Kas vesinik päästab maailma kliimakatastroofist?

Intervjuu akadeemik Enn Lustiga

Kliima päästmiseks on meil tingimata vaja loobuda fossiilkütuste, sealhulgas põlevkivi kasutamisest ja nii on akadeemik Enn Lusti veendumuse järgi lähikümnenditel möödapääsmatu minna üle tuule- ja päikeseparkides toodetud elektrile. Uued, ilmast ja aastaajast sõltuvad võimsused vajavad aga n-ö mõõnade katmiseks reservi, milleks parim viis on vesinikuringe. Kirjutab Ants Vill.

„Meie ülikoolis arendatav kõrgtemperatuurne elektrolüüser viib vesinikutootmise uuele ja majanduslikult kasulikumale tasemele. Lisaks energeetikale saab laialdaselt kättesaadavat vesinikku hakata ka senisest tunduvalt rohkem kasutama keemiatööstuses ja metallurgias,” rõhutas Tartu Ülikooli füüsikalise keemia professor ja vesiniku tootmiseks mõeldud uudse, kõrgtemperatuurilise elektrolüüseri arendamise juht akadeemik Enn Lust. 

Kas maailm on ikka tegelikult valmis fossiilkütustest loobuma – tehniliselt, korralduslikult, aga ka teadusalal?

Teaduslikult poolelt oleme enam-vähem valmis. Juba on ka riike, mis on viimasel ajal teinud suuri edusamme vesinikutehnoloogiate juurutamisel, näiteks Jaapan, Lõuna-Korea ja Ameerika Ühendriigid. USA arengud mõjutavad kogu maailma eriti, sest märgatava osa vesinikuenergeetikaalasest uurimistööst teevad ära 14 USA riiklikult finantseeritavat teaduslaborit, pluss viiskümmend eliitülikooli. 

USA president Joe Biden teatas juulis, et alates aastast 2035 toodetakse USA-s kogu elekter ainult taastuvate energiaallikatega – tuule-, päikese-, kontsentreeritud päikese-, hüdro- ja geotermaalenergia ja nende kompleksidega. Aastast 2035 ehk 14 aasta pärast USA-s enam fossiilkütuseid ega biomassi elektri saamiseks ei kasutata.

Ühendriigid on pannud taas ülisuured summad kütuselementide, elektrolüüserite ja vesinikusalvestite materjalide arendusse – 60 miljardit dollarit viie aasta peale ainuüksi elektrokeemiliste energiaseadmete materjalide arendamisse. President Bideni administratsioon taotleb kongressilt 180 miljardi dollari eraldamist National Science Foundationi (NSF) finantseerimiseks ja muutuste läbiviimiseks, mille käigus luuakse uus tehnoloogia direktoraat (käivitamiseks soovitakse 60 miljardit). 

Lisaks sellele finantseeritakse materjalide uuringuid erinevatest allikatest järgnevalt: 50 miljardit kavatsetakse kasutada kriitiliste materjalide arendamiseks (k.a haruldased muldmetallid, mis moodustavadki tahkeoksiid-elektrolüüseri (SOEL) elektrokeemilise südamiku), 50 miljardit pooljuhtide ja kiipide tehnoloogia edasiarendamiseks, 100 miljardit kriitilistes valdkondades vajaliku tööjõu arendamiseks jne. Samas, tuumajaamad on USA-s kasutusel tõenäoliselt vaid seni, kuni nende ressurss on ammendunud. Selle aasta oktoobris (14. oktoobril) kuulutas DOE (Department of Energy, energeetikaministeerium toim) 22 GW meretuuleparkide arendamise konkursi, mida toetatakse 9 miljardi dollariga. USA energeetikas toimub tõeline revolutsioon, kuna 2035. aastaks peab sealne elektritootmine olema CO₂ emissioonist vaba. 

Kas tähtaeg on reaalne, plaan vajab ju väga suuri ümberkorraldusi?

USA-s on mitu osariiki, kus toodetakse juba praegu pool elektrist tuuleenergiaga. Ameerika keskosas on Mehhiko lahest põhja poole Kanada suunas tsoon, tuulekoridor, kus on väga stabiilsed ja tugevad tuuled, tuulegeneraatoritel on aasta läbi ühtlaselt suur tootlikkus.

