निकेल-आधारित इलेक्ट्रोलिसिस के साथ हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति

हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलिसिस के साथ आगे बढ़ना

हाइड्रोजन को कुछ परिवहन और औद्योगिक अनुप्रयोगों में जीवाश्म ईंधनों के विकल्प के रूप में देखा जाता है। इसका उपयोग ईंधन सेल में बिजली बनाने या सीधे विद्युतीकरण में कठिनाई वाले औद्योगिक कामों में ऊष्मा देने के लिए हो सकता है। पर्यावरणीय लाभ इसकी उत्पादन विधि और पूरी आपूर्ति श्रृंखला पर निर्भर करते हैं।

हाइड्रोजन का अधिकांश उत्पादन दूसरे पदार्थों से किया जाता है। जल इलेक्ट्रोलिसिस एक तरीका है, लेकिन लेख के समय विश्व में हाइड्रोजन मुख्यतः जीवाश्म ईंधनों से बनाया जाता था; इलेक्ट्रोलिसिस सबसे व्यापक उत्पादन विधि नहीं थी।

जल इलेक्ट्रोलिसिस में बिजली की सहायता से पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अलग किया जाता है। बिजली की खपत और उपकरणों की लागत इसकी प्रमुख चुनौतियाँ हैं। कुछ प्रणालियों में प्लेटिनम जैसी महँगी धातुओं के उत्प्रेरक भी लागत बढ़ाते हैं।

दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं ने निकेल आधारित संरचना विकसित की है जो प्रयोगों में हाइड्रोजन बनाने की क्षमता बढ़ाती है। इसका उद्देश्य किफायती उत्प्रेरकों को बेहतर बनाना है; यह सभी इलेक्ट्रोलाइज़र प्रणालियों में महँगी धातुओं का पूर्ण विकल्प सिद्ध नहीं हुआ है।

हाइड्रोजन उत्पादन को बढ़ाने वाले निकेल नैनोएरेज़

प्रोफेसर जोंग क्यू किम की टीम ने POSTECH (पोहांग विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, दक्षिण कोरिया) के पदार्थ विज्ञान एवं अभियांत्रिकी विभाग में हाइड्रोजन इलेक्ट्रोलिसिस की एक प्रमुख समस्या पर काम किया।

स्रोत: POSTECH

उत्पादन के दौरान हाइड्रोजन के बुलबुले उत्प्रेरक की सतह पर टिक सकते हैं। इससे पानी का सक्रिय स्थलों तक पहुँचना बाधित होता है और अभिक्रिया का प्रदर्शन घटता है। समस्या यह नहीं है कि उत्प्रेरक स्वयं अधिक पानी तक नहीं पहुँच पाता।

टीम ने तिरछे कोण से निक्षेपण की विधि द्वारा निकेल की नैनोरॉड संरचनाएँ बनाईं। यह सतह “सुपर-एरोफोबिकता” प्रदर्शित करती है, जिससे हाइड्रोजन बबल्स आसानी से अलग हो जाते हैं।

यह बदले में पानी को उत्प्रेरक तक पहुंचने के लिए स्थान मुक्त करता है और अधिक कुशल इलेक्ट्रोलिसिस को संभव बनाता है।

स्रोत: POSTECH

समान मात्रा के निकेल वाली पारंपरिक पतली फिल्म से तुलना में अध्ययन ने हाइड्रोजन उत्पादन गतिविधि में 55 गुना सुधार बताया। यह विशेष प्रयोग की तुलना है, पूरे इलेक्ट्रोलाइज़र की ऊर्जा दक्षता में 55 गुना वृद्धि का दावा नहीं है।

निकेल उत्प्रेरकों से परे विस्तार

इस अध्ययन में निकेल की नैनोरॉड का उपयोग हुआ। बुलबुलों को सतह से अलग होने में सहायता देने वाली इस संरचनात्मक तकनीक को दूसरे उत्प्रेरकों पर भी आजमाया जा सकता है, लेकिन हर सामग्री में समान परिणाम सिद्ध नहीं हुए हैं।

बेहतर इलेक्ट्रोलिसिस

लेख के समय हाइड्रोजन का अधिकांश उत्पादन प्राकृतिक गैस और अन्य जीवाश्म ईंधनों से होता था। ऐसे उत्पादन में उत्सर्जन हो सकता है, इसलिए केवल हाइड्रोजन का उपयोग करना अपने आप कम-कार्बन ऊर्जा की गारंटी नहीं है।

नवीकरणीय बिजली से जल इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा बने हाइड्रोजन को सामान्यतः “ग्रीन हाइड्रोजन” कहा जाता है। इसका जीवनचक्र उत्सर्जन कम हो सकता है, लेकिन उपकरण निर्माण, बिजली आपूर्ति और परिवहन सहित पूरी श्रृंखला का मूल्यांकन आवश्यक है।

ग्रीन हाइड्रोजन आपूर्ति श्रृंखला की कुल लागत को कम करने वाली कोई भी विधि इसे जीवाश्म ईंधनों के एक व्यवहार्य विकल्प के करीब ले जाती है।

