Kuidas rahuldada inimkonna kasvavat energiavajadust?
Et energia oleks meile stabiilselt kättesaadav, tuleb seda salvestada: panna toodetud energia ülejääk hilisemaks tarvitamiseks hoiule. Praegu oleme teel keskkonnasäästlikumate energiasalvestite poole.
Energiasalvesteid liigitatakse üldjuhul salvestatava energia järgi: elektrienergia, soojusenergia, mehaaniline energia, keemiline energia jne. Energiat on võimalik salvestada mitut moodi, näiteks pump-hüdro- ja suruõhuakumulatsioonijaamades, termoakumulatsiooni ja akupatareide abil.
Kõige laialdasemalt levinud mehaanilise energia liik on hüdroenergia, mida on kasutatud sajandeid. USA-s on suured hüdroelektrijaamad töötanud alates 1920. aastatest. Tänapäeval kasutatakse taastuvenergiaallikatena ka päikest ja tuult, kuid nende puhul sõltub energia kättesaadavus ilmastikuoludest.
Praegu on levinuim taastuvenergia salvestamise viis pump-hüdroakumulatsioonijaam. Tuleb aga arvestada, et sellise jaama ehitamine nõuab spetsiifilist asukohta ja võib kujuneda aeganõudvaks. Nõudlus uute, tõhusate ja keskkonnasäästlike energiasalvestuslahenduste järele on teadusmaailmas toonud kaasa sellealaste uurimisprojektide märkimisväärse kasvu.
Esmase alternatiivina hüdro-akumulatsioonijaamadele on välja pakutud akusid ja hübriidseid energiasalvestussüsteeme.
Uut tüüpi tõhusad energiasalvestid vähendaksid nii tarbijate kulutusi elektrienergiale kui ka elektritootmise heitkoguseid ja parandaksid varustuskindlust.
Akusalvestuseks tarvilikud metallid on kallid
Salvestuslahenduste suuremahulisele kasutuselevõtule pole Eestis tõsiseltvõetavat alternatiivi.
Kuigi praegustest energiasalvestitest on elektri hinnatippude silumisel ja süsteemi stabiliseerimisel kasu, ei too need tuulevaiksetel ja pilvistel päevadel seni veel kiiret leevendust, sest nende juurdeehitamine nõuab liialt suuri investeeringuid ja palju aega.
Nüüdisaegsetes energiasalvestusseadmetes kasutatakse laialdaselt liitiumi. Nõudlus liitiumi järele aga kasvab, see on kallis ning liitiumi ja muid vajalikke maavarasid on maailmas liiga vähe ja ebaühtlaselt.
Tavalises elektrisõiduki akus on umbes 8 kg liitiumi, 14 kg koobaltit ja 20 kg mangaani. Sageli võib see kogus sõltuvalt akust olla aga veel palju suurem: näiteks Tesla Model S-i aku sisaldab liitiumi umbes 62,6 kg.
Kuigi sellest hoolimata on ilmne, et lühiaegsed liitiumipõhised salvestid on äriliselt tasuvad ja neid on mõistlik toota, eeldatakse suuremat läbimurret naatrium-ioonakudest. Nende puhul on probleemiks aga väiksem energiatihedus, mistõttu neid ilmselt elektriautodes esialgu massiliselt kasutusele ei võeta: patareid tuleksid liitiumakudega võrreldes palju suuremad ja raskemad.
Väga palju loodetakse vesinikuenergeetikast, mis sisuliselt tähendab energia keemilist salvestamist ja selle edastamist vesiniku kujul.
Vesinikuenergeetikast loodetakse palju kasu
Vesinikku toodetakse praegu peaasjalikult teistest kütustest: maagaasist, naftast, söest. Selliselt toodetud vesinik soodustab globaalset soojenemist summaarselt samal määral kui fossiilkütuste otsepõletamine. Vesiniku hind on võrdlemisi kõrge ning selleks, et vesinikku saaks keemiatööstuses, raske- ja haruldaste muldmetallide tootmisel ning energeetikas laiemalt rakendada, tuleb selle tootmiseks leida tõhusamaid viise.
Üks neist viisidest on vee elektrolüüs. Sel moel päikeseelektrijaamades ja tuuleparkides toodetud vesinik on üks keskkonna- ja kliimasõbralikumaid energiakandjaid. Vee elektrolüüsi kasutegur on ligikaudu 70%. Vesinik-hapnik-kütuseelemendi tehnoloogia pioneeriks peetakse inglise juristi ja amatöörfüüsikut Sir William Robert Grove’i.
Kui juhtida elekter vesilahusesse, kuhu on paigutatud kaks elektroodi, tekib lahuses keemiline reaktsioon – elektrolüüs –, kus ühel elektroodil eraldub vesinik ja teisel hapnik. Grove’i avastus seisnes selle protsessi pöördprotsessis, s.t kütuse keemilise energia otse elektrienergiaks muundamises, ning selle võimaluse avastas Grove 1839. aastal.
1896. aastal sõnastas saastevaba energeetika üks pioneere, Tartu Ülikooli kasvandik ja hilisem Nobeli keemiapreemia laureaat Wilhelm Ostwald kütuseelemendi termodünaamilised alused ning näitas, et kütuseelemendid on palju tõhusamad keemilise energia elektriks ja soojuseks muundamise seadmed kui Carnot’ termodünaamilisel soojusmasinal põhinevad süsteemid. Kui elektrit genereeriva madaltemperatuurse kütuseelemendi ligikaudne kasutegur on 60%, kujuneb elektrienergia akumuleerimise summaarseks kasuteguriks 42%.
