ہائیڈروجن کے لیے واٹر الیکٹرولائزر

الیکٹرولیسس قابل تجدید اور جوہری وسائل سے کاربن سے پاک ہائیڈروجن کی پیداوار کے لیے ایک امید افزا آپشن ہے۔ الیکٹرولیسس پانی کو ہائیڈروجن اور آکسیجن میں تقسیم کرنے کے لیے بجلی کا استعمال کرنے کا عمل ہے۔ یہ ردعمل ایک یونٹ میں ہوتا ہے جسے الیکٹرولائزر کہتے ہیں۔ الیکٹرولائزر سائز میں چھوٹے، آلات کے سائز کے آلات سے لے کر بڑے پیمانے پر تقسیم شدہ ہائیڈروجن کی پیداوار کے لیے بڑے پیمانے پر، مرکزی پیداواری سہولیات کے لیے موزوں ہیں جو قابل تجدید یا دیگر غیر گرین ہاؤس گیس خارج کرنے والی شکلوں سے براہ راست منسلک ہو سکتے ہیں۔ بجلی کی پیداوار.

یہ کیسے کام کرتا ہے
ایندھن کے خلیوں کی طرح، الیکٹرولائزر ایک انوڈ اور ایک کیتھوڈ پر مشتمل ہوتا ہے جو الیکٹرولائٹ سے الگ ہوتا ہے۔ مختلف الیکٹرولائزر مختلف طریقوں سے کام کرتے ہیں، بنیادی طور پر اس میں شامل مختلف قسم کے الیکٹرولائٹ مواد اور آئنک پرجاتیوں کی وجہ سے۔

پولیمر الیکٹرولائٹ میمبرین الیکٹرولائزرز
پولیمر الیکٹرولائٹ میمبرین (PEM) الیکٹرولائزر میں، الیکٹرولائٹ ایک ٹھوس خاص پلاسٹک مواد ہے۔

پانی آکسیجن اور مثبت چارج شدہ ہائیڈروجن آئن (پروٹون) بنانے کے لیے انوڈ پر رد عمل ظاہر کرتا ہے۔
الیکٹران ایک بیرونی سرکٹ کے ذریعے بہتے ہیں اور ہائیڈروجن آئن منتخب طور پر پی ای ایم کے پار کیتھوڈ میں منتقل ہوتے ہیں۔
کیتھوڈ پر، ہائیڈروجن آئن خارجی سرکٹ کے الیکٹرانوں کے ساتھ مل کر ہائیڈروجن گیس بناتے ہیں۔ انوڈ ری ایکشن: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- کیتھوڈ ری ایکشن: 4H+ + 4e- → 2H2

الکلائن الیکٹرولائزرز
الکلائن الیکٹرولائزر ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں (OH-) کی نقل و حمل کے ذریعے کیتھوڈ سے انوڈ تک الیکٹرولائٹ کے ذریعے کام کرتے ہیں جس کے ساتھ کیتھوڈ کی طرف ہائیڈروجن پیدا ہوتا ہے۔ سوڈیم یا پوٹاشیم ہائیڈرو آکسائیڈ کے مائع الکلائن محلول کو الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال کرنے والے الیکٹرولائزر کئی سالوں سے تجارتی طور پر دستیاب ہیں۔ الیکٹرولائٹ کے طور پر ٹھوس الکلائن ایکسچینج میمبرین (AEM) کا استعمال کرتے ہوئے نئے نقطہ نظر لیب پیمانے پر وعدہ دکھا رہے ہیں۔

