Liitium: energiatuleviku võti?
Vello Kala, Timo Hämäläinen
08.09.2011

Elektrienergia on mõnusaim energialiik – ei müra, heitgaase ega kuumust. Elektriga võid käitada allveelaeva ja taskulampi, kütta maja või jooksutada arvutit. Kõigi plusside juures on elektrienergial siiski ka üks suur puudus – seda on raske tasku pista.

Tõepoolest, kui auto bensiinivaru kaasavõtmiseks piisab kümmekond kilo kaaluvast bensiinipaagist, siis elektriauto aku kaalub mitusada kilo – ja energiat mahub sellesse ikkagi hoopis vähem kui bensiinipaaki. Saastevabade autode tulevik on seega kinni progressi taga akude valdkonnas: kas suudame elektrienergiat paremini pakkida, nii et väikeauto ei läheks tanki kaalu ning laadimiste vahel võiks sõita oma pool tuhat kilomeetrit – nagu bensiiniautogi?

Võtmesõna – liitium
Tänapäevased autod kasutavad üldjuhul starteriakusid, mis põhinevad plii ja happe koosmõjul. See akutüüp on üks vanimaid ning pehmelt öeldes mitte eriti efektiivne, kui võtta efektiivsuseks kaaluühiku kohta salvestatav energiahulk. Ent ega sisepõlemismootoriga auto akult ju palju nõutagi – auto tuleb vaid käima tõmmata. Ning arvestades keskmise auto pea pooletonnist kaalu, pole aku kaal seejuures nii oluline.
Asi muutub drastiliselt, kui tahame autot elektri jõul mitte ainult käivitada, vaid ka sõitma panna. Elektrit kulub sel juhul ju tohutult rohkem ning selle pakkimine pliiakusse on üsna lootusetu ettevõtmine. Saame raske, jõuetu ja väikese läbisõiduga liiklusvahendi. Tegu on nokk kinni, saba lahti olukorraga – mida enam tahame kaasa võtta energiat, seda suurem-raskem peab olema aku, mis tähendab, et kogu auto veeretamiseks kuluvast energiast läheb aina kasvav osa aku enda liigutamiseks.
Ent seatina pole ainus materjal, millest akusid ehitada, – on muid ja aku kaalu ning energiamahutavuse suhtelt hoopis efektiivsemaid materjale. Paljutõotavaim nendest on liitium.

Energiat pakkima!
Kõigi akutüüpide ülekäimine oleks meie loo jaoks liiga mahukas ettevõtmine. Ent paneme siiski ritta erinevad akutüübid võime järgi kaaluühiku kohta energiat salvestada. Mõõtühikuks on vatt-tund kilogrammi kohta – mitu vatt-tundi elektrienergiat mahub patarei iga kilogrammi sisse. Andmed on veidi tinglikud, sest kasutatud materjal pole ainus, mis aku mahutavuse määrab. Ent üldpildi saame nende numbrite põhjal siiski ilusti. Alustame pliihappeakuga, mis paikneb auto mootorikatte all. Sõltuvalt tüübist suudab selline aku igasse kaalukilogrammi pakkida 30–40 vatt-tundi energiat. On seda palju või vähe? Vähevõitu. Nikkelkaadmiumaku mahutab kilogrammi kohta 40–60 Wh, leelismuldmetallaku (alkaline) 85 Wh. Hõbetsinkaku mahutab kolm korda pliiakust enam – 130 Wh, ent hõbeda hind jätab selle lahenduse sõjaväelastele ja kosmoseuurijatele, kui just pole tegu käekella või pleierit käitavast akust.
Ent on üks imeline pehme hõbedane metall, mis lööb kaugelt üle kõik konkurendid – liitium. Liitiumioonaku kilogramm mahutab 150–250 Wh, liitiumväävelaku koguni 400 Wh. Ning erinevalt hõbedast pole liitium keelavalt kallis. Liitiumi hind sõltub suuresti sellest, millisena (puhtus, lisandid) saab seda osta, ent suurtes piirides maksab kilogramm liitiumkarbonaati kuus dollarit. Seega pole liitiumil põhinev aku kaugeltki odav, ent ka mitte tohutult kallis. Lisaks tuleb arvestada, et elektriauto parem aku teenib end pikapeale tagasi – sama energiamahutavuse juures on see pliiakust 4–10 korda kergem. See tähendab, et vastavalt vähem kaaluks ka sellise akuga elektriauto – ning kuna kergema auto liigutamine nõuab vähem energiat, tulevad liitiumakuga auto „tankimisarved” kokkuvõttes hoopis odavamad.
Niisiis – võti saastevabade ja hääletute elektriautode maailma on liitium. Kas meil seda jätkub?

