Rakendusliku keemia professor Allan Niidu

Enne kui asume otsima mõningaid potentsiaalseid vastuseid, vaatleme põgusalt fossiilsete kütuste olukorda. Hinnanguliselt on tänaseks tõestatud tehniliselt kasutatavad fossiilsete kütuste varud u 1,8 triljonit tonni naftaekvivalendis ja ennustatav üleilmne energiatarve aastal 2040 ligi 18 miljardit tonni naftaekvivalendis. Seega on oletatavasti inimkonnal aasta 2040 tarbimise juures kõigest 100 aastat fossiilsete kütuste kasutamise aega. Seejuures on kõrvalolevalt jooniselt (joonis 1) selgelt näha, et prognoositav energiatarbimine igas sektoris kasvab jätkuvalt ja seda tõenäoliselt ka pärast 2040. aastat, eriti kui võtta arvesse populatsiooni kasvu ning elatustaseme tõusu.

Ülaltoodut arvesse võttes on üsnagi selge, miks on inimkonnal tekkinud suur huvi alternatiivsete energiaallikate vastu.

Millised on alternatiivsed energiaallikad?

Üleüldise energiavajaduse rahuldamiseks on fossiilsetele kütustele nüüdisegseid alternatiive laias laastus kaks: taastumatud energiaallikad, nagu tuumakütus, ja taastuvad energiaallikad, nagu päike, tuul, lained ja biomass. Tuumaenergeetikaga kaasneb alati radioaktiivsete jäätmete ja saaste probleem, mis ei ole tänaseni päris adekvaatset lahendust leidnud ega oma seetõttu ühiskonnas laiemat poolehoidu. Seevastu päikese ja tuule kasutamine on eriti viimastel kümnenditel hoogsalt edenenud ning eeldatavasti kasvab nende kasutamine veelgi. Biomass on inimkonna kasutuses olnud teadupärast aastatuhandeid, näiteks soojaallikana, toidu küpsetamiseks ja ka puusöe valmistamiseks. Viimane on olnud tarvilik metallide, eriti raua sulatamise juures. Kaasajal kasutatakse biomassi ka vedelkütuste tootmiseks, mida saab kasutada kas puhtalt või segus konventsionaalsete kütustega, näiteks transpordivahendite või elektrigeneraatorite käitamiseks. Põhilisteks vedelkütusteks on etanool ja biodiisel, mõlemaid on võimalik toota mitmesugustest suhkru- või õlirikastest taimedest: etanooli allikateks on põhiliselt kasutatud maisi (Ameerika Ühendriikides) ja suhkruroogu (Brasiilias); Ameerika Ühendriigid ja Brasiilia on ka maailma suurimad bioetanooli tootjad.

Võrreldes biodiisliga oli bio­etanooli toodangumaht 2018. aasta andmetel veidi enam kui viiendiku võrra kõrgem. Biodiisli tootmiseks kasutatakse peamiselt rapsi ja õlipalmi; Euroopa on üks suurimaid biodiisli tootjaid, tootes ligi 37% kogu biodiislist maailmas.

Biokütuste puhul peame rääkima esimese ja teise põlvkonna tehnoloogiatest, sest neil on erinev mõju looduskeskkonnale ja ressursitõhususele. Bioetanooli esimese põlvkonna tehnoloogia tähendab biomassis leiduvate ja tärklise eeltöötlemisel saadud suhkrute fermentatsiooni, sarnasel printsiibil alkoholitööstuses kasutatavaga. Paraku saadakse sellisel kombel kõigest väike osa biomassis leiduvast energiast, mis on viinud teise põlvkonna tehnoloogiate väljatöötamiseni, kus kasutatakse fermentatsiooniks nn ensüümikokteile, et lõhustada tselluloosi, mida tüüpiliselt on kogu biomassis märkimisväärselt rohkem kui tärklist või suhkrut. Oma olemuselt on tselluloos samuti sahhariididest koosnev polümeer nagu tärkliski, kuid on biokeemiliselt üsna raskesti lagundatav ja seetõttu pole tselluloosil põhinevat biomassi etanooli tootmiseks varasemalt kasutatud. Tselluloosi lagundamine võimaldab toormena kasutada ka inimese toidulauaga mittekonkureerivaid taimi, nagu näiteks preeriarohtu, energiavõsa või puidujäätmeid, ja toiduks kõlbulike taimede töötlemisjääke (bagass, õled jne).

