अगली पीढ़ी की ऊर्जा हाइड्रोजन के बारे में

हम अगली पीढ़ी की कार्बन-तटस्थ ऊर्जा, "हाइड्रोजन" का परिचय देंगे। हाइड्रोजन को तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है: "ग्रीन हाइड्रोजन", "ब्लू हाइड्रोजन" और "ग्रे हाइड्रोजन", जिनमें से प्रत्येक की उत्पादन विधि भिन्न है। हम प्रत्येक उत्पादन विधि, तत्वों के रूप में भौतिक गुण, भंडारण/परिवहन विधियाँ और उपयोग विधियों की भी व्याख्या करेंगे। साथ ही, मैं यह भी बताऊंगा कि यह अगली पीढ़ी का प्रमुख ऊर्जा स्रोत क्यों है।

जल के विद्युत अपघटन से हरित हाइड्रोजन का उत्पादन

हाइड्रोजन का उपयोग करते समय, किसी भी तरह से "हाइड्रोजन का उत्पादन" करना महत्वपूर्ण है। इसका सबसे आसान तरीका है "पानी का विद्युतीकरण" करना। शायद आपने इसे प्राथमिक विद्यालय में विज्ञान में पढ़ा होगा। एक बीकर को पानी से भरें और उसमें इलेक्ट्रोड डालें। जब इलेक्ट्रोड से बैटरी को जोड़ा जाता है और उसे ऊर्जा दी जाती है, तो पानी और प्रत्येक इलेक्ट्रोड में निम्नलिखित अभिक्रियाएँ होती हैं।
कैथोड पर, H+ और इलेक्ट्रॉन मिलकर हाइड्रोजन गैस बनाते हैं, जबकि एनोड ऑक्सीजन उत्पन्न करता है। यह विधि स्कूली विज्ञान प्रयोगों के लिए तो ठीक है, लेकिन औद्योगिक स्तर पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन हेतु उपयुक्त कुशल तंत्र तैयार करना आवश्यक है। यही है "पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलाइसिस"।
इस विधि में, हाइड्रोजन आयनों के पारगमन की अनुमति देने वाली एक बहुलक अर्धपारगम्य झिल्ली को एनोड और कैथोड के बीच रखा जाता है। जब उपकरण के एनोड में पानी डाला जाता है, तो विद्युत अपघटन द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन आयन अर्धपारगम्य झिल्ली से होकर कैथोड तक पहुँचते हैं, जहाँ वे आणविक हाइड्रोजन बन जाते हैं। दूसरी ओर, ऑक्सीजन आयन अर्धपारगम्य झिल्ली से होकर नहीं गुजर सकते और एनोड पर ऑक्सीजन अणु बन जाते हैं।
क्षारीय जल विद्युत अपघटन में, एनोड और कैथोड को एक विभाजक के माध्यम से अलग करके हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का निर्माण किया जाता है, जिससे केवल हाइड्रॉक्साइड आयन ही गुजर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, उच्च तापमान वाले भाप विद्युत अपघटन जैसी औद्योगिक विधियाँ भी उपलब्ध हैं।
इन प्रक्रियाओं को बड़े पैमाने पर करने से हाइड्रोजन की बड़ी मात्रा प्राप्त की जा सकती है। इस प्रक्रिया में ऑक्सीजन की भी अच्छी-खासी मात्रा उत्पन्न होती है (उत्पादित हाइड्रोजन की आधी मात्रा), इसलिए वायुमंडल में छोड़े जाने पर इसका पर्यावरण पर कोई प्रतिकूल प्रभाव नहीं पड़ेगा। हालांकि, विद्युत अपघटन के लिए बहुत अधिक बिजली की आवश्यकता होती है, इसलिए जीवाश्म ईंधन का उपयोग न करने वाली बिजली, जैसे पवन टरबाइन और सौर पैनलों का उपयोग करके कार्बन-मुक्त हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है।
स्वच्छ ऊर्जा का उपयोग करके पानी का विद्युतीकरण करके "ग्रीन हाइड्रोजन" प्राप्त किया जा सकता है।

