कैसे क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र लागत-प्रभावी, बड़े पैमाने पर हरित हाइड्रोजन उत्पादन को सक्षम करते हैं

औद्योगिक हाइड्रोजन उत्पादन में क्षारीय जल विद्युत अपघटन का सिद्धांत और इसकी भूमिका

क्षारीय जल विद्युत अपघटन, या संक्षेप में AWE, पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड (KOH) जैसे तरल क्षारीय घोल के माध्यम से जल को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विघटित करके काम करता है। प्लगपावर के 2024 के आंकड़ों के अनुसार, आधुनिक प्रणालियाँ 70 से 80 प्रतिशत तक की दक्षता प्राप्त कर सकती हैं। इस तकनीक में निकेल आधारित इलेक्ट्रोड्स के साथ-साथ एक विशेष सूटी डायाफ्राम की आवश्यकता होती है जो गैसों को अलग रखता है लेकिन आयनों के माध्यम से गुजरने की अनुमति भी देता है। इस व्यवस्था के कारण, यह औद्योगिक सेटिंग्स में लगातार चलाने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र्स की तुलना में AWE की खास बात यह है कि इसे महंगी प्लैटिनम समूह की धातुओं की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे 2024 में MDPI के अनुसार लगभग 30 से 40 प्रतिशत तक सामग्री लागत में कमी आती है। संख्याओं पर गौर करें, तो सामान्यतः संचालन धारा घनत्व 0.4 से 0.6 ऐम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर की सीमा में होता है। ये विशिष्टताएँ AWE को अमोनिया उत्पादन संयंत्रों और तेल रिफाइनरियों जैसी बड़ी सुविधाओं के लिए एक मजबूत विकल्प बनाती हैं, जहाँ लंबे समय तक निरंतर ऊर्जा खपत की आवश्यकता होती है।

मुख्य घटक: AWE प्रणालियों में इलेक्ट्रोड, डायाफ्राम और इलेक्ट्रोलाइट

• इलेक्ट्रोड : निकल-लेपित इस्पात इलेक्ट्रोड टिकाऊपन और लागत-दक्षता प्रदान करते हैं और 60,000 घंटे तक प्रदर्शन बनाए रखते हैं।
• डायफ्रैग्म : पॉलीसल्फोन-आधारित झिल्ली जैसे उन्नत कंपोजिट गैस क्रॉसओवर को कम करते हुए आयनिक चालकता में सुधार करते हैं।
• इलेक्ट्रोलाइट : 25–30% KOH विलयन उच्च आयनिक गतिशीलता सुनिश्चित करता है, जिसे फ़िल्ट्रेशन प्रणालियों द्वारा समर्थित किया जाता है जो सेवा जीवन को बढ़ाते हैं और रखरखाव की आवृत्ति को कम करते हैं।

इन घटकों के संयोजन से बहु-मेगावाट AWE स्थापनाओं के लिए पूंजी लागत घटकर $800/किवाट हो गई है, जो 2018 में $1,200/किवाट से काफी कम है (रिजल्ट्स इन इंजीनियरिंग 2024)।

लगातार औद्योगिक संचालन में टिकाऊपन के लिए प्रणाली डिज़ाइन

लगातार चौबीसों घंटे संचालन के लिए डिज़ाइन किए गए, क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र में संक्षारण-प्रतिरोधी स्टेनलेस स्टील से बने फ्रेम और इलेक्ट्रोलाइट घोल को स्वचालित रूप से प्रबंधित करने वाली प्रणाली होती है। इनकी मॉड्यूलर स्टैक डिज़ाइन ऑपरेशन को गीगावाट क्षमता स्तर तक बढ़ाने की अनुमति देती है, जैसा कि हम ऑस्ट्रेलिया की एशियाई नवीकरणीय ऊर्जा हब परियोजना जैसे स्थानों पर पहले से देख रहे हैं। इन मशीनों में अतिरिक्त गैस अलगावकर्ता और अंतर्निहित तापमान नियंत्रण प्रणाली भी शामिल होती है, जो मिलकर रखरखाव अवधि के दौरान भी लगभग 95 प्रतिशत तक उपयोग समय बनाए रखने में मदद करते हैं। इन इलेक्ट्रोलाइज़र के नवीनतम संस्करण पूर्ण बंद होने के बाद महज़ आधे घंटे के भीतर पुनः संचालन शुरू कर सकते हैं, जिससे वे दुनिया भर में प्रमुख हरित हाइड्रोजन उत्पादन सुविधाओं के विकास के लिए बढ़ते हुए महत्वपूर्ण निर्माण ब्लॉक बन रहे हैं।

