पुढील पिढीतील ऊर्जा हायड्रोजन बद्दल

आपण "हायड्रोजन" सादर करू, जो कार्बन न्यूट्रल असलेल्या पुढील पिढीतील ऊर्जेचा स्रोत आहे. हायड्रोजन तीन प्रकारांमध्ये विभागले गेले आहे: "हिरवा हायड्रोजन", "निळा हायड्रोजन" आणि "राखाडी हायड्रोजन", ज्या प्रत्येकाची उत्पादन पद्धत वेगळी आहे. आपण प्रत्येक उत्पादन पद्धती, घटक म्हणून भौतिक गुणधर्म, साठवणूक/वाहतूक पद्धती आणि वापरण्याच्या पद्धती देखील स्पष्ट करू. आणि तो पुढील पिढीचा प्रमुख ऊर्जा स्रोत का आहे हे देखील मी सादर करेन.

पाण्याचे इलेक्ट्रोलिसिस करून हिरवे हायड्रोजन तयार करणे

हायड्रोजन वापरताना, "हायड्रोजन तयार करणे" महत्वाचे आहे. सर्वात सोपा मार्ग म्हणजे "पाणी इलेक्ट्रोलायझ करणे". कदाचित तुम्ही इयत्ता शालेय विज्ञानात केले असेल. बीकरमध्ये पाणी आणि इलेक्ट्रोड पाण्यात भरा. जेव्हा बॅटरी इलेक्ट्रोडशी जोडली जाते आणि ऊर्जावान केली जाते, तेव्हा पाण्यात आणि प्रत्येक इलेक्ट्रोडमध्ये खालील प्रतिक्रिया होतात.
कॅथोडमध्ये, H+ आणि इलेक्ट्रॉन एकत्रितपणे हायड्रोजन वायू तयार करतात, तर एनोड ऑक्सिजन तयार करतो. तरीही, शालेय विज्ञान प्रयोगांसाठी हा दृष्टिकोन ठीक आहे, परंतु औद्योगिकदृष्ट्या हायड्रोजन तयार करण्यासाठी, मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी योग्य कार्यक्षम यंत्रणा तयार करणे आवश्यक आहे. ते म्हणजे "पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलिसिस".
या पद्धतीमध्ये, हायड्रोजन आयनांना जाण्यास परवानगी देणारा एक पॉलिमर अर्धपारगम्य पडदा अॅनोड आणि कॅथोडमध्ये सँडविच केला जातो. जेव्हा उपकरणाच्या अॅनोडमध्ये पाणी ओतले जाते तेव्हा इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे तयार होणारे हायड्रोजन आयन अर्धपारगम्य पडद्यामधून कॅथोडमध्ये जातात, जिथे ते आण्विक हायड्रोजन बनतात. दुसरीकडे, ऑक्सिजन आयन अर्धपारगम्य पडद्यामधून जाऊ शकत नाहीत आणि अॅनोडवर ऑक्सिजन रेणू बनू शकतात.
तसेच अल्कधर्मी पाण्याच्या इलेक्ट्रोलिसिसमध्ये, तुम्ही एका विभाजकाद्वारे एनोड आणि कॅथोड वेगळे करून हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन तयार करता ज्यामधून फक्त हायड्रॉक्साईड आयन जाऊ शकतात. याव्यतिरिक्त, उच्च-तापमान स्टीम इलेक्ट्रोलिसिससारख्या औद्योगिक पद्धती आहेत.
या प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणात करून, मोठ्या प्रमाणात हायड्रोजन मिळवता येते. या प्रक्रियेत, मोठ्या प्रमाणात ऑक्सिजन देखील तयार होतो (उत्पादित हायड्रोजनच्या अर्ध्या प्रमाणात), जेणेकरून वातावरणात सोडल्यास त्याचा पर्यावरणावर कोणताही प्रतिकूल परिणाम होणार नाही. तथापि, इलेक्ट्रोलिसिससाठी भरपूर वीज लागते, म्हणून कार्बन-मुक्त हायड्रोजन तयार करता येते जर ते पवन टर्बाइन आणि सौर पॅनेलसारख्या जीवाश्म इंधनांचा वापर न करणाऱ्या विजेचा वापर करून तयार केले गेले तर.
स्वच्छ ऊर्जेचा वापर करून पाण्याचे इलेक्ट्रोलायझेशन करून तुम्ही "ग्रीन हायड्रोजन" मिळवू शकता.

