कैसे पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस कुशल ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन को सक्षम करता है

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली (पीईएम) इलेक्ट्रोलाइज़र तकनीक के मूल सिद्धांत

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलाइज़र पानी के अणुओं को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैसों में तोड़ने के लिए प्रोटॉन का संचालन करने वाली एक विशेष झिल्ली का उपयोग करके काम करते हैं। पुरानी एल्कलाइन प्रणालियों की तुलना में, ये PEM उपकरण लगभग 60 से 80 डिग्री सेल्सियस के आसपास कम तापमान पर काम करते हैं और लगभग 30 बार तक के दबाव को संभाल सकते हैं। जैसा कि मटीरियल साइंस जर्नल में प्रकाशित एक हालिया 2023 समीक्षा में बताया गया है, इनमें बिजली को हाइड्रोजन में निचले तापीय मान के आधार पर लगभग 70% दक्षता के साथ परिवर्तित करने की क्षमता होती है। जो इन्हें वास्तव में अलग करता है वह है इस झिल्ली की सामग्री जो न केवल आयनों के आदान-प्रदान की अनुमति देती है, बल्कि संचालन के दौरान अलग-अलग गैसों को अलग भी रखती है। परिणाम? इन मशीनों को मात्र पांच सेकंड में शुरू किया जा सकता है और ऐसे सौर पैनलों या पवन टर्बाइनों जैसे स्रोतों से बिजली की आपूर्ति में उतार-चढ़ाव के लिए त्वरित ढंग से अनुकूलित किया जा सकता है जो पूरे दिन स्थिर उत्पादन नहीं करते।

वितरित अनुप्रयोगों में एल्कलाइन और SOEC प्रणालियों की तुलना में PEM के लाभ

पीईएम प्रणालियाँ तीन महत्वपूर्ण क्षेत्रों में अन्य विकल्पों से बेहतर प्रदर्शन करती हैं:

• स्थान की दक्षता : कॉम्पैक्ट डिज़ाइन को एल्कलाइन प्रणालियों के छठे भाग के बराबर क्षेत्रफल की आवश्यकता होती है, जिससे आवासीय या छत पर स्थापना संभव होती है।
• परिचालन लचीलापन : पीईएम एल्कलाइन तकनीक की तुलना में 10 गुना तेज़ी से बिजली के उतार-चढ़ाव के प्रति प्रतिक्रिया करता है, जो नवीकरणीय ऊर्जा की भिन्नता के अनुरूप होता है।
• गैस शुद्धता : हाइड्रोजन की शुद्धता 99.9% से अधिक है, जिससे ईंधन सेल अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक महंगी शोधन प्रक्रियाओं को खत्म कर दिया जाता है।

पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस की दक्षता, प्रतिक्रियाशीलता और प्रदर्शन मापदंड

अग्रणी निर्माता बताते हैं कि पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र निम्नलिखित प्राप्त करते हैं:

• विशिष्ट ऊर्जा खपत 48-52 किलोवाट-घंटा/किग्रा H₂ (स्टैक-स्तर पर)
• मिलीसेकंड के भीतर 5% से 100% क्षमता तक लोड-फॉलोइंग क्षमता
• स्टैक जीवनकाल 60,000 घंटे से अधिक, प्रति वर्ष <1% दक्षता हानि के साथ

ये मेट्रिक्स पीईएम तकनीक को वाणिज्यिक और आवासीय स्तर पर अपकेंद्रित हरित हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सबसे व्यवहार्य समाधान के रूप में स्थापित करते हैं।

अपकेंद्रित उपयोग के लिए एनएप्टर की कॉम्पैक्ट और मॉड्यूलर पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र डिज़ाइन

