Akadeemik: vesinikul põhinevasse energiatehnoloogiasse tasub panustada

Eesti teaduste akadeemia liige, Tartu ülikooli keemia instituudi pikaaegne direktor, füüsikalise keemia professor ja õppetooli juhataja Enn Lust on tõeline vesinikufänn. Kuidas ja kuhu peaks Eesti end vesinikutehnoloogia teemal paigutama ja mida ette võtma?

Akadeemik Enn Lust, selgitage palun, kuidas energia ja selle tüübid maailmas jagunevad?

Kogu energeetika on võimalik jagada neljaks suureks grupiks. Tänane maailma energeetika põhineb 78–80% ulatuses fossiilsetel kütustel, mis on peamiselt kivi- ja pruunsüsi, nafta ja looduslik gaas, Eesti mõistes siis põlevkivi. 19% on nn taastuvatest loodusressurssidest toodetav energia, millest omakorda poole ehk u 9% moodustab biomassi põletamine. Kõik ülejäänud energiatootmise liigid on tänaseks veel kahjuks marginaalses positsioonis, mis tuleneb sellest, et maailma keskkonna saastatuse probleemid pole pikemas tagasivaates olnud nii kriitilise tähtsusega, et hakata intensiivselt arendama nn null CO₂ tootlusega või CO₂ vaba energeetikat.

Vesinikuenergeetika on selline energiatootmise viis, mida on kas militaar- või kosmoseprojektide tarvis arendatud juba eelmise sajandi algusest (kas mõeldakse 20. sajandit?), tegelikult juba üle-eelmise sajandi (19. sajandi?) kuuekümnendatest ja vesinikuenergia on elegantne selle poolest, et kui selle tootmiseks kasutada näiteks tuule- või päikeseenergiat, siis saame seda toota täielikult saasteaineteta.

Tuule- ja päikeseenergeetika on elegantne ja puhas niikaua, kuni me ei pea hakkama teda kompenseerima, stabiliseerima ja salvestama. Paraku, looduse fundamentaalsete füüsikalis-keemiliste (ja ka meteoroloogiliste) seaduspärasuste tõttu on päikesepaneelide ja tuulegeneraatoritega toodetud elektrit võimatu otse salvestada, selleks on tarvis välja kujundada spetsiaalsed salvestusmeetodid. Kõige massilisemad salvestusvõimalused ei ole praegu üldse seotud elektrilaengutega, vaid need on mehaanilised pump-hüdrosüsteemid. On ehitatud pump-hüdrojaamu, kus tuule- ja päikeseelektri intensiivsetel perioodidel pumbatakse vesi madalamatelt geoloogilistelt kõrgustelt kõrgematele ja pärast lastakse veemass läbi tavaliste hüdroturbiinide tagasi alla. Selline meetod moodustab täna taastuvenergia salvestustehnoloogiatest suurema osa. Viimasel ajal on intensiivselt hakatud arendama ka patareidel põhinevat energeetikaharu ehk elektri patareides salvestamist ning samuti on hakatud arendama vesinikus salvestamist. Arvestades seda, et teatud mastaabist on patareisse salvestatava energia hulk piiratud, näiteks ühte kilogrammi patareisse salvestatava energia hulka piiravad termodünaamika- ja teised loodusseadused, siis on märksa perspektiivikam välja arendada vesinikuenergeetika, mis põhineb sisu poolest vee elektrolüüsil.

Tuule- ja päikeseenergeetika on elegantne ja puhas niikaua, kuni me ei pea hakkama teda kompenseerima, stabiliseerima ja salvestama.

Vesinikku on võimalik toota vähemalt 15 erineval meetodil, aga kõige lihtsam ja kõige parem salvestusmeetod on elektrolüüsida neist taastuvenergiast saadud elektri arvelt vesinikku. Selle vesiniku saab salvestada vastavates salvestustehnoloogiates ja seejärel seda kasutada näiteks saastevaba transpordikütusena. Kuna olenevalt maailmajaost annab transport 25–30% kogu energeetilisest saastemahust, on tegemist väga hea lahendusega. On olemas teatud piirkonnad maakeral, kus kasvuhoonegaaside ja keskkonda saastavate lämmastik- ning vääveloksiidide kontsentratsioonid on ülikõrged, näiteks Elsass-Lotringi bassein Euroopas, Lombardia tasandik ja ka Suur-London, Moskva ümbrus, aga eriti hull on olukord mitmes Mandri-Hiina piirkonnas. Seetõttu on eluliselt oluline välja töötada alternatiivsed transpordisüsteemid.

