Mobiilseadmeid saab täita nagu tulemasinaid

Kütuselement (inglise keeles fuel cell) on elektrokeemiline energia muundamise seade. Kui praeguste elektritootmise tehnoloogiate kasutegur jääb vahemikku 15?30, siis kütuselemendi kasutegur ulatub elektri tootmisel 60?70 protsendini. Seega on tegemist äärmiselt efektiivse elektritootmise tehnoloogiaga. Kui kasutada ära ka kütuselemendist eralduv soojus, ulatub süsteemi kasutegur lausa üle 90.

Kütuselemendi kasutuselevõtt suurtes statsionaarsetes süsteemides lahendab ka praegu suurt peavalu tekitava elektrienergia varustuskindluse probleemi. Teame vast kõik, et firmade arvutisüsteemid vajavad funktsioneerimiseks elektrit. Vähe sellest, arvutisüsteemide elektritoide peab olema ka pidev. Valdav osa suurettevõtetest ei looda elektri ülekandevõrkude töökindlusele ning on soetanud katkematu toite allikad ehk UPSid. Firmasse paigaldatud kütuselement kaotaks probleemi sootuks. Kütuselement toodab elektrit seni, kuni jätkub kütust. Seega on vaja süsteemi töökindluse tõstmiseks vaid teatav kogus kütust varuda. Nii on alati teada, kui kauaks ka kõige hullema stsenaariumi korral (kui kütust juurde ei ole võimalik saada) elektrivoolu jätkub ning seda aega on võimalik kütusevarude suurendamisega pikendada.

Teine kasutusala, kuhu kütuselement varsti jõuab, on kaasaskantavad elektrit tarbivad seadmed nagu sülearvutid, pihuarvutid, mobiiltelefonid, raadiosaatjad, fotoaparaadid, videokaamerad, CD-mängijad. Kui hakata neid toitma kütuselemendi abil, lähevad nad kergemaks ja seega veel mobiilsemaks. Kui seadmed kasutavad kõik sama kütust, piisab ühest tagavaraks olevast kütuseanumast, millega saab täita just seda seadet, mida parasjagu vaja. Täna peab sülearvuteid, mobiile ja muid akutoitel seadmeid aeg-ajalt juhtmega seina ühendama, et akusid laadida. Näiteks sülearvutite kaasaskantavust pärsib see tugevasti, kui mingi aja tagant on vaja arvuti pikaks ajaks elektrivõrku ühendada. Kütuselemendi puhul piisab n-ö paagi täis valamisest, et sülearvuti saavutaks jälle täie töövõime. Võrdluseks mõelge, mida tähendaks see, kui peaksime autod iga nädal paariks päevaks tanklasse seisma viima, et need seal ennast laeks

Tulevikus täidame oma mobiilseadmeid, nagu praegu täidetakse tulemasinaid. Kas laseme need kioskis spetsiaalsel seadmel täita või haarame poeriiulilt pudeli kütuselemendi kütust, millega seadmeid vajalikul hetkel täita.

Kütuselemendi arendamisega on tegelenud seni kõige rohkem auto- ja sõjatööstus ning energeetikaettevõtted. On tekkinud ka mitmeid kütuselemendile spetsialiseerunud firmasid. Eestis tegeleb kütuselemenditehnoloogia arendamisega AS Elcogen, mis teeb tihedat koostööd Eesti keemia ning füüsika valdkondade tippteadlastega. Riikide lõikes on kütuselemendi arendamisel esirinnas USA, kus on tekkinud juba väga mitmeid selle tehnoloogia arendamisele spetsialiseerunud firmasid. Mobiilseadmetele mõeldud kütuselementide vallas tegeletakse praegu probleemiga, kuidas elemendi mõõtmeid vähendada, et see näiteks mobiiltelefoni sisse ära mahuks. Kuna kütuselemendi poolt toodetava elektrivoolu tugevus sõltub otseselt elektroodide ja elektrolüüdi vahelise puutepinna suurusest, otsitakse võimalusi, kuidas seda puutepinda maksimeerida. USA firma STMicroelectronics teatas hiljuti, et on teinud edusamme selle probleemi lahendamisel. Nad on oma arendustöö tulemusena jõudnud lahenduseni, kus kütuselement implementeeritakse kolmedimensioonilise struktuurina, mis koosneb tuhandetest mikrokanalitest, mis maksimeerivad gaaside, katalüsaatorite ning elektroodide vahelist kokkupuutepinda.

Spetsialistid arvavad, et kütuselement jõuab tavakasutusse juba lähitulevikus, võib-olla isegi järgmisel aastal. Autotööstuses võtab kütuselemendi levik rohkem aega, sest muude tehniliste probleemide lahendamise hulgas on vaja ka välja ehitada vesinikutanklate võrgustik. Esimesena peaks kütuselement jõudma statsionaarsetesse süsteemidesse ning kaasaskantavatesse seadmetesse.

Kütuselement kasutab kütusena vesinikku sisaldavaid aineid või puhast vesinikku ning toodab elektrit ja soojust. Kui kasutada puhast vesinikku, on elektri tootmise kõrvalproduktid vaid soojus ja vesi. Täna on puhta vesiniku saamine ja kasutamine veel liiga kallis, seepärast kasutatakse kütusena vesinikku sisaldavaid aineid ? maagaas, bensiin, metanool jms. Sellise kütuse kasutamine tekitab kütuselemendis erinevalt puhtast vesinikust ka teisi jääkaineid peale vee. Kuid võrreldes praegu masskasutuses olevate elektritootmise tehnoloogiatega on kütuselement siiski väga puhas ja keskkonnasõbralik elektrienergia tootmise viis. Kütuselement koosneb kolmest põhiosast: anood, katood ning nende vahele jääv elektrolüüt. Anoodist ja katoodist pääsevad nende suure poorsuse tõttu gaasid läbi. Olenevalt elemendi tüübist juhib elektrolüüt kas hapniku ioone katoodilt anoodile või prootoneid anoodilt katoodile. Et protsess tasakaalustuks, liiguvad elektronid mööda välist vooluringi anoodilt tagasi katoodile, tekitades elektrivoolu. Elektroodides toimuvate elektrokeemiliste protsesside ning elektrolüüdi takistuse mõjul tekib ka soojus.

Kütuselemendi tööpõhimõte avastati 1839. aastal. 40 aasta eest hakati kütuselementi kasutama USA kosmoseagentuuri NASA kosmoselaevade energiavarustuses. Kütuselemendi kommertskasutusse võtmine muutus aktiivseks tegevuseks alles möödunud kümnendil. Algselt ei usutud, et see ülikallis tehnoloogia jõuaks massidesse. Aja möödudes avanesid paljud uued tehnoloogilised võimalused ning kütuselemendi tehnoloogia arendamisele avaldas survet ka olukord energeetikaturul ? aina suuremaks muutus vajadus keskkonnasõbralike ning varustuskindlate energiatehnoloogiate järele.

Autor: Lauri Tibbo