अर्को पुस्ताको ऊर्जा हाइड्रोजनको बारेमा

हामी "हाइड्रोजन" को परिचय दिनेछौं, जुन कार्बन तटस्थ ऊर्जाको अर्को पुस्ता हो। हाइड्रोजनलाई तीन प्रकारमा विभाजन गरिएको छ: "हरियो हाइड्रोजन", "नीलो हाइड्रोजन" र "खैरो हाइड्रोजन", जसमध्ये प्रत्येकको फरक उत्पादन विधि छ। हामी प्रत्येक उत्पादन विधि, तत्वहरूको रूपमा भौतिक गुणहरू, भण्डारण/ढुवानी विधिहरू, र प्रयोगका विधिहरू पनि व्याख्या गर्नेछौं। र म यो किन अर्को पुस्ताको प्रमुख ऊर्जा स्रोत हो भनेर पनि परिचय दिनेछु।

हरियो हाइड्रोजन उत्पादन गर्न पानीको इलेक्ट्रोलिसिस

हाइड्रोजन प्रयोग गर्दा, जे भए पनि "हाइड्रोजन उत्पादन" गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। सबैभन्दा सजिलो तरिका "पानी इलेक्ट्रोलाइज" गर्नु हो। सायद तपाईंले ग्रेड स्कूल विज्ञानमा गर्नुभएको थियो। बीकरमा पानी र इलेक्ट्रोडहरू पानीले भर्नुहोस्। जब ब्याट्री इलेक्ट्रोडहरूमा जडान हुन्छ र ऊर्जावान हुन्छ, पानीमा र प्रत्येक इलेक्ट्रोडमा निम्न प्रतिक्रियाहरू हुन्छन्।
क्याथोडमा, H+ र इलेक्ट्रोनहरू मिलेर हाइड्रोजन ग्यास उत्पादन गर्छन्, जबकि एनोडले अक्सिजन उत्पादन गर्छ। तैपनि, यो दृष्टिकोण स्कूल विज्ञान प्रयोगहरूको लागि ठीक छ, तर औद्योगिक रूपमा हाइड्रोजन उत्पादन गर्न, ठूलो मात्रामा उत्पादनको लागि उपयुक्त कुशल संयन्त्रहरू तयार गर्नुपर्छ। त्यो हो "पोलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली (PEM) इलेक्ट्रोलिसिस"।
यस विधिमा, हाइड्रोजन आयनहरूको पारगम्यतालाई अनुमति दिने पोलिमर अर्धपारगम्य झिल्लीलाई एनोड र क्याथोडको बीचमा स्यान्डविच गरिएको हुन्छ। जब उपकरणको एनोडमा पानी खन्याइन्छ, इलेक्ट्रोलिसिसद्वारा उत्पादित हाइड्रोजन आयनहरू अर्धपारगम्य झिल्ली हुँदै क्याथोडमा सर्छन्, जहाँ तिनीहरू आणविक हाइड्रोजन बन्छन्। अर्कोतर्फ, अक्सिजन आयनहरू अर्धपारगम्य झिल्लीबाट पार हुन सक्दैनन् र एनोडमा अक्सिजन अणुहरू बन्न सक्दैनन्।
साथै क्षारीय पानीको इलेक्ट्रोलिसिसमा, तपाईंले हाइड्रोक्साइड आयनहरू मात्र पार गर्न सक्ने विभाजक मार्फत एनोड र क्याथोडलाई अलग गरेर हाइड्रोजन र अक्सिजन सिर्जना गर्नुहुन्छ। थप रूपमा, उच्च-तापमान स्टीम इलेक्ट्रोलिसिस जस्ता औद्योगिक विधिहरू छन्।
यी प्रक्रियाहरू ठूलो मात्रामा गर्दा, ठूलो मात्रामा हाइड्रोजन प्राप्त गर्न सकिन्छ। यस प्रक्रियामा, उल्लेखनीय मात्रामा अक्सिजन पनि उत्पादन हुन्छ (उत्पादित हाइड्रोजनको आधा मात्रा), जसले गर्दा वायुमण्डलमा छोड्दा यसको कुनै प्रतिकूल वातावरणीय प्रभाव पर्दैन। यद्यपि, इलेक्ट्रोलिसिसको लागि धेरै बिजुली चाहिन्छ, त्यसैले कार्बन-मुक्त हाइड्रोजन उत्पादन गर्न सकिन्छ यदि यो पवन टर्बाइन र सौर्य प्यानल जस्ता जीवाश्म इन्धन प्रयोग नगर्ने बिजुलीबाट उत्पादन गरिन्छ भने।
सफा ऊर्जा प्रयोग गरेर पानीलाई इलेक्ट्रोलाइज गरेर तपाईंले "हरियो हाइड्रोजन" प्राप्त गर्न सक्नुहुन्छ।

