ग्रीन हाइड्रोजन वह हाइड्रोजन है जो नवीकरणीय बिजली से पानी को तोड़कर बनाया जाता है। इसके उत्पादन में CO2 नहीं निकलती, और यह खाद व रिफ़ाइनिंग में जीवाश्म हाइड्रोजन की जगह ले सकता है, कोयले के बिना लौह अयस्क को रिड्यूस कर सकता है और सिंथेटिक ईंधन बनाने वाले प्लांटों को कच्चा माल दे सकता है। दुनिया पहले से हर साल करीब 10 करोड़ टन हाइड्रोजन इस्तेमाल करती है (IEA के मुताबिक 2023 में लगभग 97 Mt), पर इसका 1% से भी कम कम-उत्सर्जन वाला है। लगभग सारा प्राकृतिक गैस और कोयले से आता है और सालाना करीब 900 Mt CO2 छोड़ता है, जो विमानन से भी ज़्यादा है। ग्रीन हाइड्रोजन का पहला काम इसी मौजूदा मांग को साफ़ करना है; उसके बाद वे सेक्टर आते हैं जहां बिजली सीधे नहीं पहुंच सकती।
यह कैसे काम करता है
इलेक्ट्रोलाइज़र दो इलेक्ट्रोड के बीच पानी से डायरेक्ट करंट गुज़ारता है, और इन इलेक्ट्रोड को एक इलेक्ट्रोलाइट या झिल्ली अलग रखती है। पानी टूटकर कैथोड पर हाइड्रोजन और एनोड पर ऑक्सीजन बनाता है:
2 H2O + विद्युत ऊर्जा → 2 H2 + O2
ऊष्मागतिकी सैद्धांतिक न्यूनतम तय करती है: हायर हीटिंग वैल्यू के आधार पर 39.4 kWh प्रति किलोग्राम, या ईंधनों के लिए आम तौर पर इस्तेमाल होने वाली लोअर हीटिंग वैल्यू (LHV) के आधार पर 33.3 kWh/kg (देखें कैलोरिफ़िक वैल्यू)। असली सिस्टम को इससे ज़्यादा चाहिए। इलेक्ट्रोड पर ओवरपोटेंशियल और ओमिक प्रतिरोध होता है, साथ में बैलेंस-ऑफ़-प्लांट का लोड भी: रेक्टिफ़ायर, पंप, कूलिंग, गैस सुखाना और पानी की सफ़ाई। आज के व्यावसायिक प्लांट सिस्टम स्तर पर लगभग 50–55 kWh प्रति kg लेते हैं।
m_H2 (kg/yr) = P_el (kW) × 8,760 h × CF ÷ SEC
LCOH ≈ (CAPEX × CRF + O&M) ÷ m_H2 + SEC × p_el
where SEC = specific electricity consumption (kWh/kg), CF = electrolyser capacity factor, CRF = capital recovery factor, p_el = electricity price ($/kWh)
52 kWh/kg पर दक्षता करीब 64% LHV होती है। लागत फ़ॉर्मूले का आखिरी हिस्सा बताता है कि बिजली की कीमत क्यों सब पर भारी है: $40/MWh पर सिर्फ बिजली का खर्च लगभग $2.1 प्रति kg है, पूंजी की वसूली से पहले ही। हमारा ग्रीन हाइड्रोजन कैलकुलेटर किसी खास इलेक्ट्रोलाइज़र, बिजली स्रोत और कैपेसिटी फैक्टर के लिए यही हिसाब लगाता है।
इलेक्ट्रोलाइज़र के मुख्य प्रकार
एल्कलाइन (AEL)
एल्कलाइन इलेक्ट्रोलिसिस सबसे पुरानी और सबसे सस्ती तकनीक है और उद्योग में सौ साल से चल रही है। निकल वाले इलेक्ट्रोड पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड के घोल में रहते हैं और एक छिद्रदार डायाफ़्राम उन्हें अलग रखता है। स्टैक टिकाऊ होते हैं और इनमें कीमती धातुओं की ज़रूरत नहीं, पर ये लोड बदलने पर परंपरागत रूप से धीमे रहे हैं और कम करंट घनत्व पर चलते हैं। दुनिया के एल्कलाइन उत्पादन पर चीनी निर्माताओं का दबदबा है और उनके दाम सबसे कम हैं।
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM)