इस हरित हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक हाइड्रोजन जनरेटर भी मौजूद है। इलेक्ट्रोलाइज़र सेक्शन में पीईएम का उपयोग करके हाइड्रोजन का निरंतर उत्पादन किया जा सकता है।

जीवाश्म ईंधन से निर्मित नीला हाइड्रोजन

तो, हाइड्रोजन बनाने के अन्य तरीके क्या हैं? हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस और कोयले जैसे जीवाश्म ईंधनों में पानी के अलावा अन्य पदार्थों के रूप में मौजूद होता है। उदाहरण के लिए, प्राकृतिक गैस के मुख्य घटक मीथेन (CH4) को लें। इसमें चार हाइड्रोजन परमाणु होते हैं। आप इस हाइड्रोजन को निकालकर हाइड्रोजन प्राप्त कर सकते हैं।
इनमें से एक प्रक्रिया को "स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग" कहा जाता है, जिसमें भाप का उपयोग किया जाता है। इस विधि का रासायनिक सूत्र निम्नलिखित है।
जैसा कि आप देख सकते हैं, कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन को एक ही मीथेन अणु से निकाला जा सकता है।
इस प्रकार, प्राकृतिक गैस और कोयले के "स्टीम रिफॉर्मिंग" और "पायरोलिसिस" जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है। इस प्रकार उत्पादित हाइड्रोजन को "ब्लू हाइड्रोजन" कहा जाता है।
हालांकि, इस प्रक्रिया में कार्बन मोनोऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड उप-उत्पाद के रूप में उत्पन्न होते हैं। इसलिए इन्हें वायुमंडल में छोड़ने से पहले इनका पुनर्चक्रण करना आवश्यक है। यदि उप-उत्पाद कार्बन डाइऑक्साइड को पुनः प्राप्त नहीं किया जाता है, तो यह हाइड्रोजन गैस बन जाती है, जिसे "ग्रे हाइड्रोजन" के नाम से जाना जाता है।

हाइड्रोजन किस प्रकार का तत्व है?

हाइड्रोजन का परमाणु क्रमांक 1 है और यह आवर्त सारणी का पहला तत्व है।
ब्रह्मांड में परमाणुओं की संख्या सबसे अधिक है, जो ब्रह्मांड में मौजूद सभी तत्वों का लगभग 90% हिस्सा है। प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन से बना सबसे छोटा परमाणु हाइड्रोजन परमाणु है।
हाइड्रोजन के दो समस्थानिक हैं जिनके नाभिक से न्यूट्रॉन जुड़े होते हैं। एक न्यूट्रॉन-बंधित "ड्यूटेरियम" और दो न्यूट्रॉन-बंधित "ट्रिटियम"। ये भी संलयन ऊर्जा उत्पादन के लिए उपयोग होने वाले पदार्थ हैं।
सूर्य जैसे तारे के अंदर हाइड्रोजन से हीलियम का परमाणु संलयन हो रहा है, जो तारे के चमकने का ऊर्जा स्रोत है।
हालांकि, पृथ्वी पर हाइड्रोजन गैस के रूप में बहुत कम पाई जाती है। हाइड्रोजन पानी, मीथेन, अमोनिया और इथेनॉल जैसे अन्य तत्वों के साथ यौगिक बनाती है। चूंकि हाइड्रोजन एक हल्का तत्व है, इसलिए तापमान बढ़ने पर हाइड्रोजन अणुओं की गति बढ़ जाती है और वे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से निकलकर अंतरिक्ष में चले जाते हैं।

