भीतर की गर्म वस्तुओं से निकलने वाली ऊष्मा काँच से बाहर नहीं निकल पाती। ढक्कन से गर्म हवा भी बाहर नहीं जाती।

सौर पैनल में कितने सेल

प्रश्न 11. एक सौर सेल धूप में लगभग 0.5 V वोल्टता देता है और लगभग 0.7 W बिजली बनाता है। 12 V वोल्टता पाने के लिए कम से कम कितने सेल श्रेणीक्रम में जोड़ने होंगे? इस पैनल की कुल शक्ति कितनी होगी? (3 अंक)

हल:

श्रेणीक्रम में जोड़ने पर सेलों की वोल्टता जुड़ती है।

एक सेल की वोल्टता = 0.5 V, चाहिए = 12 V

$n=\dfrac{12\ \text{V}}{0.5\ \text{V}}=24$

कुल शक्ति $=24\times0.7\ \text{W}=16.8\ \text{W}$

उत्तर: कम से कम 24 सेल, और पैनल की शक्ति लगभग 16.8 W। इसी कारण व्यावहारिक काम के लिए बहुत-से सेल जोड़कर सौर पैनल बनाया जाता है।

महासागरों से ऊर्जा

प्रश्न 12. महासागरों से ऊर्जा किन-किन रूपों में प्राप्त की जा सकती है? प्रत्येक की विधि और सीमाएँ लिखिए। (6 अंक)

उत्तर:

1. ज्वारीय ऊर्जा: मुख्य रूप से चंद्रमा के गुरुत्वीय खिंचाव के कारण समुद्र का जल-स्तर चढ़ता-उतरता है (ज्वार-भाटा)। समुद्र के किसी संकरे क्षेत्र पर बाँध बनाकर उसके द्वार पर टरबाइन लगाई जाती है, जो ज्वारीय ऊर्जा को बिजली में बदलती है। सीमा: ऐसे बाँध बनाने लायक संकरी जगहें बहुत कम हैं।

2. तरंग ऊर्जा: समुद्र की सतह पर तेज़ पवनें बड़ी तरंगें बनाती हैं। तट के पास इन तरंगों की गतिज ऊर्जा को विशेष युक्तियों से पकड़कर टरबाइन घुमाई जाती है। सीमा: यह वहीं काम की है जहाँ तरंगें बहुत प्रबल हों।

3. महासागरीय तापीय ऊर्जा: सतह का पानी गर्म और गहराई का पानी ठंडा होता है। OTEC संयंत्र में सतह के गर्म पानी से अमोनिया जैसा वाष्पशील द्रव उबाला जाता है, उसकी वाष्प टरबाइन घुमाती है, और गहराई से पंप किया ठंडा पानी वाष्प को फिर द्रव बना देता है। सीमा: संयंत्र तभी चलता है जब सतह और लगभग 2 km गहराई के पानी के ताप में कम से कम 20 °C का अंतर हो।

कुल मिलाकर महासागरों की ऊर्जा की क्षमता बहुत बड़ी है, पर इसका दक्ष व्यापारिक दोहन अभी कठिन और महँगा है।

द्रव्यमान से ऊर्जा

प्रश्न 13. किसी नाभिकीय अभिक्रिया में 1 g द्रव्यमान की क्षति होती है। कितनी ऊर्जा मुक्त होगी? इसे kWh में भी बदलिए। ($c=3\times10^{8}$ m/s, $1\ \text{kWh}=3.6\times10^{6}$ J) (3 अंक)

हल:

सूत्र: $E=\Delta m\,c^{2}$

$\Delta m=1\ \text{g}=10^{-3}\ \text{kg}$

$E=10^{-3}\times(3\times10^{8})^{2}=10^{-3}\times9\times10^{16}=9\times10^{13}\ \text{J}$

kWh में: $\dfrac{9\times10^{13}}{3.6\times10^{6}}=2.5\times10^{7}\ \text{kWh}$

उत्तर: $9\times10^{13}$ J, यानी लगभग $2.5\times10^{7}$ kWh (ढाई करोड़ यूनिट)। एक ग्राम द्रव्यमान से इतनी ऊर्जा, यही नाभिकीय ऊर्जा की ताक़त है।

नाभिकीय ऊर्जा का महत्व और खतरे

प्रश्न 14. नाभिकीय ऊर्जा का क्या महत्व है? नाभिकीय विद्युत संयंत्रों से कौन-से खतरे जुड़े हैं? (5 अंक)

उत्तर:

महत्व:

1. बहुत थोड़े ईंधन से विशाल ऊर्जा मिलती है। यूरेनियम के एक परमाणु के विखंडन से कोयले के एक कार्बन परमाणु के दहन की तुलना में लगभग 1 करोड़ गुनी ऊर्जा निकलती है।
2. नियंत्रित श्रृंखला अभिक्रिया से लगातार बिजली बनाई जा सकती है।
3. इसमें जीवाश्मी ईंधन की तरह धुआँ और कार्बन डाइऑक्साइड नहीं निकलते।
4. जीवाश्मी ईंधन घटने पर यह बिजली का एक बड़ा विकल्प है। बहुत-से औद्योगिक देश अपनी 30% से अधिक बिजली इसी से लेते हैं।

