Aina suureneva energivajadusega maailmas on fossiilkütuste varud teadagi piiratud ning nende kasutamine toob kaasa rea keskkonnaprobleeme. Sestap on riigid nagu USA, Jaapan, Korea ja Hiina investeerinud viimastel kümnenditel keskkonnasäästlikku taastuv- ja vesinikenergeetikasse ning vastava tehnoloogia arendusse. Üks potentsiaalne tuleviku energiaallikas on tahkeoksiidne kütuseelement ehk TOKE, mille suunal käib uurimistöö ka TÜ keemia instituudis. TOKE on kõrge ehk kuni 75-protsendilise elektrilise efektiivsusega elektrokeemiline seade, mis muundab keemilise reaktsiooni käigus vabaneva keemilise energia elektrienergiaks, seda ilma vahepealsete mehaaniliste muundamise etappideta. Seadme efektiivsust on võimalik veelgi tõsta, kui kasutada ära vabanev soojusenergia.

TÜ keemia instituudi teadur Kadi Tamm ütles, et tänapäeval on tahkeoksiidsete kütuseelementide suurimaks puuduseks koostematerjalide degradatsioon ehk kehv ajaline stabiilsus. Kütuselemendi töötemperatuur on küllaltki kõrge, 800-950°C, see omakorda seab piirangud kasutatavatele materjalidele, kuna paljud materjalid ei pea nii suurele kuumale vastu. "Üks lahendusi on töötemperatuuri alandamine, mille tulemusena on degradatsioon väiksem ja eluiga pikem, samuti võib kasutada odavamaid konstruktsioonimaterjale ja kõige selle tulemusena alaneb toodetava elektrienergia hind," lausus Tamm.

Teine suur väljakutse on kogu süsteemi kontrollimine. Nimelt on TOKE efektiivseks tööks vaja tagada stabiilne töötemperatuur, samuti pidev kütusevool anoodile ning õhuvool katoodile. Kütus vajab seejuures tihti lisatöötlemist, näiteks väävli eemaldamist ja/või metaani eelnevat reformeerimist vesinikuks. Toodetav elektrienergia on alalisvool, mis on tavatarbijale vajalik muundada vahelduvvooluks. "Nüüdseks on TOKE tootmine suudetud viia minimaalsele maksumusele, kuid palju arenguruumi on elemendi töötamist toetavates tehnoloogiates," rääkis teadlane.

Poorsus tõstab võimsustihedust

Tamm uuris oma doktoritöös traditsioonilise niklil baseeruva anoodi ja alternatiivse keraamilise anoodi struktuuri mõju keskmisel temperatuuril töötava TOKE elektrokeemilistele parameetritele. Eesmärk oli hinnata ja määrata erinevaid protsesse, mis leiavad aset anoodil ja sedagi, kuidas on need seotud anoodi mikrostruktuuri ehk poorsusega. "Anoodi poorsust varieerisin ma lisades valmistamisel erineva hulga ja erineva osakese suurusega poorimoodustajat. Selle hulk mõjutas oluliselt kütuseelemendi maksimaalset võimsustihedust, samas kui poorimoodustaja osakese suuruse mõju oli minimaalne," kõneles Tamm. Teiseks eesmärgiks oli uurida alternatiivseid niklivabu keraamilisi anoodi materjale, milleks teadur rakendas uudset infiltreerimise ehk immutamise meetodit. Selgus, et keraamilised Ni-vabad anoodid on paremad, kui traditsioonilised niklit sisaldavad anoodid.

Tamme sõnul oli tema väitekirja üks suurimaid läbimurdeid efektiivselt töötava ja ainult tseeriumoksiid-elektrolüüdist koosneva tahkeoksiidse kütuseelemendi valmistamine, kus anoodina kasutati uudset perovskiitse struktuuriga keraamilist anoodimaterjali. "See oli üks suur samm edasi kütuseelemendi töötemperatuuri alandamise suunas," lausus teadur. Kahjuks pole saadud tulemusi veel võimalik praktikas rakendada ning tarvis on lisauuringuid. Teadlase hinnangul ollakse teadusmaailmas väga skeptilised niklivabade perovskiitsete keraamiliste anoodide ajalises stabiilsuses ning valdkonnas käib hetkel kibe töö, samas on esmased ajalise stabiilsuse katsed osutunud positiivseteks.

Tahkeoksiidse kütuseelemendi laialdasemale kasutuselevõtule on Tamme hinnangul palju kaasa aidanud lintvalu meetodi kasutuselevõtt. Selle meetodiga on võimalik odavalt toota suurepinnalisi ja ühtlase paksusega kilesid, mis hiljem omavahel kokku lamineeritakse ja kuumtöödeldakse. Tänapäeval leiab selline tootmisviis väga laialdast rakendust ennekõike elektroonikakomponentide valmistamisel.

