बिजली उत्पादन में हाइड्रोजन ऊर्जा का उपयोग कैसे किया जाता है

हाइड्रोजन का उपयोग करके बिजली उत्पादन मुख्य रूप से दो तरीकों से होता है: ईंधन सेल और दहन टर्बाइन, जिन्हें हाइड्रोजन के उपयोग के लिए अनुकूलित किया गया है। ईंधन सेल प्रौद्योगिकी विद्युत-रासायनिक प्रक्रियाओं के माध्यम से बिजली उत्पन्न करके काम करती है, और जब इसे ऊष्मा पुनःप्राप्ति प्रणालियों के साथ जोड़ा जाता है, तो ये लगभग 60% तक की दक्षता दर प्राप्त कर सकते हैं। प्राकृतिक गैस संचालन के लिए मूल रूप से बनाए गए कई मौजूदा दहन टर्बाइन अब हाइड्रोजन मिश्रण या यहां तक कि शुद्ध हाइड्रोजन को भी संभाल सकते हैं, जिससे ग्रिड ऑपरेटरों को स्थिर बिजली आपूर्ति बनाए रखने के लिए बहुत आवश्यक लचीलापन प्राप्त होता है। हरित हाइड्रोजन उत्पादन में इलेक्ट्रोलिसिस नामक प्रक्रिया के माध्यम से पवन और सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करके जल अणुओं को विघटित करना शामिल है। इस हरित हाइड्रोजन को तब तक संग्रहित किया जाता है जब तक नवीकरणीय ऊर्जा की उपलब्धता में गिरावट नहीं आती, जिसके बाद इसे वापस बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है। जर्मनी के उदाहरण पर विचार करें, जहां कई तट से दूर पवन स्थापनाएं पहले से ही हरित हाइड्रोजन उत्पन्न कर रही हैं। इन परियोजनाओं ने कुछ परीक्षण क्षेत्रों में कोयला संयंत्रों पर निर्भरता को लगभग 40% तक कम करने में सफलता प्राप्त की है, हालांकि परिणाम स्थानीय परिस्थितियों और कार्यान्वयन विशिष्टताओं के आधार पर भिन्न हो सकते हैं।

मौजूदा बिजली ग्रिड में हाइड्रोजन का एकीकरण

हाइड्रोजन बिजली ग्रिड को स्थिर रखते हुए उन्हें स्वच्छ बनाने में मदद करती है। जब अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा उपलब्ध होती है, तो हाइड्रोजन उसे संग्रहित कर लेती है और मांग बढ़ने पर उसे वापस छोड़ देती है। उदाहरण के लिए डेनमार्क में उनकी पायलट परियोजनाओं में पाया गया है कि नमक की गुफाओं में हाइड्रोजन के भंडारण से प्रति वर्ष लगभग 15 से 20 प्रतिशत तक ऊर्जा बर्बादी कम हो जाती है। हम ऐसी संकर व्यवस्थाओं को उभरते हुए देख रहे हैं जहां सौर फार्म इलेक्ट्रोलिसिस उपकरणों के साथ साथ काम करते हैं, हालांकि सब कुछ सुचारू रूप से काम करे इसके लिए काफी परिष्कृत ऊर्जा प्रबंधन की आवश्यकता होती है क्योंकि प्रणाली में ऊर्जा दोनों दिशाओं में प्रवाहित होती है। कैलिफोर्निया की रिन्यूएबल हाइड्रोजन बैकबोन परियोजना को देखें—वे वास्तव में गर्मी की लहरों के दौरान ग्रिड को स्थिर चलाने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करते हैं, जो हाल के समय में सामान्य संचालन को बहुत प्रभावित करती हैं।

