हायड्रोजन स्टोरेज समजून घेणे: एक सर्वसमावेशक जागतिक मार्गदर्शक

जग शाश्वत भविष्याकडे वाटचाल करत असताना, हायड्रोजनला एक प्रमुख ऊर्जा वाहक म्हणून अधिकाधिक मान्यता मिळत आहे. वाहतूक, उद्योग आणि ऊर्जा निर्मिती यासारख्या विविध क्षेत्रांना कार्बनमुक्त करण्याची क्षमता यात आहे, जी महत्त्वपूर्ण आहे. तथापि, हायड्रोजन ऊर्जेचा मोठ्या प्रमाणावर स्वीकार कार्यक्षम आणि किफायतशीर स्टोरेज सोल्यूशन्सच्या विकासावर अवलंबून आहे. हे मार्गदर्शन हायड्रोजन स्टोरेजच्या विविध पद्धती, त्यांची आव्हाने आणि या महत्त्वपूर्ण क्षेत्रात चालना देणाऱ्या नवीनतम प्रगती यांचा सर्वसमावेशक आढावा प्रदान करते.

हायड्रोजन स्टोरेज महत्त्वाचे का आहे

हायड्रोजन, मुबलक असूनही, प्रामुख्याने पाणी (H2O) किंवा हायड्रोकार्बन (उदा. मिथेन, CH4) सारख्या संयुगांमध्ये आढळतो. शुद्ध हायड्रोजन काढण्यासाठी ऊर्जा आवश्यक आहे आणि त्याच्या कमी घनतेमुळे आणि उच्च ज्वलनशीलतेमुळे ते साठवणे एक अद्वितीय आव्हान आहे. कार्यक्षम स्टोरेज अनेक कारणांसाठी आवश्यक आहे:

• हायड्रोजन-आधारित वाहतुकीस सक्षम करणे: ईंधन सेल इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी (FCEVs) व्यावहारिक ड्रायव्हिंग रेंज साध्य करण्यासाठी वाहनांवर पुरेसा हायड्रोजन साठवणे आवश्यक आहे.
• erneable ऊर्जा स्रोतांचे एकत्रीकरण: हायड्रोजन ऊर्जा बफर म्हणून कार्य करू शकते, जास्त erneable ऊर्जा (उदा. सौर, वारा) उच्च उत्पादनाच्या काळात साठवते आणि मागणी जास्त असताना ते सोडते, ज्यामुळे ग्रिड स्थिरतेस हातभार लागतो.
• औद्योगिक प्रक्रियांचे निर्वनीकरण: अनेक औद्योगिक प्रक्रियांसाठी हायड्रोजनची आवश्यकता असते. कार्यक्षम स्टोरेज erneable स्रोतांपासून उत्पादित हायड्रोजनचा विश्वसनीय पुरवठा करण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे जीवाश्म इंधनावर अवलंबित्व कमी होते.
• एक जागतिक हायड्रोजन अर्थव्यवस्था तयार करणे: हायड्रोजनच्या आंतरराष्ट्रीय व्यापारास सुलभ करण्यासाठी प्रभावी स्टोरेज सोल्यूशन्स आवश्यक आहेत, ज्यामुळे मुबलक erneable ऊर्जा संसाधने असलेल्या देशांना जास्त ऊर्जा मागणी असलेल्यांना हायड्रोजन निर्यात करता येईल.

हायड्रोजन स्टोरेजच्या पद्धती

हायड्रोजन स्टोरेज तंत्रज्ञानाचे मोठ्या प्रमाणावर भौतिक आणि रासायनिक स्टोरेज पद्धतींमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते. स्टोरेज क्षमता, ऊर्जा कार्यक्षमते, खर्च आणि सुरक्षिततेच्या दृष्टीने प्रत्येक दृष्टिकोन त्याचे फायदे आणि तोटे आहेत.