पीईएम की तुलना में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र के लाभ: परिपक्वता, लागत और मापने योग्यता

सिद्ध रिकॉर्ड: एडब्ल्यूई तकनीक के साथ दशकों का संचालन अनुभव

औद्योगिक हाइड्रोजन उत्पादन के लिए क्षारीय विद्युत अपघटन के उपयोग की शुरुआत 1920 के दशक में हुई थी, और 2024 तक दुनिया भर में 500 से अधिक बड़ी स्थापनाएं हैं, जिनमें से अधिकांश की क्षमता 10 मेगावाट से अधिक है। इस प्रणाली का काम करना इसके मजबूत निर्माण के कारण अच्छा रहता है और यह निकल उत्प्रेरकों पर भारी निर्भरता रखती है, जिसीलिए कई उद्योग अभी भी उर्वरक बनाते समय या तेलों का शोधन करते समय इस विकल्प को चुनते हैं। दूसरी ओर, प्रोटॉन विनिमय झिल्ली प्रौद्योगिकी अभी तक बड़े पैमाने पर अपनी क्षमता का प्रदर्शन नहीं कर पाई है। पिछले वर्ष की कुछ हालिया उद्योग रिपोर्टों के अनुसार, अब तक हमने जो सबसे बड़ा PEM संयंत्र देखा है, वह लगभग 20 मेगावाट तक पहुंचता है।

दुर्लभ-धातु निर्भरता के बिना कम पूंजी लागत और व्यावसायिक स्केलेबिलिटी

क्षारीय जल विद्युत अपघटन (AWE) प्रणालियों की पूंजीगत लागत 242 से 388 यूरो प्रति किलोवाट के बीच होती है, जो प्रति किलोवाट 384 यूरो से लेकर 1,000 यूरो से अधिक तक लागत वाली PEM प्रणालियों की तुलना में काफी कम है। इस मूल्य अंतर के दो मुख्य कारण हैं: AWE उत्प्रेरकों के रूप में महंगी धातुओं के बजाय गैर-मूल्यवान धातुओं का उपयोग करता है, और साथ ही निर्माता इन प्रणालियों का उत्पादन दशकों से कर रहे हैं, जिससे उत्पादन काफी सुचारू हो चुका है। चीनी बाजार ने भी कीमतों को और काफी कम कर दिया है। कुछ चीनी कारखाने पहले से ही लगभग 303 डॉलर प्रति किलोवाट के आसपास 10 मेगावाट इकाइयों का उत्पादन कर रहे हैं, जिससे वे यूरोप या उत्तरी अमेरिका से आने वाले समान उपकरणों की तुलना में लगभग चार गुना कम महंगे हैं। चूंकि AWE प्लैटिनम समूह की धातुओं पर निर्भर नहीं है, इसलिए यह अन्य प्रौद्योगिकियों को प्रभावित करने वाली आपूर्ति श्रृंखला की समस्याओं से बच जाता है। इसका अर्थ है कि हम सामग्री की कमी के बिना गीगावाट स्तर तक उत्पादन बढ़ा सकते हैं जो सब कुछ पीछे रख दे।

कठोर औद्योगिक वातावरण में लंबे सेवा जीवन और उच्च टिकाऊपन

अधिकांश औद्योगिक AWE प्रणालियों को अमोनिया उत्पादन सुविधाओं जैसे कठिन वातावरण में भी लगभग 12 से 15 वर्षों तक संचालित किया जाता है। इस लंबे जीवन कई कारकों के कारण होता है, जिसमें ज़िरकोनियम से मजबूत डायाफ्राम, इलेक्ट्रोलाइट प्रबंधन के लिए स्वचालित नियंत्रण, और इलेक्ट्रोड स्टैक्स के लिए 30,000 घंटे तक सेवा चक्र के बीच लंबे रखरखाव चक्र शामिल हैं। वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन को देखते हुए, बेल्जियम में एक 28 मेगावाट क्षमता वाले क्लोर-एल्कली संयंत्र ने लगातार आठ वर्षों तक गैर-रुकावट संचालन के दौरान 78 प्रतिशत की एक शानदार दक्षता बनाए रखी। वास्तव में, यह उससे भी बेहतर है जो उद्योग विशेषज्ञों ने भविष्यवाणी की थी कि समान संचालन चुनौतियों का सामना करते समय समय के साथ PEM प्रणालियों के साथ होगा।

