Kas elekter või vesinikust toodetud elekter? Kas elektriautod päästavad maailma või on nad vaid vaheetapp teel veest ja päikesest energia tootmisele? Ylle Rajasaar ja Juhan Koppel mõtisklevad võimalike valikute üle pikemalt.
Eelmise aastatuhande lõpus ennustati, et vesinikukütus päästab maailma kliimakatastroofist. Vesinikust kõneldi kui energiparadigma muutjast: lihtne toota, nullilähedase keskkonnamõjuga, piirideta kasutusega. See omakorda tähendab, et inimkonna autostumine saab jätkuda.
Kiiret läbimurret ei ole saabunud ja vesiniku-fännide optimism hakkab raugema. Aastal 2016 on seis selline, et tulevikukütuse asemel teeb võidukäiku olevikukütus – elekter. Igal endast lugupidaval autotootjal on ette näidata vähemalt üks särtsuauto.
Ideed vesinikautost maha kanda pole siiski mõtet. Toyota Mirai ning tootja vesinikukütusel töötavad liinibussid, mis Jaapanis ja Ühendriikides ringi liiguvad, on tõestus, et saab küll, kui väga tahta. Hyundai arendab edasi oma Fuel Cell autosid ning Nikola Motors Company esitles äsja suurt vesinikveokit Nikola One.
Küsimus on, kui paljud selle ideega kaasa lähevad ning kas suudetakse lahendada probleemid, mis vesiniku tootmise kalliks ja tankimise komplitseerituks muudavad? Elektriautode osas on mõne aastaga tehnoloogiate odavnemine toimunud. Kas sama on võiks juhtuda vesinikuga? Ja kas vesinik on üldse mõistlik lahendus? Püüame nendele küsimustele vastuse leida.
https://www.youtube.com/watch?v=FbYdcKrnhJk
ELEKTRI- JA VESINIKAUTO ON JUBA VÄHEMALT KORRA OLNUD
Korra on lootused juba kõrged olnud, tõsi, siis ei osanud keegi ette näha nii massilist autostumist ja rahvastiku juurdekasvu, keskkonnaprobleemidest rääkimata. Ajaloo mõistes olemegi teinud sammu ajas tagasi, võttes (taas)kasutusele vanu, madala energiakasumlikkusega tehnoloogiad.
1806. aastal leiutas Francois Isaac de Rivaz vesiniku ja hapniku jõul töötava mootori, mis oli ka maailma esimene sisepõlemismootor. 1807 ehitas ta selle sama jõuallikaga liikuva auto, mis läbis katsesõidul enneolematud 26 meetrit.
1828. aastal leiutas ungarlane Ányos Jedlik lihtsa elektrimootori ja komponeeris juurde väikese, ratastel sõiduki, mida võime pidada elektriauto eellaseks. 1838. aastal konstrueeris inglane William Grove esimese töötava kütuseelemendi, mis tootis elektrit, kasutades kütuseks vesinikku. Nikolaus August Otto neljataktilise sisepõlemismootori leiutamiseni 1876. aastal oli aega veel mitu dekaadi.
Nüüd oleme olukorras, kus elukeskkond dikteerib meile tempo mahavõtmist. Nafta-ja gaasivarud ammenduvad, ülerahvastatus, linnade saastatus ja kaasnevad hädad sunnivad otsima uusi lahendusi, olgu need pealegi vanade ja kord juba kõrvalevisatute arendused.
ELEKTRIAUTO KUI KÄEPÄRANE LAHENDUS
Aastal 2016 võime lõpuks ometi rääkida akudega elektriautode tõelisest võidukäigust, Toyotast Teslani, i-MiEVist i8-ni. Helesinine unistus elektriautodest on täitnud inseneride unenägusid juba üle sajandi, kuid alles nüüd on tehnoloogia selliste masinate tootmiseks küpsemas.
Elektriautode rivi on sama kirju kui Kolgi küla koerapulm: edukalt miksitakse elektrimootoriga nii diisel-kui bensiinimootoreid, nooblitele sportautodele pannakse “saba taha” ja teenitakse vajalikke plusspunkte CO₂ heitmete vähendamiselt; elektriga sõidavad nii esi-, taga-, kui nelikveolised, F1 asemel kogub populaarsust E1.