या हिरव्या हायड्रोजनच्या मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी एक हायड्रोजन जनरेटर देखील आहे. इलेक्ट्रोलायझर विभागात पीईएम वापरून, हायड्रोजन सतत तयार करता येते.

जीवाश्म इंधनापासून बनवलेला निळा हायड्रोजन

तर, हायड्रोजन बनवण्याचे इतर कोणते मार्ग आहेत? हायड्रोजन हे नैसर्गिक वायू आणि कोळसा यांसारख्या जीवाश्म इंधनांमध्ये पाण्याव्यतिरिक्त इतर पदार्थ म्हणून अस्तित्वात आहे. उदाहरणार्थ, नैसर्गिक वायूचा मुख्य घटक असलेल्या मिथेन (CH4) चा विचार करा. येथे चार हायड्रोजन अणू आहेत. हा हायड्रोजन बाहेर काढून तुम्ही हायड्रोजन मिळवू शकता.
यापैकी एक प्रक्रिया "स्टीम मिथेन रिफॉर्मिंग" आहे जी स्टीम वापरते. या पद्धतीचे रासायनिक सूत्र खालीलप्रमाणे आहे.
तुम्ही बघू शकता की, कार्बन मोनोऑक्साइड आणि हायड्रोजन एकाच मिथेन रेणूमधून काढता येतात.
अशाप्रकारे, नैसर्गिक वायू आणि कोळशाचे "स्टीम रिफॉर्मिंग" आणि "पायरोलिसिस" सारख्या प्रक्रियांद्वारे हायड्रोजन तयार केले जाऊ शकते. "ब्लू हायड्रोजन" म्हणजे अशा प्रकारे उत्पादित होणारे हायड्रोजन.
तथापि, या प्रकरणात, कार्बन मोनोऑक्साइड आणि कार्बन डायऑक्साइड उप-उत्पादने म्हणून तयार होतात. म्हणून वातावरणात सोडण्यापूर्वी तुम्हाला त्यांचे पुनर्वापर करावे लागते. उप-उत्पादन कार्बन डायऑक्साइड, जर पुनर्प्राप्त केले नाही तर, हायड्रोजन वायूमध्ये बदलते, ज्याला "ग्रे हायड्रोजन" म्हणतात.

हायड्रोजन कोणत्या प्रकारचा घटक आहे?

हायड्रोजनचा अणुक्रमांक १ आहे आणि तो नियतकालिक सारणीतील पहिला घटक आहे.
विश्वातील अणूंची संख्या सर्वात मोठी आहे, जी विश्वातील सर्व घटकांपैकी सुमारे ९०% आहे. प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन असलेले सर्वात लहान अणू म्हणजे हायड्रोजन अणू.
हायड्रोजनमध्ये दोन समस्थानिक असतात ज्यांचे न्यूट्रॉन केंद्रकाशी जोडलेले असतात. एक न्यूट्रॉन-बंधित "ड्युटेरियम" आणि दोन न्यूट्रॉन-बंधित "ट्रिटियम". हे फ्यूजन पॉवर जनरेशनसाठी देखील साहित्य आहेत.
सूर्यासारख्या ताऱ्याच्या आत, हायड्रोजनपासून हेलियमपर्यंतचे अणु संलयन होत आहे, जे ताऱ्याला चमकण्यासाठी ऊर्जा स्रोत आहे.
तथापि, हायड्रोजन पृथ्वीवर क्वचितच वायू म्हणून अस्तित्वात आहे. हायड्रोजन पाणी, मिथेन, अमोनिया आणि इथेनॉल सारख्या इतर घटकांसह संयुगे तयार करतो. हायड्रोजन हा एक हलका घटक असल्याने, तापमान वाढत असताना, हायड्रोजन रेणूंच्या हालचालीचा वेग वाढतो आणि पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणापासून बाह्य अवकाशात पळून जातो.