PEM इलेक्ट्रोलाइज़र अम्लीय माहौल में ठोस पॉलिमर झिल्ली इस्तेमाल करते हैं। इससे स्टैक छोटे बनते हैं, करंट घनत्व ऊंचा रहता है, लोड तेज़ी से ऊपर-नीचे होता है और हाइड्रोजन ऊंचे दबाव पर निकलता है। बदलते पवन और सोलर उत्पादन के साथ जोड़ने में ये सब खूबियां काम आती हैं। ये इरिडियम (एनोड) और प्लैटिनम (कैथोड) पर निर्भर हैं। दुनिया में हर साल कुछ टन ही इरिडियम निकलता है, इसलिए PEM को कई गीगावाट तक ले जाने से पहले इसकी मात्रा काफ़ी घटानी होगी।
सॉलिड ऑक्साइड (SOEC)
सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइज़र 700–850 °C पर चलते हैं और सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट से भाप को तोड़ते हैं। ऊर्जा का एक हिस्सा गर्मी के रूप में आता है, इसलिए अगर उद्योग या परमाणु प्लांट की बेकार गर्मी मिले तो बिजली की खपत करीब 40 kWh/kg तक गिर सकती है। स्टैक जल्दी घिसते हैं और बार-बार चालू-बंद होना कम झेल पाते हैं। यह तकनीक डेमो से शुरुआती व्यावसायिक स्तर की ओर बढ़ रही है।
एनायन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (AEM)
AEM की कोशिश एल्कलाइन सिस्टम की सस्ती सामग्री को PEM के झिल्ली डिज़ाइन से जोड़ने की है। यूनिट अभी छोटे हैं (किलोवाट से कुछ मेगावाट तक), और इनकी टिकाऊपन अभी साबित होनी बाकी है।
| पैरामीटर | एल्कलाइन | PEM | SOEC | AEM |
|---|---|---|---|---|
| परिपक्वता | व्यावसायिक | व्यावसायिक | शुरुआती व्यावसायिक | पायलट / शुरुआती व्यावसायिक |
| संचालन तापमान | 60–90 °C | 50–80 °C | 700–850 °C | 40–60 °C |
| सिस्टम की बिजली खपत | 50–58 kWh/kg | 50–60 kWh/kg | ~40–45 kWh/kg (+ गर्मी) | 50–60 kWh/kg |
| दक्षता (LHV, सिस्टम) | 57–67% | 55–67% | 74–81% (बिजली के आधार पर) | 55–65% |
| स्टैक की उम्र | 60,000–90,000 h | 30,000–90,000 h | 10,000–30,000 h | परखी जा रही है |
| अहम सामग्री | निकल | इरिडियम, प्लैटिनम, टाइटेनियम | ज़िरकोनिया, निकल, रेयर अर्थ | निकल, पॉलिमर |
रेंज IEA (2019) The Future of Hydrogen, IRENA (2020) और IEA Global Hydrogen Review 2024 पर आधारित हैं।
हाइड्रोजन के रंग
उद्योग की बोलचाल में हाइड्रोजन को बनाने के तरीके से बांटा जाता है: ग्रे (बिना कैप्चर के स्टीम मीथेन रिफ़ॉर्मिंग, आज की ज़्यादातर सप्लाई), ब्राउन/ब्लैक (कोयला गैसीकरण, चीन में आम), ब्लू (कार्बन कैप्चर के साथ गैस रिफ़ॉर्मिंग), ग्रीन (नवीकरणीय इलेक्ट्रोलिसिस), पिंक (परमाणु इलेक्ट्रोलिसिस), टर्क्वॉइज़ (मीथेन पायरोलिसिस, जिसमें ठोस कार्बन बचता है) और व्हाइट (प्राकृतिक भूगर्भीय हाइड्रोजन)। नियामक रंग छोड़कर जीवनचक्र सीमाओं की ओर जा रहे हैं। गैर-जैविक मूल के नवीकरणीय ईंधनों के लिए EU के नियम प्रति kg H2 उत्सर्जन 3.38 kg CO2e से कम मांगते हैं (जीवाश्म तुलना से 70% बचत), और अमेरिका का 45V क्रेडिट 4 kg CO2e/kg से नीचे की जीवनचक्र तीव्रता के हिसाब से अलग-अलग स्तरों में मिलता है।
दक्षता और कैपेसिटी फैक्टर
