समुद्री ऊर्जा (ओशन एनर्जी) में वे सारी तकनीकें आती हैं जो समुद्री पानी की हलचल, तापमान या खारेपन से बिजली बनाती हैं: ज्वार, ज्वारीय धाराएं, लहरें, तापमान का अंतर और मीठे व खारे पानी का मिलना। कागज़ पर यह संसाधन विशाल है। IPCC की Special Report on Renewable Energy Sources (2011) ने सिर्फ लहर और थर्मल ऊर्जा की वैश्विक सैद्धांतिक क्षमता कुछ हज़ार से लेकर दसियों हज़ार TWh सालाना आंकी थी, और ज्वार धरती पर सबसे अनुमान-योग्य ऊर्जा प्रवाहों में गिने जाते हैं। ज़मीन पर हकीकत अलग है। दुनिया में करीब 0.5 GW क्षमता चल रही है, जो साल में लगभग 1 TWh बिजली देती है। यह दुनिया की बिजली का 0.01% से भी कम है, और इसमें से लगभग सारी दो ज्वारीय बैराज से आती है। आगे हम हर तकनीक को देखेंगे, समझेंगे कि प्रगति धीमी क्यों रही, और लागत व स्थापना की मौजूदा स्थिति क्या है।
समुद्री ऊर्जा कैसे काम करती है
हर समुद्री तकनीक के सामने इंजीनियरिंग की एक ही मुश्किल है: समुद्र मशीनों के लिए बेहद कठोर जगह है। उपकरणों को लहरों का भारी लोड, खारे पानी से जंग, समुद्री जीवों का जमाव (बायोफ़ाउलिंग) और तूफ़ान झेलने पड़ते हैं। लगाने और मरम्मत का काम मौसम की छोटी खिड़कियों और खास जहाज़ों पर टिका रहता है। हां, हर तकनीक के पीछे की भौतिकी अलग है।
टाइडल रेंज (बैराज और लैगून)
टाइडल रेंज बिजली असल में कम हेड वाली जलविद्युत ही है। किसी मुहाने के आर-पार बना बैराज, या समुद्र में बनी लैगून की दीवार, ज्वार के समय पानी रोक लेती है। जब बाहर समुद्र का स्तर कई मीटर गिर जाता है, तो पानी कम हेड वाले बल्ब टरबाइनों से होकर वापस बहता है। कुछ प्रोजेक्ट आते ज्वार पर भी बिजली बनाते हैं (दो-तरफ़ा उत्पादन) या ज्वार के समय पानी पंप करके हेड बढ़ाते हैं। हर ज्वार में मिलने वाली ऊर्जा ज्वारीय रेंज के वर्ग के अनुपात में बढ़ती है, इसलिए सिर्फ बहुत ऊंचे ज्वार वाली जगहें, आम तौर पर 5 m से ज़्यादा, विकसित करने लायक होती हैं।
Tidal stream — power through a rotor: P = ½ × ρ × A_rotor × v³ × Cp
ρ = seawater density (≈ 1,025 kg/m³) g = 9.81 m/s² A = basin area (m²) h = tidal range (m) A_rotor = swept area (m²) v = current speed (m/s) Cp ≈ 0.35–0.45
Example: basin 20 km², range 8 m → E ≈ ½ × 1,025 × 9.81 × 2×10⁷ × 64 ≈ 6.4×10¹² J ≈ 1.8 GWh per tide (theoretical)
असली प्लांट इस सैद्धांतिक आंकड़े का सिर्फ एक हिस्सा हासिल करते हैं, आम तौर पर एक-तिहाई या उससे कम। टरबाइन हेड की पूरी रेंज पर नहीं चल पाते, और संचालन में जहाज़रानी व पर्यावरण की सीमाओं का ध्यान रखना पड़ता है। टाइडल एनर्जी कैलकुलेटर दोनों तरीकों से उत्पादन का अनुमान लगाता है।
