हाइड्रोजन ईंधन सेल क्या है ? – HYDROGEN FUEL CELL?

प्रधान मंत्री नरेंद्र मोदी ने 15 अगस्त, 2021 को कार्बन मुक्त ईंधन उत्पन्न करने की योजना में तेजी लाने के लिए एक राष्ट्रीय हाइड्रोजन मिशन शुरू करने की घोषणा की।

पहली बार  फरवरी में 2021-22 के केंद्रीय बजट में  राष्ट्रीय हाइड्रोजन मिशन की घोषणा की गई थी।

हाल ही में, भारतीय रेलवे ने देश की पहली हाइड्रोजन-ईंधन वाली ट्रेन शुरू करने की घोषणा की है।

जुलाई 2021 में, रेलवे ने मौजूदा DEMU रेक को हरित ईंधन आधारित हाइड्रोजन-ईंधन वाली ट्रेन में बदलाव के लिए एक निविदा जारी की। इसे उत्तर रेलवे के 89 किलोमीटर लंबे सोनीपत-जींद रूट पर पेश किया जाएगा।

प्रारंभ में, दो डीईएमयू रेक को परिवर्तित किया जाएगा, और बाद में दो हाइब्रिड नैरो गेज इंजनों को हाइड्रोजन फ्यूल सेल पावर मूवमेंट के आधार पर परिवर्तित किया जाएगा।

रूपांतरण के बाद ट्रेन हाइड्रोजन ईंधन से चलेगी, यहां सौर ऊर्जा से पानी को इलेक्ट्रोलाइज करके हाइड्रोजन बनाया जा सकता है।

अभी तक केवल जर्मनी और पोलैंड ही ट्रेनों को चलाने के लिए बिजली उत्पादन के लिए हाइड्रोजन ऊर्जा का उपयोग कर रहे हैं।

उपर्युक्त समाचार हाइड्रोजन ईंधन प्रणाली के उत्पादन, उपयोग और भंडारण आदि के बारे में जानने के लिए उत्सुकता पैदा करते हैं।

तो इस पोस्ट में मैंने हाइड्रोजन फ्यूल टेक्नोलॉजी के बारे में बेसिक जानकारी समझाने की कोशिश की है।

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I. इड्रोजन ईंधन सेल के बारे में

मूल रूप से, यह +ve & -ve प्रकृति के दो इलेक्ट्रोड का एक सेट है। नीले हाइड्रोजन को +ve टर्मिनल पर और ऑक्सीजन को -ve टर्मिनल पर प्रवाहित किया जाता है। भंडारण टैंक से हाइड्रोजन और पर्यावरण से ऑक्सीजन आती है।

हाइड्रोजन गैस (डायहाइड्रोजन या आणविक हाइड्रोजन) अत्यधिक ज्वलनशील होती है:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

हाइड्रोजन गैस ४-७४% सांद्रता में हवा के साथ विस्फोटक मिश्रण बनाती है और क्लोरीन के साथ ५-९५%। विस्फोटक प्रतिक्रियाएं चिंगारी, गर्मी या धूप से शुरू हो सकती हैं।

हाइड्रोजन ऑटोइग्निशन तापमान ( हवा में सहज प्रज्वलन का तापमान ) 500 डिग्री सेल्सियस  या 932 डिग्री फारेनहाइट है।

प्रतिक्रिया के बाद, सिस्टम पानी और बिजली का उत्पादन करता है। बिजली का उपयोग इलेक्ट्रिक मोटर को चलाने के लिए  किया जाता है । इलेक्ट्रिक मोटर वाहन की गति प्रदान करते हैं।

II. हाइड्रोजन गैस का उत्पादन

Electrolysis for Hydrogen Gas

a. इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाएं

इलेक्ट्रोलिसिस नामक प्रक्रिया के माध्यम से पानी को ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में अलग किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाएं इलेक्ट्रोलाइज़र में होती हैं।

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

इलेक्ट्रोलाइज़र एक रिवर्स सिस्टम में एक ईंधन सेल की तरह कार्य करता है – हाइड्रोजन अणु की ऊर्जा का उपयोग करने के बजाय जैसा एक ईंधन सेल करता है, एक इलेक्ट्रोलाइज़र पानी के अणुओं से हाइड्रोजन बनाता है।

b. सौर-चालित प्रक्रियाएं

सौर-चालित प्रक्रियाएं हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एजेंट के रूप में प्रकाश का उपयोग करती हैं। कुछ सौर-चालित प्रक्रियाएं हैं, जिनमें फोटोबायोलॉजिकल, फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल और सौर थर्मोकेमिकल शामिल हैं।

फोटोबायोलॉजिकल प्रक्रियाएं हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए बैक्टीरिया और हरी शैवाल की प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषक गतिविधि का उपयोग करती हैं।

फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रियाएं पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अलग करने के लिए विशेष अर्धचालक का उपयोग करती हैं।

सौर थर्मोकेमिकल हाइड्रोजन उत्पादन धातु ऑक्साइड जैसे अन्य यौगिकों के साथ अक्सर पानी के बंटवारे की प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए केंद्रित सौर ऊर्जा का उपयोग करता है।

c. जैविक प्रक्रियाएं

जैविक प्रक्रियाओं में बैक्टीरिया और माइक्रोएल्गे जैसे रोगाणुओं का उपयोग किया जाता है। वे जैविक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं।

माइक्रोबियल बायोमास रूपांतरण प्रक्रिया में, सूक्ष्मजीव हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए बायोमास या अपशिष्ट जल जैसे कार्बनिक पदार्थों को तोड़ते हैं, जबकि फोटोबायोलॉजिकल प्रक्रियाओं में सूक्ष्मजीव ऊर्जा स्रोत के रूप में सूर्य के प्रकाश का उपयोग करते हैं।

