सौर ईंधन
सौर ईंधन सौर ऊर्जा से उत्पादित एक संश्लेषित रासायनिक ईंधन है। सौर ईंधन का उत्पादन प्रकाशरासायनिक (यानी फोटॉन द्वारा कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करना), फोटोबायोलॉजिकल (यानी, कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण) और विद्युत प्रतिक्रियाओं (यानी रासायनिक प्रतिक्रिया को चलाने के लिए सौर प्रपट्ट से बिजली का उपयोग करना) के माध्यम से किया जा सकता है। [1][2][3][4] सौर ईंधन का उत्पादन ऊष्मरासायनिक प्रतिक्रियाओं (यानी, रासायनिक प्रतिक्रिया को चलाने के लिए केंद्रित सौर तापीय ऊर्जा द्वारा आपूर्ति की गई सौर गर्मी के उपयोग के माध्यम से) द्वारा भी किया जा सकता है। [5][6]
प्रकाश का उपयोग ऊर्जा स्रोत के रूप में किया जाता है, सौर ऊर्जा का उपयोग ऊष्मरासायनिक ऊर्जा में पारगमन (जैवभौतिकी) द्वारा किया जाता है, सामान्यतः प्रोटॉन को हाइड्रोजन में अपचयन (रसायन विज्ञान) या कार्बनिक यौगिक में कार्बन डाईऑक्साइड द्वारा किया जाता है।
सौर ईंधन का उत्पादन और भंडारण बाद में उपयोग के लिए किया जा सकता है, जब सूरज की रोशनी उपलब्ध नहीं होती है, जिससे यह जीवाश्म ईंधन और बैटरी (संग्रह) का विकल्प बन जाता है। ऐसे ईंधन के उदाहरण हाइड्रोजन, अमोनिया और हाइड्राज़ीन हैं।
इन प्रतिक्रियाओं को टिकाऊ, पर्यावरण के अनुकूल तरीके से आगे बढ़ाने के लिए विविध फोटोकैटलिस्ट विकसित किए जा रहे हैं। [7]
समीक्षा
जीवाश्म ईंधन के घटते भंडार पर दुनिया की निर्भरता न केवल पर्यावरणीय समस्याएँ उत्पन्न करती है बल्कि भू-राजनीतिक समस्याएँ भी उत्पन्न करती है। [8] सौर ईंधन, विशेष रूप से हाइड्रोजन, को जीवाश्म ईंधन की जगह लेने के लिए ऊर्जा के एक वैकल्पिक स्रोत के रूप में देखा जाता है, विशेषतः जहां भंडारण आवश्यक है। प्रकाशवोल्टीय के माध्यम से सीधे सूर्य के प्रकाश से बिजली का उत्पादन किया जा सकता है, लेकिन ऊर्जा का यह रूप हाइड्रोजन की तुलना में भंडारण के लिए अक्षम है। [7] सौर ईंधन का उत्पादन तब किया जा सकता है जब और जहां सूर्य का प्रकाश उपलब्ध हो, और बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत और अभिगमन किया जा सके। यह इसे और अधिक सुविधाजनक बनाता है, क्योंकि इसका उपयोग उन स्थितियों में किया जा सकता है जहां सीधी धूप उपलब्ध नहीं है।
सबसे व्यापक रूप से शोधित सौर ईंधन हाइड्रोजन (उदजन) हैं, क्योंकि इस ईंधन का उपयोग करने का एकमात्र उत्पाद पानी है, और प्रकाशरासायनिक कार्बन डाइऑक्साइड में कमी के उत्पाद हैं, जो मीथेन और प्रोपेन जैसे अधिक पारंपरिक ईंधन हैं। आगामी शोध में अमोनिया और संबंधित पदार्थ (यानी हाइड्राज़ीन) भी सम्मिलित हैं। ये हाइड्रोजन भंडारण का अधिक सघन और सुरक्षित तरीका बनकर, हाइड्रोजन के साथ आने वाली चुनौतियों का समाधान कर सकते हैं। प्रत्यक्ष अमोनिया ईंधन कोशिकाओं पर भी शोध किया जा रहा है। [9] सौर ईंधन का उत्पादन प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष प्रक्रियाओं के माध्यम से किया जा सकता है। प्रत्यक्ष प्रक्रियाएँ मध्यस्थ ऊर्जा रूपांतरणों के बिना ईंधन का उत्पादन करने के लिए सूर्य के प्रकाश में ऊर्जा का उपयोग करती हैं। सौर ऊष्मारसायन सौर