Biodiisli esimese põlvkonna kütusteks on nn FAME (Fatty Acid Methyl Ester) kütused ehk rasvhapete metüülestrid, mida saadakse looduslike õliallikate, näiteks rapsi-, soja-, palmi- jmt õlide keemilise ja ensümaatilise töötlemise teel. Esimese põlvkonna biodiisel pole paraku kasutatav ilma tavalise kütusega segamata talvistes tingimustes ja seega ei võimalda täielikult asendada fossiilseid kütuseid. Samuti pole esimese põlvkonna biodiisli põlemisomadused võrreldavad nn tavalise kütusega (suurem põlemisjääk), ega ka säilivusaeg samaväärne.

Teise põlvkonna biodiislid HVO/HEFA (Hydrotreated Vegetable Oil/Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) saadakse sellesama toorme töötlemisel vesinikuga, saadava kütuse omadused on vähemalt sama head kui tavakütusel. Kõrvalsaadusena tekib propaani, mida üldjuhul kasutatakse tootmisprotsessi soojuse viimiseks, kuid on põhimõtteliselt võimalik kasutada samuti autokütusena.

Ka biodiisli puhul pole kõik toormeallikad võrdväärsed. Seda esiteks energiasisalduse, teiseks saagikuse ja kolmandaks toidulauaga konkureerimise mõttes. On uuritud võimalikku biodiisli toodangut mõningate liikide lõikes, millest nähtub vetikate kui biodiisli toorme ülekaalukas eelis: tootlikkus hektari kohta aastas on enam kui kümnekordne, võrreldes lähima konkurendi palmiõliga.

Seejuures ei konkureeri vetikas toiduainete tootmiseks tarviliku põllumaaga, mis võib osutuda väga oluliseks tulevikukütuse toorme ja tehnoloogia valikul. Vetikad on vägagi huvipakkuv biokütuste allikas, sest sellest saab toota nii etanooli kui biodiislit. Samuti tarbivad vetikad väga erinevaid toitaineid – eelistatult süsinikdioksiidi, kuid ka suhkruid jm orgaanilist materjali sisaldavat tooret (nt filtritud reovett).

Bioetanooli ja biodiislit saab toota ka termokeemilisel teel. Selleks peenestatakse biomass sobiva suuruseni, kuivatatakse ja kuumutatakse hapnikuvaeses keskkonnas 400–900 °C, mille tulemusena saadakse põhiliselt vesinikust ja süsinikmonoksiidist koosnev gaas (sünteesigaas) koos mõningase tahke jäägiga. Saadud gaasist saab näiteks Fischer-Tropschi meetodil toota diislit, mis on parema kvaliteediga kui naftast toodetud diiselkütus. Samuti saab sünteesigaasist toota metanooli, etanooli jt alkohole, dimetüüleetrit ning metaani, mis kõik sobivad kütusteks ja keemiatööstuse tooraineteks. Viimast ei saa paraku mainimata jätta, sest fossiilsete kütuste lõppemisega saab otsa ka toore näiteks värvi-, plasti- ja rehvitööstusele. Termokeemilise protsessi eeliseks on võimekus tarbida biomassi kogu ulatuses kütuse tootmiseks, seejuures pole tähtis, millise biomassiga on tegemist. Sarnast tehnoloogilist skeemi saab kasutada ka prügis sisalduva orgaanilise osa (biojäätmed, plastid, rehvid, paber jmt) muundamisel vedelkütusteks.

