आधुनिक जगात पायाभूत सुविधा आणि आर्थिक प्रगतीसाठी स्टील (पोलाद) एक अत्यावश्यक घटक आहे. स्टीलचे सर्वाधिक उत्पादन करणाऱ्या देशांपैकी भारत एक आहे. मात्र, स्टील उत्पादनात कोळशाचा इंधन म्हणून वापर होत असल्याने त्याचे पर्यावरणावर होणारे परिणाम चिंतेचा विषय आहे. स्टील उत्पादन प्रक्रियेत, कार्बनची (प्रामुख्याने कोळसा आणि नैसर्गिक वायूपासून मिळवलेले) लोह धातुकाशी अभिक्रिया होऊन द्रवित स्थितीतील लोह तयार होते ज्या पासून स्टील तयार केले जाते. पण या प्रक्रियेमध्ये मोठ्या प्रमाणात कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) सुद्धा निर्माण होतो. परिणामी, जागतिक स्तरावर स्टील उद्योग दरवर्षी ३.७ अब्ज मेट्रिक टन कार्बन डायऑक्साइड उत्सर्जित करतो, ज्याचे कार्बन उत्सर्जनात ७–९% योगदान आहे. स्टील उत्पादन शाश्वत (सस्टेनेबल) करण्यासाठी हायड्रोजन-आधारित डायरेक्ट रिडक्शन ऑफ आयर्न (H-DRI; एच-डीआरआय) नावाच्या पद्धतीचा अवलंब केला जाऊ शकतो.
जर्नल ऑफ एनर्जी अँड क्लायमेट चेंज मध्ये अलीकडे प्रकाशित झालेल्या एका समीक्षा लेखात भारतीय तंत्रज्ञान संस्थान मुंबईच्या (आयआयटी मुंबई) रसायनशास्त्र विभागातील प्रा. अर्णब दत्ता यांच्या नेतृत्वाखालील संशोधक गटाने स्टील उद्योगाच्या दृष्टिकोनातून हायड्रोजन उत्पादनाच्या क्षेत्रात झालेल्या प्रगतीचे संकलन केले आहे आणि ‘ग्रीन’ हायड्रोजनचा वापर करून स्टील उद्योगाचे कार्बनमुक्तीकरण करण्याचा सर्वोत्तम मार्ग सुचविला आहे.
एच-डीआरआय प्रक्रियेत कोळशाऐवजी हायड्रोजनचा इंधन म्हणून वापर करून लोह खनिजाचे स्टीलमध्ये रूपांतर केले जाते. या उत्पादन प्रक्रिये दरम्यान कार्बन डायऑक्साइड ऐवजी पाण्याची वाफ उत्सर्जित होते, त्यामुळे स्टील उद्योगाचे कार्बनमुक्तीकरण करण्यासाठी हायड्रोजन अत्यंत उपयुक्त ठरू शकतो. सध्याच्या घडीला, बहुतांश हायड्रोजन स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग किंवा कोळशाचे वायूकरण (कोल गॅसिफिकेशन) या प्रक्रियांमधून मिळवला जातो. या दोन्ही पद्धती जीवाश्म इंधनांवर आधारित असल्यामुळे त्या प्रक्रियांमधून कार्बन डायऑक्साइड उत्सर्जित होतो आणि मूळ उद्देश काही प्रमाणात मागे राहतो.
शाश्वत पद्धतीने हायड्रोजन तयार करण्यासाठी संशोधक पाण्याच्या विद्युत अपघटनाच्या (वॉटर इलेक्ट्रोलिसिस) वापराकडे वळत आहेत. यामध्ये ‘इलेक्ट्रोलायझर’ उपकरणात विजेचा वापर करून पाण्याचे हायड्रोजन व ऑक्सिजनमध्ये विघटन केले जाते. जर पवन किंवा सौर ऊर्जेसारख्या नवीकरणीय (अक्षय) स्रोतांचा वापर करून याकरता विजेचा पुरवठा केला गेला, तर ही प्रक्रिया उत्सर्जन-मुक्त होते. त्यामुळेच याला ‘ग्रीन हायड्रोजन’ (हरित हायड्रोजन) असे म्हटले जाते. असे असले तरीही औद्योगिक पातळीवर ग्रीन हायड्रोजन तयार करणे खर्चिक ठरते, कारण यासाठी पायाभूत सुविधांमध्ये मोठ्या प्रमाणात बदल तसेच प्रभावी उत्प्रेरकांची (कॅटॅलिस्ट) आवश्यकता असते.