केस अध्ययन: जर्मनी और जापान में हाइड्रोजन से चलने वाले संयंत्र

जर्मनी में एनर्जीपार्क मेन्ज़ 6 मेगावाट के इलेक्ट्रोलाइज़र को पवन ऊर्जा स्रोतों के साथ जोड़कर प्रति वर्ष लगभग 200 टन हाइड्रोजन उत्पन्न करता है। यह व्यवस्था अपने 1.4 मेगावाट ईंधन सेल प्रणाली के माध्यम से बिजली कटौती के समय लगभग 2,000 घरों को बिजली आपूर्ति प्रदान कर सकती है। प्रशांत महासागर के पार, जापान ने फुकुशिमा हाइड्रोजन एनर्जी रिसर्च फील्ड, या संक्षेप में FH2R नामक एक और बड़ी परियोजना विकसित की है। 10 मेगावाट की क्षमता के साथ, यह दुनिया का सबसे बड़ा हरित हाइड्रोजन संयंत्र है। यह न केवल टोक्यो के कुछ हिस्सों को ऊर्जा प्रदान करने में मदद करता है, बल्कि शोधकर्ता समुद्र के पार हाइड्रोजन परिवहन के प्रयोग के लिए भी इसका उपयोग करते हैं। इन परियोजनाओं को खास बनाता है उनकी लगभग 95% की उल्लेखनीय दक्षता दर। वे इस उच्च प्रदर्शन को इसलिए प्राप्त करते हैं क्योंकि वे इलेक्ट्रिकल ग्रिड की वास्तविक आवश्यकता के आधार पर हाइड्रोजन उत्पादन की मात्रा को समायोजित करते हैं।

आधारभूत बिजली आपूर्ति के लिए हाइड्रोजन के आकार में चुनौतियाँ

आधारभूत बिजली आपूर्ति में हाइड्रोजन की भूमिका को सीमित करने वाली तीन प्रमुख बाधाएँ हैं:

• लागत : इलेक्ट्रोलाइज़र की पूंजीगत लागत प्राकृतिक गैस टर्बाइनों की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक बनी हुई है।
• दक्षता में हानि : बिजली को हाइड्रोजन में और वापस बदलने की चक्रीय प्रक्रिया से 30–35% ऊर्जा की हानि होती है।
• बुनियादी संरचना : विश्व स्तर पर कम से कम 15% गैस पाइपलाइनें ही सुरक्षित रूप से 20% से अधिक हाइड्रोजन मिश्रण ले जा सकती हैं।

2021 में एक उद्योग समीक्षा ने ईंधन सेल की स्थायित्व और पाइपलाइन के भंगुर होने को मुख्य अनुसंधान एवं विकास के प्राथमिकता के रूप में उजागर किया, जिसमें 2040 तक बुनियादी ढांचे के अद्यतन के लिए लगभग 1.2 ट्रिलियन डॉलर का अनुमान लगाया गया। यद्यपि हाइड्रोजन नवीकरणीय ऊर्जा की पूरक है, फिलहाल यह व्यापक स्तर पर आधारभूत ऊर्जा तैनाती के लिए लागत समानता के अभाव में है।

हीटिंग के लिए हाइड्रोजन: औद्योगिक और आवासीय प्रणालियों का डीकार्बोनीकरण

हीटिंग प्रणालियों के डीकार्बोनीकरण में हाइड्रोजन ऊर्जा की भूमिका

ऊर्जा की खपत से होने वाले वैश्विक CO2 उत्सर्जन में से लगभग 40 प्रतिशत गर्मी उत्पादन से आता है, जो कि पिछले साल के IEA डेटा के अनुसार है, जिसके कारण कई विशेषज्ञ हाइड्रोजन को औद्योगिक भट्ठियों और घरेलू बॉयलर दोनों में जीवाश्म ईंधन के स्थान पर एक वास्तविक गेम चेंजर के रूप में देखते हैं। हाइड्रोजन के लगभग 2800 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर जलने का तथ्य इसे इस्पात उत्पादन जैसे भारी उद्योगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाता है। ईंधन सेल माइक्रो संयुक्त ऊष्मा और बिजली प्रणालियों के कुछ परीक्षणों ने जिला गर्मी नेटवर्क के लिए उपयोग करने पर लगभग 90 प्रतिशत दक्षता तक पहुंचकर प्रभावशाली परिणाम भी दिखाए। यह दिलचस्प है कि वर्तमान गैस पाइपलाइनों के लगभग 20% में हाइड्रोजन बिना बुनियादी ढांचे में किसी बदलाव के काफी अच्छी तरह काम करती है, जो विभिन्न क्षेत्रों में इस तकनीक के अपनाने की गति को वास्तव में तेज कर सकता है।

पाइपलाइनों में प्राकृतिक गैस के साथ हाइड्रोजन का मिश्रण

मौजूदा गैस नेटवर्क में हाइड्रोजन को मिलाने से एक संक्रमणकालीन मार्ग प्रस्तावित होता है:

यूरोपीय परीक्षणों में दिखाया गया है कि सुरक्षित संचालन बनाए रखते हुए 20% मिश्रण वार्षिक उत्सर्जन को 6 मिलियन टन तक कम कर सकता है। हालाँकि, हाइड्रोजन के आयतनिक ऊर्जा घनत्व के कम होने के कारण, उच्च मिश्रण स्तरों पर प्रवाह दर में 15–25% की वृद्धि करनी चाहिए।

घरेलू तापन के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करते हुए यूके और नीदरलैंड्स में पायलट परियोजनाएँ

यूके में हाइड्रोडिप्लॉय कार्यक्रम ने लगभग 300 घरों के लिए गैस आपूर्ति में लगभग 20% तक हाइड्रोजन मिलाने में सफलता प्राप्त की, और अधिकांश लोगों को इससे संतुष्टि हुई - लगभग 10 में से 8 प्रतिभागियों ने संतुष्टि व्यक्त की। नीदरलैंड्स में चीजें और भी दिलचस्प हो गईं, जहाँ H2Stad प्रयोग के तहत वास्तव में 1,500 घरों को पूरी तरह से हाइड्रोजन संचालित बॉयलर पर स्विच कर दिया गया। परिणाम भी काफी शानदार थे क्योंकि इससे नियमित प्राकृतिक गैस प्रणालियों की तुलना में ऊष्मा से संबंधित उत्सर्जन में लगभग 90% तक की कमी आई। यद्यपि ये परीक्षण कार्यक्रम दिखाते हैं कि हाइड्रोजन बड़े पैमाने पर काम कर सकती है, लेकिन कुछ चिंताएं भी हैं जिनका उल्लेख करना उचित है। सामग्री पर परीक्षणों से पता चलता है कि यदि पाइपलाइनें लगातार पूर्ण हाइड्रोजन चलाती हैं, तो उनके उपयोगी जीवन में लगभग 12% से लेकर शायद 18% तक की कमी आ सकती है। यह बहुत अच्छी खबर नहीं है, लेकिन उचित योजना के साथ अभी भी प्रबंधन योग्य है।

हाइड्रोजन-आधारित तापन में दक्षता और सुरक्षा के मुद्दे

हाइड्रोजन बॉयलर लगभग 85 से 90 प्रतिशत दक्षता पर काम करते हैं, जो वास्तव में प्राकृतिक गैस की तुलना में थोड़ा कम है, जो लगभग 94% पर होती है। हाइड्रोजन के बारे में यह बात है कि यह मीथेन के 0.3 mJ की तुलना में केवल 0.02 mJ की आवश्यकता होने के कारण बहुत आसानी से आग पकड़ लेती है। इसका अर्थ है कि हमें ऐसी उच्च-गुणवत्ता वाली लीक डिटेक्शन प्रणाली की आवश्यकता है जो न्यूनतम मात्रा, शायद केवल 1% सांद्रता का भी पता लगा सके। DNV के 2023 के कुछ हालिया अध्ययनों के अनुसार, हाइड्रोजन पॉलीएथिलीन पाइपों के माध्यम से सामान्य गैस की तुलना में लगभग 30 गुना तेजी से रिसती है। इस समस्या के कारण, अधिकांश पुराने पाइप नेटवर्क में अंततः विशेष कंपोजिट लाइनर लगाने की आवश्यकता होगी। और उचित वेंटिलेशन के बारे में भी मत भूलें। जब इमारतों को उचित तरीके से पुनर्निर्मित किया जाता है, तो इस साधारण उपाय से विस्फोट के खतरे में लगभग 92% तक की कमी आ सकती है।

परिवहन में हाइड्रोजन: ईंधन सेल से लेकर विमानन तक

स्वच्छ परिवहन विकल्प के रूप में हाइड्रोजन ईंधन सेल वाहन

ईंधन सेल इलेक्ट्रिक वाहन सेल के अंदर रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा शक्ति उत्पन्न करके काम करते हैं, और मूल रूप से वे सिर्फ जल वाष्प को निकास के रूप में छोड़ते हैं। बड़ा लाभ यह है कि ईंधन भरने में पांच मिनट से भी कम का समय लगता है, और इन गाड़ियों को फिर से ईंधन भरने की आवश्यकता होने से पहले 500 किलोमीटर से अधिक की दूरी तय कर सकते हैं। लंबी दूरी के ट्रकों और कार्गो जहाजों जैसी चीजों के लिए, यह उन्हें नियमित बैटरियों की तुलना में बेहतर बनाता है क्योंकि वे कम जगह में अधिक ऊर्जा समाहित करते हैं बिना बहुत अधिक कार्गो स्थान खोए। टोयोटा और हुंडई जैसी कंपनियों ने हाल ही में अपनी बड़ी परिवहन आवश्यकताओं के लिए हाइड्रोजन तकनीक में वास्तविक निवेश शुरू कर दिया है।

