Yaakov Vilenchik, Emanuel Peled ja David Andelman, PhysicsWorld

Vesiniku kasutamine autokütusena võib näida hetkel veel küll üsna kauge tulevikuna, kuid kliimamuutustega võitlemise ajastul on see siiski täiesti realistlikuks alternatiiviks bensiinile ja diislikütusele.

2008. aasta suvel lakke tõusnud naftahinnad sundisid pea igat maalast oma rahakotti kergendama. Kõige rängema hoobi said sõidukijuhid, sest bensiini hind tanklates oli kõrgem kui kunagi varem, kuid suurenenud transpordikulud hakkasid peagi kajastuma ka toidukaupade hinnas ning selle tõusu eest ei suutnud pageda enam ükski tarbija.

Tolle ajaga võrreldes on hinnad tänaseks tublisti langenud – osaliselt võime selle eest tänada ülemaailmset majanduslangust, mille tõttu on vähenenud ka energianõudlus. Sellegi poolest ei takista miski naftabarreli hinda jälle uutesse kõrgustesse tõusmast. Kuigi naftatootjad ei väsi meile kinnitamast, et naftavarude tuleviku pärast pole mõtet muretseda, võib ülemaailmne tootmine juba enne käimasoleva sajandi keskpaika uude haripunkti jõuda ning sel juhul ei suuda pakkumine enam nõudlust rahuldada ja hinnad tõusevad jälle lakke.

Kõikuvate naftahindade nõiaringist pääsemiseks tuleb meil leida alternatiive praegustele bensiini- ja diiselmootoritele. Alternatiivsete võimaluste nimekiri pole küll pikk, kuid seal on siiski paar ideed, mida tasuks tõsiselt kaaluda – nendeks on elektriautode jõuallikana kasutatavad laaditavad akud ja kütuseelemendid. Kuna töötamisel ei eraldu neist kasvuhoonegaase, võiksid nad anda suure panuse ka kliimamuutustega võitlemisse, sest rahvusvahelise mootorsõidukitootjate organisatsiooni OICA andmetel on autotranspordi osa kogu maailma süsihappegaasi emissioonist hetkel tervelt 16%.

Laaditaval akul on mitmeid eelisi – tal on kõrge kasutegur, kulub aeglaselt ning töötab suhteliselt vaikselt ja puhtalt. Viimaste aastate jooksul on tublisti arenenud ka liitiumtehnoloogial põhinevad akud, mis on nüüd kergemad, väiksemad ning vastupidavamad kui kunagi varem. Neid hakati hiljuti testima ka hübriidautodes nagu Toyota Prius, kus akut kasutatakse koos väikese ja ökonoomse, konstantsel kiirusel töötava sisepõlemismootoriga. Pidurdamisel aku laeb ning see aitab vähendada nii kütusekulu (2/5 võrra) kui ka emiteeritavate kasvuhoonegaaside hulka. Väikestest hübriidelektriautodes kasutatavatest akudest ei piisa aga tõelise ökoloogilise revolutsiooni vallandamiseks – selleks läheks vaja juba selliseid elektriautosid, kus laetavad akud oleks ainsaks jõuallikaks.

General Motors on tootnud Chevrolet Equinoxil põhineva kütuseelemendil töötavat sõiduriista, mille tippkiirus on 160 km/h ning mis kiirendab nullist sajani 12 sekundiga.	440 kütuseelementi annavad võimsuseks 93kW. Süsteemis on ka akud. Mootori maksimaalseks võimsuseks on 94kW, keskmiseks pidevaks võimsuseks 73kW (320Nm). Vesiniku mahutid on 700atm rõhu all, sisaldades 4,2kg vesinikku. Seda jätkub 320 km jaoks.

Ainult elektri jõul töötavad autod on küll juba praegu olemas, kuid neil on veel mitmeid puudusi: kuna akud on rasked ning ei suuda kuigi palju energiat talletada, jätkub neil jõudu vaid umbes 250 km pikkuse vahemaa läbimiseks; akud töötavad vaid äärmiselt kitsas temperatuurivahemikus; kui aku saab tühjaks, on auto täiesti kasutuskõlbmatu; laadimine võtab mitu tundi ning aku pidev kasutamine ja laadimine vähendab selle jõudlust. Peale selle on probleeme ka ohutusega, sest lühised ning kõrged temperatuurid võivad tekitada elektroodide ja elektrolüüdi vahel reaktsiooni, mis muudab aku kasutuskõlbmatuks. Lisaks on elektriautod ka äärmiselt kallid. Nendele probleemidele vaatamata mängivad nii hübriidajami kui akudega töötavad elektriautod tulevikus kindlasti olulist rolli meie naftatarbimise vähendamises.

