Kogu maailm otsib energiaprobleemidele lahendusi. Kuus aastat tagasi Kolumbiast Eestisse õppima tulnud mehaanikainsener Alejandro Lyons Cerón asus energeetikaprofessori Alar Konisti juhendamisel uurima, et kui kasutada Eesti oma ressursse – põlevkivi ja biomassi, siis milliseid jätkusuutlikke lahendusi nii vedelate kui ka tahkete kütuste ja kemikaalide tootmiseks leidub ning mida oleks Eestis tänases olukorras mõistlik ka kasutusele võtta. 

Biomassi ja põlevkivi koospürolüüsi suur potentsiaal

Oma töös keskendus ta biomassi ja põlevkivi koospürolüüsi uurimisele, võttes arvesse praegu olulisi ja aktuaalseid energiaalaseid väljakutseid nii tahkekütuste töötlemise, bioenergia kui ka fossiilkütuste vallas.  

Mida kujutab endast koospürolüüs? „See on termokeemiline protsess, mille käigus kuumutatakse orgaanilisi materjale nagu biomassi koos näiteks põlevkiviga, ilma hapniku juurdepääsuta, vedelate, tahkete ja gaasiliste toodete valmistamiseks,“ selgitab Lyons Cerón, kelle sõnul saab vedelaid tooteid, milleks on peamiselt bioõli, rafineerida transpordikütusteks – näiteks diisliks, bensiiniks või lennukikütuseks. „Samas on seda võimalik kasutada otse tööstuslikes kateldes ja ahjudes või saab see olla toorainena väärtuslike kemikaalide, näiteks fenoolide, atsetooni ja äädikhappe tootmiseks,“ toob ta näiteid võimalikust kasutusalast. Tahke produkt süsi (char) toimib suure energiasisaldusega kütusena elektritootmiseks või tööstuslikes protsessides ning biomassi baasil bio- ehk puusüsina, mis parandab mulla omadusi ning seob süsinikku. Gaasiline produkt süngaas (syngas) sobib elektrienergia ja paljude keemiatoodete nagu metanool ja ammoniaak tootmiseks.

Uurimistöö käigus tegi värske doktor olemasoleva kirjanduse baasil põhjaliku analüüsi, mille tulemuseks oli optimeeritud katsete ja arvutusmudeli loomine. Eesmärk oli analüüsida koospürolüüsi „käitumist“ erinevate mastaapide korral ning kirjeldada saadud tooteid. Uuring hõlmas termogravimeetrilist analüüsi (TGA), et uurida iga lähtematerjali nii eraldi kui ka koospürolüüsis, samuti koospürolüüsi katsekambris ja pidevvoolureaktoris õli ja söe tootmiseks. Kõiki tulemusi hinnati lähtudes sellest, kuidas toimusid biomassi ja põlevkivi vahelised reaktsioonid ja millised on protsessi potentsiaalsed eelised.

Milliseid eeliseid pakub koospürolüüs?

Uuring näitas, et koospürolüüsil saadud õlid omavad paremaid omadusi võrreldes biomassi või põlevkivi individuaalsel pürolüüsil saadud õlidega, mille puhul tekib probleeme bioõli kõrge hapnikusisalduse ja ebastabiilsuse ning põlevkiviõli tootmise keskkonnamõjude tõttu. 

Näiteks individuaalne biomassi pürolüüs toodab sageli bioõli, mille kõrge hapnikusisaldus põhjustab madalat termilist stabiilsust, väikest kütteväärtust ja söövitavust, muutes selle otseseks kasutamiseks mootorites või tööstuslikes rakendustes ilma ulatusliku töötlemiseta sobimatuks. Samal ajal kaasnevad põlevkivi pürolüüsiga keskkonnamõjud, sh kasvuhoonegaasid, suurem energiatarbimine ja happelised kõrvalproduktid – väävliühendid.