यस हरियो हाइड्रोजनको ठूलो मात्रामा उत्पादनको लागि हाइड्रोजन जेनेरेटर पनि छ। इलेक्ट्रोलाइजर खण्डमा PEM प्रयोग गरेर, हाइड्रोजन निरन्तर उत्पादन गर्न सकिन्छ।

जीवाश्म इन्धनबाट बनेको नीलो हाइड्रोजन

त्यसो भए, हाइड्रोजन बनाउने अन्य तरिकाहरू के के छन्? हाइड्रोजन प्राकृतिक ग्यास र कोइला जस्ता जीवाश्म इन्धनहरूमा पानी बाहेक अन्य पदार्थको रूपमा पाइन्छ। उदाहरणका लागि, प्राकृतिक ग्यासको मुख्य घटक मिथेन (CH4) लाई विचार गर्नुहोस्। यहाँ चार हाइड्रोजन परमाणुहरू छन्। यो हाइड्रोजन बाहिर निकालेर तपाईं हाइड्रोजन प्राप्त गर्न सक्नुहुन्छ।
यी मध्ये एक "स्टीम मिथेन रिफर्मिङ" भनिने प्रक्रिया हो जसले स्टीम प्रयोग गर्दछ। यस विधिको रासायनिक सूत्र निम्नानुसार छ।
तपाईंले देख्न सक्नुहुन्छ, कार्बन मोनोअक्साइड र हाइड्रोजन एउटै मिथेन अणुबाट निकाल्न सकिन्छ।
यसरी, प्राकृतिक ग्यास र कोइलाको "स्टीम रिफर्मिङ" र "पाइरोलिसिस" जस्ता प्रक्रियाहरू मार्फत हाइड्रोजन उत्पादन गर्न सकिन्छ। "ब्लू हाइड्रोजन" ले यसरी उत्पादन हुने हाइड्रोजनलाई जनाउँछ।
यस अवस्थामा, यद्यपि, कार्बन मोनोअक्साइड र कार्बन डाइअक्साइड उप-उत्पादनको रूपमा उत्पादन गरिन्छ। त्यसैले तपाईंले तिनीहरूलाई वायुमण्डलमा छोड्नु अघि पुन: प्रयोग गर्नुपर्छ। उप-उत्पादन कार्बन डाइअक्साइड, यदि पुन: प्राप्त गरिएन भने, हाइड्रोजन ग्यास बन्छ, जसलाई "ग्रे हाइड्रोजन" भनिन्छ।

हाइड्रोजन कस्तो प्रकारको तत्व हो?

