अमोनिया से हाइड्रोजन: दक्षिण कोरिया कैसे बना रहा है स्वच्छ ईंधन की आपूर्ति शृंखला

स्वच्छ हाइड्रोजन हासिल करने के लिए दक्षिण कोरियाई शोधकर्ता अमोनिया पर दांव क्यों लगा रहे हैं

दक्षिण कोरियाई वैज्ञानिकों ने उच्च तापमान पर अमोनिया को हाइड्रोजन और नाइट्रोजन में तोड़कर जीवाश्म ईंधन जलाए बिना हाइड्रोजन बनाने का तरीका दिखाया है। कोरिया ऊर्जा अनुसंधान संस्थान (KIER) के इंजीनियरों के मुताबिक, उनका रिएक्टर करीब 1,112 डिग्री फ़ारेनहाइट (लगभग 600 C) पर चलता है और 99.97 प्रतिशत शुद्धता वाला हाइड्रोजन देता है। यह उत्पादन ऐसे ईंधन सेल के लिए उपयुक्त है जो वाहनों या इमारतों को ऊर्जा दे सकते हैं। इस परियोजना का लक्ष्य ऐसी सामग्रियों और प्रक्रियाओं का इस्तेमाल करते हुए हाइड्रोजन आपूर्ति शृंखला से कार्बन डाइऑक्साइड घटाना है, जिनका बड़े पैमाने पर उपयोग किया जा सके।

हाइड्रोजन का इस्तेमाल पहले से ही ट्रेनों, परीक्षण उड़ानों वाले विमानों, कारों, बसों और जहाजों में होता है। फिर भी आज अधिकांश हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस से स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग के ज़रिए बनाई जाती है, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है। स्वच्छ उत्पादन के तरीके बढ़ रहे हैं, जिनमें पवन और सौर ऊर्जा से चलने वाला जल-विद्युत अपघटन शामिल है। हाइड्रोजन का परिवहन दूसरी चुनौती है। इसका घनत्व बहुत कम है, इसलिए लंबी दूरी तक भेजने के लिए इसे संपीड़ित करना पड़ता है या बेहद कम तापमान पर तरल बनाना पड़ता है। उर्वरक बनाने में इस्तेमाल होने वाला परिचित रसायन अमोनिया इसका विकल्प देता है। सामान्य परिस्थितियों में यह तरल रहता है और अपने अणुओं के बंधों में हाइड्रोजन को साथ ले जाता है। अगर गंतव्य पर अमोनिया को तोड़कर स्वच्छ हाइड्रोजन और नाइट्रोजन बनाई जा सके, तो यह उन जगहों के बीच व्यावहारिक कड़ी बन सकता है जहां नवीकरणीय ऊर्जा प्रचुर है और जहां इसकी बड़ी मांग है।

KIER रिएक्टर के भीतर: अमोनिया से ईंधन-ग्रेड हाइड्रोजन बनाना

अमोनिया का विघटन सीधी रासायनिक प्रक्रिया है। उत्प्रेरक की मौजूदगी में गर्म करने पर अमोनिया (NH3) के अणु हाइड्रोजन और नाइट्रोजन में टूट जाते हैं। संतुलित अभिक्रिया में अमोनिया के दो अणुओं से नाइट्रोजन का एक और हाइड्रोजन के तीन अणु बनते हैं। प्लैटिनम से संबंधित बहुमूल्य धातु रूथेनियम, आम उत्प्रेरक है क्योंकि यह लगभग 600 C तापमान पर अच्छा काम करता है। KIER की व्यवस्था इसी उत्प्रेरक प्रक्रिया का इस्तेमाल करती है और फिर गैस की धारा को शुद्ध कर ईंधन सेल-ग्रेड हाइड्रोजन हासिल करती है।