कैलिफोर्निया और दक्षिण कोरिया में हाइड्रोजन बसों और ट्रकों का अपनापन

कैलिफोर्निया की H2 फ्रंटियर परियोजना ने 2023 के बाद से 12 परिवहन जिलों में 50 से अधिक हाइड्रोजन-संचालित बसों को तैनात किया है, जिससे प्रति वर्ष 1,200 टन उत्सर्जन में कमी आई है। दक्षिण कोरिया में, उल्सान हाइड्रोजन पोर्ट पास के तट से दूर पवन ऊर्जा से संचालित इलेक्ट्रोलाइज़र्स के समर्थन से कंटेनर परिवहन के लिए 120 ईंधन सेल ट्रक संचालित करता है।

जर्मनी और फ्रांस में हाइड्रोजन से चलने वाली रेलगाड़ियाँ

जर्मनी की कोराडिया iLint रेलगाड़ियों ने 2023 में 220,000 उत्सर्जन-मुक्त किलोमीटर की यात्रा पूरी की। फ्रांस की TER ऑक्सिटेनी लाइन ने 15 डीजल इकाइयों को हाइड्रोजन संकर रेलगाड़ियों से बदल दिया है, जो गैर-विद्युतीकृत मार्गों पर रेंज बढ़ाने के लिए छत पर लगी ईंधन सेल का उपयोग करती हैं।

समुद्री और विमानन क्षेत्रों में उभरते अनुप्रयोग

समुद्री ऑपरेटर उत्तरी सागर में चार मालवाहक जहाजों को ईंधन देने के लिए हाइड्रोजन से प्राप्त अमोनिया का उपयोग कर रहे हैं, जिससे भारी ईंधन तेल की तुलना में CO2 उत्सर्जन में 85% की कमी आती है। विमानन में, तरल हाइड्रोजन दहन से चलने वाले शून्य-उत्सर्जन क्षेत्रीय विमानों को 2035 तक सेवा में आने की उम्मीद है, जिनके वर्तमान प्रोटोटाइप ने 750 किमी की परीक्षण उड़ान पूरी कर ली है।

हाइड्रोजन ईंधन भरने के नेटवर्क के लिए बुनियादी ढांचे की चुनौतियाँ

विश्व स्तर पर 1,000 से कम हाइड्रोजन ईंधन भरने के स्टेशन मौजूद हैं, जिनमें से 42% यूरोप में और 38% एशिया में हैं। उच्च दबाव वाले भंडारण की लागत अभी भी महंगी बनी हुई है—2024 में प्रति किलोग्राम 1,800 डॉलर की दर से—और पाइपलाइन सामग्री की भंगुरता बड़े पैमाने पर वितरण के लिए चुनौतियाँ पैदा करती है।

हरित हाइड्रोजन उत्पादन: स्थायी विधियों को बढ़ावा देना

धूसर बनाम नीला बनाम हरित हाइड्रोजन: पर्यावरणीय और आर्थिक व्यापार-ऑफ़

हाइड्रोजन उत्पादित करने के काफी कुछ अलग-अलग तरीके हैं, और उन सभी का अपना पर्यावरणीय प्रभाव और मूल्य है। ग्रे हाइड्रोजन भाप मीथेन रिफॉर्मिंग (SMR) से आती है और हर किलोग्राम बने हाइड्रोजन के लिए 9 से 12 किलोग्राम CO2 छोड़ती है। लागत क्या है? अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी के अनुसार 2023 में लगभग $1.50 से $2.80 प्रति किलोग्राम। फिर नीली हाइड्रोजन है जो मूल रूप से उसी SMR प्रक्रिया को लेती है लेकिन कार्बन कैप्चर तकनीक जोड़ती है। इससे उत्सर्जन में लगभग 80 से 90 प्रतिशत की कमी आती है, हालाँकि यह चीजों को लगभग $2.50 से $4 प्रति किलोग्राम के आसपास अधिक महंगा बना देता है। और अंत में हमें हरित हाइड्रोजन मिलती है, जो तब बनती है जब नवीकरणीय स्रोतों से बिजली इलेक्ट्रोलिसिस उपकरण को शक्ति प्रदान करती है। इस विधि से कोई सीधा उत्सर्जन नहीं होता है और वर्तमान में यह प्रति किलोग्राम $3 से $5 के बीच चलता है। वास्तव में, यह कुछ साल पहले की तुलना में काफी कम है जब कीमतें लगभग $4 से $6 प्रति किलोग्राम के आसपास थीं।