Oma sõiduraadiuselt jäävad puhastverd särtsukad tavaautodele jätkuvalt jalgu, aga paberil paistab kõik ilus, sest sisepõlemismootoriga võrreldes saastab elektriga liikuv masin vähem õhku. Tõsi, elektri tootmisel tekib ka teatav õhusaaste, aga oluline on fakt, et see saaste tekib elektrijaamas, mitte kesklinnas ummikus istuva auto kapoti all ja meie kopsudesse jõuab põlemisgaase vähem.
Äri õitseb, ehkki lastehaigusi alles intensiivselt põetakse. Laadimisotsikute standardite üle vaidlemine ja laadimise aeglus, akude mahtuvus, probleemid temperatuuri muutustega, iganenud autokerede koostematerjalid- need on vaid mõned küsimused, mis lähiajal elektriautonduses lahendada tuleks.
Süsihappegaasi heitmete vähendamine on seni olnud suhteliselt lihtne, eriti paberil ja teoreetiliselt; seda, kui suur on ühe või teise sõiduki ja sellega sõitja mõju keskkonnale tervikuna, ei ole keegi suutnud välja arvestada.
2014 SAID EESTLASEDKI NÄHA IMET, VESINIKAUTOT!
Toyota Mirai praeguste plaanide kohaselt Eestisse ei jõua. Ei näita meile oma vesinikelemendiga autot ka Honda. Pisike turg seab omad piirid ning jätab meid teatavasse vaimupimedusse vimplema ja valima, kas võtta bensiini -või diiselmootoriga auto (õige vastus: hübriid!)?
Teistest kiiremini sai oma uurimustööde ja miljoniinvesteeringutega stardijoone tagant minema Hyundai, mis 2014. aasta kevadel korra ka Eestis maailma esimest, väike-seeriatootmises olevat vesinikautot Hyundai ix35 Fuel Cell näitas.
Sõiduraadiust on sel autol ühe “tankimisega” kuni 600km, kulu umbes 1 kg vesinikkütust sajale kilomeetrile, praegune letihind kaugelt üle 100 000 euro. 2015. aastal jõudis auto ametlikult masstootmisse ning Ühendriikides, kus seda müüakse Tucson Fuel Cell nime all, on sel ka ostjaid.
Nutika liisingusüsteemiga on auto kuumaksed viidud inimmõistusele hoomatavaks, kui nüüd neid vesiniktanklaid ka piisavalt saaks… Eestile lähim vesinikutankla paikneb Helsingis, kohe peaks valmima esimene omamaine Pärnus ning sealt on juba kiviga visata järgmisse jaama Riias. Ühtegi vesinikautot aastal 2016 riiklikus registris ei ole.
HINNAPOLIITIKA ELEKTRI POOLE KALDU
Vesinikauto 600-kilomeetrisele, “vett tootvale” sõiduraadiusele on täna särtsukatest vastu panna üksnes paar tublimat: näiteks 85kWh akupakiga Tesla Model S, mis kasutajakogemuse põhjal suudab ka Eesti talvepakases edasi-tagasi Tartus ja Tartu taga ära käia, kokku pealt 500 kilomeetri.
Uutest tulijatest Opel e-Ampera, mille sõiduraadiuseks keskmiselt kuni 400 km lubatakse. Ja siis riburadapidi noobleid, esialgu veel idee tasemel elektrikaid. Aga tunneli lõpus paistab (elektri)valgus.
Elektriauto hind on täna oluliselt odavam vesinikauto omast. Näiteks jääb nooblite Tesla Model S ja Model X hind alla 100 000€. GM Chevrolet Bolt/ Opel Ampera-e hind on 30 000 euro kandis, 32 kW akupakiga Leaf, Renault Zoe – mis küll sõiduraadiuselt alla jäävad – on veelgi odavamad. Tootjad ja nende järel turg on selgelt orienteeritud lihtsa(ma)tele, käepärasematele lahendustele, mis on täna käe(juhtme)ulatuses. On ju loogiline!