سالڈ آکسائیڈ الیکٹرولائزرز
ٹھوس آکسائیڈ الیکٹرولائزرز، جو ایک ٹھوس سیرامک ​​مواد کو الیکٹرولائٹ کے طور پر استعمال کرتے ہیں جو منتخب طور پر منفی چارج شدہ آکسیجن آئنوں (O2-) کو بلند درجہ حرارت پر چلاتے ہیں، تھوڑا مختلف طریقے سے ہائیڈروجن پیدا کرتے ہیں۔
کیتھوڈ پر بھاپ خارجی سرکٹ کے الیکٹرانوں کے ساتھ مل کر ہائیڈروجن گیس اور منفی چارج شدہ آکسیجن آئن بناتی ہے۔
آکسیجن آئن ٹھوس سیرامک ​​جھلی سے گزرتے ہیں اور آکسیجن گیس بنانے اور بیرونی سرکٹ کے لیے الیکٹران پیدا کرنے کے لیے انوڈ پر رد عمل ظاہر کرتے ہیں۔
ٹھوس آکسائیڈ الیکٹرولائزرز کو ٹھوس آکسائیڈ جھلیوں کے مناسب طریقے سے کام کرنے کے لیے کافی زیادہ درجہ حرارت پر کام کرنا چاہیے (تقریباً 700 ڈگری –800 ڈگری، PEM الیکٹرولائزرز کے مقابلے، جو 70 ڈگری –90 ڈگری پر کام کرتے ہیں، اور کمرشل الکلائن الیکٹرولائزرز، جو عام طور پر اس سے کم پر کام کرتے ہیں۔ 100 ڈگری)۔ پروٹون کنڈکٹنگ سیرامک ​​الیکٹرولائٹس پر مبنی ایڈوانسڈ لیب پیمانے پر ٹھوس آکسائیڈ الیکٹرولائزر آپریٹنگ درجہ حرارت کو 500 ڈگری -600 ڈگری تک کم کرنے کا وعدہ ظاہر کر رہے ہیں۔ ٹھوس آکسائیڈ الیکٹرولائزر پانی سے ہائیڈروجن پیدا کرنے کے لیے درکار برقی توانائی کی مقدار کو کم کرنے کے لیے ان بلند درجہ حرارت (مختلف ذرائع سے، بشمول جوہری توانائی سے) دستیاب حرارت کو مؤثر طریقے سے استعمال کر سکتے ہیں۔

اس راستے پر کیوں غور کیا جا رہا ہے۔
الیکٹرولیسس ہائیڈروجن انرجی ارتھ شاٹ کے ہدف کو حاصل کرنے کے لیے ہائیڈروجن کی پیداوار کا ایک اہم راستہ ہے جو 1 دہائی میں صاف ہائیڈروجن کی قیمت کو 80% سے $1 فی 1 کلوگرام تک کم کر دیتا ہے ("1 1 1")۔ الیکٹرولائسز کے ذریعے پیدا ہونے والی ہائیڈروجن کے نتیجے میں صفر گرین ہاؤس گیسوں کا اخراج ہو سکتا ہے، استعمال شدہ بجلی کے منبع پر منحصر ہے۔ مطلوبہ بجلی کا ذریعہ - جس میں اس کی لاگت اور کارکردگی کے ساتھ ساتھ بجلی کی پیداوار کے نتیجے میں اخراج بھی شامل ہے - الیکٹرولائسز کے ذریعے ہائیڈروجن کی پیداوار کے فوائد اور معاشی عملداری کا جائزہ لیتے وقت غور کیا جانا چاہیے۔ ملک کے بہت سے خطوں میں، آج کا پاور گرڈ الیکٹرولائسز کے لیے درکار بجلی فراہم کرنے کے لیے مثالی نہیں ہے کیونکہ خارج ہونے والی گرین ہاؤس گیسوں اور بجلی پیدا کرنے کے عمل کی کم کارکردگی کی وجہ سے درکار ایندھن کی مقدار۔ الیکٹرولیسس کے ذریعے ہائیڈروجن کی پیداوار قابل تجدید (ہوا، شمسی، ہائیڈرو، جیوتھرمل) اور جوہری توانائی کے اختیارات کے لیے جاری ہے۔ یہ ہائیڈروجن کی پیداوار کے راستے عملی طور پر صفر گرین ہاؤس گیس اور معیار آلودگی کے اخراج کے نتیجے میں؛ تاہم، قدرتی گیس کی اصلاح جیسے زیادہ پختہ کاربن پر مبنی راستوں کے ساتھ مقابلہ کرنے کے لیے پیداواری لاگت کو نمایاں طور پر کم کرنے کی ضرورت ہے۔

