अगली पीढ़ी की ऊर्जा हाइड्रोजन के बारे में

हम अगली पीढ़ी की ऊर्जा “हाइड्रोजन” से परिचय कराएंगे जो कार्बन न्यूट्रल है। हाइड्रोजन को तीन प्रकारों में विभाजित किया जाता है: “ग्रीन हाइड्रोजन”, “ब्लू हाइड्रोजन” और “ग्रे हाइड्रोजन”, जिनमें से प्रत्येक की उत्पादन विधि अलग-अलग होती है। हम निर्माण की प्रत्येक विधि, तत्वों के रूप में भौतिक गुण, भंडारण/परिवहन विधियाँ और उपयोग की विधियाँ भी समझाएँगे। और मैं यह भी बताऊँगा कि यह अगली पीढ़ी का प्रमुख ऊर्जा स्रोत क्यों है।

हरित हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए जल का इलेक्ट्रोलिसिस

हाइड्रोजन का उपयोग करते समय, वैसे भी "हाइड्रोजन का उत्पादन" करना महत्वपूर्ण है। सबसे आसान तरीका है "पानी का विद्युत अपघटन"। हो सकता है कि आपने ग्रेड स्कूल विज्ञान में ऐसा किया हो। बीकर को पानी से भरें और इलेक्ट्रोड को पानी में डालें। जब बैटरी को इलेक्ट्रोड से जोड़ा जाता है और सक्रिय किया जाता है, तो पानी और प्रत्येक इलेक्ट्रोड में निम्नलिखित प्रतिक्रियाएँ होती हैं।
कैथोड पर, H+ और इलेक्ट्रॉन मिलकर हाइड्रोजन गैस बनाते हैं, जबकि एनोड ऑक्सीजन बनाता है। फिर भी, यह तरीका स्कूली विज्ञान प्रयोगों के लिए ठीक है, लेकिन औद्योगिक रूप से हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए, बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त कुशल तंत्र तैयार किए जाने चाहिए। इसे "पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलिसिस" कहा जाता है।
इस विधि में, एक बहुलक अर्धपारगम्य झिल्ली जो हाइड्रोजन आयनों को गुजरने की अनुमति देती है, उसे एनोड और कैथोड के बीच सैंडविच किया जाता है। जब डिवाइस के एनोड में पानी डाला जाता है, तो इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन आयन अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से कैथोड में चले जाते हैं, जहाँ वे आणविक हाइड्रोजन बन जाते हैं। दूसरी ओर, ऑक्सीजन आयन अर्धपारगम्य झिल्ली से नहीं गुजर सकते हैं और एनोड पर ऑक्सीजन अणु बन जाते हैं।
क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस में भी, आप एनोड और कैथोड को एक विभाजक के माध्यम से अलग करके हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बनाते हैं जिसके माध्यम से केवल हाइड्रॉक्साइड आयन ही गुजर सकते हैं। इसके अलावा, उच्च तापमान भाप इलेक्ट्रोलिसिस जैसे औद्योगिक तरीके भी हैं।
इन प्रक्रियाओं को बड़े पैमाने पर करने से हाइड्रोजन की बड़ी मात्रा प्राप्त की जा सकती है। इस प्रक्रिया में, ऑक्सीजन की एक महत्वपूर्ण मात्रा भी उत्पन्न होती है (उत्पादित हाइड्रोजन की आधी मात्रा), ताकि वायुमंडल में छोड़े जाने पर इसका कोई प्रतिकूल पर्यावरणीय प्रभाव न हो। हालाँकि, इलेक्ट्रोलिसिस के लिए बहुत अधिक बिजली की आवश्यकता होती है, इसलिए कार्बन-मुक्त हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है यदि इसे बिजली से उत्पादित किया जाए जिसमें जीवाश्म ईंधन का उपयोग नहीं होता है, जैसे कि पवन टर्बाइन और सौर पैनल।
आप स्वच्छ ऊर्जा का उपयोग करके पानी का इलेक्ट्रोलिसिस करके "ग्रीन हाइड्रोजन" प्राप्त कर सकते हैं।