हरित हाइड्रोजन ऊर्जा उत्पादन में वृद्धि के लिए विद्युत अपघटन में प्रगति

प्रोटॉन विनिमय झिल्ली (PEM) विद्युत अपघटक अब 75–83% दक्षता तक पहुँच गए हैं, जो 2010 में 60% थी। क्षारीय प्रणाली 65–70% दक्षता के साथ 60,000 घंटे से अधिक के आयुष्य के साथ संचालित होती हैं। ठोस ऑक्साइड विद्युत अपघटक (SOEC), जो 700–900°C पर संचालित होते हैं, ने परीक्षणों में 85% दक्षता प्राप्त की है, जो औद्योगिक स्तर पर हरित हाइड्रोजन उत्पादन की संभावना दर्शाती है (ScienceDirect 2024)।

अक्षय ऊर्जा से संचालित हाइड्रोजन उत्पादन की लागत प्रवृत्ति और मापनीयता

सौर ऊर्जा से संचालित इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन के उत्पादन की लागत में 2015 के बाद से लगभग 62% की भारी गिरावट आई है। 2024 में हम अब प्रति किलोग्राम 3 डॉलर से 4.50 डॉलर के बीच की कीमतें देख रहे हैं। ऑस्ट्रेलिया में, पवन फार्म प्रति वर्ष लगभग 1,000 टन हरित हाइड्रोजन प्रति किलोग्राम लगभग 3.80 डॉलर की दर से उत्पादित कर रहे हैं। वहीं चीन में, बड़े पैमाने पर इलेक्ट्रोलाइज़र स्थापना प्रत्येक वर्ष उत्पादन को और सस्ता बना रही है, जिससे लागत में प्रतिवर्ष लगभग 18% की कमी आ रही है। आगे देखें तो, ब्लूमबर्गएनईएफ के अनुसार, 2030 तक हरित हाइड्रोजन की कीमत केवल प्रति किलोग्राम 1.50 डॉलर तक पहुँच सकती है। ऐसा तब होगा जब नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत अपने तेजी से विस्तार को जारी रखेंगे, जिससे विश्व स्तर पर सभी नए बिजली उत्पादन का लगभग 85% हिस्सा बनने की उम्मीद है।

सामान्य प्रश्न

हाइड्रोजन का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करने के मुख्य तरीके क्या हैं? मुख्य तरीके ईंधन सेल और हाइड्रोजन के लिए अनुकूलित दहन टर्बाइन के माध्यम से हैं।
हाइड्रोजन बिजली ग्रिड की स्थिरता में कैसे योगदान देता है? हाइड्रोजन अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करता है और मांग के चरम पर होने पर इसे मुक्त कर ग्रिड स्थिरता सुनिश्चित करता है।
आधारभूत ऊर्जा के लिए हाइड्रोजन के उपयोग में वर्तमान में कुछ प्रमुख चुनौतियाँ क्या हैं? ऊर्जा रूपांतरण के दौरान उच्च लागत, दक्षता में हानि और बुनियादी ढांचे की सीमाएँ प्रमुख चुनौतियाँ हैं।
हाइड्रोजन का उपयोग तापन प्रणालियों में कैसे किया जाता है? हाइड्रोजन औद्योगिक और आवासीय तापन प्रणालियों में जीवाश्म ईंधन के स्थान पर एक स्थायी विकल्प प्रदान कर सकता है।
हरित हाइड्रोजन उत्पादन में कौन सी प्रगति हुई है? इलेक्ट्रोलिसिस तकनीक में विकास और बड़े पैमाने पर स्थापनाओं ने लागत में काफी कमी की है और दक्षता में वृद्धि की है।