पुढील पिढी ऊर्जा हायड्रोजन बद्दल

आम्ही "हायड्रोजन" सादर करू, उर्जेची पुढील पिढी जी कार्बन न्यूट्रल आहे. हायड्रोजन तीन प्रकारांमध्ये विभागलेला आहे: “हिरवा हायड्रोजन”, “निळा हायड्रोजन” आणि “राखाडी हायड्रोजन”, या प्रत्येकाची उत्पादन पद्धत वेगळी आहे. आम्ही उत्पादनाची प्रत्येक पद्धत, घटक म्हणून भौतिक गुणधर्म, स्टोरेज/वाहतूक पद्धती आणि वापरण्याच्या पद्धती देखील स्पष्ट करू. आणि पुढच्या पिढीतील ऊर्जास्रोत हा प्रमुख ऊर्जास्रोत का आहे याचीही मी ओळख करून देईन.

ग्रीन हायड्रोजन तयार करण्यासाठी पाण्याचे इलेक्ट्रोलिसिस

हायड्रोजन वापरताना, तरीही "हायड्रोजन तयार करणे" महत्वाचे आहे. सर्वात सोपा मार्ग म्हणजे "पाणी इलेक्ट्रोलायझ करणे". कदाचित तुम्ही ग्रेड स्कूल सायन्समध्ये केले असेल. बीकरमध्ये पाणी आणि इलेक्ट्रोड्स पाण्यात भरा. जेव्हा बॅटरी इलेक्ट्रोडशी जोडली जाते आणि ऊर्जावान होते, तेव्हा खालील प्रतिक्रिया पाण्यात आणि प्रत्येक इलेक्ट्रोडमध्ये होतात.
कॅथोडवर, H+ आणि इलेक्ट्रॉन हायड्रोजन वायू तयार करण्यासाठी एकत्र होतात, तर एनोड ऑक्सिजन तयार करतात. तरीही, हा दृष्टिकोन शालेय विज्ञान प्रयोगांसाठी ठीक आहे, परंतु औद्योगिकदृष्ट्या हायड्रोजनचे उत्पादन करण्यासाठी, मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनासाठी योग्य कार्यक्षम यंत्रणा तयार करणे आवश्यक आहे. ते म्हणजे “पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (पीईएम) इलेक्ट्रोलिसिस”.
या पद्धतीमध्ये, हायड्रोजन आयनांना जाण्यास अनुमती देणारा पॉलिमर अर्धपारगम्य पडदा एनोड आणि कॅथोडमध्ये सँडविच केला जातो. जेव्हा उपकरणाच्या एनोडमध्ये पाणी ओतले जाते, तेव्हा इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे तयार केलेले हायड्रोजन आयन अर्धपारगम्य पडद्याद्वारे कॅथोडमध्ये जातात, जेथे ते आण्विक हायड्रोजन बनतात. दुसरीकडे, ऑक्सिजन आयन अर्धपारगम्य झिल्लीतून जाऊ शकत नाहीत आणि एनोडवर ऑक्सिजन रेणू बनू शकतात.
तसेच क्षारीय पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसमध्ये, तुम्ही विभाजकाद्वारे एनोड आणि कॅथोड वेगळे करून हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन तयार करता ज्यातून फक्त हायड्रॉक्साईड आयन जाऊ शकतात. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान स्टीम इलेक्ट्रोलिसिस सारख्या औद्योगिक पद्धती आहेत.
या प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणावर केल्याने हायड्रोजन मोठ्या प्रमाणात मिळू शकतो. प्रक्रियेत, ऑक्सिजनची महत्त्वपूर्ण मात्रा देखील तयार केली जाते (उत्पादित हायड्रोजनच्या अर्ध्या प्रमाणात), जेणेकरून वातावरणात सोडल्यास त्याचा कोणताही प्रतिकूल पर्यावरणीय परिणाम होणार नाही. तथापि, इलेक्ट्रोलिसिसला भरपूर वीज लागते, त्यामुळे जीवाश्म इंधने, जसे की पवन टर्बाइन आणि सौर पॅनेल वापरत नसलेल्या विजेसह कार्बन-मुक्त हायड्रोजन तयार केले जाऊ शकते.
स्वच्छ ऊर्जेचा वापर करून पाण्याचे इलेक्ट्रोलायझिंग करून तुम्ही “ग्रीन हायड्रोजन” मिळवू शकता.

