ગ્રીન હાઇડ્રોજન: શૂન્ય ઉત્સર્જન તરફ ભારત અને વિશ્વની મહત્વાકાંક્ષી વૈજ્ઞાનિક સફર
પાણી અને પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જાના મિશ્રણથી બનતું આ સ્વચ્છ બળતણ ભવિષ્યમાં ઉદ્યોગો અને પરિવહનને પ્રદૂષણ મુક્ત બનાવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે.
વિશ્વભરમાં પરંપરાગત અશ્મિભૂત બળતણ (fossil fuel) પરની નિર્ભરતા ઘટાડવા અને કાર્બન ઉત્સર્જનને શૂન્ય સ્તરે લાવવા માટે હરિત ઊર્જા પર અભૂતપૂર્વ ભાર મૂકવામાં આવી રહ્યો છે. આ દિશામાં ગ્રીન હાઇડ્રોજન (green hydrogen) ભવિષ્યના સૌથી સુરક્ષિત અને સ્વચ્છ વિકલ્પ તરીકે ઉભરી આવ્યું છે. ભારત પણ આ ક્ષેત્રે વૈશ્વિક અગ્રણી બનવાના લક્ષ્ય સાથે ઝડપથી આગળ વધી રહ્યું છે. હાલમાં આંતરરાષ્ટ્રીય મંચો પર તેના તકનીકી વિકાસ અને ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટે મોટી વ્યૂહરચનાઓ તૈયાર કરવામાં આવી રહી છે.
વૈજ્ઞાનિક દ્રષ્ટિકોણથી જોઈએ તો હાઇડ્રોજન આખા બ્રહ્માંડનો સૌથી હલકો અને વિપુલ પ્રમાણમાં મળતો મૂળ તત્વ છે. જોકે, પૃથ્વી પર તે સ્વતંત્ર અવસ્થામાં મળતો નથી, પરંતુ પાણી અને કુદરતી ગેસ જેવા સંયોજનોના સ્વરૂપમાં રહેલો છે. તેને ઉપયોગમાં લેવા માટે પાણી અથવા ગેસમાંથી અલગ કરવો પડે છે. ખાસ વાત એ છે કે હાઇડ્રોજનનો પોતાનો કોઈ રંગ હોતો નથી, પરંતુ તેને અલગ કરવાની પદ્ધતિ અને ઊર્જાના સ્ત્રોતને આધારે તેને અલગ-અલગ રંગીન નામ આપવામાં આવ્યા છે.
ગ્રીન હાઇડ્રોજન મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોલિસિસ (electrolysis) પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, જેમાં પુનઃપ્રાપ્ય સ્ત્રોતોમાંથી મળતી વીજળીનો ઉપયોગ કરીને પાણીના અણુઓને હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. સોર્સ ૨ મુજબ, આ પ્રક્રિયા મહત્તમ ૮૦% કાર્યક્ષમ હોય છે. એક કિલોગ્રામ હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે લગભગ ૯ લિટર પાણીની જરૂર પડે છે. આ પ્રક્રિયામાં જ્યારે સૂર્યપ્રકાશ કે પવન ઊર્જા જેવી સ્વચ્છ વીજળી વપરાય છે, ત્યારે તેને 'ગ્રીન' કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેનાથી કાર્બન ઉત્સર્જન શૂન્ય રહે છે.
- પુનઃપ્રાપ્ય વીજળીસૂર્ય કે પવન ઊર્જામાંથી સ્વચ્છ વીજળી ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે.
- ઇલેક્ટ્રોલિસિસવીજળીનો ઉપયોગ કરીને પાણીના અણુઓને હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે.
- હાઇડ્રોજન સંગ્રહશુદ્ધ હાઇડ્રોજન ગેસને અલગ કરીને ભવિષ્યના ઉપયોગ માટે સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે.
- પુનઃપ્રાપ્ય ઊર્જાસૌર પેનલ્સ અથવા પવનચક્કી દ્વારા કાર્બન-મુક્ત વીજળી ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે.
- ઇલેક્ટ્રોલિસિસઆ વીજળીને ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર મશીનમાં મોકલવામાં આવે છે જ્યાં તે પાણી (H2O) માંથી પસાર થાય છે.