Vesinikuenergeetika aitab korvata odava tuuleenergeetika võimsusmuutusi. Tuulegeneraatorite ja kütuseelementide kombineerimisel on võimalik saavutada optimaalne töörežiim: tuulegeneraatori toodetava energia ülejääk kasutatakse ära selleks, et toota veest elektrolüüsi teel saastevaba vesinikku, hiljem, nõudluse tekkides, muundatakse aga vesinik kütuseelemendi abil tagasi elektriks.
Väiksemate turbiinide juures sobivad salvestamiseks akud, kuid võrku ühendatud suurte generaatorite puhul jääb neist väheks. Arvestades fossiilkütuste kasutamise märkimisväärset langust ning tuule- ja päikeseenergia suurt potentsiaali, on salvestamistehnoloogia ülioluline.
Kas õigem on valida superkondensaator või aku?
Superkondensaator on laiemalt võttes elektrienergia salvestamise seade, mis koosneb tavaliselt kahest suure eripinnaga süsinikelektroodist, mis on eraldatud poorse membraaniga ja sukeldatud ioonjuhtiva elektrolüüdi lahusesse. Superkondensaatoril on suurem kasutegur ja võimsus ning pikem eluiga kui akudel, ent väiksem energiatihedus massiühiku kohta.
Suur võimsus tähendab, et superkondensaatori laadimine võtab aega mõned sekundid, samas kui tavaliste akude laadimiseks kulub tunde. Väiksem energiatihedus tähendab, et kui liitium-ioonakuga sõidab elektriauto parimal juhul umbes 600 kilomeetrit, siis superkondensaatoriga kümme korda vähem.
Seega piirab superkondensaatorite väike energiatihedus tõsiselt nende laiaulatuslikku rakendamist ning enamasti nad akut ei asenda, küll aga leidub neile hulganisti kasutusvõimalusi näiteks laiatarbeelektroonikas, elektrilistes tõstukites, pidurdusenergia salvestamisel transpordivahendites jne.
Hübriidkondensaatorite valmistamisel on kombineeritud elektrilise kaksikkiht-kondensaatori ja aku tüüpi elektroodimaterjale. Tegelikult pole hübriidkondensaatorite ning klassikaliste elektriliste kaksikkiht-kondensaatorite ja akude vahel teravat piiri. Hübriidsuperkondensaatoritel on kõrgem tööpinge ning palju suurem mahtuvus ja energiatihedus kui klassikalistel sümmeetrilistel superkondensaatoritel, samas jäävad nende näitajad alla akupatareide energiatihedusele.
Tsingi kasutamine on odavam ja keskkonnasäästlikum
Keskkonnasäästlikul energia salvestamisel on paljutõotav metall tsink – raua, alumiiniumi ja vase järel neljas enamkasutatav metall.
Uue põlvkonna salvestussüsteemina on tsink-ioon-hübriidkondensaatorid oma suurepäraste eelistega – valmistamise lihtsuse, odavuse, suure energiatiheduse, arvestatava kasutusea ja väiksema keskkonnamõjuga – lootustandvaim alternatiiv liitiumipõhistele elektroonikaseadmetele. Samuti on neil potentsiaali mitmesugustes militaarsetes lahendustes, kus on väga lühikese aja jooksul vaja suurt energiaimpulssi.
Arvestades tsingi suhteliselt head biosobilikkust ja tsink-ioon-hübriidsuperkondensaatorite ohutust, on neid võimalik rakendada kaasaskantavas elektroonikas, näiteks nn elektroonilises nahas ja terviseseireseadmetes.
Ka Tartu Ülikooli teadlased otsivad lahendusi odavamate ja efektiivsemate energiasalvestusseadmete loomiseks. Meie töörühm sai ülikooli arengufondist eksperimentaalarenduse toetuse, et töötada välja odav, tõhus ja kestlik vesilahusel põhinev tsink-ioon-hübriidsuperkondensaatori prototüüp, mis ühendab tsink-ioon-akude ja superkondensaatorite eelised: suure energia- ja võimsustiheduse ning tsüklistabiilsuse.
See võimaldaks parandada alternatiivsete energiaallikate tõhusust, aga samuti oleks sel kasutusvõimalusi autotööstuses ja meditsiinis. Tulevikus saaks uut lahendust kasutada tuuleenergia tootmisel, katkematu toiteallika tagamisel, pinge languse kompenseerimisel, fotogalvaanilise elektritootmise ja tööstusmasinate energia taaskasutamise süsteemides, elektri- ja hübriidsõidukites, transpordivaldkonnas ning militaartööstuses.
Projekti lõpuks valmib laboratoorses mõõtkavas tsink-ioon-hübriidsuperkondensaator, mille parameetrid ületavad turul saadaolevate liitium- ja naatrium-metall-ioonkondensaatorite energiatihedust ning ajalist stabiilsust.
Praegu oleme veel seisus, kus parimad tsinkanoodid saadakse peamiselt elektrosadestamise teel, katoodina kasutatakse kalleid ja mitte kõige ohutumaid pseudomahtuvuslikke materjale (kus laengu salvestamine toimub elektrokeemiliselt) ning sideainena tavaliselt fluoripõhist teflonit, mis keskkonnale mõeldes peaks olema välistatud.
Tsink-ioon-hübriidsuperkondensaatorite praktiliste rakenduste väljatöötamisel tuleb rohkem panna rõhku funktsionaalsetele väärtustele: biolagunevusele, venitatavusele, iseparanemisvõimele, paindlikkusele ja külmumisvastastele omadustele.
Alar Jänes
TÜ füüsikalise ja elektrokeemia kaasprofessor
Lisa kommentaar