1. भौतिक स्टोरेज

भौतिक स्टोरेजमध्ये विशिष्ट तापमान आणि दाब स्थितीत वायू किंवा द्रव स्वरूपात हायड्रोजन साठवणे समाविष्ट आहे.

अ) संकुचित हायड्रोजन वायू

संकुचित हायड्रोजन वायू स्टोरेजमध्ये हायड्रोजनला उच्च दाबावर (सामान्यतः 350-700 बार, आणि काही ऍप्लिकेशन्समध्ये 1000 बार पर्यंत) संकुचित करणे आणि ते मजबूत प्रेशर व्हॅसल्समध्ये साठवणे समाविष्ट आहे. हे एक तुलनेने परिपक्व तंत्रज्ञान आहे ज्यामध्ये व्यावसायिकदृष्ट्या उपलब्ध सोल्यूशन्स आहेत.

फायदे:

• तुलनेने सोपे तंत्रज्ञान.
• जलद इंधन भरण्याची वेळ.
• गॅस हाताळणीसाठी चांगली स्थापित पायाभूत सुविधा.

तोटे:

• कमी व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता (लिक्विड इंधनाच्या तुलनेत).
• संकुचिततेसाठी उच्च ऊर्जा वापर.
• उच्च-दाब स्टोरेज संबंधित सुरक्षिततेची चिंता.
• जड आणि मोठ्या स्टोरेज टाक्या.

उदाहरणे:

संकुचित हायड्रोजनचा FCEVs मध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. उदाहरणार्थ, Hyundai चे NEXO FCEV तीन उच्च-दाब हायड्रोजन टाक्या वापरते ज्यामध्ये 700 बार येथे 6.33 किलो साठवण क्षमता आहे, जी 600 किमी पेक्षा जास्त (WLTP मानक) श्रेणी प्रदान करते.

ब) लिक्विड हायड्रोजन

लिक्विड हायड्रोजन स्टोरेजमध्ये हायड्रोजनला त्याच्या क्रायोजेनिक उकळत्या बिंदूपर्यंत (-253°C) थंड करणे समाविष्ट आहे, ज्यामुळे ते द्रवात जमा होते. यामुळे संकुचित वायूच्या तुलनेत व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता मोठ्या प्रमाणात वाढते.

फायदे:

• संकुचित वायू पेक्षा जास्त व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता.
• कमी स्टोरेज प्रेशर.

तोटे:

• द्रवीकरणासाठी उच्च ऊर्जा वापर.
• उकळणे कमी होणे (टँकमध्ये उष्णता गळतीमुळे हायड्रोजनचे बाष्पीभवन).
• गुंतागुंतीची आणि महागडी क्रायोजेनिक पायाभूत सुविधा.

उदाहरणे:

लिक्विड हायड्रोजनचा वापर अवकाश कार्यक्रमांमध्ये (उदा. NASA चे स्पेस शटल) केला जातो आणि विमान आणि जहाजे यासारख्या लांब पल्ल्याच्या वाहतूक ऍप्लिकेशन्ससाठी याचा शोध घेतला जात आहे. उदाहरणार्थ, एअरबस हायड्रोजन-आधारित विमानांचा विकास करत आहे जे लिक्विड हायड्रोजन स्टोरेजचा वापर करेल.

2. रासायनिक स्टोरेज

रासायनिक स्टोरेजमध्ये रासायनिक संयुगांमध्ये हायड्रोजन साठवणे समाविष्ट असते, जे उष्णता किंवा उत्प्रेरक (catalyst) सारख्या ट्रिगरवर हायड्रोजन सोडतात.

अ) धातू हायड्राइड

मेटल हायड्राइड हे विशिष्ट धातू किंवा मिश्रधातू (alloy) यांच्याशी हायड्रोजनच्या प्रतिक्रियेतून तयार झालेले संयुग आहेत. हायड्रोजन धातूच्या जाळीमध्ये साठवला जातो आणि हायड्राइड गरम करून सोडला जाऊ शकतो.