Eelneva info valguses tundub kütuseelement olevat auto jaoks igati mõistlikum lahendus – selle tugevad küljed on suuresti samad mis akudel, kuid puuduste nimekiri on märkimisväärselt lühem. Erinevalt akust ei talletata kütuseelemendi keemilist energiat mitte selle sees, vaid eraldi mahutis (näiteks autosse sisse ehitatud vesinikupaagis), kust seda siis pideva ühtlase survega kütuseelementi suunatakse. See on aga määrava tähtsusega, sest just tänu välisele kütusemahutile suudab kütuseelementi kasutav auto läbida korraga pikema vahemaa kui tema akutoitel rivaal ning lisaks on vesinikupaagi täitmine pea sama lihtne kui bensiini tankimine.

Kütuseelemendiga autod on oma akutoitega sugulastest ka tunduvalt kergemad. Näiteks saab ühe 130 kg kaaluva 300 liitrise paagiga, kuhu mahub 6 kg vesinikku, sõita maha umbkaudu 500 km. Liitiumioonakuga masinal läheks sama vahemaa läbimiseks vaja 800 kg kaaluvat 650 liitrise mahuga akut. Kütuseelemendid on akudest etemad ka oma tööks vajaliku temperatuurivahemiku poolest ning nad suudavad toota energiat, mille võimsus ulatub vattidest megavattideni – see võimaldab neid kasutada ka transpordist sootuks erinevates valdkondades. Vaatamata kõigile neile eelistele, on kütuseelementidel aga ka omad puudused, millest allpool täpsemalt juttu tuleb ning seetõttu pole ka sugugi kindel, milline neist kahest tehnoloogiast tulevikust domineerima hakkab.

Kütuseelemendi arendamisel on suurimaks väljakutseks materjalide ja meetodite leidmine, mis muudaksid jõuallika efektiivsemaks ja majanduslikult tasuvamaks ning annaks talle seega võimaluse võistelda bensiini- ja diiselmootoritega. Hetkel töötavad selle eesmärgi saavutamise nimel mitmed maailma juhtivad autotootjad ning General Motors, Toyota, Mercedes Benz, Fiat ja mitmed teisedki on tulnud välja ka oma ideeautodega. General Motors on astunud veel ühe sammukese edasi ning tootnud umbkaudu 100 kütuseelemendil töötavat Chevrolet Equinoxi, mis on kokku läbinud juba üle 1,5 miljoni kilomeetri. Ettevõtmise eesmärgiks on analüüsida auto käitumist ning saada tagasisidet juhtidelt ja kaasreisijatelt. Järgmise kümne aasta jooksul loodavad nad turule lasta mõni tuhat sellist sõiduriista.

Roheline elektrienergia
Kütuseelemendid erinevad üksteisest küll disaini, materjalide, tööks vajaliku temperatuurivahemiku ja väljundvõimsuse poolest, kuid tööpõhimõte on neil kõigil üks. Protsess algab anoodil, kus vesiniku molekul lõhutakse kaheks vesinikiooniks ning kaheks elektroniks. Elektriväli ja kahe elektroodi vahelised kontsentratsioonigradiendid suunavad tekkinud vesinikioonid (prootonid) edasi katoodile. Teel läbivad nad negatiivse laenguga prootonjuhtmembraani (vt joonis). Kuna membraan laseb läbi vaid prootoneid, siis anoodil vesiniku molekulidest eraldatud elektronid seda läbida ei suuda. Laengute eraldumine tekitab kahe elektroodi vahel pinge, mis vastabki elemendi väljundpingele. Selle maksimumväärtus on küll vaid 1,23 volti, kuid elemente omavahel ühendades (kokku võib neid olla isegi mõnisada) on võimalik toota ka märkimisväärselt kõrgemat pinget.

Pulbitsev elu kütuseelemendi sees.