हाइड्रोजन का उपयोग कैसे करें? दहन द्वारा उपयोग

तो फिर, अगली पीढ़ी के ऊर्जा स्रोत के रूप में विश्वव्यापी ध्यान आकर्षित करने वाले "हाइड्रोजन" का उपयोग कैसे किया जाता है? इसका उपयोग मुख्य रूप से दो तरीकों से किया जाता है: "दहन" और "ईंधन सेल"। आइए "दहन" के उपयोग से शुरू करते हैं।
दहन के दो मुख्य प्रकार उपयोग किए जाते हैं।
पहला उपयोग रॉकेट ईंधन के रूप में है। जापान का एच-आईआईए रॉकेट हाइड्रोजन गैस ("तरल हाइड्रोजन") और क्रायोजेनिक अवस्था में मौजूद "तरल ऑक्सीजन" का उपयोग ईंधन के रूप में करता है। इन दोनों को मिलाया जाता है, और उस समय उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा से उत्पन्न जल अणुओं को अंतरिक्ष में भेजने की गति बढ़ती है। हालांकि, तकनीकी रूप से जटिल होने के कारण, जापान के अलावा केवल संयुक्त राज्य अमेरिका, यूरोप, रूस, चीन और भारत ही इस ईंधन संयोजन को सफलतापूर्वक बना पाए हैं।
दूसरा क्षेत्र है बिजली उत्पादन। गैस टरबाइन से बिजली उत्पादन में भी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को मिलाकर ऊर्जा उत्पन्न करने की विधि का उपयोग किया जाता है। दूसरे शब्दों में, यह हाइड्रोजन द्वारा उत्पन्न ऊष्मीय ऊर्जा पर आधारित विधि है। ऊष्मीय ऊर्जा संयंत्रों में, कोयला, तेल और प्राकृतिक गैस जलाने से उत्पन्न ऊष्मा से भाप बनती है जो टरबाइनों को चलाती है। यदि ऊष्मा स्रोत के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग किया जाता है, तो बिजली संयंत्र कार्बन-तटस्थ हो जाएगा।

हाइड्रोजन का उपयोग कैसे करें? ईंधन सेल के रूप में उपयोग

हाइड्रोजन का उपयोग करने का एक अन्य तरीका फ्यूल सेल के रूप में है, जो हाइड्रोजन को सीधे बिजली में परिवर्तित करता है। विशेष रूप से, टोयोटा ने वैश्विक तापमान वृद्धि के प्रतिकार उपायों के तहत गैसोलीन वाहनों के विकल्प के रूप में इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) के बजाय हाइड्रोजन-ईंधन वाले वाहनों का प्रचार करके जापान में ध्यान आकर्षित किया है।
विशेष रूप से, "ग्रीन हाइड्रोजन" के निर्माण की विधि को प्रस्तुत करते समय हम विपरीत प्रक्रिया का पालन कर रहे हैं। इसका रासायनिक सूत्र इस प्रकार है।
हाइड्रोजन बिजली पैदा करने के साथ-साथ पानी (गर्म पानी या भाप) भी उत्पन्न कर सकता है, और पर्यावरण पर कोई बोझ न पड़ने के कारण इसका मूल्यांकन किया जा सकता है। हालांकि, इस विधि की बिजली उत्पादन क्षमता अपेक्षाकृत कम (30-40%) है, और इसमें उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम की आवश्यकता होती है, जिससे लागत बढ़ जाती है।
वर्तमान में, हम पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट फ्यूल सेल (PEFC) और फॉस्फोरिक एसिड फ्यूल सेल (PAFC) का उपयोग कर रहे हैं। विशेष रूप से, फ्यूल सेल वाहन PEFC का उपयोग करते हैं, इसलिए भविष्य में इसके प्रसार की उम्मीद की जा सकती है।

क्या हाइड्रोजन का भंडारण और परिवहन सुरक्षित है?