हायड्रोजन उत्पादनासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पाण्याच्या विद्युत अपघटन प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी उत्प्रेरक (कॅटॅलिस्ट) अत्यावश्यक असतात. सर्वसाधारणपणे, प्लॅटिनम व पॅलेडियमसारखे मौल्यवान धातू उत्प्रेरक म्हणून वापरले जातात.
“हे धातू महाग असल्यामुळे त्यांचा वापर मोठ्या प्रमाणावर करण्यात मर्यादा येतात, तसेच ते दुर्गम किंवा कठीण स्थितींमध्ये वापरणे सोपे नाही,” असे प्रा. दत्ता यांच्या प्रयोगशाळेतील पोस्टडॉक्टोरल रिसर्च फेलो डॉ. सुहाना करीम सांगतात. “त्यामुळे किफायतशीर आणि शाश्वत पर्याय शोधण्यावर भर दिला जात आहे,” असे त्या पुढे म्हणतात.
प्रा. दत्ता यांच्या संशोधक गटासह जगभरातील इतर संशोधक कोबाल्ट-आधारित उत्प्रेरक (कोबालॉक्सिम) विकसित करत आहेत. हे उत्प्रेरक पाण्यात विरघळणारे आणि हवेत स्थिर राहू शकणारे असल्यामुळे इलेक्ट्रोलिसिसची प्रक्रिया कोणत्याही विशेष उपकरणांशिवाय कार्यान्वित करण्यास मदत होते. कोबालॉक्सिम हे मौल्यवान धातूंपेक्षा स्वस्त असून त्यांची निर्मिती देखील सोपी असते.
अनेक संशोधकांनी कोबालॉक्सिमच्या रेणवीय संरचनेत बदल करून त्यांची स्थिरता आणि अभिक्रियेचा वेग सुधारला आहे. उदाहरणार्थ, प्रा. दत्ता व त्यांच्या गटाने या उत्प्रेरकाच्या संरचनेत नैसर्गिक अमिनो आम्ले, जीवनसत्त्वे आणि इतर कार्यकारी गट (फंक्शनल ग्रुप्स) समाविष्ट केले आहेत, ज्यामुळे ऊर्जा कार्यक्षमतेमध्ये (एनर्जी एफिशियन्सी) घट न होता हायड्रोजन उत्पादनाचा वेग वाढतो.
“आम्ही विविध खनिजे व क्षार असलेल्या परिस्थितींमध्ये प्रभावीपणे कार्य करणारे कोबालॉक्सिम विकसित केले आहे, उदाहरणार्थ समुद्राच्या पाण्यात,” असे डॉ. सुहाना नमूद करतात.
कोबालॉक्सिम्स प्रयोगशाळेत उत्तम कार्य करतात, परंतु औद्योगिक पातळीवर हायड्रोजन उत्पादनासाठी त्यांचा वापर करणे गुंतागुंतीचे आहे. त्यामुळे संशोधक कोबालॉक्सिम्सच्या संरचनेत बदल करून त्यांना इलेक्ट्रोलायझरच्या इलेक्ट्रोडसाठी अनुरूप बनवत आहेत. शिवाय, त्यांची स्थिरता, कार्यक्षमता व टिकाऊपणा वाढवण्यासाठी त्यांना ठोस आधारावर (सॉलिड सपोर्ट्स) जोडत आहेत.
संशोधकांनी नवीकरणीय ऊर्जेचा वापर करून औद्योगिक पातळीवर हायड्रोजन उत्पादन वाढवण्यासाठी विविध प्रकारचे इलेक्ट्रोलायझर आणि भट्ट्या (फर्नेस) यांचे देखील विश्लेषण केले. कोबालॉक्सिम उत्प्रेरक पोटॅशियम हायड्रॉक्साइडसारख्या द्रव्यांचा वापर करणाऱ्या अल्कलाइन इलेक्ट्रोलायझरमध्ये तसेच आम्लीय वातावरणात घन पॉलिमर पडदा (सॉलिड पॉलिमर मेम्ब्रेन) वापरणाऱ्या प्रोटॉन एक्स्चेंज मेंब्रेन (पीईएम) इलेक्ट्रोलायझरमध्येही उत्तम कामगिरी करतात असे निरीक्षणातून दिसून आले.
“प्रत्येक (उपकरणाच्या) प्रकाराची किंमत, टिकाऊपणा आणि कार्यक्षमता या संदर्भात स्वतःची वैशिष्ट्ये आणि मर्यादा असतात,” असे प्रा. दत्ता स्पष्ट करतात.