- અણુ વિભાજનવીજળીના પ્રવાહથી પાણીના અણુઓ તૂટીને હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં અલગ પડે છે.
- સંગ્રહ અને ઉપયોગમુક્ત થયેલા હાઇડ્રોજન ગેસને એકત્રિત કરી ટેન્કોમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે અથવા સીધો ઉદ્યોગોમાં વપરાય છે.
ઇલેક્ટ્રોલિસિસનો ઇતિહાસ અને વિજ્ઞાન
ઇલેક્ટ્રોલિસિસ એ એક એવી તકનીક છે જે કુદરતી રીતે ન થતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાને ચલાવવા માટે ડાયરેક્ટ ઇલેક્ટ્રિક કરંટ (DC) નો ઉપયોગ કરે છે. સોર્સ ૩ મુજબ, 'ઇલેક્ટ્રોલિસિસ' શબ્દ ૧૮૩૪ માં માઈકલ ફેરાડે દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. ગ્રીક શબ્દ 'ઇલેક્ટ્રોન' એટલે કે અંબર અને 'લિસિસ' એટલે કે છૂટું પાડવું, તે પરથી આ નામ પડ્યું છે. જોકે, આ પ્રક્રિયાની શોધ ફેરાડે પહેલા જ થઈ ચૂકી હતી.
૧૭૮૫ માં ડચ વૈજ્ઞાનિક માર્ટિન વેન મેરુમે ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક જનરેટરનો ઉપયોગ કરીને ધાતુઓને તેમના ક્ષારમાંથી અલગ કરી હતી. ત્યારબાદ ૧૮૦૦ માં વિલિયમ નિકોલ્સન અને એન્થોની કાર્લિસલે પાણીનું હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજનમાં વિભાજન કરવાની પ્રથમ સફળ પ્રક્રિયા દર્શાવી હતી. ૧૮૦૭ અને ૧૮૦૮ માં હમ્ફ્રી ડેવીએ આ જ પદ્ધતિથી પોટેશિયમ, સોડિયમ, બેરિયમ, કેલ્શિયમ અને મેગ્નેશિયમ જેવા તત્વોની શોધ કરી હતી. આ ઇતિહાસ દર્શાવે છે કે જે તકનીક આજે આપણે ગ્રીન હાઇડ્રોજન માટે વાપરી રહ્યા છીએ તેનો પાયો સદીઓ પહેલા નખાઈ ગયો હતો.
ઇલેક્ટ્રોલિસિસની પ્રક્રિયામાં મુખ્ય ત્રણ ઘટકો હોય છે: ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (electrolyte), ઇલેક્ટ્રોડ્સ (electrodes) અને બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ એવો પદાર્થ છે જે મુક્ત આયનો ધરાવે છે અને વીજળીનું વહન કરી શકે છે. જ્યારે વીજળી પસાર કરવામાં આવે છે, ત્યારે ધન ભારિત આયનો (cations) ઋણ ધ્રુવ એટલે કે કેથોડ (cathode) તરફ જાય છે અને ઋણ ભારિત આયનો (anions) ધન ધ્રુવ એટલે કે એનોડ (anode) તરફ આકર્ષાય છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા પાણીના અણુઓ તૂટીને ગેસ સ્વરૂપે હાઇડ્રોજન મુક્ત કરે છે.
| ટેકનોલોજીનો પ્રકાર | તાપમાન રેન્જ | મુખ્ય લાક્ષણિકતા |
|---|---|---|
| આલ્કલાઇન (AE) | ૭૦-૯૦ °C | પરિપક્વ અને ઓછી કિંમતની પદ્ધતિ |
| પ્રોટોન એક્સચેન્જ (PEM) | ૫૦-૮૦ °C | ઝડપી પ્રતિભાવ, સૌર ઊર્જા માટે શ્રેષ્ઠ |
| સોલિડ ઓક્સાઇડ (SOEC) | ૫૦૦-૧૦૦૦ °C | ખૂબ જ ઊંચી કાર્યક્ષમતા |
હાઇડ્રોજનના વિવિધ પ્રકારો અને તફાવત
હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન માટે વપરાતી પદ્ધતિના આધારે તેને ગ્રે, બ્લૂ, બ્લેક અને ગ્રીન જેવા નામો આપવામાં આવ્યા છે. સોર્સ ૧ મુજબ, ગ્રે હાઇડ્રોજન (grey hydrogen) કુદરતી ગેસ એટલે કે મિથેનને વરાળ સાથે ખૂબ ઊંચા તાપમાને ગરમ કરીને બનાવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયાને સ્ટીમ-મિથેન રિફોર્મિંગ કહેવામાં આવે છે. હાલમાં વિશ્વમાં મોટાભાગનું હાઇડ્રોજન આ રીતે બને છે, પરંતુ તેમાં પ્રતિ કિલો હાઇડ્રોજન દીઠ ૯ થી ૧૧ કિલો કાર્બન ડાયોક્સાઇડ હવામાં મુક્ત થાય છે.
