Professor Lust – vesinikuusku mees

Tartu Ülikooli keemia instituudi direktor, akadeemik Enn Lust on veendunud, et tulevik on vesiniku päralt. Suurtes tuuleelektrijaamades elektrolüüsiga toodetud vesiniku kilo maksab ca üks dollar, seega igati konkurentsivõimeline tänaste kütusehindadega võrreldes. Seejuures ühe kilogrammi vesiniku kütteväärtus võrdub 3,7 liitri ehk ühe galloni bensiiniga ja vesiniku soovituslik müügihind on kuus korda kõrgem omahinnast tuuleparkides. Kirjutab Paavo Kangur.

Ka Eesti energeetika arengusuundades pole Enn Lustil kahtlust. Suured tuulepargid meres, millest toodetud elekter muudetakse vesinikuks, millega omakorda on võimalik käivitada rongid, bussid, suured veoautod, aga ka taastoota elektrit. Täpsemalt, kütuseelement muudab vesiniku elektriks ja käivitab elektrimootorid, kuid vajadusel ka väiksema elektrijaama. 

Euroopas räägitakse, USA-s ja Jaapanis tehakse. „USA energeetikaministeerium on väga ambitsioonikas rohemajanduse arendaja,“ kinnitab akadeemik. 

Põlevkivi ja Enn Lust

Enn Lust on pärit Atsalama külast Jõhvi külje alt. Ta lõpetas Jõhvi Keskkooli ja asus õppima Tartu Ülikooli, kusjuures juba üliõpilasena 1977. aastal, sai tema meelisalaks vesiniku elektrolüüs. 

Selles, et põlevkivist ei ole mõtet vesinikku toota ja ka investeeringud põlevkivienergeetikasse tuleb peatada, on ta kindel. „Eesti Energia tahaks põlevkivi edasi põletada ja mõtleb süsihappegaasi ehk süsinikdioksiid (CO₂) kinnipüüdmisele, aga vastavat odavat tehnoloogiat ei ole. See on tõsine tragöödia, mis seal toimub, sest panustatud on vananenud tehnoloogiasse,“ kommenteerib ta ja lisab, et tulevik on hajutatud energiasüsteemides, kus võtmeroll on vesinikul.   

California suurim elektrolüüser/kütuseelement elektrijaam on 1,1-megavatine, Austrias on rajamisel kordades suurem vesiniktehnoloogial elektrolüüsijaam. Lisaks saab vesinikku kasutada biogaasi ja maagaasi rikastamiseks.

15 erinevat teed

„Teame 15 erinevat võimalust, kuidas vesinikku toota. Seda saab toota maagaasist ja kivisüsist. Need tehnoloogiad on taskukohased, kuid reostavad. Maagaasi ehk metaani katalüütilise lagundamise käigus tekib vesinik ja süsinikdioksiid. Ainus probleem on, et ühe kilo vesiniku tootmisel tekib umbes 11 kilo süsinikdioksiidi. Ameeriklased oskavad ka kivisöetolmust ja veeaurust vesinikku toota, kuid see on väga süsinikdioksiidimahukas tehnoloogia. Põhimõtteliselt saaks vesinikku toota põlevkivist toodetud gaasist, kuid see on üüratult kallis ja reostav,“ seletab professor Lust.

Kõige puhtam vesinikutootmise tehnoloogia on vee lagundamine elektrivooluga ehk elektrolüüs. Täna korjatakse kokku ka protsessis tekkiv hapnik. Vesinik on kõige suuremakaalulise energiatihedusega kütus. Patareide, akude energiatihedus on 3000 korda väiksem kui vesinikul. See jutt, et vesiniktehnoloogia on kallis, ei päde. Näiteks vesinikbuss on praegu veel veerandi võrra kallim, aga samas efektiivsem ja rohelisem kui diiselbuss.  