प्रतिघातक से सटे एक प्राप्तकर्ता को उष्ण करने के लिए सीधे सूर्य की गर्मी का उपयोग करती है जहां ऊष्मरासायनिक प्रक्रिया की जाती है। इसके विपरीत, अप्रत्यक्ष प्रक्रियाओं में सौर ऊर्जा को पहले ऊर्जा के दूसरे रूप (जैसे जैवसंहति या बिजली) में परिवर्तित किया जाता है जिसका उपयोग ईंधन का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। अप्रत्यक्ष प्रक्रियाओं को लागू करना आसान है लेकिन प्रत्यक्ष विधि की तुलना में कम कुशल होने का हानि है। इसलिए, प्रत्यक्ष तरीकों को उनके कम कुशल समकक्षों की तुलना में अधिक रोचक माना जाना चाहिए। इसलिए नया शोध इस प्रत्यक्ष रूपांतरण पर अधिक ध्यान केंद्रित करता है, बल्कि उन ईंधनों पर भी ध्यान केंद्रित करता है जिनका उपयोग पावर ग्रिड को संतुलित करने के लिए तुरंत किया जा सकता है। [7]
हाइड्रोजन उत्पादन
फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल
सौर फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया में, विद्युत् अपघटन द्वारा हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने के लिए, एक फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का उपयोग किया जा सकता है, जहां एक प्रकाशसुग्राहीकारक विद्युदग्र प्रकाश को विद्युत प्रवाह में परिवर्तित करता है जिसका उपयोग पानी को विभाजित करने के लिए किया जाता है। इस प्रकार का एक सेल रंजित-सुग्राहीकृत सौर सेल है। [10] यह एक अप्रत्यक्ष प्रक्रिया है, क्योंकि यह बिजली उत्पन्न करती है जिसका उपयोग हाइड्रोजन बनाने के लिए किया जाता है। सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने वाली एक अन्य अप्रत्यक्ष प्रक्रिया प्रकाशपोषी का उपयोग करके जैव भार को जैव ईंधन में परिवर्तित करना है; हालाँकि, प्रकाश संश्लेषण द्वारा एकत्रित अधिकांश ऊर्जा का उपयोग जीवन-निर्वाह प्रक्रियाओं में किया जाता है और इसलिए ऊर्जा उपयोग के लिए खो दिया जाता है। [7]
अर्धचालक का उपयोग प्रकाशसुग्राहीकारक के रूप में भी किया जा सकता है। जब एक अर्धचालक को ऊर्जा अंतराल से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन द्वारा मारा जाता है, तो एक इलेक्ट्रॉन चालन बैंड में उत्तेजित हो जाता है और संयोजकता बैंड में एक छेद बन जाता है। बैंड झुकने के कारण, इलेक्ट्रॉन और छिद्र सतह पर चले जाते हैं, जहां इन आवेशों का उपयोग पानी के अणुओं को विभाजित करने के लिए किया जाता है। कई अलग-अलग सामग्रियों का परीक्षण किया गया है, लेकिन अब तक किसी ने भी व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए आवश्यकताओं को नहीं दिखाया है। [11]
प्रकाशरासायनिक
एक प्रकाशरासायनिक प्रक्रिया में, सूरज की रोशनी का उपयोग सीधे पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए किया जाता है। चूँकि पानी का अवशोषण वर्णक्रम सूर्य के उत्सर्जन वर्णक्रम के साथ अतिव्याप्त नहीं होता है, इसलिए पानी का प्रत्यक्ष पृथक्करण नहीं हो सकता है; एक प्रकाशसुग्राहीकारक का उपयोग करने की आवश्यकता है। ऐसे कई उत्प्रेरक अवधारणा के प्रमाण के रूप में विकसित किए गए हैं, लेकिन अभी तक व्यावसायिक उपयोग के लिए नहीं बढ़ाए गए हैं; फिर भी, उनकी सापेक्ष सादगी संभावित कम लागत और बढ़ी हुई ऊर्जा रूपांतरण दक्षता का लाभ देती है। [7][12] अवधारणा का ऐसा ही एक प्रमाण डैनियल जी. नोसेरा और सहकर्मियों द्वारा विकसित कृत्रिम पत्ती है: धातु ऑक्साइड-आधारित उत्प्रेरक और एक अर्धचालक सौर सेल का संयोजन रोशनी पर हाइड्रोजन का उत्पादन करता है और ऑक्सीजन एकमात्र उपोत्पाद के रूप में होता है। [13]
