{"id":2173,"date":"2024-06-06T22:38:37","date_gmt":"2024-06-06T19:38:37","guid":{"rendered":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/4688\/"},"modified":"2024-06-06T22:38:37","modified_gmt":"2024-06-06T19:38:37","slug":"4688","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/4688\/","title":{"rendered":"Kuidas rahuldada inimkonna kasvavat energiavajadust?"},"content":{"rendered":"

<\/p>\n

Et energia oleks meile stabiilselt k\u00e4ttesaadav, tuleb seda salvestada: panna toodetud energia \u00fclej\u00e4\u00e4k hilisemaks tarvitamiseks hoiule. Praegu oleme teel keskkonnas\u00e4\u00e4stlikumate energiasalvestite poole.<\/strong><\/p>\n

Energiasalvesteid liigitatakse \u00fcldjuhul salvestatava energia j\u00e4rgi: elektrienergia, soojusenergia, mehaaniline energia, keemiline energia jne. Energiat on v\u00f5imalik salvestada mitut moodi, n\u00e4iteks pump-h\u00fcdro- ja suru\u00f5huakumulatsioonijaamades, termoakumulatsiooni ja akupatareide abil.<\/p>\n

\"\"
K\u00f5ige laialdasemalt levinud mehaanilise energia liik on h\u00fcdroenergia, mida on kasutatud sajandeid. Illustratsioon: CreatingAsIGo \/ Pixabay<\/figcaption><\/figure>\n

K\u00f5ige laialdasemalt levinud mehaanilise energia liik on h\u00fcdroenergia, mida on kasutatud sajandeid. USA-s on suured h\u00fcdroelektrijaamad t\u00f6\u00f6tanud alates 1920.\u00a0aastatest. T\u00e4nap\u00e4eval kasutatakse taastuvenergiaallikatena ka p\u00e4ikest ja tuult, kuid nende puhul s\u00f5ltub energia k\u00e4ttesaadavus ilmastikuoludest.<\/p>\n

Praegu on levinuim taastuvenergia salvestamise viis pump-h\u00fcdroakumulatsioonijaam. Tuleb aga arvestada, et sellise jaama ehitamine n\u00f5uab spetsiifilist asukohta ja v\u00f5ib kujuneda aegan\u00f5udvaks. N\u00f5udlus uute, t\u00f5husate ja keskkonnas\u00e4\u00e4stlike energiasalvestuslahenduste j\u00e4rele on teadusmaailmas toonud kaasa sellealaste uurimisprojektide m\u00e4rkimisv\u00e4\u00e4rse kasvu.<\/p>\n

Esmase alternatiivina h\u00fcdro-akumulatsioonijaamadele on v\u00e4lja pakutud akusid ja h\u00fcbriidseid energiasalvestuss\u00fcsteeme.<\/p>\n

Uut t\u00fc\u00fcpi t\u00f5husad energiasalvestid v\u00e4hendaksid nii tarbijate kulutusi elektrienergiale kui ka elektritootmise heitkoguseid ja parandaksid varustuskindlust.<\/p>\n

Akusalvestuseks tarvilikud metallid on kallid<\/strong><\/p>\n

Salvestuslahenduste suuremahulisele kasutuselev\u00f5tule pole Eestis t\u00f5siseltv\u00f5etavat alternatiivi.<\/p>\n

Kuigi praegustest energiasalvestitest on elektri hinnatippude silumisel ja s\u00fcsteemi stabiliseerimisel kasu, ei too need tuulevaiksetel ja pilvistel p\u00e4evadel seni veel kiiret leevendust, sest nende juurdeehitamine n\u00f5uab liialt suuri investeeringuid ja palju aega.<\/p>\n

N\u00fc\u00fcdisaegsetes energiasalvestusseadmetes kasutatakse laialdaselt liitiumi. N\u00f5udlus liitiumi j\u00e4rele aga kasvab, see on kallis ning liitiumi ja muid vajalikke maavarasid on maailmas liiga v\u00e4he ja eba\u00fchtlaselt.<\/p>\n