अब तक, हमें लगता है कि आप समझ गए होंगे कि हाइड्रोजन गैस कैसे बनती और इस्तेमाल होती है। तो फिर इस हाइड्रोजन को कैसे स्टोर किया जाता है? इसे ज़रूरत की जगह तक कैसे पहुँचाया जाता है? उस समय सुरक्षा का क्या होगा? हम आपको समझाएँगे।
दरअसल, हाइड्रोजन एक बेहद खतरनाक तत्व है। 20वीं सदी की शुरुआत में, हम हाइड्रोजन का इस्तेमाल गुब्बारों, एयरशिपों और अन्य हवाई जहाजों को आकाश में उड़ाने के लिए करते थे क्योंकि यह बहुत हल्का होता था। हालांकि, 6 मई, 1937 को अमेरिका के न्यू जर्सी में "हिंडनबर्ग एयरशिप विस्फोट" की घटना घटी।
इस दुर्घटना के बाद से यह व्यापक रूप से माना जाने लगा है कि हाइड्रोजन गैस खतरनाक है। विशेषकर आग लगने पर, यह ऑक्सीजन के साथ मिलकर भयंकर विस्फोट करती है। इसलिए, "ऑक्सीजन से दूर रहें" या "गर्मी से दूर रहें" अत्यंत आवश्यक है।
इन उपायों को अपनाने के बाद, हमने एक शिपिंग विधि तैयार की।
हाइड्रोजन कमरे के तापमान पर गैस होती है, इसलिए गैस होने के बावजूद यह बहुत भारी होती है। कार्बोनेटेड पेय बनाते समय, इसे सिलेंडर की तरह दबाने के लिए उच्च दबाव का प्रयोग करना पहला तरीका है। एक विशेष उच्च दबाव टैंक तैयार करें और इसे 45 एमपीए जैसे उच्च दबाव की स्थिति में रखें।
फ्यूल सेल वाहन (एफसीवी) विकसित करने वाली टोयोटा कंपनी एक रेजिन हाई-प्रेशर हाइड्रोजन टैंक विकसित कर रही है जो 70 एमपीए के दबाव को सहन कर सकता है।
एक अन्य विधि है -253°C तक ठंडा करके तरल हाइड्रोजन बनाना और इसे विशेष ऊष्मारोधी टैंकों में संग्रहित और परिवहन करना। एलएनजी (तरलीकृत प्राकृतिक गैस) की तरह, जब प्राकृतिक गैस विदेशों से आयात की जाती है, तो हाइड्रोजन परिवहन के दौरान द्रवीकृत हो जाती है, जिससे इसका आयतन गैसीय अवस्था के 1/800 तक कम हो जाता है। 2020 में, हमने दुनिया का पहला तरल हाइड्रोजन वाहक पूरा किया। हालांकि, यह विधि ईंधन सेल वाहनों के लिए उपयुक्त नहीं है क्योंकि इसे ठंडा करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इस तरह के टैंकों में हाइड्रोजन का भंडारण और परिवहन करने की एक विधि है, लेकिन हम हाइड्रोजन भंडारण की अन्य विधियों को भी विकसित कर रहे हैं।
हाइड्रोजन भंडारण विधि में हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाता है। हाइड्रोजन में धातुओं में प्रवेश करने और उन्हें नष्ट करने का गुण होता है। यह एक ऐसा आविष्कार है जिसे 1960 के दशक में संयुक्त राज्य अमेरिका में विकसित किया गया था। जे.जे. रेली और अन्य के प्रयोगों से पता चला है कि मैग्नीशियम और वैनेडियम की मिश्र धातु का उपयोग करके हाइड्रोजन को संग्रहित और मुक्त किया जा सकता है।
उसके बाद, उन्होंने पैलेडियम जैसा एक पदार्थ सफलतापूर्वक विकसित किया, जो अपने आयतन से 935 गुना अधिक हाइड्रोजन को अवशोषित कर सकता है।
इस मिश्र धातु का लाभ यह है कि यह हाइड्रोजन रिसाव दुर्घटनाओं (मुख्य रूप से विस्फोट दुर्घटनाओं) को रोक सकता है। इसलिए, इसे सुरक्षित रूप से संग्रहित और परिवहन किया जा सकता है। हालांकि, यदि आप सावधानी नहीं बरतते और इसे गलत वातावरण में छोड़ देते हैं, तो हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातु समय के साथ हाइड्रोजन गैस छोड़ सकती है। दरअसल, एक छोटी सी चिंगारी भी विस्फोट का कारण बन सकती है, इसलिए सावधान रहें।
इसका एक नुकसान यह भी है कि बार-बार हाइड्रोजन का अवशोषण और विमोचन होने से भंगुरता आती है और हाइड्रोजन अवशोषण की दर कम हो जाती है।
दूसरा तरीका पाइपों का उपयोग करना है। इसमें एक शर्त यह है कि पाइपों को टूटने से बचाने के लिए वे असंपीड़ित और कम दबाव वाले होने चाहिए, लेकिन इसका फायदा यह है कि मौजूदा गैस पाइपों का उपयोग किया जा सकता है। टोक्यो गैस ने हारुमी फ्लैग परियोजना का निर्माण कार्य किया, जिसमें ईंधन सेल को हाइड्रोजन की आपूर्ति के लिए शहर की गैस पाइपलाइनों का उपयोग किया गया।