બીજી તરફ, કોલસાના ઉપયોગથી બનતા હાઇડ્રોજનને બ્લેક અથવા બ્રાઉન હાઇડ્રોજન કહેવામાં આવે છે, જે પર્યાવરણ માટે સૌથી વધુ નુકસાનકારક છે. જ્યારે કુદરતી ગેસમાંથી હાઇડ્રોજન બનાવતી વખતે નીકળતા કાર્બન ડાયોક્સાઇડને પકડીને જમીનની નીચે સંગ્રહિત કરવામાં આવે (carbon capture), ત્યારે તેને બ્લૂ હાઇડ્રોજન (blue hydrogen) કહેવાય છે. આ પદ્ધતિથી ઉત્સર્જન ઘટે છે પણ સંપૂર્ણપણે બંધ થતું નથી. માત્ર ગ્રીન હાઇડ્રોજન જ એવો વિકલ્પ છે જેમાં ઉત્પાદન દરમિયાન કોઈ પ્રદૂષણ થતું નથી.
ગ્રીન હાઇડ્રોજનની ખાસિયત એ છે કે જ્યારે તેને બળતણ તરીકે બાળવામાં આવે છે, ત્યારે તેમાંથી માત્ર પાણીની વરાળ જ નીકળે છે. સોર્સ ૨ જણાવે છે કે હાઇડ્રોજનની ઊર્જા ઘનતા (energy density) ૩૯.૬ kWh/kg છે, જે લિથિયમ બેટરીની ૦.૧૫-૦.૨૫ kWh/kg ની સરખામણીમાં ઘણી વધારે છે. આ કારણે જ ભારે ઉદ્યોગો અને લાંબા અંતરના પરિવહન માટે તે બેટરી કરતા વધુ સારો વિકલ્પ માનવામાં આવે છે.
ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર ટેકનોલોજીના પ્રકારો
ગ્રીન હાઇડ્રોજન બનાવવા માટે વપરાતા મશીનને ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર (electrolyzer) કહેવામાં આવે છે. સોર્સ ૨ મુજબ, હાલમાં ચાર મુખ્ય પ્રકારની ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર ટેકનોલોજી અસ્તિત્વમાં છે. પ્રથમ છે આલ્કલાઇન ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર (Alkaline Electrolyzers - AE), જે સૌથી જૂની અને સસ્તી ટેકનોલોજી છે. તે ૭૦ થી ૯૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને કામ કરે છે અને મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે અનુકૂળ છે, પરંતુ તે પવન કે સૂર્ય ઊર્જા જેવા અસ્થિર સ્ત્રોતો સાથે ઝડપથી અનુકૂલન સાધી શકતી નથી.
બીજો પ્રકાર છે પ્રોટોન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન (Proton Exchange Membrane - PEM). આ સિસ્ટમ ૫૦ થી ૮૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર કામ કરે છે અને ખૂબ જ ઝડપથી ચાલુ-બંધ થઈ શકે છે, જે તેને સૌર અને પવન ઊર્જા માટે આદર્શ બનાવે છે. જોકે, તેમાં પ્લેટિનમ અને ઇરિડિયમ જેવી કિંમતી ધાતુઓ વપરાતી હોવાથી તેનો ખર્ચ વધુ હોય છે. ત્રીજો પ્રકાર સોલિડ ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર (Solid Oxide Electrolyzers - SOEC) છે, જે ૫૦૦ થી ૧૦૦૦ ડિગ્રી સેલ્સિયસના ઊંચા તાપમાને કામ કરે છે અને ખૂબ જ કાર્યક્ષમ છે.
