Sootuks teistsuguse musta kulla kaevurid tegutsevad nii Mustamäel kui Maardus

Aastal 2019. iduettevõtete konkursil Prototron võitjaks kroonitud UP Catalyst künnab tööstusetehnoloogia maastikul suuri vagusi. Hiljuti kaasas ettevõte Berliini kliimatehnoloogia riskikapitalifond Extantia abil 6 miljonit eurot tootmise skaleerimiseks ja kunagi Tartu ülikooli abil käima lükatud hargettevõte liigub suurte sammudega edasi oma missioonis - juhtida maailma jätkusuutliku süsiniku poole.
Läheme külla ja vaatame lähemalt, millega tegemist on ja mis on ettevõtte lähiplaanid.

UP Catalyst asutaja ja tegevjuht Gary Urb võtab teadustoimetuse delegatsiooni lahkesti vastu nüüdseks Tehnopoli teadus- ja ärilinnakus tegutseva UP Catalysti laboriruumides ja teeb põhjaliku ringkäigu keerulisi analüüsi- ja katseseadmeid täis ruumides, ning lubab viia hiljem ka Iru soojuselektrijaama kõrval asuvasse tootmishoonesse, kus süsiniknanotorusid ja grafiiti suuremas mahus sünteesitakse. Väga põnev.

Urb alustab grafiidi kasutamise ja tootmise hetkeseisu ja tulevikuväljavaadete analüüsiga, mis toimub slaidshowna, kuid slaidid on koridori seinal eksisteerivad klaasitud plakatid. Nendelt saame teada, et süsinikul põhinev grafiit on maailma energiasektoris ülihinnatud materjal, mida pannakse näiteks elektriautode akudesse, mille järele nõudlus kasvab igal aastal hüppeliselt. Kuid veelgi põnevam on grafiidi kasutamine näiteks pooljuhtides, mille järele kasvab tarvidus täpselt sama kiiresti. Nendega koos kasvab vajadus ka grafiidi järele.

Grafiit, mida iga koolilaps tunneb pliiatsi südamikuna, on tegelikult palju enamat. Küsimusi tekib järjest juurde. Miks siin toodetud grafiit on hea ja parem kui mujal maailmas toodetav grafiit? Kuidas meil grafiiti toodetakse? Kas toomistsükkel on jätkusuutlik ja on maakerale laias plaanis sõbralikum, kui teiste ainete tootmine, mida akudes kasutatakse?

Pildil UP Catalysti tegevjuht Gary Urb ahjusooja süsinikukamakaga. Foto: Madis Veltman

Urbi sõnul on täna meil probleemiks CO₂ emissioon. Ja üks lahendus sellele on erinevaid tehnoloogiaid elektrifitseerida. Näiteks elektriautod ja nende akud, kuhu energiat salvestada. Euroopas on plaanide järgi üle 50 gigatehase, et akusid hakata ise valmistama. See peaks aastas katma ära 18 miljoni elektriauto vajaduse.

Elektriautode akude tootmise seis on hetkel küll üsna habras, sest Rootsis tuli mõni aeg tagasi paar akutehast juba sulgeda. Gary Urb arvab, et see kõik võtab aega. Kui mõni samm astutaksegi trepist alla, ei ole see lõplik trend, vaid mõne aja möödudes astutakse jälle paar sammu ülespoole. Sest ega teist teed ei ole kui liikuda fossiilkütuste vähendamise suunas.

Naftast saab teha palju paremaid asju, kui seda lihtsalt põletada

Kõiki kemikaale, mida naftast ja gaasist toota saab, saab palju mõistlikumalt ja otstarbekamalt kasutada, kui seda sisepõlemismootoris või mõnes muus katlas põletada. Urb usub, et akutehased ehitatakse lõpuks valmis ja tootmine läheb käima. Sisepõlemismootoriga autod on tänapäeval küll väga head ja elektriautode hind ei ole täna veel see, mida tarbija ootab. Kuid küll see muutub.

Põhiline materjal, mida akudes kasutatakse on grafiit. Räägitakse küll liitiumist ja erinevatest materjalidest, kuid 30 protsenti ehk kõige suurem osa akust koosneb grafiidist.

