हाइड्रोजन भंडारण को समझना: एक व्यापक वैश्विक गाइड

एक स्थायी भविष्य की ओर वैश्विक संक्रमण में हाइड्रोजन को तेजी से एक प्रमुख ऊर्जा वाहक के रूप में पहचाना जा रहा है। परिवहन, उद्योग और बिजली उत्पादन सहित विभिन्न क्षेत्रों को डीकार्बोनाइज़ करने की इसकी क्षमता महत्वपूर्ण है। हालांकि, हाइड्रोजन ऊर्जा को व्यापक रूप से अपनाना कुशल और लागत प्रभावी भंडारण समाधानों के विकास पर निर्भर करता है। यह गाइड हाइड्रोजन भंडारण के विभिन्न तरीकों, उनकी चुनौतियों और इस महत्वपूर्ण क्षेत्र में नवाचार को बढ़ावा देने वाली नवीनतम प्रगतियों का एक व्यापक अवलोकन प्रदान करता है।

हाइड्रोजन भंडारण क्यों महत्वपूर्ण है

हाइड्रोजन, प्रचुर मात्रा में होने के बावजूद, मुख्य रूप से पानी (H2O) या हाइड्रोकार्बन (जैसे, मीथेन, CH4) जैसे यौगिकों में मौजूद है। शुद्ध हाइड्रोजन निकालने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और इसके कम घनत्व और उच्च ज्वलनशीलता के कारण इसे संग्रहीत करना अद्वितीय चुनौतियां पेश करता है। कुशल भंडारण कई कारणों से महत्वपूर्ण है:

• हाइड्रोजन-संचालित परिवहन को सक्षम करना: ईंधन सेल इलेक्ट्रिक वाहनों (FCEVs) के लिए व्यावहारिक ड्राइविंग रेंज प्राप्त करने के लिए वाहनों में पर्याप्त हाइड्रोजन का भंडारण आवश्यक है।
• नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों को एकीकृत करना: हाइड्रोजन एक ऊर्जा बफर के रूप में कार्य कर सकता है, उच्च उत्पादन की अवधि के दौरान अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा (जैसे, सौर, पवन) का भंडारण करता है और मांग अधिक होने पर इसे जारी करता है, जिससे ग्रिड स्थिरता में योगदान होता है।
• औद्योगिक प्रक्रियाओं को डीकार्बोनाइज़ करना: कई औद्योगिक प्रक्रियाओं में हाइड्रोजन को फीडस्टॉक के रूप में आवश्यकता होती है। कुशल भंडारण नवीकरणीय स्रोतों से उत्पादित हाइड्रोजन की विश्वसनीय आपूर्ति की अनुमति देता है, जिससे जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम होती है।
• एक वैश्विक हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था का निर्माण: हाइड्रोजन के अंतर्राष्ट्रीय व्यापार को सुविधाजनक बनाने के लिए प्रभावी भंडारण समाधान महत्वपूर्ण हैं, जो प्रचुर मात्रा में नवीकरणीय ऊर्जा संसाधनों वाले देशों को उच्च ऊर्जा मांगों वाले देशों को हाइड्रोजन निर्यात करने में सक्षम बनाता है।

हाइड्रोजन भंडारण के तरीके

हाइड्रोजन भंडारण प्रौद्योगिकियों को मोटे तौर पर भौतिक और रासायनिक भंडारण विधियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। प्रत्येक दृष्टिकोण के भंडारण क्षमता, ऊर्जा दक्षता, लागत और सुरक्षा के मामले में अपने फायदे और नुकसान हैं।

1. भौतिक भंडारण

भौतिक भंडारण में विशिष्ट तापमान और दबाव की स्थितियों में हाइड्रोजन को गैस या तरल के रूप में संग्रहीत करना शामिल है।

क) संपीड़ित हाइड्रोजन गैस

संपीड़ित हाइड्रोजन गैस भंडारण में हाइड्रोजन को उच्च दबाव (आमतौर पर 350-700 बार, और कुछ अनुप्रयोगों में 1000 बार तक) पर संपीड़ित करना और इसे मजबूत दबाव वाहिकाओं में संग्रहीत करना शामिल है। यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध समाधानों के साथ एक अपेक्षाकृत परिपक्व तकनीक है।

लाभ:

• अपेक्षाकृत सरल तकनीक।
• तेजी से ईंधन भरने का समय।
• गैस हैंडलिंग के लिए सुस्थापित बुनियादी ढांचा।

नुकसान:

• कम आयतनिक ऊर्जा घनत्व (तरल ईंधन की तुलना में)।
• संपीड़न के लिए उच्च ऊर्जा की खपत।
• उच्च दबाव भंडारण से संबंधित सुरक्षा चिंताएं।
• भारी और स्थूल भंडारण टैंक।

उदाहरण:

संपीड़ित हाइड्रोजन का FCEVs में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, हुंडई की नेक्सो (NEXO) FCEV तीन उच्च-दबाव वाले हाइड्रोजन टैंकों का उपयोग करती है, जिनकी भंडारण क्षमता 700 बार पर 6.33 किलोग्राम है, जो 600 किमी से अधिक (WLTP मानक) की रेंज प्रदान करती है।

ख) तरल हाइड्रोजन

तरल हाइड्रोजन भंडारण में हाइड्रोजन को उसके क्रायोजेनिक क्वथनांक (-253°C) तक ठंडा करके उसे एक तरल में संघनित करना शामिल है। यह संपीड़ित गैस की तुलना में आयतनिक ऊर्जा घनत्व को काफी बढ़ा देता है।

लाभ:

• संपीड़ित गैस की तुलना में उच्च आयतनिक ऊर्जा घनत्व।
• कम भंडारण दबाव।

नुकसान:

• द्रवीकरण के लिए उच्च ऊर्जा की खपत।
• बॉइल-ऑफ हानि (टैंक में गर्मी के रिसाव के कारण हाइड्रोजन का वाष्पीकरण)।
• जटिल और महंगा क्रायोजेनिक बुनियादी ढांचा।

उदाहरण:

तरल हाइड्रोजन का उपयोग अंतरिक्ष कार्यक्रमों (जैसे, नासा का स्पेस शटल) में किया जाता है और लंबी दूरी के परिवहन अनुप्रयोगों, जैसे कि विमान और जहाजों के लिए खोजा जा रहा है। उदाहरण के लिए, एयरबस हाइड्रोजन-संचालित विमान विकसित कर रहा है जो तरल हाइड्रोजन भंडारण का उपयोग करेगा।

2. रासायनिक भंडारण

रासायनिक भंडारण में हाइड्रोजन को रासायनिक यौगिकों में संग्रहीत करना शामिल है, जो गर्मी या उत्प्रेरक जैसे ट्रिगर के साथ प्रतिक्रिया पर हाइड्रोजन छोड़ते हैं।

क) धातु हाइड्राइड्स

धातु हाइड्राइड्स कुछ धातुओं या मिश्र धातुओं के साथ हाइड्रोजन की प्रतिक्रिया से बनने वाले यौगिक हैं। हाइड्रोजन को धातु की जाली के भीतर संग्रहीत किया जाता है और हाइड्राइड को गर्म करके छोड़ा जा सकता है।

लाभ:

• संपीड़ित गैस की तुलना में उच्च आयतनिक ऊर्जा घनत्व।
• अपेक्षाकृत सुरक्षित भंडारण।
• प्रतिवर्ती भंडारण की क्षमता (हाइड्रोजन के साथ रिचार्जिंग)।

नुकसान:

• धातु हाइड्राइड सामग्री का उच्च वजन।
• अपेक्षाकृत धीमी हाइड्रोजन रिलीज गतिकी।
• कुछ धातु हाइड्राइड सामग्री की उच्च लागत।
• चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान गर्मी प्रबंधन की चुनौतियां।

उदाहरण:

लैंथेनम निकल हाइड्राइड (LaNi5H6) और मैग्नीशियम हाइड्राइड (MgH2) हाइड्रोजन भंडारण के लिए जांच किए जा रहे धातु हाइड्राइड के उदाहरण हैं। अनुसंधान मिश्रधातु और नैनोस्ट्रक्चरिंग के माध्यम से उनकी हाइड्रोजन भंडारण क्षमता और गतिकी में सुधार पर केंद्रित है। उदाहरण के लिए, जापान में शोधकर्ता उत्प्रेरकों के साथ संशोधित MgH2 आधारित प्रणालियों पर सक्रिय रूप से काम कर रहे हैं ताकि उनके प्रदर्शन में सुधार हो सके।