Ühendriikides kujunenud olukorras on tuulega toodetud elektrienergia mediaanhind 20 dollarit megavatt-tunni eest (2020. aastal), see on 18 eurot. Osades tuuleparkides isegi 3,5 dollarit MWh (1 kg vesiniku tootmise hind on 0,175 dollarit). Arvutused näitavad, et tuuleenergiaga toodetava vesiniku ja diislikütuse energiaühikule taandatud hinnavahe on 12–15 korda vesiniku kasuks. Ka on vesinikku kasutavad kütuseelemendiga elektriautod energiakasutuses kordades efektiivsemad, võrreldes sisepõlemismootoriga ja palju energiat entroopiaks muundavate mehhaaniliste ülekandesüsteemidega.

Väidetakse, et uute seadmete tootmiseks kulub palju haruldasi metalle ning kogu protsess on CO₂ rohke? Et parem oleks bensiiniga jätkata. 

Ei, kõik sellised väited ei vasta tõele. Näiteks alalisvoolu mootori tootmine tasub end CO₂ mõttes ära juba kolme aastaga, tuulegeneraator 4–5 aastaga, aga sellise mootori või generaatori tööiga on ca 20–25, isegi 35–50 aastat. Ainsad kuluvad osad on ju laagrid ja harjad, vaid neid on vaja vahetada. Lisaks on juba toodetud haruldased muldmetallid ja muu materjal taaskasutatavad, mis omakorda vähendab CO₂ jalajälge tänu ringmajandusele veelgi (2–2,5 korda).

Kas meie kliima, st tuule- ja päikeseolud, võimaldavad ikka täielikku rohepööret?

Hollandi teadlaste arvutused näitavad, et tuult on meie territooriumil 12–15 korda enam, kui energiatootmiseks peaks vaja minema. Eesti tohutu tuulepotentsiaal paikneb Liivi lahes ning Saaremaa ja Hiiumaa taga meres, samuti ka Soome lahes – näiteks Neugrundi madala piirkonnas. 

Raskused on selles, et peame lahendama esmalt kaks probleemi, mida kasutatakse Liivi lahte plaanitava suure tuulepargi rajamise vastu: väidetav kilude kahjustamine ja väidetav Kihnu etnilise kultuuri häving. Kihnu puhul on asi näiteks nii, et lähemad tuulikud plaanitakse enam kui 12 kilomeetri kaugusele, rannast paistavad need tuletiku kuni pliiatsi suurusena. Kuidas see kultuuri hävitab, ei saa hästi aru. Kiluparvede liikumise või mitteliikumise asjus uuringud alles algavad.

Kas meil on ka muid ressursse peale tuule ja päikese?

Tuul, päike ja põhimõtteliselt natukene sedasama tahtejõudu – see ongi kogu meie roheenergeetiline vara. Eesti vajadusest kuni 25 protsenti on võimalik katta päikeseelektriga, ülejäänud tuleb tuule arvelt toota. Ja lisaks on vaja salvestada vähemalt 20 protsenti energiat reservi. 

Seda reservvõimsust on võimalik meie oludes mitmeti salvestada: akudes, pumphüdroelektrijaamades, vesinikuna. Akude kasutamisel on ühiku hind praegu viis kuni seitse korda kõrgem kui vesinikuna salvestades. Kuigi tehnoloogiad arenevad, siis akude hind kordades ei alane, samuti ei saa nende mahutavus palju kasvada. Küll aga saab palju muutuda vesiniku tootmine – kindlasti kaks-kolm korda, võib-olla isegi kümme korda odavamaks, kui tekib masstootmine ja -kasutamine. 

Nii jäävadki sõelale vesinik ja pumphüdrosalvestusjaamad. Neid viimaseid saaks Kirde-Eestis klindile, näiteks tuulepargi juures Vaivaras või Konjus, rajada üsna mitu – kõrgustevahe on olemas (kuigi pole eriti hea), veemahuti ehk betoonjärve ehitamine pole ka keerukas. Ja Paldiski projekt maa alla rajatava jaamaga on tõsiselt võetav kava.

Kui suure kasuteguriga on vesinikuringi energeetika?