Metanoolimajandus

Üks tuntumaid metanoolimajanduse pooldajaid ja edendajaid on Nobeli preemia laureaat George A. Olah (1927). Põhjuseks, miks metanoolimajandus tundub atraktiivsena, tuleb pidada metanooli tootmise tehnoloogilist küpsust, s.t täna juba olemasolevad tehnoloogiad võimaldavad metanooli toota väga suurtes mahtudes sünteesigaasist. Näiteks toodeti 2014. aastal 65 mln t metanooli, mis on küll umbes 15 korda väiksem aastasest bensiinitoodangust, kuid tehnoloogia on tuntud ja skaleeritav.

Metanooli laialdane kasutamine autokütusena nõuab teatud kulutuste tegemist, kuna praeguse aja infrastruktuuri loomisel kasutatavad materjalid pole metanooli suhtes vastupidavad. Samuti vajaksid mootorid ümberseadistamist, kuna tänapäeval puuduvad metanoolil töötavad laiatarbesõidukid. Teisalt pole metanooli kasutamine kütusena sugugi ennekuulmatu, seda on tehtud juba mõnda aega – nimelt võidusõidumaailmas, alates 1965. aastast. Seoses etanooli kasutuselevõtuga lõpetati küll metanooli kasutamine aastal 2007.

Tänapäeval toodetakse metanooli peamiselt metaanist üle sünteesigaasi, kuid tulevikku silmas pidades tuleb metaan asendada kas biomassi või süsinikdioksiidiga (CO₂). Süsinikdioksiidist metanooli saamise meetod pole küll tööstuslikus skaalas kasutusel, kuid võib tulevikku vaadates osutuda vägagi tähtsaks, sest isegi kui metanoolist ei saa tuleviku kütust, siis tööstuses genereeritud süsinikdioksiidi sidumiseks ja taaskasutuseks sobib selline meetod suurepäraselt. Metanooli saab samamoodi nagu vesinikku kasutada elektri tootmiseks kütuseelementides, mis on selleks spetsiaalselt kohandatud. Kuigi võrreldes vesinikku kasutavate kütuseelementidega on saavutatav võimsus väike, on need juba rakendust leidnud portatiivsete energiaallikatena näiteks sülearvutites ja raadiosaatjates.

Metanoolimajanduse jätkuks võib pidada suuremahulist metanoolist dimetüüleetri tootmist, mis võimaldaks kasutada veeldatud propaanile kohandatud taristut ja vajaks seetõttu väiksemaid kulutusi laialdasemaks kasutuselevõtuks.

Vesinikumajandus

Vesinikumajanduse mõiste autoriks peetakse John Bockrist (1923–2013), kes kasutas antud väljendit 1970. aastal General Motorsi tehnikakeskuses ettekannet pidades. Tänapäeval toodetakse vesinikku põhiliselt kahel viisil: metaanist üle sünteesigaasi ja elektrolüüsi teel. Esimene meetod on lihtsalt ülekantav biomassile, kuid teine vajab keerukamaid lahendusi, nagu näiteks päikesepaneelid ja tuulegeneraatorid, et tehnoloogia ei sõltuks fossiilsetest kütustest. Ka on elektrolüüsiks tarvis ülipuhast vett, mille tootmine on teadagi kulukas, nagu ka päikese- ja tuuleenergia. Seetõttu on hakatud otsima lihtsamaid lahendusi vesiniku tootmiseks taastuvallikatest.

Praeguseks on välja töötatud meetodid, millisel juhul membraanile kantud katalüsaator lõhustab päikesevalguse toimel vee hapnikuks ja vesinikuks, seejuures pole enam alati tarvis kasutada ülipuhast vett. Vesinik salvestatakse mahutisse, kust seda saab hiljem kasutada elektri tootmiseks kütuseelemendis. Ka tsüanobakterid (biomass) suudavad toota vesinikku päikesevalgusest ja CO₂-st, mis juhul, kui vesinikumajandus peaks ühel päeval saama reaalsuseks, võiks olla inimkonna energiavõsa.