Tavalises elektris\u00f5iduki akus on umbes 8\u00a0kg liitiumi, 14\u00a0kg koobaltit ja 20\u00a0kg mangaani. Sageli v\u00f5ib see kogus s\u00f5ltuvalt akust olla aga veel palju suurem: n\u00e4iteks Tesla Model\u00a0S-i aku sisaldab liitiumi umbes 62,6\u00a0kg.<\/p>\n

Kuigi sellest hoolimata on ilmne, et l\u00fchiaegsed liitiumip\u00f5hised salvestid on \u00e4riliselt tasuvad ja neid on m\u00f5istlik toota, eeldatakse suuremat l\u00e4bimurret naatrium-ioonakudest. Nende puhul on probleemiks aga v\u00e4iksem energiatihedus, mist\u00f5ttu neid ilmselt elektriautodes esialgu massiliselt kasutusele ei v\u00f5eta: patareid tuleksid liitiumakudega v\u00f5rreldes palju suuremad ja raskemad.<\/p>\n

V\u00e4ga palju loodetakse vesinikuenergeetikast, mis sisuliselt t\u00e4hendab energia keemilist salvestamist ja selle edastamist vesiniku kujul.<\/p>\n

Vesinikuenergeetikast loodetakse palju kasu<\/strong><\/p>\n

Vesinikku toodetakse praegu peaasjalikult teistest k\u00fctustest: maagaasist, naftast, s\u00f6est. Selliselt toodetud vesinik soodustab globaalset soojenemist summaarselt samal m\u00e4\u00e4ral kui fossiilk\u00fctuste otsep\u00f5letamine. Vesiniku hind on v\u00f5rdlemisi k\u00f5rge ning selleks, et vesinikku saaks keemiat\u00f6\u00f6stuses, raske- ja haruldaste muldmetallide tootmisel ning energeetikas laiemalt rakendada, tuleb selle tootmiseks leida t\u00f5husamaid viise.<\/p>\n

\u00dcks neist viisidest on vee elektrol\u00fc\u00fcs. Sel moel p\u00e4ikeseelektrijaamades ja tuuleparkides toodetud vesinik on \u00fcks keskkonna- ja kliimas\u00f5bralikumaid energiakandjaid. Vee elektrol\u00fc\u00fcsi kasutegur on ligikaudu\u00a070%. Vesinik-hapnik-k\u00fctuseelemendi tehnoloogia pioneeriks peetakse inglise juristi ja amat\u00f6\u00f6rf\u00fc\u00fcsikut Sir\u00a0William Robert Grove\u2019i.<\/p>\n

Kui juhtida elekter vesilahusesse, kuhu on paigutatud kaks elektroodi, tekib lahuses keemiline reaktsioon\u00a0\u2013 elektrol\u00fc\u00fcs\u00a0\u2013, kus \u00fchel elektroodil eraldub vesinik ja teisel hapnik. Grove\u2019i avastus seisnes selle protsessi p\u00f6\u00f6rdprotsessis, s.t\u00a0k\u00fctuse keemilise energia otse elektrienergiaks muundamises, ning selle v\u00f5imaluse avastas Grove 1839.\u00a0aastal.<\/p>\n

1896. aastal s\u00f5nastas saastevaba energeetika \u00fcks pioneere, Tartu \u00dclikooli kasvandik ja hilisem Nobeli keemiapreemia laureaat Wilhelm Ostwald k\u00fctuseelemendi termod\u00fcnaamilised alused ning n\u00e4itas, et k\u00fctuseelemendid on palju t\u00f5husamad keemilise energia elektriks ja soojuseks muundamise seadmed kui Carnot\u2019 termod\u00fcnaamilisel soojusmasinal p\u00f5hinevad s\u00fcsteemid. Kui elektrit genereeriva madaltemperatuurse k\u00fctuseelemendi ligikaudne kasutegur on\u00a060%, kujuneb elektrienergia akumuleerimise summaarseks kasuteguriks\u00a042%.<\/p>\n