क्रैकर से निकलते समय हाइड्रोजन में नाइट्रोजन और बिना प्रतिक्रिया किए बचे अमोनिया की थोड़ी मात्रा मिली होती है। रिफाइनरियों में इस्तेमाल होने वाली मानक शुद्धिकरण प्रक्रिया, प्रेशर स्विंग एडसॉर्प्शन, इन गैसों को अलग करती है। छिद्रयुक्त पदार्थों से भरे बेड दबाव में दूषित तत्वों को पकड़ते हैं और दबाव घटाने पर उच्च शुद्धता वाला हाइड्रोजन छोड़ते हैं। लगातार उत्पादन के लिए कई बेड बारी-बारी से गैस सोखने और फिर से तैयार होने की प्रक्रियाओं से गुजरते हैं। KIER के अनुसार, रिएक्टर चौकोर धातु के फ्रेम में रखा है, जिसमें पाइप, होज़, गेज और सिलिंडर लगे हैं। इसकी नियंत्रण प्रणाली प्रक्रिया की गैसों के एक हिस्से को फिर से इस्तेमाल करती है, ताकि हाइड्रोकार्बन बर्नर जलाए बिना ऊंचा तापमान बनाए रखा जा सके। इससे रूपांतरण के स्थान पर सीधे कार्बन डाइऑक्साइड का उत्सर्जन नहीं होता।

अमोनिया हाइड्रोजन का प्रभावी वाहक क्यों है

हाइड्रोजन का भंडारण और परिवहन मुश्किल है। तरल हाइड्रोजन के लिए लगभग minus 253 C तापमान वाले क्रायोजेनिक टैंक चाहिए। इसके वाष्प बनकर उड़ने से होने वाले नुकसान को संभालना पड़ता है और परिवहन में बड़ी पूंजी लगती है। अमोनिया लगभग minus 33 C पर या मामूली दबाव में तरल बन जाता है। रासायनिक उद्योग पहले से ही इसे बड़ी मात्रा में दुनिया भर में भेजता है। ऊर्जा क्षेत्र में इसका मतलब है कि उत्पादक सस्ती नवीकरणीय ऊर्जा वाले स्थानों पर अमोनिया बना सकते हैं, उसे जहाज से भेज सकते हैं और अंतिम उपयोगकर्ताओं के पास उसका विघटन कर सकते हैं।

दक्षिण कोरिया में औद्योगिक परीक्षण इस मॉडल को विश्वसनीय बना रहे हैं। Syzygy Plasmonics और Lotte Chemical ने उल्सान में पूरी तरह बिजली से चलने वाली अमोनिया-विघटन प्रणाली का परीक्षण किया है। इस इकाई ने 81 प्रतिशत ऊर्जा दक्षता और 99 प्रतिशत रूपांतरण हासिल किया, और प्रतिदिन करीब 290 किलोग्राम हाइड्रोजन बनाया। बताई गई ऊर्जा खपत लगभग 11 किलोवाट घंटे प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन थी, जबकि डिजाइन का लक्ष्य 8 kWh प्रति किलोग्राम है। भागीदारों की योजना स्थानीय मांग पूरी करने के लिए एक छोटा वाणिज्यिक संयंत्र विकसित करने की है। ऐसे नतीजे आयात के उस रास्ते की ओर इशारा करते हैं जो कोरिया, जापान और ऊर्जा की अधिक मांग वाले अन्य क्षेत्रों के काम आ सकता है।

प्रयोगशाला से सड़कों और जहाजों तक: परिवहन में संभावित बदलाव

ईंधन सेल वाले वाहनों को बेहद स्वच्छ हाइड्रोजन चाहिए, क्योंकि पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन स्टैक में मौजूद उत्प्रेरक अशुद्धियों के प्रति संवेदनशील होते हैं। KIER की बताई 99.97 प्रतिशत शुद्धता इस जरूरत के अनुरूप है। इसे लागू करने का एक संभावित तरीका क्षेत्रीय केंद्र हैं, जहां अमोनिया पहुंचाया जाएगा, वहीं उसका विघटन होगा और शुद्ध हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों तक पहुंचाई जाएगी। शिपयार्ड, बंदरगाह और लॉजिस्टिक्स पार्क शुरुआती प्रणालियों के लिए स्वाभाविक स्थान हैं, क्योंकि वहां पहले से खतरनाक पदार्थों और ऊर्जा के बड़े प्रवाह को संभाला जाता है।

