हाइड्रोजन ऊर्जा: एक लंबे रास्ते की शुरुआत

इससे पहले, हमने बात की कि इलेक्ट्रिक बसों के परिवहन के इको-फ्रेंडली तरीके क्या हैं। हालांकि, एक महत्वपूर्ण बिंदु का उल्लेख नहीं किया गया था: इलेक्ट्रिक वाहनों की संख्या में वृद्धि के साथ, शहरों को अधिक बिजली की आवश्यकता होगी, जो अक्सर पर्यावरण के असुरक्षित तरीकों से प्राप्त होती है। सौभाग्य से, आज दुनिया ने सीखा है कि हवा, सूरज और यहां तक ​​कि हाइड्रोजन की मदद से ऊर्जा कैसे प्राप्त करें। हमने सूत्रों के आखिरी में नई सामग्री को समर्पित करने और हाइड्रोजन ऊर्जा की विशेषताओं के बारे में बात करने का फैसला किया।

पहली नज़र में, हाइड्रोजन एक आदर्श ईंधन है। सबसे पहले, यह ब्रह्मांड में सबसे आम तत्व है, और दूसरी बात, जब इसे जलाया जाता है, तो बड़ी मात्रा में ऊर्जा जारी की जाती है और पानी किसी भी हानिकारक गैसों की रिहाई के बिना बनता है। मानव जाति ने लंबे समय तक हाइड्रोजन ऊर्जा के लाभों को पहचाना है, लेकिन बड़े औद्योगिक पैमाने पर इसका उपयोग करने की जल्दी में नहीं है।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं

पहली हाइड्रोजन ईंधन सेल को XIX सदी के 30 के दशक में अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम ग्रोव द्वारा डिजाइन किया गया था। ग्रोव ने तांबे की सल्फेट के एक जलीय घोल से तांबे को लोहे की सतह पर घेरने की कोशिश की और देखा कि विद्युत प्रवाह के प्रभाव में, पानी हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित हो जाता है। इस खोज के बाद, ग्रोव और क्रिस्चियन शोबेन, जिन्होंने उनके साथ समानांतर में काम किया, ने एक एसिड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करके हाइड्रोजन-ऑक्सीजन ईंधन सेल में ऊर्जा उत्पन्न करने की संभावना का प्रदर्शन किया।

बाद में, 1959 में, कैम्ब्रिज के फ्रांसिस टी। बेकन ने हाइड्रॉक्साइड आयनों के परिवहन की सुविधा के लिए हाइड्रोजन ईंधन सेल में एक आयन-विनिमय झिल्ली जोड़ा। अमेरिकी सरकार और नासा तुरंत बेकन के आविष्कार में रुचि रखने लगे। अद्यतन ईंधन सेल का उपयोग अपोलो अंतरिक्ष यान पर उनकी उड़ानों के दौरान ऊर्जा के मुख्य स्रोत के रूप में किया गया था।


अपोलोन सेवा मॉड्यूल से हाइड्रोजन ईंधन सेल, जो अंतरिक्ष यात्रियों के लिए बिजली, गर्मी और पानी उत्पन्न करता है। स्रोत: जेम्स हम्फ्रेसिस / विकिमीडिया कॉमन्स

अब एक हाइड्रोजन ईंधन सेल केवल एक अंतर के साथ एक पारंपरिक गैल्वेनिक सेल जैसा दिखता है: प्रतिक्रिया के लिए पदार्थ सेल में संग्रहीत नहीं है, लेकिन लगातार बाहर से आपूर्ति की जाती है। छिद्रपूर्ण एनोड के माध्यम से रिसना, हाइड्रोजन इलेक्ट्रॉनों को खो देता है, जो विद्युत सर्किट में जाते हैं, और हाइड्रोजन के टुकड़े झिल्ली से गुजरते हैं। इसके अलावा, कैथोड में, ऑक्सीजन एक प्रोटॉन और एक बाहरी इलेक्ट्रॉन को पकड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप पानी बनता है।


हाइड्रोजन ईंधन सेल के संचालन का सिद्धांत। स्रोत: Geek.com

एक ईंधन सेल से लगभग 0.7 वी का वोल्टेज निकाला जाता है, इसलिए, कोशिकाओं को बड़े पैमाने पर ईंधन कोशिकाओं में एक स्वीकार्य आउटपुट वोल्टेज और करंट के साथ जोड़ा जाता है। एक हाइड्रोजन तत्व से सैद्धांतिक वोल्टेज 1.23 वी तक पहुंच सकता है, लेकिन ऊर्जा का हिस्सा गर्मी में चला जाता है ।