फायदे:

• संकुचित वायू पेक्षा जास्त व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता.
• तुलनेने सुरक्षित स्टोरेज.
• उलट करता येण्याजोगे स्टोरेजची क्षमता (हायड्रोजनने रिचार्जिंग).

तोटे:

• मेटल हायड्राइड सामग्रीचे उच्च वजन.
• तुलनेने हळू हायड्रोजन सोडण्याची गती.
• काही मेटल हायड्राइड सामग्रीची उच्च किंमत.
• चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग दरम्यान उष्णता व्यवस्थापनाची आव्हाने.

उदाहरणे:

लॅन्थनम निकेल हायड्राइड (LaNi5H6) आणि मॅग्नेशियम हायड्राइड (MgH2) हे हायड्रोजन स्टोरेजसाठी तपासले जात असलेल्या मेटल हायड्राइडची उदाहरणे आहेत. संशोधन त्यांच्या हायड्रोजन स्टोरेज क्षमतेत सुधारणा आणि मिश्रधातू (alloying) आणि नॅनोस्ट्रक्चरिंगद्वारे गती वाढवण्यावर केंद्रित आहे. उदाहरणार्थ, जपानमधील संशोधक MgH2 आधारित प्रणालींवर सक्रियपणे कार्य करत आहेत, जे त्यांच्या कार्यक्षमतेत सुधारणा करण्यासाठी उत्प्रेरक (catalyst) सह सुधारित केले आहेत.

ब) रासायनिक हायड्राइड

रासायनिक हायड्राइड हे असे संयुग आहेत जे पाणी किंवा इतर अभिकर्मक (reactant) यांच्याशी रासायनिक क्रियेनंतर हायड्रोजन सोडतात. सोडियम बोरोहायड्राइड (NaBH4) आणि अमोनिया बोरेन (NH3BH3) हे याची उदाहरणे आहेत.

फायदे:

• उच्च हायड्रोजन स्टोरेज क्षमता.
• ambient तापमानावर स्थिर.

तोटे:

• काही रासायनिक हायड्राइडसाठी अपरिवर्तनीय हायड्रोजन उत्सर्जन (पुनरुत्पादनाची आवश्यकता).
• प्रतिक्रियेची जटिलता आणि उप-उत्पादन व्यवस्थापन.
• काही रासायनिक हायड्राइडची उच्च किंमत.

उदाहरणे:

सोडियम बोरोहायड्राइड (NaBH4) चा वापर काही ईंधन सेल ऍप्लिकेशन्समध्ये केला गेला आहे. संशोधनामध्ये खर्च झालेल्या बोरोहायड्राइडच्या पुनरुत्पादनासाठी कार्यक्षम पद्धती विकसित करण्यावर लक्ष केंद्रित केले जात आहे. अमोनिया बोरेन (NH3BH3) हे आणखी एक आशादायक रासायनिक हायड्राइड आहे, परंतु त्याचे पुनरुत्पादन अजूनही एक आव्हान आहे. जर्मनी आणि अमेरिकेतील संशोधक या सामग्रीच्या कार्यक्षम पुनरुत्पादनासाठी विविध मार्ग शोधत आहेत.

क) लिक्विड ऑर्गेनिक हायड्रोजन कॅरियर्स (LOHCs)

LOHCs हे सेंद्रिय द्रव आहेत जे हायड्रोजनेशन आणि डिहायड्रोजनेशन प्रतिक्रियांद्वारे हायड्रोजनला उलट दिशेने बांधू शकतात. टोलोइन/मेथिलसायक्लोहेक्सेन आणि डिबेन्झिल्टोलोइन/परहाइड्रो-डिबेन्झिल्टोलोइन हे याची उदाहरणे आहेत.

फायदे:

• उच्च व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता.
• सध्याच्या पायाभूत सुविधांचा वापर करून वाहतूक आणि साठवणे सोपे आहे.
• ambient परिस्थितीत तुलनेने सुरक्षित आणि स्थिर.

