Autor:
Kaspar Koolmeister

Füüsikalise keemia õppetool

Millega tegelevad Tartu Ülikooli elektrokeemikud?

  • Uurime aatomi- ja molekulilahutuse tasemel tahkise ja elektrolüüdi vahelisi piirpindu eksperimentaalselt ning modelleerime/analüüsime arvutuslike meetoditega
  • Otsime teadaolevatest paremaid materjale energia muundamise ja salvestamise seadmete valmistamiseks
  • Uurime korosiooni vältimise võimalusi orgaaniliste ja anorgaaniliste inhibiitorite abil

Füüsikalise keemia õppetooli peamised uurimissuunad

Kõrgtemperatuursete elektrolüüserite ja kütuseelementide arendamine

PhD Gunnar Nurk, PhD Ove Korjus, PhD Martin Maide jt  

Image
Indrek Kivi_keemia instituut_SOFC

Tuule- ja päikeseelektri ülejääkide salvestamiseks intensiivse tootlusega ajal on kõige otstarbekam elekter salvestada vee elektrolüüsil saadava vesinikuna, kuna patareide maksumused 1 MWh salvestusmahtuvuse kohta on 2-4 korda kõrgemad kui vesiniku salvestamisel. TÜ füüsikalise keemia õppetool  arendab koostöös Eesti firmaga H2Electro uut tüüpi kõrgtemperatuurset tahkeoksiidsetel materjalidel põhinevat elektrolüüserit, mis peab muutma vesiniku hinna odavamaks, toodangu mahu suuremaks ning seeläbi muutma rohepöörde ökonoomsemaks. Nende uuringutega konkureerime, võib häbenemata öelda, maailma parimate teaduskeskustega. Kõrge temperatuur elektrolüüsil alandab vee lagundamise ülepinget ja seega suurendab vee lagundamise efektiivsust, mille tulemusena väheneb vesiniku maksumus tunduvalt.

Vee lagundamine elektrivoolu toimel algaineteks – hapnikuks ja vesinikuks – on kõigile tuttav protsess juba kooliajast, sest see elektrokeemia üks lihtsamaid protsesse avastati juba 222 aastat tagasi, aastal 1800.

Siiski, vesiniku kasutamine taastuveneetikas elektri salvestamiseks ja hiljem reservina kasutamiseks kas elektri taastootmiseks, transpordikütuseks kütuseelementidega sõidukites, metallide tootmises ja keemilises sünteesis (näiteks lämmastikväetiste tootmiseks) on saamas tõsiseltvõetavaks lahenduseks alles nüüd, kuna puudus vajadus suuremahuliste elektrienergia salvestite järele ning vesinikku kütusena kasutavad transpordivahendid olid kas kallid või mittetöökindlad. Eestis nüüd põhjalikult ette võetud vesinikutehnoloogia ühe põhisõlme: veest elektrivoolu toimel vesinikku (ja lisaks ka hapnikku) tootva elektrolüüsiseadme ehk elektrolüüseri arendamine. Tahkeoksiidseid materjale on võimalik kasutada ka sünteeskütusete reaktorite koostamiseks (CO2 ja veeaur sünteesgaasiks ja ka keskkonda saastavate gaaside, nagu NOx, SOx, VOC muundamiseks uuteks keemilisteks ühenditeks, näiteks lämmastikhappeks või väävelhappeks.

SOFC töörühma eesmärgiks on:

  • leida sellised anoodi-, katoodi- ja elektrolüüdimaterjalid, millest koostatud kütuseelement/elektrolüüser töötaks võimalikult madalal temperatuuril
  • disainida sellise poorsusega struktuurid, et kütuseelemendid/elektrolüüserid oleksid võimalikult vastupidavad
  • erinevaid materjale sobitades koostada võimalikult suure energia- ja võimsustihedusega süsteemid, millel oleks võimalikult pikk tööiga.

Tahkeoksiidsete- ja madaltemperatuursete kütuseelementide arendamine

PhD Gunnar Nurk, PhD Indrek Kivi, PhD Jaak Nerut, PhD Rutha Jäger, prof. Enn Lust jt

Image
PEM

Taastuvenergeetika üheks oluliseks seadmeks on kütuseelement, mis toodab kütusest kõrge kasuteguriga samaaegselt nii elektrit kui ka soojust. Kütuseelemendi väljatöötamist alustati TÜ keemia instituudis 2001. a koostöös AS Elcogeniga. Hiljem lisandusid kõrgtemperatuursete kütuseelementide (SOFC) uuringutele ka madaltemperatuursete polümeermembraaniga kütuseelementide (PEMFC) alased uuringud. Momendil pööratakse erilist tähelepanu selliste kütuseelementide arendamiseks, kus saaks efektiivselt kasutada mõõdukalt puhastatud looduslikku gaasi või biogaasi ning ka alkohole ja teisi orgaanilisi ühendeid ning ammoniaaki. Selleks aktiveeritakse kütuseelementide anoodid kas täiskeraamiliste haruldaste muldmetallide kompleksoksiididega või haruldaste muldmetallide oksiididega, nt CeO2 ja Pr6O11. Mõlemad kütuselemendi tüübid on teinud läbi väga olulise arengu ja pälvinud olulist tähelepanu, sest madaltemperatuurse kütuselemendi abil pandi liikuma AuVeTech isesõitev auto (esimene isejuhtiv FC auto mudel maailmas) ja AS Elcogeni poolt välja arendatud SOFC on ELis toodetavatest SOFCdest kõrgeima võimsustihedusega ja võitis Euroopa Liidu 2019. a innovatsioonikonkursi peaauhinna. Haruldaste muldmetallide kompleksosiide arendatakse intensiivselt edasi tõstmaks nende kasutusvõimalusi erinevates kõrgtehnoloogilistes rakendustes.