टाइडल स्ट्रीम
टाइडल स्ट्रीम टरबाइन जलडमरूमध्यों और समुद्र में निकले अंतरीपों के पास तेज़ धाराओं में लगाए जाते हैं, जहां पीक प्रवाह अक्सर 2–2.5 m/s से ऊपर जाता है। समुद्री पानी हवा से लगभग 840 गुना घना है, इसलिए उतनी ही बिजली के लिए ज्वारीय टरबाइन का रोटर पवन टरबाइन से काफ़ी छोटा होता है। 2.5 m/s की धारा में लगभग उतना पावर घनत्व होता है जितना करीब 24 m/s की हवा में। क्यूब नियम और Betz सीमा यहां भी वैसे ही लागू होते हैं जैसे पवन ऊर्जा में। डिज़ाइन कई तरह के हैं: समुद्र तल पर टिके क्षैतिज-अक्ष टरबाइन, तैरते प्लेटफ़ॉर्म जिनके नीचे टरबाइन लटके होते हैं (जैसे Orbital Marine Power का 2 MW वाला O2), और पतंग जैसे उपकरण जो धारा में उड़ते हुए चलते हैं।
लहर ऊर्जा
लहर ऊर्जा कन्वर्टर सतह की लहरों की हलचल पकड़ते हैं। लहरों को यह ऊर्जा समुद्र के लंबे फैलाव पर बहती हवा से मिलती है। सबसे अच्छे संसाधन, अक्सर लहर की चोटी के प्रति मीटर 40–70 kW, मध्य से ऊंचे अक्षांशों के पश्चिम की ओर खुले तटों पर हैं: स्कॉटलैंड, आयरलैंड, पुर्तगाल, चिली, दक्षिणी ऑस्ट्रेलिया और अमेरिका का पैसिफ़िक नॉर्थवेस्ट। लहर का पावर घनत्व लहर की ऊंचाई के वर्ग और लहर की अवधि के अनुपात में होता है। पवन ऊर्जा ने तीन ब्लेड वाले टरबाइन को अपना लिया, पर लहर ऊर्जा अब तक किसी एक डिज़ाइन पर नहीं टिकी:
- पॉइंट एब्ज़ॉर्बर: बोया, जिनकी ऊपर-नीचे की हलचल हाइड्रॉलिक या लीनियर इलेक्ट्रिक जनरेटर चलाती है।
- ऑसिलेटिंग वॉटर कॉलम (OWC): आंशिक रूप से डूबा कक्ष, जिसमें लहरें हवा को दबाती और छोड़ती हैं और यह हवा एक टरबाइन घुमाती है। स्पेन में मुत्रिकु ब्रेकवॉटर प्लांट (करीब 0.3 MW) 2011 से चल रहा है।
- एटेन्यूएटर: लंबे, जोड़ों वाले तैरते ढांचे, जो लहरों के गुज़रने पर मुड़ते हैं, जैसे Pelamis उपकरण।
- ऑसिलेटिंग वेव सर्ज कन्वर्टर: किनारे के पास समुद्र तल पर कब्ज़ेदार फ्लैप, जिन्हें लहरें आगे-पीछे धकेलती हैं, जैसे Aquamarine का Oyster।
- ओवरटॉपिंग उपकरण: लहरें ऊंचे जलाशय में भर जाती हैं और पानी कम हेड वाले टरबाइनों से वापस निकलता है।
ओशन थर्मल एनर्जी कन्वर्ज़न
OTEC एक हीट इंजन है, जो उष्णकटिबंधीय समुद्र की गर्म सतह और लगभग 1,000 m की गहराई से खींचे गए ठंडे पानी के बीच चलता है। क्लोज़्ड-साइकिल सिस्टम में अमोनिया जैसा वर्किंग फ्लूइड उबाला जाता है। ओपन-साइकिल सिस्टम गर्म समुद्री पानी को कम दबाव वाली भाप में बदलते हैं और साथ में खारापन हटाया हुआ पानी भी बना सकते हैं। तापमान का अंतर सिर्फ 20–24 °C होने से कार्नो दक्षता करीब 7% रहती है और पंपिंग के बाद शुद्ध दक्षता लगभग 2–3%। इसलिए प्लांट को बहुत बड़े जल प्रवाह और ठंडे पानी के लंबे पाइप चाहिए। करीब 100 kW के डेमो प्लांट हवाई (Makai Ocean Engineering) और जापान के ओकिनावा में चल रहे हैं। OTEC मुख्य रूप से उन उष्णकटिबंधीय द्वीपों के काम का है जो महंगी डीज़ल बिजली पर निर्भर हैं।
