Illustratsioon: August Varustin

Maailma energeetika meenutab justkui korvita korilast. Süüa saab kohapeal ja kaasa saab võtta vaid niipalju, kui peopesadesse mahub. Niimoodi on väga keeruline kogukonda üleval pidada ja põuaaega üle elada. Just nii aga toodetakse meil praegu elektrit – kohe kasutamiseks.

Tuhanded analüütikud tegelevad iga päev elektritarbimise «ennustamisega». Nad peavad prognoosima elektritarbimist minutilise täpsusega, et tagada «katelde» küdemine nõudluse rahuldamiseks, sest vastasel juhul saaks meie elektroonikaseadmed kahjustada.

Öösel töötavad elektrijaamad vaid poolel võimsusel ning hommikul, kui inimesed joovad kohvi ja keedavad putru, täisaurul. Tihti tuleb arvestada isegi erinevate spordiüritustega, näiteks jalgpallimatšidega: jalgpalli maailmameistrivõistluste poolajal kasvab elektritarbimine meeletult, kuna miljonid inimesed lähevad korraga külmkapist õllesid võtma või teed tegema (inglased).

Kui tõhus on elektri tootmine?

Müügimeeste väljend «Aga see ei ole veel kõik!» kehtib ka fossiilenergeetika puhul. Räägime elektritootmise tõhususest. Soojuselektrijaamas, mis põletab kivisütt elektri saamiseks, on selle protsessi kasutegur 30% (meie rahvusaarde põlevkivi puhul on see veelgi madalam, umbes 15%).

Seega läheb 70% kivisöes olevast energiast sisuliselt välisõhu kütmiseks ning see elektriks muundatud 35% rändab mööda elektriliine meie kodudeni, mille käigus kaob soojusena veel 10%, ning kui kasutada valguse saamiseks hõõglampe, mille tootmine on nüüdseks lõpetatud, siis valguseks muutub seina tulnud elektrist viimaks vaid 5%. Seega saame algselt kivisöes sisaldanud keemilisest energiast kodus valgusena kasutada vaid 1,6%!

Unustada ei tohi, et protsessi käigus ei kaotata ainult energiat, vaid saastatakse ka sisse hingatavat õhku süsihappegaasi, vingugaasi ning erinevate lämmastik- ja vääveloksiididega. Asjaolu, et igal hetkel peavad mõned katlad «tühikäigul» küdema, et olla valmis pingelangust ja sageduse kõikumist kompenseerima, muudab tegelikkuse veelgi süngemaks. Ma loodan, et see näide selgitab, miks taastuvenergiale pööratakse viimasel ajal aina rohkem tähelepanu.

Üks tore fakt: kas lugeja teab, et ühe tunni jooksul langeb Maale samapalju päikeseenergiat kui terve maailm ühe aasta jooksul kokku tarbib? Arenguruumi on tohutult, kuid päikest ja tuult ei saa nupuvajutusega käima panna.

Päikesevalguse elektriks muundamise tehnoloogia on jõudsalt arenenud ning aegamisi aina taskukohasemaks muutumas (kümne aastaga on päikesepaneelid muutunud kümme korda odavamaks), kuid meil ei ole head «kotti», kuhu toodetud elektrit varuda. Senistel «kottidel» on kas augud või on head kotid liiga kallid. On vaja midagi odavat, aga samas ka vastupidavat. Oma doktoritöö käigus leiutangi «uut kotti». See on liitium-ioon patareist inspireeritud naatrium-ioon patarei.

Miks naatrium ja naatrium-ioon patarei?

Liitium-ioon patareid tulid turule 1990. aastate alguses ja käivitasid tehnilise revolutsiooni. Alguse sai telefonide ja sülearvutite võidukäik. Endiselt kasutatakse neid pea kõikides liikuvates seadmetes, samuti ka uutes Teslades. Li-ioon patareid on hetkel kõige arenenum patarei-tehnoloogia. Liitium on kõige väiksem ja kergem element, mida saab patareis kasutada. Ainult gaasidena esinevad vesinik ja heelium on liitiumist kergemad.

Probleem seisneb aga selles, et liitiumi maailmavarud on ammendumas ning nõudlus liitiumi järele aina kasvab. Ühte Teslat toidab ligi 1300 sülearvuti aku jagu liitium-ioon patareisid ja seegi on väike hulk võrreldes tervete elamurajoonide tarbimisega. Seega oleks mõistlikum kasutada liitium-ioon patarei uut sugulast, veidi kogukamat naatrium-ioon patareid.