ચોથો અને ઉભરતો પ્રકાર એનિઅન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન (Anion Exchange Membrane - AEM) છે. આ ટેકનોલોજી આલ્કલાઇનની સસ્તાઈ અને PEM ની લવચીકતાને જોડવાનો પ્રયાસ કરે છે. આ સિવાય વૈજ્ઞાનિકો બાયોલોજિકલ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન અને થર્મોકેમિકલ વોટર સ્પ્લિટિંગ જેવી પદ્ધતિઓ પર પણ સંશોધન કરી રહ્યા છે. સોર્સ ૨ મુજબ, ૨૦૨૪ ના એક અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે ગાયના છાણમાંથી બનાવેલા બાયોચાર્ (biochar) નો ઉપયોગ કરીને ઇલેક્ટ્રોલિસિસની પ્રક્રિયાને ૬ ગણી વધુ કાર્યક્ષમ બનાવી શકાય છે.
| ટેકનોલોજી | કામગીરીનું તાપમાન | મુખ્ય વિશેષતા |
|---|---|---|
| આલ્કલાઇન (AE) | ૭૦-૯૦ °C | સૌથી જૂની અને મોટા પાયે સસ્તી ટેકનોલોજી |
| PEM | ૫૦-૮૦ °C | ઝડપથી ચાલુ-બંધ થઈ શકે, પવન-સૌર ઊર્જા માટે ઉત્તમ |
| SOEC | ૫૦૦-૧૦૦૦ °C | ઊંચા તાપમાને કામ કરતી અત્યંત કાર્યક્ષમ સિસ્ટમ |
| AEM | વિકાસ હેઠળ | આલ્કલાઇન અને PEM ના ગુણોનું મિશ્રણ |
ભારતમાં હાઇડ્રોજન ક્રાંતિ અને પ્રોજેક્ટ્સ
ભારત સરકારે ગ્રીન હાઇડ્રોજનના ક્ષેત્રમાં મોટી છલાંગ લગાવી છે. સોર્સ ૧ મુજબ, ૧૭ જુલાઈ ૨૦૨૬ ના રોજ વડાપ્રધાન નરેન્દ્ર મોદીએ ભારતની પ્રથમ સ્વદેશી હાઇડ્રોજન સંચાલિત ટ્રેન 'નમો ગ્રીન રેલ' (Namo Green Rail) નું ઉદ્ઘાટન કર્યું હતું. આ ઉપરાંત, દેશમાં ૩૭ હાઇડ્રોજન સંચાલિત બસો અને ટ્રકોને પાયલોટ પ્રોજેક્ટ હેઠળ ૧૦ અલગ-અલગ ભૌગોલિક માર્ગો પર ચલાવવામાં આવી રહ્યા છે. આ વાહનોમાં ૧૫ ફ્યુઅલ સેલ (fuel cell) ટેકનોલોજી પર અને ૨૨ હાઇડ્રોજન કમ્બશન એન્જિન પર આધારિત છે.
ભારે ઉદ્યોગોમાં પણ ગ્રીન હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ શરૂ થઈ ચૂક્યો છે. ટાટા સ્ટીલ અને JSW જેવી કંપનીઓ હાઇડ્રોજન આધારિત ડાયરેક્ટ રિડ્યુસ્ડ આયર્ન (H-DRI) પ્લાન્ટ પર કામ કરી રહી છે. ઓડિશાના અંગુલમાં જિંદાલ રિન્યુએબલ્સનો ગ્રીન સ્ટીલ પ્રોજેક્ટ કાર્યરત છે. ફેબ્રુઆરી ૨૦૨૬ સુધીમાં દેશમાં ૧૯ ઉત્પાદન પ્રોજેક્ટ્સ સક્રિય થઈ ચૂક્યા હતા, જેની કુલ વાર્ષિક ક્ષમતા ૪,૩૦૦ ટનથી વધુ છે. ઇન્ડિયન ઓઇલ કોર્પોરેશન (IOC) પાણીપત રિફાઇનરીમાં ૧૦,૦૦૦ ટન ક્ષમતાનો દેશનો સૌથી મોટો પ્લાન્ટ સ્થાપી રહ્યું છે, જે ડિસેમ્બર ૨૦૨૭ સુધીમાં પૂર્ણ થશે.