इलेक्ट्रोलायझरमध्ये जेव्हा पाण्यात विद्युत प्रवाह सोडला जातो, तेव्हा पाणी विघटित होते आणि हायड्रोजन ऋण इलेक्ट्रोड पाशी (कॅथोड) जमा होतो, तर ऑक्सिजन धन इलेक्ट्रोड पाशी (ॲनोड) जमा होतो. दोन्ही इलेक्ट्रोड आणि एक पडदा (मेम्ब्रेन) या पूर्ण संचाला “स्टॅक” म्हणतात. हा पडदा इलेक्ट्रोकॅटॅलिसिसच्या प्रक्रिये दरम्यान हायड्रोजन व ऑक्सिजनची निर्मिती होताना त्यांना एकमेकांपासून वेगळे ठेवतो. असे अनेक स्टॅक वापरल्यास इलेक्ट्रोलायझर अधिक कार्यक्षमतेने काम करून मोठ्या प्रमाणावर हायड्रोजन निर्माण करू शकतात आणि कार्बन डायऑक्साइडच्या उत्सर्जनात ३०–५०% घट होऊ शकते. यामुळे हायड्रोजन-आधारित ऊर्जा व्यवस्था (एनर्जी इकॉनॉमी) अधिक शाश्वत बनू शकते.
“एका स्टॅकमधून दिवसाला साधारणपणे एक लिटर हायड्रोजन तयार होऊ शकतो, पण त्याच नियंत्रण व्यवस्थेचा वापर करून योग्य पद्धतीने विकसित केलेल्या बहु-स्टॅक प्रणालीद्वारे दहापट हायड्रोजन तयार करता येतो,” असे प्रा. दत्ता स्पष्ट करतात.
प्रा. अर्णब दत्ता यांच्या संशोधन गटाने विकसित केलेले बहू-स्टॅक इलेक्टॉलायझरचे आदिरूप (प्रोटोटाइप) (छायाचित्र: प्रा. दत्ता आणि डॉ. सुहाना करीम)
झोत भट्टी वापरणाऱ्या पारंपरिक ब्लास्ट फर्नेस–बेसिक ऑक्सिजन फर्नेस पद्धतीत स्टील तयार करण्यासाठी मोठ्या प्रमाणावर कोळशाचा वापर केला जातो, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणात कार्बन डायऑक्साइड उत्सर्जित होतो असे आयआयटी मुंबईमधील संशोधकांनी निदर्शनास आणून दिले. याउलट, इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस विजेवर चालते, आणि जर ही वीज नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतातून मिळाली, तर कार्बन उत्सर्जन आणखी कमी होते. हायड्रोजन-आधारित डायरेक्ट रिडक्शन ऑफ आयर्न आणि इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस तंत्रज्ञानाचा एकत्रित अवलंब केल्यास स्टील निर्मिती जवळजवळ कार्बन-न्यूट्रल होऊ शकते असा विश्वास संशोधकांना वाटतो.
कार्बन उत्सर्जन आणखी कमी करण्याच्या उद्देशाने कार्बन कॅप्चर, युटिलायझेशन व स्टोरेज (सीसीयूएस; CCUS) या धोरणांचा ग्रीन हायड्रोजनच्या बरोबरीने वापर करता येऊ शकतो. सीसीयूएस प्रणाली स्टील निर्मिती किंवा इतर प्रक्रियांमधून उरलेला अवशिष्ट कार्बन डायऑक्साइड शोषून घेतात आणि त्याचा वापर संश्लेषित इंधन किंवा रसायने तयार करण्यासाठी करू शकतात, किंवा दीर्घकाळ जमिनीखाली साठवून ठेवू शकतात. कार्बन डायऑक्साइडचा पुनर्वापर केल्यामुळे ही पद्धत चक्राकार अर्थव्यवस्थेला (सर्क्युलर इकॉनॉमी) देखील चालना देते.
पाण्याचे इलेक्ट्रोलिसिस, कोबाल्ट-आधारित उत्प्रेरकांचा वापर आणि योग्य प्रकारच्या इलेक्ट्रोलायझर व भट्टीची निवड करून ग्रीन हायड्रोजनचा वापर स्टील उद्योगात करता येतो असे आयआयटी मुंबईच्या अभ्यासाने अधोरेखित केले आहे. असे मार्ग अवलंबल्यामुळे कार्बन उत्सर्जन लक्षणीय प्रमाणात कमी होते आणि स्टील उत्पादनाचे भविष्य अधिक स्वच्छ व शाश्वत घडण्यास मदत होते.