III. भंडारण और वितरण

a. साइट पर उत्पादन

कच्चे माल की मांग और उपलब्धता के अनुसार, उपरोक्त विधियों का उपयोग करके हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है,

i. इलेक्ट्रोलिसिस, ii सौर-चालित प्रक्रियाएं, iii. जैविक प्रक्रियाएं

b. समर्पित पाइपलाइन नेटवर्क

यदि कई ग्राहक अपनी औद्योगिक आवश्यकताओं के लिए उपलब्ध हैं तो पाइपलाइन नेटवर्क शायद सबसे अच्छा विकल्प है। कई उत्पादन सुविधाएं हाइड्रोजन (H2 ) को पाइपलाइनों के नेटवर्क में फीड कर सकती हैं।

c. हाइड्रोजन पंप स्टेशन

हाइड्रोजन पंप स्टेशनों के मामले में हाइड्रोजन को स्टोर करने के लिए क्रायोजेनिक टैंक उपलब्ध कराए जा सकते हैं। तरल हाइड्रोजन (LH2) को कुशलतापूर्वक वैक्यूम-इन्सुलेटेड टैंकों में संग्रहित किया जाता है जिसे लंबवत या क्षैतिज रूप से स्थापित किया जा सकता है।

विभिन्न क्षमताएं उपलब्ध हैं, 3,000 लीटर से लेकर 100,000 लीटर तक। LINDE जैसी बड़ी हाइड्रोजन उत्पादक कंपनियां अधिकतम सुरक्षा के साथ सक्रिय शीतलन के साथ परिवहन योग्य तरल हाइड्रोजन (एलएच२) कंटेनरों की पेशकश करती हैं।

IV. हाइड्रोजन के बारे में आश्चर्यजनक तथ्य

a. उपलब्धता

हाइड्रोजन की एक बड़ी मात्रा पानी, हाइड्रोकार्बन और अन्य कार्बनिक पदार्थों के रूप में उपलब्ध है। हाइड्रोजन का उत्पादन जीवाश्म ईंधन, बायोमास और पानी के इलेक्ट्रोलिसिस से पवन, सौर या ग्रिड बिजली से किया जा सकता है।

b. हाइड्रोजन ईंधन सेल

यह एक बैटरी/सेल की तरह है, जो बिजली पैदा करता है। हाइड्रोजन फ्यूल सेल का उपयोग इमारतों, कारों, ट्रकों, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों आदि को बिजली देने के लिए किया जा सकता है।

चूंकि ईंधन सेल ग्रिड-स्वतंत्र हैं, इसलिए वे महत्वपूर्ण लोड कार्यों जैसे कि डेटा सेंटर, दूरसंचार टावर, अस्पताल, आपातकालीन प्रतिक्रिया प्रणाली और यहां तक ​​कि राष्ट्रीय रक्षा के लिए सैन्य अनुप्रयोगों के लिए भी एक आकर्षक विकल्प हैं।

c. स्वच्छ ऊर्जा स्रोत के रूप में

ईंधन सेल बिना दहन या उत्सर्जन के बिजली उत्पादन के लिए बैटरी के समान हैं। बैटरियों के विपरीत, ईंधन सेल खत्म नहीं होते हैं या उन्हें रिचार्ज करने की आवश्यकता नहीं होती है क्योंकि उनके पास निरंतर हाइड्रोजन-उत्पादक प्रणाली होती है। इसलिए वे कार्बन उत्सर्जन में भारी कमी करते हैं।

d. उच्च ऊर्जा मूल्य

2.2 पाउंड (1 किलोग्राम) हाइड्रोजन गैस में ऊर्जा लगभग 1 गैलन (6.2 पाउंड, 2.8 किलोग्राम) गैसोलीन में ऊर्जा के समान है। चूंकि हाइड्रोजन में कम वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व होता है, इसलिए इसे पारंपरिक वाहनों की ड्राइविंग रेंज प्राप्त करने के लिए एक संपीड़ित गैस के रूप में एक सिलेंडर  में संग्रहीत किया जाता है।

V. हाइड्रोजन को ईंधन के रूप में अपनाने की चुनौतियाँ

a. भण्डारण लागत

चूंकि हाइड्रोजन प्रकृति में बहुत विस्फोटक और अत्यधिक ज्वलनशील है। इसलिए टैंकों में हाइड्रोजन का भंडारण  बहुत महंगा होता है।

b. ईंधन भरने की लागत

चूंकि हाइड्रोजन का भंडारण बहुत महंगा है। पारंपरिक ईंधन की तुलना में हाइड्रोजन गैस की लागत बहुत अधिक है। इसलिए यह आम लोगों को अपनी मांगों के लिए इसे ईंधन के रूप में अपनाने से रोकता है।

c. पंपों की उपलब्धता

हाइड्रोजन पंप स्टेशन सेट अप , पारंपरिक ईंधन पंप स्टेशन की तुलना में बहुत महंगा है। इसलिए हाइड्रोजन पंप स्टेशन स्थापित करने वाली बहुत कम कंपनियां हैं।

References

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen

2. https://www.linde-engineering.com

3. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics

4. https://www.freepressjournal.in/business/railways-plans-to-go-green-with-hydrogen-fuelled-trains

5. https://www.energy.gov/eere/articles/5-fast-facts-about-hydrogen-and-fuel-cells

6. https://www.visualcapitalist.com/6-ways-hydrogen-and-fuel-cells-can-help-transition-to-clean-energy/