यहां दो तरह की दक्षता मायने रखती है। रूपांतरण दक्षता, जो आज के सिस्टम में 60–67% LHV है, तय करती है कि हर किलोग्राम में कितनी बिजली लगेगी। उपयोग, यानी इलेक्ट्रोलाइज़र का क्षमता उपयोग कारक (कैपेसिटी फैक्टर), तय करता है कि पूंजी के हर डॉलर से कितने किलोग्राम बनेंगे। सिर्फ सोलर पर 20–25% कैपेसिटी फैक्टर पर चलने वाला इलेक्ट्रोलाइज़र अपनी पूंजी को कम घंटों पर बांटता है। चिली, ऑस्ट्रेलिया या मध्य पूर्व में पवन-सोलर वाली हाइब्रिड साइटें 50–70% तक पहुंच सकती हैं, और ग्रिड से जुड़े प्लांट इससे भी ज़्यादा, पर ग्रिड बिजली लागत और कार्बन की अपनी समस्याएं लाती है।
बिजली को हाइड्रोजन में बदलकर फिर टरबाइन या फ़्यूल सेल से वापस बिजली बनाने पर मूल बिजली का सिर्फ 30–40% लौटता है। इसलिए हाइड्रोजन को मौसमी स्टोरेज का आखिरी विकल्प माना जाता है, रोज़ाना चार्ज-डिस्चार्ज के लिए बैटरी स्टोरेज का प्रतिद्वंद्वी नहीं।
लागत
हाइड्रोजन की स्तरीकृत लागत (LCOH) बिजली की कीमत, इलेक्ट्रोलाइज़र की पूंजी लागत, उपयोग और फ़ाइनेंसिंग पर निर्भर है। IEA Global Hydrogen Review 2024 के मुताबिक:
- ग्रे हाइड्रोजन सामान्य गैस कीमतों पर आम तौर पर $1–2.5/kg पड़ता है (2022 के गैस संकट में ज़्यादा, और जहां गैस सस्ती है, जैसे मध्य पूर्व, वहां $1/kg से कम)।
- नए प्रोजेक्टों का ग्रीन हाइड्रोजन आम तौर पर $3–8/kg पड़ता है। निचला सिरा बेहतरीन नवीकरणीय साइटों और सस्ती फ़ाइनेंसिंग वाला है; ऊपरी सिरा यूरोप और जापान का।
- स्थापित इलेक्ट्रोलाइज़र सिस्टम की लागत चीन में लगभग $750/kW से लेकर यूरोप और उत्तरी अमेरिका में $2,000–2,500/kW या उससे ज़्यादा तक है। बैलेंस-ऑफ़-प्लांट, इंजीनियरिंग और महंगाई की वजह से ये उतनी तेज़ी से नहीं गिरीं जितना पहले के अनुमानों में माना गया था।
यह अंतर पाटने के लिए $30/MWh से काफ़ी कम की बिजली, ऊंचा उपयोग और सस्ते इलेक्ट्रोलाइज़र चाहिए, नहीं तो कार्बन प्राइसिंग और सब्सिडी। अमेरिका का प्रोडक्शन टैक्स क्रेडिट (45V) सबसे साफ़ हाइड्रोजन के लिए $3/kg तक देता है, हालांकि 2025 के कानून ने इसे उन प्रोजेक्टों तक सीमित कर दिया जिनका निर्माण 2028 से पहले शुरू हो। EU के Hydrogen Bank की पहली नीलामी लगभग EUR 0.4–0.5/kg के प्रीमियम पर क्लियर हुई। अपने प्रस्तावित बिजली स्रोत की लागत आप LCOE कैलकुलेटर से जांच सकते हैं।
उपयोग और हाइड्रोजन लैडर
आज की ज़्यादातर मांग तेल रिफ़ाइनिंग (हाइड्रोक्रैकिंग और सल्फ़र हटाना, मांग का करीब 40%) और खाद के लिए अमोनिया (लगभग एक-तिहाई) से आती है, उसके बाद मेथनॉल और स्टील के लिए डायरेक्ट रिड्यूस्ड आयरन (DRI) का नंबर है। इन कामों में ग्रे हाइड्रोजन को बदलना सबसे स्वाभाविक शुरुआती बाज़ार है, क्योंकि ढांचा और खरीदार दोनों पहले से मौजूद हैं।
Michael Liebreich की खूब उद्धृत Hydrogen Ladder नए उपयोगों को इस आधार पर रैंक करती है कि साफ़ हाइड्रोजन विकल्पों के मुकाबले कितना टिकता है:
- सबसे मज़बूत मामले: अमोनिया और खाद, रिफ़ाइनिंग, मेथनॉल, DRI के ज़रिए ग्रीन स्टील (स्वीडन के HYBRIT और Stegra जैसे प्रोजेक्ट), लंबी अवधि का ग्रिड स्टोरेज और जहाज़ों व विमानों के लिए ई-फ़्यूल, जिसमें समुद्री ईंधन के रूप में अमोनिया भी शामिल है।