हाइड्रोजनको परमाणु संख्या १ छ र यो आवधिक तालिकामा पहिलो तत्व हो।
ब्रह्माण्डमा परमाणुहरूको संख्या सबैभन्दा ठूलो छ, जुन ब्रह्माण्डका सबै तत्वहरूको लगभग ९०% हो। प्रोटोन र इलेक्ट्रोन मिलेर बनेको सबैभन्दा सानो परमाणु हाइड्रोजन परमाणु हो।
हाइड्रोजनमा दुई आइसोटोपहरू हुन्छन् जसमा न्यूक्लियसमा न्युट्रोनहरू जोडिएका हुन्छन्। एउटा न्युट्रोन-बन्धित "ड्युटेरियम" र दुई न्युट्रोन-बन्धित "ट्रिटियम"। यी पनि फ्युजन पावर उत्पादनका लागि सामग्री हुन्।
सूर्य जस्तो तारा भित्र, हाइड्रोजनबाट हेलियममा परमाणु संलयन भइरहेको छ, जुन तारा चम्कनको लागि ऊर्जा स्रोत हो।
यद्यपि, पृथ्वीमा हाइड्रोजन विरलै ग्यासको रूपमा अवस्थित हुन्छ। हाइड्रोजनले पानी, मिथेन, अमोनिया र इथेनॉल जस्ता अन्य तत्वहरूसँग यौगिकहरू बनाउँछ। हाइड्रोजन एक हल्का तत्व भएकोले, तापक्रम बढ्दै जाँदा, हाइड्रोजन अणुहरूको चाल गति बढ्छ, र पृथ्वीको गुरुत्वाकर्षणबाट बाहिरी अन्तरिक्षमा भाग्छ।

हाइड्रोजन कसरी प्रयोग गर्ने? दहनद्वारा प्रयोग गर्ने

त्यसो भए, अर्को पुस्ताको ऊर्जा स्रोतको रूपमा विश्वव्यापी ध्यान आकर्षित गर्ने "हाइड्रोजन" कसरी प्रयोग गरिन्छ? यो दुई मुख्य तरिकामा प्रयोग गरिन्छ: "दहन" र "इन्धन सेल"। "बर्न" को प्रयोगबाट सुरु गरौं।
त्यहाँ दुई मुख्य प्रकारका दहन प्रयोग गरिन्छ।
पहिलो रकेट इन्धनको रूपमा हो। जापानको H-IIA रकेटले इन्धनको रूपमा हाइड्रोजन ग्यास "तरल हाइड्रोजन" र "तरल अक्सिजन" प्रयोग गर्दछ जुन क्रायोजेनिक अवस्थामा पनि हुन्छ। यी दुई संयुक्त छन्, र त्यस समयमा उत्पन्न हुने ताप ऊर्जाले अन्तरिक्षमा उडेर उत्पन्न हुने पानीका अणुहरूको इन्जेक्सनलाई तीव्र बनाउँछ। यद्यपि, यो प्राविधिक रूपमा कठिन इन्जिन भएकोले, जापान बाहेक, संयुक्त राज्य अमेरिका, युरोप, रूस, चीन र भारतले मात्र यो इन्धन सफलतापूर्वक संयोजन गरेका छन्।
दोस्रो पावर उत्पादन हो। ग्यास टर्बाइन पावर उत्पादनले हाइड्रोजन र अक्सिजनलाई संयोजन गरेर ऊर्जा उत्पादन गर्ने विधि पनि प्रयोग गर्दछ। अर्को शब्दमा, यो एक विधि हो जसले हाइड्रोजनबाट उत्पादित थर्मल ऊर्जालाई हेर्छ। थर्मल पावर प्लान्टहरूमा, कोइला, तेल र प्राकृतिक ग्यास जलाउँदाको तापले वाफ उत्पादन गर्छ जसले टर्बाइनहरू चलाउँछ। यदि हाइड्रोजनलाई ताप स्रोतको रूपमा प्रयोग गरियो भने, पावर प्लान्ट कार्बन तटस्थ हुनेछ।