हायड्रोजन कसे वापरावे? ज्वलनाद्वारे वापरा

मग, पुढच्या पिढीतील ऊर्जा स्रोत म्हणून जगभरात लक्ष वेधून घेतलेल्या "हायड्रोजन" चा वापर कसा केला जातो? तो दोन मुख्य प्रकारे वापरला जातो: "दहन" आणि "इंधन सेल". चला "बर्न" च्या वापरापासून 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 अवस्थेत देखील असते. हे दोन्ही एकत्रित केले जातात आणि त्या वेळी निर्माण होणारी उष्णता ऊर्जा निर्माण होणाऱ्या पाण्याच्या रेणूंच्या अंतराळात उडण्याच्या प्रक्रियेला गती देते. तथापि, हे तांत्रिकदृष्ट्या कठीण इंजिन असल्याने, जपान वगळता, फक्त अमेरिका, युरोप, रशिया, चीन आणि भारताने हे इंधन यशस्वीरित्या एकत्र केले आहे.
दुसरे म्हणजे वीज निर्मिती. गॅस टर्बाइन वीज निर्मितीमध्ये हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन एकत्रित करून ऊर्जा निर्माण करण्याची पद्धत देखील वापरली जाते. दुसऱ्या शब्दांत, ही एक पद्धत आहे जी हायड्रोजनद्वारे निर्माण होणाऱ्या औष्णिक ऊर्जेचा विचार करते. औष्णिक वीज प्रकल्पांमध्ये, कोळसा, तेल आणि नैसर्गिक वायू जाळण्याच्या उष्णतेमुळे वाफ तयार होते जी टर्बाइन चालवते. जर हायड्रोजनचा उष्णता स्रोत म्हणून वापर केला गेला तर वीज प्रकल्प कार्बन न्यूट्रल असेल.

हायड्रोजन कसे वापरावे? इंधन सेल म्हणून वापरले जाते

हायड्रोजन वापरण्याचा आणखी एक मार्ग म्हणजे इंधन सेल, जो हायड्रोजनचे थेट विजेमध्ये रूपांतर करतो. विशेषतः, टोयोटाने जागतिक तापमानवाढ रोखण्यासाठीच्या उपाययोजनांचा भाग म्हणून पेट्रोल वाहनांना पर्याय म्हणून इलेक्ट्रिक वाहनांऐवजी हायड्रोजन-इंधनयुक्त वाहनांचा वापर करून जपानमध्ये लक्ष वेधले आहे.
विशेषतः, जेव्हा आपण "ग्रीन हायड्रोजन" ची उत्पादन पद्धत सादर करतो तेव्हा आपण उलट प्रक्रिया करत असतो. रासायनिक सूत्र खालीलप्रमाणे आहे.
हायड्रोजन वीज निर्मिती करताना पाणी (गरम पाणी किंवा वाफ) निर्माण करू शकते आणि त्याचे मूल्यांकन केले जाऊ शकते कारण ते पर्यावरणावर भार टाकत नाही. दुसरीकडे, या पद्धतीची वीज निर्मिती कार्यक्षमता तुलनेने कमी आहे 30-40%, आणि उत्प्रेरक म्हणून प्लॅटिनमची आवश्यकता आहे, त्यामुळे वाढत्या खर्चाची आवश्यकता आहे.
सध्या, आम्ही पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट इंधन पेशी (PEFC) आणि फॉस्फोरिक अॅसिड इंधन पेशी (PAFC) वापरत आहोत. विशेषतः, इंधन सेल वाहने PEFC वापरतात, त्यामुळे भविष्यात त्याचा प्रसार होण्याची अपेक्षा केली जाऊ शकते.

हायड्रोजन साठवणूक आणि वाहतूक सुरक्षित आहे का?