हरित ऊर्जा के दृष्टिकोण से, हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं में 60% की अत्यधिक उच्च दक्षता है। तुलना के लिए: सबसे अच्छा आंतरिक दहन इंजन की दक्षता 35-40% है। सौर ऊर्जा संयंत्रों के लिए, गुणांक केवल 15-20% है, लेकिन यह मौसम की स्थिति पर बहुत निर्भर करता है। सर्वश्रेष्ठ वेन विंड फ़ार्म की दक्षता 40% तक पहुँच जाती है, जो वाष्प जनरेटर की तुलना में है, लेकिन पवन टरबाइनों को उपयुक्त मौसम की स्थिति और महंगे रखरखाव की भी आवश्यकता होती है।

जैसा कि हम देख सकते हैं, इस पैरामीटर में, हाइड्रोजन ऊर्जा ऊर्जा का सबसे आकर्षक स्रोत है, लेकिन फिर भी कई समस्याएं हैं जो इसके बड़े पैमाने पर आवेदन में बाधा डालती हैं। उनमें से सबसे महत्वपूर्ण हाइड्रोजन उत्पादन की प्रक्रिया है।

खनन की समस्या

हाइड्रोजन ऊर्जा पर्यावरण के अनुकूल है, लेकिन स्वायत्त नहीं है। ऑपरेशन के लिए, एक ईंधन सेल को हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है, जो पृथ्वी पर अपने शुद्धतम रूप में नहीं पाया जाता है। हाइड्रोजन प्राप्त किया जाना चाहिए, लेकिन वर्तमान में सभी मौजूदा तरीके या तो बहुत महंगे हैं या अप्रभावी हैं।

ऊर्जा की प्रति यूनिट प्राप्त हाइड्रोजन की मात्रा के संदर्भ में सबसे प्रभावी तरीका प्राकृतिक गैस का भाप रूपांतरण है । मीथेन को 2 एमपीए (लगभग 19 वायुमंडल, अर्थात लगभग 190 मीटर की गहराई पर दबाव) और लगभग 800 डिग्री के तापमान पर जल वाष्प के साथ जोड़ा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप 55-75% हाइड्रोजन सामग्री के साथ एक परिवर्तित गैस होती है। भाप रूपांतरण के लिए विशाल पौधों की आवश्यकता होती है, जिसे केवल उत्पादन में लगाया जा सकता है।


भाप मीथेन रूपांतरण के लिए एक ट्यूब भट्ठी हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए सबसे एर्गोनोमिक तरीका नहीं है। स्रोत: CTK-Euro

एक अधिक सुविधाजनक और सरल विधि पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है। जब विद्युत प्रवाह उपचारित पानी से गुजरता है, तो विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है, जिसके परिणामस्वरूप हाइड्रोजन बनता है। इस पद्धति का एक महत्वपूर्ण नुकसान प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक बड़ी ऊर्जा खपत है। यही है, यह कुछ हद तक अजीब स्थिति में बदल जाता है: हाइड्रोजन ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, आपको ... ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान अनावश्यक लागतों से बचने और मूल्यवान संसाधनों को बचाने के लिए, कुछ कंपनियां पूर्ण-चक्र प्रणालियों "बिजली - हाइड्रोजन - बिजली" को विकसित करने का प्रयास कर रही हैं, जिसमें बाहरी रिचार्ज के बिना ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। इस तरह की प्रणाली का एक उदाहरण तोशिबा H2One का विकास है।

तोशिबा H2One मोबाइल पावर स्टेशन

हमने H2One मोबाइल मिनी-पावर स्टेशन विकसित किया, जो पानी को हाइड्रोजन, और हाइड्रोजन को ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इलेक्ट्रोलिसिस को बनाए रखने के लिए, सौर बैटरी का उपयोग किया जाता है, और अतिरिक्त ऊर्जा बैटरी में जमा होती है और सूर्य के प्रकाश की अनुपस्थिति में सिस्टम के संचालन को सुनिश्चित करती है। परिणामस्वरूप हाइड्रोजन या तो सीधे ईंधन कोशिकाओं को खिलाया जाता है, या एक एकीकृत टैंक में भंडारण के लिए भेजा जाता है। एक घंटे में, H2One इलेक्ट्रोलाइज़र हाइड्रोजन के 2 मीटर ³ तक उत्पन्न होता है, और आउटपुट पर यह 55W तक की शक्ति प्रदान करता है। हाइड्रोजन के 1 मीटर ^{3 के} उत्पादन के लिए 2.5 मीटर ³ पानी की आवश्यकता होती है।