કૃષિ ક્ષેત્રમાં પણ ગ્રીન હાઇડ્રોજનનો પ્રભાવ જોવા મળી રહ્યો છે. સોલર એનર્જી કોર્પોરેશન ઓફ ઇન્ડિયા (SECI) એ માર્ચ ૨૦૨૬ માં ૧૩ ફર્ટિલાઇઝર પ્લાન્ટ્સને ૭.૨૪ લાખ ટન ગ્રીન એમોનિયા પૂરો પાડવા માટે કરાર કર્યા છે. આ ઉપરાંત, વી.ઓ. ચિદમ્બરનાર પોર્ટ ઓથોરિટી દ્વારા જહાજો માટે ગ્રીન મેથેનોલ રિફ્યુલિંગની સુવિધા વિકસાવવામાં આવી રહી છે. આ તમામ પ્રયાસો દર્શાવે છે કે ભારત માત્ર હાઇડ્રોજન વાપરવા જ નહીં, પણ તેના ઉત્પાદનમાં પણ આત્મનિર્ભર બનવા માંગે છે.
આર્થિક પડકારો અને વૈશ્વિક બજાર
ગ્રીન હાઇડ્રોજનના માર્ગમાં સૌથી મોટો અવરોધ તેની ઉત્પાદન કિંમત છે. સોર્સ ૨ મુજબ, ૨૦૨૪ માં ગ્રીન હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન અશ્મિભૂત બળતણમાંથી બનતા હાઇડ્રોજન કરતા ૧.૫ થી ૬ ગણું મોંઘું છે. નિષ્ણાતો માને છે કે જ્યારે તેની કિંમત $૨ પ્રતિ કિલોગ્રામ સુધી પહોંચશે, ત્યારે તે બજારમાં સ્પર્ધાત્મક બનશે. ૨૦૨૨ માં વૈશ્વિક હાઇડ્રોજન બજાર $૧૫૫ અબજનું હતું, જેમાં ગ્રીન હાઇડ્રોજનનો હિસ્સો માત્ર ૨.૭% એટલે કે $૪.૨ અબજ હતો.
$ અબજ
જોકે, ૨૦૦૯ થી ૨૦૨૪ દરમિયાન સૌર અને પવન ઊર્જાના ભાવમાં જે રીતે ઘટાડો થયો છે, તે જોતા ભવિષ્યમાં ગ્રીન હાઇડ્રોજન પણ સસ્તું થવાની આશા છે. ૨૦૧૦ થી ૨૦૨૨ વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરની કિંમતમાં ૬૦% નો ઘટાડો નોંધાયો હતો. આંતરરાષ્ટ્રીય ઊર્જા એજન્સી (IEA) ના અંદાજ મુજબ ૨૦૩૦ સુધીમાં વિશ્વમાં ૩૭ મિલિયન ટન ગ્રીન હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન થઈ શકે છે. ઓસ્ટ્રેલિયા અને બ્રાઝિલ જેવા દેશો પણ આ ક્ષેત્રમાં મોટા રોકાણો કરી રહ્યા છે, જોકે ઘણા મોટા પ્રોજેક્ટ્સ હજુ પણ આર્થિક કારણોસર વિલંબમાં છે.
ગ્રીન હાઇડ્રોજન માત્ર એક બળતણ નથી, પણ તે ઊર્જા સંગ્રહ (energy storage) માટેનો એક મજબૂત વિકલ્પ છે. જ્યારે પવન કે સૂર્ય ઊર્જા વધુ પ્રમાણમાં હોય, ત્યારે તેને હાઇડ્રોજનમાં રૂપાંતરિત કરીને લાંબા સમય સુધી સંગ્રહ કરી શકાય છે. આ ટેકનોલોજી હજુ વિકાસના તબક્કામાં છે અને ઘણા પડકારો છે, પરંતુ પર્યાવરણને બચાવવા માટે તે અનિવાર્ય છે. ભારત જેવી વધતી જતી અર્થવ્યવસ્થા માટે ગ્રીન હાઇડ્રોજન એ ઊર્જા સુરક્ષા અને સ્વચ્છ પર્યાવરણ બંને હાંસલ કરવાની ચાવી છે.