आवासीय और वाणिज्यिक एकीकरण के लिए स्थान-कुशल, मापदंड योग्य वास्तुकला

एनेप्टर की पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र तकनीक हाइड्रोजन उत्पादन के पैमाने के बारे में हमारे सोचने के तरीके को बदल रही है, क्योंकि पुरानी कालीन एल्कलाइन प्रणालियों की तुलना में वे फर्श पर लगभग 70 प्रतिशत कम जगह घेरती हैं। इनके छोटे आकार के कारण शहरों में कठिन स्थानों जैसे इमारतों के ऊपर या तहखाने के क्षेत्रों में भी आसानी से फिट हो जाते हैं, जिसका अर्थ है कि हरे हाइड्रोजन का उपयोग सामान्य घरों, होटल संचालन और यहां तक कि छोटे निर्माण संयंत्रों के लिए भी किया जा सकता है। वर्तमान में, ये मॉड्यूलर पीईएम इकाइयां 500 किलोवाट क्षमता से कम की लगभग छह में से दस स्थापनाओं में संचालित हो रही हैं, जो स्थानीय ऊर्जा नेटवर्क की हमारी आवश्यकताओं के लिए पूरी तरह से उपयुक्त हैं। जो वास्तव में खास बात है वह है उनकी ऊर्ध्वाधर स्टैकिंग डिज़ाइन जो विश्वसनीयता के मामले में बहुत कुछ गंवाए बिना बहुत सी जगह बचाती है। ये मशीनें वास्तविक संचालन के दौरान लगभग 98 प्रतिशत तक के अपटाइम के साथ मजबूती से चलती रहती हैं, जो उन्हें इतनी अधिक मूल्यवान जगह घेरने वाले बड़े प्रतिद्वंद्वियों के खिलाफ स्पष्ट लाभ प्रदान करता है।

मुख्य घटक: एनएप्टर प्रणालियों में एमईए, द्विध्रुवीय प्लेटें और धारा संग्राहक

• झिल्ली इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए): प्लैटिनम उत्प्रेरकों के साथ प्रोटॉन-चालक झिल्लियों को जोड़कर 85% दक्षता आंशिक भार पर प्राप्त करता है।
• टाइटेनियम द्विध्रुवीय प्लेटें: संक्षारण-प्रतिरोधी डिज़ाइन संचालन आयु को 50,000+ घंटे अस्थिर नवीकरणीय इनपुट के तहत बढ़ा देता है।
• कम प्रतिरोध वाले धारा संग्राहक: इलेक्ट्रॉन पथ को अनुकूलित करने से ऊर्जा नुकसान में कमी आती है 15%पारंपरिक डिज़ाइन की तुलना में।

ये घटक उच्च शुद्धता (>99.99%) और दबाव (35 बार तक) पर हाइड्रोजन के सटीक नियंत्रण को सक्षम करते हैं, जो आवासीय सुरक्षा मानकों की कठोर आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

लचीली हाइड्रोजन उत्पादन क्षमता को सक्षम करने वाला मॉड्यूलर तैनाती

एनएप्टर के 1.2 मेगावाट के मॉड्यूलर क्लस्टर लोगों को अपने हाइड्रोजन उत्पादन को आसानी से ढीला-कस करने की अनुमति देते हैं, जो घरेलू आवश्यकताओं के लिए केवल प्रति दिन 1 किलोग्राम से लेकर औद्योगिक कार्यों के लिए प्रति दिन 500 किलोग्राम तक की सीमा तय करते हैं, बस आवश्यकतानुसार इकाइयों को ऊपर-नीचे करके। पारंपरिक निश्चित क्षमता वाले सेटअप की तुलना में इस प्रणाली से प्रारंभिक निवेश लागत में लगभग 40 प्रतिशत की कमी आती है। इसके पीछे स्मार्ट तकनीक है जो स्वचालित रूप से भार को संतुलित करती है, इसलिए यह सौर या पवन जैसे नवीकरणीय स्रोतों में उतार-चढ़ाव के बावजूद भी अच्छी तरह अनुकूल हो जाती है। एक छोटे 10 किग्रा/दिन के मॉड्यूल के बारे में भी देखें। वास्तव में यह एक सामान्य चार बेडरूम वाले घर के लिए तीन पूरे दिनों तक तापन और आपातकालीन बिजली दोनों को शक्ति प्रदान करता है। इस तरह की लचीलापन उन विभिन्न स्थानों पर इन मॉड्यूल को वास्तव में उपयोगी बनाता है जहाँ केंद्रीकृत बुनियादी ढांचा हमेशा उपलब्ध नहीं होता है।

नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ एनएप्टर पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र का एकीकरण

सौर फोटोवोल्टिक से हाइड्रोजन: प्रणाली विन्यास और संचालन समन्वय

एनेप्टर के पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र सौर फोटोवोल्टिक (पीवी) एर्रे के साथ कई अलग-अलग तरीकों से बहुत अच्छी तरह काम करते हैं। डीसी-युग्मित प्रणाली होती हैं जहां वे सीधे पीवी इन्वर्टर से जुड़ जाते हैं, एसी-युग्मित व्यवस्थाएं जो मौजूदा भवन बिजली प्रणाली में जुड़ जाती हैं, और फिर हाइब्रिड मॉडल भी होते हैं जो बैटरी भंडारण के साथ-साथ हाइड्रोजन भंडारण को भी जोड़ते हैं। इसका अर्थ यह है कि जब सौर पैनल आवश्यकता से अधिक बिजली उत्पादित कर रहे होते हैं, खासकर उन धूप वाले दिनों के दौरान, ऑपरेटर उस अतिरिक्त ऊर्जा को हाइड्रोजन में बदल सकते हैं बजाय उसे बर्बाद होने देने के। इन प्रणालियों का उपयोग करने वाले व्यावसायिक स्थल आमतौर पर अपनी अतिरिक्त नवीकरणीय बिजली का 72 से 86 प्रतिशत तक उपयोग करने में सफल रहते हैं, जो कुल मिलाकर प्रणाली की दक्षता और लागत प्रभावशीलता में बड़ा अंतर लाता है, जो दीर्घकालिक स्थिरता समाधानों की ओर देख रहे व्यवसायों के लिए महत्वपूर्ण है।

परिवर्तनशील नवीकरणीय बिजली इनपुट के प्रति गतिशील प्रतिक्रिया

एनाप्टर की पीईएम तकनीक लगभग तुरंत 10 से 100% क्षमता तक क्षमता बढ़ा सकती है या घटा सकती है, जो सौर और पवन ऊर्जा के अधिक उपयोग के समय बिजली ग्रिड को स्थिर रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। 24 वाणिज्यिक स्थापनाओं से प्राप्त वास्तविक दुनिया के आंकड़ों को देखते हुए, इन इलेक्ट्रोलाइज़र इकाइयों ने लगातार लगभग 95% दक्षता प्राप्त की है, भले ही सौर पैनल प्रतिदिन प्रकाश के स्तर में लगभग 40% के अंतर के साथ निपट रहे हों। परिवर्तनशील परिस्थितियों के प्रति इतनी तेज़ प्रतिक्रिया करने की क्षमता यह स्पष्ट करती है कि आज नवीकरणीय हाइड्रोजन संयंत्रों में लगभग आधे नए संयंत्र अब इस तकनीक का उपयोग क्यों कर रहे हैं। व्यवहार में, इन सुविधाओं से प्राप्त क्षेत्र रिपोर्ट्स के अनुसार, एनाप्टर प्रणालियाँ पुराने क्षारीय विकल्पों की तुलना में लगभग 28% तक ऊर्जा की बर्बादी कम कर देती हैं।