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र तैनाती के पैमाने के प्रमुख चुनौतियाँ

अक्षय ऊर्जा उतार-चढ़ाव के तहत सीमित संचालन लचीलापन

क्षारीय जल विद्युत-अपघटन प्रणालियाँ तब सबसे अच्छा काम करती हैं जब उन्हें निरंतर बिजली की आपूर्ति मिलती है, जिसके कारण सौर पैनलों या पवन टर्बाइनों से आने वाले अचानक परिवर्तनों के साथ उनकी समस्या होती है। इस सीमा के कारण, ऑपरेटरों को अक्सर अतिरिक्त भंडारण समाधानों या विभिन्न प्रौद्योगिकियों के मिश्रण की आवश्यकता होती है ताकि हाइड्रोजन उत्पादन स्थिर बना रहे। 2023 में आरएमआई के शोध में एक दिलचस्प बात भी सामने आई है। जब संयंत्र केवल 25% नवीकरणीय ऊर्जा पर चलते हैं, तो वार्षिक 100 किलोटन हाइड्रोजन बनाने के लिए उन्हें लगभग 2.5 गीगावाट क्षमता वाले इलेक्ट्रोलाइज़र की आवश्यकता होती है। यह वास्तव में उस उपकरण की तुलना में लगभग 70% अधिक है जो तब आवश्यक होता यदि समान संयंत्र 85% हरित ऊर्जा का उपयोग कर सके। ऐसी अक्षमताएँ वास्तव में जमा हो जाती हैं। बड़े पैमाने पर विस्तार की योजना बना रहे बड़े प्रोजेक्ट्स के लिए, अतिरिक्त बुनियादी ढांचा लागत को उद्योग के अनुमानों के अनुसार अधिकतम 1.8 बिलियन डॉलर तक बढ़ा सकता है।

उच्च दबाव वाली प्रणालियों में गैस क्रॉसओवर और सुरक्षा जोखिम

पारंपरिक छिद्रित डायाफ्राम अनुमति देते हैं 3–5% गैस मिश्रण 30 बार से अधिक दबाव पर, हाइड्रोजन-ऑक्सीजन क्रॉसओवर से विस्फोट का खतरा उत्पन्न होता है। इसे कम करने के लिए, ऑपरेटरों को गैस पुनः संयोजन इकाइयों और दबाव-निरावारण तंत्र जैसी सुरक्षा-महत्वपूर्ण प्रणालियों को स्थापित करना चाहिए, जिससे जटिलता और लागत में वृद्धि होती है।

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट प्रबंधन की मांग

पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड के उपयोग से निरंतर रखरखाव चुनौतियाँ उत्पन्न होती हैं:

इन आवश्यकताओं के कारण संचालनात्मक बोझ और जीवन चक्र लागत में वृद्धि होती है, विशेष रूप से दूरस्थ या तट से दूर स्थापनाओं में।

कम भार पर दक्षता में गिरावट

40% क्षमता से नीचे संचालित होने पर, AWE प्रणालियों को हाइड्रोजन उत्पादन लागत में 22% की वृद्धि पतले इलेक्ट्रोलाइट में ओमिक नुकसान, बुलबुले अतिसंभाव्यता में वृद्धि और उप-इष्टतम तापीय प्रबंधन के कारण होती है। अंतरालीय नवीकरणीय ऊर्जा के साथ एकीकरण को जटिल बना देता है, जैसा कि पवन-से-हाइड्रोजन परियोजनाओं के ग्रिड स्थिरता अध्ययनों में उल्लेखित किया गया है।

स्थायी हाइड्रोजन के लिए नवीकरणीय ऊर्जा के साथ क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र का एकीकरण