यह संरचनात्मक तरीका प्लेटिनम जैसे उत्प्रेरकों के साथ भी उपयोगी हो सकता है, लेकिन अलग-अलग सामग्रियों के लिए उसका प्रदर्शन जाँचना होगा।

यह अन्य हाल ही में खोजे गए किफायती इलेक्ट्रोलिसिस उत्प्रेरकों, जैसे रूथेनियम, सिलिकॉन और टंग्स्टन (RuSiW) पर भी लागू हो सकता है, जैसा कि हमने अपने लेख “नए इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट उत्पादन लागत घटाएँ तो क्या ग्रीन हाइड्रोजन ग्रे हाइड्रोजन की जगह ले सकता है?” में कवर किया था।

बेहतर हाइड्रोजन आपूर्ति श्रृंखला

हाइड्रोजन को ऊर्जा व्यवस्था में उपयोगी बनाने के लिए इलेक्ट्रोलिसिस के अलावा भंडारण, वितरण और अंतिम उपयोग में भी सुधार आवश्यक हैं।

उदाहरण के लिए, बेहतर फ्यूल सेल्स हाइड्रोजन ईंधन सेल वाले इलेक्ट्रिक वाहनों की प्रतिस्पर्धात्मकता बढ़ा सकते हैं, जैसा कि हमने अपने लेख “क्या बैटरी सेल हाइड्रोजन ईंधन सेल से पहले का एक चरण हैं? इलेक्ट्रिक वाहनों की अगली पीढ़ी पर विचार” में चर्चा की थी।

और अधिक कुशल बड़े पैमाने पर भंडारण समाधान हाइड्रोजन को संभालने और वितरित करने को बहुत आसान बना सकते हैं, जैसा कि हमने अपने लेख “भंडारण में प्रगति से ऊर्जा स्रोत के रूप में हाइड्रोजन का आकर्षण बढ़ा” में बताया था।

संभावित अन्य अनुप्रयोग

गैस के बुलबुलों को आसानी से अलग होने देने वाली नैनोरॉड सतहों के अनुप्रयोग हाइड्रोजन उत्पादन के बाहर भी हो सकते हैं।

हाइड्रोजन की लागत घटने से उससे बनने वाले अमोनिया का उत्पादन भी सस्ता हो सकता है, लेकिन दोनों प्रक्रियाओं की दक्षता समान नहीं होती। समुद्री परिवहन के संभावित ईंधन के रूप में अमोनिया के भंडारण संबंधी लाभ हैं, साथ ही विषाक्तता और उत्सर्जन की चुनौतियाँ भी हैं, जैसा कि हमने “ग्रीन अमोनिया से वैश्विक समुद्री परिवहन का उत्सर्जन घटाना” में चर्चा की थी।

प्रोफेसर जोंग क्यू किम ने यह भी उल्लेख किया कि नैनोरॉड तकनीक अन्य गैस-संबंधी रासायनिक प्रक्रियाओं को लाभ पहुंचा सकती है।

“ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए जल इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया की दक्षता को बढ़ाकर, हम हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था और कार्बन-न्यूट्रल समाज की ओर प्रगति कर रहे हैं।

यह प्रगति जल इलेक्ट्रोलिसिस के साथ उन अन्य नवीकरणीय ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए भी आशाजनक है जिनमें सतही अभिक्रियाएँ महत्वपूर्ण हैं, जैसे कार्बन डाइऑक्साइड का अपचयन और प्रकाश ऊर्जा रूपांतरण प्रणालियाँ।”

इसलिए इस तकनीक का अन्य सतही अभिक्रियाओं और कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण में अध्ययन किया जा सकता है। कार्बन डाइऑक्साइड का अपचयन, कार्बन को पकड़ने से अलग प्रक्रिया है। हमने संबंधित विचार पर “कृत्रिम प्रकाशसंश्लेषण और जैवअपघटनीयता: टिकाऊ तरीकों से प्लास्टिक की समस्या से मुकाबला” में चर्चा की थी।

हाइड्रोजन समाधान कंपनियां

1. Aker Horizons ASA

निकेल नैनोरॉड का अध्ययन हाइड्रोजन उत्पादन बेहतर बनाने के शोध का एक उदाहरण है। आपूर्ति श्रृंखला के कई चरणों में निवेश से जोखिम बाँटा जा सकता है, लेकिन विविधीकरण लाभ या सुरक्षा की गारंटी नहीं देता।

Aker Horizons, नॉर्वे के Aker समूह की हरित ऊर्जा केंद्रित कंपनी थी। लेख के समय उसका पोर्टफोलियो कार्बन कैप्चर, ग्रीन हाइड्रोजन और नवीकरणीय ऊर्जा से जुड़ी कंपनियों तथा परियोजनाओं तक फैला था। Aker समूह की अन्य गतिविधियों में समुद्री और अपतटीय व्यवसाय भी शामिल थे।