قابل تجدید توانائی کی بجلی کی پیداوار کے ساتھ ہم آہنگی کے لیے ممکنہ
الیکٹرولیسس کے ذریعے ہائیڈروجن کی پیداوار متحرک اور وقفے وقفے سے بجلی کی پیداوار کے ساتھ ہم آہنگی کے مواقع فراہم کر سکتی ہے، جو کہ کچھ قابل تجدید توانائی ٹیکنالوجیز کی خصوصیت ہے۔ مثال کے طور پر، اگرچہ ہوا سے بجلی کی قیمت میں مسلسل کمی واقع ہوئی ہے، لیکن ہوا کی موروثی تغیر ونڈ پاور کے موثر استعمال میں رکاوٹ ہے۔ ہائیڈروجن ایندھن اور الیکٹرک پاور جنریشن کو ونڈ فارم میں مربوط کیا جا سکتا ہے، جس سے پیداوار کو نظام کی آپریشنل ضروریات اور مارکیٹ کے عوامل کے ساتھ بہترین مماثل وسائل کی دستیابی پر منتقل کرنے کی لچک پیدا ہو سکتی ہے۔ نیز، ونڈ فارمز سے بجلی کی اضافی پیداوار کے وقت، بجلی کو کم کرنے کے بجائے جیسا کہ عام طور پر کیا جاتا ہے، اس اضافی بجلی کو الیکٹرولائسز کے ذریعے ہائیڈروجن پیدا کرنے کے لیے استعمال کرنا ممکن ہے۔

یہ نوٹ کرنا ضروری ہے...
آج کی گرڈ بجلی الیکٹرولائسز کے لیے بجلی کا مثالی ذریعہ نہیں ہے کیونکہ زیادہ تر بجلی ایسی ٹیکنالوجیز کا استعمال کرتے ہوئے پیدا کی جاتی ہے جس کے نتیجے میں گرین ہاؤس گیسوں کا اخراج ہوتا ہے اور توانائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ قابل تجدید یا جوہری توانائی کی ٹیکنالوجیز کا استعمال کرتے ہوئے بجلی کی پیداوار، یا تو گرڈ سے الگ، یا گرڈ مکس کے بڑھتے ہوئے حصے کے طور پر، الیکٹرولیسس کے ذریعے ہائیڈروجن کی پیداوار کے لیے ان حدود پر قابو پانے کا ایک ممکنہ آپشن ہے۔

الیکٹرولیسس کے عمل میں، ایک ہی وقت میں دو مختلف آئنائزیشن کے عمل ہو رہے ہیں۔ پانی اور الیکٹرولائٹ دونوں اس معاملے میں مقابلہ کر رہے ہیں۔

ایک الیکٹرولائٹ پانی کی طرح آئنائزیشن کے عمل سے گزرتا ہے۔ الیکٹرولائٹ میں ایک ہی آکسیکرن اور کمی واقع ہوگی۔
چونکہ الیکٹرولائٹ سے ایک آئن ایک الیکٹران کو چھوڑنے کے لیے ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں سے مقابلہ کرتا ہے، اور ایک کیٹیشن الیکٹران کو قبول کر کے کم ہونے کے لیے ہائیڈروجن آئن سے مقابلہ کرتی ہے، اس لیے ایک الیکٹرولائٹ کا انتخاب احتیاط کے ساتھ کیا جانا چاہیے۔

الیکٹرولائٹ کی کیشن میں H+ سے کم الیکٹروڈ صلاحیت ہونی چاہیے۔ کسی بھی الیکٹرولائسز میں ہمیشہ یاد رکھیں کہ الیکٹرولائٹ کی کیشن کا الیکٹروڈ پوٹینشل الیکٹرولائز کیے جانے والے مادہ کی کیشن کے الیکٹروڈ پوٹینشل سے کم ہونا چاہیے اور الیکٹرولائٹ کی اینیون کی الیکٹروڈ پوٹینشل اس کی اینین کے الیکٹروڈ پوٹینشل سے زیادہ ہونی چاہیے۔ مادہ الیکٹرولائز کیا جا رہا ہے.