Kütuseelemendid jõuavad tavatarbijani

Eelmainitute kõrval on olemas ka leelisel baseeruvad kütuseelemendid, mida kasutatatakse edukalt kosmoses. Fosforhappe kütuseelemendid on aga olnud kättesaadavad koduseks majapidamiseks, sulakarbonaat kütuseelemente kasutatakse allveelaevades ja polümeer-elektrolüütmembraan kütuseelementidega sõidavad tänapäeval ringi autod. Kohati on tahkeoksiidsed kütuseelemendid kättesaadavad ka tavatarbijale. Jaapanis toodetakse koduseks majapidamiseks 700 vati suuruseid TOKE süsteeme, mis kasutavad kütusena metaani ning jääksoojust vee soojendamiseks. Installeeritud TOKE elektrijaamad on paigaldatud USA läänerannikul sellistesse ettevõtetesse nagu Google'i peakontor, Walmart, Apple, Coca Cola Company jne.

Praegu on kütuseelementide puhul peamiseks takistuseks elektrienergia kõrge hind, ent USA toetab tahkeoksiidsete kütuseelementide populariseerimist erinevate soodustustega. Probleemiks on ka kütuse puhtus, tootmine ja hoiustamine. Tamm arvab, et TOKE tehnoloogia on tänapäeva energiamajanduses veel liiga uudne ja kallis. Samas usub ta, et paarikümne aasta pärast on see üks arvestatav osa toodetavast energiast.

TÜ keemia instituudi direktor Enn Lust loob oma töögrupiga kütuseelementi. (Foto: Sille Annuk, Postimees/Scanpix)

Kütuseelemendid on tulevikulahendus

ERR Novaatori küsimustele kütuseelementide kohta vastas Enn Lust, kes on Tartu ülikooli keemia instituudi direktor ja Kadi Tamme väitekirja juhendaja. Milliseid saavutusi võib välja tuua TÜ keemia instituudi töös kütuseelementide uurimisel?

TÜ keemia instituudis on välja töötatud metoodika kõrgefektiivsete poorsete katoodide ja anoodidega kütuselementide valmistamiseks ja see on patenteeritud USA-s, EL 14-s riigis, Eestis ja Vene föderatsioonis. Seda metoodikat kasutavad AS Elcogen ja Elcogen OY 800W võimsusega kütuseelementide valmistamiseks. Momendil on peamiseks turustussuunaks Jaapan ja ka EL riigid, kes pööravad puhtale keskkonnale ja kütuste efektiivsele kõrge kasuteguriga elektriks muundamisele olulist tähelepanu.

Kui hinnata Kadi Tamme doktoritööd oma valdkonna kontekstis, siis kuivõrd läbimurdelise tööga on tegu?

Kadi Tamme doktoritöös pöörasime lisaks traditsioonilise nikkelkeraamilise anoodi poorsuse optimeerimisele väga palju tähelepanu uue põlvkonna niklivabade anoodide valmistamisele ja igakülgsele uurimisele. Nikli välistamine on vajalik süsteemide lihtsustamiseks ja metaani kui kütuse otseseks kasutamiseks madalamatel töötemperatuuridel kui 650-670 kraadi. Madalamad kütuseelemendi töötemperatuurid võimaldavad vähendada kõrgtemperatuurse korrosiooni kiirust ja seega kasutada oluliselt odavamaid materjale ning töötlemise tehnoloogiaid. See jällegi vähendab kütuseelementide omahinda ja kiirendab nende massilisemat kasutuselevõttu.

Millist kasu võiks kütuseelementidest oodata aina süveneva energiavajadusega maailmas?

Tihedasti asustatud piirkondades nagu näiteks Tokios, Osakas, Los Angeleses, Chicagos, Pariisis, Suur-Londonis, Beneluxis ja Elsass-Lotringi piirkonnas, samuti Lombardia madalikul Milanos, Firenzes, Veneetsias ning eriti Hiina teatud regioonides on keskkonna saastumine saavutanud kriitilised piirid. Seetõttu on vältimatu võtta kasutusele kõrgema efektiivsusega uudseid keskkonnasõbralikke tehnoloogiaid, mis muundavad fossiilseid kütuseid, aga ka biometaani ja teisi kunstlikult toodetud nn taastuvaid kütuseid elektriks ja soojuseks 2-2,5 korda kõrgema efektiivsusega kui seni põhiliselt rakendatavad traditsioonilised fossiilsete kütuste kasutamise tehnoloogiad.

Kütuseelementide materjalide modifitseerimisel on võimalik valmistada sünteeskütuste sünteesi reaktoreid. Nende abil on võimalik üleliigse tuuleenergiast ja kontsentreeritud päikeseenergiast saadava elektrienergia või ka tuumaelektrijaamade piirkoormuste välisel ajal ülejääva elektrienergia abil toota süsinikdioksiidist ja veeaurust metaani, etanooli või muid keemilisi ühendeid ning kasutada neid kütustena transpordivahendites, keemiatööstuses või elektri tootmiseks piirkoormuste ajal.

Taolised reaktorid on kogu maailmas väga intensiivses arendusjärgus, kuna tulevikus võivad nad vähendada CO2 kontsentratsiooni näiteks põlevkivielektrijaamades, loodusliku gaasi puhastamise tehastes, nafta rafineerimistehastes ja toota nn taastuvaid kütuseid ning kemikaale keemiatööstusele.