हरित हायड्रोजनचे युग : इलेक्ट्रोलिसिस तंत्रज्ञानाची सखोल माहिती

जग स्वच्छ ऊर्जेच्या दिशेने वाटचाल करत असताना, हरित हायड्रोजन उद्योगांचे डिकार्बोनायझेशन आणि जीवाश्म इंधनावरील अवलंबित्व कमी करण्यासाठी हायड्रोजन हा एक महत्त्वाचा उपाय म्हणून उदयास आला आहे. नूतनीकरणीय ऊर्जेच्या सहाय्याने इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे निर्मित, हरित हायड्रोजन जागतिक ऊर्जा क्षेत्रात क्रांती घडविण्याचे दिशेने मार्गक्रमण करीत आहे. या लेखात इलेक्ट्रोलिसिस तंत्रज्ञानातील नवीनतम प्रगती, त्यांचे फायदे, आव्हाने आणि शाश्वत भविष्यासाठीचा मार्ग याचा आढावा घेतला आहे.

हरित हायड्रोजनसाठी इलेक्ट्रोलिसिस का?
इलेक्ट्रोलिसिस हा एक अशी प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये विजेचा वापर करून पाणी (H₂O) हायड्रोजन (H₂) आणि ऑक्सिजन (O₂) मध्ये विभाजित केले जाते. इलेक्ट्रोलिसिससाठी लागणारी वीज पवन किंवा सौर ऊर्जेसारख्या नूतनीकरणीय स्रोतांकडून घेऊन हायड्रोजन उत्पादित केले, तर त्या हायड्रोजनला “हरित हायड्रोजन” म्हणतात. हरित हायड्रोजन हे निळ्या हायड्रोजनपेक्षा (जीवाश्म इंधनांपासून तयार केलेली आणि कार्बन कॅप्चरसह प्रक्रिया केलेले) आणि करड्या (ग्रे) हायड्रोजनपेक्षा (नैसर्गिक वायूपासून कार्बन कॅप्चरशिवाय तयार केलेले), संपूर्णपणे कार्बन उत्सर्जनमुक्त आहे. हरित हायड्रोजन हे भारताच्या राष्ट्रीय हरित हायड्रोजन मिशन आणि जागतिक डिकार्बोनायझेशन उद्दिष्टांशी सुसंगत आहे, हरित हायड्रोजनचा उद्देश भारताला हरित हायड्रोजन उत्पादनासाठीचे एक प्रमुख केंद्र म्हणून स्थापित करणे हे आहे.

हरित हायड्रोजनसाठी विविध इलेक्ट्रोलिसिस तंत्रे
अल्कलाइन इलेक्ट्रोलायझर (AEL)
अल्कलाइन इलेक्ट्रोलायझरमध्ये द्रव अल्कलाइन इलेक्ट्रोलाइट (सोडियम किंवा पोटॅशियम हायड्रॉक्साइड) आणि डायफ्रॅग्मने वेगळे केलेले दोन इलेक्ट्रोड्स वापरले जातात. हे सिद्ध तंत्रज्ञान ( प्रुव्हन टेक्नोलॅाजी ) असून हीला तुलनेने कमी भांडवली खर्च लागतो तसेच ही टेक्नोलॅाजी मोठ्या प्रमाणावर वापरण्यास योग्य आहे. तथापि, याची कार्यक्षमता तुलनेत कमी असते आणि प्रतिसाद (रिस्पॅान्स टाईम) वेळ तुलनेने मंद असतो. सध्या, हे मोठ्या औद्योगिक हायड्रोजन उत्पादनासाठी ही टेक्नोलॅाजी प्रचलित आहे.

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलायझर
PEM इलेक्ट्रोलायझरमध्ये ठोस पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेंब्रेनचा वापर करून हायड्रोजन आणि ऑक्सिजन वेगळे केले जातात. याचा मुख्य फायदा म्हणजे उच्च कार्यक्षमता, जलद प्रतिसाद वेळ, संक्षिप्त डिझाइन आणि नूतनीकरणीय ऊर्जेशी उत्तम इंटीग्रेशन. मात्र, यामध्ये प्लॅटिनम आणि इरिडियमसारख्या मौल्यवान धातूंचा वापर असल्याने उत्पादन खर्च जास्त असतो. वाहतूक आणि फ्युएल सेल तंत्रज्ञानात याचा वापर वाढत आहे.