قابل تجدید توانائی کے ذرائع کا استعمال کرتے ہوئے سبز ہائیڈروجن کی پیداوار نے ہائیڈروجن پیدا کرنے کے لیے پانی کے الیکٹرولیسس میں کافی دلچسپی پیدا کردی ہے۔ بغیر کسی CO2 کے اخراج کے قابل تجدید توانائی کے ذرائع کا استعمال کرتے ہوئے پانی کے الیکٹرولیسس کو ہائیڈروجن کی پیداوار کی شرح کو بڑھانے کے ایک امید افزا طریقہ کے طور پر دیکھا جاتا ہے۔ 2020 میں، دنیا بھر میں تقریباً 87 ملین ٹن ہائیڈروجن مختلف استعمال کے لیے تیار کی گئی، جس میں تیل کو صاف کرنا، امونیا کی پیداوار (NH3) (Haber process کے ذریعے) اور میتھانول (CH3OH) (کاربن مونو آکسائیڈ [CO] میں کمی کے ذریعے)، اور جیسا کہ نقل و حمل کا ایندھن۔ 2050 تک ہائیڈروجن کی طلب 500-680 ملین MT تک پہنچنے کی توقع ہے۔ 2020 سے 2021 تک ہائیڈروجن کی پیداواری مارکیٹ کی مالیت $130 بلین تھی اور 2030 تک 9.2٪ سالانہ شرح سے بڑھنے کی توقع ہے۔ لیکن ایک کیچ ہے: ہائیڈروجن کی موجودہ پیداوار کا 95% سے زیادہ جیواشم ایندھن پر مبنی ہے، جس میں بہت کم "سبز" ہے۔ آج، ہائیڈروجن کی پیداوار عالمی قدرتی گیس کا 6% اور عالمی کوئلے کا 2% استعمال کرتی ہے۔ بہر حال، سبز ہائیڈروجن پروڈکشن ٹیکنالوجیز مقبولیت حاصل کر رہی ہیں۔

الیکٹرولیسس ایک ایسا عمل ہے جو پانی کو H2 اور O2 میں تقسیم کرنے کے لیے بجلی کا استعمال کرتا ہے۔ الیکٹرانوں کا بہاؤ ایک ترسیلی راستے سے ہوتا ہے، جیسے تار، وہ ہے جو بجلی ہے۔ یہ راستہ سرکٹ کے نام سے جانا جاتا ہے۔ الیکٹران انوڈ اور کیتھوڈ کے درمیان برقی ممکنہ فرق کی وجہ سے حرکت کرتے ہیں۔ انوڈ میں زیادہ الیکٹران ہوتے ہیں اور الیکٹران کے ہجوم کی وجہ سے زیادہ غیر مستحکم ہوتا ہے۔ الیکٹران فرق کو ختم کرنے کے لیے خود کو دوبارہ ترتیب دینا چاہتے ہیں۔ الیکٹران ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں اور کم الیکٹران والے مقام پر جانے کی کوشش کرتے ہیں۔ یہ ایک کیتھوڈ ہے۔
چونکہ خالص پانی بجلی نہیں چلاتا، پانی کی تقسیم ایک سست ریڈوکس رد عمل ہے۔

کیمسٹری
الیکٹرولائزر میں، ایک کیتھوڈ اور ایک انوڈ پاور کے منبع سے منسلک ہوتا ہے۔ الیکٹران ہمیشہ انوڈ سے کیتھوڈ تک بہتے رہتے ہیں چاہے کچھ بھی ہو۔ کیتھوڈ ہمیشہ ہوتا ہے جہاں کمی واقع ہوتی ہے لہذا الیکٹرانوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ آکسیڈیشن الیکٹرانوں کا نقصان ہے اور کمی الیکٹران کا فائدہ ہے۔
مختصراً، منفی چارج شدہ کیتھوڈ پر، ایک کمی کا رد عمل ہوتا ہے، جس میں کیتھوڈ سے الیکٹران (e−) ہائیڈروجن کیشنز کو ہائیڈروجن گیس بنانے کے لیے دیا جاتا ہے۔
کیتھوڈ (کمی):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
مثبت چارج شدہ انوڈ پر، ایک آکسیڈیشن ردعمل ہوتا ہے، آکسیجن گیس پیدا کرتا ہے اور سرکٹ کو مکمل کرنے کے لیے انوڈ کو الیکٹران دیتا ہے۔
انوڈ (آکسیڈیشن): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
ان ردعمل کا ایک مجموعہ پیدا کرتا ہے:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 کیتھوڈ میں اور O2 انوڈ میں پیدا ہوتا ہے۔
پانی کے برقی تجزیہ کے لیے 1.23 وولٹ کے کم از کم ممکنہ فرق کی ضرورت ہوتی ہے، حالانکہ اس وولٹیج پر ماحول سے بیرونی حرارت کی ضرورت ہوتی ہے۔