अब तक, H2One स्टेशन एक बड़े उद्यम या पूरे शहर को बिजली प्रदान करने में सक्षम नहीं है, लेकिन इसकी ऊर्जा छोटे क्षेत्रों या संगठनों के कामकाज के लिए पर्याप्त होगी। इसकी गतिशीलता के कारण, इसका उपयोग प्राकृतिक आपदाओं या आपातकालीन बिजली आउटेज की स्थितियों में एक अस्थायी समाधान के रूप में भी किया जा सकता है। इसके अलावा, एक डीजल जनरेटर के विपरीत, जिसे सामान्य संचालन के लिए ईंधन की आवश्यकता होती है, एक हाइड्रोजन पावर प्लांट को केवल पानी की आवश्यकता होती है।

अब तोशिबा H2One का उपयोग केवल जापान के कुछ शहरों में किया जाता है - उदाहरण के लिए, यह कावासाकी शहर के एक रेलवे स्टेशन को बिजली और गर्म पानी की आपूर्ति करता है।


कावासाकी में H2One की स्थापना

हाइड्रोजन भविष्य

आजकल, हाइड्रोजन ईंधन सेल पोर्टेबल पावर बैंकों, कारों के साथ सिटी बसों और रेल परिवहन के लिए ऊर्जा प्रदान करते हैं (हम अपनी अगली पोस्ट में ऑटो उद्योग में हाइड्रोजन के उपयोग के बारे में अधिक बात करेंगे)। हाइड्रोजन फ्यूल सेल अप्रत्याशित रूप से क्वाड्रोकोप्टर के लिए एक उत्कृष्ट समाधान बन गए - एक बैटरी के समान द्रव्यमान के साथ, हाइड्रोजन की आपूर्ति उड़ान समय से पांच गुना अधिक समय तक प्रदान करती है। इस मामले में, ठंढ किसी भी तरह से दक्षता को प्रभावित नहीं करता है। सोची ओलंपिक में फिल्माने के लिए रूसी कंपनी एटी एनर्जी द्वारा निर्मित प्रयोगात्मक ईंधन सेल ड्रोन का उपयोग किया गया था।

यह ज्ञात हो गया कि टोक्यो में आगामी ओलंपिक खेलों में, हाइड्रोजन का उपयोग कारों में, बिजली और गर्मी के उत्पादन में किया जाएगा, और ओलंपिक गांव के लिए ऊर्जा का मुख्य स्रोत भी बन जाएगा। इसके लिए, तोशिबा एनर्जी सिस्टम्स एंड सॉल्यूशंस कॉर्प द्वारा कमीशन किया गया। जापानी शहर नमि में, दुनिया के सबसे बड़े हाइड्रोजन उत्पादन स्टेशनों में से एक बनाया जा रहा है। स्टेशन "ग्रीन" स्रोतों से प्राप्त 10 मेगावाट ऊर्जा का उपभोग करेगा, जिससे इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा प्रति वर्ष 900 टन हाइड्रोजन का उत्पादन होगा।

हाइड्रोजन ऊर्जा हमारा "भविष्य के लिए आरक्षित" है, जब हमें जीवाश्म ईंधन को पूरी तरह से त्यागना होगा, और नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत मानव जाति की जरूरतों को पूरा करने में सक्षम नहीं होंगे। बाजार और बाजार के पूर्वानुमान के अनुसार, वैश्विक हाइड्रोजन उत्पादन, जो अब $ 115 बिलियन है, 2022 तक बढ़कर 154 बिलियन डॉलर हो जाएगा। लेकिन निकट भविष्य में, प्रौद्योगिकी का बड़े पैमाने पर परिचय होने की संभावना नहीं है, विशेष बिजली संयंत्रों के उत्पादन और संचालन से जुड़ी कई समस्याओं को हल करना और उनकी लागत को कम करना अभी भी आवश्यक है। । जब तकनीकी बाधाओं को दूर किया जाता है, तो हाइड्रोजन ऊर्जा एक नए स्तर तक पहुंच जाएगी और संभवतः, आज पारंपरिक या जल विद्युत के रूप में व्यापक होगी।