खतरे:

1. इस्तेमाल हो चुके ईंधन का भंडारण और निपटारा कठिन है, क्योंकि उसका यूरेनियम हानिकारक विकिरण देता रहता है।
2. ठीक से न रखने पर पर्यावरण संदूषित हो सकता है।
3. विकिरणों के आकस्मिक रिसाव का डर रहता है।
4. संयंत्र लगाने की लागत बहुत अधिक है और यूरेनियम सीमित है।

बढ़ती ऊर्जा माँग का पर्यावरण पर असर

प्रश्न 15. ऊर्जा की बढ़ती माँग के पर्यावरणीय परिणाम क्या हैं? ऊर्जा की खपत कम करने के दो उपाय लिखिए। (3 अंक)

उत्तर:

पर्यावरणीय परिणाम:

1. अधिक जीवाश्मी ईंधन जलने से वायु प्रदूषण बढ़ता है।
2. सल्फ़र और नाइट्रोजन के ऑक्साइड से अम्लीय वर्षा होती है, जो जल और मृदा को खराब करती है।
3. कार्बन डाइऑक्साइड बढ़ने से पौधघर प्रभाव बढ़ता है और वैश्विक ऊष्मण होता है।
4. जल विद्युत के लिए बने बड़े बाँधों से भूमि और वन डूबते हैं और सड़ती वनस्पति से मेथेन निकलती है।
5. नाभिकीय संयंत्रों के अपशिष्ट से विकिरण का खतरा रहता है, और जलावन के लिए वन कटते हैं।

खपत कम करने के उपाय: काम न होने पर बत्ती, पंखे और उपकरण बंद रखिए, कम बिजली खाने वाले बल्ब और उपकरण लगाइए, और पास जाने के लिए पैदल या साइकिल से, दूर के लिए बस-रेल से जाइए।

हाइड्रोजन या CNG

प्रश्न 16. रॉकेट ईंधन के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग होता रहा है। क्या आप इसे CNG की तुलना में अधिक स्वच्छ ईंधन मानते हैं? क्यों? (2 अंक)

उत्तर:

हाँ, हाइड्रोजन CNG से अधिक स्वच्छ ईंधन है। हाइड्रोजन जलने पर केवल जल (भाप) बनाती है, इसमें कार्बन नहीं होता। CNG मुख्य रूप से मेथेन है, जिसमें कार्बन होता है, इसलिए जलने पर कार्बन डाइऑक्साइड बनती है जो ग्रीन हाउस प्रभाव बढ़ाती है, और अधूरे दहन में कार्बन मोनोऑक्साइड भी बन सकती है। साथ ही हाइड्रोजन प्रति एकांक द्रव्यमान अधिक ऊष्मा देती है।

स्रोतों का वर्गीकरण

प्रश्न 17. ऊर्जा स्रोतों को (a) नवीकरणीय तथा अनवीकरणीय और (b) समाप्य तथा अक्षय वर्गों में किस आधार पर बाँटा जाता है? क्या (a) और (b) के विकल्प समान हैं? (3 अंक)

उत्तर:

(a) नवीकरणीय और अनवीकरणीय: आधार यह है कि उपयोग के बाद स्रोत फिर से बन सकता है या नहीं। जो प्रकृति में फिर से बन जाए, जैसे वर्षा से भरा जलाशय या नए लगाए पेड़, वह नवीकरणीय है। जो एक बार खर्च होकर जल्दी न बने, जैसे कोयला, वह अनवीकरणीय है।

(b) समाप्य और अक्षय: आधार यह है कि स्रोत किसी दिन खत्म हो जाएगा या नहीं। कोयला और पेट्रोलियम किसी दिन खत्म हो जाएँगे, इसलिए समाप्य हैं। सौर ऊर्जा और पवन हमारे लिए कभी न खत्म होने वाले हैं, इसलिए अक्षय हैं।

दोनों वर्गीकरण लगभग एक जैसे परिणाम देते हैं: अनवीकरणीय स्रोत ही समाप्य होते हैं, और नवीकरणीय स्रोत व्यवहार में अक्षय। फ़र्क़ केवल देखने के ढंग का है, एक में दोबारा बनने को देखते हैं, दूसरे में खत्म होने को।

क्विज़ से पहले

अब 20 प्रश्न आपकी पकड़ परखेंगे। इस अध्याय में गणित कम और तथ्य ज़्यादा हैं: कौन-सी गैस कितने प्रतिशत, कौन-सा संयंत्र किस राज्य में, हवा की कितनी चाल, कौन-सा स्रोत नवीकरणीय। हर प्रश्न पढ़कर पहले मन में उत्तर सोचिए, फिर विकल्प देखिए।

जो प्रश्न गलत हो, उसका भाग पाठ में फिर से पढ़िए और उसके आँकड़े एक कागज़ पर अलग लिखते जाइए। अध्याय के अंत तक यही कागज़ आपकी अपनी छोटी दोहराई सूची बन जाएगा।