Maailmas otsitakse pidevalt uusi energialahendusi, mis oleksid keskkonnasõbralikud ja jätkusuutlikud. Tehisaru laialdane kasutus on energianõudlust veelgi suurendamas. Akude ja patareide kõrval on üks energiasalvestuviis kütuseelement. Tartu Jaan Poska Gümnaasiumi õpilane Laura-Maria Liiv leidis oma uurimistöös, et juba pikalt tuntud alumiinium-õhkkütuseelemendi kasutegurit ja võimsust saab erinevate täiustamisviiside abil oluliselt suurendada, kirjutavad Pille Säälik ja Tartu Ülikooli füüsikalise keemia teadur Tavo Romann.

Energia salvestamine

Elektrienergia on meie igapäevaelu lahutamatu osa. Et mitte olla pidevalt juhtmega vooluvõrku ühendatud, on vaja energiat salvestada. Tuntumad elektrienergiasalvestid on akud ja patareid, millest saab akusid kasutada korduvalt ning patareisid ühekordselt.

Akusid ja patareisid lähemalt vaadates selgub, et energia salvestatakse neisse tegelikult keemilise energiana. Selleks on akus kolm peamist osa: anood, katood ja elektrolüüt. Anood on aku osa, kus paikneb redutseerija, mis annab aku tühjenemisel välisesse vooluahelasse elektrone. Selle käigus aku n-ö tühjeneb energiast.

Näiteks laialt tuntud pliiakus, mida kasutatakse palju autodes, on anoodiks ehk keemilises mõttes redutseerijaks metall plii. Katood on aku osa, mis aku tühjenedes seob läbi välise vooluahela anoodilt tulnud elektronid ja selliselt tegutsevat ainet nimetatakse oksüdeerijaks. Pliiakus on kasutusel pliidioksiid. Kui akut laetakse, toimivad anood ja katood vastupidiselt.

Elektrolüüt on aga keskkond, kus ioonid saavad vabalt liikuda ja pliiakus on selleks aineks väävelhape. See võib olla ka tahke, nagu näiteks uutes arendatavates liitiumtahkisakudes.

Tartu Jaan Poska Gümnaasiumi õpilane Laura-Maria Liiv uuris oma töös aku asemel kütuseelementi. Kui akude ja patareide eripäraks on asjaolu, et neis on elektrienergia tootmiseks vajalikud keemilised ühendid juba olemas, siis kütuseelemendi korral lisatakse oksüdeerijat ehk õhku (analoogne pliidioksiidiga) ja redutseerijat ehk kütust (sarnase funktsiooniga kui plii) pidevalt süsteemi juurde.

Alumiinium energeetika teenistuses

Alumiinium-õhkkütuseelement (Al-õhkkütuseelement) kitsamalt on kütuseelemendi liik, mis muundab elektrienergiaks keemilise reaktsiooni, kus alumiinium, vesi ja õhk omavahel reageerivad, moodustades alumiiniumhüdroksiidi või alumiiniumi sisaldava ühendi ehk aluminaadi. Al-õhkkütuseelemente on hakatud rohkem uurima, kuna neil on parem energiatihedus kui liitium-ioonakudel ja maailmas enim uuritud metall-õhkpatareidel, mis sisaldavad magneesiumi ja tsinki. Suurem energiatihedus tähendab, et sama suuruse või massi korral salvestab aku või patarei rohkem energiat.

Tulemus võiks olla kergem ja/või väiksem, aga sama kaua vastu pidav elektrienergiaallikas. Lisaks peetakse kütuseelemente ka planeedi olemasolevaid ressursse säästvamaks. Al-õhkkütuselement on üks võimalikke alternatiive, mida kasutada autode energiaallikana sisepõlemismootorite asemel, kuid need oleksid veelgi olulisemad õhusõidukide jaoks, kus energiavajadus on kõrgem.