सीधे अमोनिया से चलने वाले इंजन

कोरियाई इंजीनियर अमोनिया को सीधे ईंधन के रूप में इस्तेमाल करने की भी पड़ताल कर रहे हैं। कोरिया मशीनरी एवं सामग्री संस्थान के नेतृत्व वाले गठबंधन ने Hyundai Motor और Kia के साथ मिलकर एक उच्च-दबाव इंजन पेश किया, जो शुद्ध अमोनिया को सीधे दहन कक्ष में इंजेक्ट करता है। टीम ने बहु-चरणीय ईंधन इंजेक्शन को परिवर्तनीय वाल्व टाइमिंग और मज़बूत इग्निशन सिस्टम के साथ तालमेल में चलाकर स्थिरता और शक्ति बेहतर की। वायु गुणवत्ता से जुड़ी चिंताओं को दूर करने के लिए एक विशेष आफ्टर-ट्रीटमेंट पैकेज नाइट्रोजन ऑक्साइड और बिना जले अमोनिया को घटाता है। इस डिजाइन में गैसीय अमोनिया रिफॉर्मर की जरूरत नहीं होती, जिससे कुछ अनुप्रयोग सरल हो जाते हैं। इसे समुद्री प्रणोदन, ऑफ-ग्रिड बिजली और भारी वाहनों के लिए तैयार किया जा रहा है; 2027 में तैनाती की योजनाओं की समीक्षा जारी है।

आपूर्ति शृंखला तैयार करना: जहाज, टैंक और कारखाने

बड़े पैमाने पर हाइड्रोजन व्यापार के लिए विशेष जहाजों और भंडारण की जरूरत होगी। HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering को अमेरिकन ब्यूरो ऑफ शिपिंग से ऐसे हाइड्रोजन वाहक टैंक के लिए सैद्धांतिक मंजूरी मिली है, जिसमें लगभग minus 253 C का क्रायोजेनिक तापमान बनाए रखने के लिए वैक्यूम इन्सुलेशन का इस्तेमाल होता है। कंपनी और उसके साझेदार 80,000 घन मीटर क्षमता वाले तरल हाइड्रोजन वाहक पर अध्ययन कर रहे हैं। तरल हाइड्रोजन के टैंकों पर प्रगति के साथ-साथ अमोनिया वाहक जहाजों का मौजूदा बेड़ा भी है, जो समानांतर रूप से ऊर्जा की ढुलाई में मदद कर सकता है।

देश में विनिर्माण क्षमता भी बढ़ रही है। Hyundai Motor ने उल्सान में अगली पीढ़ी के हाइड्रोजन ईंधन सेल और पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलाइज़र बनाने के लिए एक नई इकाई का निर्माण शुरू किया है। इस परियोजना में 644 मिलियन डॉलर से अधिक का निवेश हो रहा है। संयंत्र 2027 में पूरा होने वाला है और हर साल लगभग 30,000 ईंधन सेल इकाइयां बनाएगा। योजना प्रदर्शन और लागत में सुधार करने तथा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रमुख तकनीकों को कोरिया में ही विकसित करने की है।

उद्योग जगत के नेताओं का कहना

HD KSOE के अधिकारी टैंक से जुड़ी इस उपलब्धि को ऊर्जा परिवहन को कार्बन-मुक्त बनाने की व्यापक पहल का हिस्सा मानते हैं।

हम ऊर्जा बदलाव को आगे बढ़ाने और नेट-ज़ीरो लक्ष्य हासिल करने के लिए दुनिया की अग्रणी कंपनियों के साथ सहयोग जारी रखेंगे।

नए टैंकों, इंजनों और ईंधन सेल विनिर्माण का मेल, प्रायोगिक परियोजनाओं को पूरी आपूर्ति शृंखलाओं में बदलने के समन्वित प्रयास की ओर संकेत करता है।