Täna oleme olukorras, kus 99 protsenti Euroopa grafiidist imporditakse ja toorainejulgeolek sisuliselt puudub. Ja see grafiit tuleb enamasti Hiinast, kust tuleb 67 protsenti Euroopas vajaminevast grafiidist.

Grafiiti toodetakse kogu maailmas valdavalt kahte moodi

On sünteetiline grafiit, mis valmistatakse naftapõhistest saadustest. Ja teine on naturaalne grafiit, mis saadakse kaevandustest. 80% globaalselt naturaalsest grafiidist toodetakse Hiinas. Sünteetiline grafiit, mille tooraine pärineb näiteks Brasiiliast, transporditakse ikkagi Hiina, kus seda grafitiseeritakse ja tuuakse edasi Euroopasse. Kuna Hiina käes on mõlema osas sisuliselt monopoolne seisund, siis nemad saavad hakata kraane kinni keerama. Juba 2023. aasta detsembris nad tegid esimesi liigutusi selleks, et seda turgu enda nägemuse järgi suunata. Sel aastal on näiteks Jaapan saanud mitukümmend protsenti vähem grafiiti, mis nad Hiinalt varem tellisid. Mille tõttu otsivad jaapanlased hetkel uusi lahendusi grafiidivajaduse katmiseks. UP Catalyst näeb Hiina juhtivas rollis probleemi ja otsib sellele lahendust.

Aga on ka kolmas meetod

Nad on välja töötanud põneva grafiidi valmistamise tehnoloogia, kasutades algseks tooraineks CO₂ gaasi. Sulasoola elektrotransformeerimise tehnoloogiaga eraldatakse hapnik ja süsinik, millest sünteesitakse grafiit. Sünteesi kulgu muutes saab toota ka süsiniku nanotorusid ja carbon black'i, mis on elektrit juhtivad lisandid akudes.

Piloot puhastusseade, mis UP Catalysti laboris grafiiti, nanotorusid ja carbon blacki peseb.  Foto: Madis Veltman

Kuidas grafiiti toodetakse?

Tootmiseks on kasutusel bioloogiliselt tekkinud CO₂, mida saadakse biogaasijaamadest. Biogaasis on valmimise hetkel 40 protsenti puhast CO2 ja 60 protsenti on metaani. See biogeenne CO₂ suunatakse sulasoola reaktorisse, kus elektrolüüt sool 500-800°C käes kuumutamise järel sulama hakkab, misjärel süsinik sadestub elektroodide külge. Elektrolüüsiks läheb siinjuures voolu tarvis üle 10 000 (kümne tuhande) ampri. Elektroodid võetakse seejärel reaktorist välja ning nende küljest kraabitakse tahke süsinik ehk grafiit maha. Grafiit on esialgu segus koos elektrolüüt soolaga, mis pestakse välja ja jääbki järele puhas grafiit musta pulbri kujul.

Samal moel annab toota nii nanotorusid, carbon black’i kui grafiiti, mida tehakse selle järgi, mida akutootja parasjagu soovib.

Gary Urb hoiab käes teadusarenduse tulemusena välja töötatud süsiniknanotorude vesidispersiooni. Foto: Madis Veltman

Mille poolest on Eestis toodetud sünteetiline grafiit teistest erinev?

Suurim erinevus on süsiniku jalajäljes ehk CO₂ emissioonis. Erinevad süsinikumaterjalid, nagu elektrjuhtivust parandavad nanotorud, mida täna leidub näiteks igas mobiiltelefonis, sünteesitakse maagaasist. Maagaasist ühe tonni süsinikunanotorude tootmisel emiteeritakse üle 200 tonni CO₂-e, et saada üks tonn juhtivaid lisandeid akudesse. UP Catalysti tehnoloogiaga on lugu hoopis vastupidine, sest CO₂-e kasutatakse sünteesis toorainena ja seeläbi eemaldatakse kasvuhoonegaasi. Olenevalt sellest, kust pärineb elekter ja CO₂, on võimalik valmistada süsinikneutraalne toode. Eelduseks muidugi asjaolu, et elektrivool on toodetud süsinikuheitmeta.