Vesinikuenergeetika aitab korvata odava tuuleenergeetika v\u00f5imsusmuutusi. Tuulegeneraatorite ja k\u00fctuseelementide kombineerimisel on v\u00f5imalik saavutada optimaalne t\u00f6\u00f6re\u017eiim: tuulegeneraatori toodetava energia \u00fclej\u00e4\u00e4k kasutatakse \u00e4ra selleks, et toota veest elektrol\u00fc\u00fcsi teel saastevaba vesinikku, hiljem, n\u00f5udluse tekkides, muundatakse aga vesinik k\u00fctuseelemendi abil tagasi elektriks.<\/p>\n

V\u00e4iksemate turbiinide juures sobivad salvestamiseks akud, kuid v\u00f5rku \u00fchendatud suurte generaatorite puhul j\u00e4\u00e4b neist v\u00e4heks. Arvestades fossiilk\u00fctuste kasutamise m\u00e4rkimisv\u00e4\u00e4rset langust ning tuule- ja p\u00e4ikeseenergia suurt potentsiaali, on salvestamistehnoloogia \u00fclioluline.<\/p>\n

Kas \u00f5igem on valida superkondensaator v\u00f5i aku?<\/strong><\/p>\n

Superkondensaator on laiemalt v\u00f5ttes elektrienergia salvestamise seade, mis koosneb tavaliselt kahest suure eripinnaga s\u00fcsinikelektroodist, mis on eraldatud poorse membraaniga ja sukeldatud ioonjuhtiva elektrol\u00fc\u00fcdi lahusesse. Superkondensaatoril on suurem kasutegur ja v\u00f5imsus ning pikem eluiga kui akudel, ent v\u00e4iksem energiatihedus massi\u00fchiku kohta.<\/p>\n

Suur v\u00f5imsus t\u00e4hendab, et superkondensaatori laadimine v\u00f5tab aega m\u00f5ned sekundid, samas kui tavaliste akude laadimiseks kulub tunde. V\u00e4iksem energiatihedus t\u00e4hendab, et kui liitium-ioonakuga s\u00f5idab elektriauto parimal juhul umbes 600\u00a0kilomeetrit, siis superkondensaatoriga k\u00fcmme korda v\u00e4hem.<\/p>\n

Seega piirab superkondensaatorite v\u00e4ike energiatihedus t\u00f5siselt nende laiaulatuslikku rakendamist ning enamasti nad akut ei asenda, k\u00fcll aga leidub neile hulganisti kasutusv\u00f5imalusi n\u00e4iteks laiatarbeelektroonikas, elektrilistes t\u00f5stukites, pidurdusenergia salvestamisel transpordivahendites jne.<\/p>\n

H\u00fcbriidkondensaatorite valmistamisel on kombineeritud elektrilise kaksikkiht-kondensaatori ja aku t\u00fc\u00fcpi elektroodimaterjale. Tegelikult pole h\u00fcbriidkondensaatorite ning klassikaliste elektriliste kaksikkiht-kondensaatorite ja akude vahel teravat piiri. H\u00fcbriidsuperkondensaatoritel on k\u00f5rgem t\u00f6\u00f6pinge ning palju suurem mahtuvus ja energiatihedus kui klassikalistel s\u00fcmmeetrilistel superkondensaatoritel, samas j\u00e4\u00e4vad nende n\u00e4itajad alla akupatareide energiatihedusele.<\/p>\n

Tsingi kasutamine on odavam\u00a0ja keskkonnas\u00e4\u00e4stlikum<\/strong><\/p>\n

Keskkonnas\u00e4\u00e4stlikul energia salvestamisel on paljut\u00f5otav metall tsink\u00a0\u2013 raua, alumiiniumi ja vase j\u00e4rel neljas enamkasutatav metall.<\/p>\n

\"\"
T\u00dc keemia instituudis komplekteeritud tsink-ioon-h\u00fcbriidsuperkondensaatori protot\u00fc\u00fcp. FOTO: Maarja Paalo<\/figcaption><\/figure>\n