आतापर्यंत, आम्हाला वाटते की तुम्हाला हायड्रोजन वायू कसा बनवला जातो आणि वापरला जातो हे समजले असेल. तर तुम्ही हे हायड्रोजन कसे साठवता? तुम्हाला आवश्यक असलेल्या ठिकाणी ते कसे मिळवता? त्या वेळी सुरक्षिततेबद्दल काय? आम्ही ते स्पष्ट करू.
खरं तर, हायड्रोजन हा देखील एक अतिशय धोकादायक घटक आहे. २० व्या शतकाच्या सुरुवातीला, आपण हायड्रोजनचा वापर फुगे, फुगे आणि आकाशात विमाने तरंगवण्यासाठी वायू म्हणून करत होतो कारण ते खूप हलके होते. तथापि, ६ मे १९३७ रोजी अमेरिकेतील न्यू जर्सी येथे "एअरशिप हिंडेनबर्ग स्फोट" झाला.
अपघातापासून, हायड्रोजन वायू धोकादायक आहे हे सर्वमान्य झाले आहे. विशेषतः जेव्हा त्याला आग लागते तेव्हा तो ऑक्सिजनसह हिंसकपणे स्फोट होतो. म्हणून, "ऑक्सिजनपासून दूर राहा" किंवा "उष्णतेपासून दूर राहा" हे आवश्यक आहे.
या उपाययोजना केल्यानंतर, आम्ही एक शिपिंग पद्धत शोधून काढली.
खोलीच्या तापमानाला हायड्रोजन हा एक वायू आहे, त्यामुळे तो वायू असला तरी तो खूप अवजड असतो. पहिली पद्धत म्हणजे कार्बोनेटेड पेये बनवताना उच्च दाब लागू करणे आणि सिलेंडरसारखे दाबणे. एक विशेष उच्च-दाब टाकी तयार करा आणि ती 45Mpa सारख्या उच्च-दाब परिस्थितीत साठवा.
इंधन सेल वाहने (FCV) विकसित करणारी टोयोटा, ७० MPa दाब सहन करू शकणारी रेझिन हाय-प्रेशर हायड्रोजन टँक विकसित करत आहे.
दुसरी पद्धत म्हणजे -२५३°C पर्यंत थंड करून द्रव हायड्रोजन बनवणे आणि ते विशेष उष्णता-इन्सुलेटेड टाक्यांमध्ये साठवणे आणि वाहतूक करणे. परदेशातून नैसर्गिक वायू आयात केल्यावर एलएनजी (द्रवीकृत नैसर्गिक वायू) प्रमाणे, वाहतुकीदरम्यान हायड्रोजनचे द्रवीकरण केले जाते, ज्यामुळे त्याचे प्रमाण त्याच्या वायूमय अवस्थेच्या १/८०० पर्यंत कमी होते. २०२० मध्ये, आम्ही जगातील पहिले द्रव हायड्रोजन वाहक पूर्ण केले. तथापि, हा दृष्टिकोन इंधन सेल वाहनांसाठी योग्य नाही कारण त्याला थंड होण्यासाठी भरपूर ऊर्जा लागते.
अशा टाक्यांमध्ये साठवणूक आणि पाठवण्याची एक पद्धत आहे, परंतु आम्ही हायड्रोजन साठवणुकीच्या इतर पद्धती देखील विकसित करत आहोत.
साठवणूक पद्धत म्हणजे हायड्रोजन साठवणूक मिश्रधातू वापरणे. हायड्रोजनमध्ये धातूंमध्ये प्रवेश करण्याची आणि त्यांना खराब करण्याची क्षमता असते. ही एक विकासात्मक सूचना आहे जी १९६० च्या दशकात युनायटेड स्टेट्समध्ये विकसित करण्यात आली होती. जेजे रेली आणि इतर प्रयोगांनी हे सिद्ध केले आहे की मॅग्नेशियम आणि व्हॅनेडियमच्या मिश्रधातूचा वापर करून हायड्रोजन साठवता आणि सोडता येते.
त्यानंतर, त्याने पॅलेडियम सारखा पदार्थ यशस्वीरित्या विकसित केला, जो त्याच्या स्वतःच्या आकारमानाच्या ९३५ पट हायड्रोजन शोषू शकतो.
या मिश्रधातूचा वापर करण्याचा फायदा असा आहे की ते हायड्रोजन गळतीचे अपघात (प्रामुख्याने स्फोट अपघात) टाळू शकते. म्हणून, ते सुरक्षितपणे साठवले आणि वाहून नेले जाऊ शकते. तथापि, जर तुम्ही काळजी घेतली नाही आणि ते चुकीच्या वातावरणात सोडले तर, हायड्रोजन साठवण मिश्रधातू कालांतराने हायड्रोजन वायू सोडू शकतात. बरं, एक छोटीशी ठिणगी देखील स्फोट अपघातास कारणीभूत ठरू शकते, म्हणून सावधगिरी बाळगा.
याचा तोटा असाही आहे की वारंवार हायड्रोजन शोषण आणि विसर्जनामुळे भंगारपणा येतो आणि हायड्रोजन शोषण दर कमी होतो.
दुसरे म्हणजे पाईप्स वापरणे. पाईप्समध्ये भेगा पडू नयेत म्हणून ते नॉन-कंप्रेस्ड आणि कमी दाबाचे असले पाहिजेत अशी अट आहे, परंतु फायदा असा आहे की विद्यमान गॅस पाईप्स वापरता येतात. टोकियो गॅसने हारुमी फ्लॅगवर बांधकाम केले, इंधन पेशींना हायड्रोजन पुरवण्यासाठी शहर गॅस पाइपलाइनचा वापर केला.

