अगली पीढ़ी की ऊर्जा हाइड्रोजन के बारे में

हम ऊर्जा की अगली पीढ़ी "हाइड्रोजन" पेश करेंगे जो कार्बन तटस्थ है। हाइड्रोजन को तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है: "हरित हाइड्रोजन", "नीला हाइड्रोजन" और "ग्रे हाइड्रोजन", जिनमें से प्रत्येक की एक अलग उत्पादन विधि है। हम निर्माण की प्रत्येक विधि, तत्वों के रूप में भौतिक गुण, भंडारण/परिवहन विधियां और उपयोग की विधियों के बारे में भी बताएंगे। और मैं यह भी बताऊंगा कि यह अगली पीढ़ी का प्रमुख ऊर्जा स्रोत क्यों है।

हरित हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए पानी का इलेक्ट्रोलिसिस

हाइड्रोजन का उपयोग करते समय, वैसे भी "हाइड्रोजन का उत्पादन" करना महत्वपूर्ण है। सबसे आसान तरीका है "पानी को इलेक्ट्रोलाइज करना"। हो सकता है कि आपने ग्रेड स्कूल विज्ञान में किया हो। बीकर में पानी और इलेक्ट्रोड को पानी से भरें। जब एक बैटरी को इलेक्ट्रोड से जोड़ा जाता है और सक्रिय किया जाता है, तो पानी और प्रत्येक इलेक्ट्रोड में निम्नलिखित प्रतिक्रियाएं होती हैं।
कैथोड पर, H+ और इलेक्ट्रॉन मिलकर हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करते हैं, जबकि एनोड ऑक्सीजन का उत्पादन करता है। फिर भी, यह दृष्टिकोण 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 करना होगा। वह है "पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (पीईएम) इलेक्ट्रोलिसिस"।
इस विधि में, एक बहुलक अर्धपारगम्य झिल्ली जो हाइड्रोजन आयनों के पारित होने की अनुमति देती है, एनोड और कैथोड के बीच सैंडविच होती है। जब उपकरण के एनोड में पानी डाला जाता है, तो इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन आयन एक अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से कैथोड में चले जाते हैं, जहां 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।
इसके अलावा क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस में, आप एक विभाजक के माध्यम से एनोड और कैथोड को अलग करके हाइड्रोजन और ऑक्सीजन बनाते हैं जिसके माध्यम से केवल हाइड्रॉक्साइड आयन गुजर सकते हैं। इसके अलावा, उच्च तापमान भाप इलेक्ट्रोलिसिस जैसी औद्योगिक विधियां भी हैं।
इन प्रक्रियाओं को बड़े पैमाने पर निष्पादित करके बड़ी मात्रा में हाइड्रोजन प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में, बड़ी मात्रा में ऑक्सीजन (उत्पादित हाइड्रोजन की मात्रा का आधा) भी उत्पन्न होता है, 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 जाता है जो पवन टरबाइन और सौर पैनल जैसे जीवाश्म ईंधन का उपयोग नहीं करता है।
आप स्वच्छ ऊर्जा का उपयोग करके पानी को इलेक्ट्रोलाइज़ करके "हरित हाइड्रोजन" प्राप्त कर सकते हैं।

इस हरित हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक हाइड्रोजन जनरेटर भी है। इलेक्ट्रोलाइज़र अनुभाग में पीईएम का उपयोग करके, हाइड्रोजन का लगातार उत्पादन किया जा सकता है।

ब्लू हाइड्रोजन जीवाश्म ईंधन से बना है

तो, हाइड्रोजन बनाने के अन्य तरीके क्या हैं? हाइड्रोजन जीवाश्म ईंधन जैसे प्राकृतिक गैस और कोयले 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। इस हाइड्रोजन को बाहर निकालकर आप हाइड्रोजन प्राप्त कर सकते हैं।
इनमें से एक प्रक्रिया है जिसे "स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग" कहा जाता है जो भाप का उपयोग करती 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 प्रकार, प्राकृतिक गैस और कोयले की "भाप सुधार" और "पाइरोलिसिस" जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है। "ब्लू हाइड्रोजन" का तात्पर्य इस प्रकार उत्पादित हाइड्रोजन से है।
हालाँकि, इस मामले में, कार्बन मोनोऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड उप-उत्पाद के रूप में उत्पादित होते हैं। इसलिए उन्हें वायुमंडल में छोड़े जाने से पहले आपको उनका पुनर्चक्रण करना होगा। उप-उत्पाद कार्बन डाइऑक्साइड, यदि पुनर्प्राप्त नहीं किया जाता है, तो हाइड्रोजन गैस बन जाता 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 में पहला तत्व है।
ब्रह्मांड में परमाणुओं की संख्या सबसे अधिक है, जो ब्रह्मांड के सभी तत्वों का लगभग 90% है। एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन से युक्त 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 संलयन विद्युत उत्पादन के लिए भी सामग्रियां हैं।
सूर्य जैसे तारे के अंदर हाइड्रोजन से हीलियम में परमाणु संलयन हो रहा है, जो तारे के चमकने के लिए ऊर्जा स्रोत है।
हालाँकि, हाइड्रोजन पृथ्वी पर गैस के रूप में शायद ही मौजूद है। हाइड्रोजन पानी, मीथेन, अमोनिया और इथेनॉल जैसे अन्य तत्वों के साथ यौगिक बनाता है। चूँकि हाइड्रोजन एक हल्का तत्व है, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, हाइड्रोजन अणुओं की गति की गति बढ़ जाती है, और पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से बाहरी अंतरिक्ष की ओर भाग जाते हैं।