लवणता अंतर (सैलिनिटी ग्रेडिएंट)
जहां नदी का पानी समुद्र से मिलता है, वहां नमक की सांद्रता के अंतर से बिजली बनाई जा सकती है। प्रेशर-रिटार्डेड ऑस्मोसिस में मीठा पानी झिल्लियों से होकर दबाव वाले समुद्री पानी में जाता है; रिवर्स इलेक्ट्रोडायलिसिस में आयन-चयनी झिल्लियां वोल्टेज पैदा करती हैं। Statkraft ने 2009 से 2013 तक नॉर्वे के टोफ़्टे में एक छोटा ऑस्मोटिक प्रोटोटाइप चलाया और फिर इस नतीजे पर पहुंची कि व्यावसायिक इस्तेमाल के लिए झिल्लियों का प्रदर्शन बहुत कमज़ोर है। यह तकनीक अभी प्रयोगशाला और पायलट स्तर पर ही है।
बड़े प्रोजेक्ट
| प्रोजेक्ट | देश | प्रकार | क्षमता | स्थिति / टिप्पणी |
|---|---|---|---|---|
| सिह्वा लेक | दक्षिण कोरिया | टाइडल रेंज (मौजूदा समुद्री दीवार पर लैगून) | 254 MW | 2011 से; सबसे बड़ा समुद्री प्लांट, आते ज्वार पर उत्पादन |
| ला रांस | फ्रांस | टाइडल रेंज बैराज | 240 MW | 1966 से; लगभग 500 GWh/साल |
| एनापोलिस रॉयल | कनाडा | टाइडल रेंज बैराज | 20 MW | 1984–2019; मछलियों की मौत की चिंता के चलते बंद |
| जियांगशिया, उलदोलमोक, LHD झोउशान | चीन / दक्षिण कोरिया | टाइडल रेंज और स्ट्रीम पायलट | ~1–4 MW हर एक | डेमो स्तर |
| MeyGen, पेंटलैंड फ़र्थ | यूनाइटेड किंगडम | टाइडल स्ट्रीम ऐरे | 6 MW (फ़ेज़ 1A) | 2016–2017 से; दसियों GWh ग्रिड को दी, विस्तार का कॉन्ट्रैक्ट मिला |
| Orbital O2, ऑर्कनी | यूनाइटेड किंगडम | तैरता टाइडल स्ट्रीम | 2 MW | 2021 से |
| मुत्रिकु | स्पेन | लहर (ऑसिलेटिंग वॉटर कॉलम) | ~0.3 MW | 2011 से, ब्रेकवॉटर में बना |
| Makai OTEC, हवाई | अमेरिका | OTEC (क्लोज़्ड साइकिल) | ~0.1 MW | 2015 से ग्रिड से जुड़ा डेमो प्लांट |
UK में टाइडल रेंज के बड़े प्रस्ताव, जैसे सेवर्न बैराज (करीब 8.6 GW) और स्वानसी बे टाइडल लैगून (320 MW), लागत और पर्यावरण के आधार पर बार-बार खारिज हुए हैं।
दक्षता और कैपेसिटी फैक्टर
