एआईएम इलेक्ट्रोलाइज़र कैसे वितरित हाइड्रोजन उत्पादन को सक्षम करते हैं

विकेंद्रीकृत हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे की ओर परिवर्तन

हम दुनिया भर में ऊर्जा के उत्पादन और उपयोग के तरीके में हो रहे एक बड़े बदलाव को देख रहे हैं। पारंपरिक जीवाश्म ईंधन प्रणालियों को धीरे-धीरे मॉड्यूलर हाइड्रोजन नेटवर्क नामक कुछ चीजों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा रहा है। क्यों? क्योंकि पिछले कुछ वर्षों में स्थानीय स्तर पर नवीकरणीय ऊर्जा के भंडारण की लागत में काफी कमी आई है। 2023 में हाइड्रोजन काउंसिल के अनुसंधान के अनुसार, 2020 के बाद से इन भंडारण लागतों में लगभग 60% की गिरावट आई है। इससे AEM इलेक्ट्रोलाइज़र संक्रमण के लिए वास्तव में महत्वपूर्ण हो गए हैं। ये उपकरण समुदायों को उसी स्थान पर हाइड्रोजन उत्पादित करने की अनुमति देते हैं जहाँ उन्हें आवश्यकता होती है, चाहे वह लगभग 500 kW बिजली उत्पादित करने वाला एक छोटा सौर फार्म हो या उद्योगों के लिए 20 MW तक पहुँचने वाली बड़ी स्थापना। सबसे अच्छी बात यह है? उन्हें हाइड्रोजन परिवहन के लिए महंगी पाइपलाइनों की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, वे अनियमित नवीकरणीय स्रोतों जैसे पवन और सूर्य के साथ अच्छी तरह से काम करते हैं, जिसी कारण से बिजली ग्रिड के अविश्वसनीय होने वाले स्थान उन्हें बहुत उपयोगी पाते हैं। उप-सहारा अफ्रीका के दूरस्थ हिस्सों में नियमित ग्रिड कनेक्शन संभव नहीं होने वाले उन छोटे-छोटे पावर स्टेशनों के बारे में सोचें।

मूल सिद्धांत: ऋणायन विनिमय झिल्ली (AEM) जल विद्युत-अपघटन

ऋणायन विनिमय झिल्ली (AEM) प्रणालियाँ विशेष हाइड्रॉक्साइड चालन झिल्लियों के साथ-साथ निकल लौह मिश्र धातु जैसी उत्प्रेरक सामग्री का उपयोग करके जल अणुओं को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में तोड़कर काम करती हैं। ये पारंपरिक प्रोटॉन विनिमय झिल्ली (PEM) विद्युत-अपघटन इकाइयों से भिन्न होती हैं, जिन्हें महंगी प्लैटिनम समूह की धातुओं की आवश्यकता होती है। 2024 सामग्री नवाचार रिपोर्ट के हालिया निष्कर्षों के अनुसार, AEM प्रौद्योगिकी लगभग 2 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर धारा घनत्व पर संचालित होने पर लगभग 75 प्रतिशत दक्षता तक पहुँच जाती है। फिर भी इन्हें अलग करने वाली बात यह है कि वे वैकल्पिकों की तुलना में उत्प्रेरक लागत में लगभग नब्बे प्रतिशत तक की कमी लाते हैं। चूँकि वे बहुत अधिक खर्च किए बिना अच्छा प्रदर्शन प्रदान करते हैं, कई विशेषज्ञों का मानना है कि छोटे पैमाने या विकेंद्रीकृत ऊर्जा उत्पादन स्थापनाओं के लिए ये प्रणालियाँ उचित हैं, जहाँ लागत अभी भी एक प्रमुख चिंता का विषय है।

वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग: ग्रामीण नवीकरणीय माइक्रोग्रिड में AEM