Liitiumitööstus
Liitiumi turg on viimastel aastakümnetel olnud üsna stabiilne, kasvades globaalselt umbes kuus protsenti aastas. Akutööstuse liitiumitarve kasvab siiski märksa kiiremini – kuni paarkümmend protsenti aastas. Liitiumakude tootjad ostavad nüüd juba 23% kogu maailma liitiumitoodangust. Juhtkohal on seni veel keraamika- ja klaasitööstus, kuhu läheb kolmandik toodetavast liitiumist. Liitiumi kasutatakse ka kvaliteetsete määrdeainete valmistamisel ja alumiiniumitööstuses.
Seni on liitiumakude tootjate sihtgrupp olnud kantavate elektroonikaseadmete ja –tööriistade valmistajad (ning muidugi militaar- ja kosmosetööstus). Ent aina enam vaatavad liitiumakude tootjad autotööstuse poole – sealsed arengud tõotavad neile ülisuurt turgu. Lootus elektriautode massilisele tulekule ähvardab maailma liitiuminappusega. See oleks siiski lühiajaline ja lahendatav mure – probleem on mitte niivõrd liitiumi varudes, vaid praegustes tootmisvõimsustes. Tootjad igatahes juba valmistuvad selleks, et nõudluse järsu kasvu korral tootmist kiiresti laiendada.
Suurimad liitiumitootjad on tänapäeval Tšiili, Austraalia ja Argentina. Teadaolevate varude poolest on lisaks nimetatuile rikkad ka USA ja Boliivia. Kogu maailmas on praegu teada liitiumivarusid umbes 30 miljoni tonni ulatuses. Praeguste tootmismahtude juures jaguks liitiumi seega veel enam kui tuhandeks aastaks, sest liitiumi praegune aastatoodang on 25 000 tonni piires.
Liitiumi ei müüda puhta metalli, vaid kemikaalide ja liitiumi sisaldavate mineraalidena. Materjal, mis autoakude ehitajaid huvitab, on liitiumkarbonaat. Ja vähemalt 99,95% puhas liitiumkarbonaat. Liitiumi toodetakse põhiliselt soolajärvedest, sealse tulisoolase vee põhjakihtidest. Vesi pumbatakse üles ja aurutatakse. Seda tehakse enamasti madalates basseinides päikesevalguse toimel – nagu piibliaegadest on toodetud soola. Lõpuks tuleb liitiumi sisaldav materjal kuivanud soola seest keemiliselt eraldada.
Liitiumi toodetakse ka kivimites leiduvatest nn soolataskutest. Sel alal on juhtkohal Austraalia. Nende toodetud liitiumikontsentraat läheb eeskätt keraamikatööstuse tarbeks, tõsi, hiinlased on Austraalia toormest valmistanud ka akutööstusele sobivat liitiumkarbonaati.
Kui elektriautode areng peaks nõudlust (ja hinda) kergitama, võidakse kasutusele võtta teisigi liitiumi hankimise meetodeid, mis on küll tuntud, ent mida majanduslikel kaalutlustel praegu eriti ei kasutata. Näiteks sisaldab liitiumi harilik merevesi. Tõsi, nii väikesel määral, et tänaste hindade ja tehnoloogiate juures ei tasuks tootmine end ära. Hinnatundlike autosõprade rahustuseks olgu öeldud, et liitiumi hind moodustab liitiumaku hinnast vaid paar-kolm protsenti, nii et ülijärsku hinnatõusu pole ilmselt karta.

Liitiumakuga autod tulevad
Elektriautode osakaal pole maailma autotööstuses veel kuigi märkimisväärne, ent juhtivate tööstusriikide soov eeskätt linnaliiklus aina enam heitgaasidest vabastada tõotab elektriautodele rõõmsat tulevikku – ja seda sõltumata sellest, kas autosõbrad ise nii väga elektriauto järele igatsevadki. Saastemaksud ja linnasüdamete sulgemine muile kui elektriautodele lihtsalt sunnivad inimesi elektriautosid muretsema. Autoturgude analüütikud ennustavad, et aastal 2020 moodustavad elektriautod seitse kuni kaksteist protsenti kogu autoturust.
Teised tabelid näitavad, et praegu müüakse maailmas aastas umbes 50 miljonit uut sõiduautot. See turg on kiiresti paisuv – maailma inimrikkaimates paikades, Hiinas, Indias ja teistes Aasia riikides, on auto siiani vaid väheste luksus. Rahvusvahelise Energiaagentuuri IEA hinnangul müüakse 21 sajandi keskel aastas 170 miljonit sõiduautot. IEA pakub ka 2050. aasta autode jaotuse energiakasutuse järgi – kolmandik (56–57 miljonit) 170 miljonist oleks siis fuel-cell-katalüüsmootoriga autod, 50 miljonit elektriautod ja ülejäänud diiselkütust või bensiini kasutavad hübriidautod. Ehk on IEA ennustus veidi liiga radikaalne (ei usu, et praegu domineeriv autotüüp vähem kui neljakümne aastaga päriselt kaoks), ent trendi on nad ilmselt õigesti tabanud. Ning see tähendab, et liitiumi läheb tulevikus vaja rohkesti. Liitium-ioonakude puhul läheb ühe kilovatt-tunni energia salvestamiseks vaja umbes 140 grammi liitiumi – nii väidab Compact Power Inc., kes valmistab hübriidautode akusid
Kui võtta „keskmiseks” 25 kWh liitiumioonakuga varustatud elektriauto (selline suudaks ühe laadimisega sõita 120–160 kilomeetrit), siis liitiumi kuluks sellele veidi üle kolme kilo. Kuna tehnoloogiad täiustuvad, võime kolme kilo pidada reaalseks liitiumikuluks auto kohta. Hübriidautode akud on väiksemad, IEA hinnangu kohaselt on hübriididel keskmiselt 8 kWh akud, millega võib sõita 40–50 kilomeetrit. Liitiumikulu seega veidi üle kilo auto kohta.
IEA nägemuse kohaselt müüakse 2050. aastal 50 miljonit elektriautot – nende akudeks kuluks 150 000 tonni liitiumi. Ent teist 50 miljonit müüakse hübriidautosid – nende vähemad akud nõuavad siiski veel oma 50 000 tonni. Tegelik vajadus on veelgi suurem, sest akusid tuleb toota ka vahetusvaruks. Võime vist julgelt öelda, et neljakümne aasta pärast vajab autotööstus vähemalt 220 000 tonni liitiumi aastas. See aga tähendab, et hõlpsalt kaevandatavat liitiumi ei jagu enam mitte tuhandeks, vaid umbes 150 aastaks.