- विवादित: लंबी दूरी के ट्रक, ऊंचे तापमान वाली औद्योगिक गर्मी, मौसमी बिजली स्टोरेज।
- सबसे कमज़ोर मामले: यात्री कारें, घरों की हीटिंग और हल्के वाहन। यहां हीट पंप और बैटरी वाहन हाइड्रोजन के रास्ते से दो से चार गुना कुशलता से ऊर्जा इस्तेमाल करते हैं।
स्टोरेज और ट्रांसपोर्ट
हाइड्रोजन सबसे हल्का तत्व है। प्रति किलोग्राम इसमें बहुत ऊर्जा है, पर प्रति आयतन कम: करीब 3 kWh प्रति नॉर्मल क्यूबिक मीटर, यानी प्राकृतिक गैस का लगभग एक-तिहाई। विकल्प ये हैं: वाहनों के लिए 350–700 bar तक कंप्रेशन; −253 °C पर तरल बनाना, जिसमें लगभग 10–13 kWh/kg (इसकी LHV का करीब 30–40%) खर्च होता है; नमक की गुफाओं में स्टोरेज, जहां भूगर्भ इजाज़त दे वहां बड़ी मात्रा का सबसे सस्ता विकल्प (टेक्सस और टीसाइड में दशकों से इस्तेमाल); जहाज़ से भेजने के लिए अमोनिया (वज़न में 17.6% हाइड्रोजन, आसानी से तरल बनता है) या लिक्विड ऑर्गैनिक हाइड्रोजन कैरियर में बदलना; और पाइपलाइन, नई या प्राकृतिक गैस वाली से बदली हुई। ज़मीन पर बड़ी मात्रा ले जाने का सबसे सस्ता तरीका पाइपलाइन ही है, और फ़र्क बहुत बड़ा है। अमोनिया के रूप में जहाज़ से भेजने पर रूपांतरण में भारी नुकसान जुड़ता है।
ज़मीन, पानी और सामग्री
इलेक्ट्रोलाइज़र खुद कम जगह लेता है: 100 MW का प्लांट कुछ हेक्टेयर में आ जाता है। ज़मीन उन नवीकरणीय प्लांटों को चाहिए जो इसे बिजली देते हैं। सालाना 1 Mt हाइड्रोजन के लिए करीब 50–55 TWh बिजली चाहिए, जो धूप वाले इलाके में लगभग 20–25 GW सोलर का उत्पादन है। पानी की खपत सिद्धांत में प्रति kg H2 करीब 9 kg और व्यवहार में 10–15 लीटर प्रति kg है, जो ज़्यादा नहीं। सूखे निर्यात केंद्रों में समुद्री पानी के डीसैलिनेशन से हाइड्रोजन की लागत 1% से भी काफ़ी कम बढ़ती है। अहम सामग्री हैं PEM के लिए इरिडियम और प्लैटिनम, एल्कलाइन के लिए निकल, और SOEC के लिए रेयर अर्थ व ज़िरकोनिया।
जीवनचक्र CO2 उत्सर्जन
ग्रीन हाइड्रोजन का ज़्यादातर जीवनचक्र उत्सर्जन नवीकरणीय प्लांट और इलेक्ट्रोलाइज़र बनाने से आता है। 10–40 g CO2e/kWh वाली पवन या सोलर बिजली (IPCC AR5 WGIII Annex III; UNECE 2021) और 52 kWh/kg पर जीवनचक्र तीव्रता लगभग 0.5–2 kg CO2e प्रति kg H2 बनती है। तुलना के लिए:
- स्टीम मीथेन रिफ़ॉर्मिंग वाला ग्रे हाइड्रोजन अपस्ट्रीम मीथेन उत्सर्जन मिलाकर करीब 9–12 kg CO2e/kg उत्सर्जित करता है।
- ब्लू हाइड्रोजन करीब 1.5 से 6 kg CO2e/kg से ज़्यादा तक जाता है, जो कैप्चर दर और अपस्ट्रीम मीथेन लीक पर निर्भर है।
- 400 g CO2e/kWh वाली औसत बिजली से ग्रिड इलेक्ट्रोलिसिस करीब 20 kg CO2e/kg देता है, जो ग्रे हाइड्रोजन से भी बुरा है। इसीलिए EU के नियम अतिरिक्तता (एडिशनैलिटी) और नवीकरणीय सप्लाई से समय व जगह, दोनों में मेल मांगते हैं।
