Kaval rebane ja põlevkivi ehk kuidas säästlikumalt elektrit toota

Karmauh! Terve vagunitäis põlevkivi kukub šahti, et lõpuks katlas ära põleda. Nii toodetaksegi Eestis elektrit.

Selleks, et meie kodudes põleksid pirnid ja mängiksid televiisorid, peab Narvas iga päev katlasse ajama umbes 40 000 tonni põlevkivi. See on võrdne umbkaudu ühe vagunitäiega iga kahe ja poole minuti järel, nii ööl kui päeval.

Põlevkivi võib olla küll meie rahvuslik uhkus, aga kahjuks kaasneb selle kaevandamise ja põletamisega tõsine keskkonnaoht. Google’i kaarte sirvides võib igaüks veenduda, et Ida-Virumaa põlevkivikarjäärid on kosmosest kergemini ülesleitavad kui Hiina müür või Egiptuse püramiidid! Põlevkivijaamad paiskavad õhku umbes 30 korda rohkem heitgaase kui kogu ülejäänud Eesti kokku, lisaks tuleb pärast põletamist midagi ette võtta kuhjuvate tuhamägedega.

Madal kasutegur

Minu igapäevaseks tööks on uurida keemilisi reaktsioone, mida saab mõjutada elektrivoolu abil – olen elektrokeemik. Üks näide elektrokeemilisest süsteemist, mida me kõik kasutame, on patarei. Liitium-ioonpatareide abil töötavad meie mobiiltelefonid ja sülearvutid, mp3-mängijad ja fotoaparaadid. Mobiiliaku tühjenemisel toimub patareis keemiline reaktsioon, millega kaasneb elektrivool. Kui aku on tühi, saab selle uuesti täis laadida. Laadimise ajal toimub patareis jällegi keemiline reaktsioon, ainult et kui tühjenemise ajal liikus liitium patarei sees miinuse poolt plussi poole, siis nüüd liigub see – pistikust tuleva voolu toimel –, vastupidises suunas: plussilt miinusele. Elektrokeemikute ülesandeks on välja mõelda sellised patareid, mis ei saaks nii kiiresti tühjaks ja mida võiks laadida sadu kordi, ilma et nende omadused halveneksid.

Lisaks patareidele tegelevad elektrokeemikud teistegi küsimuste lahendamisega: kuidas vältida korrosiooni (roostetamist), kuidas luua paremaid päikesepatareisid ja täpsemaid gaasi- või veresuhkru andureid. Minu uurimistöö eesmärgiks on töötada välja säästlikum viis energia muundamiseks,  s.t kuidas samast kogusest kütusest kätte saada veelgi rohkem energiat.

Kui arvate, et inimkond on kütuste efektiivse kasutamise vallas suur meister, siis kahjuks eksite. Liitris bensiinis leiduvast keemilisest energiast suudame kasulikuks tööks muuta vaevalt kolmandiku, ülejäänu eraldub soojusena. Põlevkivienergeetika kasutegur on sellest veelgi madalam − kui arvestada ka kaevandamisel kulutatud energiat, jõuab kilogrammis põlevkivis leiduvast energiast Eesti kodudesse vaevalt üks kümnendik. Mõelge vaid – kui oskaksime kätte saada kõigest poole põlevkivis peituvast energiast, peaksime kaevandama viis korda vähem põlevkivi, kuhjama viis korda vähem tuhamägesid, reostama viis korda vähem vett, saastama viis korda vähem õhku!

Kütuseelement

Kuidas seda teha? Üheks võimalikuks lahenduseks on põlevkivi elektrokeemiline oksüdatsioon. Teadlastele meeldib kutsuda lihtsaid asju keeruliste nimedega ja „oksüdatsioon“ ei ole siin mingi erand. Oksüdatsiooniks nimetatakse igasugust reaktsiooni hapnikuga. Näiteks võib kaminas põlevate puude kohta öelda: „Näe, puud oksüdeeruvad!“. Aga et põlemist ei saa elektrivooluga kuidagi mõjutada, siis ei ole põlevate puude puhul tegemist elektrokeemilise, vaid tavalise ehk keemilise oksüdatsiooniga. Kütuse elektrokeemilist oksüdatsiooni saab läbi viia näiteks kütuseelemendis.

Kütuseelement on seade, mille tööpõhimõte on üsna sarnane koolisööklaga. Esmalt peab iga õpilane võtma endale kandiku ja nõud, millele lahke kokatädi kulbiga süüa asetab. Pärast sööki tuleb kandikud ära viia, et neid saaksid kasutada järgmised õpilased. Kütuseelemendis on õpilaste rollis hapnikuaatomid. Elemendi kõige olulisemaks osaks on keraamilisest materjalist membraan, mis laseb läbi vaid need hapnikuaatomid, mis on endale eelnevalt kaks elektroni (kandiku) leidnud.

Laenguta aatomid peavad minema järjekorra lõppu. Membraani läbinud, reageerib hapnik kütusega (sööb), mille käigus vabanevad elektronid (kandikud) ja tekib süsihappegaas. Kuna ühel pool elementi pidevalt vabaneb elektrone, teisel pool on neid aga kogu aeg puudu, tekib neid ühendavas juhtmes elektrivool. Täpselt samamoodi tekib sööklas kandikute vool söömise lõpetanud õpilastelt alles järjekorras ootavatele õpilastele.

Mis on peamine erinevus keemilise ja elektrokeemilise oksüdatsiooni vahel? Tuletame meelde muinasjuttu kavalast rebasest, kes tee peal surnut mängis, et taadi ree peale saada. Taat korjas rebase üles, ise õnnelik, et eit nii uhke krae saab. Kord reel, loopis rebane aga taadi kalad üksteise järel teele ja sõi ära. Võime küsida: mis oleks saanud siis, kui kümmekond rebast oleksid samaaegselt rege rünnanud, et kalu korraga kätte saada? Arvatavasti tekkinuks suur segadus, osa kaladest oleks läinud kaduma ja osa jäänud hoopiski taadile. Just viimane on hea kirjeldus sellest, mis toimub kütuse põletamisel ehk keemilisel oksüdatsioonil – suur tohuvabohu, kus hapnikumolekulid (rebased) ründavad kütust (kalu), osa kütusest reageerib vaid osaliselt, osa läheb üldse kaotsi. Kaval rebane, kes kalu vaikselt teele poetab, sarnaneb aga rohkem kütuse elektrokeemilise oksüdatsiooniga, nii nagu see toimub kütuseelemendis.

Kas põlevkivi oleks ka võimalik põletamise asemel kütuseelemendis elektrokeemiliselt oksüdeerida? Pikemas perspektiivis võib-olla küll. Värsked uuringud USA-s on igatahes näidanud, et kivisütt saab kütuseelementides üsna edukalt kasutada. Paljud probleemid on aga siiski lahendamata – kütuseelemendid ei ole praegu veel suuremahulisteks projektideks piisavalt odavad ega vastupidavad. Loodan, et ka minu kütuseelementide vastupidavusele keskenduv uurimistöö saab selle idee teostumisele omal moel kaasa aidata.

Rainer Küngas on keemiainseneri eriala doktorant Pennsylvania ülikoolis USA-s, selle artikliga võitis ta Tartu Ülikooli korraldatud doktorantide populaarteaduslike artiklite konkursi kevadvooru. Konkurssi aitas rahastada haridus- ja teadusministeerium.

Loe ka sügisvooru võidutööd, mille autoriks oli TÜ majandusteaduskonna doktorant Andres Kuusik: Riik kui pesuloputusvahend.

• Tweet