टाइडल स्ट्रीम टरबाइन आम तौर पर 0.35–0.45 का पावर कोएफ़िशिएंट और करीब 25–45% का क्षमता उपयोग कारक (कैपेसिटी फैक्टर) हासिल करते हैं। यह इस पर निर्भर है कि रेटेड पावर को पीक धारा की रफ़्तार के मुकाबले कहां रखा गया है। अच्छे सालों में MeyGen के टरबाइनों की उपलब्धता 90% से ऊपर दर्ज हुई है। ज्वारीय बैराज का कैपेसिटी फैक्टर करीब 20–30% रहता है, क्योंकि वे हर ज्वारीय चक्र के सिर्फ एक हिस्से में बिजली बनाते हैं; ला रांस 240 MW से सालाना लगभग 500 GWh देता है, यानी करीब 24%। परिपक्व लहर उपकरणों से अच्छी जगहों पर 20–35% की उम्मीद है, पर बहुत कम उपकरण इतने लंबे समय तक चले हैं कि भरोसेमंद आंकड़े मिलें। समुद्र का तापमान स्थिर रहता है, इसलिए सिद्धांत रूप में OTEC 90% से ऊपर के कैपेसिटी फैक्टर पर बेसलोड की तरह चल सकता है।
ज्वारीय ऊर्जा की असली ताकत दक्षता नहीं, अनुमान-योग्यता है। उत्पादन का पूर्वानुमान सालों पहले लग सकता है, और एक ही तट पर अलग-अलग जगहों पर ज्वार अलग समय पर चरम पर होते हैं। भौगोलिक रूप से फैली साइटें मिलकर कुल उत्पादन को समतल कर सकती हैं। यह अब भी परिवर्तनशील नवीकरणीय ऊर्जा है, बस इसमें मौसम से पैदा होने वाली पूर्वानुमान की गलतियां नहीं होतीं।
लागत
समुद्री ऊर्जा स्थापित नवीकरणीय स्रोतों के मुकाबले लागत में कहीं नहीं ठहरती। मुख्य वजह यह है कि इतना निर्माण ही नहीं हुआ कि वे सीखने के असर दिखें जिन्होंने पवन और सोलर की लागत गिराई। प्रकाशित LCOE (स्तरीकृत लागत) अनुमानों में बड़ा अंतर है:
- टाइडल स्ट्रीम: IRENA की Innovation Outlook: Ocean Energy Technologies (2020) और Ocean Energy Europe के मुताबिक आज के पायलट ऐरे के लिए लगभग EUR 0.20–0.45/kWh। UK की कॉन्ट्रैक्ट्स फ़ॉर डिफ़रेंस नीलामियों में टाइडल स्ट्रीम प्रोजेक्टों को एलोकेशन राउंड 4 (2022) में करीब £178/MWh और बाद के राउंड में लगभग £170–200/MWh के स्ट्राइक प्राइस मिले (सब 2012 की कीमतों में)। यह उन्हीं राउंड में अपतटीय पवन के तीन गुने से भी ज़्यादा है।
- लहर ऊर्जा: इससे भी महंगी, शुरुआती ऐरे के लिए आम तौर पर EUR 0.30–0.55/kWh या उससे ज़्यादा, और अनिश्चितता बड़ी।
- टाइडल रेंज: बैराज और लैगून का शुरुआती CAPEX बहुत ऊंचा है, पर सिविल ढांचा 100 साल चलता है और चलाने का खर्च कम है। ला रांस अपनी लागत बहुत पहले वसूल कर चुका है; नए लैगून प्रस्ताव व्यावसायिक डिस्काउंट दरों पर प्रतिस्पर्धी LCOE दिखाने में संघर्ष करते रहे हैं।
- OTEC: 10–100 MW के व्यावसायिक प्लांटों के अनुमान बहुत अलग-अलग हैं, अक्सर USD 0.15–0.40/kWh, और इन्हें परखने के लिए कोई व्यावसायिक स्तर का प्लांट मौजूद नहीं।
यूरोपीय आयोग की SET Plan का लक्ष्य टाइडल स्ट्रीम को 2025 तक EUR 0.15/kWh और 2030 तक EUR 0.10/kWh पर लाना है, और लहर ऊर्जा को 2025 तक EUR 0.20/kWh व 2030 तक EUR 0.15/kWh पर। ये आंकड़े तभी हासिल होंगे जब कुल स्थापित क्षमता दसियों से बढ़कर सैकड़ों मेगावाट तक पहुंचे। LCOE कैलकुलेटर में आप ऐसी लागतों की तुलना दूसरे विकल्पों से कर सकते हैं।