हाइड्रोजन कसरी प्रयोग गर्ने? इन्धन सेलको रूपमा प्रयोग गरिन्छ

हाइड्रोजन प्रयोग गर्ने अर्को तरिका भनेको इन्धन सेलको रूपमा हो, जसले हाइड्रोजनलाई सिधै बिजुलीमा रूपान्तरण गर्दछ। विशेष गरी, टोयोटाले जापानमा आफ्नो विश्वव्यापी तापक्रम वृद्धि प्रतिरोधात्मक उपायहरूको एक भागको रूपमा पेट्रोल सवारी साधनको विकल्पको रूपमा विद्युतीय सवारी साधन (EVs) को सट्टा हाइड्रोजन-इन्धनयुक्त सवारी साधनहरूको चर्चा गरेर ध्यान आकर्षित गरेको छ।
विशेष गरी, हामीले "हरियो हाइड्रोजन" को उत्पादन विधि परिचय गर्दा उल्टो प्रक्रिया गरिरहेका हुन्छौं। रासायनिक सूत्र निम्नानुसार छ।
हाइड्रोजनले बिजुली उत्पादन गर्दा पानी (तातो पानी वा वाफ) उत्पादन गर्न सक्छ, र यसको मूल्याङ्कन गर्न सकिन्छ किनभने यसले वातावरणमा बोझ ल्याउँदैन। अर्कोतर्फ, यो विधिमा ३०-४०% को अपेक्षाकृत कम बिजुली उत्पादन दक्षता छ, र उत्प्रेरकको रूपमा प्लेटिनम चाहिन्छ, जसले गर्दा लागत बढ्छ।
हाल, हामी पोलिमर इलेक्ट्रोलाइट फ्युल सेल (PEFC) र फस्फोरिक एसिड फ्युल सेल (PAFC) प्रयोग गरिरहेका छौं। विशेष गरी, फ्युल सेल सवारी साधनहरूले PEFC प्रयोग गर्छन्, त्यसैले भविष्यमा यो फैलिने अपेक्षा गर्न सकिन्छ।

के हाइड्रोजन भण्डारण र ढुवानी सुरक्षित छ?