फोटोबायोलॉजिकल
एक फोटोबायोलॉजिकल प्रक्रिया में, फोटोबायोप्रतिघातक में प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीवों (हरे सूक्ष्म शैवाल और साइनोबैक्टीरीया ) का उपयोग करके हाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है। इनमें से कुछ जीव विकास माध्यम की स्थितियों को बदलने पर हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं; उदाहरण के लिए, क्लैमाइडोमोनस रेनहार्डटी गंधक पृथक्करण के अंतर्गत हाइड्रोजन ऐच्छिक अवायवीय जीव का उत्पादन करता है, अर्थात, जब कोशिकाओं को एक विकास माध्यम से दूसरे में ले जाया जाता है जिसमें गंधक नहीं होता है, और वायुमंडलीय ऑक्सीजन तक पहुंच के बिना विकसित होते हैं। [14] एक अन्य दृष्टिकोण डायज़ोट्रोफ़िक सायनोबैक्टीरियम पंक्टिफ़ॉर्म नॉस्टोकस में हाइड्रोजन-ऑक्सीकरण (अपटेक) हाइड्रोजनेज़ किण्वक की गतिविधि को समाप्त करना था, ताकि यह नाइट्रोजन यौगिकीकर स्थितियों में नाइट्रोजनेज़ किण्वक द्वारा स्वाभाविक रूप से उत्पादित हाइड्रोजन का उपभोग न करे। [15] यह एन. पंक्टिफ़ॉर्म उत्परिवर्ती दृश्य प्रकाश से प्रकाशित होने पर हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है।
एक अन्य उत्परिवर्ती साइनोबैक्टीरिया, सिंटेकोसिस्टिस, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए रुब्रिविवैक्स जिलेटिनोसस सीबीएस बैक्टीरिया के जीन का उपयोग कर रहा है। सीबीएस बैक्टीरिया कार्बन मोनोऑक्साइड के ऑक्सीकरण के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं। शोधकर्ता इन जीनों को सिंटेकोसिस्टिस में लागू करने के लिए काम कर रहे हैं। यदि इन जीनों को लागू किया जा सकता है, तो हाइड्रोजन के उत्पादन में ऑक्सीजन अवरोध की समस्याओं को दूर करने के लिए कुछ प्रयास करने होंगे, लेकिन अनुमान है कि यह प्रक्रिया संभावित रूप से 10% तक सौर ऊर्जा प्राप्त कर सकती है। यह फोटोबायोलॉजिकल अनुसंधान को हाइड्रोजन उत्पादन अन्वेषणों की एक बहुत ही रोमांचक और आशाजनक शाखा बनाता है। अभी भी शैवालीय हाइड्रोजन उत्पादन की अल्पकालिक प्रकृति पर काबू पाने की कई समस्याएं हैं और अनुसंधान प्रारंभिक चरण में है। हालाँकि, यह शोध इन नवीकरणीय और पर्यावरण अनुकूल प्रक्रियाओं को औद्योगीकृत करने का एक व्यवहार्य तरीका प्रदान करता है। [16]
ऊष्मरासायनिक
सौर ऊष्मरासायनिक [17] प्रक्रिया में, उच्च तापमान वाले सौर प्रतिघातक के अंदर बिजली के स्थान पर प्रत्यक्ष सौर ताप का उपयोग करके पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया जाता है [18] जो सूर्य स्थिरदर्शी के सौर क्षेत्र से अत्यधिक संकेंद्रित सौर प्रवाह प्राप्त करता है जो अत्यधिक संकेंद्रित सूर्य के प्रकाश को प्रतिघातक में केंद्रित करता है।
