হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য উচ্চক্ষমতা সম্পন্ন PEM ইলেক্ট্রোলাইzer-এর খরচ মূল্যায়ন বিষয়ক গবেষণা

কল্পনা করুন জীবাশ্ম জ্বালানির উপর নির্ভরশীলতা মুক্ত একটি ভবিষ্যৎ, যেখানে পরিচ্ছন্ন পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি ক্রমাগত শিল্প, পরিবহন এবং দৈনন্দিন জীবনকে শক্তি যোগানোর জন্য "সবুজ" হাইড্রোজেন তৈরি করে। এই ধারণাটি দ্রুত বাস্তবায়িত হচ্ছে প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (PEM) ইলেক্ট্রলাইজারগুলির মাধ্যমে—হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রযুক্তি যা উল্লেখযোগ্য মনোযোগ আকর্ষণ করছে।

পরিবেশ সুরক্ষা এবং টেকসই উন্নয়নের উপর বিশ্বব্যাপী মনোযোগ বাড়ার সাথে সাথে, পরিচ্ছন্ন শক্তি ভবিষ্যতের শক্তি পরিবর্তনের কেন্দ্রবিন্দুতে পরিণত হয়েছে। হাইড্রোজেন, এর উচ্চ শক্তি ঘনত্ব এবং শূন্য-নির্গমন বৈশিষ্ট্যের সাথে, একটি প্রতিশ্রুতিশীল পরিচ্ছন্ন শক্তি বাহক হিসাবে আবির্ভূত হয়েছে। পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তির সাথে জলবিদ্যুৎ বিশ্লেষণের সংযোগ সবচেয়ে পরিবেশ বান্ধব উৎপাদন পদ্ধতি উপস্থাপন করে, যা "সবুজ হাইড্রোজেন" তৈরি করে। বর্তমান জলবিদ্যুৎ বিশ্লেষণ প্রযুক্তিগুলির মধ্যে প্রধানত ক্ষারীয় জলবিদ্যুৎ বিশ্লেষণ (ALK), প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন বিশ্লেষণ (PEM), উচ্চ-তাপমাত্রা কঠিন অক্সাইড বিশ্লেষণ (SOEC), এবং কঠিন পলিমার অ্যানিয়ন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন বিশ্লেষণ (AEM) অন্তর্ভুক্ত।

PEM বিশ্লেষণ প্রযুক্তি বিদ্যুতের ওঠানামার প্রতি দ্রুত প্রতিক্রিয়া দেখানোর জন্য উল্লেখযোগ্য, যা এটিকে পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি উৎসের সাথে সমন্বিত করার জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত করে তোলে। PEM ইলেক্ট্রলাইজার—জলবিদ্যুৎ বিশ্লেষণ সিস্টেমের মূল উপাদান—বিশুদ্ধ জলকে কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করে, যা অ্যানোড থেকে উৎপন্ন হাইড্রোজেন আয়ন (প্রোটন)কে দক্ষতার সাথে প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেনের মাধ্যমে ক্যাথোডে পরিবহন করে, যেখানে হাইড্রোজেন গ্যাস তৈরি হয়।

একটি PEM ইলেক্ট্রলাইজার জলকে বিশ্লেষণ করে হাইড্রোজেন এবং অক্সিজেনে পরিণত করে। সিস্টেমটিতে ক্যাথোড এবং অ্যানোড উপাদান থাকে। অ্যানোডে, জলের অণু ইলেকট্রন হারায় (জারণ বিক্রিয়া), অক্সিজেন এবং প্রোটন তৈরি করে। ক্যাথোডে, H+ আয়ন PEM-এর মাধ্যমে স্থানান্তরিত হয়ে ইলেকট্রনের সাথে মিলিত হয়ে হাইড্রোজেন তৈরি করে।

