प्रक्रम ऊष्मा

प्रक्रम ऊष्मा से तात्पर्य औद्योगिक प्रक्रियाओं के समय में ऊष्मा के अनुप्रयोग से है। कंक्रीट से लेकर कांच, स्टील से लेकर कागज तक, कई सामान्य उत्पादों के निर्माण के समय में किसी न किसी रूप में प्रक्रम ऊष्मा का उपयोग किया जाता है। जहां समग्र औद्योगिक प्रक्रिया के उप-उत्पाद या अपशिष्ट उपलब्ध हैं, उनका उपयोग प्रायः प्रक्रिया को गर्मी प्रदान करने के लिए किया जाता है।  उदाहरण में, पेपर मेकिंग में काली लिकर या गन्ने की प्रसंस्करण में बगास सम्मिलित हैं।

आवश्यकताएँ
प्रक्रिया के लिए आवश्यक तापमान व्यापक रूप से भिन्न होता है, लगभग आधे औद्योगिक प्रक्रम ऊष्मा में ऑपरेटिंग तापमान 400 डिग्री सेल्सियस (752 डिग्री फ़ारेनहाइट) से ऊपर होता है। इन उच्च-तापमान प्रक्रियाओं की आपूर्ति सामान्यतः केवल प्राकृतिक गैस या कोयले जैसी समर्पित आपूर्ति द्वारा ही की जा सकती है, हालांकि ईंधन के उपयोग को कम करने के लिए अन्य स्रोतों से पूर्व ऊष्मा भी साधारण है। माध्यिका के नीचे चलने वाली वे प्रक्रियाएँ बहुत व्यापक प्रकार के स्रोतों का उपयोग कर सकती हैं, जिनमें उसी औद्योगिक प्रक्रिया में अन्य प्रक्रियाओं से अपशिष्ट ऊष्मा भी सम्मिलित है। सैद्धांतिक रूप से प्रतिरोधी तापन प्रक्रम ऊष्मा का एक संभावित स्रोत होगा, लेकिन भले ही यह आपूर्ति की गई विद्युत का लगभग 100% ऊष्मा में परिवर्तित कर देता है, लेकिन ऊष्मा विद्युत प्लांट में विद्युत उत्पन्न करने के लिए ईंधन जलाना स्पष्ट रूप से कम कुशल है, केवल उस विद्युत का उपयोग करने के लिए सीधे ईंधन का उपयोग करने की तुलना में गर्मी को संसाधित करें इस प्रकार ऊष्मा के इस स्रोत का उपयोग केवल वहीं किया जाता है जहां गैर तापीय स्रोतों (जैसे जल विद्युत) से विद्युत सस्ती और प्रचुर मात्रा में होती है। ऊष्मा पंप जो सामान्यतः घरेलू तापक, गर्म पानी और 100 डिग्री सेल्सियस (212 डिग्री फ़ारेनहाइट) से नीचे के अन्य ऊष्मा अनुप्रयोगों के लिए नियोजित होते हैं, " ऊष्म" और " शीत" अंत के बीच उच्च तापमान के अंतर पर कार्नोट दक्षता बहुत कम होती है। पिघला हुआ नमक विद्युत् अपघटन जैसी कुछ प्रक्रियाएं उसी विद्युत द्वारा आवश्यक प्रक्रिया गर्मी प्रदान करती हैं जो एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया को जारी रखने के लिए भी आवश्यक है। गर्मी का वर्णन सामान्यतः "ग्रेड" द्वारा किया जाता है, जबकि उच्च तापमान का "ग्रेड" अधिक होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि गर्मी स्वाभाविक रूप से गर्म से ठंडी की ओर प्रवाहित होती है और इस प्रकार कम तापमान के अनुप्रयोगों के लिए गर्मी के उच्च तापमान स्रोत का उपयोग करना हमेशा संभव होता है लेकिन इसके विपरीत नहीं होता है। चूंकि उच्च श्रेणी की गर्मी का उत्पादन करना अधिक बोझिल और महंगा है और चूंकि सामग्रियों में सीमित गर्मी प्रतिरोध होता है, इसलिए उत्प्रेरक और फ्लक्स के उपयोग के माध्यम से जहां भी संभव हो, काम करने के तापमान को कम करने के प्रयास होते हैं। संतुलन प्रतिक्रियाओं में जहां तापमान संतुलन को प्रभावित करने वाले कारकों में से एक है, निरंतर प्रक्रिया में वांछित उत्पादों को हटाकर तापमान आवश्यकताओं को कम किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि AB और CD के बीच एक संतुलन प्रतिक्रिया AC और BD उत्पन्न करती है और तापमान बढ़ाकर संतुलन को दाईं ओर स्थानांतरित किया जा सकता है, तो प्रतिक्रिया से लगातार AC या BD को हटाने से तापमान की आवश्यकताओं को कम किया जा सकता है (ले चैटेलियर का सी.एफ. सिद्धांत)। हालाँकि, इसकी सीमाएँ हैं क्योंकि प्रतिक्रिया की गति भी तापमान पर निर्भर है। उत्प्रेरक किसी भी दिए गए तापमान पर प्रतिक्रिया की गति को बढ़ाने का काम कर सकते हैं लेकिन परिभाषा के अनुसार, वे संतुलन को नहीं बदलते हैं।