MIS VAHE ON “ELEKTRIAUTOL” JA “VESINIKAUTOL”?
Olulisim erinevus elektriauto ja vesinikuauto puhul on allikas, millest elektrivoolu ammutatakse. Valida saab aku, kuhu energia on salvestatud keemiliselt, süsteem on kinnine ja ainevahetust ei toimu, ja lahtise süsteemiga kütuseelemendi vahel.
Kütuseelement võtab redutseerija – vesiniku ja oksüdeerija – hapniku väljaspoolt ja sülgab välja puhta vee. Mõlema süsteemi väljundiks on 2 juhet, millest elektrivool samal põhimõttel töötava elektrimootori suunas läkitatakse. Elektrimootorid on mõlemal süsteemil samasugused nagu on ka kiirusomadused jne.
AKUDE TOOTMISE KESKKONNAMÕJU
Akutehnoloogia üks pioneere, Tesla, ei taha täpsustada, milliseid akusid täpselt kasutatakse, aga fännid, kes on lammutanud lahti Tesla akupakke, arvavad üldiselt, et tegu on Panasonic NCR-18650A (3,1Ah) patareidega.
Kui üldiselt kasutavad elektriautode tootjad (Volvo, VW, BMW, Nissan, jt.) spetsiaalselt nende jaoks välja töötatud erimõõdulisi akusid, siis Tesla Model S on läinud akupakki koostades oma teed, kasutades rüperaalides levinud “18 650” suurusega liitiumioonakusid.
7000 akut on auto põhja all paigutatud 16sse sektsiooni, mis on omavahel termiliselt isoleeritud. Kui temperatuur tõuseb üle kriitilise piiri, muutub akusid ümbritsev geel tahkiseks, liigne kuumus juhitakse kanaleid pidi rattakoobastesse.
Tesla annab 85 kWh akudele 8- aastase garantii ning keskkonnagarantii: utiliseerimise käigus töödeldakse akud sajaprotsendiliselt ümber ja neist tehakse uued akud.
Tesla Model 3 jaoks ehitab Tesla eraldi akutehase, kus on kasutusel uus akukeemia ja formaat on 21-70 ehk vana notatsiooni järgi 21 700.
Teada on, et Tesla Model S saab oma akudest vähemalt 300+ kW kätte, aga kütuseelemendi võimekuse kohta andmed puuduvad. Seega tundub, et akutehnoloogial võiks olla tulevikku.
Keerulise ja kriitilise detaili, akupaki ehitamisel kasutab enamus tootjaid olemasolevaid lahendusi, mis teeb akude tootmise mõnevõrra odavamaks ja ka akud ise võivad osutuda töökindlamateks.
Tasub meeles pidada, et akud on ja jäävad elektriautode puhul üheks karmimaks keskkonnakoormuseks, sest nende tootmine on keerukas protsess ja akude tootmise nimel huugavad mitmed tehased pidevalt tööd teha.
Olenemata jätkukasutusest kodustes elektri-jõujaamades, haiglates ja kontorihoonetes (nagu seda teeb Nissan) ja sajaprotsendilisest ümbertöötlusest (mida lubavad Toyota, Tesla, BMW), ei saa see protsess paratamatult olla lõpuni roheline. 
KÜTUSEELEMENDI TOOTMINE TOOB UUED SUPERRIIGID?
SÜSTEEMIDE KASUTEGURI VÕRDLUS
Vesinikust võime kütuseelemendi abil kätte saada umbes 30-40% energiast. Vesinik paagist, hapnik õhust, “summutist” tuleb vesi välja. Kui vesinikku toota keskkonnasõbralike meetoditega, on see süsteem elukeskkonna vaatenurgast meeldivalt jätkusuutlik.
Elektrimootori ja aku kombinatsioon on küll kasutamisel suurema kasuteguriga, aga samas läheb aku laadimisel umbes 10% energiat raisku, lisage siia veel kaod elektri ülekandmisel ja selgubki, et täiesti arvestatav osa energiast muudetakse kliimat kütvaks ja liustikke sulatavaks soojuseks juba enne, kui elektriauto juht “gaasipedaalile” (millal küll korrektne termin välja pakutakse? Kiirenduspedaal?) vajutada saab.