या हिरव्या हायड्रोजनच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी हायड्रोजन जनरेटर देखील आहे. इलेक्ट्रोलायझर विभागात पीईएम वापरून, हायड्रोजन सतत तयार केले जाऊ शकते.

जीवाश्म इंधनापासून बनवलेला ब्लू हायड्रोजन

तर, हायड्रोजन बनवण्याचे इतर कोणते मार्ग आहेत? नैसर्गिक वायू आणि कोळसा यांसारख्या जीवाश्म इंधनांमध्ये हायड्रोजन पाण्याव्यतिरिक्त इतर पदार्थ म्हणून अस्तित्वात आहे. उदाहरणार्थ, नैसर्गिक वायूचा मुख्य घटक मिथेन (CH4) विचारात घ्या. येथे चार हायड्रोजन अणू आहेत. हा हायड्रोजन बाहेर काढून तुम्ही हायड्रोजन मिळवू शकता.
यापैकी एक "स्टीम मिथेन रिफॉर्मिंग" नावाची प्रक्रिया आहे जी वाफेचा वापर करते. या पद्धतीचे रासायनिक सूत्र खालीलप्रमाणे आहे.
तुम्ही बघू शकता, कार्बन मोनोऑक्साइड आणि हायड्रोजन एकाच मिथेन रेणूमधून काढले जाऊ शकतात.
अशा प्रकारे, नैसर्गिक वायू आणि कोळशाच्या "स्टीम रिफॉर्मिंग" आणि "पायरोलिसिस" सारख्या प्रक्रियांद्वारे हायड्रोजन तयार केले जाऊ शकते. "ब्लू हायड्रोजन" म्हणजे अशा प्रकारे तयार होणाऱ्या हायड्रोजनचा.
तथापि, या प्रकरणात, कार्बन मोनोऑक्साइड आणि कार्बन डायऑक्साइड उप-उत्पादने म्हणून तयार केले जातात. त्यामुळे ते वातावरणात सोडण्यापूर्वी तुम्हाला त्यांचे पुनर्वापर करावे लागेल. उप-उत्पादन कार्बन डायऑक्साइड, पुनर्प्राप्त न केल्यास, हायड्रोजन वायू बनतो, ज्याला "ग्रे हायड्रोजन" म्हणून ओळखले जाते.

हायड्रोजन कोणत्या प्रकारचा घटक आहे?

हायड्रोजनचा अणुक्रमांक १ आहे आणि तो नियतकालिक सारणीतील पहिला घटक आहे.
अणूंची संख्या विश्वातील सर्वात मोठी आहे, विश्वातील सर्व घटकांपैकी सुमारे 90% घटक आहेत. प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनचा समावेश असलेला सर्वात लहान अणू हा हायड्रोजन अणू आहे.
हायड्रोजनमध्ये न्यूक्लियसला जोडलेले न्यूट्रॉन असलेले दोन समस्थानिक असतात. एक न्यूट्रॉन-बंधित "ड्यूटेरियम" आणि दोन न्यूट्रॉन-बंधित "ट्रिटियम". हे फ्यूजन ऊर्जा निर्मितीसाठी देखील साहित्य आहेत.
सूर्यासारख्या ताऱ्याच्या आत, हायड्रोजनपासून हेलियमपर्यंत अणुसंलयन होत आहे, जे ताऱ्याला चमकण्यासाठी ऊर्जा स्त्रोत आहे.
तथापि, हायड्रोजन पृथ्वीवर वायू म्हणून क्वचितच अस्तित्वात आहे. हायड्रोजन पाणी, मिथेन, अमोनिया आणि इथेनॉल सारख्या इतर घटकांसह संयुगे तयार करतो. हायड्रोजन हा एक हलका घटक असल्याने, तापमान जसजसे वाढते तसतसे हायड्रोजन रेणूंच्या हालचालीचा वेग वाढतो आणि पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणापासून ते बाह्य अवकाशात पळून जातात.