„Eestis räägitakse palju rohepöördest, aga tehakse väga vähe. Paljudel on mugavam vanamoodi edasi minna. Kõige suurem vesinikuenergia tootja Eestis on Tartu Ülikooli keemia instituut Chemicum, mille katusel on päiksepatareid, keldris aga elektrolüüser, elektrit salvestavad akud, kütuseelement ja vesinikuhoidla. Ka RailBaltica rongid võiks kasutada vesiniktehnoloogiat,“ usub professor Lust.

Kütuseelement käivitab elektrimootori

Kütuseelement ja vesiniktehnoloogia leiutati rohkem kui sada aastat tagasi, kuid tehnoloogia võidujooksu võitis tollal sisepõlemismootor. Seejärel tulid elektriautod, mis sõidavad akudesse laaditud elektrienergia abil. Kuid varsti saabub kütuseelementide aeg, sest kütuseelement on tunduvalt kergem kui akud, mis kaaluvad liiga palju. 

„Kui räägime süsinikuneutraalsusest ja rohemajandusest, siis vesinikule ja kütuseelementidele ei ole alternatiive,“ kirjeldab akadeemik Lust. „Vesinik on täiesti konkurentsivõimeline ka diisliga. Kui autopaaki mahub 6 kilo vesinikku, siis sellega saab sõita sama kaugele kui 50 liitri diisli või bensiiniga. Korras vesinikautodel on kütusekadu paar protsenti, kui sedagi.“

Kütuseelementidel on tema kinnitusel eelis ka akude ees. „Veoauto või buss vajab mitu tonni liitiumpatareisid, mis on kallid. Patareide laadimine on 15 korda aeglasem kui vesinikuga laadimine. Korralik elektrilaadimispunkt vajab 8 megavatti liine, näiteks Eesti puhul ei kata liinide läbilaskevõime ära laadimispunktide vajadusi. Selleks, et näiteks Tartu Annelinna ehitada uusi elektrilaadimisjaamu, on vaja tõmmata uusi liine. Hetkel näitavad ekspertide arvestused, et vesiniktanklate väljaehitamine on kordades odavam kui elektrilaadimispunktide ja vajalike elektriliinide rajamine.“ 

„See on jama, et vesinik hajub, vesinikku saab salvestada aastaid, kuid selleks on vaja spetsiaalterastest või armeeritud plastidest hoiupaake ja torustikke,“ lisab ta.

Lahendusi on katsetatud mitmel pool maailmas. California alustas kuberner Jerry Browni ajastul taastuvenergia võrgustiku rahastamist, mis hõlmas 900 miljoni dollari suurust heitgaasita sõidukite kava ja 2025. aastaks elektrisõidukite laadimise infrastruktuuri rajamist, sealhulgas 200 vesinikujaama rahastamist.

„Olen käinud California vesiniktanklas ja isiklikult üritanud osta kuut kilo vesinikku, mille eest oleks tulnud maksta 17,99 USD. Kahjuks ei jaksanud endale vesinikutoitel autot osta,“ räägib professor. Oleme praegu vesinikuajastu alguses, sest võidujooksul tahab osaleda üha uusi suurfirmasid. Viis aastat tagasi tutvustati vesinikautot Toyota Mirai ja vesinikbusse, nüüd on maanteedele saabumas vesinikveoautod ja raudteele ka rongid ning jõgedele ja meredele laevad.

Daimler Truck AG esitles hiljuti Berliinis vesinikul töötavat veoautot. Ka Hyundai ja Mercedes-Benz on katsetamas suuri vesinikul töötavaid veoautosid. Põhjus on lihtne. Elektriauto akud kaaluvad liiga palju ja kütuseelement on kergem ning efektiivsem lahendus nii rongidele, bussidele kui veokitele ja autodele. 