सौर और पवन ऊर्जा आपूर्ति प्रारूपों के साथ AWE प्रणालियों का मिलान

AWE तब बहुत अच्छी तरह काम करता है जब चीजें स्थिर रहती हैं, लेकिन इसे नवीकरणीय स्रोतों के साथ जोड़ने से पूरी प्रणाली के बेहतर काम करने में मदद मिलती है। सौर फार्मों के साथ जुड़ी प्रणालियों से सबसे अधिक दक्षता प्राप्त होती है जो कम से कम अपनी अधिकतम क्षमता का 60% उपयोग करते हैं या पवन स्थापनों में जहाँ उत्पादन प्रति घंटे 20% से अधिक नहीं बदलता, जैसा कि गांडिया और सहयोगियों द्वारा 2007 में किए गए शोध में बताया गया था। दूसरी ओर, प्रति मिनट 500 वाट प्रति वर्ग मीटर से तेज धूप की तीव्रता में अचानक वृद्धि दक्षता को 15 से 20 प्रतिशत तक कम कर सकती है। इसलिए ऐसी स्थापनाओं के लिए एकीकरण को सही ढंग से करना इतना महत्वपूर्ण है।

अनियमितता के बीच दक्षता बढ़ाने के लिए बहु-मोड पावर रणनीतियाँ

चर ऊर्जा स्रोतों के साथ संगतता में सुधार के लिए, संचालक तीन प्रमुख दृष्टिकोणों का उपयोग करते हैं:

1. गतिशील भार प्रबंधन : वास्तविक समय में नवीकरणीय आउटपुट के आधार पर 0.3–0.5 A/cm² के बीच वर्तमान घनत्व को समायोजित करना
2. बैटरी बफरिंग : शॉर्ट-अवधि (⌘15 मिनट) की ऊर्जा भंडारण प्रणाली का उपयोग करके बिजली के उछाल को समतल करना
3. हाइब्रिड अक्षय ऊर्जा युग्मन : दैनिक आपूर्ति को संतुलित करने के लिए पवन (40–60% क्षमता गुणांक) और सौर (20–25%) को जोड़ना

2023 में क्षेत्र परीक्षणों में इन विधियों से एकल स्रोत व्यवस्था की तुलना में दक्षता हानि में 35% की कमी देखी गई है।

वास्तविक दुनिया की पवन-से-हाइड्रोजन परियोजनाएँ एल्कलाइन इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके

डेनमार्क में एनर्जी आइलैंड परियोजना यह दर्शाती है कि वास्तविक परिस्थितियों में क्षेत्र में हवा की स्थिति के बावजूद 24 मेगावाट की प्रणाली AWE तकनीक कितनी अच्छी हो सकती है, जो लगभग 74% स्टैक दक्षता तक पहुँच जाती है। 2024 में यूरोप के 12 विभिन्न सेटअप्स पर नज़र डालने से एक और कहानी सामने आती है। क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र्स ने काफी अच्छा प्रदर्शन बनाए रखा, चाहे वे आधी शक्ति पर चल रहे हों या पूर्ण क्षमता पर, दक्षता 68 से 72% की सीमा में बनी रही। और यह सब केवल पवन ऊर्जा द्वारा संचालित था। ऐसी परिस्थितियों में PEM प्रणालियों को स्पष्ट रूप से पछाड़ दिया गया, जो आमतौर पर 63 से 67% के बीच रहती हैं। तो इसका क्या अर्थ है? खैर, ये आंकड़े स्पष्ट रूप से दर्शाते हैं कि नवीकरणीय स्रोतों से बड़े पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए AWE पर निश्चित रूप से विचार किया जाना चाहिए।

औद्योगिक अनुप्रयोग और क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र तकनीक का वैश्विक विस्तार

परिष्करण, अमोनिया और गीगावाट ग्रीन हाइड्रोजन परियोजनाओं में बड़े पैमाने पर उपयोग

अब क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र रिफाइनिंग और अमोनिया उत्पादन में नए हाइड्रोजन संयंत्रों के 65% का हिस्सा बन गए हैं, जो 1–5 मेगावाट के पैमाने पर 74–82% प्रणाली दक्षता के साथ कुशलतापूर्वक संचालित होते हैं (यूनिवडेटोस मार्केट इनसाइट्स 2024)। 40 गीगावाट-श्रेणी के हरित हाइड्रोजन परियोजनाएं जो वर्तमान में विकासाधीन हैं—मुख्य रूप से यूरोपीय संघ, चीन और ऑस्ट्रेलिया में—समुद्र तट से बाहर की हवा और रेगिस्तान में सौर ऊर्जा को थोक हाइड्रोजन में बदलने के लिए AWE पर निर्भर करती हैं। रिफाइनिंग में, वे प्राकृतिक गैस की मांग के 28% का स्थान लेते हैं, जबकि अमोनिया संश्लेषण में, वाष्प मीथेन रिफॉर्मरों की तुलना में वे ऊर्जा तीव्रता को 12% तक कम कर देते हैं।