Al-õhkkütuseelemente on mitut erinevat tüüpi. Laura-Maria Liiv kasutas oma töös enamasti läbivooluelemendi tüüpi ja tahke elektrolüüdiga süsteeme. Läbivooluelement tähendab seda, et elektrolüüt voolutatakse kütuseelemendi seest läbi. See vähendab reaktsioonides tekkivate ühendite sadestumist anoodile või katoodile ja sellest tingitud elektripinge langust. Tahkete ja pooltahkete elektrolüütide peamise eelisena puudub lekkimisoht.

Optimaalsem ja tõhusam kütuseelement

Laura-Maria Liiv uuris, milline elektrolüüt ja uudne anood võimaldaks saavutada läbivooluelemendis parima Al-õhkkütuseelemendi tõhususe ja kõrgeima võimsustiheduse. Selleks konstrueeris ta läbivooluelemendi ja katsetas erineva koostisega anoode, sealhulgas õhukesekihilisi anoode, mis olid sadestatud klaasplaadile.

Anoodi peamine koostisosa oli alumiinium, muud osised varieerusid. Näiteks kasutas Liiv korrosiooni takistavate elementidena tina ja indiumi. Katoodideks valiti kommertsiaalsed gaasdifusioonkatoodid, mis lasevad sisse õhuhapnikku, kuid ei lase välja elektrolüüti.

Vedelate elektrolüütidena testis ta kaalium-, naatrium- ja liitiumhüdroksiidi, mille koostisse lisati samuti korrosiooni vähendavaid ühendeid. Elektrolüüt pandi läbi kütuseelemendi voolama pumba abil. Liiv testis ka tahket elektrolüüti, milleks oli kaaliumhüdroksiidi ja kaoliinsavi segu, kuid see ei andnud eriti häid tulemusi. Lisaks töötles ta anoode erinevatel temperatuuridel (40…600 °C), et optimeerida võimsust ja kasutegurit.

Seejärel rakendas ta kütuseelemendile erinevaid voolutugevusi ja mõõtis pinge ning voolutugevuse kaudu kütuseelemendi võimsuse. Liiva peamine tulemus oli see, et sobival temperatuuril töödeldud uudsete anoodidega on võimalik saavutada kõrgem võimsustihedus kui seda on siiani teaduskirjanduse põhjal saavutatud. Saadud tulemuste baasilt jätkatakse Tartu Ülikoolis uurimistööd, et muuta alumiiniumil põhinevad kütuseelemendid veelgi tõhusamaks.

Uurimistöö lisana tegi ta kavideo pealkirjaga “Ära viska energiat ära”. Selles näitab ta, kuidas kanawrapi söömisest üle jäänud alumiiniumfooliumi abil saab luua alumiinium-õhkkütuseelemendi, juhtides tähelepanu, et alumiiniumijääke saab kasutada energia taastootmiseks.

Liivi õpilasuurimusele “Alumiinium-õhkkütuseelemendi suurima võimsuse ja kõrgeima energiatiheduse leidmine varieerides anoodi ning pooltahkete ja vedelate elektrolüütide koostisega” omistati õpilaste teadustööde konkursil rahvusvaheliste koostööpartnerite eriauhind, mida kaasrahastas majandus- ja kommunikatsiooniministeerium. Sellega kaasnes võimalus esindada Eestit London Imperial College’i korraldatud Londoni STEM-suvekoolis (LIYSF), kus osales 490 õpilast ja üliõpilast. Laura-Maria töö valiti 10 parima hulka, kes esitasid oma ettekande ka suuliselt kõigile osavõtjatele.

Laura-Maria Liivi õpilasuurimust juhendasid Tartu Ülikooli füüsikalise keemia teadur Tavo Romann ning Tartu Jaan Poska Gümnaasiumi õpetaja Einike Reinvelt.

Tööga saab põhjalikumalt tutvuda õpilaste teadusajakirjas Akadeemiake.