हाइड्रोजन का उपयोग कैसे करें? दहन द्वारा उपयोग करें

फिर, "हाइड्रोजन", जिसने अगली पीढ़ी के ऊर्जा स्रोत के रूप में दुनिया भर का ध्यान आकर्षित किया है, का उपयोग कैसे किया जाता है? इसका उपयोग दो मुख्य तरीकों से किया जाता है: "दहन" और "ईंधन सेल"। आइए "बर्न" के प्रयोग से शुरुआत करें।
दहन के दो मुख्य प्रकार उपयोग किये जाते हैं।
पहला रॉकेट ईंधन के रूप में है। जापान का H-IIA रॉकेट ईंधन के रूप में हाइड्रोजन गैस "तरल हाइड्रोजन" और "तरल ऑक्सीजन" का उपयोग करता है जो क्रायोजेनिक अवस्था में भी है। ये दोनों संयुक्त हैं, और उस समय उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा अंतरिक्ष में उड़ते हुए उत्पन्न पानी के अणुओं के इंजेक्शन को तेज कर देती है। 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 टरबाइन बिजली उत्पादन ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के संयोजन की विधि का भी उपयोग करता है। दूसरे शब्दों में, यह एक ऐसी विधि है जो हाइड्रोजन द्वारा उत्पादित तापीय ऊर्जा को देखती है। ताप विद्युत संयंत्रों में, कोयले, तेल और प्राकृतिक गैस को जलाने से निकलने वाली गर्मी से भाप पैदा होती है जो टर्बाइनों को चलाती है। यदि हाइड्रोजन का उपयोग ताप स्रोत के रूप में किया जाता है, तो बिजली संयंत्र कार्बन तटस्थ होगा।