सॉलिड ऑक्साईड इलेक्ट्रोलायझर (SOEC)
SOEC उच्च तापमान (700–1,000°C) वर कार्य करणारे तंत्रज्ञान आहे, ज्यामध्ये सॉलिड सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट वापरतात. याची कार्यक्षमता तुलनेत जास्त असते आणि औद्योगिक प्रक्रियांशी याचे उत्तम इंटीग्रेशन होते. तसेच, यामध्ये वाया जाणाऱ्या उष्णतेचा पुनर्वापर करण्याची क्षमता यामध्ये आहे. तथापि, उच्च तापमानामुळे सामग्रीचा जलद क्षय होण्याचा धोका असतो, त्यामुळे याचे आयुष्य मर्यादित राहते. सध्या हे तंत्रज्ञान प्रारंभिक व्यावसायीकरण आणि संशोधनाच्या टप्प्यात आहे.

एनायन एक्सचेंज मेंब्रेन (AEM) इलेक्ट्रोलायझर
AEM इलेक्ट्रोलायझर या तंत्रज्ञानात AEL आणि PEM ची एकत्र वैशिष्ट्ये आहेत. यात पॉलिमर मेंब्रेनचा वापर हायड्रॉक्साईड आयन वाहतूक करण्यासाठी केला जातो. यामुळे बहमोल धातूंचा कमी वापर होतो व कार्यक्षमता सुधारली जाते. मात्र, अद्याप हे तंत्रज्ञान प्रारंभिक विकासाच्या टप्प्यात आहे आणि मेंब्रेन स्थिरतेसंबंधी काही अडचणी आहेत. टिकाऊपणामध्ये सुधारणा करणे आणि उत्पादनाचे प्रमाण वाढवण्यासाठी सक्रिय संशोधन सुरू आहे.

इलेक्ट्रोलिसिससाठी पाण्याची गरज
इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रियेत पाण्याचा मोठ्या प्रमाणात वापर होतो. विशेषतः, PEM इलेक्ट्रोलायझरसाठी पाण्याचे पूर्व-शुद्धीकरण आवश्यक असते. उदाहरणार्थ:

• PEM इलेक्ट्रोलायझर: 17.5 लिटर प्रति किलोग्रॅम हायड्रोजन.
• अल्कलाइन इलेक्ट्रोलायझर: 22.3 लिटर प्रति किलोग्रॅम हायड्रोजन.
• स्टीम मिथेन रिफॉर्मिंग (SMR) कार्बन कॅप्चरसह: 32.2 लिटर प्रति किलोग्रॅम हायड्रोजन.

उत्पादन

• जागतिक इलेक्ट्रोलायझर उत्पादन क्षमता 2023 मध्ये 23 GW/वर्ष इतकी पोहोचली आहे, ज्यामध्ये चीनचा वाटा 60% आहे.
• युरोप आणि अमेरिका अनुक्रमे 20% आणि 16% वाटा आहे.

भविष्याच्या दिशेने वाटचाल
भविष्यात हरित हायड्रोजनसाठी संशोधन आणि धोरणांमध्ये गुंतवणूक वाढण्याची शक्यता आहे. कॅटॅलिस्ट नवकल्पना, कृत्रिम बुद्धिमत्तेचा वापर आणि शासकीय धोरणांमुळे इलेक्ट्रोलायझरच्या किमती कमी होतील. जागतिक स्तरावर, 2030 पर्यंत हरित हायड्रोजनचा वापर मोठ्या प्रमाणात वाढण्याची अपेक्षा आहे.

इलेक्ट्रोलिसिस हे हरित हायड्रोजन क्रांतीचे केंद्रबिंदू आहे, जे स्वच्छ आणि शाश्वत ऊर्जेसाठी एक प्रभावी पर्याय प्रदान करते. प्रगत तंत्रज्ञान, धोरणे आणि गुंतवणुकीच्या मदतीने, हायड्रोजन-आधारित भविष्यासाठी मार्ग मोकळा होत आहे.

लेखक दिलीप पाटील हे कर्मयोगी अंकुशराव टोपे समर्थ सहकारी साखर कारखान्याचे (अंबड – जालना, महाराष्ट्र) व्यवस्थापकीय संचालक आहेत.