अहिले सम्म, हामीलाई लाग्छ तपाईंले हाइड्रोजन ग्यास कसरी बनाइन्छ र प्रयोग गरिन्छ भनेर बुझ्नुभयो होला। त्यसोभए तपाईं यो हाइड्रोजन कसरी भण्डारण गर्नुहुन्छ? तपाईंलाई आवश्यक पर्ने ठाउँमा कसरी प्राप्त गर्नुहुन्छ? त्यसबेला सुरक्षाको बारेमा के हुन्छ? हामी व्याख्या गर्नेछौं।
वास्तवमा, हाइड्रोजन पनि एक धेरै खतरनाक तत्व हो। २० औं शताब्दीको सुरुमा, हामीले हाइड्रोजनलाई आकाशमा बेलुन, बेलुन र हवाई जहाजहरू तैराउन ग्यासको रूपमा प्रयोग गर्यौं किनभने यो धेरै हल्का थियो। यद्यपि, मे ६, १९३७ मा, संयुक्त राज्य अमेरिकाको न्यु जर्सीमा, "हवाई जहाज हिन्डेनबर्ग विस्फोट" भयो।
दुर्घटना पछि, यो व्यापक रूपमा मान्यता प्राप्त भएको छ कि हाइड्रोजन ग्यास खतरनाक छ। विशेष गरी जब यसले आगो लिन्छ, यो अक्सिजनसँग हिंस्रक रूपमा विस्फोट हुनेछ। त्यसैले, "अक्सिजनबाट टाढा रहनुहोस्" वा "तातोबाट टाढा रहनुहोस्" आवश्यक छ।
यी उपायहरू अपनाएपछि, हामीले ढुवानी विधि निकाल्यौं।
हाइड्रोजन कोठाको तापक्रममा ग्यास हो, त्यसैले यो अझै पनि ग्यास भए पनि, यो धेरै भारी हुन्छ। पहिलो विधि भनेको कार्बोनेटेड पेय पदार्थ बनाउँदा उच्च चाप लागू गर्नु र सिलिन्डर जस्तै कम्प्रेस गर्नु हो। एउटा विशेष उच्च-दबाव ट्याङ्की तयार गर्नुहोस् र यसलाई ४५Mpa जस्ता उच्च-दबाव अवस्थाहरूमा भण्डारण गर्नुहोस्।
फ्युल सेल भेहिकल (FCV) विकास गर्ने टोयोटाले ७० MPa दबाब सहन सक्ने रेजिन उच्च-दबाव हाइड्रोजन ट्याङ्की विकास गरिरहेको छ।
अर्को विधि भनेको तरल हाइड्रोजन बनाउन -२५३ डिग्री सेल्सियसमा चिसो पार्नु हो, र यसलाई विशेष ताप-इन्सुलेटेड ट्याङ्कीहरूमा भण्डारण र ढुवानी गर्नु हो। विदेशबाट प्राकृतिक ग्यास आयात गर्दा LNG (तरल प्राकृतिक ग्यास) जस्तै, ढुवानीको क्रममा हाइड्रोजनलाई तरल बनाइन्छ, जसले गर्दा यसको मात्रा यसको ग्यासीय अवस्थाको १/८०० सम्म घट्छ। २०२० मा, हामीले विश्वको पहिलो तरल हाइड्रोजन वाहक पूरा गर्यौं। यद्यपि, यो दृष्टिकोण इन्धन सेल सवारी साधनहरूको लागि उपयुक्त छैन किनभने यसलाई चिसो हुन धेरै ऊर्जा चाहिन्छ।
यस प्रकारको ट्याङ्कीमा भण्डारण र ढुवानी गर्ने तरिका छ, तर हामी हाइड्रोजन भण्डारणका अन्य तरिकाहरू पनि विकास गर्दैछौं।
भण्डारण विधि भनेको हाइड्रोजन भण्डारण मिश्र धातुहरू प्रयोग गर्नु हो। हाइड्रोजनमा धातुहरू घुसाउने र तिनीहरूलाई बिगार्ने गुण हुन्छ। यो एक विकास सुझाव हो जुन १९६० को दशकमा संयुक्त राज्य अमेरिकामा विकसित गरिएको थियो। जेजे रेली एट अल। प्रयोगहरूले देखाएको छ कि म्याग्नेसियम र भ्यानेडियमको मिश्र धातु प्रयोग गरेर हाइड्रोजन भण्डारण र छोड्न सकिन्छ।
त्यसपछि, उनले प्यालेडियम जस्तो पदार्थ सफलतापूर्वक विकास गरे, जसले हाइड्रोजनलाई आफ्नै आयतनभन्दा ९३५ गुणा बढी अवशोषित गर्न सक्छ।
यो मिश्र धातु प्रयोग गर्नुको फाइदा यो हो कि यसले हाइड्रोजन चुहावट दुर्घटनाहरू (मुख्यतया विस्फोट दुर्घटनाहरू) रोक्न सक्छ। त्यसैले, यसलाई सुरक्षित रूपमा भण्डारण र ढुवानी गर्न सकिन्छ। यद्यपि, यदि तपाईं सावधान हुनुहुन्न र यसलाई गलत वातावरणमा छोड्नुहुन्छ भने, हाइड्रोजन भण्डारण मिश्र धातुहरूले समयसँगै हाइड्रोजन ग्यास छोड्न सक्छन्। ठीक छ, सानो स्पार्कले पनि विस्फोट दुर्घटना निम्त्याउन सक्छ, त्यसैले सावधान रहनुहोस्।
यसको बेफाइदा यो पनि छ कि बारम्बार हाइड्रोजन अवशोषण र अवशोषणले भंगुरता निम्त्याउँछ र हाइड्रोजन अवशोषण दर घटाउँछ।
अर्को भनेको पाइपहरू प्रयोग गर्नु हो। पाइपहरूमा गडबडी हुनबाट जोगाउन यो नन-कम्प्रेस्ड र कम चाप भएको हुनुपर्छ भन्ने शर्त छ, तर फाइदा भनेको अवस्थित ग्यास पाइपहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ। टोकियो ग्यासले हारुमी फ्ल्यागमा निर्माण कार्य गर्‍यो, इन्धन कोषहरूमा हाइड्रोजन आपूर्ति गर्न शहर ग्यास पाइपलाइनहरू प्रयोग गर्दै।