প্রযুক্তিটির প্রধান সুবিধাগুলির মধ্যে রয়েছে দ্রুত গতিশীল প্রতিক্রিয়া ক্ষমতা যা পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তির অন্তর্নিহিত পরিবর্তনশীলতাকে মিটমাট করে। অন্যান্য বিশ্লেষণ পদ্ধতির তুলনায়, PEM ইলেক্ট্রলাইজারগুলি উচ্চ কারেন্ট ঘনত্ব, আরও কমপ্যাক্ট ডিজাইন এবং শ্রেষ্ঠ হাইড্রোজেন বিশুদ্ধতা অর্জন করে—এই বৈশিষ্ট্যগুলি তাদের পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি-চালিত হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য শীর্ষস্থানীয় প্রার্থী হিসাবে স্থান দেয়।

সাম্প্রতিক গবেষণা বেশ কয়েকটি গুরুত্বপূর্ণ ক্ষেত্রে PEM ইলেক্ট্রলাইজার প্রযুক্তিকে উন্নত করেছে:

মেমব্রেন উপাদান: গবেষকরা উচ্চ প্রোটন পরিবাহিতা, উন্নত রাসায়নিক স্থিতিশীলতা এবং কম খরচের মেমব্রেন তৈরি করার উপর মনোযোগ দেন। উল্লেখযোগ্য কাজের মধ্যে রয়েছে উচ্চ-তাপমাত্রা পলিইথারসালফোন-পলিভিনাইলপাইরোলিডোন পলিমার ইলেক্ট্রোলাইট মেমব্রেন যা ব্যতিক্রমী স্টার্ট-স্টপ কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করে।

ইলেক্ট্রোড অনুঘটক: অনুসন্ধানগুলি ওভারপোটেনশিয়াল কমাতে এবং শক্তি দক্ষতা বাড়ানোর জন্য দক্ষ, স্থিতিশীল অনুঘটকগুলির সন্ধান করে।

অপারেশনাল অপটিমাইজেশন: গবেষণাগুলি দেখায় কিভাবে তাপমাত্রা, চাপ এবং কারেন্ট ঘনত্ব সমন্বয় করে হাইড্রোজেন উৎপাদন এবং শক্তি দক্ষতা উন্নত করা যায়। প্যারামিটার অপটিমাইজেশন 4-7% শক্তি খরচ হ্রাসের সম্ভাবনা দেখিয়েছে, যেখানে 60°C-এর নিচে ইলেক্ট্রোলাইট ইনলেট তাপমাত্রা সর্বোত্তম প্রমাণিত হয়েছে।

কাঠামোগত নকশা: প্রবাহ চ্যানেল কনফিগারেশন এবং স্ট্যাক অ্যাসেম্বলি পদ্ধতিতে উদ্ভাবন কারেন্ট বিতরণ অভিন্নতা এবং পণ্যের ঘনত্বের ভারসাম্য উন্নত করে।

সিস্টেম ইন্টিগ্রেশন: গবেষণা পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি সংযোগ কৌশল এবং নিয়ন্ত্রণ পদ্ধতিগুলি অনুসন্ধান করে। জীবনচক্র বিশ্লেষণ সৌর-PEM সিস্টেমের জন্য €17.48-24.33/কেজি-এর মধ্যে লেভেলাইজড হাইড্রোজেন খরচ অনুমান করে, যেখানে বাণিজ্যিক-স্কেল (60 কিলোওয়াট) ইউনিটের গতিশীল মডেলিং অপারেশনাল কৌশল সম্পর্কে ধারণা দেয়। গবেষণা সিস্টেমের নির্ভরযোগ্যতার জন্য তাপমাত্রা এবং চাপ ব্যবস্থাপনার গুরুত্বপূর্ণ গুরুত্বের উপর জোর দেয়।

হাইড্রোজেন উৎপাদন খরচ PEM ইলেক্ট্রলাইজার বাণিজ্যিকীকরণে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাব ফেলে। সাধারণ চীনা শিল্প বিদ্যুতের হারে ($0.066/kWh) $4,120/Nm³/h মূলধন ব্যয়ের সাথে, উৎপাদন খরচ $0.531/Nm³-এ পৌঁছায়। সরঞ্জাম বিনিয়োগ প্রধান খরচ চালিকাশক্তি গঠন করে।