इस ग्रीन हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए हाइड्रोजन जनरेटर भी है। इलेक्ट्रोलाइज़र सेक्शन में PEM का उपयोग करके हाइड्रोजन का लगातार 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 ईंधन में पानी के अलावा अन्य पदार्थों के रूप में मौजूद है। उदाहरण के लिए, प्राकृतिक गैस के मुख्य घटक मीथेन (CH4) पर विचार करें। यहाँ चार हाइड्रोजन परमाणु हैं। आप इस हाइड्रोजन को निकालकर हाइड्रोजन प्राप्त कर सकते हैं।
इनमें से एक प्रक्रिया है "स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग" जिसमें भाप का इस्तेमाल होता है। इस विधि का रासायनिक सूत्र इस प्रकार है।
जैसा कि आप देख सकते हैं, कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोजन को एक ही मीथेन अणु से निकाला जा सकता है।
इस तरह, हाइड्रोजन का उत्पादन प्राकृतिक गैस और कोयले के "स्टीम रिफॉर्मिंग" और "पाइरोलिसिस" जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से किया जा सकता है। "ब्लू हाइड्रोजन" इस तरह से उत्पादित हाइड्रोजन को संदर्भित करता है।
हालाँकि, इस मामले में, कार्बन मोनोऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड उप-उत्पाद के रूप में उत्पादित होते हैं। इसलिए आपको उन्हें वायुमंडल में छोड़े जाने से पहले रीसाइकिल करना होगा। उप-उत्पाद कार्बन डाइऑक्साइड, यदि पुनर्प्राप्त नहीं किया जाता है, तो हाइड्रोजन गैस बन जाती है, जिसे "ग्रे हाइड्रोजन" के रूप में जाना जाता है।

हाइड्रोजन किस प्रकार का तत्व है?

हाइड्रोजन की परमाणु संख्या 1 है और यह आवर्त सारणी का प्रथम तत्व है।
ब्रह्मांड में परमाणुओं की संख्या सबसे ज़्यादा है, जो ब्रह्मांड के सभी तत्वों का लगभग 90% है। प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन से मिलकर बना सबसे छोटा परमाणु हाइड्रोजन परमाणु है।
हाइड्रोजन के दो समस्थानिक होते हैं, जिनके नाभिक से न्यूट्रॉन जुड़े होते हैं। एक न्यूट्रॉन-बंधित "ड्यूटेरियम" और दो न्यूट्रॉन-बंधित "ट्रिटियम"। ये भी संलयन बिजली उत्पादन के लिए सामग्री हैं।
सूर्य जैसे तारे के अंदर हाइड्रोजन से हीलियम में नाभिकीय संलयन हो रहा है, जो तारे के चमकने के लिए ऊर्जा का स्रोत है।
हालाँकि, हाइड्रोजन पृथ्वी पर गैस के रूप में बहुत कम मौजूद है। हाइड्रोजन पानी, मीथेन, अमोनिया और इथेनॉल जैसे अन्य तत्वों के साथ यौगिक बनाता है। चूँकि हाइड्रोजन एक हल्का तत्व है, इसलिए जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, हाइड्रोजन अणुओं की गति बढ़ जाती है, और वे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से बचकर बाहरी अंतरिक्ष में चले जाते हैं।