डीकार्बोनाइजेशन
विनिर्माण क्षेत्र में सभी ईंधन उपयोग का लगभग 30% प्रक्रम ऊष्मा है, और कार्बन तटस्थ या कम से कम कार्बन प्रक्रम ऊष्मा आपूर्ति के नए रूपों को प्रस्तुत करने के महत्वपूर्ण प्रयासों का लक्ष्य है। कुछ अपशिष्ट - जिनमें बेकार टायर भी सम्मिलित हैं - सामान्यतः प्रतिस्थापन ईंधन के रूप में उपयोग किए जाते हैं या उचित अनुपात में पारंपरिक ईंधन में मिश्रित किए जाते हैं। बायोमास पहले से ही उद्योग में व्यापक उपयोग में है, जबकि भू-तापीय, केंद्रित सौर ऊर्जा और परमाणु ऊर्जा प्रायोगिक बनी हुई है और वर्तमान में आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी नहीं है। प्रक्रम ऊष्मा के लिए परमाणु ऊर्जा का उपयोग करने में एक समस्या यह है कि सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले दबाव वाले पानी रिएक्टरों का ऑपरेटिंग तापमान 400 डिग्री सेल्सियस से काफी नीचे होता है और उबलते पानी के रिएक्टर अभी भी कम तापमान (लगभग 285 डिग्री सेल्सियस (545 डिग्री फारेनहाइट)) पर काम करते हैं। उन्नत गैस ठंडा रिएक्टर - जिसका उच्च शीतलक आउटलेट तापमान एक स्पष्ट डिजाइन लक्ष्य था - एक तकनीकी गतिरोध साबित हुआ है और 2022 तक किसी अन्य उच्च तापमान वाले परमाणु ऊर्जा संयंत्र ने कभी भी व्यापक वाणिज्यिक संचालन में प्रवेश नहीं किया है। कुछ जनरेशन IV रिएक्टर प्रस्ताव इसे बदल देंगे, जिससे उच्च श्रेणी की गर्मी उत्पन्न हो सकेगी। इसी प्रकार भू-तापीय ऊष्मा स्रोतों में प्रायः अपेक्षाकृत कम तापमान होता है, कभी-कभी विद्युत उत्पादन के लिए द्विआधारी चक्र की भी आवश्यकता होती है।

बढ़ी हुई लागत (कार्बन मूल्य निर्धारण की अनदेखी) और कम परिक्रमायुक्त दक्षता की कीमत पर डीकार्बोनाइजेशन के लिए एक स्टॉपगैप समाधान वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले जीवाश्म ईंधन को पावर द्वारा एक्स व्युत्पन्न ईंधन से बदलना है। हालाँकि इस दृष्टिकोण का लाभ यह है कि यह न्यूनतम या बिना किसी संशोधन के प्रचलित तकनीक के साथ प्रयोग करने योग्य है, यह प्रतिरोधी तापक से भी कम कुशल है क्योंकि विद्युत ऊर्जा को कृत्रिम ईंधन में बदलने के लिए आवश्यक रासायनिक प्रक्रियाएं प्रतिरोधक तापक की तुलना में कम कुशल हैं। उन प्रक्रियाओं में जहां ईंधन गर्मी और रासायनिक कार्य दोनों प्रदान करता है (उदाहरण के लिए स्टील निर्माण में कम करने वाले एजेंट के रूप में कोक) हालांकि आने वाले कुछ समय के लिए पावर-टू-एक्स ईंधन एकमात्र व्यवहार्य कम कार्बन विकल्प हो सकता है। पानी के विद्युतपघटन जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से प्राप्त हाइड्रोजन को प्रायः प्रक्रम ऊष्मा के प्रचलित स्रोतों के विकल्प के रूप में प्रस्तावित किया जाता है। हाइड्रोजन आज पहले से ही उद्योग में व्यापक उपयोग में है, लेकिन 2022 तक भाप सुधार जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से ज्यादातर जीवाश्म ईंधन से प्राप्त होता है। चूँकि हाइड्रोजन उत्पादन के लिए कुछ प्रस्तावित प्रक्रियाओं जैसे कि सल्फर-आयोडीन चक्र के लिए स्वयं उच्च तापमान की आवश्यकता होती है, प्रक्रिया के लिए आवश्यक ऊष्मा के प्रत्यक्ष उपयोग के विपरीत प्रक्रम ऊष्मा के लिए ईंधन के रूप में हाइड्रोजन उत्पन्न करने की उनकी व्यवहार्यता संदिग्ध लगती है।