तोटे:

• हायड्रोजनेशन आणि डिहायड्रोजनेशनसाठी उच्च ऊर्जा वापर.
• उत्प्रेरक आणि LOHC सामग्रीची किंमत.
• उत्प्रेरक निष्क्रिय होण्याची शक्यता.
• एकाधिक चक्रांवर LOHC चे अंशतः विघटन.

उदाहरणे:

टोलोइन/मेथिलसायक्लोहेक्सेन प्रणाली हे सर्वात जास्त अभ्यासलेल्या LOHCs पैकी एक आहे. हायड्रोजन टोलोइनमध्ये मिसळून मेथिलसायक्लोहेक्सेन तयार केला जातो, ज्याची वाहतूक आणि साठवणूक करता येते. त्यानंतर, मेथिलसायक्लोहेक्सेनला डिहायड्रोजनेटिंग करून टोलोइनमध्ये परत हायड्रोजन सोडला जातो. जपान आणि जर्मनीमधील कंपन्या LOHC-आधारित हायड्रोजन स्टोरेज आणि वाहतूक सोल्यूशन्स सक्रियपणे विकसित करत आहेत आणि तैनात करत आहेत. जपानमधील Chiyoda Corporation ने टोलोइन/मेथिलसायक्लोहेक्सेन LOHC प्रणालीवर आधारित, SPERA हायड्रोजन™ तंत्रज्ञानाचा वापर करून ब्रुनेईमधून जपानमध्ये हायड्रोजनची वाहतूक करून जागतिक हायड्रोजन पुरवठा साखळीचे प्रदर्शन केले आहे.

3. मटेरियल-आधारित स्टोरेज (शोषण)

ही पद्धत सक्रिय कार्बन, मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOFs) आणि कार्बन नॅनोट्यूब्ससारख्या उच्च पृष्ठभागाच्या क्षेत्रातील सामग्रीचा वापर हायड्रोजन रेणू शोषण्यासाठी करते.

फायदे:

• संकुचित वायूच्या तुलनेत तुलनेने कमी स्टोरेज प्रेशर.
• कमी तापमानावर उच्च हायड्रोजन स्टोरेजची क्षमता.

तोटे:

• ambient तापमानावर कमी हायड्रोजन स्टोरेज क्षमता.
• काही प्रगत सामग्रीची उच्च किंमत (उदा. MOFs).
• सामग्री संश्लेषण (synthesis) आणि स्केल-अप मधील आव्हाने.

उदाहरणे:

जगभरातील संशोधक हायड्रोजन स्टोरेजसाठी नवीन MOFs आणि इतर नॅनोपोरस सामग्री सक्रियपणे विकसित आणि वैशिष्ट्यीकृत करत आहेत. उदाहरणार्थ, अमेरिके, युरोप आणि आशियातील विद्यापीठे आणि संशोधन संस्थांमधील शास्त्रज्ञ MOFs तयार करत आहेत, ज्यात हायड्रोजन शोषणाचे गुणधर्म वाढलेले आहेत, जसे की पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढवणे आणि हायड्रोजन रेणूंशी मजबूत संवाद. जवळपासच्या ambient तापमानावर आणि दाबांवर हायड्रोजन प्रभावीपणे साठवू शकणाऱ्या सामग्रीचा शोध घेणे हे अजूनही एक महत्त्वाचे लक्ष आहे.