2023 में, शोधकर्ताओं ने देखा कि इंडोनेशिया के द्वीपसमूह में 5 मेगावाट के सौर माइक्रोग्रिड को AEM इलेक्ट्रोलाइज़र कैसे सुचारू रूप से चलाए रखते हैं। इन प्रणालियों ने प्रत्येक महीने लगभग 12 टन हाइड्रोजन का उत्पादन किया, जिसका उपयोग स्थानीय किसानों ने उर्वरक बनाने के साथ-साथ बादल छाए रहने के दिनों में आपातकालीन बिजली के रूप में किया। भले ही दिन भर में सूर्य के प्रकाश का स्तर 40% तक भिन्न हो, फिर भी यह प्रणाली 68% दक्षता के साथ काम करने में सक्षम रही। यह पुराने क्षारीय मॉडलों की तुलना में वास्तव में काफी उल्लेखनीय है, जो बदलती ऊर्जा मांग के साथ लगभग 22% पीछे रह जाते थे। आज, कई प्रमुख निर्माता कंटेनरों में पैक किए गए कॉम्पैक्ट AEM यूनिट लॉन्च कर रहे हैं। इन्हें महंगी नई बुनियादी ढांचे की आवश्यकता के बिना वर्तमान पवन फार्मों या सौर संयंत्रों से आसानी से जोड़ा जा सकता है, जिससे दुनिया भर के समुदायों के लिए हरित हाइड्रोजन उत्पादन अधिक सुलभ हो गया है।

स्थानीय ऊर्जा लचीलेपन के लक्ष्यों के साथ रणनीतिक संरेखण

हाइड्रोजन उत्पादन की बात आने पर, AEM तकनीक विशेष रूप से यूरोपीय संघ की REPowerEU योजना जैसी योजनाओं में देशों की ऊर्जा सुरक्षा बढ़ाने में वास्तविक सहायता करती है, जिसका लक्ष्य 2030 तक प्रति वर्ष लगभग 20 मिलियन टन हरित हाइड्रोजन उत्पादन करना है। स्थानीय उत्पादन विदेशी ईंधन आयात की आवश्यकता को कम करता है, जो आजकल बहुत महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, यहाँ तक कि परिपत्र अर्थव्यवस्थाओं की भी एक रोचक घटना चल रही है। उदाहरण के लिए नॉर्वे, वे एम्बुलेंस को चलाने के लिए अतिरिक्त हाइड्रोजन का उपयोग कर रहे हैं। इस बीच जर्मनी में, अतिरिक्त हाइड्रोजन स्टील मिलों को स्वच्छ बनाने में मदद कर रही है। इस दृष्टिकोण को इतना स्मार्ट बनाने वाली बात यह है कि यह विभिन्न क्षेत्रों की वास्तविक आवश्यकताओं के अनुरूप ढल जाता है, और इस प्रक्रिया में उन जटिल दुर्लभ पृथ्वी खनिजों के लिए प्रतीक्षा किए बिना चलता है जिनके लिए हाल ही में सभी लड़ रहे हैं।

AEM इलेक्ट्रोलाइज़र की तकनीकी प्रगति और प्रदर्शन

अमूल्य धातु उत्प्रेरक: AEM प्रणालियों में नवाचार को गति देना

क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस झिल्ली (AEM) इलेक्ट्रोलाइज़र प्लैटिनम समूह की महंगी धातुओं पर निर्भरता को समाप्त कर देते हैं और निकल और लोहे से बने उत्प्रेरकों का उपयोग करते हैं। 2023 में अरब जर्नल ऑफ केमिस्ट्री में प्रकाशित कुछ हालिया शोध के अनुसार, ये नए सामग्री वर्तमान घनत्व के मामले में पुरानी PEM प्रणालियों के समकक्ष प्रदर्शन करते हैं, लेकिन इससे सामग्री की लागत में तीस से पचास प्रतिशत तक की कमी आती है। इस विकास के बारे में जो बात बहुत उत्साहजनक है, वह यह है कि यह वैश्विक स्तर पर हरित हाइड्रोजन उत्पादन की बढ़ती पहुंच के साथ पूरी तरह से फिट बैठता है। उत्पादक इन विधियों को अपनाना शुरू कर रहे हैं क्योंकि सामग्री विज्ञान जर्नलों में उद्योग समीक्षा के अनुसार अब उत्पादन को बड़े पैमाने पर बढ़ाने के स्पष्ट मार्ग मौजूद हैं।