लीक भी मायने रखते हैं। Sand et al. (2023) के अनुसार मीथेन, ओज़ोन और समतापमंडल की जल वाष्प पर अप्रत्यक्ष असर के ज़रिए हाइड्रोजन की ग्लोबल वार्मिंग क्षमता 100 साल में करीब 12 और 20 साल में करीब 37 है। भविष्य की सप्लाई चेन में कुछ प्रतिशत का लीक फ़ायदे का एक हिस्सा खत्म कर देगा।
सुरक्षा और पर्यावरण पर असर
हाइड्रोजन सांद्रता की बहुत चौड़ी रेंज (हवा में 4–75%) में जलता है, बहुत कम ऊर्जा से आग पकड़ लेता है और इसकी लौ लगभग दिखती नहीं। खुली हवा में यह तेज़ी से ऊपर उठकर फैल जाता है, जिससे कुछ जोखिम घटते हैं, पर बंद जगह में छत के नीचे जमा हो जाता है। यह कुछ स्टील को भंगुर बना देता है, जो बदली गई पाइपलाइनों के लिए चिंता की बात है। अमोनिया कैरियर की अपनी विषाक्तता का खतरा है, और अमोनिया जलाने से NOx और N2O निकलती हैं। उद्योग आज इन जोखिमों को अच्छी तरह संभालता है; मुश्किल है नई और ज़्यादा बिखरी जगहों पर यही करना।
आगे की तस्वीर
महत्वाकांक्षा निवेश से बहुत आगे है। IEA Global Hydrogen Review 2024 के मुताबिक घोषित प्रोजेक्ट 2030 तक सालाना करीब 50 Mt कम-उत्सर्जन हाइड्रोजन दे सकते हैं, पर इस मात्रा का सिर्फ कुछ प्रतिशत अंतिम निवेश निर्णय तक पहुंचा था। 2023 के अंत में दुनिया में स्थापित इलेक्ट्रोलिसिस क्षमता करीब 1.4 GW थी, और IEA को उम्मीद थी कि 2024 के अंत तक यह लगभग 5 GW हो सकती है। FID तक पहुंची इलेक्ट्रोलिसिस क्षमता एक साल में लगभग दोगुनी होकर करीब 20 GW हो गई, जिसमें सबसे बड़ा हिस्सा चीन का है। प्रमुख प्रोजेक्टों में सऊदी अरब का NEOM (अमोनिया निर्यात के लिए करीब 2 GW इलेक्ट्रोलिसिस) और शिनजियांग व इनर मंगोलिया के बड़े एल्कलाइन प्रोजेक्ट हैं।
विकास संभवतः कुछ खास जगहों पर सिमटा रहेगा: मौजूदा अमोनिया और रिफ़ाइनरी मांग, ग्रीन स्टील और जहाज़ी ईंधन, उन साइटों पर जहां पवन और सोलर असाधारण रूप से सस्ते हों और अच्छा हो कि पाइपलाइन या बंदरगाह पहले से मौजूद हों। नज़र रखने लायक बातें हैं इलेक्ट्रोलाइज़र की लागत, खरीद के कॉन्ट्रैक्ट और सर्टिफ़िकेशन के नियम। तेज़ धूप और हवा वाले इलाके सोलर पोटेंशियल मैप और विंड पोटेंशियल मैप पर दिखते हैं, और तकनीकों की तुलना में हाइड्रोजन को दूसरे विकल्पों के सामने रखा गया है।
अक्सर पूछे जाने वाले सवाल
1 kg ग्रीन हाइड्रोजन बनाने में कितनी बिजली लगती है?
ग्रीन हाइड्रोजन ग्रे हाइड्रोजन से कितना महंगा है?
हाइड्रोजन के रंगों का क्या मतलब है?
क्या हाइड्रोजन ग्रीनहाउस गैस है?
इलेक्ट्रोलिसिस में कितना पानी लगता है?
इतने कम ग्रीन हाइड्रोजन प्रोजेक्ट अंतिम निवेश निर्णय तक क्यों पहुंचते हैं?
स्रोत और संदर्भ
- IEA (2024). Global Hydrogen Review 2024
- IEA (2019). The Future of Hydrogen
- IRENA (2020). Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up electrolysers to meet the 1.5 C climate goal
- Sand, M. et al. (2023). A multi-model assessment of the Global Warming Potential of hydrogen. Communications Earth & Environment 4, 203
- Commission Delegated Regulation (EU) 2023/1185 on the GHG methodology for renewable fuels of non-biological origin