हायड्रोजन स्टोरेजमधील आव्हाने आणि भविष्यातील दिशा

हायड्रोजन स्टोरेज तंत्रज्ञानात महत्त्वपूर्ण प्रगती झाली असली तरी, अनेक आव्हाने अजूनही बाकी आहेत:

• खर्च: हायड्रोजन ऊर्जा (energy) पारंपरिक इंधनांशी स्पर्धात्मक बनवण्यासाठी हायड्रोजन स्टोरेज सिस्टमची किंमत कमी करणे आवश्यक आहे. यामध्ये सामग्री, उत्पादन आणि पायाभूत सुविधांचा खर्च कमी करणे समाविष्ट आहे.
• ऊर्जा कार्यक्षमते: हायड्रोजन मूल्य साखळीची एकूण ऊर्जा कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी हायड्रोजन स्टोरेज प्रक्रियेची ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारणे, जसे की संकुचित करणे, द्रवीकरण करणे आणि हायड्रोजनेशन/डीहायड्रोजनेशन आवश्यक आहे.
• स्टोरेज क्षमता: वाहतुकीसारख्या ऍप्लिकेशन्ससाठी स्टोरेज सिस्टमची गुरुत्वीय (weight-based) आणि व्हॉल्यूमेट्रिक (volume-based) हायड्रोजन स्टोरेज क्षमता वाढवणे आवश्यक आहे, जेथे जागा आणि वजन हे महत्त्वपूर्ण घटक आहेत.
• सुरक्षितता: हायड्रोजनचे सुरक्षित स्टोरेज (storage) आणि हाताळणी सुनिश्चित करणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. यामध्ये गळती (leaks) आणि स्फोट (explosions) टाळण्यासाठी मजबूत सुरक्षा प्रोटोकॉल आणि तंत्रज्ञान विकसित करणे समाविष्ट आहे.
• टिकाऊपणा: देखभाल खर्च कमी करण्यासाठी आणि दीर्घकाळ विश्वासार्हता सुनिश्चित करण्यासाठी हायड्रोजन स्टोरेज सिस्टमची टिकाऊपणा आणि आयुर्मान वाढवणे महत्त्वाचे आहे.
• पायाभूत सुविधा: हायड्रोजन ऊर्जेचा मोठ्या प्रमाणावर अवलंब करण्यासाठी, रिफ्युएलिंग स्टेशन्स (refueling stations) आणि पाइपलाइन (pipelines) यासह व्यापक हायड्रोजन पायाभूत सुविधा विकसित करणे आवश्यक आहे.
• सामग्रीची स्थिरता: रासायनिक स्टोरेजमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सामग्रीची दीर्घकालीन स्थिरता वाढवणे, ऱ्हास (degradation) टाळण्यासाठी आणि विस्तारित कालावधीत कार्यक्षमतेची देखभाल करणे महत्त्वाचे आहे.

भविष्यातील संशोधन आणि विकास (research and development) प्रयत्न या आव्हानांना सामोरे जाण्यावर आणि नाविन्यपूर्ण हायड्रोजन स्टोरेज सोल्यूशन्स विकसित करण्यावर केंद्रित आहेत. काही प्रमुख क्षेत्रांमध्ये हे समाविष्ट आहे:

• प्रगत सामग्री: हायड्रोजन स्टोरेजचे गुणधर्म वाढवणाऱ्या नवीन सामग्री विकसित करणे, जसे की MOFs, कोव्हलेंट ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (COFs), आणि उच्च-एन्ट्रापी मिश्र धातु (alloys).
• नॅनोतंत्रज्ञान: अस्तित्वात असलेल्या स्टोरेज सामग्रीची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी आणि नवीन स्टोरेज संकल्पना तयार करण्यासाठी नॅनोतंत्रज्ञानाचा वापर करणे.
• क्रायो-संकुचित (cryo-compression): मध्यम दाबांवर उच्च हायड्रोजन घनता (density) साध्य करण्यासाठी क्रायोजेनिक कूलिंग (cryogenic cooling) संकुचिततेसह एकत्रित करणे.
• इलेक्ट्रोकेमिकल स्टोरेज: हायड्रोजन बॅटरीसारख्या हायड्रोजन साठवण्यासाठी इलेक्ट्रोकेमिकल पद्धतींचा शोध घेणे.
• मल्टी-फंक्शनल मटेरियल: हायड्रोजन साठवणे आणि वीज निर्माण करणे यासारखी अनेक कार्ये करू शकणाऱ्या सामग्रीचा विकास करणे.
• सुधारित पुनरुत्पादन प्रक्रिया: खर्चिक रासायनिक हायड्राइडचे पुनरुत्पादन करण्यासाठी अधिक कार्यक्षम पद्धती विकसित करणे.
• इष्टतम LOHC प्रणाली: कमी हायड्रोजनेशन/डीहायड्रोजनेशन तापमान आणि अधिक स्थिर उत्प्रेरक (catalysts) असलेल्या LOHC प्रणाली डिझाइन करणे.