दो सबसे आशाजनक मार्ग दो चरण वाले सेरियम (धातु) (IV) ऑक्साइड-सेरियम (III) ऑक्साइड चक्र और तांबा-क्लोरीन चक्र हैं। सेरियम ऑक्साइड चक्र के लिए पहला कदम 1400 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर CeO3 को Ce2O3 में बदलना है। धातु ऑक्साइड को कम करने के लिए ऊष्मीय कमी चरण के बाद, लगभग 800 डिग्री सेल्सियस पर जलापघटन के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है। [19][20] तांबा विरंजक चक्र के लिए कम तापमान (~500°C) की आवश्यकता होती है, जो इस प्रक्रिया को अधिक कुशल बनाता है, लेकिन इस चक्र में अधिक चरण होते हैं और यह सेरियम ऑक्साइड चक्र की तुलना में अधिक जटिल भी है। [19]
क्योंकि हाइड्रोजन निर्माण के लिए निरंतर प्रदर्शन की आवश्यकता होती है, सौर ऊष्मरासायनिक प्रक्रिया में ऊष्मीय ऊर्जा भंडारण सम्मिलित होता है। [21] एक अन्य ऊष्मरासायनिक विधि मीथेन के सौर सुधार का उपयोग करती है, एक प्रक्रिया जो पारंपरिक जीवाश्म ईंधन सुधार प्रक्रिया की नकल करती है लेकिन सौर ताप को प्रतिस्थापित करती है। [22]
नेचर (पत्रिका) में नवंबर 2021 के प्रकाशन में, स्विस तकनीकी विश्वविद्यालय ईटीएच ज्यूरिख के एल्डो स्टीनफेल्ड ने एक कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण की सूचना दी, जहां हवा से अवशोषित कार्बन डाइऑक्साइड और जल वाष्प को हाइड्रोजन और कार्बन का उत्पादन करने के लिए केंद्रित सौर ऊर्जा द्वारा गर्म किए गए सेरियम ऑक्साइड उत्प्रेरक के ऊपर पारित किया जाता है। मोनोऑक्साइड, फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया के माध्यम से जटिल हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित होकर मेथनॉल, एक तरल ईंधन बनाता है।
औद्योगीकरण स्केलिंग से 2019 में 45,000 किमी 2 (17,000 वर्ग मील) की सतह के साथ 414 बिलियन एल (414 मिलियन एम 3) विमानन ईंधन का उत्पादन किया जा सकता है: सहारा रेगिस्तान का 0.5%। [23][24][25] एक लेखक, फिलिप फ़र्लर, विशेषज्ञ सिंहेलियन का नेतृत्व करते हैं, जो 2022 में स्पेन में एक और से पहले, कोलोन के पश्चिम में जूलिच में एक सौर ईंधन उत्पादन सुविधा का निर्माण कर रहा था। लुफ्थांसा समूह का हिस्सा स्विस एयरलाइंस को 2023 में इसका पहला ग्राहक बनना चाहिए। [26]
कार्बन डाइऑक्साइड में कमी
कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) को उचित फोटोकैटलिस्ट का उपयोग करके कार्बन मोनोआक्साइड (CO) और मीथेन जैसे अन्य अधिक कम किए गए यौगिकों में कम किया जा सकता है। एक प्रारंभिक उदाहरण CO2के लिए CO में कमी ट्रिस (बिपिरिडीन) रूथेनियम (II) विरंजक (Ru(bipy)3Cl2) और कोबाल्ट विरंजक (CoCl2) का उपयोग था। [27] हाल के वर्षों में CO2 को कम करने के लिए कई CO में नए उत्प्रेरक पाए गए हैं, जिसके बाद CO का उपयोग उदाहरण के लिए फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया का उपयोग करके हाइड्रोकार्बन बनाने के लिए किया जा सकता है। CO2 की सौर-संचालित कमी के लिए सबसे आशाजनक प्रणाली एक विद्युत रासायनिक सेल (PV+EC) के साथ एक प्रकाशवोल्टीय सेल का संयोजन है। [28][29] प्रकाशवोल्टीय सेल के लिए अत्यधिक कुशल GaInP/GaAs/Ge सौर सेल का उपयोग किया गया है, लेकिन CO2 प्रतिक्रियाओं में कमी और उचित