हाइड्रोजन ऊर्जाद्वारा सिर्जना गरिएको भविष्यको समाज

अन्तमा, समाजमा हाइड्रोजनले खेल्न सक्ने भूमिकालाई विचार गरौं।
अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, हामी कार्बनमुक्त समाजलाई प्रवर्द्धन गर्न चाहन्छौं, हामी ताप ऊर्जाको सट्टा बिजुली उत्पादन गर्न हाइड्रोजन प्रयोग गर्छौं।
ठूला थर्मल पावर प्लान्टहरूको सट्टा, केही घरपरिवारहरूले ENE-FARM जस्ता प्रणालीहरू सुरु गरेका छन्, जसले प्राकृतिक ग्यासलाई सुधार गरेर प्राप्त हाइड्रोजन प्रयोग गरेर आवश्यक बिजुली उत्पादन गर्दछ। यद्यपि, सुधार प्रक्रियाको उप-उत्पादनहरूलाई के गर्ने भन्ने प्रश्न अझै पनि कायम छ।

भविष्यमा, यदि हाइड्रोजनको परिसंचरण आफैं बढ्यो, जस्तै हाइड्रोजन रिफ्युलिङ स्टेशनहरूको संख्या बढ्यो भने, कार्बन डाइअक्साइड उत्सर्जन नगरी बिजुली प्रयोग गर्न सम्भव हुनेछ। अवश्य पनि, बिजुलीले हरियो हाइड्रोजन उत्पादन गर्छ, त्यसैले यसले सूर्यको प्रकाश वा हावाबाट उत्पन्न बिजुली प्रयोग गर्छ। इलेक्ट्रोलिसिसको लागि प्रयोग गरिने शक्ति भनेको प्राकृतिक ऊर्जाबाट अतिरिक्त शक्ति हुँदा बिजुली उत्पादनको मात्रालाई दबाउने वा रिचार्जेबल ब्याट्री चार्ज गर्ने शक्ति हुनुपर्छ। अर्को शब्दमा, हाइड्रोजन रिचार्जेबल ब्याट्रीको जस्तै स्थितिमा हुन्छ। यदि यो भयो भने, अन्ततः थर्मल पावर उत्पादन घटाउन सम्भव हुनेछ। कारहरूबाट आन्तरिक दहन इन्जिन गायब हुने दिन द्रुत गतिमा नजिकिँदैछ।

हाइड्रोजन अर्को बाटोबाट पनि प्राप्त गर्न सकिन्छ। वास्तवमा, हाइड्रोजन अझै पनि कास्टिक सोडाको उत्पादनको उप-उत्पादन हो। अन्य चीजहरूका साथै, यो फलाम बनाउने कोक उत्पादनको उप-उत्पादन हो। यदि तपाईंले यो हाइड्रोजनलाई वितरणमा राख्नुभयो भने, तपाईंले धेरै स्रोतहरू प्राप्त गर्न सक्षम हुनुहुनेछ। यस तरिकाले उत्पादित हाइड्रोजन ग्यास हाइड्रोजन स्टेशनहरूद्वारा पनि आपूर्ति गरिन्छ।

भविष्यमा अझ राम्ररी हेरौं। बिजुली आपूर्ति गर्न तारहरू प्रयोग गर्ने प्रसारण विधिमा पनि ऊर्जाको खपतको समस्या छ। त्यसैले, भविष्यमा, हामी कार्बोनेटेड पेय पदार्थ बनाउन प्रयोग हुने कार्बोनिक एसिड ट्याङ्कीहरू जस्तै पाइपलाइनहरूद्वारा डेलिभर गरिएको हाइड्रोजन प्रयोग गर्नेछौं, र प्रत्येक घरको लागि बिजुली उत्पादन गर्न घरमै हाइड्रोजन ट्याङ्की किन्नेछौं। हाइड्रोजन ब्याट्रीमा चल्ने मोबाइल उपकरणहरू सामान्य बन्दै गइरहेका छन्। यस्तो भविष्य हेर्न रोचक हुनेछ।