শিল্পের পূর্বাভাস ছয়-স্ট্যাক PEM ইলেক্ট্রলাইজারগুলির জন্য 40% খরচ হ্রাসের পূর্বাভাস দেয়, যা প্রযুক্তি মূলধন ব্যয়ের 60% প্রতিনিধিত্ব করে। পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তির সাথে সংযোগ (at $0.014/kWh) 21.97% খরচ হ্রাসের সম্ভাবনা দেখায়। ভবিষ্যতের পরিস্থিতিতে দেখা যায় যে পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তির সাথে একত্রিত হলে খরচ বর্তমান স্তরের 35.8% এ নেমে আসতে পারে। যদিও স্ট্যাকের পরিমাণ প্রাথমিকভাবে খরচকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে, তবে স্কেল বাড়ার সাথে সাথে এই সংবেদনশীলতা হ্রাস পায় কারণ বাউন্ডারি প্রভাব দেখা যায়।

একটি 190 Nm³/h PEM ইলেক্ট্রলাইজার পরীক্ষা প্ল্যাটফর্ম গতিশীল কর্মক্ষমতা বৈশিষ্ট্য মূল্যায়ন করেছে। সিস্টেমটি 6,340 সেকেন্ডে কোল্ড স্টার্ট-আপ, 855 সেকেন্ডে শাটডাউন এবং 1,100 সেকেন্ডে হট স্টার্ট-আপ প্রদর্শন করেছে—যা চমৎকার প্রতিক্রিয়া ক্ষমতা প্রদর্শন করে। স্থিতিশীল অপারেশনের সময়, তাপমাত্রার ওঠানামা 5°C-এর নিচে ছিল, যা কার্যকর তাপীয় নিয়ন্ত্রণ নির্দেশ করে।

গ্যাস বিশুদ্ধতা পরিমাপ হাইড্রোজেন-এ অক্সিজেনের ঘনত্ব প্রায় 0.25% এবং অক্সিজেন-এ হাইড্রোজেনের ঘনত্ব প্রায় 1.69% দেখিয়েছে। গবেষকরা শাটডাউন এবং স্টার্ট-আপ পর্যায়ে ক্ষণস্থায়ী ঘনত্বের পরিবর্তন লক্ষ্য করেছেন, যা প্রাথমিকভাবে যন্ত্রের ওয়ার্ম-আপ সময়ের জন্য দায়ী। এই অনুসন্ধানগুলি সরঞ্জাম প্রস্তুতির জন্য কমপক্ষে 400 সেকেন্ডের জন্য অপারেশনাল স্টার্ট-আপ সিকোয়েন্স প্রসারিত করার পরামর্শ দেয়।

যেহেতু PEM ইলেক্ট্রলাইজার উৎপাদন বৃদ্ধি পায় এবং পুনর্নবীকরণযোগ্য শক্তি স্থাপন প্রসারিত হয়, তাই উৎপাদন খরচ উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পাবে বলে ধারণা করা হচ্ছে—সম্ভবত বর্তমান স্তরের 35.8% এ পৌঁছাবে। এই উন্নত প্রতিযোগিতা উদীয়মান হাইড্রোজেন অর্থনীতিতে প্রযুক্তির ব্যাপক গ্রহণের জন্য উপযুক্ত।

190 Nm³/h PEM ইলেক্ট্রলাইজার শক্তিশালী গতিশীল কর্মক্ষমতা প্রদর্শন করেছে, যেখানে তাপীয় ব্যবস্থাপনা সংকীর্ণ তাপমাত্রা সীমার মধ্যে স্থিতিশীল অপারেশন বজায় রেখেছে। গ্যাস-তরল পৃথকীকরণ দক্ষতার আরও উন্নতি ক্রসওভার ঘটনা কমাতে এবং উৎপাদন কর্মক্ষমতা বাড়াতে পারে। অপারেশনাল প্রোটোকলগুলিতে স্টার্ট-আপ সিকোয়েন্সের সময় ধারাবাহিক কর্মক্ষমতা নিশ্চিত করতে সরঞ্জাম ওয়ার্ম-আপ প্রয়োজনীয়তাগুলি বিবেচনা করা উচিত।