उत्पाद बहिर्वाह प्रदान करने के लिए आवश्यक वोल्टेज और वर्तमान घनत्व प्रदान करने के लिए कई अन्य श्रृंखला-जुड़े और/या टेंडेम (बहु-संधि) पीवी शिल्प ज्ञान को नियोजित किया जा सकता है। [30] सौर कोशिकाओं/प्रपट्ट को विद्युदपघटक के सीधे संपर्क में रखा जा सकता है, जो प्रणाली संहतता और दोनों प्रौद्योगिकियों के ऊष्मीय प्रबंधन के संदर्भ में लाभ ला सकता है [30] या उदाहरण के लिए अलग से, पीवी को बाहर सूरज की रोशनी के संपर्क में रखकर और ईसी प्रणाली को घर के अंदर संरक्षित करके लाभ ला सकता है। [31]
वर्तमान में सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला विद्युत रासायनिक सेल गैस विसरण विद्युदग्र (जीईडी) धारा सेल है। जिसमें CO2 CO उत्पन्न करने के लिए एजी नैनोकणों पर प्रतिक्रिया करता है। 20 घंटे के बाद गतिविधि में न्यूनतम हानि के साथ, सौर से CO क्षमता 19% तक पहुंच गई है। [29]
CO2 को सूक्ष्म तरंग प्लाविक (भौतिकी) संचालित पृथक्करण का उपयोग करके उत्प्रेरक के बिना भी उत्पादित किया जा सकता है। यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत कुशल है, जिसमें बिजली से CO दक्षता 50% तक है, लेकिन कम रूपांतरण लगभग 10% है। ये कम रूपांतरण आदर्श नहीं हैं, क्योंकि CO और CO2 बड़े मापक्रम पर कुशल तरीके से अलग करना कठिन है। इस प्रक्रिया का बड़ा लाभ यह है कि इसे काफी तीव्रता से बंद और चालू किया जा सकता है और इसमें दुर्लभ सामग्री का उपयोग नहीं होता है। प्लाविक सूक्ष्म तरंग (शक्तिहीन रूप से आयनित) का उपयोग करके उत्पादित किया जाता है, ये सूक्ष्म तरंग प्लाविक में मुक्त इलेक्ट्रॉन को तीव्र कर सकते हैं। ये इलेक्ट्रॉन CO2 के साथ परस्पर क्रिया करते हैं जो कंपनपूर्वक CO2 को उत्तेजित करते हैं, इससे CO2 का CO में पृथक्करण होता है। उत्तेजना और पृथक्करण इतनी तीव्रता से होता है कि केवल थोड़ी सी ऊर्जा ऊष्मा में परिवर्तित होती है, जिससे दक्षता उच्च बनी रहती है। पृथक्करण से एक ऑक्सीजन विलक्षण भी उत्पन्न होता है, जो CO2 से CO और O2 के साथ प्रतिक्रिया करता है। [32]
साथ ही इस स्तिथि में सूक्ष्मजीवों के उपयोग का भी पता लगाया गया है। जनन विज्ञान अभियांट्रिकी और संश्लेषित जीवविज्ञान तकनीकों का उपयोग करके, प्रकाश संश्लेषक जीवों में जैव ईंधन उत्पादक चयापचय मार्गों के कुछ हिस्सों को प्रस्तुत किया जा सकता है। एक उदाहरण क्लोस्ट्रीडियम एसिटोब्यूटाइलिकम, इशरीकिया कोली और ट्रेपोनेमा डेंटिकोला के किण्वकों का उपयोग करके सिनेकोकोकस इलांगैटस में 1-ब्यूटेनॉल का उत्पादन है। [33] इस प्रकार के जैव ईंधन उत्पादन की खोज करने वाली बड़े मापक्रम पर अनुसंधान सुविधा का एक उदाहरण वैगनिंगन विश्वविद्यालय और अनुसंधान केंद्र, नीदरलैंड में एलगीपीएआरसी है।
अमोनिया और हाइड्राज़ीन उत्पादन
अमोनिया और हाइड्राज़िन जैसे हाइड्रोजन समृद्ध पदार्थ हाइड्रोजन के भंडारण के लिए बहुत अच्छे हैं। यह उनके ऊर्जा घनत्व के कारण है, अमोनिया के लिए तरल हाइड्रोजन का कम से कम 1.3 गुना अधिक है। [34] तरल हाइड्रोजन की तुलना में हाइड्राज़िन ऊर्जा में लगभग दोगुना है, हालांकि नकारात्मक पक्ष यह है कि प्रत्यक्ष हाइड्राज़िन ईंधन कोशिकाओं के उपयोग में शक्तिहीन पड़ने की आवश्यकता होती है, जो इस ईंधन सेल से प्राप्त होने वाली समग्र शक्ति को कम कर देता है। उच्च आयतनमितीय घनत्व के अतिरिक्त, अमोनिया और हाइड्रस हाइड्रेज़िन में कम ज्वलनशीलता होती है, जो भंडारण और अभिगमन लागत को कम करके इसे हाइड्रोजन से बेहतर बनाती है। [35]