ख) रासायनिक हाइड्राइड

रासायनिक हाइड्राइड ऐसे यौगिक हैं जो पानी या किसी अन्य अभिकारक के साथ प्रतिक्रिया पर हाइड्रोजन छोड़ते हैं। उदाहरणों में सोडियम बोरोहाइड्राइड (NaBH4) और अमोनिया बोरेन (NH3BH3) शामिल हैं।

लाभ:

• उच्च हाइड्रोजन भंडारण क्षमता।
• परिवेश के तापमान पर स्थिर।

नुकसान:

• कुछ रासायनिक हाइड्राइड के लिए अपरिवर्तनीय हाइड्रोजन रिलीज (पुनर्जनन की आवश्यकता होती है)।
• प्रतिक्रिया और उप-उत्पाद प्रबंधन की जटिलता।
• कुछ रासायनिक हाइड्राइड की उच्च लागत।

उदाहरण:

सोडियम बोरोहाइड्राइड (NaBH4) का उपयोग कुछ ईंधन सेल अनुप्रयोगों में किया गया है। अनुसंधान खर्च किए गए बोरोहाइड्राइड को पुनर्जीवित करने के लिए कुशल तरीके विकसित करने पर केंद्रित है। अमोनिया बोरेन (NH3BH3) एक और आशाजनक रासायनिक हाइड्राइड है, लेकिन इसका पुनर्जनन एक चुनौती बना हुआ है। जर्मनी और संयुक्त राज्य अमेरिका के शोधकर्ता इन सामग्रियों के कुशल पुनर्जनन के लिए विभिन्न मार्गों की खोज कर रहे हैं।

ग) तरल कार्बनिक हाइड्रोजन वाहक (LOHCs)

LOHCs कार्बनिक तरल पदार्थ हैं जो हाइड्रोजनीकरण और डीहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं के माध्यम से हाइड्रोजन को प्रतिवर्ती रूप से बांध सकते हैं। उदाहरणों में टोल्यूनि/मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन और डाइबेंजिलटोल्यूनि/परहाइड्रो-डाइबेंजिलटोल्यूनि शामिल हैं।

लाभ:

• उच्च आयतनिक ऊर्जा घनत्व।
• मौजूदा बुनियादी ढांचे का उपयोग करके परिवहन और भंडारण में आसान।
• परिवेश की स्थितियों में अपेक्षाकृत सुरक्षित और स्थिर।

नुकसान:

• हाइड्रोजनीकरण और डीहाइड्रोजनीकरण के लिए उच्च ऊर्जा की खपत।
• उत्प्रेरक और LOHC सामग्री की लागत।
• उत्प्रेरक निष्क्रियता की संभावना।
• कई चक्रों के बाद LOHC का आंशिक क्षरण।

उदाहरण:

टोल्यूनि/मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन प्रणाली सबसे अधिक अध्ययन किए गए LOHCs में से एक है। मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन बनाने के लिए टोल्यूनि में हाइड्रोजन जोड़ा जाता है, जिसे परिवहन और संग्रहीत किया जा सकता है। फिर मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन को वापस टोल्यूनि में डीहाइड्रोजनीकृत करके हाइड्रोजन जारी किया जाता है। जापान और जर्मनी की कंपनियां LOHC-आधारित हाइड्रोजन भंडारण और परिवहन समाधानों का सक्रिय रूप से विकास और तैनाती कर रही हैं। जापान में चियोदा कॉर्पोरेशन ने अपनी स्पेरा हाइड्रोजन™ (SPERA Hydrogen™) तकनीक का उपयोग करके एक वैश्विक हाइड्रोजन आपूर्ति श्रृंखला का प्रदर्शन किया है, जो टोल्यूनि/मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन LOHC प्रणाली पर आधारित है, जो ब्रुनेई से जापान तक हाइड्रोजन का परिवहन करती है।

3. सामग्री-आधारित भंडारण (अधिशोषण)

यह विधि उच्च सतह क्षेत्र वाली सामग्रियों, जैसे सक्रिय कार्बन, धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (MOFs), और कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग हाइड्रोजन अणुओं को अधिशोषित करने के लिए करती है।

लाभ:

• संपीड़ित गैस की तुलना में अपेक्षाकृत कम भंडारण दबाव।
• कम तापमान पर उच्च हाइड्रोजन भंडारण क्षमता की संभावना।

नुकसान:

• परिवेश के तापमान पर कम हाइड्रोजन भंडारण क्षमता।
• कुछ उन्नत सामग्रियों (जैसे, MOFs) की उच्च लागत।
• सामग्री संश्लेषण और स्केल-अप में चुनौतियां।

उदाहरण:

दुनिया भर के शोधकर्ता हाइड्रोजन भंडारण के लिए नए MOFs और अन्य नैनो-छिद्रपूर्ण सामग्रियों का सक्रिय रूप से विकास और लक्षण वर्णन कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका, यूरोप और एशिया के विश्वविद्यालयों और अनुसंधान संस्थानों के वैज्ञानिक बढ़ी हुई हाइड्रोजन अधिशोषण गुणों वाले MOFs का संश्लेषण कर रहे हैं, जैसे कि बढ़ा हुआ सतह क्षेत्र और हाइड्रोजन अणुओं के साथ मजबूत अंतःक्रिया। ऐसी सामग्रियों की खोज जो परिवेश के तापमान और दबाव के करीब हाइड्रोजन को प्रभावी ढंग से संग्रहीत कर सकती हैं, एक प्रमुख केंद्र बनी हुई है।

हाइड्रोजन भंडारण में चुनौतियां और भविष्य की दिशाएं

हालांकि हाइड्रोजन भंडारण प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, फिर भी कई चुनौतियां बनी हुई हैं:

• लागत: हाइड्रोजन ऊर्जा को पारंपरिक ईंधन के साथ प्रतिस्पर्धी बनाने के लिए हाइड्रोजन भंडारण प्रणालियों की लागत को कम करना महत्वपूर्ण है। इसमें सामग्री, विनिर्माण और बुनियादी ढांचे की लागत को कम करना शामिल है।
• ऊर्जा दक्षता: हाइड्रोजन मूल्य श्रृंखला की समग्र ऊर्जा दक्षता को अधिकतम करने के लिए हाइड्रोजन भंडारण प्रक्रियाओं, जैसे कि संपीड़न, द्रवीकरण, और हाइड्रोजनीकरण/डीहाइड्रोजनीकरण की ऊर्जा दक्षता में सुधार करना आवश्यक है।
• भंडारण क्षमता: भंडारण प्रणालियों की ग्रेविमेट्रिक (वजन-आधारित) और आयतनिक (आयतन-आधारित) हाइड्रोजन भंडारण क्षमता को बढ़ाना उन अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है जहां स्थान और वजन महत्वपूर्ण कारक हैं, जैसे कि परिवहन।
• सुरक्षा: हाइड्रोजन के सुरक्षित भंडारण और संचालन को सुनिश्चित करना सर्वोपरि है। इसमें रिसाव और विस्फोट को रोकने के लिए मजबूत सुरक्षा प्रोटोकॉल और प्रौद्योगिकियों का विकास शामिल है।
• स्थायित्व: रखरखाव की लागत को कम करने और दीर्घकालिक विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए हाइड्रोजन भंडारण प्रणालियों के स्थायित्व और जीवनकाल को बढ़ाना महत्वपूर्ण है।
• बुनियादी ढांचा: हाइड्रोजन ऊर्जा को व्यापक रूप से अपनाने के लिए एक व्यापक हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे का विकास आवश्यक है, जिसमें ईंधन भरने वाले स्टेशन और पाइपलाइन शामिल हैं।
• सामग्री स्थिरता: गिरावट को रोकने और विस्तारित अवधि में प्रदर्शन बनाए रखने के लिए रासायनिक भंडारण में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की दीर्घकालिक स्थिरता को बढ़ाना महत्वपूर्ण है।

भविष्य के अनुसंधान और विकास के प्रयास इन चुनौतियों का समाधान करने और नवीन हाइड्रोजन भंडारण समाधान विकसित करने पर केंद्रित हैं। कुछ प्रमुख फोकस क्षेत्रों में शामिल हैं:

• उन्नत सामग्री: बढ़ी हुई हाइड्रोजन भंडारण गुणों वाली नई सामग्रियों का विकास, जैसे कि MOFs, सहसंयोजक कार्बनिक फ्रेमवर्क (COFs), और उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुएं।
• नैनो टेक्नोलॉजी: मौजूदा भंडारण सामग्रियों के प्रदर्शन में सुधार और नई भंडारण अवधारणाओं को बनाने के लिए नैनो टेक्नोलॉजी का उपयोग करना।
• क्रायो-संपीड़न: मध्यम दबाव पर उच्च हाइड्रोजन घनत्व प्राप्त करने के लिए क्रायोजेनिक कूलिंग को संपीड़न के साथ जोड़ना।
• विद्युत रासायनिक भंडारण: हाइड्रोजन को संग्रहीत करने के लिए विद्युत रासायनिक तरीकों की खोज, जैसे कि हाइड्रोजन बैटरी।
• बहु-कार्यात्मक सामग्री: ऐसी सामग्रियों का विकास करना जो कई कार्य कर सकती हैं, जैसे हाइड्रोजन का भंडारण और बिजली पैदा करना।
• बेहतर पुनर्जनन प्रक्रियाएं: खर्च किए गए रासायनिक हाइड्राइड को पुनर्जीवित करने के लिए अधिक कुशल और लागत प्रभावी तरीकों का विकास करना।
• अनुकूलित LOHC प्रणालियाँ: कम हाइड्रोजनीकरण/डीहाइड्रोजनीकरण तापमान और अधिक स्थिर उत्प्रेरकों के साथ LOHC प्रणालियों को डिजाइन करना।

वैश्विक पहल और निवेश

दुनिया भर की सरकारें और उद्योग हाइड्रोजन भंडारण अनुसंधान और विकास में भारी निवेश कर रहे हैं। उदाहरणों में शामिल हैं:

• अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) हाइड्रोजन कार्यक्रम: हाइड्रोजन भंडारण सहित हाइड्रोजन और ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ाने के उद्देश्य से अनुसंधान, विकास और प्रदर्शन परियोजनाओं का समर्थन करता है।
• यूरोपीय संघ की हाइड्रोजन रणनीति: इसका उद्देश्य पूरे यूरोप में हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों के विकास और तैनाती में तेजी लाना है, जिसमें हाइड्रोजन भंडारण भी शामिल है।
• हाइड्रोजन परिषद: ऊर्जा संक्रमण को बढ़ावा देने के लिए हाइड्रोजन के लिए एक संयुक्त दृष्टि और दीर्घकालिक महत्वाकांक्षा के साथ प्रमुख ऊर्जा, परिवहन, उद्योग और निवेश कंपनियों की एक वैश्विक सीईओ के नेतृत्व वाली पहल।
• राष्ट्रीय हाइड्रोजन रणनीतियाँ: ऑस्ट्रेलिया, कनाडा, जर्मनी, जापान और दक्षिण कोरिया सहित कई देशों ने राष्ट्रीय हाइड्रोजन रणनीतियाँ विकसित की हैं जिनमें हाइड्रोजन भंडारण अनुसंधान और तैनाती के लिए लक्ष्य और वित्त पोषण शामिल हैं।

निष्कर्ष

हाइड्रोजन भंडारण हाइड्रोजन ऊर्जा को व्यापक रूप से अपनाने के लिए एक महत्वपूर्ण सक्षम करने वाली तकनीक है। जबकि चुनौतियां बनी हुई हैं, चल रहे अनुसंधान और विकास के प्रयास सामग्री विज्ञान, इंजीनियरिंग और सिस्टम डिजाइन में नवाचार को बढ़ावा दे रहे हैं। जैसे-जैसे हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियां परिपक्व होती हैं और लागत कम होती जाती है, हाइड्रोजन भंडारण विभिन्न क्षेत्रों को डीकार्बोनाइज़ करने और दुनिया के लिए एक स्थायी ऊर्जा भविष्य बनाने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा। हाइड्रोजन की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी कुशल, सुरक्षित और लागत प्रभावी भंडारण समाधानों की निरंतर खोज में निहित है जो एक वैश्विक हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था की विविध आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं। इस महत्वपूर्ण क्षेत्र में प्रगति में तेजी लाने के लिए अंतर्राष्ट्रीय सहयोग और ज्ञान साझा करना आवश्यक है।