Selle aspekti loodusvaenulikkust vähendab taastuvenergiaallikate kasutamine elektri tootmisel. Näiteks on Eestis elektriautode (kiir)laadimisel kasutusel taastuvatest allikatest toodetud elekter.
VÕIDAB SEE, KELLEL ON LIITIUMIT JA PLAATINA
Mis suunas akud ja kütuseelemendid areneda võiksid ning milline neist on esimesena võimeline tegema kiirema hüppe tulevikku ja keskkonnasäästlikumad tehnoloogiad kasutusele võtma?
Vesiniku kütuseelemendi sees kasutatakse katalüsaatorina väärismetalle, ka plaatina, mida leidub auto kütuseelemendis kuni 100 grammi. See metallikogus maksab hingehinda ning on üks põhjusi, miks vesinikauto hind on kosmiline.
Toyota on lubanud viia vesinikauto hinna alla, tõenäoliselt katalüsaatorina kasutusele võttes väärismetallide segu, kus plaatina sisaldus on väiksem. Räägitakse numbrist 20 grammi masina kohta, mis tooks hinna alla, seaks aga piiri vesinikautode tootmisele.
Kui kogu maailma autod viia üle vesinikküttele, jätkub plaatinavarusid maksimaalselt seitsmekümneks aastaks. Kui aga vesiniku kütuseelementide kasuamine laieneks ka kodumajapidamistele, saaks planeedi plaatinavarud veelgi kiiremini otsa. Nii et kütuseelementide juures tuleb hakata pöörama suuremat rõhku taaskasutusele!
Ka akude maailmas ei ole olukord ülemäära roosiline. Kõige suurema energiatihedusega akud ehk siis sellised akud, mis annavad 1 kg või 1 liitri kohta kõige enam energiat, on liitiumakud ja nende tootmiseks kuluvat liitiumi leidub piiratult. On küll välja arvutatud, et liitiuminappus ei kimbuta meid enne järgmist sajandivahetust kuid ka see aeg saabub ootamatult.
Liitiumile ei ole võrdväärset asendajat leitud ja tõenäoliselt ei leita ka. Kombineerime seda teadmist faktiga, et maailma liitiumivarud asuvad üksikutes leiukohtades, lisame veel pisut populaarsust elektriautole ja potentsiaalsed “liitiummiljardärriigid” on sündinud. Vähemalt nii kiputakse arvama.
Tegelikult ei ole olukord sugugi hull – näiteks Nissan Leafi akuplokk sisaldab kokku ca 4 kg liitiumi, mis maksab praeguse hinna järgi alla 100 USD. Pigem kulub raha keerulisele tootmisprotsessile ja muudele kasutatavatele materjalidele, sealhulgas ülipuhtale grafiidile.
Praegu kasutatakse akude tootmiseks ära vaid veidi üle veerandi maailma aastasest liitiumitoodangust, aga sinna hulka lähevad ka pea kõik kaasaskantavad elektroonikaseadmed, mis suure energiatiheduse tõttu samuti liitiumakusid sisaldavad.
MIDA SIIS TANKIDA, ELEKTRIT VÕI VESINIKKU?
Kui otsustada üksnes jõuallika põhjal, mingit vahet ei ole. Elektrimootor töötab ikka samal põhimõttel ja on sisepõlemismootorist selgelt üle. Vesinikelemendiga auto ja üksnes akupakiga auto kiirusenäitajad ja sõiduomadused on ikka ühesugused, erinevus tuleb muust kui jõuallikast.
Valiku langetamisel saavad määravaks muud tegurid: vajadustele vastavus, ostuhind, toetusprogrammid, laadimisvõrgu olemasolu, teeninduse kvaliteet ja hoolduskulud, garantii, järelturu hind jms.
Väikese sõiduulatusega elektrimootoriga sõiduvahendid sobivad suurlinna ja linna lähiliiklusse. Kuniks akud jäävad sellisteks nagu nad on – temperatuuritundlikeks ja ajapikku oma mahtuvust kaotavateks, ei ole elektriauto oma sisepõlemismootoriga suguvennaga võrreldes just samal pulgal.