Ja loomulikult ka energiatarbimine selle protsessi jooksul on vaja välja arvutada. Kui teised tehnoloogiad kasutavad sadu megavatttunde tonni kohta, siis Eesti meetodiga kulub ühe tonni tootmiseks 13 megavatttundi energiat. Elektrit kulub elektrosünteesiks ja UP Catalysti eesmärk kasutada rohelist energiat, ehk kas tuule-, päikese-, hüdro- või ka tuumaelektrit. Seda kõike selleks, et täita eesmärk – toota süsinikneutraalset grafiiti, millest on võimalik valmistada kuni 20 protsenti väiksema süsinikujalajäljega elektriautode akud. Eesmärk on seatud ka seetõttu, et peatselt hakkab Euroopas kehtima akude pass, kus on tootjal kõik arvutused oma toote akus kasutatavate materjalide, sh toormaterjali päritolu, kohta täpselt kirja pandud.

Süsiniku jalajälg on üks oluline näitaja, kuid teine oluline eesmärk, mida materjalide puhul otsitakse, on see, kes suudab teha järgmise parema ja võimekama aku. Koostöös välisülikoolide instituutidega on laborites tõestatud, et UP Catalysti akudega suudetakse saavutada tulemuseks 94% mahutavust pärast 4000 laadimise ja tühjaksaadimise tsüklit, mis on väga hea tulemus.

UP Catalysti süsinikmaterjale sisaldav aku. Foto: Madis Veltman

Plaan on tehnoloogiat edasi arendada

Kuna laborites on põhjalikult tõestatud, et biogaasi CO₂ kõrvalproduktist saab grafiiti edukalt valmistada, on nüüd küsimus selles, kuidas mahtusid kasvatada. Grafiiti on vaja toota suurtes kogustes, sest akutootjatel on seda materjali vaja sadades tonnides, mis omakorda tekitab hinnasurve, mida on samuti vaja allapoole viia. Et akutootjate vajadusi rahuldada, tuleks grafiiti toota päevas mitmeid tonne, mitte ainult mõned kilod. Selleks, et toota kümneid või isegi sadu tonne päevas, on vaja rajada suurem tootmine.

Suurem tootmine tähendaks ettevõtte plaanides seda, et tuleb kasutusele võtta suuremad reaktorid. Ehk suurema tootmishoone sisse ei tuleks rajada sadu samu väiksemaid reaktoreid, vaid loogiline samm nii investeeringu mõttes kui energiakokkuhoiu mõttes on reaktorid suuremaks teha.

Reaktoris elektronvarrastele kogunenud süsinikumaterjal kraabitakse päeva lõpuks lahti, mis tekitab kõvasti sädemeid. Foto: Madis Veltman

Laboris oli katseteks kasutusel 1. põlvkonna reaktor, Iru jaama kõrval asuvas tootmises on aga kasutusel konteinerisuurune gen2 reaktor, kuhu kõrvale asutakse rajama juba järgmise 3 ja 4 astme reaktoreid, mis on igaüks eelmise põlvkonna omast kümme korda suuremad. Tootmismahtudesse arvestatult tähendab see seda, et kui täna suudetakse toota 2,7 tonni grafiiti aastas, siis järgmise põlvkonna reaktoriga juba 27 tonni aastas, ülejärgmisega omakorda kümme korda suuremas mahus ja nii edasi. Eesmärk on aastaks 2030 rajada tehas, mis toodab 60 000 tonni süsinikmaterjale aastas ja kasutab ära üle 200 tuhande tonni CO₂-e. Selliste mahtudega on võimalik teha juba üsna korralik kogus akusid. Täpsemalt piisaks sellest 600 000 autoaku valmistamiseks. Täna toodetakse maailmas 14 miljonit elektrisõidukit aastas ja see on pigem kasvamas. Ettevõtluse jaoks justkui väga libe ja lootustandev minek. Tõsi, samalaadseid konkurente on UP Catalystil nii mõnigi, mistõttu paljud küsimused jäävad ka arusaadavalt vastuseta.

Süsinikmaterjalide loomisega seotud uurimissuunad.

Vastab California Ülikool Berkeleys külalisteadur Sander Ratso.

Sander Ratso Foto: Aron Urb

Millist uurimissunda pead ise kõige perspektiivikamaks?