Kütuseelement toodab energiat keemilise reaktsiooniga, kus osalevad hapnik, vesinikioonid ja elektronid. Anoodil tekkinud vesinikioonid suunatakse läbi membraani katoodile. Membraane tehakse enamasti Nafioni-nimelisest polümeerist, millel on teflonist „karkass“, kuhu kinnituvad negatiivse laenguga vääveltrioksiidi rühmad. Anoodil tekkinud elektronid ei suuda membraani läbida ning suunatakse seetõttu katoodile läbi välise vooluringi. Vt ka https://et.wikipedia.org/wiki/Kütuseelement

Kui kütuseelemendi kahe elektroodi vahele on loodud väline vooluring, liiguvad membraani poolt „hüljatud“ elektronid seda mööda anoodilt katoodile, kus tekib keemilise reaktsiooni käigus vesi. Reaktsioonis osalevad nii õhuhapniku molekulid, mis on eelnevalt hapniku aatomiteks lõhutud, läbi membraani läinud vesinikioonid kui ka välist vooluringi pidi saabunud elektronid. Kuna vee molekulide keemiline energia on väiksem kui vesiniku ja hapniku molekulide energiad kokku, jääb energiat üle ning see suudab elektriga varustada mistahes elektriseadet, mis elektroodide vahelisse välisesse vooluringi ühendada.

Siin tuleb ilmsiks ka sarnasus elektriakuga. Nad mõlemad muundavad keemilist energiat elektrienergiaks, kuid kütuseelemendis ei hoita keemilise energia varusid mitte jõuallika sees, vaid juhitakse sinna eraldi vesinikumahutist. Ka kasutatakse kütuseelementides katalüsaatorit, sest reaktsiooni toimumise kiirus süsielektroodidel oleks muidu piisava koguse elektri tootmiseks liiga aeglane. On kulutatud palju aega ja vaeva, et töötada välja katalüsaatoreid, mis kataks elektroodid, tõstaksid oksüdatsiooni ja reduktsiooni kiirust ning võimendaksid sellega välisesse vooluringi jõudvat elektrivoolu.

Kasutegurite kõrvutamine
Kütuseelementide kasutegur on äärmiselt kõrge – tavaliselt muundavad nad vesinikus ja hapnikus talletunud keemilisest energiast elektrienergiaks 50–70%. Elektrimootor ei suuda aga kogu seda elektrienergiat mehaaniliseks energiaks muundada. Selle protsessi käigus läheb raisku umbes 10% kütuseelementidelt saadud energiast. Autode puhul kulutavad lisaenergiat ka õhutakistus ja rehvide hõõrdumine. Kütuseelemente kasutava auto üldine kasutegur on seega umbkaudu 35–40% (paagist rattani), mis on märkimisväärselt kõrgem kui keskmise sisepõlemismootori 15% kasutegur (silmas tuleb pidada siin ka seda, et viimase tehnoloogia täiustamiseks on olnud märksa rohkem aega).

Kütuseelemendid ei ole sisepõlemismootoritest paremad aga mitte üksnes praktilisest vaatenurgast, vaid on võimelised saavutama ka märksa kõrgemaid teoreetilisi kasutegureid. Sisepõlemismootori (aga ka aurumootori) kõrgeima võimaliku kasuteguri määrab kindlaks termodünaamika teine seadus, mille kohaselt saab suletud süsteemi entroopia kas kasvada või samaks jääda, kuid mitte kunagi väheneda. Sisepõlemismootorid muundavad kütuses leiduva keemilise energia soojuseks, mis on oma olemuselt „entroopne“ energia. Seejärel muundatakse soojus mehaaniliseks tööks, mis on märksa „vaoshoitum“ energialiik ning entroopia mootoris kahaneb. Kuna teine seadus ei luba entroopial aga väheneda, soojendab ülejäänud energia ümbritsevat keskkonda, suurendades selle entroopiat. Töö käigus läheb sisepõlemismootori põlemiskamber aga nii kuumaks, et seda on vaja jahutada ning nii läheb raisku veel hulganisti väärtuslikku soojusenergiat. Lisaks sellele kaob soojusenergiat ka kuumade heitgaaside näol.

Kütuselemendi puhul, kus keemiline energia muundatakse elektrienergiaks aeglaselt ja rahulikult, on teoreetiline kasutegur aga 100%. Põhjuseks on see, et kütuseelemendid pole soojusmootorid ning aeglaste elektrokeemiliste ja oksüdatsiooniprotsesside käigus eraldub vähe soojust. Madalal töövõimsusel võivad praegused kütteelemendid jõuda 100% väga lähedale, kuid väljundvõimsuse tõstmisel suureneb ka eralduva soojuse hulk ning kasutegur langeb drastiliselt.