दक्षता और मापनीयता: अन्य इलेक्ट्रोलाइज़र प्रकारों के साथ AEM की तुलना

क्षारीय विनिमय झिल्ली (AEM) इलेक्ट्रोलाइज़र आमतौर पर कम तापमान पर संचालित होने पर लगभग 70 से 75 प्रतिशत दक्षता के साथ काम करते हैं, जो मानक क्षारीय प्रणालियों की तुलना में बेहतर है जो 60 से 65 प्रतिशत के बीच रहती हैं। वे महंगे आइरिडियम उत्प्रेरकों की आवश्यकता के बिना प्रोटॉन विनिमय झिल्ली (PEM) तकनीक के खिलाफ भी अपना स्थान बनाए रख सकते हैं जो लागत को बढ़ा देते हैं। इन इकाइयों को वास्तव में उनकी मॉड्यूलर संरचना विशेष बनाती है, जो संचालकों को केवल 1 किलोवाट से लेकर कई मेगावाट तक संचालन को बढ़ाने की अनुमति देती है। इस लचीलेपन का अर्थ है कि वे छोटे स्थानीय बिजली नेटवर्क से लेकर विशाल औद्योगिक अमोनिया उत्पादन सुविधाओं तक हर चीज के लिए उपयुक्त हैं। हाल के बाजार मूल्यांकन के अनुसार, AEM तकनीक के लिए हाइड्रोजन की समतुल्य लागत वास्तव में तब तीन डॉलर प्रति किलोग्राम से कम हो जाती है जब नवीकरणीय बिजली की लागत 20 डॉलर प्रति मेगावाट घंटे के निशान से कम रहती है।

स्थायित्व बनाम लागत: AEM झिल्ली विकास में प्रमुख चुनौतियाँ

2023 में अरब जर्नल ऑफ केमिस्ट्री में प्रकाशित अध्ययनों के अनुसार, झिल्ली रसायन में हाल के सुधारों ने AEM आयु को 30,000 घंटों से काफी आगे बढ़ा दिया है। हालाँकि, इन झिल्लियों को बहुत अधिक लागत के बिना टिकाऊ बनाए रखना निर्माताओं के लिए अभी भी एक बड़ी चुनौती बना हुआ है। एनायन चालक बहुलकों की नवीनतम पीढ़ी वास्तव में पहले उपलब्ध चालकता की तुलना में लगभग 40 प्रतिशत बेहतर आयनिक चालकता दर्शाती है, हालाँकि इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ संदूषण की समस्याओं से बचने के लिए उन्हें वास्तव में सावधानीपूर्वक निर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। शोधकर्ता वर्तमान में विशेष नैनोसंरचित प्रबलन परतों का उपयोग करके झिल्ली के अपघटन में 80 प्रतिशत तक की कमी लाने के तरीकों पर काम कर रहे हैं। उनका लक्ष्य व्यावसायिक स्तर पर इन झिल्लियों की कीमत लगभग प्रति वर्ग मीटर पचास डॉलर से कम करना है, जिससे व्यापक स्तर पर अपनाए जाने के लिए वे काफी अधिक सुलभ हो जाएँगी।