TEM-TA96 projekt on fokusseeritud küll väiksemas skaalas, aga suurema väärtusega produktide (dopeeritud süsiniknanomaterjalid ja -komposiidid) sünteesiprotsesside väljatöötamisele. Eelnevast tööst nutikate energiatehnoloogiate alal on meil teadmine olemas, millised omadused ja struktuurid on soovitavad näiteks kütuseelementides ja akudes elektroodidena kasutataval süsinikul. Kombineerides neid teadmisi CO₂ elektrolüüsiga, saame disainida oma produktid spetsiifiliste seadmete jaoks, mis annab neile oluliselt suurema väärtuse kui on puhtal süsinikul. Põhilised elemendid jäävad tehnoloogial samaks (CO₂ lähteainena, sulasool reaktsiooni keskkonna ning süsinikul põhinevad materjalid produktina), aga sünteesi- ja järeltöötluse protsessid ja ka reaktori geomeetria on küllaltki erinevad sellest, mida teeb UP Catalyst.

Isiklikult peangi kõige perspektiivikamaks sellist kõrgema väärindamise suunda: kaevandatud ja ka sünteetilise grafiidi hindadega on raske konkureerida (küll on omaette küsimus, kui sotsiaalselt aktsepteeritav on nende meetodite CO₂ jalajälg). Kui aga on võimalik toota CO₂-st materjal, mis on juba märgatavalt paremate omadustega, siis olukord muutub. Sarnane olukord valitseb kütuselementide vallas.

Hetkel on meie töörühmas CO₂ suunal 2 projekti:

1) EAG271 «Süsihappegaasist dopeeritud süsiniknanomaterjalide sünteesi skaleerimine», mida juhib Kätlin Kaare ja milles üritame mõne spetsiifilise dopeeritud produkti sünteesi teha juba suuremas skaalas ning uurime Enefiti suitsugaasi lisakomponentide (nagu SO₂ ja NO) mõju sünteesiprotsessile ja produktidele. Plaanis on ka suitsugaasi otsene kasutamine CO₂ allikana.

2) PUTJD1233 «CO₂ sulasoolades lõhustamine», mida ma hetkel täitmas olen. Selle projekti eesmärk on välja töötada uusi meetodeid CO₂ elektrolüüsi protsessi uurimiseks, et paremini kirjeldada süsiniku moodustumist ja reaktorikomponentide korrosiooni. Praeguseks on olemas kaks meetodit: elektrokeemiline meetod elektrolüüdi (ehk sulasoola) sisalduse jälgimiseks, ning spektroelektrokeemiline meetod nii süsiniku osakeste reaalajas moodustumise kui ka materjali omaduste spektroskoopiliseks jälgimiseks. Kuna nende meetodite võimekuse edasi arendamiseks on esitatud ka uus projektitaotlus, mille tulemusi aga veel kinnitatud pole, siis ma neid siin täpsemalt veel ei kirjeldaks.

Patentidest ka

2023. aastal esitas UP Catalyst patenditaotluse, et arusaadavalt kaitsta oma tehnoloogilist protsessi. See on üsna detailne kirjeldus ja esmapilgul vaadates avab vägagi palju ettevõtte tootmisprotsessi kohta. Küsides ja tundes huvi, et kas sedavõrd üksikasjaliku kirjelduse just tootmisprotsessina välja toomine ei jaga avalikkusega liialt palju tehnilisi üksikasju, kostab Urb, et nad ongi tänaseks veendunud, et elektronide abil saab süsinikku kasvatada vaid just nendes tingimustes, mis patendis kirjas, aga kriitiline osa parameetritest jääb siiski ärisaladuseks. Aga ettevõtlus põhinebki riskijulgusel nagu on ka sellise üsna avameelse patenditaotluse esitamine. Juhul kui täna veel ootel patenditaotlus lõpuks patendina registreeritakse hakkab tiksuma selle eluiga – aeg, mille vältel kaitseõigus on tagatud. See on nagu nagu stardipauk: siis tuleb ettevõttest teha «kullaauk» ja tootmine käima panna, sest patentide kaitsmine on korralik kulu ja korralike tuludeta seda teha poleks lihtne.

Foto: Kuvatõmmis patendist

Foto: Kuvatõmmis patendist

Grafiit, süsiniku nanotorud, carbon black.  Foto: Madis Veltman

Mis on mis? Grafiit, nanotorud, carbon black.