ज़मीन, पानी और सामग्री
समुद्री उपकरण ज़मीन नहीं, समुद्र की जगह घेरते हैं। टाइडल स्ट्रीम और लहर ऐरे के लिए प्रतिबंधित क्षेत्र चाहिए, जिनका टकराव जहाज़रानी, मछली पकड़ने और मनोरंजन से हो सकता है, हालांकि प्रति MW क्षेत्रफल अपतटीय पवन जितना ही है। बैराज और लैगून का मामला अलग है: वे बड़े अंतर्ज्वारीय इलाकों और मुहानों को हमेशा के लिए बदल देते हैं। उपकरण ज़्यादातर स्टील, कंक्रीट और कंपोज़िट से बनते हैं, समुद्र के नीचे तांबे के केबल बिछते हैं, और जंगरोधी व एंटी-फ़ाउलिंग कोटिंग अपने रासायनिक मुद्दे लाती हैं। मीठा पानी बिल्कुल खर्च नहीं होता, और ओपन-साइकिल OTEC प्लांट तो उलटे मीठा पानी बना सकते हैं।
जीवनचक्र CO2 उत्सर्जन
समुद्री ऊर्जा के जीवनचक्र आकलन गिने-चुने इंस्टॉलेशन पर आधारित हैं, जिनमें ज़्यादातर प्रोटोटाइप हैं, इसलिए इन आंकड़ों को सांकेतिक ही मानें। IPCC AR5 WGIII Annex III (2014) समुद्री ऊर्जा (ज्वारीय और लहर) के लिए लगभग 5.6–28 gCO2e/kWh की रेंज देता है, जिसका मध्यमान करीब 17 gCO2e/kWh है, यानी पवन और सोलर जैसा। स्टील से भरे प्रोटोटाइप और कम कैपेसिटी फैक्टर शुरुआती उपकरणों को रेंज के ऊपरी सिरे पर रखते हैं; बड़े और बेहतर डिज़ाइन वाले ऐरे निचले सिरे की ओर जाने चाहिए। ज्वारीय बैराज में, जलविद्युत बांधों की तरह, कंक्रीट में छिपा कार्बन सबसे बड़ा हिस्सा है, जो बहुत लंबी उम्र पर बंट जाता है। ये आंकड़े कैसे निकाले जाते हैं, इसके लिए जीवनचक्र उत्सर्जन वाला पेज देखें।
सुरक्षा और पर्यावरण पर असर
इंसानी सुरक्षा के मामले में समुद्री ऊर्जा का रिकॉर्ड अच्छा है। जोखिम ज़्यादातर वही हैं जो समुद्र में किसी भी काम में होते हैं। पर्यावरण से जुड़े सवाल जगह पर निर्भर करते हैं:
- बैराज ज्वारीय प्रवाह, गाद की आवाजाही, पानी की गुणवत्ता और उन अंतर्ज्वारीय कीचड़ वाले मैदानों को बदल देते हैं जहां पक्षी भोजन करते हैं। निर्माण के बाद ला रांस के मुहाने को नए पारिस्थितिक संतुलन में आने में करीब दस साल लगे। कम हेड वाले टरबाइनों से गुज़रने वाली मछलियां घायल होती हैं, और मछलियों की मौत की चिंता एनापोलिस रॉयल के बंद होने की एक वजह बनी।
- टाइडल स्ट्रीम टरबाइन को लेकर समुद्री स्तनधारियों, गोताखोर पक्षियों और मछलियों से टक्कर की चिंता है। MeyGen और अमेरिका व कनाडा में निगरानी में अब तक बहुत कम आमने-सामने के मामले दर्ज हुए हैं, और ब्लेड के सिरे जहाज़ों के प्रोपेलर से काफ़ी धीमे चलते हैं, पर आंकड़े अभी कम हैं।
- पानी के नीचे का शोर (खासकर पाइल ड्राइविंग के दौरान) और केबलों से निकलने वाले विद्युतचुंबकीय क्षेत्रों का अध्ययन हुआ है, और छोटे ऐरे के लिए इन्हें आम तौर पर मामूली माना जाता है।