केस अध्ययन: एक वाणिज्यिक इमारत में स्थानीय सौर-से-हाइड्रोजन प्रणाली

जर्मनी में एक औद्योगिक लॉजिस्टिक्स हब ने हाल ही में अपनी छत पर 850 किलोवाट क्षमता के सौर पैनलों के साथ-साथ आठ एनएप्टर AEM नेक्सस 1000 इलेक्ट्रोलाइज़र इकाइयाँ लगाकर ऊर्जा आवश्यकताओं में 83% तक की शानदार स्व-पर्याप्तता प्राप्त की है। यह स्थापना प्रतिदिन लगभग 412 किलोग्राम हाइड्रोजन उत्पन्न करती है, जो गोदाम के फोर्कलिफ्ट बेड़े को शक्ति प्रदान करती है और पीक मांग के समय अतिरिक्त बिजली उत्पादन में भी सहायता करती है। इससे प्रति वर्ष डीजल के उपयोग में लगभग 147 मेट्रिक टन की कमी आई है। यहां तक कि सर्दियों के महीनों में जब सूर्य का प्रकाश कम होता है, इन इलेक्ट्रोलाइज़रों को गर्मियों की तुलना में लगभग दो तिहाई कम सौर उत्पादन के बावजूद 88% दक्षता पर सुचारू रूप से चलाया जा सकता है। इस तरह की विश्वसनीयता पूरे वर्ष ऑपरेशन बनाए रखने और जीवाश्म ईंधन पर भारी निर्भरता से बचने में सबसे बड़ा अंतर लाती है।

एनएप्टर द्वारा उत्पादित ग्रीन हाइड्रोजन के आवासीय एवं वाणिज्यिक अनुप्रयोग

घरेलू ऊर्जा समाधान: बैकअप बिजली, तापन और माइक्रो-CHP ईंधन

एनाप्टर के कॉम्पैक्ट पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र गृहस्वामियों को तीन महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए नवीकरणीय बिजली को हरित हाइड्रोजन में बदलने की अनुमति देते हैं:

• बैकअप पावर हाइड्रोजन ईंधन सेल के माध्यम से ग्रिड आउटेज के दौरान
• निम्न-कार्बन आवासीय तापन प्राकृतिक गैस पर निर्भरता कम करने वाली प्रणाली
• माइक्रो संयुक्त ऊष्मा और शक्ति (CHP) इकाइयाँ जो ऊष्मा और बिजली दोनों का एक साथ उत्पादन करके 90% से अधिक कुल दक्षता प्राप्त करती हैं

यह विकेंद्रीकृत दृष्टिकोण परिवारों को अतिरिक्त सौर/पवन ऊर्जा को हाइड्रोजन के रूप में संग्रहित करने की अनुमति देता है, जो प्रणाली के विन्यास पर निर्भर करते हुए 24-72 घंटे की ऊर्जा लचीलापन प्रदान करता है। हाल के अध्ययन ठंडे जलवायु में एक व्यवहार्य तापन विकल्प के रूप में हाइड्रोजन से चलने वाले बॉयलर को रेखांकित करते हैं।

व्यावसायिक उपयोग: फ्लीट रीफ्यूलिंग, ऑफ-ग्रिड बिजली, और औद्योगिक फीडस्टॉक

व्यवसाय एनाप्टर प्रणालियों को निम्नलिखित के लिए तैनात कर रहे हैं:

1. हाइड्रोजन से चलने वाले फोर्कलिफ्ट, ट्रक और सामग्री हैंडलिंग उपकरण को रीफ्यूल करना
2. दूरसंचार टावरों और निर्माण स्थलों जैसी ऑफ-ग्रिड सुविधाओं को शक्ति प्रदान करना
3. उर्वरक उत्पादन और खाद्य प्रसंस्करण में जीवाश्म उत्पादित हाइड्रोजन का स्थान लेना

वाणिज्यिक परिसरों के लिए, स्थल पर हाइड्रोजन ईंधन भरने के स्टेशनों को समकक्ष ईवी चार्जिंग बुनियादी ढांचे की तुलना में 40% कम जगह की आवश्यकता होती है, जबकि त्वरित ईंधन भरने के चक्र सक्षम करते हैं। हरित हाइड्रोजन का उपयोग करने वाले खाद्य निर्माता प्राकृतिक गैस विकल्पों की तुलना में उच्च-तापमान प्रक्रियाओं में स्कोप 1 उत्सर्जन में 78-92% की कमी करते हैं।

आतिथ्य, खुदरा और छोटे पैमाने के उद्योग में वास्तविक दुनिया के कार्यान्वयन

प्रारंभिक अपनाने वालों में शामिल हैं:

• ऊष्मायन की आवश्यकताओं के 85% के लिए हाइड्रोजन CHP प्रणालियों का उपयोग करने वाले स्कैंडिनेवियाई होटल
• सौर-से-हाइड्रोजन प्रणालियों के साथ रेफ्रिजरेशन को शक्ति प्रदान करने वाली जापानी सुविधा स्टोर
• एनीलिंग भट्टियों में प्रोपेन के स्थान पर हाइड्रोजन का उपयोग करने वाली जर्मन धातु कार्यशालाएं

कैलिफोर्निया के एक शॉपिंग सेंटर के केस अध्ययन में दिखाया गया है कि हाइड्रोजन माइक्रोग्रिड वार्षिक डीजल खपत में 140,000 लीटर की कमी करते हैं, जबकि 99.98% बिजली उपलब्धता बनाए रखते हैं। ये लागूकरण पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र की मापनीयता को साबित करते हैं, जिसमें तैयार-संचालन स्थापनाओं के लिए स्थापना का समय 18 महीने से घटकर 6 महीने से कम हो गया है।

चुनौतियों पर काबू पाना: पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस की लागत, स्थायित्व और बाजार अपनाना

माप के लिए बाधाएं: छोटे पैमाने की पीईएम प्रणालियों में सामग्री की लागत और स्थायित्व

प्रोटॉन विनिमय झिल्ली या पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के सामने मुख्य समस्या शामिल सामग्री की उच्च लागत है। केवल प्लैटिनम समूह की धातुएं इन स्टैक्स के निर्माण में लगने वाली लागत का लगभग 35 से 40 प्रतिशत तक घेरे में ले लेती हैं, जो 2024 में सामग्री वैज्ञानिकों द्वारा किए गए कुछ हालिया अनुसंधानों पर आधारित है। छोटे पैमाने की प्रणालियों को देखते समय, लागत को कम रखते हुए उपकरणों के पर्याप्त समय तक चलने सुनिश्चित करने के बीच एक निरंतर तनाव बना रहता है। जब निर्माता झिल्लियों को पतला बनाने या द्विध्रुवीय प्लेटों पर विशेष लेप लगाने का प्रयास करते हैं, तो समस्या और बढ़ जाती है, क्योंकि ये घटक बार-बार शुरू और बंद होने वाले चक्रों के दौरान बहुत तेजी से क्षय हो जाते हैं। 1 मेगावाट से कम व्यावसायिक स्तर पर, पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र अभी भी पारंपरिक क्षारीय विकल्पों की तुलना में लगभग 30% अधिक महंगे आते हैं। लेकिन कई उद्योग इस अतिरिक्त लागत को वहन करने के लिए तैयार हैं क्योंकि पीईएम बहुत तेजी से प्रतिक्रिया करते हैं और 68 से 70% के बीच दक्षता बनाए रखते हैं, जो उच्च मूल्य वाले कुछ अनुप्रयोगों के लिए इन्हें निवेश के लायक बनाता है।

स्टैक की लंबी आयु और प्रणाली की विश्वसनीयता में एनएप्टर के नवाचार

उत्प्रेरक परतों को लागू करने के लिए अपनी स्वामित्व वाली विधियों का उपयोग करके एनएप्टर घटकों के घिसावट की समस्या को कम करता है, जिससे अधिकांश प्रतिस्पर्धियों की तुलना में प्लैटिनम के उपयोग में आधा कमी आती है। कंपनी के डिज़ाइन के कारण खराब प्रदर्शन वाली व्यक्तिगत सेलों को अलग किया जा सकता है बिना पूरी प्रणाली को रोके। स्वतंत्र परीक्षणों से पता चलता है कि लगभग 20,000 घंटे तक लगातार चलने के बाद भी इन प्रणालियों में उनके मूल प्रदर्शन का लगभग 92% बना रहता है। उन घरों के लिए जहां ईंधन सेल स्थापित किए गए हैं, इसका अर्थ है कि झिल्लियों के आठ से नौ वर्षों तक रहने की संभावना होती है क्योंकि यह तकनीक वायु नमी में परिवर्तन को पारंपरिक दृष्टिकोणों की तुलना में बहुत बेहतर ढंग से संभालती है।