Käesoleva aasta aprillis toimus Viinis konverents „European Transport Research Arena”, kus seati tulenevalt raamprogrammist „Horisont 2020” ja muudest strateegiakavadest ning meetmetest (Pariisi kliimalepe jne) uued kohustused. Euroopa võttis endale selged sihid transpordi üleviimiseks kas vesinikuenergeetikale või patareiautodele ehk elektrivõrgul põhinevale transpordile, mida on samas oluliselt kallim välja arendada kui vesinikuenergeetikat. Juba on valmis või on valmimas mitmeid unelmdirektiive ja -kohustusi, mis käsitlevad koos patareitehnoloogiat ja vesinikuenergeetikat, kus on eesmärgiks seatud 2050. aastaks 60–80% transpordist üle viia nimetatud tehnoloogiatele. Peale selle mõeldakse tõsiselt ka avamere transpordist tuleneva saaste vähendamisele. Aastast 2022 hakatakse kardinaalselt vähendama väävlit, lämmastikku ja muid kahjulikke ühendeid sisaldavate kütuste kasutamist meretranspordis, seda eriti suurtel laevadel: tankerid, kauba- ja reisilaevad. Meretranspordi direktiiv näeb ette, et aastaks 2050 peab 60–80% meretranspordist olema üle viidud kas vesinikukütusele või tuleb kasutada kombineerituna patareisid ja vesinikku või siis ka tuult või on laevad kohustatud kokku koguma ise seda saastet, mida nende mittetaastuvate kütuste põhjal töötavad mootorid genereerivad.

Täna on umbes 55% Euroopa raudteetransporti elektriline, lähiajal tahetakse saavutada 60% määr.

Sama nähakse tegelikult ette ka raudteetranspordis. Täna on umbes 55% Euroopa raudteetransporti elektriline, lähiajal tahetakse saavutada 60% määr, et oleks ka raudteetransport üle viidud kas siis puhtalt elektrile või vesinikule või nende kombineeritud lahendustele, samuti kombineeritud lahendustele superkondensaatoritega. Šveitsis näiteks töötavad juba täna metrooliinid kombineeritud lahendustel superkondensaatorite ja elektri koostoimel, seega kõik on juba kasutatavad tehnoloogiad, mitte katsetused. Kogu transpordiahelas tahetakse liikuda puhtamate energiallikateni.

Tänapäevaste elektrimootorite kasutegur on kaks kuni kolm korda kõrgem, kui on nüüdisaegsete sisepõlemismootorite efektiivne kasutegur. Seega ühe ja selle sama kilodžauli või kilovatt-tunniga saame me läbida kaks kuni kolm korda suurema vahemaa kui tavatranspordiga ning see kasutegur on kasvamas. Siit joonistubki välja minu eelneva jutu kaks olulisemat mõtet, et vesinikutehnoloogiatel ja elektril põhinevad lahendused ei ole mitte ainult keskkonna mõttes maailmale kasulikud, vaid nad on praegu juba ka kordades kasulikumad energiaefektiivsuse aspektist. Kui võtame Toyota sama tonnaažiga sisepõlemismootoriga sõiduauto ja tema kütuseelemendil põhineva mudeli Mirai, siis saame Mirai puhul ligi kümnekordse võidu CO₂ üldkoguse tootmisel.

Vesinikuenergeetika areng on tänase päevani olnud tagasihoidlik, aga tulevikuks prognoositakse selle jõulist ja eksponentsiaalset kasvu. Kuhu see kasv siis tänase päeva seisuga toppama on jäänud?

Ootused võivad meil ju suured olla. Praegu toimub nn neljas energeetiline revolutsioon ja igale revolutsioonile eelneb mingi rahulikum inkubatsiooniperiood. Kui kõik räägivad eksponentsiaalsest kasvust, siis eksponent ongi selline matemaatiline asi, et sõltumata sellest, kust kohast sa vaatad, on ikkagi järgmises faasis kasv prognoositavast oluliselt kiirem, kui see, mis enne oli. Seega on eksponent selline mõnevõrra kaval loodusseaduslik matemaatiline väljendus, mille tõlgendamine on sõltuvuses vaadeldava perioodi pikkusest. Täna on maailmas tegutsemas u 328 vesiniku tankimisjaama, kui me vaatame pilti ilma Ameerika Ühendriikideta, millest 93 on Jaapanis ja 233 Euroopas. USA paneb sellele pildile juurde umbes 250 tanklat. Eesti kahjuks loobus Pärnusse rajatavast näidisvesinikujaamast, millest on kahju, sest väärib märkimist, et Euroopas on kogu vesiniku tanklaketi rajamine alguse saanud riiklike rahaliste meetmete toel. Samasuguse lähenemisega võiks valdkondlikule arengule vaadata ka Eesti.