Kütuseelemendi ja sisepõlemismootoriga sõidukite kasutegurite ausaks võrdlemiseks tuleb võtta arvesse ka vastavate kütuste – bensiini, diislikütuse, vesiniku – tootmisega seotud kasutegurid. See ei ole aga niisama lihtne, sest vesinikku saab toota väga mitmel eri viisil ning kõigil neil on erinevad kasutegurid ja kõrvalsaadused.

Taustsüsteemid
Kütuseelemendid vajavad küll veel täiustamist, kuid sellele vaatamata tundub olevat tegu äärmiselt hea ja kõrge kasuteguriga energiaallikaga – on ju selle ainsaks kõrvalsaaduseks vaid vesi ning ka elemendi kütusena kasutatavat vesinikku leidub Maal küllaga. Kütuseelementidel on aga ka omad puudused. Näiteks tuleb gaasilises olekus vesinik kõigepealt toota, konteinerisse kokku suruda ja ladustada ning kuigi kõik need etapid on üsna kõrge kasuteguriga, eraldub nende protsesside käigus ka omajagu kasvuhoonegaase. Probleemiks on ka see, et kuigi vesinikku on Maal palju – oma rohkuse poolest on ta elementidest kolmandal kohal – moodustab kütuseelementide tööks vajalik gaasiline vesinik õhust vaid ühe miljondiku.

Õnneks on vesiniku tööstuslik tootmine üsna levinud. Naftatöötlemistehastes tarvitatakse seda naftast väävli eemaldamiseks ning süsivesinike lõhkumiseks. Lisaks sellele kasutatakse vesinikku ka ammoniaagi ja muude kemikaalide tootmisel. Vesiniku tootmismaht on sedavõrd suur, et selle valmistamine moodustab 2% kogu maailma energiatarbimisest – kui seda kasutataks vaid autokütusena, moodustaks see tervelt 1/5 vajaminevast kütusekogusest.

Enamasti toodetakse vesinikku naftast ja maagaasist. Kuigi õhusaaste seisukohast võttes pole need just parimad lahendused, toetub lähituleviku vesinikumajandus arvatavasti siiski just nendele toorainetele. See tooks kaasa vesiniku laialdasema kasutamise ning võimaldaks minna tasapisi üle ka „puhtama ja rohelisema“ vesiniku tootmisele. Vesiniku tootmisel tekib kõrvalsaadusena küll ka süsihappegaas, kuid hea uudis asja juures on, et selle emissiooni saab palju kergemini kontrolli alla hoida kui sisepõlemismootori tekitatavaid kasvuhoonegaase.

Vesiniku tootmiseks on aga ka alternatiivseid meetodeid. Üks neist on näiteks biomassi soojendamine hapniku ja veeauru keskkonnas. Kuigi ka see protsess tekitab kasvuhoonegaase, tarbisid toorainena kasutatavad taimed oma elu jooksul fotosünteesi käigus rohkesti süsihappegaasi. Tähelepanu tasub pöörata ka sellele, et kasutatavad taimed eraldaksid kasvuhoonegaase ka siis, kui nad loodusesse mädanema ja lagunema jätta. Teise keskkonnasäästliku lähenemise puhul kasutatakse päikese-, tuule- ja tuumaenergiat, mille jõul käivitatakse elektrolüüs ning lõhutakse vee molekule. See tehnoloogia on aga alles lapsekingades ning tootmiskulud hetkel veel äärmiselt kõrged.

Kütuseelemendi kahjuks räägib ka asjaolu, et kuna gaasilises olekus vesinik on lenduv ning äärmiselt tuleohtlik, on sellega keeruline ümber käia. Olukorra teeb veelgi ohtlikumaks see, et vesiniku põlemisel tekkiv leek on peaaegu nähtamatu ning gaasi põlemiseks vajalik kontsentratisoonivahemik õhus väga lai. Neile probleemidele vaatamata transpordivad ja ladustavad vesinikku mitmed tööstusettevõtted ning seda ilma õnnetusjuhtumiteta – samu ettevaatusabinõusid saaks kasutada ka kütuseelementide vesinikupaakidega tegelemise puhul. Mis puudutab aga kütuseelementi ennast, siis on seal sees oleva gaasi hulk niivõrd väike, et seda ei peeta eriti ohtlikuks.