Tundmatud tegurid
Tegelikult on meie arvestus aga veidi ebaõige. Oleme piirdunud autotööstusega, aga liitiumakusid nõutakse ka mujal. Elektrimopeedid levivad üle maailma – ja mida täiuslikumaks-kergemaks muutuvad akud, seda enamaid asju soovitakse nende abil liikuma panna. Juba praegu kasutatakse liitiumioonakusid ka tuulegeneraatorite ja päikesepaneelide energiamahutitena. Rohelise energia osakaal maailmas aga kasvab paratamatult koos fossiilsete kütuste varude vähenemisega.
Peame õppima liitiumiaatomeid lugema. Liitiumioonakude valmistamiseks sobiva eriti puhta liitiumkarbonaadi tootmine on keerukas mitmeastmeline protsess. Igas astmes läheb osa liitiumi kaduma. Kokku „haihtub” puhastamise käigus kolmandik algsest liitiumikogusest. See lühendab meie valemis aega, mil saabub liitiumipõud. Põud saabub mitte enam 150, vaid juba 100 aasta pärast. Ning ärgem unustagem, et arvutame 2050. aastaks tehtud prognoosi põhjal. Pole mingit alust arvata, et pärast 2050. aastat liitiumitarve edasi ei kasvaks – maakera elanikkond kasvab ju jätkuvalt.

Kokkuhoid ja uued allikad
Selge siis, et kõigepealt peame täiustama tehnoloogiaid – kolmandiku liitiumi „äraviskamine” on tulevikus mõeldamatu. Tõsi, selliseid probleeme ravib üldjuhul hind. Kui liitium peaks kallimaks minema, küllap hakatakse siis otsima teid kadude vähendamiseks. Ning mõelda tuleb ka uute liitiumiressursside peale. Praegu toodetakse põhiosa liitiumist soolajärvede põhjast. Sellel protsessil on omad probleemid, sest enamasti esineb liitium seal koos teiste ainetega, mida on liitiumist üliraske ja -kallis eraldada. Põhimureks on magneesium, mille eraldamine liitiumist on keerukas. Probleemikas on ka boorist ja kaaliumist lahti saamine.
Lisandid on segavaks samuti liitiumi tootmisel kivimeist. Liitiumi toodetakse ka naabermaal Soomes, sealse Keliber OY toodangu puhtusaste on 80–95 protsenti, mis tähendab, et neilt rikastatud liitiumi ostnu peab seda veel eraldi puhastama, enne kui see akutoodanguks sobima hakkab.
Teoorias võib liitiumi igast toormeallikast ülipuhtaks puhastada, ent tihti oleks see hirmus kallis. Ehk toob tulevik uusi, taskukohasemaid rikastustehnoloogiaid?
Üks võimalus liitiumi säästa on akudes oleva liitiumi korduvkasutus. Praegu paraku tegeldakse sellega vähe, sest nn äratöötanud liitium on segunenud lisanditega ning tema puhtana kättesaamine on keerukas ja kallis. EL direktiiv nõuab, et akude ja patareide kaalust tuleb ümber töötada pool. Tänases tegelikkuses on lihtsam-tasuvam ümber töötada akude korpusi ja metallosi kui õngitseda sealt liitiumi.
Võitu võib loota ka akutootmise tehnoloogiate arengust. Sama energiamahutavuse saavutamiseks kulub tulevikus ilmselt mõnevõrra vähem liitiumi kui praegu. Kilde tulevikust on juba olemas, siinsamas kõrval Soomeski – European Batteries valmistab oma Varkauses asuvas tehases liitiumioonakusid liitiumikuluga vaid 60 grammi kilovatt/tunni kohta, mis on üle poole vähem tööstuse keskmisest. Sama tase üle maailma võrduks maailma liitiumivarude kahekordistamisega!

Sarnased artiklid