Naatrium on elektrilistelt omadustelt liitiumile sarnane, kuid on maakoores tuhat korda rohkem levinud ja ühtlasemalt jaotunud. Igapäevaelus puutume naatriumiga kokku keedusoola (NaCl) ja söögisooda (NaHCO3) näol.

Naatrium on liitiumist umbes kolmandiku võrra suurem ja seetõttu tekib probleem, kui liitium-ioon patareisse lihtsalt liitiumi asemel naatrium sisse panna. Naatrium-ioonid ei mahu miinus-elektroodi, milleks kasutatakse grafiiti (pliiatsisüsi). Grafiit on nagu riiul, kuhu mahuvad vaid väikesed juturaamatud (liitium-ioonid), aga mitte teatmeteosed (naatrium-ioonid).

Mina tegelengi selliste suuremate ja kipakamate riiulite otsimisega, kuhu ka naatrium mahuks. Õnneks saab sellistest «riiulitest» koosnevaid süsisid looduslike taimsete materjalide söestamisel ja keemilisel töötlemisel. Seesugused materjalid on paljulubavad, kuid parimat lahendust ei ole veel leitud.

Väga palju variante on veel läbi proovimata. Eeskuju saab võtta ka teistest valdkondadest, näiteks naftatööstusest, kus töötlemise käigus tekib meeletus koguses ebasoovitavat tahma. Selliseid tahmasid on kasutatud ka naatrium-ioon patareides miinus-elektroodina.

Patarei kui meeskond

Miinus-elektrood on vaid üks komponent patareis. Töötav patarei on nagu jalgpallimeeskond, kus ühest superstaarist ei piisa: kõik liikmed peavad üheskoos töötama, et tagada võit. Lisaks pluss- ja miinus-elektroodile (väravavahid) on oluline soolalahus (väljakumängijad), mis võimaldab ioonidel ühest elektroodist teise minna.

Soolalahus koosneb omakorda lahustist ja naatriumisoolast, mille omavaheline sobivus ning läbisaamine elektroodipinnaga on patarei toimimiseks äärmiselt oluline. Ruumi säästmiseks on elektroodid pandud üksteisele väga lähedale, mistõttu läheb vaja ka separaatorit. Separaator on kile, mis lubab naatrium-ioonidel läbi minna, kuid hoiab patareid lühistumast, mis muidu hävitaks patarei.

Patarei nüanssidest võikski rääkima jääda. Iga komponent jaguneb omakorda alavaldkondadeks ja spetsialiseerumine toimub naeruväärsete detailideni. Mõni töörühm (kümmekond teadlast) uurib aastaid ühte pluss-elektroodi materjali, muutes lähteainete suhteid piinliku täpsusega ja proovides seda kõike erinevatel sünteesi (kokkamise) temperatuuridel.

Materjalide välimus ei muutu seejuures peaaegu mitte kunagi. Lihtsalt koguneb sahtlite viisi musti pulbreid väikestes purgikestes. Rõõm ja «eureka» tulevad stiilis «Oo, siin 100 muhuga joonisel on üks muhk nihkunud paremale!» või «Vau, ühe grammi kohta läks 50 milliamprit rohkem sisse!».

Selliste väikeste töövõitudega kogunebki üheks hetkeks hunnik teadmisi ja oskusi, mis võimaldavad naatrium-akud tulevikus igapäevaseks tehnoloogiaks muuta. Mul on suur rõõm olla osa nendest tulevikuenergeetika heaks tehtavatest püüdlustest.

Siiski ei piirduks naatrium-ioon patareid ainult taastuvenergia salvestamisega. Ennist sai mainitud, et elektrinõudlus on ajas muutuv, mistõttu madala nõudluse ajal (öösel) töötavad elektrijaamad poolel võimusel võrreldes «tipptunniga». Seesugust kõikumist on võimalik vähendada elektri salvestamise abil: öösel toota osa elektrit patareidesse salvestamiseks ja päeval kasutada ka patareidesse salvestatud elektrit. Muide, see kõik võib toimuda meie kodudes, kui öösel salvestada odavat elektrit või päeval salvestada katusel asuvate päikesepaneelide abil tarbimisest üle jäävat elektrit ning kasutada seda pimedal ajal.

Samamoodi saab talitada ka isikliku tuulegeneraatoriga. Plaanipärase energiasalvestuse kõrval saab naatrium-ioon patareisid kasutada ka avarii- ja puhvertoiteallikates (UPS) ning kõigis muudes statsionaarsetes ehk paigal seisvates rakendustes.

Energiasalvestus on taastuvenergial põhineva majanduse alus.