कोरिया में स्वच्छ हाइड्रोजन उत्पादन के कई रास्ते विकसित हो रहे हैं

कोरियाई प्रयोगशालाएं स्वच्छ हाइड्रोजन बनाने के कई तरीकों को आगे बढ़ा रही हैं। कोरिया मशीनरी एवं सामग्री संस्थान ने 20 किलोवाट का सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस सिस्टम विकसित किया, जिसने 3,000 घंटे से अधिक समय तक कुशलता से हाइड्रोजन बनाया। सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस उच्च तापमान पर चलता है, जिससे बिजली की खपत घटाने के लिए औद्योगिक प्रक्रियाओं की गर्मी इस्तेमाल की जा सकती है। यह तरीका इस्पात मिलों और रासायनिक संयंत्रों के साथ अच्छी तरह जोड़ा जा सकता है।

दूसरी टीमें पूरक रसायन प्रक्रियाओं पर काम कर रही हैं। KIER के वैज्ञानिकों ने ऐसे उत्प्रेरक की जानकारी दी जो कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड में बदलता है; यह सिंथेटिक ईंधन का एक अहम घटक है। अकादमिक समूहों ने इलेक्ट्रोकेमिकल सेल का उपयोग करके कमरे के तापमान पर हरित अमोनिया बनाने के तरीके दिखाए हैं। जापान और कोरिया समेत कई देशों ने पवन और सौर परियोजनाओं से जुड़ी हरित अमोनिया के आयात में दिलचस्पी जताई है, क्योंकि इस अणु का भंडारण और परिवहन हाइड्रोजन से आसान है।

जलवायु के फायदे के लिए अमोनिया का स्वच्छ होना जरूरी

इसमें एक अहम शर्त है। जीवाश्म ईंधन से बने हाइड्रोजन से तैयार अमोनिया का कार्बन फुटप्रिंट बड़ा होता है। गंतव्य पर उस अमोनिया का विघटन करने से पहले हुए उत्सर्जन खत्म नहीं होते। विश्लेषक यह भी चेताते हैं कि कोयला या गैस बिजलीघरों में अमोनिया या हाइड्रोजन को साथ जलाने से मिलने वाला जलवायु लाभ सीमित होता है, जब पूरी ऊर्जा और लॉजिस्टिक्स लागत को गिना जाए। हाइड्रोजन के शुरुआती सबसे प्रभावी उपयोग उन क्षेत्रों में हैं जिनका विद्युतीकरण कठिन है, जैसे इस्पात, रसायन, समुद्री परिवहन और मौसमी ऊर्जा भंडारण। लक्ष्य और मानक तय करते समय कोरियाई योजनाकार इन फायदों और लागतों के बीच संतुलन पर विचार कर रहे हैं।

जोखिम, दक्षता और आगे किन बातों पर नजर रखें

ऊर्जा खपत एक अहम पैमाना है। उल्सान में अमोनिया-विघटन परीक्षण में प्रति किलोग्राम हाइड्रोजन लगभग 11 किलोवाट घंटे की खपत बताई गई, जबकि डिजाइन का लक्ष्य 8 kWh प्रति किलोग्राम है। कम आंकड़े से लागत घटेगी। तुलना के लिए, हाइड्रोजन का निम्न ऊष्मीय मान लगभग 33 किलोवाट घंटे प्रति किलोग्राम है। उत्प्रेरक, ऊष्मा के एकीकरण और इलेक्ट्रिक हीटिंग में सुधार से विघटन के लिए लगने वाली अतिरिक्त ऊर्जा घटाई जा सकती है।