Eesti kahjuks loobus Pärnusse rajatavast näidisvesinikujaamast.

USA-s ja Saksamaal on praegu juba väljutud näidisprojekti staadiumist ja tanklaid rajatakse kommertsalustel. Ilma riigipoolse esmase nägemuseta siin Eestis need asjad liikuma ei hakka. Peale tanklate on maailmas olemas üle 6000 km puhta vesiniku transportimiseks mõeldud torustikke, millest üle poole asuvad Ameerika Ühendriikides. Vesiniku infrastruktuuri arenemine sai olulise impulsi pärast seda, kui avastati üsna tõhus meetod, kuidas transportida vesinikku loodusliku gaasi torustikus, kui torustikud vastavad teatud kindlale metalli- ja kvaliteedinõuetele. Taolisse süsteemi saab koos looduliku gaasiga siduda üsna tõhusalt kuni 20% vesinikku ja hiljem teda sealt ka sama hõlpsasti välja võtta. Seda tehnoloogiat juurutatakse praegu Saksamaal, Taanis jne. Tahan veel ka öelda, et vesiniku tootmine ei ole keemiatööstuse jaoks juba ammu midagi erakordset. Kui eksperimentaalsed võimsused välja jätta, siis tavatootmise meetodil toodetakse maailmas vesinikku aastas üle 70 miljoni tonni. Vesinikku kasutatakse järjest rohkem ka tööstuses, näiteks rauatootmises tahetakse Euroopas aastaks 2050 üle minna kuni 25% ulatuses vesiniku kasutamisele. Praegu toodetakse ammoniaaki looduslikust gaasist, aga seda on võimalik toota ka tuulest ja elektrist elektrolüüsitud vesinikust. Vesiniku üks suur kasutusala on veel toornafta puhastamine.

Oleme alates 2021. aastast sisenemas uude EL-i raamprogrammi „Euroopa Horisont”. Järgneval aastal seatakse selle programmi Eesti-siseseid prioriteete. Mida soovitaksite eelneva jutu valguses otsustajatele, millele nad peavad tähelepanu pöörama?

Kindlasti on vaja jätkata Eestis teatud fundamentaaluuringuid elektrokeemiliste patareide osas, kasvõi selleks, et vältida liitiumi ja koobalti ressursi ammendumist. Selleks on vaja jätkata naatriumioonpatareide uuringuid. Kindlasti on vaja jätkata superkondensaatorite uuringuid, aga eelkõige on vaja alandada superkondensaatorite lähteainete hinda. Me katsetame näiteks praegu üsna edukalt turbast saadavat süsinikku teiste, olulisemalt kallimate komponentide asemel, ja oleme siin peaaegu õnnestumiste teel. Peame kindlasti arendama intensiivselt kütuseelementide tehnoloogiat. Samuti on otstarbekas alustada näidistanklate võrgustiku loomist ja arendamist vesiniku tankimiseks transpordivahenditesse. Tasuks mõista üht: et erinevad biomassil ja biogaasil põhinevad tehnoloogiad on küll tehnoloogia homne päev, aga vesinikul põhinevad energeetilised lahendused on ülehomne – ja sellesse tasub panustada.

Toyota Mirai – vesinikautode lipulaev

Vesinikkütuseelemendist energiat ammutav Toyota Mirai on hetkel üks kõige populaarsemaid vesinikautosid. Kui ka teistel autotootjatel (Hyundai, Honda, Mercedes) on seeriatootmises vesinikkütuseelemendiga autod täiesti olemas, on Toyota Mirai siiski ainus, mis ei põhine teistel mudelitel (näiteks nagu Hyundai Tucson).

2017. aastal müüdi üle maailma 2700 Miraid, millest üle poole läksid kaubaks Ameerika Ühendriikides Californias. Osariigis on välja ehitatud ulatuslik vesiniktanklate võrgustik, mis on suure osa vesinikautode tootjate tähelepanu just sinna pööranud. Euroopas müüakse autot Ühendkuningriigis, Saksamaal, Taanis, Belgias ja Norras, kuna sarnaselt Californiale on nendes riikides vesiniktanklate võrgustikud.

Müüginumbrid Euroopas on kehvapoolsed. 2017. aastal müüdi Euroopa turul kõigest 100 masinat. Siinkohal võib oma osa olla ka auto hinnal – masina hind Saksamaal on umbes 75 000 eurot.

Kokku on 2017. aasta seisuga üle maailma müüdud 5300 Toyota Miraid. Forte