Kokkuvõtteks

IEA (Rahvusvaheline Energiaagentuur) andmetel saadi 2017. aastal 9% primaarenergiast biokütustest, 2% päikesepaneelidest ja tuulegeneraatoritest ning 3% hüdroelektrijaamadest. Seega on fossiilsete kütuste osakaal globaalses energiamajanduses ikka veel kõrge, mistõttu on käesoleva sajandi jooksul võimalik näha kiiret ja mastaapset tehnoloogilist ja teaduslikku arengut alternatiivsete kütuste ja energiaallikate kasutuselevõtmiseks. Kas tulevikus on meie põhilised energiaallikad vedelkütused metanool, etanool, biodiisel; gaasilised kütused biometaan, biopropaan, vesinik, või hoopiski tuul ja päike? Täpset vastust ei tea hetkel ilmselt keegi. Kuid kindlasti saame näha eri tehnoloogiate omavahelist võistlust, et võtta üle fossiilsete kütuste koht. ■

[1] toe – „tonne of oil equivalents“ (tonni naftaekvivalendis) on defineeritud kui energiahulk, mis saadakse ühe tonni toornafta põletamisel; IEA publikatsioonides 1 toe = 41.868 GJ. 

Kasutatud kirjandus:

1. Biofuels: Alternative Feedstocks and Conversion Processes Ed. A. Pandey et al. Academic Press, 2011, pp. 642.

2. Beyond oil and gas: the methanol economy G. A. Olah et al. Weinheim: Wiley-VCH, 2012, pp. 334.

3. „Tomorrow’s Energy. Hydrogen, Fuel Cells, and the Prospects for a Cleaner Planet“ P. Hoffmann The MIT Press Cambridge, Massachussets, London, England, 2012, pp.

4. International Energy Outlook 2013, EIA www.eia.gov

5. www.eia.gov/beta/international/data/browser/

6. USGS World Energy Assessment 2000 and 2012, USGS http://pubs.er.usgs.gov/publication/fs20123042 
http://pubs.er.usgs.gov/publication/ofr20071021 
http://pubs.usgs.gov/dds/dds-060/

7. T.S. Ahlbrandt , „Future petroleum energy resources of the world“ International Geology Review 2002, 44 (12), 1092-1104.

8. G. Blease “What happened to biofuels?” The Economist 07.09.2013. http://www.economist.com/news/technology-quarterly/21584452-energy-technology-making-large-amounts-fuel-organic-matter-has-proved-be

9. GEA, 2012: Global Energy Assessment - Toward a Sustainable Future, Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA and the International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria.

10. BP „Statistical review of world energy 2019 68th ed.“

11. U.S. Department of Energy National Alliance For Advanced Biofuels And Bioproducts Synopsis (NAABB) Final Report 

12. http://www.inentec.com/pem-facilities/

13. https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warming/biofuel/

14. http://www.usda.gov/oce/reports/energy/EnergyLifeCycleSoybeanBiodieseI6-11.pdf

15. Chen, J.; Wagner, P.; Tong, L.; Boskovic, D.; Zhang, W.; Officer, D.; Wallace, G. G.; Swiegers, G. F. Chem. Sci. 2013, 4 (7), 2797–2803.

16. Lutterman, D. A.; Surendranath, Y.; Nocera, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (11), 3838–3839.

17. https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/energy/units.cfm

18. IEA World Energy Outlook 2019 www.iea.org/weo2019/

19. World Energy Council World Energy Report 2013.

20. World Energy Council World Energy Resources 2016.

21. Stefania Rossi, Alessandro Agostini, Jacopo Giuntoli, Luisa Marelli, Biofuels from algae: technology options, energy balance and GHG emissions 2015, Insights from literatuure review EUR 27582, doi 10.2790/125847.