Kõrgem kvaliteet ja vähem keskkonnamõjusid

Koospürolüüs aga lahendas eelnimetatud probleemid, kombineerides need kaks lähtematerjali, mis ainult ei paranda saadud õli energiasisaldust ja stabiilsust, vaid vähendab ka individuaalse pürolüüsi keskkonna- ja töötlemisprobleeme. See lähenemisviis ühendab biomassi ja põlevkivi omadused, et toota puhtamaid ja tõhusamaid kütuseid, parandades samal ajal protsessi tõhusust ja jätkusuutlikkust. Uuringu tulemuseks olid vedelad tooted, millel on väiksem hapnikusisaldus, suurem kütteväärtus ja parem termiline stabiilsus, muutes kütuse tõhusamaks ja puhtamaks. Lisaks optimeeris protsess õlitootmist ja minimeeris tahkete jääkide ja gaasiliste kõrvalproduktide teket, soodustades tootmist, mis parandab kogu protsessi tõhusust ja majanduslikku teostatavust.

Kui kasutada biomassi (näiteks metsatööstuse jääke) koos põlevkiviga, pakub koospürolüüsi meetod praktilise võimaluse taastuvate ja fossiilsete ressursside integreerimiseks. Nende lähtematerjalide füüsiline segamine ja vajalikud sarnased termilised tingimused pürolüüsi ajal võimaldavad ressursside optimeeritud kasutamist ja vähendavad sõltuvust fossiilkütustest. 

Erinevalt teistest uuringutest näitas selle uurimistöö põhjalik eksperimentaalsete seadmetega tehtud analüüs, et biomassi ja põlevkivi vastasmõju koospürolüüsi ajal näitab minimaalset sünergiat, mis tähendab, et nende kombineeritud reaktsioon ei paranda ega pärsi oluliselt keemilisi muundumisi ega mõjuta toote mahtu või hulka. 

Uuritaval protsessil on siiski olulised eelised, mis rõhutavad selle praktilist väärtust. Koospürolüüsi rakendamine parandab vedelate kütuste kvaliteeti, muutes saadud bioõli sobivamaks energiarakendustes. Lisaks optimeerib see protsess ressursside kasutamist võrreldes individuaalse pürolüüsiga. Veelgi enam, koospürolüüs pakub tõhusat viisi taastuva biomassi ja fossiilse põlevkivi integreerimiseks, näidates selle potentsiaali puhtamate ja tõhusamate energialahenduste loomisel, mis lahendaks nii majanduslikke kui ka keskkonnaprobleeme.

Eestile strateegiliselt tähtis

Lyons Ceróni sõnul on siinkohal oluline meelde tuletada, et Eesti energeetikasektorit on pikka aega iseloomustanud sõltuvus põlevkivist, mis on küll majanduslikult väärtuslik, kuid samas märkimisväärsete keskkonnamõjudega ressurss. „Käesolev uurimus näebki koospürolüüsi kui võimalust, kuidas biomassi energiatootmises tõhusalt ära kasutada ning samal ajal võimaldab see ka tööstuse kaasajastamist.“ See lähenemisviis mitmekesistaks autori hinnangul Eesti riigi energiaportfelli ja sobib kokku globaalsete pingutustega vähendada süsinikuheidet ning liikuda jätkusuutlikumate energiasüsteemide suunas. „Kohalike, aga samas kõrgekvaliteediliste ja puhtamate kütuste tootmine võiks tuua olulist majanduslikku kasu, sest see muudab metsatööstuse jäätmed väärtuslikuks tooraineks ja aitab ühtlasi Eestil täita Euroopa Liidu kliimaeesmärke, vähendades kasvuhoonegaaside heidet põlevkivi töötlemisel.“

Lyons Ceróni doktoritöö tõstab esile ka võimalikud piirangud ja probleemid, kuid rõhutab samas koospürolüüsi laiemat kasulikkust. „See töö näitab, et tehnoloogilised uuendused võivad muuta väljakutsed võimalusteks, muutes nii koospürolüüsi elujõuliseks vahendiks nii energia- kui ka keskkonnaalaste eesmärkide saavutamisel.“ Kui Eesti soovib olla jätkusuutliku energia innovatsiooni eeskuju, siis näitavad tema sõnul just sellised uurimistööd teed tulevikku, kus taastuvad ja fossiilsed ressursid „töötavad“ koos.

Loe Alejandro Lyons Ceróni doktoritööd TalTechi digikogus.