हाइड्रोजन का उपयोग कैसे करें? ईंधन सेल के रूप में उपयोग किया जाता है

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 अपने ग्लोबल वार्मिंग प्रतिकार के हिस्से के रूप में गैसोलीन वाहनों के विकल्प के रूप में इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) के बजाय हाइड्रोजन-ईंधन वाले वाहनों को बढ़ावा देकर जापान में ध्यान आकर्षित किया है।
विशेष रूप से, जब हम "हरित हाइड्रोजन" की निर्माण विधि पेश करते हैं तो हम विपरीत प्रक्रिया अपना रहे होते हैं। रासायनिक सूत्र इस प्रकार है.
हाइड्रोजन बिजली उत्पन्न करते समय पानी (गर्म पानी या भाप) उत्पन्न कर सकता है, और इसका मूल्यांकन किया जा सकता है क्योंकि यह पर्यावरण पर बोझ नहीं डालता है। दूसरी ओर, इस विधि में 30-40% की अपेक्षाकृत कम बिजली उत्पादन दक्षता है, और उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम की आवश्यकता होती है, इस प्रकार बढ़ी हुई लागत की आवश्यकता होती है।
वर्तमान में, हम पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट ईंधन सेल (पीईएफसी) और फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी) का उपयोग कर रहे हैं। विशेष रूप से, ईंधन सेल वाहन पीईएफसी 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 और उपयोग की जाती है। तो आप इस हाइड्रोजन को कैसे संग्रहित करते हैं? जहां आपको इसकी आवश्यकता है वहां आप इसे कैसे प्राप्त करेंगे? उस समय सुरक्षा के बारे में क्या? हम समझाएंगे.
दरअसल, हाइड्रोजन भी एक बेहद खतरनाक तत्व है। 20वीं शताब्दी की शुरुआत में, हमने गुब्बारे, गुब्बारों और हवाई जहाजों को आकाश में तैराने के लिए गैस के रूप में हाइड्रोजन का उपयोग किया क्योंकि यह बहुत हल्का था। हालाँकि, 6 मई, 1937 को अमेरिका के न्यू जर्सी में "एयरशिप हिंडनबर्ग विस्फोट" हुआ।
दुर्घटना के बाद से, यह व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है कि हाइड्रोजन गैस खतरनाक है। खासतौर पर जब इसमें आग लगेगी तो यह ऑक्सीजन के साथ जोरदार तरीके से फट जाएगा। 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 45 एमपीए जैसी उच्च दबाव वाली स्थितियों में संग्रहित करें।
टोयोटा, जो ईंधन सेल वाहन (एफसीवी) विकसित करती है, एक राल उच्च दबाव हाइड्रोजन टैंक विकसित कर रही है जो 70 एमपीए दबाव का सामना कर सकता है।
एक अन्य विधि तरल हाइड्रोजन बनाने के लिए -253 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करना है, और इसे विशेष गर्मी-इन्सुलेटेड टैंकों में संग्रहीत और परिवहन करना है। एलएनजी (तरलीकृत प्राकृतिक गैस) की तरह जब प्राकृतिक गैस को विदेशों से आयात किया जाता है, तो परिवहन के दौरान हाइड्रोजन को तरलीकृत किया जाता है, जिससे इसकी मात्रा गैसीय अवस्था के 1/800 तक कम हो जाती है। 2020 में, हमने दुनिया का पहला तरल हाइड्रोजन वाहक पूरा किया। हालाँकि, यह दृष्टिकोण ईंधन सेल वाहनों के लिए उपयुक्त नहीं है क्योंकि इसे ठंडा करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इस तरह टैंकों में भंडारण और शिपिंग की एक विधि है, लेकिन हम हाइड्रोजन भंडारण के अन्य तरीके भी विकसित कर रहे हैं।
भंडारण विधि हाइड्रोजन भंडारण मिश्र धातुओं का उपयोग करना है। हाइड्रोजन में धातुओं को भेदने और उन्हें ख़राब 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 रीली 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।
उसके बाद, उन्होंने पैलेडियम जैसा एक पदार्थ सफलतापूर्वक विकसित किया, जो अपनी मात्रा से 935 गुना अधिक हाइड्रोजन को 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 धातुएँ समय के साथ हाइड्रोजन गैस छोड़ सकती हैं। खैर, एक छोटी सी चिंगारी भी विस्फोट दुर्घटना का कारण बन सकती है, इसलिए सावधान रहें।
इसका नुकसान यह भी है कि बार-बार हाइड्रोजन अवशोषण और विशोषण से भंगुरता होती है और हाइड्रोजन अवशोषण दर कम हो जाती है।
दूसरा है पाइप का उपयोग करना। एक शर्त है कि पाइपों को टूटने से बचाने के लिए इसे गैर-संपीड़ित और कम दबाव वाला होना चाहिए, लेकिन फायदा यह है कि मौजूदा गैस पाइपों का उपयोग 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 फ़्लैग पर निर्माण कार्य किया।

हाइड्रोजन एनर्जी द्वारा निर्मित भविष्य का समाज

अंत में, आइए 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 ऊष्मा ऊर्जा के बजाय बिजली उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करते हैं।
बड़े ताप विद्युत संयंत्रों के बजाय, कुछ घरों में ENE-FARM जैसी प्रणालियाँ शुरू की गई हैं, जो आवश्यक बिजली उत्पन्न करने के लिए प्राकृतिक गैस में सुधार करके 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 स्वयं बढ़ता है, जैसे हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों की संख्या में वृद्धि, तो कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित किए बिना बिजली का उपयोग करना संभव होगा। बेशक, बिजली हरित 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 तापीय विद्युत उत्पादन को कम करना संभव होगा। वह दिन करीब आ रहा है जब कारों से आंतरिक दहन इंजन गायब हो जाएगा।

हाइड्रोजन को दूसरे मार्ग से भी प्राप्त किया जा सकता है। वास्तव में, हाइड्रोजन अभी भी कास्टिक सोडा के उत्पादन का एक उप-उत्पाद है। अन्य बातों के अलावा, यह लोहा बनाने में कोक उत्पादन का उप-उत्पाद है। यदि आप इस हाइड्रोजन को वितरण में डालते हैं, तो आप कई स्रोत प्राप्त करने में सक्षम होंगे। इस प्रकार उत्पादित हाइड्रोजन गैस की आपूर्ति हाइड्रोजन स्टेशनों द्वारा भी की जाती है।

आइए भविष्य में आगे देखें। ऊर्जा की हानि की मात्रा भी ट्रांसमिशन की उस पद्धति के साथ एक मुद्दा है जो बिजली की आपूर्ति के लिए तारों का उपयोग करती है। इसलिए, भविष्य में, हम कार्बोनेटेड पेय बनाने में उपयोग किए जाने वाले कार्बोनिक एसिड टैंक की तरह, पाइपलाइनों द्वारा वितरित हाइड्रोजन का उपयोग करेंगे, और हर घर के लिए बिजली पैदा 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.