Suureks puuduseks on ka see, et vesiniku transportimine on keeruline ja kallis. Enne ühest kohast teise sõidutamist viiakse vesinik tavaliselt kas 700-atmosfäärilise rõhu alla, või veeldatakse, külmutades seda 20 K-ni (-253°C). Mõlemad meetodid kulutavad palju energiat ning nõuavad lisaks ka mahuteid, mis suudaks taluda kas äärmuslikult kõrget rõhku või säilitada väga madalat temperatuuri – see on ka üks põhjuseid, miks vesinik on kallim kui bensiin või diislikütus. Seetõttu on mõistlik toota gaasilist vesinikku seal, kus seda parasjagu vajatakse ning valida selleks just selline tehnoloogia, mis sobib kõige paremini kohalike oludega. Näiteks võiks isoleeritud või päikeseküllastes piirkondades toota vesinikku vee molekulide lõhkumise teel ning kasutada selleks päikeseenergiat.

Üleminekuperiood
Et sõidukiomanikud oma vanad autod kütuseelemendil töötavate vastu ümber vahetaks, tuleks tõsta oluliselt ka nende kasutegurit ja eluiga. Elemendis kasutatavas membraanis on nanoskoopilised veekanalid, mida vesiniku ioonid oma teekonnal läbivad, kuid kuna ioonid haaravad endaga vahel kaasa ka mõned vee molekulid, võivad kanalid pikapeale „kuivale jääda“ ning kütuseelemendi kasutegur langeb. Selle parandamiseks võib muuta kas elektroodidevahelist rõhku, mis surub vee membraani tagasi, või lisada kütusele veeauru, mis imendub membraani ning ei lase veekanalitel ära kuivada. Ka katalüsaatorit annaks tublisti täiustada. Neid tehakse enamasti 3–5 nm suurustest plaatina osakestest – väga haruldasest ja kallist metallist. Kui õnnestuks tõsta katalüsaatorite kasutegurit, vähendaks see vajamineva plaatina hulka ning seega ka tootmiskulusid.
Põhiline takistus kütuseelementide leviku teel on aga majanduslik, mitte tehniline. Vesinik on fossiilkütustest kallim ning kütuseelementide tegemine sisepõlemismootorite valmistamisest umbes 5 korda kulukam. Praegu ongi peamiseks väljakutseks just kuluvahe vähendamine, kuid see nõuaks kütuseelementidel töötavate autode masstootmist ning hetkel ei tundu see just eriti realistliku võimalusena. Et avalikkuse huvi vesinikul sõitvate autode vastu suureneks, oleks vaja rohkem vastavaid tanklaid, kuid ükski ettevõte pole nõus investeerima infrastruktuuri enne, kui ollakse täiesti kindlad, et see tulevikus neile ka kasumit tootma hakkab.

Kuna kütuseelemendiga sõidukid ei saa oma tanklatest eriti kaugele sõita, kasutatakse neid täna peamiselt kohaliku transpordivahendina. Maailmas on hetkel vaid umbes sada vesinikutanklat, millest enamik asub suurlinnades, tööstuspiirkondades ning katsekeskustes. Oma väiksele arvule vaatamata on sellised tanklad siiski väärtuslikud, sest just seal saab olemasolevaid tehnoloogiaid kõige paremini proovile panna ning see viib meid vesinikupõhisele majandusele jällegi sammukese lähemale.

Kui naftahinnad lähiaastatel uuesti lakke tõuseksid, suurendaks see märgatavalt elektriautode läbimüüki. Kuna nõudlus vesiniku järele kasvaks, siis tootmiskulud väheneksid ning uue põlvkonna autode ülalpidamine muutuks taskukohasemaks. Kui vesiniku hind energiaühiku kohta oleks kaks korda bensiini ja diislikütuse omast kõrgem – mis on lähiajal täiesti reaalne – kompenseeriks kütuseelemendi suurem kasutegur vesiniku hinna. See annaks meile kõigile võimaluse nautida autosõitu ilma, et peaksime emiteeritavate kasvuhoonegaaside pärast süümepiinu tundma. Loodetavasti täitub see unistus juba lähiaastatel.