अमोनिया
प्रत्यक्ष अमोनिया ईंधन सेल पर इसी सटीक कारण से शोध किया गया है और नए अध्ययनों ने एक नया एकीकृत सौर-आधारित अमोनिया संश्लेषण और ईंधन सेल प्रस्तुत किया है। सौर आधार अतिरिक्त सौर ऊर्जा से बनता है जिसका उपयोग अमोनिया को संश्लेषित करने के लिए किया जाता है। यह प्रोटान-विनिमय झिल्ली (पीईएम) ईंधन सेल के साथ संयोजन में अमोनिया विद्युत् अपघटनी सेल (एईसी) का उपयोग करके किया जाता है। जब सौर ऊर्जा में गिरावट आती है, तो प्रत्यक्ष अमोनिया ईंधन सेल कमी वाली ऊर्जा प्रदान करने के लिए सक्रिय हो जाता है। यह हालिया शोध (2020) ऊर्जा के कुशल उपयोग का एक स्पष्ट उदाहरण है, जो अनिवार्य रूप से अस्थायी भंडारण और ईंधन के रूप में अमोनिया के उपयोग द्वारा किया जाता है। अमोनिया में ऊर्जा का भंडारण समय के साथ ख़राब नहीं होता है, जो कि बैटरी और गतिपालक चक्र के स्तिथि में है। यह दीर्घकालिक ऊर्जा भंडारण प्रदान करता है। ऊर्जा के इस सघन रूप का अतिरिक्त लाभ यह है कि अतिरिक्त ऊर्जा को आसानी से अन्य स्थानों पर ले जाया जा सकता है। [9] मनुष्यों के लिए अमोनिया की विषाक्तता के कारण इसे उच्च सुरक्षा उपायों के साथ करने की आवश्यकता है। बिजली आपूर्ति में रुकावटों को सीमित करने के लिए एक संकरित प्रणाली बनाने के लिए इस प्रणाली को पवन ऊर्जा और जल-विद्युत संयंत्रों के साथ पूरक करने के लिए और अधिक शोध किए जाने की आवश्यकता है। प्रस्तावित प्रणाली के आर्थिक प्रदर्शन पर भी जांच करना आवश्यक है। कुछ वैज्ञानिक एक नई अमोनिया अर्थव्यवस्था की कल्पना करते हैं जो लगभग तेल उद्योग के समान है, लेकिन अटूट कार्बन-मुक्त बिजली के विशाल लाभ के साथ है। [36] यह तथाकथित हरा अमोनिया अत्यधिक बड़े जहाजों के लिए संभावित ईंधन माना जाता है। दक्षिण कोरियाई जहाज निर्माता डीएसएमई ने 2025 तक इन जहाजों का व्यावसायीकरण करने की योजना बनाई है। [37]
हाइड्राज़ीन
ऊर्जा भंडारण का दूसरा तरीका हाइड्राज़ीन का उपयोग है। यह अणु अमोनिया से संबंधित है और इसमें अमोनिया के समान ही उपयोगी होने की क्षमता है। इसे अमोनिया और हाइड्रोजन पेरोक्साइड से या क्लोरीन आधारित अपचयोपचय के माध्यम से बनाया जा सकता है। [38] यह इसे और भी सघन ऊर्जा भंडारण ईंधन बनाता है। हाइड्राज़िन का नकारात्मक पक्ष यह है कि यह बहुत जहरीला है और यह ऑक्सीजन के साथ काफी हिंसक प्रतिक्रिया करेगा। यह इसे अंतरिक्ष जैसे कम ऑक्सीजन वाले क्षेत्रों के लिए एक आदर्श ईंधन बनाता है। हाल ही में प्रक्षेपित किए गए इरिडियम उपग्रह समूह में ऊर्जा के स्रोत के रूप में हाइड्राज़ीन है। [39] चाहे कितना भी जहरीला हो, इस ईंधन में काफी संभावनाएं हैं, क्योंकि हाइड्राज़ीन को सुरक्षित रूप से अभिगमन और वापस हाइड्रोजन और अमोनिया में परिवर्तित करने के लिए सुरक्षा उपायों को पर्याप्त रूप से बढ़ाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने एक प्रकाशिक उत्प्रेरण प्रणाली के साथ हाइड्राज़िन को विघटित करने का एक तरीका खोजा जो पूरे दृश्य-प्रकाश क्षेत्र पर काम करता है। इसका मतलब यह है कि सूर्य के प्रकाश का उपयोग न केवल हाइड्राज़िन का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है, बल्कि इस ईंधन से हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए भी किया जा सकता है। हाइड्राज़िन का अपघटन फुलरीन (C60) से युक्त पी-एन द्विपरत के साथ किया जाता है, जिसे बकीबॉल्स के रूप में भी जाना जाता है जो एक एन-प्रकार अर्धचालक है और जिंक फ़ेथलोसाइनिन (ZnPc) है जो एक पी-प्रकार अर्धचालक है जो एक कार्बनिक प्रकाशिक उत्प्रेरण प्रणाली बनाता है। यह प्रणाली विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने वाले एन-प्रकार अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए दृश्य प्रकाश विकिरण का उपयोग करती है। पी-प्रकार अर्धचालक में बनाए गए छिद्रों को उपकरण के तथाकथित नेफियन भाग की दिशा में विवश किया जाता है, जो हाइड्राज़ीन को नाइट्रोजन गैस और घुलित हाइड्रोजन आयनों में ऑक्सीकरण करता है। यह ईंधन सेल के पहले डिब्बे में किया गया था। हाइड्रोजन आयन एक नमक पुल के माध्यम से दूसरे डिब्बे में जाते हैं और पहले डिब्बे से प्रकाश के साथ संपर्क द्वारा प्राप्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा हाइड्रोजन वाष्प में परिवर्तित हो जाते हैं। इस प्रकार हाइड्रोजन का निर्माण होता है, जिसका उपयोग ईंधन कोशिकाओं में किया जा सकता है। [40] इस आशाजनक अध्ययन से पता चलता है कि हाइड्राज़ीन एक सौर ईंधन है जिसमें ऊर्जा पारगमन में बहुत उपयोगी बनने की काफी क्षमता है।
हाइड्राज़ीन के लिए एक अलग दृष्टिकोण प्रत्यक्ष ईंधन कोशिकाएं हैं। इन कोशिकाओं के लिए अवधारणाएँ 1960 के दशक से विकसित की गई हैं। [41][42] हाल के अध्ययन बेहतर प्रत्यक्ष हाइड्राज़ीन ईंधन सेल प्रदान करते हैं, उदाहरण के लिए अपचायक के रूप में हाइड्रोजन पेरोक्साइड का उपयोग किया जाता है। धनाग्र को क्षारीय और कैथोड को अम्ल बनाने से बिजली घनत्व में बहुत वृद्धि हुई, जिससे 80 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर लगभग 1 डब्ल्यू/सेमी2 की उच्च चोटियाँ दिखाई दीं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रत्यक्ष हाइड्राज़िन ईंधन कोशिकाओं की मुख्य कमजोरी हाइड्राज़िन और उसके व्युत्पन्न शब्द की उच्च विषाक्तता है। [35] हालाँकि, हाइड्रस हाइड्राज़ीन, जो एक पानी जैसा तरल है, उच्च हाइड्रोजन घनत्व को बरकरार रखता है और उपस्थित ईंधन बुनियादी ढांचे का उपयोग करके सुरक्षित रूप से संग्रहीत और अभिगमन किया जा सकता है। [43] शोधकर्ता हाइड्राज़ीन से युक्त स्व-संचालित ईंधन कोशिकाओं का भी लक्ष्य रखते हैं। ये ईंधन सेल हाइड्राज़ीन का उपयोग दो तरह से करते हैं, अर्थात् प्रत्यक्ष ईंधन सेल के लिए ईंधन के रूप में और विभाजन लक्ष्य के रूप में किया जा सकता है। इसका मतलब यह है कि इस ईंधन सेल के साथ हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए केवल हाइड्राज़िन की आवश्यकता होती है, इसलिए किसी बाहरी शक्ति की आवश्यकता नहीं होती है। यह आयरन अपमिश्रित कोबाल्ट सल्फाइड नैनोशीट्स के उपयोग से किया जाता है। आयरन के साथ अपमिश्रण से हाइड्रोजन सोखना और हाइड्राज़ीन निर्जलीकरण के मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन कम हो जाते हैं। इस विधि में 20 घंटे की स्थिरता और 98% फैराडे दक्षता है, जो स्व-संचालित हाइड्रोजन उत्पन्न करने वाली कोशिकाओं के सर्वोत्तम प्रतिवेदन किए गए दावों के बराबर है। [44]