Kui ehitame kõrgtemperatuurilise elektrolüüseri, siis peaks kasutegur olema 80–82 protsenti (koos hajunud soojuse kasutamisega). Vesinikku salvestamine ise on kasuteguriga 95 protsenti, sellest tagasi elektri tegemine tahkeoksiid kütuseelementidega annab 60–62 protsenti kasutegurit (ilma soojuse kasutamiseta). Kui suudaksime kogu vabaneva soojuse ära kasutada, oleks ka see protsess vähemalt 80-protsendise kasuteguriga (sest energia ei hävine, vaid muutub ühest vormist teise). Aga see tuleks kõne alla alles suuremahulistes kütuseelementidel põhinevates jaamades.

Kokku on kogu vesinikutsükli kasutegur 0,45–0,48 ehk 45–48 protsenti. Kui ka soojus ära kasutada, siis 55–60 protsenti (ülejäänud energia muutub soojuseks – entroopiaks, mida pole võimalik kaasaegse tehnoloogia alusel koguda). 45 protsenti kogu tsükli jaoks on kaugelt palju parem näitaja sellest, kui tuul lihtsalt üle väljade ja merelagedate puhub ning midagi ei tooda.

Kui rääkida, et investeeringud on väga mahukad, siis tegelikkuses langevad seadmete hinnad praegu väga kiiresti. Kui varem maksis USA-s 1 MW tuulegeneraatori (150–180-meetrise diameetriga tiivikuga) ülesehitamine miljon dollarit, siis praeguseks on hind kukkunud ligi kolmandiku, 0,66–0,7 miljoni peale. Miks Euroopas need hinnad on jätkuvalt poolteist korda kallimad kui Ameerikas, sellest mina aru ei saa. 

Kas meie teadusbaas toetab rohearendusi või sõltume muust maailmast?

Meil on Eestis selles valdkonnas palju erinevaid meeskondi. Roheenergeetika ja selle valdkonnaga seotud materjaliteaduse alal on TÜ-s keemia instituudis tegevad 50–60 inimest. Tõsi, Eesti teadlaskond pole maailma mastaabis väga suur. Aga meie teadus on mõnel alal hästi kõrgele arenenud. Ehkki ennast kiita ei ole ilus, aga Tartule tuleb au anda. Tartu Ülikoolis on kütuseelementide, nii madaltemperatuursete kui ka kõrgtemperatuursete kütuseelementide, uurimine maailma tipptasemel. Meil õnnestub avaldada selles vallas pea regulaarselt igal aastal umbes kakskümmend artiklit või rohkem maailma tõeliselt juhtivates teadusajakirjades. 

Kas meil üldse ongi valikut bensiini ja tuule vahel?

Ega meil tegelikult muud valikut ei ole, kui võtta oma taastuvenergiaressursid ikkagi hästi kiiresti kasutusele. Selleks oleks kõvasti abiks initsiatiiv, mida siin on teadlased, ka meie, ammu juba soovitanud: tuule- ja päikeseelektri tootjad peaksid mõistlikul määral kompenseerima ebamugavusi kohalikele omavalitsustele ja elanikele, maksma talumistasu. Nüüd lõpuks võeti see tasuseadus riigikogus pärast pikka viivitust uuesti arutamisele.

Kuidas ise suhtute rohepöördega vältimatult kaasnevatesse ulatuslikesse tuule- ja päikeseparkidesse?

Mul endal on meie kõigi ees seisva probleemi olemus selge: olen ise Ida-Virumaalt pärit. Minu emapoolne suguvõsa ja pool isapoolset suguvõsa on pärit Aidu-Liivalt, sealt, kus Estonia põlevkivikarjäär kõik segamini pööras. Olin ka ise noore mehena fosforiidisõja ajal Aidus protestiüritustel oma akordioniga kohal. Võin öelda, et kaevanduste laiendamine hävitaks lisaks kliimakahjustustele ka hulga maad ära. Otse minu lapsepõlvekodu ümbruses Atsalamas on põllu- ja heinamaade asemele tekkinud vanade kaevanduste sisselangemisest suur hulk soiseid auke (100 x 50 m) ja moodustunud umbes 800 x 500 meetri suurune soojärv. Lisaks on Kirde-Eestis hulganisti kaevandatud aherainet, millest on tekkinud hiiglaslikud väljad ja mäed. Nii on.