واٹر الیکٹرولیسس بائی پولر سیل اسٹیک الیکٹریکل سیریز میں بہت سے انفرادی الیکٹرو کیمیکل سیلز پر مشتمل ہوتے ہیں۔ عملی طور پر، پانی کے الیکٹرولائسز سیل کے ڈھیر جو کہ ابھی روکے گئے ہیں، ہر سیل کے اندر باقی ماندہ ہائیڈروجن اور آکسیجن کی وجہ سے ایک اہم برقی چارج برقرار رکھ سکتے ہیں۔ اکیلے چھوڑ دیں، اس بقایا الیکٹرو کیمیکل چارج کو ختم ہونے میں کئی گھنٹے لگ سکتے ہیں۔ اگر آپریشن کے فوراً بعد ان سیل سٹیکس کو سروس کرنے یا تبدیل کرنے کی کوشش کر رہے ہیں تو سسٹم سروس اور دیکھ بھال کرنے والے اہلکاروں کو انتہائی احتیاط برتنی چاہیے۔ مثال کے طور پر، ایک دھاتی ٹول جیسے کہ رینچ نادانستہ طور پر سیل اسٹیک مثبت کرنٹ ٹرمینل پلیٹ اور زمین سے جڑے دھاتی سپورٹ فریم کے درمیان فاصلہ ختم کر سکتا ہے، جس سے ایک بڑا کرنٹ یا برقی قوس کو نقصان اور چوٹ کے ساتھ کھینچا جا سکتا ہے جس کے نتیجے میں ناپسندیدہ نقصان ہو سکتا ہے۔ مناسب موصل حفاظتی سامان نہ پہننے والے اہلکار بھی خطرے میں ہیں۔

دیکھ بھال اور خدمت کے عملے کے لیے بہترین عمل یہ ہے کہ سیل اسٹیک سے حفاظتی محافظوں اور برقی کنکشنز کو ہٹانے سے پہلے اس بات کی تصدیق کی جائے کہ سیل اسٹیک میں کوئی خاص برقی چارج باقی نہیں ہے۔ اہلکاروں کو سیل اسٹیک وولٹیج کی پیمائش کرنے کا مشورہ دیا جاتا ہے تاکہ اس بات کی تصدیق کی جا سکے کہ سیل اسٹیک خارج ہو گیا ہے۔ کچھ معاملات میں، سروس کے اہلکار ایک اضافی حفاظت کے طور پر ڈسچارجڈ سیل اسٹیک پر ہائی کرنٹ شارٹنگ ریزسٹر پر مشتمل ایک مناسب طریقے سے ڈیزائن کردہ سروس ٹول بھی لگا سکتے ہیں۔

مصنوعات چین کے تمام خطوں میں فروخت ہوتی ہیں اور دنیا بھر کے ممالک کو برآمد کی جاتی ہیں۔ وہ امریکہ، جرمنی، مراکش، کینیا، سعودی عرب، ویت نام، الجیریا، ہندوستان، تنزانیہ اور تائیوان سمیت 20 سے زیادہ ممالک اور خطوں میں فروخت کیے گئے ہیں۔ چائنا ایرو اسپیس، پیٹرو چائنا، چائنا نیوکلیئر گروپ، بی وائی ڈی، جیولی اسپیشلٹی، ٹونی الیکٹرانکس، زینگ انرجی گروپ اور دیگر معروف انٹرپرائزز کو کامیابی کے ساتھ فراہم کیا۔ بہت سے سبز ہائیڈروجن ہائیڈروجن ہائیڈروجنیشن اسٹیشن ہیں جیسے وولانچابو، ہائیکو، ہینان، ہینان ہائیکو، یونن کنمنگ، وغیرہ سبز اور ہائیڈروجن بنانے کے منصوبے فراہم کرتے ہیں۔