हाइड्रोजन का उपयोग कैसे करें? दहन द्वारा उपयोग करें

फिर, अगली पीढ़ी के ऊर्जा स्रोत के रूप में दुनिया भर का ध्यान आकर्षित करने वाले “हाइड्रोजन” का उपयोग कैसे किया जाता है? इसका उपयोग दो मुख्य तरीकों से किया जाता है: “दहन” और “ईंधन सेल”। आइए “जलाने” के उपयोग से शुरू करें।
दहन के दो मुख्य प्रकार प्रयोग किये जाते हैं।
पहला रॉकेट ईंधन के रूप में है। जापान के H-IIA रॉकेट में हाइड्रोजन गैस "लिक्विड हाइड्रोजन" और "लिक्विड ऑक्सीजन" का इस्तेमाल किया जाता है जो ईंधन के रूप में क्रायोजेनिक अवस्था में भी होता है। इन दोनों को मिलाया जाता है, और उस समय उत्पन्न होने वाली ऊष्मा ऊर्जा उत्पन्न पानी के अणुओं के इंजेक्शन को तेज करती है, जो अंतरिक्ष में उड़ते हैं। हालाँकि, क्योंकि यह तकनीकी रूप से कठिन इंजन है, जापान को छोड़कर, केवल संयुक्त राज्य अमेरिका, यूरोप, रूस, चीन और भारत ने ही इस ईंधन को सफलतापूर्वक संयोजित किया है।
दूसरा है बिजली उत्पादन। गैस टर्बाइन बिजली उत्पादन में भी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को मिलाकर ऊर्जा उत्पन्न करने की विधि का उपयोग किया जाता है। दूसरे शब्दों में, यह एक ऐसी विधि है जो हाइड्रोजन द्वारा उत्पादित ऊष्मीय ऊर्जा को देखती है। थर्मल पावर प्लांट में, कोयला, तेल और प्राकृतिक गैस को जलाने से निकलने वाली गर्मी से भाप बनती है जो टर्बाइनों को चलाती है। यदि हाइड्रोजन को ऊष्मा स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, तो बिजली संयंत्र कार्बन तटस्थ होगा।

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

हाइड्रोजन का उपयोग करने का दूसरा तरीका ईंधन सेल के रूप में है, जो हाइड्रोजन को सीधे बिजली में परिवर्तित करता है। विशेष रूप से, टोयोटा ने ग्लोबल वार्मिंग के प्रतिवाद के हिस्से के रूप में 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।
खास तौर पर, जब हम “ग्रीन हाइड्रोजन” की निर्माण विधि पेश करते हैं तो हम विपरीत प्रक्रिया अपनाते हैं। रासायनिक सूत्र इस प्रकार है।
हाइड्रोजन बिजली पैदा करते समय पानी (गर्म पानी या भाप) भी पैदा कर सकता है, और इसका मूल्यांकन किया जा सकता है क्योंकि यह पर्यावरण पर बोझ नहीं डालता है। दूसरी ओर, इस विधि में बिजली उत्पादन की दक्षता अपेक्षाकृत कम यानी 30-40% है, और उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम की आवश्यकता होती है, इसलिए लागत में वृद्धि की आवश्यकता होती है।
वर्तमान में, हम पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल (PEFC) और फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (PAFC) का उपयोग कर रहे हैं। विशेष रूप से, ईंधन सेल वाहन PEFC का उपयोग करते हैं, इसलिए भविष्य में इसके फैलने की उम्मीद की जा सकती है।

क्या हाइड्रोजन भंडारण और परिवहन सुरक्षित है?