व्यावसायिक मापनीयता और बुनियादी ढांचे की तैयारी की पुष्टि करने वाले प्रदर्शन संयंत्र

मल्टी-मेगावाट डिमॉन्स्ट्रेशन संयंत्रों ने अमोनिया और इस्पात उत्पादन अनुप्रयोगों में 90% अपटाइम प्राप्त कर लिया है, जो मौजूदा औद्योगिक बुनियादी ढांचे के साथ बिना किसी रुकावट के एकीकरण की पुष्टि करता है। 2021 से संचालन में आए एक नॉर्वेजियन पायलट संयंत्र में केवल त्रैमासिक रखरखाव के साथ 1.2 किग्रा/घंटा/मी² हाइड्रोजन उत्पादन बनाए रखा गया है। उद्योग संघ एल्कलाइन प्रणालियों और CO² पाइपलाइनों या नमक-गुफा भंडारण के बीच इंटरफेस को मानकीकृत कर रहे हैं, जो 2023 ग्लोबल हाइड्रोजन काउंसिल रिपोर्ट में पहचानी गई बुनियादी ढांचे की कमियों का 34% संबोधित करता है।

प्रवृत्ति: दुनिया भर में अक्षय ऊर्जा हब में तेजी से तैनाती

2030 तक क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र की 38 गीगावाट क्षमता की योजना बना रहे पाँच प्रमुख नवीकरणीय केंद्र—उत्तरी अफ्रीका के सौर कॉरिडोर और ऑस्ट्रेलिया के तटीय पवन क्षेत्र सहित—AWE की 40–110% भार लचीलापन के भीतर संचालित होने की क्षमता और समुद्री जल कच्चे माल के साथ इसकी संगतता का लाभ उठाते हैं, जो आंतरिक विकल्पों की तुलना में नमकहीन जल की आवश्यकता को 60% तक कम कर देता है। इन क्षेत्रों में नए इलेक्ट्रोलाइज़र निर्माण सुविधाओं में से 70% से अधिक क्षेत्र कम खनिज निर्भरता और स्थानीय आपूर्ति श्रृंखलाओं के साथ इसके संरेखण के कारण क्षारीय प्रौद्योगिकी को प्राथमिकता देते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न: क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र और हरित हाइड्रोजन उत्पादन

क्षारीय जल इलेक्ट्रोलिसिस और पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस में क्या अंतर है?

क्षारीय जल विद्युत अपघटन (AWE) उत्प्रेरकों के लिए सस्ती गैर-मूल्यवान धातुओं का उपयोग करता है और इसकी लागत प्रभावशीलता और टिकाऊपन के कारण बड़े पैमाने पर औद्योगिक उपयोग के लिए अधिक उपयुक्त है। दूसरी ओर, पीईएम विद्युत अपघटन प्लैटिनम-समूह की धातुओं का उपयोग करता है, जिससे इसकी लागत बढ़ जाती है और वर्तमान में बड़े पैमाने पर इसकी प्रायोगिकता कम सिद्ध है।

आधुनिक क्षारीय विद्युत अपघटन की दक्षता कितनी होती है?

आधुनिक क्षारीय विद्युत अपघटन 70 से 80 प्रतिशत की दक्षता तक पहुँचते हैं, जो निरंतर औद्योगिक संचालन के लिए एक विश्वसनीय विकल्प बनाते हैं।

क्षारीय जल विद्युत अपघटन प्रणालियों की स्थापना की पूंजी लागत क्या है?

AWE प्रणालियों के लिए पूंजी लागत प्रति किलोवाट €242 से €388 के बीच होती है, जो PEM प्रणालियों की तुलना में काफी कम है।

बड़े पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन परियोजनाओं के लिए क्षारीय विद्युत अपघटन को क्यों प्राथमिकता दी जाती है?

AWE प्रणालियों का संचालन क्षमता गीगावाट स्तर तक फैले होने के साथ-साथ सिद्ध रिकॉर्ड है, आपूर्ति श्रृंखला के जोखिम कम हैं, और मूल्यवान धातुओं की आवश्यकता के बिना मापने योग्यता है।