Euroopa Liidu 40 miljoni eurose toetuse abiga tahab vastloodud konsortsium H2Bus (Everfuel, Wrightbus, Ballard Power Systems, Hexagon Composites, Nel Hydrogen and Ryse Hydrogen) mõne aastaga tuua Euroopa linnadesse 600 kütuseelemendiga liinibussi ning lisaks ehitada tankimistaristu. 2023. aastaks peaks nii Lätis, Taanis kui ka Suurbritannias igaühes sõitma 200 vesinikbussi. Arvestuste järgi võiks langeda kütuseelemendiga vesinikbussi hind 375 000 euroni ehk võrreldavaks akudel töötava elektrilise liinibussi omaga. Vesinikukilogrammi sihthind on 5–7 eurot ja bussikilomeetri oma 30 senti, mis on võrreldav diiselbussi omaga.

Muide, Kanada firma Ballard on vesinikbussi teemaga tegelenud ligi 20 aastat. Täna on selge, et iga endast lugupidav transpordi- või energeetikafirma vaatab vesiniktehnoloogia suunas, sest planeet vajab päästmist ja aktsionäride usku tuleb hoida.   

Teadlase rahakott

Akadeemik tunnistab, et teadlased selle tööga rikkaks ei saa, sest valdavalt peab leppima väikeste lepingutega, mis tervikuna on siiski abiks Chemicumi ja seal töötavate inimeste palgataseme hoidmisel. „Oleme panustanud ka kahe-kolme Eesti firma arengusse. Elcogen AS toodab Tallinnas ja Soomes kütuseelemente, OÜ Skeleton Technologies on arenev superkondensaatorite ja energiasalvestussüsteemide tootja ja Auve Tech OÜ arendab iseliikuvat bussi, mis seisab Chemicumi trepikojas. Bussi kütuseelemendid valmistakse Tartu Ülikooli keemia instituudis. Oleme päris huvitavaid ja vajalikke asju välja töötanud, mõned patendid võtnud, targemaks saanud, aga rikkaks veel mitte.“ 

Chemicumi katusele on paigaldatud 60 kilovatti päikesepatareisid, millega toodetakse kogu teadustööks vajalik vesinik. „Hetkel on meie 12 ballooni vesiniku hoidmiseks ääreni täis saanud. Vesinik säilib rõhu all gaasina, vesiniku veeldamine on kallis, aga keemiline salvestamine on odavam. Novembriks paigaldasime kütuseelemendi, et toota ise ka elektrit. Vesiniktehnoloogia tulek on neljas tööstusrevolutsioon, mis muudab nii metallurgiat, tsemendi tootmist, haruldaste metallide tootmist (vesinikgaasilises atmosfääris toimub metallioksiidide redutseerimine), aga ka lämmastikväetiste tootmist.“ 

Kuna päikesepaneelide hinnad ja tuuleparkide ehitamine on läinud tunduvalt odavamaks, langeb ka vesiniku omahind, mida on kõige mõistlikum hoida gaasina kokkusurutud olekus. Aastal 2050 peaks lõppema nafta kasutamine transportvahendite kütusena,“ pakub professor Lust. 

Polümeerelektrolüüt-kütuseelement
PEMFC

Kütuseelementidest on tuntuimad polümeermembraanelektrolüüdiga elemendid, mis kasutavad kütusena vesinikku. Niisuguse elemendi elektroodide vahel on polümeermaterjalist nanopoorne membraan, mis toimib prootoneid juhtiva elektrolüüdina. 

Vesinikus peituv keemiline energia muundub elektrienergiaks järgmiselt: 

• anoodile juhitud vesiniku (H₂) aatomeist eralduvad plaatinakatalüsaatori kaasabil elektronid (e^‒), mis suunduvad välisahela (elektritarviti) kaudu katoodile;
• vesiniku positiivsed ioonid, s.o prootoneid (H⁺) difundeeruvad läbi polümeermembraani katoodi juurde;
• katoodil liituvad elektronid katalüsaatori toimel (õhu)hapniku (O₂) molekulidega; nii moodustunud negatiivsed hapnikuioonid muutuvad prootonitega (H⁺) reageerides veeks.