अब तक, हमें लगता है कि आप समझ गए होंगे कि हाइड्रोजन गैस कैसे बनाई जाती है और उसका इस्तेमाल कैसे किया जाता है। तो आप इस हाइड्रोजन को कैसे स्टोर करते हैं? आप इसे अपनी ज़रूरत के हिसाब से कैसे लाते हैं? उस समय सुरक्षा के बारे में क्या ख्याल है? हम आपको समझाएँगे।
दरअसल, हाइड्रोजन भी एक बहुत ही खतरनाक तत्व है। 20वीं सदी की शुरुआत में हमने हाइड्रोजन का इस्तेमाल गुब्बारे, गुब्बारे और हवाई जहाज़ों को आसमान में उड़ाने के लिए गैस के तौर पर किया था क्योंकि यह बहुत हल्का था। लेकिन, 6 मई, 1937 को अमेरिका के न्यू जर्सी में "एयरशिप हिंडनबर्ग विस्फोट" हुआ।
दुर्घटना के बाद से, यह व्यापक रूप से माना जाता है कि हाइड्रोजन गैस खतरनाक है। खासकर जब यह आग पकड़ती है, तो यह ऑक्सीजन के साथ हिंसक रूप से विस्फोट करेगी। इसलिए, "ऑक्सीजन से दूर रहें" या "गर्मी से दूर रहें" आवश्यक है।
ये उपाय करने के बाद, हम एक शिपिंग विधि लेकर आए।
हाइड्रोजन कमरे के तापमान पर एक गैस है, इसलिए भले ही यह अभी भी एक गैस है, यह बहुत भारी है। पहली विधि कार्बोनेटेड पेय बनाते समय उच्च दबाव लागू करना और सिलेंडर की तरह संपीड़ित करना है। एक विशेष उच्च दबाव टैंक तैयार करें और इसे 45Mpa जैसी उच्च दबाव स्थितियों के तहत संग्रहीत करें।
टोयोटा, जो ईंधन सेल वाहन (एफसीवी) विकसित करती है, एक रेजिन उच्च दबाव हाइड्रोजन टैंक विकसित कर रही है जो 70 एमपीए दबाव को झेल सकता है।
एक अन्य विधि तरल हाइड्रोजन बनाने के लिए -253 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करना और इसे विशेष ताप-रोधक टैंकों में संग्रहीत और परिवहन करना है। LNG (तरलीकृत प्राकृतिक गैस) की तरह जब प्राकृतिक गैस विदेश से आयात की जाती है, तो परिवहन के दौरान हाइड्रोजन को तरलीकृत किया जाता है, जिससे इसकी मात्रा इसकी गैसीय अवस्था के 1/800 तक कम हो जाती है। 2020 में, हमने दुनिया का पहला तरल हाइड्रोजन वाहक पूरा किया। हालाँकि, यह तरीका ईंधन सेल वाहनों के लिए उपयुक्त नहीं है क्योंकि इसे ठंडा करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इस प्रकार के टैंकों में भंडारण और शिपिंग की एक विधि है, लेकिन हम हाइड्रोजन भंडारण की अन्य विधियां भी विकसित कर रहे हैं।
भंडारण विधि हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातुओं का उपयोग करना है। हाइड्रोजन में धातुओं को भेदने और उन्हें खराब करने का गुण होता है। यह एक विकास युक्ति है जिसे 1960 के दशक में संयुक्त राज्य अमेरिका में विकसित किया गया था। जे जे रेली एट अल। प्रयोगों से पता चला है कि मैग्नीशियम और वैनेडियम के मिश्र धातु का उपयोग करके हाइड्रोजन को संग्रहीत और जारी किया जा सकता है।
इसके बाद उन्होंने सफलतापूर्वक पैलेडियम जैसा पदार्थ विकसित किया, जो अपने आयतन से 935 गुना अधिक हाइड्रोजन अवशोषित कर सकता है।
इस मिश्र धातु का उपयोग करने का लाभ यह है कि यह हाइड्रोजन रिसाव दुर्घटनाओं (मुख्य रूप से विस्फोट दुर्घटनाओं) को रोक सकता है। इसलिए, इसे सुरक्षित रूप से संग्रहीत और परिवहन किया जा सकता है। हालाँकि, यदि आप सावधान नहीं हैं और इसे गलत वातावरण में छोड़ देते हैं, तो हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातु समय के साथ हाइड्रोजन गैस छोड़ सकते हैं। खैर, यहां तक ​​​​कि एक छोटी सी चिंगारी भी विस्फोट दुर्घटना का कारण बन सकती है, इसलिए सावधान रहें।
इसका एक नुकसान यह भी है कि बार-बार हाइड्रोजन अवशोषण और विशोषण के कारण भंगुरता उत्पन्न होती है और हाइड्रोजन अवशोषण की दर कम हो जाती है।
दूसरा तरीका है पाइप का इस्तेमाल करना। एक शर्त यह है कि पाइप को टूटने से बचाने के लिए इसे गैर-संपीड़ित और कम दबाव वाला होना चाहिए, लेकिन इसका फायदा यह है कि मौजूदा गैस पाइप का इस्तेमाल किया जा सकता है। टोक्यो गैस ने ईंधन कोशिकाओं को हाइड्रोजन की आपूर्ति करने के लिए शहर की गैस पाइपलाइनों का उपयोग करते हुए हारुमी फ्लैग पर निर्माण कार्य किया।