हायड्रोजन एनर्जीद्वारे निर्माण झालेला भविष्यातील समाज

शेवटी, समाजात हायड्रोजनची भूमिका काय असू शकते याचा विचार करूया.
सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे आपल्याला कार्बनमुक्त समाजाला चालना द्यायची आहे, आपण उष्णता ऊर्जा म्हणून वापरण्याऐवजी वीज निर्मितीसाठी हायड्रोजनचा वापर करतो.
मोठ्या औष्णिक वीज प्रकल्पांऐवजी, काही घरांनी ENE-FARM सारख्या प्रणाली सुरू केल्या आहेत, ज्या आवश्यक वीज निर्मितीसाठी नैसर्गिक वायूमध्ये सुधारणा करून मिळवलेल्या हायड्रोजनचा वापर करतात. तथापि, सुधारणा प्रक्रियेच्या उप-उत्पादनांचे काय करायचे हा प्रश्न कायम आहे.

भविष्यात, जर हायड्रोजनचे परिसंचरण वाढले, जसे की हायड्रोजन रिफ्युएलिंग स्टेशनची संख्या वाढवली, तर कार्बन डायऑक्साइड उत्सर्जित न करता वीज वापरणे शक्य होईल. अर्थात, वीज हिरवी हायड्रोजन तयार करते, म्हणून ती सूर्यप्रकाश किंवा वाऱ्यापासून निर्माण होणारी वीज वापरते. इलेक्ट्रोलिसिससाठी वापरली जाणारी शक्ती ही वीज निर्मितीचे प्रमाण दाबण्यासाठी किंवा नैसर्गिक उर्जेपासून अतिरिक्त वीज असताना रिचार्जेबल बॅटरी चार्ज करण्यासाठी वापरली पाहिजे. दुसऱ्या शब्दांत, हायड्रोजन रिचार्जेबल बॅटरीच्या स्थितीत असेल. जर असे झाले, तर अखेर थर्मल पॉवर निर्मिती कमी करणे शक्य होईल. ज्या दिवशी कारमधून अंतर्गत ज्वलन इंजिन गायब होईल तो दिवस वेगाने जवळ येत आहे.

हायड्रोजन दुसऱ्या मार्गाने देखील मिळवता येते. खरं तर, हायड्रोजन अजूनही कॉस्टिक सोडाच्या उत्पादनाचे उप-उत्पादन आहे. इतर गोष्टींबरोबरच, ते लोखंड निर्मितीमध्ये कोक उत्पादनाचे उप-उत्पादन आहे. जर तुम्ही हे हायड्रोजन वितरणात ठेवले तर तुम्हाला अनेक स्रोत मिळू शकतील. अशा प्रकारे तयार होणारा हायड्रोजन वायू हायड्रोजन स्टेशनद्वारे देखील पुरवला जातो.

चला भविष्याकडे अधिक पाहूया. वीज पुरवण्यासाठी तारांचा वापर करणाऱ्या ट्रान्समिशन पद्धतीमध्ये वाया जाणाऱ्या ऊर्जेचे प्रमाण देखील एक समस्या आहे. म्हणूनच, भविष्यात, आपण कार्बोनेटेड पेये बनवण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कार्बोनिक अॅसिड टँकप्रमाणेच पाइपलाइनद्वारे वितरित होणारे हायड्रोजन वापरू आणि प्रत्येक घरासाठी वीज निर्मितीसाठी घरी हायड्रोजन टँक खरेदी करू. हायड्रोजन बॅटरीवर चालणारी मोबाईल उपकरणे सामान्य होत आहेत. असे भविष्य पाहणे मनोरंजक असेल.