हायड्रोजन कसे वापरावे? दहन करून वापरा

मग, पुढच्या पिढीचा उर्जा स्त्रोत म्हणून जगभर लक्ष वेधून घेतलेल्या “हायड्रोजन” चा वापर कसा केला जातो? हे दोन मुख्य प्रकारे वापरले जाते: "दहन" आणि "इंधन सेल". चला “बर्न” च्या वापराने सुरुवात करूया.
ज्वलनाचे दोन मुख्य प्रकार वापरले जातात.
पहिले रॉकेट इंधन म्हणून आहे. जपानचे H-IIA रॉकेट हायड्रोजन वायू “द्रव हायड्रोजन” आणि “द्रव ऑक्सिजन” वापरते जे इंधन म्हणून क्रायोजेनिक स्थितीत देखील आहे. हे दोन्ही एकत्र केले जातात आणि त्या वेळी निर्माण होणारी उष्णता ऊर्जा अवकाशात उडणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंच्या इंजेक्शनला गती देते. मात्र, ते तांत्रिकदृष्ट्या अवघड इंजिन असल्याने जपान वगळता केवळ अमेरिका, युरोप, रशिया, चीन आणि भारत या देशांनी हे इंधन यशस्वीपणे जोडले आहे.
दुसरे म्हणजे वीजनिर्मिती. गॅस टर्बाइन ऊर्जा निर्मितीमध्ये हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन एकत्र करून ऊर्जा निर्माण करण्याची पद्धत देखील वापरली जाते. दुसऱ्या शब्दांत, ही एक पद्धत आहे जी हायड्रोजनद्वारे उत्पादित थर्मल ऊर्जा पाहते. थर्मल पॉवर प्लांटमध्ये, कोळसा, तेल आणि नैसर्गिक वायू जळत असलेल्या उष्णतेमुळे टर्बाइन चालविणारी वाफ तयार होते. जर हायड्रोजनचा वापर उष्णतेचा स्त्रोत म्हणून केला गेला, तर पॉवर प्लांट कार्बन न्यूट्रल असेल.

हायड्रोजन कसे वापरावे? इंधन सेल म्हणून वापरले जाते

हायड्रोजन वापरण्याचा दुसरा मार्ग म्हणजे इंधन सेल, जो हायड्रोजनला थेट विजेमध्ये रूपांतरित करतो. विशेषत:, टोयोटाने त्याच्या ग्लोबल वार्मिंगच्या प्रतिकाराचा एक भाग म्हणून गॅसोलीन वाहनांना पर्याय म्हणून इलेक्ट्रिक वाहनांऐवजी (EVs) हायड्रोजन-इंधनयुक्त वाहने वापरून जपानमध्ये लक्ष वेधले आहे.
विशेषतः, जेव्हा आम्ही "ग्रीन हायड्रोजन" ची निर्मिती पद्धत सादर करतो तेव्हा आम्ही उलट प्रक्रिया करत आहोत. रासायनिक सूत्र खालीलप्रमाणे आहे.
हायड्रोजन वीज निर्माण करताना पाणी (गरम पाणी किंवा वाफ) निर्माण करू शकते आणि त्याचे मूल्यमापन केले जाऊ शकते कारण ते पर्यावरणावर भार टाकत नाही. दुसरीकडे, या पद्धतीमध्ये 30-40% ची वीज निर्मिती कार्यक्षमता तुलनेने कमी आहे, आणि उत्प्रेरक म्हणून प्लॅटिनमची आवश्यकता आहे, त्यामुळे वाढीव खर्च आवश्यक आहे.
सध्या, आम्ही पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी (PEFC) आणि फॉस्फोरिक ऍसिड इंधन पेशी (PAFC) वापरत आहोत. विशेषतः, इंधन सेल वाहने PEFC वापरतात, त्यामुळे भविष्यात त्याचा प्रसार होण्याची अपेक्षा केली जाऊ शकते.

हायड्रोजन स्टोरेज आणि वाहतूक सुरक्षित आहे का?