Uue p\u00f5lvkonna salvestuss\u00fcsteemina on tsink-ioon-h\u00fcbriidkondensaatorid oma suurep\u00e4raste eelistega\u00a0\u2013 valmistamise lihtsuse, odavuse, suure energiatiheduse, arvestatava kasutusea ja v\u00e4iksema keskkonnam\u00f5juga\u00a0\u2013 lootustandvaim alternatiiv liitiumip\u00f5histele elektroonikaseadmetele. Samuti on neil potentsiaali mitmesugustes militaarsetes lahendustes, kus on v\u00e4ga l\u00fchikese aja jooksul vaja suurt energiaimpulssi.<\/p>\n

Arvestades tsingi suhteliselt head biosobilikkust ja tsink-ioon-h\u00fcbriidsuperkondensaatorite ohutust, on neid v\u00f5imalik rakendada kaasaskantavas elektroonikas, n\u00e4iteks nn\u00a0elektroonilises nahas ja terviseseireseadmetes.<\/p>\n

Ka Tartu \u00dclikooli teadlased otsivad lahendusi odavamate ja efektiivsemate energiasalvestusseadmete loomiseks. Meie t\u00f6\u00f6r\u00fchm sai \u00fclikooli arengufondist eksperimentaalarenduse toetuse, et t\u00f6\u00f6tada v\u00e4lja odav, t\u00f5hus ja kestlik vesilahusel p\u00f5hinev tsink-ioon-h\u00fcbriidsuperkondensaatori protot\u00fc\u00fcp, mis \u00fchendab tsink-ioon-akude ja superkondensaatorite eelised: suure energia- ja v\u00f5imsustiheduse ning ts\u00fcklistabiilsuse.<\/p>\n

See v\u00f5imaldaks parandada alternatiivsete energiaallikate t\u00f5husust, aga samuti oleks sel kasutusv\u00f5imalusi autot\u00f6\u00f6stuses ja meditsiinis. Tulevikus saaks uut lahendust kasutada tuuleenergia tootmisel, katkematu toiteallika tagamisel, pinge languse kompenseerimisel, fotogalvaanilise elektritootmise ja t\u00f6\u00f6stusmasinate energia taaskasutamise s\u00fcsteemides, elektri- ja h\u00fcbriids\u00f5idukites, transpordivaldkonnas ning militaart\u00f6\u00f6stuses.<\/p>\n

Projekti l\u00f5puks valmib laboratoorses m\u00f5\u00f5tkavas tsink-ioon-h\u00fcbriidsuperkondensaator, mille parameetrid \u00fcletavad turul saadaolevate liitium- ja naatrium-metall-ioonkondensaatorite energiatihedust ning ajalist stabiilsust.<\/p>\n

Praegu oleme veel seisus, kus parimad tsinkanoodid saadakse peamiselt elektrosadestamise teel, katoodina kasutatakse kalleid ja mitte k\u00f5ige ohutumaid pseudomahtuvuslikke materjale (kus laengu salvestamine toimub elektrokeemiliselt) ning sideainena tavaliselt fluorip\u00f5hist teflonit, mis keskkonnale m\u00f5eldes peaks olema v\u00e4listatud.<\/p>\n

Tsink-ioon-h\u00fcbriidsuperkondensaatorite praktiliste rakenduste v\u00e4ljat\u00f6\u00f6tamisel tuleb rohkem panna r\u00f5hku funktsionaalsetele v\u00e4\u00e4rtustele: biolagunevusele, venitatavusele, iseparanemisv\u00f5imele, paindlikkusele ja k\u00fclmumisvastastele omadustele.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Et energia oleks meile stabiilselt k\u00e4ttesaadav, tuleb seda salvestada: panna toodetud energia \u00fclej\u00e4\u00e4k hilisemaks tarvitamiseks hoiule. Praegu oleme teel keskkonnas\u00e4\u00e4stlikumate energiasalvestite poole. Energiasalvesteid liigitatakse \u00fcldjuhul salvestatava energia j\u00e4rgi: elektrienergia, soojusenergia, mehaaniline energia, keemiline energia jne. Energiat on v\u00f5imalik salvestada mitut …<\/p>\n","protected":false},"author":813,"featured_media":2170,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"inline_featured_image":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[],"class_list":["post-2173","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-teadus"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2173","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/users\/813"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2173"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2173\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/media\/2170"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2173"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2173"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2173"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}