व्यावसायीकरण और व्यापक बाजार स्वीकृति को बढ़ावा देने वाले रुझान

पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र बाजार में तेजी से विस्तार की संभावना है, जो 2025 में लगभग 6.1 बिलियन डॉलर से बढ़कर 2035 तक लगभग 26.1 बिलियन डॉलर तक पहुँच जाएगा, क्योंकि विभिन्न सरकारें कार्बन मूल्य निर्धारण पहल के लिए वास्तविक धनराशि आवंटित करने लगी हैं। विशेष रूप से यूरोप की बात करें, तो वहाँ के पाँच अलग-अलग देशों ने पहले ही छोटे पैमाने की हाइड्रोजन परियोजनाओं के लिए पीईएम प्रणालियों के उपयोग को अनिवार्य कर दिया है जो 10 मेगावाट क्षमता से कम होने पर ग्रिड को संतुलित करती हैं। इससे मौजूदा बुनियादी ढांचे के पुनर्निर्माण के लिए विश्लेषकों के अनुमान के अनुसार प्रति वर्ष लगभग 740 मिलियन डॉलर का बाजार बन गया है। हालांकि इन प्रणालियों को विशेष रूप से आकर्षक बनाता है उनकी मॉड्यूलर प्रकृति। उदाहरण के लिए, एनएप्टर का एम नेक्सस प्लेटफॉर्म। इस तरह के डिज़ाइन दृष्टिकोण के साथ, व्यवसाय मूल रूप से आवश्यकतानुसार संचालन को बढ़ा सकते हैं बजाय प्रारंभ में ही सब कुछ निवेश करने के। लागत में बचत भी काफी उल्लेखनीय है; इन मॉड्यूलर समाधानों को अपनाने वाली कंपनियों को आमतौर पर पारंपरिक स्थापना विधियों की तुलना में अपने प्रारंभिक खर्च में लगभग 60% की कमी देखने को मिलती है।

फ्रीक्वेंटली अस्क्ड क्वेश्चंस (FAQs)

पीईएम विद्युत अपघटन क्या है?

पीईएम विद्युत अपघटन एक प्रौद्योगिकी है जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विद्युत अपघटन करने के लिए प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली का उपयोग करती है। इसे अपनी दक्षता, त्वरित आरंभ और बिजली आपूर्ति में उतार-चढ़ाव के अनुकूलन के लिए जाना जाता है।

पीईएम प्रौद्योगिकी की तुलना क्षारीय प्रणालियों से कैसे की जाती है?

पीईएम प्रणालियाँ पारंपरिक क्षारीय प्रणालियों की तुलना में अधिक स्थान-कुशल, अधिक प्रतिक्रियाशील और उच्च शुद्धता वाली हाइड्रोजन उत्पादन करती हैं। वे बिजली के उतार-चढ़ाव के प्रति बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करती हैं, जिससे उन्हें नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण के लिए उपयुक्त बनाता है।

एनएप्टर के पीईएम विद्युत अपघटकों के मुख्य अनुप्रयोग क्या हैं?

एनएप्टर के पीईएम विद्युत अपघटकों का उपयोग आवासीय तापन और बिजली बैकअप, व्यावसायिक हाइड्रोजन ईंधन भरने और औद्योगिक हाइड्रोजन उत्पादन के रूप में फीडस्टॉक सहित विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है।

पीईएम विद्युत अपघटन के सामने कौन सी प्रमुख चुनौतियाँ हैं?

मुख्य चुनौतियों में उच्च सामग्री लागत, विशेष रूप से प्लैटिनम, और लगातार स्टार्ट-स्टॉप चक्रों के तहत घटकों की टिकाऊपन शामिल हैं। हालाँकि, इन मुद्दों को दूर करने के लिए नवाचार जारी हैं।