आर्थिक संभावना: AEM इलेक्ट्रोलाइज़र के साथ कम लागत वाला हाइड्रोजन उत्पादन

इलेक्ट्रोलाइज़र सिस्टम लागत को कम करने वाले सामग्री नवाचार

एम इलेक्ट्रोलाइज़र का लागत लाभ मुख्य रूप से उनके उत्प्रेरकों और झिल्लियों में प्रगति के कारण आता है। जब निर्माता महंगे प्लैटिनम समूह की धातुओं को सस्ते निकल और लोहे के संस्करणों से बदल देते हैं, तो वे विज्ञानडायरेक्ट के अनुसार पिछले साल के पीईएम प्रणालियों की तुलना में उत्प्रेरक खर्च में लगभग 60 प्रतिशत की कमी कर देते हैं। 2023 में एप्लाइड एनर्जी में प्रकाशित शोध में दिखाया गया है कि समान उत्पादन शक्ति के लिए इन एम सेटअप की प्रारंभिक लागत लगभग 30 से 40% कम होती है क्योंकि सामग्री इतनी महंगी नहीं होती और उनके आसपास कम उपकरणों की आवश्यकता होती है। कुछ वास्तविक दुनिया के परीक्षणों ने नए झिल्ली डिज़ाइन के लिए भी आशाजनक परिणाम दिखाए हैं जो अस्थिर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों पर चलने पर भी 8,000 से अधिक संचालन घंटों तक चलते हैं, जो इस बात को लेकर चिंताओं को दूर करता है कि इनके टूटने से पहले ये कितने समय तक चलेंगे।

लागत प्रभावी हरित हाइड्रोजन प्राप्त करने के मार्ग

चार रणनीतियाँ AEM के <$3/किग्रा हाइड्रोजन तक पहुँचने के मार्ग को तेज कर रही हैं:

1. मानकीकृत मॉड्यूलर डिज़ाइन 1–5 मेगावाट स्टैक के बड़े पैमाने पर उत्पादन को सक्षम करना
2. संकर नवीकरणीय एकीकरण ग्रिड शक्ति स्मूथिंग के साथ सौर/पवन इनपुट को जोड़ना
3. सह-स्थान सहायता इलेक्ट्रोलाइज़र्स को कम लागत वाले नवीकरणीय ऊर्जा हब्स के पास स्थापित करना
4. अपशिष्ट ऊष्मा पुनर्प्राप्ति क्षेत्रीय तापन के लिए तापीय नुकसान के 15–20% का पुन: उपयोग

वास्तविक दुनिया की स्थितियों में किए गए परीक्षणों से पता चलता है कि जब नवीकरणीय बिजली $0.03 प्रति किलोवाट घंटे से कम की दर पर उपलब्ध हो, तो AEM प्रणालियाँ लगभग $2.50 प्रति किलोग्राम की दर से हाइड्रोजन उत्पादित कर सकती हैं। यह 2022 में देखी गई लागत की तुलना में लगभग 45 प्रतिशत की कमी के बराबर है। आगे देखते हुए, विशेषज्ञों का अनुमान है कि इस दशक के अंत तक विश्व स्तर पर हरे हाइड्रोजन की वार्षिक आवश्यकता लगभग 150 मिलियन टन तक पहुँच जाएगी। इन आंकड़ों को देखते हुए, AEM तकनीक से जुड़ी लागत में गिरावट इसे एक ऐसे समाधान के रूप में उभार रही है जो वर्तमान में स्वच्छ ऊर्जा समाधानों की आवश्यकता वाले विभिन्न स्थानों पर व्यापक स्तर पर लागू किया जा सकता है।

AEM इलेक्ट्रोलाइज़र का नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ एकीकरण

सौर और पवन-संचालित AEM प्रणालियों का उपयोग करके हरित हाइड्रोजन का उत्पादन

AEM इलेक्ट्रोलाइज़र अतिरिक्त नवीकरणीय बिजली लेते हैं और उसे हाइड्रोजन में बदल देते हैं, जिससे सौर और पवन फार्म उन समय में ऊर्जा भंडारित कर सकते हैं जब बैटरियाँ काम नहीं करतीं। ये इकाइयाँ 30% से 120% क्षमता के बीच पूर्ण क्षमता पर चलने पर भी काफी अच्छा प्रदर्शन करती हैं, इसलिए वे पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में अप्रत्याशित ऊर्जा निवेश को बहुत बेहतर ढंग से संभालती हैं। पिछले साल कुछ परीक्षणों में सौर स्थापनाओं का अध्ययन किया गया और धूप आने-जाने पर लगभग 68% दक्षता पाई गई, जो समान परिस्थितियों में PEM प्रणालियों की तुलना में लगभग 12 प्रतिशत अधिक थी। दूरस्थ क्षेत्रों में छोटे ग्रिड प्रबंधित करने वालों के लिए, इस लचीलेपन का अर्थ यह है कि वे उन दिनों में भी हाइड्रोजन का उत्पादन जारी रख सकते हैं जब बादल छा जाते हैं या हवा रुक जाती है।