Kui eesmärk on pikkade vahemaade sõitmine. võiks vesinikauto olla sobivaks sammuks edasi. Selle tankimine võtab mõne minuti, nagu ka bensiini või diislit tarbiva raudruuna puhul, ja sõiduulatus ühe tankimisega ulatub julgelt üle poole tuhande kilomeetri.
Selle koha pealt on tegemist Eesti tingimustes olulise eelisega, sest meie hajaasustus tingib mõne inimese jaoks igapäevaselt mitmesaja kilomeetrise läbisõidu.
Kes aga autot vaid kodulinnas või selle läheduses tööl ja poes käimiseks pruugib (nagu valdav enamus inimesi ju tegelikult teeb), saab kenasti hakkama ka praegu pakutavate elektriautodega.
Ja kui pikemad sõidud ei ole sagedased, siis elab ehk üle ka laadimispeatused, mis sunnivad reisiseltskonna korraks aja maha võtma. Ja ka see pole paha – väike võimlemine, tass kohvi rahuliku vestluse kõrvale või Eestimaa looduse nautimine ei tee ju üldse kahju.
Igal juhul ei ole kahtlustki, et elektrimootor on tulnud igapäevasesse transpordimaailma, et siin domineerida. Olgu neid mootoreid omavad autod siis pistikust või vesinikutanklast täidetavad, aga selged eelised on mõlemal olemas.
ELEKTER JA VESINIKELEKTER: PLUSSID JA MIINUSED
| PLUSSID | MIINUSED | |
| AKU | Lihtsasti ehitatav laadimisvõrk Üha laienev mudeli- ja margivalik Soodsamaks muutuvad hinnad Hoiab heitgaasid tiheda liikluse ja asustusega piirkondadest eemale Väga kõrge kasutegur |
Väike sõiduraadius Pikk laadimistsükkel Akud on kallid Aku tootmine on suure keskkonnamõjuga Aku kaotab aja jooksul oma mahtuvust Madalatel temperatuuridel väheneb kättesaadav energiakogus |
| KÜTUSEELEMENT |
Tankimise kiirus võrreldav vedelkütusel töötava autoga |
Kütuseelement on kallis Tanklavõrgustiku rajamine on keeruline Ohtlik – vesinik on ca 700 bar rõhu all Tööstuslik vesiniku tootmine keerukas ja võib olla suure keskkonnamõjuga Väga madalatel temperatuuridel võib kütuseelement kinni jäätuda Keskpärane kasutegur |
KOKKUVÕTTEKS
2016. aastal on elektriautode turu olukord muutunud sedavõrd, et riiklike toetuste kadumine ostjaid enam ei morjenda: tehnoloogiad on muutunud odavamaks, üks teise järel deklareerivad riigid nullemissiooniga autode eelist.
Aastaks 2020 peaks olema Euroopas rida linnu, kus vuravad ringi valdavalt hübriid- ja elektriajamiga sõidukid. Alustatud on üle-Euroopalise ühtlustatud standardiga laadimisvõrgu rajamist.
Eesti ees seisavad mitmed probleemid: mida teha vananeva ja tühjalt seisva ELMO laadimisvõrguga? Kuidas seletada pilte pimedale jänesele, kes eelistab jätkuvalt diiselmootorit ning kelle jaoks isegi hübriidajam on puhas kosmos?
Automaks tuleb, aga millisel kujul? Ja kas elektriauto üldse on mõistlik lahendus, arvestades olukorda, kus valdav osa meie elektrist toodetakse põlevkivist? Elekter või elekter? Aeg annab arutust.
Artikkel ilmus 2014. aastal ajakirjas Inseneeria. Tekst: J.Koppel, Y. Rajasaar. Toimetas: Y. Rajasaar. Meedia: tootjad, Pixabay, Wiki
http://www.accelerista.com/uudised/innovatsioon/nikola-one-veoautode-tesla/
http://www.accelerista.com/uudised/innovatsioon/tesla-turundus-berliinis/