अन्य अनुप्रयोग
- क्षारीय जल विद्युत् अपघटन, बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली विद्युत् अपघटन, और ठोस ऑक्साइड विद्युदपघटक सेल विद्युदपघटक का उपयोग करके सौर प्रकाशवोल्टीय के साथ संयुक्त हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पानी का विद्युत् अपघटन;[45] पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अलग करने के लिए सौर प्रकाश से उत्पन्न विद्युत शक्ति का यह बुनियादी उपयोग उदाहरण के लिए भाप सुधार द्वारा हाइड्रोजन प्रग्रहण की तुलना में थोड़ा अधिक कुशल सिद्ध हुआ है। हाइड्रोजन की क्षारीय उत्पादन तकनीक की लागत कम है और इसे परिपक्व माना जाता है। इसका परिणाम यह होता है कि समय की प्रति इकाई उपज पीईएम प्रौद्योगिकी का उपयोग करने की तुलना में काफी अधिक होती है। हालाँकि, पीईएम तकनीक में संक्षारण की कोई समस्या नहीं है और यह अधिक कुशल है, जबकि क्षारीय उत्पादन तकनीक में संक्षारण का हानि और बदतर दक्षता है। [46] इसके अतिरिक्त, पीईएम तकनीक में तीव्र प्रवर्तन और सरल रखरखाव है। हालाँकि, थोक उत्पादन में क्षारीय हाइड्रोजन उत्पादन तकनीक बेहतर है। [47]
- हेलियोजन ने हाइड्रोजन के उत्पादन में 1000 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान तक पहुंचने के लिए, एक टावर तक सूर्य के प्रकाश को निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सौर सूर्य स्थिरदर्शी के उपयोग में सफलता का दावा किया है। [48] 2500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर बिजली के उपयोग के बिना उच्च तापमान विद्युत् अपघटन किया जा सकता है। यह परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की गर्मी का उपयोग करके या इन ऊष्मरासायनिक प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक उच्च तापमान तक पहुंचने के लिए सूर्य के प्रकाश को पुनर्निर्देशित करने के लिए अनुकूली सौर दर्पण क्षेत्रों द्वारा किया जा सकता है। हालाँकि, हाइड्रोजन उत्पादन का यह तरीका अपनी प्रारंभिक अवस्था में है और यह अभी तक सिद्ध नहीं हुआ है कि यह उत्पादन हाइड्रोजन लाभदायक और कुशल है, क्योंकि इसे अन्य, परिपक्व प्रौद्योगिकियों के साथ प्रतिस्पर्धा करनी होगी। [19][49]
यह भी देखें
- कार्बन-तटस्थ ईंधन
- फोटोकैटलिटिक जल विभाजन
- नवीकरणीय ऊर्जा
- सौर रसायन
- सौर-हाइड्रोजन ऊर्जा चक्र
संदर्भ
- ↑ "धूप से पेट्रोल तक" (PDF). Sandia National Laboratories. Retrieved 11 April 2013.
- ↑ "एकीकृत सौर थर्मोकेमिकल प्रतिक्रिया प्रणाली". U.S. Department of Energy. Retrieved 11 April 2013.
- ↑ Matthew L. Wald (10 April 2013). "नई सौर प्रक्रिया प्राकृतिक गैस से अधिक लाभ प्राप्त करती है". The New York Times. Retrieved 11 April 2013.