अनियमित नवीकरणीय बिजली आपूर्ति के तहत गतिशील संचालन

ये इलेक्ट्रोलाइज़र बिजली की गुणवत्ता में उतार-चढ़ाव के प्रति स्वचालित रूप से प्रतिक्रिया करते हैं निम्नलिखित के माध्यम से:

• वोल्टेज नियमन (दक्षता में कमी के बिना ±15% सहनशीलता)
• 10% क्षमता प्रति सेकंड की दर से रैंप
• कम शक्ति की स्थिति के लिए 95% टर्नडाउन अनुपात

एक 2022 हाइब्रिड वायु-AEM परियोजना के क्षेत्र डेटा ने मेम्ब्रेन के क्षरण के बिना प्रतिदिन 1,200 स्टार्ट-स्टॉप चक्रों को दर्शाया—50 चक्रों तक सीमित क्षारीय प्रणालियों की तुलना में यह एक महत्वपूर्ण लाभ है। यह स्थायित्व AEM प्रौद्योगिकी को नवीकरणीय ऊर्जा प्रधान ग्रिड में देखे गए 76% औसत अस्थिरता सूचकांक के साथ संगत बनाता है।

ग्रिड स्थिरता और वितरित हाइड्रोजन उत्पादन आवश्यकताओं के बीच संतुलन

AEM प्रणालियाँ दोहरी भूमिका निभाती हैं:

एक वितरित ऊर्जा मॉडल में दिखाया गया कि AEM-इलेक्ट्रोलाइज़र संकर प्रणाली का उपयोग करने वाले समुदायों ने नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के 15% से कम अवरोध के साथ डीजल बैकअप पर निर्भरता में 89% की कमी की। यह दोहरी कार्यक्षमता AEM प्रौद्योगिकी को ऊर्जा सुरक्षा और डीकार्बोनाइज़ेशन लक्ष्यों दोनों को प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण तत्व के रूप में स्थापित करती है।

AEM इलेक्ट्रोलाइज़र प्रौद्योगिकी की मापनीयता और वाणिज्यिक तैयारी

AEM इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रदर्शन और मापनीयता को सत्यापित करने वाली पायलट परियोजनाएं

पायलट परीक्षणों से पता चल रहा है कि AEM इलेक्ट्रोलाइज़र छोटे प्रयोगशाला मॉडलों से बड़े सिस्टम तक बिना ज्यादा दक्षता खोए विस्तारित किए जा सकते हैं। यूरोप में शोधकर्ताओं ने 2023 में इसका अध्ययन किया और पाया कि उनकी 2 kW AEM प्रणाली ने महंगी धातुओं के बजाय सस्ती उत्प्रेरक सामग्री का उपयोग करते हुए भी लगभग 60% दक्षता प्राप्त की। वे अगले कुछ वर्षों में इन्हें 200 kW तक बढ़ाने के बारे में पहले से ही चर्चा कर रहे हैं। जब कंपनियों ने छोटे बिजली ग्रिड से जुड़े दूरस्थ क्षेत्रों में इन इलेक्ट्रोलाइज़र के मॉड्यूलर संस्करणों का परीक्षण किया, तो उन्हें शानदार परिणाम मिले। ये स्थापनाएं सौर पैनलों के साथ काम करते समय लगभग 90% क्षमता तक पहुंच गईं, जो उन नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की एक बड़ी समस्या को हल करने में मदद करती हैं जो पूरे दिन लगातार बिजली उत्पादन नहीं करते।

