Maailmas toodetava päikese-ja tuuleenergia osakaal on viimase kümne aastaga peaaegu viiekordistunud. Juba praegu moodustab see kümme protsenti kogu maailmas toodetavast energiast. Fossiilkütustest täielikult loobumiseks on vaja lahendada olemuslik probleem - kuidas on võimalik kasutada päikese- ja tuuleenergiat siis, kui päike ei paista ja tuul ei puhu? Üks võimalus on tuule- ja päikeserohketel perioodidel ülejäävast elektrienergiast elektrolüüsi meetodil toota vesinikku ja siis kasutada sedasama vesinikku energiakandja ehk kütusena, kirjutab Tartu Ülikooli keemia doktorant Miriam Koppel.

Miks on vaja muundada ülejääv elektrienergia vesinikuks? Miks mitte kasutada lihtsalt akusid? Tõsi, energiat on võimalik salvestada akudesse, kuid igaks rakenduseks need ei sobi. Akud on hea lahendus tundide ja päevade skaalas energia salvestamiseks, samas kui vesinik sobib energia salvestamiseks pikemaks ajaks - nädalateks ja kuudeks. Akude suhteliselt sage laadimisvajadus paneb aga suure koormuse elektrivõrgule, mis ei pruugi elektriautode järjest suureneval kasutamisel tiputarbimise ajal enam vastu pidada.

Elektriautode puhul on tarvis autoakut laadida, mis võib võtta tunde. Selle asemel saab vesinikautodesse vesinikku tankida sarnaselt bensiinile, mis võtab aega mõned minutid. Vesiniku kasuks räägib seegi, et seda saab toota ja kasutada nii, et ei eraldu ohtlikke saasteaineid, vaid ainult puhas vesi.

Lisaks on vesiniku energiasisaldus massi kohta olemasolevatest kütustest kõige suurem. Näiteks kilogramm vesinikku, millega saab sõita umbes 100 kilomeetrit, sisaldab kolm korda rohkem energiat kui kilogramm bensiini.

Ometigi on gaasilisel vesinikul ka omad puudused. Kilogramm vesinikku hõivab tavatingimustel sama ruumala kui ühe-meetrine veekiht keskmises elutoas. Vesinikupaaki, mis on umbes 240 korda suurem kui tavaline 50-liitrine kütusepaak, on auto peal üsna keeruline ette kujutada.

Seega, vesiniku praktiliseks hoiustamiseks on vaja suur kogus vesinikku mahutada väiksemasse ruumalasse ehk suurendada vesiniku tihedust. Üks võimalus vesiniku tiheduse suurendamiseks on seda rõhuga kokku suruda. See on väga levinud – ka teisi gaase hoiustatakse rõhu all, näiteks maagaasi. Samas, vesiniku hoiustamiseks piisavalt suures koguses on vaja kordades kõrgemat rõhku kui maagaasi hoiustamiseks, mis on energiakulukas.

Vesinik pooridesse

Mina uurin Tartu Ülikooli keemia instituudis vesiniku hoiustamise lahendust, kus saab kasutada madalamaid rõhke. Selle meetodi puhul läheb vesinik materjali sisse nagu vesi käsna nii, et vesiniku tihedus materjali sees suureneb. Seetõttu ei ole vaja kasutada nii kõrgeid rõhke ning vesiniku talletamine on efektiivsem ja ohutum. Minu ja mu kolleegide uuringud on kinnitanud, et vesinikku suudab kõige paremini hoiustada materjal, millel on väga väikesed avaused ja tunnelid.

Kõige paremini sobivad vesiniku talletamiseks poorid, mille laius on väiksem kui seitse angströmit. Võrdlusena – köögikäsna poorid, mille laius on umbes üks millimeeter, on neist 10 miljonit korda suuremad. Ka kuju on oluline. Kõige paremad on poorid, mis meenutavad kera või silindrit ja mille sein ei ole mitte sile, vaid krobeline.

Tundub, et kõik on selge – vesinikupaaki on vaja lisada poorset materjali ja vesinikautod on juba varsti tänavatel. Kahjuks ei ole see nii lihtne. Isegi, kui sünteesida materjal, millel on sobiv poori laius ja kuju, siis ei ole veel võimalik piisavas koguses vesinikku sinna sisse talletada. Seetõttu on oluline jätkata uuringuid ja leida veel omadusi, tänu millele suudaks materjal veelgi rohkem vesinikku hoiustada.

Kui need omadused on leitud, siis pole raske ette kujutada, et lähitulevikus sõidavad tänavatel autod, mille kütus pole toodetud mitte ainult puhtalt, vaid ka hoiustatud säästlikult.

Artikkel ilmus Eesti Teaduste Akadeemia korraldatava konkursi "Teadus 3 minutiga" raames, mille pidulik finaal toimub 11. veebruaril.