हाइड्रोजन ऊर्जा द्वारा निर्मित भविष्य का समाज

अंत में, आइए समाज में हाइड्रोजन की भूमिका पर विचार करें।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि हम कार्बन-मुक्त समाज को बढ़ावा देना चाहते हैं, इसलिए हम हाइड्रोजन का उपयोग ऊष्मा ऊर्जा के बजाय बिजली उत्पन्न करने के लिए करते हैं।
बड़े तापविद्युत संयंत्रों के बजाय, कुछ घरों ने ENE-FARM जैसी प्रणालियाँ अपनाई हैं, जो प्राकृतिक गैस के शोधन से प्राप्त हाइड्रोजन का उपयोग करके आवश्यक बिजली उत्पन्न करती हैं। हालाँकि, शोधन प्रक्रिया के उप-उत्पादों का क्या किया जाए, यह प्रश्न अभी भी बना हुआ है।

भविष्य में, यदि हाइड्रोजन का प्रचलन बढ़ता है, जैसे कि हाइड्रोजन रिफ्यूलिंग स्टेशनों की संख्या में वृद्धि, तो कार्बन डाइऑक्साइड का उत्सर्जन किए बिना बिजली का उपयोग करना संभव हो जाएगा। बिजली से हरित हाइड्रोजन का उत्पादन होता है, इसलिए इसमें सूर्य के प्रकाश या पवन ऊर्जा से उत्पन्न बिजली का उपयोग होता है। विद्युत अपघटन के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा का उपयोग बिजली उत्पादन को कम करने या प्राकृतिक ऊर्जा से अतिरिक्त बिजली होने पर रिचार्जेबल बैटरी को चार्ज करने के लिए किया जाना चाहिए। दूसरे शब्दों में, हाइड्रोजन रिचार्जेबल बैटरी के समान स्थिति में है। यदि ऐसा होता है, तो अंततः तापीय ऊर्जा उत्पादन को कम करना संभव हो जाएगा। कारों से आंतरिक दहन इंजन के गायब होने का दिन तेजी से नजदीक आ रहा है।

हाइड्रोजन को एक अन्य तरीके से भी प्राप्त किया जा सकता है। दरअसल, हाइड्रोजन अभी भी कास्टिक सोडा के उत्पादन का एक उप-उत्पाद है। अन्य चीजों के अलावा, यह लौह निर्माण में कोक उत्पादन का भी एक उप-उत्पाद है। यदि आप इस हाइड्रोजन को वितरण में शामिल करते हैं, तो आपको कई स्रोत मिल सकते हैं। इस प्रकार उत्पादित हाइड्रोजन गैस की आपूर्ति हाइड्रोजन स्टेशनों द्वारा भी की जाती है।

आइए भविष्य पर एक नज़र डालें। बिजली आपूर्ति के लिए तारों का उपयोग करने वाली विधि में ऊर्जा की हानि भी एक समस्या है। इसलिए, भविष्य में हम पाइपलाइनों द्वारा पहुँचाई जाने वाली हाइड्रोजन का उपयोग उसी तरह करेंगे जैसे कार्बोनेटेड पेय बनाने में कार्बनिक अम्ल के टैंकों का उपयोग किया जाता है, और प्रत्येक घर के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए घर पर एक हाइड्रोजन टैंक खरीदेंगे। हाइड्रोजन बैटरी से चलने वाले मोबाइल उपकरण आम होते जा रहे हैं। ऐसा भविष्य देखना दिलचस्प होगा।