आत्तापर्यंत, हायड्रोजन वायू कसा बनवला आणि वापरला जातो हे तुम्हाला समजले असेल असे आम्हाला वाटते. मग हा हायड्रोजन कसा साठवायचा? तुम्हाला गरज आहे तिथे ते कसे मिळेल? त्यावेळी सुरक्षेचे काय? आम्ही स्पष्ट करू.
खरं तर, हायड्रोजन देखील एक अतिशय धोकादायक घटक आहे. 20 व्या शतकाच्या सुरूवातीस, आम्ही हायड्रोजनचा वापर फुगे, फुगे आणि हवाई जहाजे आकाशात तरंगण्यासाठी गॅस म्हणून केला कारण ते खूप हलके होते. तथापि, 6 मे 1937 रोजी न्यू जर्सी, यूएसए येथे, "एअरशिप हिंडनबर्ग स्फोट" झाला.
अपघात झाल्यापासून, हायड्रोजन वायू धोकादायक असल्याचे सर्वत्र मान्य करण्यात आले आहे. विशेषत: जेव्हा त्याला आग लागते तेव्हा ते ऑक्सिजनसह हिंसकपणे स्फोट होईल. म्हणून, “ऑक्सिजनपासून दूर राहा” किंवा “उष्णतेपासून दूर राहा” आवश्यक आहे.
या उपाययोजना केल्यानंतर, आम्ही एक शिपिंग पद्धत आणली.
हायड्रोजन हा खोलीच्या तपमानावर एक वायू आहे, म्हणून तो अजूनही वायू असला तरी तो खूप मोठा आहे. पहिली पद्धत म्हणजे कार्बोनेटेड पेये बनवताना उच्च दाब आणि सिलेंडरप्रमाणे कॉम्प्रेस करणे. विशेष उच्च-दाब टाकी तयार करा आणि 45Mpa सारख्या उच्च-दाबाच्या परिस्थितीत साठवा.
टोयोटा, जी इंधन सेल वाहने (FCV) विकसित करते, एक राळ उच्च-दाब हायड्रोजन टाकी विकसित करत आहे जी 70 MPa दाब सहन करू शकते.
दुसरी पद्धत म्हणजे द्रव हायड्रोजन तयार करण्यासाठी -253°C पर्यंत थंड करणे आणि ते विशेष उष्णता-इन्सुलेट केलेल्या टाक्यांमध्ये साठवणे आणि वाहतूक करणे. एलएनजी (द्रवीकृत नैसर्गिक वायू) प्रमाणे जेव्हा नैसर्गिक वायू परदेशातून आयात केला जातो, तेव्हा हायड्रोजन वाहतुकीदरम्यान द्रवीकृत केला जातो, ज्यामुळे त्याचे प्रमाण त्याच्या वायू स्थितीच्या 1/800 पर्यंत कमी होते. 2020 मध्ये, आम्ही जगातील पहिले द्रव हायड्रोजन वाहक पूर्ण केले. तथापि, हा दृष्टीकोन इंधन सेल वाहनांसाठी योग्य नाही कारण त्याला थंड होण्यासाठी भरपूर ऊर्जा लागते.
अशा टाक्यांमध्ये साठवण्याची आणि पाठवण्याची पद्धत आहे, परंतु आम्ही हायड्रोजन साठवण्याच्या इतर पद्धती देखील विकसित करत आहोत.
हायड्रोजन स्टोरेज मिश्र धातु वापरणे ही स्टोरेज पद्धत आहे. हायड्रोजनमध्ये धातू भेदण्याची आणि त्यांना खराब करण्याचा गुणधर्म आहे. ही एक विकास टीप आहे जी युनायटेड स्टेट्समध्ये 1960 मध्ये विकसित केली गेली होती. जेजे रेली आणि इतर. मॅग्नेशियम आणि व्हॅनेडियमच्या मिश्रधातूचा वापर करून हायड्रोजन संचयित आणि सोडला जाऊ शकतो हे प्रयोगांनी दर्शविले आहे.
त्यानंतर, त्याने पॅलेडियम सारखा पदार्थ यशस्वीरित्या विकसित केला, जो त्याच्या स्वतःच्या आकारमानाच्या 935 पट हायड्रोजन शोषू शकतो.
या मिश्रधातूचा वापर करण्याचा फायदा असा आहे की ते हायड्रोजन गळतीचे अपघात (प्रामुख्याने स्फोट अपघात) टाळू शकतात. म्हणून, ते सुरक्षितपणे संग्रहित आणि वाहतूक केले जाऊ शकते. तथापि, आपण सावध न राहिल्यास आणि चुकीच्या वातावरणात सोडल्यास, हायड्रोजन स्टोरेज मिश्र धातु कालांतराने हायड्रोजन वायू सोडू शकतात. बरं, अगदी लहान ठिणगीमुळे स्फोट होऊन अपघात होऊ शकतो, त्यामुळे काळजी घ्या.
त्याचा हाही तोटा आहे की वारंवार हायड्रोजन शोषण आणि डिसॉर्प्शनमुळे भ्रष्टता येते आणि हायड्रोजन शोषण दर कमी होतो.
दुसरे म्हणजे पाईप्स वापरणे. अशी अट आहे की पाईप्सची गळती टाळण्यासाठी ते संकुचित नसलेले आणि कमी दाब असले पाहिजेत, परंतु फायदा असा आहे की विद्यमान गॅस पाईप्स वापरल्या जाऊ शकतात. टोकियो गॅसने हारुमी FLAG वर बांधकाम काम केले, इंधन पेशींना हायड्रोजन पुरवठा करण्यासाठी सिटी गॅस पाइपलाइनचा वापर केला.