- OTEC भारी मात्रा में ठंडा, पोषक तत्वों से भरपूर गहरा पानी छोड़ता है, जिसे ठीक से न संभाला जाए तो स्थानीय पारिस्थितिकी बिगड़ सकती है।
आगे की तस्वीर
समुद्री ऊर्जा लगभग वहीं खड़ी है जहां 2000 के दशक की शुरुआत में अपतटीय पवन थी: सिद्धांत में साबित, महंगी और सरकारी मदद पर निर्भर। नई तकनीकों में टाइडल स्ट्रीम सबसे आगे है, और इसकी अगुवाई UK, फ्रांस, कनाडा और चीन कर रहे हैं। खास राजस्व समर्थन की बदौलत UK के पास 100 MW से ज़्यादा के कॉन्ट्रैक्ट वाले टाइडल स्ट्रीम प्रोजेक्ट कतार में हैं, और फ्रांस के राज़ ब्लांशार्ड वाले प्रोजेक्ट भी पीछे आने की उम्मीद रखते हैं। कई चर्चित कंपनियों के डूबने के बाद लहर ऊर्जा अब भी व्यावसायिक स्तर से पहले के दौर में है; Wave Energy Scotland और अमेरिकी ऊर्जा विभाग की PacWave टेस्ट साइट जैसे कार्यक्रम डिज़ाइनों को एक साझा दिशा में लाने की कोशिश कर रहे हैं। टाइडल रेंज की कुछ गिनी-चुनी जगहों पर बड़ी संभावना है, पर पर्यावरण और फ़ाइनेंसिंग की कड़ी अड़चनें हैं। OTEC और लवणता अंतर सीमित दायरे में ही रहेंगे।
लंबी अवधि में इसका पक्ष तीन बातों पर टिका है: अनुमान-योग्यता, ऐसा उत्पादन जो पवन और सोलर से अलग समय पर चरम पर हो, और द्वीपों व दूरदराज़ के तटीय इलाकों के लिए स्थानीय बिजली का महत्व। Ocean Energy Europe और IEA का Ocean Energy Systems कार्यक्रम मानते हैं कि लागत अनुमान के मुताबिक गिरी तो 2050 तक यूरोप में दसियों गीगावाट लग सकते हैं, जो फिर भी पवन और सोलर के आगे छोटा होगा। समुद्री ऊर्जा दूसरे नवीकरणीय स्रोतों के मुकाबले कहां खड़ी है, यह देखने के लिए तकनीकों की तुलना, अपतटीय पवन और विश्व ऊर्जा मानचित्र देखें।
अक्सर पूछे जाने वाले सवाल
दुनिया में कितनी समुद्री ऊर्जा क्षमता लगी है?
टाइडल रेंज और टाइडल स्ट्रीम ऊर्जा में क्या फ़र्क है?
क्या ज्वारीय ऊर्जा का पहले से अनुमान लगाया जा सकता है?
लहर ऊर्जा का इस्तेमाल ज़्यादा क्यों नहीं होता?
ज्वारीय ऊर्जा कितनी महंगी है?
OTEC क्या है?
स्रोत और संदर्भ
- IRENA (2020). Innovation Outlook: Ocean Energy Technologies
- Ocean Energy Europe. Ocean Energy Key Trends and Statistics (वार्षिक)
- Ocean Energy Systems (IEA Technology Collaboration Programme). Annual Report
- IPCC (2014). AR5 WGIII Annex III: Technology-specific Cost and Performance Parameters
- IPCC (2011). Special Report on Renewable Energy Sources (SRREN), Chapter 6: Ocean Energy
- JRC (2023). Clean Energy Technology Observatory: Ocean Energy in the European Union