Aga – sellesse piirkonda saaks ja tulekski teha suured päikeseväljad ja tuulepargid. Kui nüüd uus õhukaitseradar püsti saab, siis võib selle ala arendamisel tuuleparkidega lõpuks edasi minna. Viru-Nigula park on juba olemas, sinna vahele saab rajada Purtse, Aseri ja Aseriaru tuulepargid. Sirgala karjäär, Viivikonna karjäär jne – sellist karjäärimaad on tuhandeid ja tuhandeid hektareid. 

Milline on värskes koostöös firmaga H2Electro stardipositsioon, milline on seatud eesmärk?

Meil tuleb koostada poolteise-kahe aastaga kõrgtemperatuurse elektrolüüseri 300-vatine seade. Selline võimsus saavutatakse väikestest, 6–8-vatistest elementidest ehk tegelikult tuleb koostada vähemalt neljakihilistest plaatidest süsteem. Praegune võimsus on materjalil 1,4 W/cm², uue suuna polümeermembraaniga elektrolüüt-kütuseelementidel on 0,7 W/cm². Järgnevatel aastatel (kolmandal või neljandal aastal) on aga vaja saavutada elektrolüüseri võimsuseks juba kolm kilovatti, veel edasi aga 30 kW. Aga jah, lootustandev variant, õigemini variandid, on olemas, sealt tuleb edasi minna soovitud tooteprototüübini.

Millised on peamised probleemid elektrolüüseri arendamisel?

Eelkõige aeg. Eks seda tuleb sammhaaval üha täiustada, tulenevalt senistest kogemustest varasemate arendustega ütlen, et see on ajamahukas protsess. Tahkeoksiid-kütuseelementide puhul oli tsükli pikkus, mil algas nende massiline müük, 10–12 aastat pärast arendamise algust. Aga need, kes sellega tegelevad, on veel noored ja entusiastlikud. Ajaline perspektiiv on selline, et 10–15 aasta pärast, kui Eesti ühiskonnal on sellist elektolüüserit massiliselt vaja, siis on see kindlasti olemas. 

Kuidas mõtlete arendusfaasist edasi liikuda?

Üldiselt ei ole see arendus eriti keeruline, meie siht on kasutada kõikide enda arendatavate materjalide sünteesimiseks suhteliselt odavaid ja lihtsaid meetodeid. Me ei kasuta nende materjalide saamiseks kõrgvaakumi või kõrget energiat nõudvaid elektroaurustamise või muid töömahukaid, keerukaid seadmeid nõudvaid meetodeid. Nii võib saavutatav materjal olla ideaalist küll tagasihoidlikumate omadustega, aga see-eest on võimalik tootmist eskaleerida, viia elektrokeemiline südamik masstootmisse. Seal on ju aga hoopis teised hindamiskriteeriumid. Maailma muudetakse massiefektiga, massiliselt valmistatav toode on ka oluliselt odavam. Rohepööre vajabki masstootmist.

Aga teeme ka n-ö F1-sid kui vaja. Meie labori aparatuuri on osaliselt kasutatud Skeletoni superkondensaatori täitmiseks ülikuiva elektrolüüdiga, mida testiti Euroopa kosmoseagentuuri ESA projektis.

Kas plaanite avada oma vabriku?

No ikka, tuleb teha, kui keegi teine ei tee ja muidu tootmist käima ei saa! Kuna 14 aasta pärast ei tohi Euroopa Liidus müüa sisepõlemismootoriga autosid ja pärast aastat 2050 neid ka kasutada, siis selline tähtaeg on arendustöö mõttes juba nagu ülehomme.

Euroliidu dokumentides pole praegu paraku kütuselementide ja elektrolüüserite tootmises väga suuri sihte seatud, kuigi vesiniku tootmise ja kasutamise mahud on planeeritud üüratud. Tekib kiuslik küsimus: kas jätamegi kõrgtehnoloogiliste seadmete valmistamise ülisuures mahus USA, Hiina, Lõuna-Korea jt kätte ning isegi ei ürita Euroopasse kõrgtehnoloogilisi kütuselementide ja elektrolüüserite gigatehaseid rajada? Ja müüme neile ka oma retseptid maha? Ei, see poleks küll ei Euroopale ega ka Eestile kasulik!