तकनीकी तैयारी स्तर (TRL) मूल्यांकन और भविष्य की रोडमैप

वर्तमान में, एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र लगभग टीआरएल स्तर 6 से 7 के आसपास हैं, जिनमें कुछ औद्योगिक प्रोटोटाइप यह दिखा रहे हैं कि वे अस्थिर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ काम करते समय लगभग 8,000 घंटे तक चल सकते हैं। उद्योग के प्रमुख इस दशक के अंत तक टीआरएल 8 से 9 के लक्ष्य पर काम कर रहे हैं, मुख्य रूप से झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ाकर लगभग 30,000 संचालन घंटे तक पहुँचाने के उद्देश्य से, ताकि उनके प्रतिस्थापन की आवश्यकता न हो। आगे देखें तो विकास पथ पर तीन मुख्य केंद्र बिंदु हैं। पहला है उत्प्रेरक की आवश्यकता को कम करना, जिसका लक्ष्य 1 वर्ग सेंटीमीटर प्रति वर्ग सेंटीमीटर से कम होना है। फिर इस बात का ध्यान रखना है कि स्टैक्स को कैसे एक साथ फिट किया जाए ताकि वे 1 से 10 मेगावाट तक के विभिन्न आकारों में अच्छी तरह से काम कर सकें। और अंत में, निर्माता संपूर्ण प्रणाली में बेहतर तापीय प्रबंधन तकनीकों का उपयोग करके संयंत्र के संतुलन की लागत में लगभग 40 प्रतिशत की कमी करना चाहते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

• एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र क्या हैं?
  एम इलेक्ट्रोलाइज़र ऐसे उपकरण हैं जो पानी से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एनायन एक्सचेंज झिल्ली का उपयोग करते हैं, जो पारंपरिक तरीकों की तुलना में हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक कुशल और कम लागत वाला समाधान प्रदान करते हैं।
• एम इलेक्ट्रोलाइज़र अलग-अलग स्थानों पर ऊर्जा उत्पादन को कैसे समर्थन देते हैं?
  उपयोग के स्थान पर हाइड्रोजन उत्पादन को सक्षम करके, एम इलेक्ट्रोलाइज़र महंगी पाइपलाइनों और परिवहन बुनियादी ढांचे की आवश्यकता को समाप्त कर देते हैं, जिससे वे अलग-अलग स्थानों पर ऊर्जा नेटवर्क के लिए आदर्श बन जाते हैं।
• नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में एम इलेक्ट्रोलाइज़र की क्या भूमिका होती है?
  एम इलेक्ट्रोलाइज़र अतिरिक्त नवीकरणीय बिजली को हाइड्रोजन में परिवर्तित करते हैं, जो सौर और पवन ऊर्जा की पूरकता करते हुए एक विश्वसनीय ऊर्जा भंडारण समाधान प्रदान करते हैं, विशेष रूप से उन क्षेत्रों में जहाँ ऊर्जा आपूर्ति अनियमित होती है।
• एम प्रणालियों में गैर-मूल्यवान धातु उत्प्रेरकों का क्या महत्व है?
  वे इलेक्ट्रोलाइज़र की कुल लागत को कम करते हैं क्योंकि वे महंगी प्लैटिनम समूह की धातुओं के बजाय निकल और लोहे जैसी सस्ती और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध सामग्री का उपयोग करते हैं, जबकि उच्च दक्षता बनाए रखते हैं।
• ए.ई.एम. इलेक्ट्रोलाइज़र के उपयोग के आर्थिक लाभ क्या हैं?
  उत्प्रेरक और झिल्ली प्रौद्योगिकियों में हुई प्रगति से प्रणाली की प्रारंभिक लागत कम होती है और टिकाऊपन में सुधार होता है, जिससे महत्वपूर्ण बचत होती है और कम लागत वाले हाइड्रोजन उत्पादन तक पहुंच संभव होती है।