PEM töörühma eesmärgiks on:

  • uurida mooduseid, kuidas vähendada vajalikku katalüsaatori hulka nii, et kütuseelemendi efektiivsus ei väheneks
  • leida uusi katalüsaatorimaterjale, mis võiksid kallist plaatina asendada

Päikesenergia kogumise, salvestamise ja vesiniku tootmise demokompleksi arendamine

Rait Kanarbik, Peeter Valk, PhD Jaak Nerut, prof. Enn Lust jt

Image

Keemia instituudi eesmärgiks on reaalsetes oludes töötavad päikeenergia kogumise, salvestamise, vesiniku tootmise, salvestamise ja vesinikku kasutatavate seadmete ühildamine üheks taastuvenergia kompleksiks, mis oleks ühtlasi ka praktikabaasiks taastuvenergeetikat õppivatele bakalaureuse-, magistri- ja  doktorikraadi taotlejatele. Samuti on loodud täiendkoolituse kursus (3 EAP loenguid ja 3 EAP seminare (kokku 5 erinevat tööd).

Kompleksis sisalduvad 60 kW päikesepaneelid on kombineeritud superkondensaatorite ja pliiakumulaatoritega (salvestusmahtuvus ligi 600 Ah;24 patareid, mille ühe mahutavus on 208 Ah 10 tunnise tühjenemise ajal), 6.3 kW elektrolüüser, mis toodab 2 kg vesinikku  24 tunni jooksul, mis salvestatakse 12sse 50-liitrisesse ballooni rõhul 300 bar. Salvestatud vesinikku kasutatakse erinevate kütuseelementide ja sünteeskütuse sünteesi reaktorite, õhukesekihiliste süsinik/kompleksmetallhüdriid seadmete, aga ka fundamentaalse elektrokeemia sõlmprobleemide uurimiseks.

Kuna süsteem on näidanud ülimalt head PV elektri tootlust, on lähiajal plaanis PV välja võimsust tõsta kordades, lisades vähemalt 120-200 kW PV paneele. See eeldab samuti patareisalvestusploki kolmekordset mahtuvuse kasvu, mis võimaldab tõsta toodetava vesiniku koguse 8-le kg-le ööpäevas.

Toodetud vesinikku on kasutatud IseAuto varustamiseks vesinikkütusega ning samuti erinevate demolahenduste varustamiseks vesinikuga.


Fundamentaalsed in situ piirpinna uuringud

PhD Piret Pikma, PhD Liis Siinor, PhD Vladislav Ivaništšev, MSc Heigo Ers

Image
InSITU uuringud

Uute tehnoloogiate väljatöötamiseks peab nendes toimuvate protsesside olemus olema kirjeldatud kõrge teadusliku tasemega ja kooskõlas kaasaegsete seisukohtadega. Kaasaegsete teooriate arendamine aitab kaasa ka erinevate rakenduste edasiviimisele, mida tihtipeale piirab sobiva fundamentaalse arusaamise puudumine.

Olemasoleva lünga täitmiseks on vajalik uurida elektrokeemiliste mudelisüsteemide erinevaid aspekte ning kirjeldada nende komponentide vahelisi seoseid. Antud seoseid mõjutavad elektroodi kristallstruktuur ja elektroonilised omadused, adsorbeeruva ühendi geomeetria ja keemilised omadused, ioonsete vedelike ja teiste elektrolüütide omadused ning rakendatav elektroodi potentsiaal. Tervikpildi saamiseks kasutab meie töörühm erinevaid eksperimentaalseid (nt in situ skaneeriv tunnelmikroskoopia ja in situ aatomijõumikroskoopia) ja arvutuslikke (nt tihedusfunktsionaaliteooria ja molekulaardünaamika) meetodeid elektroodi ja elektrolüüdi vahelise piirpinna kirjeldamiseks.


Õppetöö

Füüsikalise keemia, elektrokeemia ja poorsete materjalide keemia kursused bakalaureuse- magistri- ja doktoriõppes. Viimase paari aasta jooksul on väga populaarseks ostunud ka vesinikutehnoloogia täiendkoolitused Vesinikutehnoloogia ja taastuvenergeetika alused ja Praktilised tööd taastuvenergeetikas

Meedia

Vesnikupäev
Kütuseelemendid – quo vadis? ("Horisont")
Uut tüüpi energiaallikad ("Haridus")
Teadus kolme minutiga: Kuidas päikest ja tuult purki panna? (ERR)
Toatemperatuuril vedelad soolad ("Sirp")

Mikrofon stuudios

Keemia instituudis loodi taskuhääling „Tuleviku energeetika – energia tulevik“ (TEET)

Analüütilise keemia mikrokraadipäis

Analüütilise keemia mikrokraadiprogramm

Loodusvaatluste maraton

Kodanikuteaduse seminaril räägitakse, kuidas rikastab avalikkuse kaasamine teadustööd