हाइड्रोजन ऊर्जा द्वारा निर्मित भविष्य का समाज

अंत में, आइए हम इस बात पर विचार करें कि हाइड्रोजन समाज में क्या भूमिका निभा सकता है।
इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि हम कार्बन मुक्त समाज को बढ़ावा देना चाहते हैं, हम हाइड्रोजन का उपयोग ऊष्मा ऊर्जा के बजाय बिजली उत्पन्न करने के लिए करते हैं।
बड़े थर्मल पावर प्लांट के बजाय, कुछ घरों ने ENE-FARM जैसी प्रणालियाँ शुरू की हैं, जो आवश्यक बिजली पैदा करने के लिए प्राकृतिक गैस को सुधार कर प्राप्त हाइड्रोजन का उपयोग करती हैं। हालाँकि, सुधार प्रक्रिया के उप-उत्पादों के साथ क्या किया जाए, यह सवाल बना हुआ है।

भविष्य में, यदि हाइड्रोजन का प्रचलन बढ़ता है, जैसे हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों की संख्या में वृद्धि, तो कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित किए बिना बिजली का उपयोग करना संभव होगा। बिजली निश्चित रूप से ग्रीन हाइड्रोजन का उत्पादन करती है, इसलिए यह सूर्य के प्रकाश या हवा से उत्पन्न बिजली का उपयोग करती है। इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उपयोग की जाने वाली शक्ति बिजली उत्पादन की मात्रा को दबाने या प्राकृतिक ऊर्जा से अधिशेष बिजली होने पर रिचार्जेबल बैटरी को चार्ज करने की शक्ति होनी चाहिए। दूसरे शब्दों में, हाइड्रोजन रिचार्जेबल बैटरी के समान स्थिति में है। यदि ऐसा होता है, तो अंततः थर्मल पावर उत्पादन को कम करना संभव होगा। वह दिन जब कारों से आंतरिक दहन इंजन गायब हो जाएगा, तेजी से आ रहा है।

हाइड्रोजन को दूसरे तरीके से भी प्राप्त किया जा सकता है। वास्तव में, हाइड्रोजन अभी भी कास्टिक सोडा के उत्पादन का एक उप-उत्पाद है। अन्य चीजों के अलावा, यह लौह निर्माण में कोक उत्पादन का एक उप-उत्पाद है। यदि आप इस हाइड्रोजन को वितरण में डालते हैं, तो आप कई स्रोत प्राप्त कर पाएंगे। इस तरह से उत्पादित हाइड्रोजन गैस की आपूर्ति हाइड्रोजन स्टेशनों द्वारा भी की जाती है।

आइए भविष्य की ओर देखें। बिजली की आपूर्ति के लिए तारों का उपयोग करने वाली ट्रांसमिशन विधि के साथ ऊर्जा की हानि की मात्रा भी एक मुद्दा है। इसलिए, भविष्य में, हम कार्बोनेटेड पेय बनाने में इस्तेमाल किए जाने वाले कार्बोनिक एसिड टैंक की तरह पाइपलाइनों द्वारा वितरित हाइड्रोजन का उपयोग करेंगे, और हर घर के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए घर पर एक हाइड्रोजन टैंक खरीदेंगे। हाइड्रोजन बैटरी पर चलने वाले मोबाइल उपकरण आम होते जा रहे हैं। ऐसा भविष्य देखना दिलचस्प होगा।