Carbon black on peen süsinikupulber, mis saadakse süsivesinike mittetäielikul põlemisel. See on intensiivselt must ja väga peeneks jaotunud amorfne süsinik, mida kasutatakse laialdaselt erinevates tööstuslikes rakendustes. Protsess on loomult sama, kui ustate küünaleegi kohal klaasplaati: sealgi koguneb mittetäielikul põlemisel must koorik klaasile. Carbon black'i kasutatakse laialdaselt rehvide tugevdamiseks, pigmentideks, UV-stabilisaatoritena ja juhtivate või isoleerivate ainetena erinevates kummides, plastides, tintides ja katetes. Carbon black'i kasutatakse plastides ja värvides, et parandada nende värvitugevust ja stabiilsust. Seda kasutatakse trükitindis, et saavutada sügav must värv ja parandada tindikihi vastupidavust. Carbon black'i lisatakse plastidesse ja kuivpatareidesse, et parandada nende elektrijuhtivust. Seda kasutatakse kaitsekatetes, et pakkuda UV-kaitset ja suurendada vastupidavust kulumisele. Autotööstuses kasutatakse seda autode voolikutes, rihmades ja tihendites, et parandada nende mehaanilisi omadusi ja vastupidavust.

Süsiniku nanotorud (CNT – carbon nanotubes) on silindrilised nanostruktuurid, mis koosnevad süsinikuaatomitest. Need on tuntud oma erakordsete mehaaniliste, elektriliste ja soojusjuhtivusomaduste poolest. Nanotorusid kasutatakse laialdaselt nanotehnoloogias, materjaliteaduses ja elektroonikas. Süsiniku nanotorusid kasutatakse mitmesugustes rakendustes: komposiitmaterjalides tugevuse ja vastupidavuse suurendamiseks, elektroonikas juhtivate ja pooljuhtivate komponentidena ja meditsiinis nanosensorites ja ravimite kohaletoimetamissüsteemides. Ning superkondensaatorites ja akudes, kuna suurendavad energiasalvestusvõimet ja laadimis- ning tühjenemiskiirust. Nad pakuvad suurepärast elektrijuhtivust ja suurt pindala, mis on oluline energia salvestamiseks.

Grafiit on süsiniku tavatingimustes stabiilseim vorm. See koosneb tasandilistest lehtedest, millel süsiniku aatomid paiknevad korrapäraste kuusnurkadena. Grafiit on pehme, lagunedes kergesti kihtideks, ja juhib elektrit läbi tasandite.

Grafiiti kasutatakse mitmesugustes valdkondades:

1. Pliiatsid: Kõige tuntum kasutusala on pliiatsisüdamikud, kus grafiidi pehmus ja tumedus on ideaalsed kirjutamiseks ja joonistamiseks. 2. Määrdeained: Grafiidi kihiline struktuur muudab selle heaks määrdeaineks, eriti kõrgetel temperatuuridel ja rasketes tingimustes. 3. Elektrilised rakendused: Grafiiti kasutatakse elektroodides, näiteks lampides ja elektriahjudes, kuna see juhib hästi elektrit. 4. Metallurgia: Grafiiti kasutatakse valuvormides ja sulatusahjudes, kuna see talub kõrgeid temperatuure ja on keemiliselt inertne. 5. Patareid ja akud: Grafiit on oluline komponent liitium-ioonakudes, kus seda kasutatakse anoodimaterjalina. 6. Kaitsekatted: Grafiiti kasutatakse korrosioonikindlates katetes ja värvides, et pakkuda kaitset ja suurendada vastupidavust.

Nagu saime aimu, on Gary Urbi ja UP Catalysti plaanid suured ja nende täitumisel oleks Eestil ette näidata tubli roheline edulugu, mis akudetootmise vallas värsket õhku peale tooks. Plaanide elluviimiseks on vaja aga suurt energiamahtu, millest annab märku ka tootmise rajamine Iru elektrijaama lähedale. Kuigi tulevaste tootmishoonete katustele on plaanis paigaldada ka päikese- ja tuulepargid, ei pruugi sellestki kardetavasti tulevase energiavajaduse katteks piisata. Eks näis, kas olukorras leitakse mõni tulevikutehnoloogia lahendus või tuleb tootmine sootuks teise riiki kolida. Elame, näeme.

Kuula ka Kukkuva Õuna saadet UP Catalysti tegevusest:
 

Eesti teadust kajastavat ajakirjandust toetab Euroopa Liidu ja Haridus- ja teadusministeeriumi TEMTA programm.