हायड्रोजन ऊर्जेद्वारे तयार केलेली भविष्यातील समाज

शेवटी, हायड्रोजन समाजात काय भूमिका बजावू शकतो याचा विचार करूया.
सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे आम्हाला कार्बनमुक्त समाजाचा प्रचार करायचा आहे, आम्ही हायड्रोजनचा वापर उष्णता ऊर्जा म्हणून न करता वीज निर्माण करण्यासाठी करतो.
मोठ्या थर्मल पॉवर प्लांट्सऐवजी, काही घरांनी ENE-FARM सारख्या प्रणाली सुरू केल्या आहेत, ज्या नैसर्गिक वायूमध्ये सुधारणा करून मिळवलेल्या हायड्रोजनचा वापर करून आवश्यक वीज निर्माण करतात. मात्र, सुधारणा प्रक्रियेतील उपपदार्थांचे काय करायचे हा प्रश्न कायम आहे.

भविष्यात, हायड्रोजनचे अभिसरण स्वतःच वाढल्यास, जसे की हायड्रोजन रिफ्यूलिंग स्टेशनची संख्या वाढवणे, कार्बन डायऑक्साइड उत्सर्जित न करता वीज वापरणे शक्य होईल. वीज अर्थातच हिरवा हायड्रोजन तयार करते, म्हणून ती सूर्यप्रकाश किंवा वाऱ्यापासून निर्माण होणारी वीज वापरते. इलेक्ट्रोलिसिससाठी वापरली जाणारी शक्ती ही वीज निर्मितीचे प्रमाण दाबण्याची किंवा नैसर्गिक ऊर्जेपासून अतिरिक्त उर्जा असताना रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरी चार्ज करण्याची शक्ती असावी. दुसऱ्या शब्दांत, हायड्रोजन रिचार्ज करण्यायोग्य बॅटरी सारख्याच स्थितीत आहे. असे झाल्यास औष्णिक वीजनिर्मिती कमी करणे अखेरीस शक्य होईल. ज्या दिवशी कारमधून अंतर्गत ज्वलन इंजिन गायब होईल तो दिवस जवळ येत आहे.

हायड्रोजन दुसर्या मार्गाने देखील मिळवता येतो. खरं तर, हायड्रोजन अजूनही कॉस्टिक सोडाच्या उत्पादनाचे उप-उत्पादन आहे. इतर गोष्टींबरोबरच, हे लोहनिर्मितीतील कोक उत्पादनाचे उप-उत्पादन आहे. तुम्ही हा हायड्रोजन डिस्ट्रिब्युशनमध्ये ठेवल्यास, तुम्हाला अनेक स्त्रोत मिळू शकतील. अशा प्रकारे तयार होणारा हायड्रोजन वायू देखील हायड्रोजन स्टेशनद्वारे पुरवला जातो.

पुढे भविष्यात पाहू. वीज पुरवठा करण्यासाठी तारांचा वापर करणाऱ्या ट्रान्समिशनच्या पद्धतीमध्ये गमावलेल्या उर्जेचे प्रमाण देखील एक समस्या आहे. त्यामुळे भविष्यात, आम्ही कार्बोनेटेड पेये बनवण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कार्बोनिक ऍसिडच्या टाक्यांप्रमाणे पाइपलाइनद्वारे वितरित हायड्रोजनचा वापर करू आणि प्रत्येक घरासाठी वीज निर्माण करण्यासाठी घरी हायड्रोजन टाकी खरेदी करू. हायड्रोजन बॅटरीवर चालणारी मोबाईल उपकरणे सामान्य होत आहेत. असे भविष्य पाहणे मनोरंजक असेल.