स्रोत: Aker

लेख में वर्णित योजनाओं में हाइड्रोजन और ग्रीन अमोनिया उत्पादन शामिल था, जिसके संभावित उपयोगों में नॉर्वे और उत्तरी क्षेत्रों का कम-उत्सर्जन समुद्री परिवहन भी आता है।

Aker समूह की विभिन्न गतिविधियाँ अपतटीय पवन ऊर्जा, हाइड्रोजन उत्पादन और ग्रीन अमोनिया जैसे आपूर्ति श्रृंखला के कई चरणों से जुड़ी थीं। इसका अर्थ यह नहीं कि हर चरण एक ही पूरी तरह चालू परियोजना में एकीकृत था।

उस समय वर्णित परियोजनाओं में फ्रांस में कचरे से ऊर्जा, जर्मनी में बायोमास और सऊदी अरब तथा संयुक्त अरब अमीरात में कार्बन कैप्चर से जुड़े कार्य भी शामिल थे। उनकी स्थिति और स्वामित्व का आकलन संबंधित ऐतिहासिक अवधि के अनुसार किया जाना चाहिए।

यह पोर्टफोलियो हरित ऊर्जा के विभिन्न क्षेत्रों और भौगोलिक बाजारों से जुड़ाव देता था। निवेश का परिणाम फिर भी परियोजनाओं की सफलता, वित्तीय स्थिति, नीति और बाजार जोखिमों पर निर्भर करता है।

2.  Ballard Power Systems Inc.

हाइड्रोजन का सबसे बड़ा भविष्य का बाजार क्या होगा, यह निश्चित नहीं है। बिजली उत्पादन, परिवहन और सीधे विद्युतीकरण में कठिन औद्योगिक कार्यों में इसकी भूमिका अलग-अलग हो सकती है।

Ballard ईंधन सेल निर्माता है और इस तकनीक के शुरुआती विकासकर्ताओं में शामिल है। उसने 1993 में ईंधन सेल बस का प्रदर्शन किया था।

कंपनी बसों, ट्रकों, रेलगाड़ियों, जहाजों, खनन और निर्माण उपकरणों तथा बिजली उत्पादन पर केंद्रित थी। तत्कालीन पूर्वानुमान में उसने 2025 तक ट्रकों की भूमिका बढ़ने और यूरोप का हिस्सा 50–60%, उसके बाद उत्तरी अमेरिका का लगभग 25% रहने की अपेक्षा की थी। ये उस समय के अनुमान हैं, बाद के वास्तविक परिणाम नहीं।

Ballard की 2023 की प्रस्तुति में 2030 के लिए ट्रक ईंधन सेल का संभावित बाजार 7.5 अरब डॉलर बताया गया था। उसी तालिका का 195 अरब डॉलर ट्रकों से जुड़े कुल संभावित बाजार को दर्शाता है, सभी ईंधन सेल अनुप्रयोगों के संयुक्त बाजार को नहीं। ये बाजार अनुमान हैं, Ballard के अपेक्षित राजस्व नहीं।

बेहतर और सस्ते इलेक्ट्रोलिसिस जैसी तकनीकों से हाइड्रोजन की लागत घटे तो कुछ अनुप्रयोगों में माँग बढ़ सकती है। इसका पैमाना बुनियादी ढाँचे, प्रतिस्पर्धी तकनीकों और नीतियों पर भी निर्भर करेगा।

स्रोत: Ballard

अधिक शक्ति, लंबी दूरी और जल्दी ईंधन भरने की जरूरत वाले कुछ भारी वाहनों में हाइड्रोजन ईंधन सेल उपयोगी हो सकते हैं। रेल में वे कुछ मार्गों पर ऊपर की विद्युत तारें लगाने की आवश्यकता घटा सकते हैं, लेकिन बैटरी और विद्युतीकृत रेल जैसे विकल्पों से तुलना आवश्यक है। यहाँ ईंधन भरने की बात है, बैटरी चार्ज करने की नहीं।

स्रोत: Ballard

कंपनी अमोनिया से हाइड्रोजन बनाकर बिजली उत्पादन करने वाली प्रणालियों से भी जुड़ी है। उदाहरण के लिए 2022 में घोषित अनुबंध  के तहत Amogy को उसके अमोनिया-से-बिजली प्लेटफॉर्म के लिए ईंधन सेल देने की योजना थी। इस प्रणाली में अमोनिया को पहले हाइड्रोजन में तोड़ा जाता है; ईंधन सेल अमोनिया का सीधे उपयोग नहीं करता।

यात्री कारों में बैटरी वाले इलेक्ट्रिक वाहन बढ़ रहे हैं। भारी परिवहन का उत्सर्जन घटाने के लिए कई तकनीकों के बीच प्रतिस्पर्धा जारी है।

हाइड्रोजन की लागत घटने, नीति समर्थन और माँग बढ़ने से Ballard को अवसर मिल सकते हैं। हालांकि निकेल उत्प्रेरक पर यह शोध अपने आप हाइड्रोजन की कीमत में तेज गिरावट या कंपनी के लाभ में वृद्धि सिद्ध नहीं करता।