जागतिक उपक्रम आणि गुंतवणूक

जगभरातील सरकारे आणि उद्योग हायड्रोजन स्टोरेज संशोधन आणि विकासात मोठ्या प्रमाणावर गुंतवणूक करत आहेत. याची उदाहरणे खालीलप्रमाणे आहेत:

• यू.एस. ऊर्जा विभाग (DOE) हायड्रोजन कार्यक्रम: हायड्रोजन स्टोरेजसह हायड्रोजन आणि ईंधन सेल तंत्रज्ञानाला चालना देण्यासाठी संशोधन, विकास आणि प्रात्यक्षिक प्रकल्पांना समर्थन देते.
• युरोपियन युनियनची हायड्रोजन रणनीती: हायड्रोजन स्टोरेजसह संपूर्ण युरोपमध्ये हायड्रोजन तंत्रज्ञानाचा विकास आणि तैनाती (deployment) गतिमान करणे.
• हायड्रोजन परिषद: ऊर्जा, वाहतूक, उद्योग आणि गुंतवणुकी कंपन्यांची जागतिक सीईओ-आधारित (CEO-led) पुढाकार, ज्यामध्ये हायड्रोजनसाठी एकसंध दृष्टी (united vision) आहे आणि ऊर्जा संक्रमणासाठी (energy transition) दीर्घकालीन महत्वाकांक्षा आहे.
• राष्ट्रीय हायड्रोजन धोरणे: ऑस्ट्रेलिया, कॅनडा, जर्मनी, जपान आणि दक्षिण कोरियासह अनेक देशांनी राष्ट्रीय हायड्रोजन धोरणे विकसित केली आहेत, ज्यामध्ये हायड्रोजन स्टोरेज संशोधन आणि तैनातीसाठी लक्ष्ये (targets) आणि निधी (funding) समाविष्ट आहे.

निष्कर्ष

हायड्रोजन स्टोरेज हे हायड्रोजन ऊर्जेचा मोठ्या प्रमाणावर स्वीकार करण्यासाठी एक महत्त्वपूर्ण सक्षम तंत्रज्ञान आहे. आव्हाने अजूनही असली तरी, चालू असलेले संशोधन आणि विकास प्रयत्न मटेरियल सायन्स, अभियांत्रिकी (engineering) आणि सिस्टम डिझाइनमध्ये (system design) नविनता आणत आहेत. हायड्रोजन तंत्रज्ञान परिपक्व (mature) होत असताना आणि खर्च कमी होत असताना, हायड्रोजन स्टोरेज विविध क्षेत्रांना कार्बनमुक्त करण्यात आणि जगासाठी शाश्वत ऊर्जा भविष्य निर्माण करण्यात अधिकाधिक महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावेल. हायड्रोजनच्या संपूर्ण संभाव्यतेचा (potential) उपयोग करण्यासाठी कार्यक्षम, सुरक्षित आणि किफायतशीर स्टोरेज सोल्यूशन्सचा सतत पाठपुरावा करणे आवश्यक आहे, जे जागतिक हायड्रोजन अर्थव्यवस्थेच्या विविध गरजा पूर्ण करू शकतात. या महत्त्वपूर्ण क्षेत्रात प्रगती (progress) वाढवण्यासाठी आंतरराष्ट्रीय सहकार्य आणि ज्ञान सामायिक करणे आवश्यक आहे.