सुरक्षा और उत्सर्जन के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन जरूरी है। अमोनिया जहरीला है और इसकी गंध तेज़ होती है, इसलिए संचालकों को निगरानी, वेंटिलेशन और आपातकालीन योजनाओं की जरूरत होगी। इंजनों में इसका इस्तेमाल होने पर नाइट्रोजन ऑक्साइड नियंत्रित करने के लिए आफ्टर-ट्रीटमेंट जरूरी है। संचालक उत्प्रेरकों और मेम्ब्रेन की टिकाऊपन तथा कंप्रेसर और पंप के रखरखाव के अंतराल पर नजर रखेंगे। कंपनियां ऐसी विघटन प्रणालियां बना रही हैं जो पूरी तरह बिजली से चलती हैं, जिससे उन्हें पवन और सौर ऊर्जा से चलाना आसान होता है। KIER इमारतों के लिए हाइड्रोजन ईंधन सेल पर भी अध्ययन कर रहा है, जो दिखाता है कि परिवहन और स्थिर बिजली आपूर्ति साथ-साथ बढ़ सकती है।

मुख्य बिंदु

• KIER ने लगभग 600 C पर अमोनिया का विघटन करके 99.97 प्रतिशत शुद्ध हाइड्रोजन बनाने का प्रदर्शन किया। रूपांतरण के स्थान पर जीवाश्म ईंधन नहीं जलाया जाता।
• इस प्रक्रिया में हाइड्रोजन को ईंधन सेल के लिए शुद्ध करने हेतु रूथेनियम उत्प्रेरक और प्रेशर स्विंग एडसॉर्प्शन का इस्तेमाल होता है।
• Syzygy और Lotte ने उल्सान में पूरी तरह बिजली से चलने वाले क्रैकर का परीक्षण किया। इसकी दक्षता 81 प्रतिशत और रूपांतरण 99 प्रतिशत रहा; उत्पादन लगभग 290 किलोग्राम प्रतिदिन था। ऊर्जा खपत करीब 11 kWh प्रति किलोग्राम रही और डिजाइन का लक्ष्य 8 है।
• अमोनिया हाइड्रोजन का व्यावहारिक वाहक है, क्योंकि यह सामान्य परिस्थितियों में तरल बन जाता है और इसके परिवहन के लिए दुनिया भर में विकसित ढांचा मौजूद है।
• KIMM, Hyundai और Kia ने शुद्ध अमोनिया से चलने वाला उच्च-दबाव इंजन पेश किया, जिसमें उत्सर्जन घटाने के लिए आफ्टर-ट्रीटमेंट है। इसका लक्ष्य 2027 तक समुद्री, ऑफ-ग्रिड और भारी-भरकम उपयोग हैं।
• HD KSOE को बड़े तरल हाइड्रोजन टैंक के लिए सैद्धांतिक मंजूरी मिली है और वह 80,000 घन मीटर क्षमता वाले वाहक की अवधारणा पर अध्ययन कर रहा है।
• Hyundai उल्सान में 644 मिलियन डॉलर का संयंत्र बना रही है, जहां ईंधन सेल और पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलाइज़र बनाए जाएंगे। लक्ष्य 2027 तक सालाना 30,000 ईंधन सेल इकाइयां बनाना है।
• कोरिया हरित हाइड्रोजन के लिए सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलिसिस और स्वच्छ ईंधन के कच्चे घटक बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को बदलने वाले उत्प्रेरकों पर भी काम कर रहा है।
• विश्लेषकों की चेतावनी है कि जीवाश्म ईंधन वाले बिजलीघरों में हाइड्रोजन या अमोनिया को साथ जलाने से मिलने वाला जलवायु लाभ सीमित है, जब आपूर्ति शृंखला की ऊर्जा खपत को जोड़ा जाए। इसलिए इस्पात, रसायन, समुद्री परिवहन और मौसमी भंडारण प्राथमिक उपयोगों में शामिल हैं।
• नजर रखने के अहम बिंदुओं में प्रति किलोग्राम विघटन की ऊर्जा खपत, नाइट्रोजन ऑक्साइड नियंत्रण, अमोनिया संभालने की सुरक्षा प्रक्रियाएं, हरित अमोनिया का स्रोत और बड़े पैमाने पर प्रदर्शन शामिल हैं।