Kõige tähtsam on energia

Süsihappegaasi hulk atmosfääris on industriaalajastul kasvanud üle 40%. Nii kiiret kasvu pole teadaolevalt olnud viimase 66 miljoni aasta kestel.

ANDRES KUUSK

Palju aastaid tagasi alustas akadeemik Juhan Ross looduseteemalist teadusettekannet instituudi nõukogus sõnadega „kõige tähtsam on vesi“. Kahtlemata oli akadeemikul õigus. Nii kogu elu kui ka Maa atmosfääriprotsessid on seotud veega ja neid kujundavad vee iseäralikud füüsikalised ja keemilised omadused. Energiavajadus kõikvõimalikes looduslikes protsessides ja inimtegevuses on nii enesestmõistetav, et see justnagu ei vajagi meeldetuletamist. Tänapäeva inimühiskonnas on energia roll siiski täiesti erandlik. Kogu tsivilisatsioonieelse aja ja viis tuhat aastat ajaloolist aega oli inimese energiavajadus loodusega tasakaalus. Liigse kuuma eest varjuti või jahutati veega, külma peletamiseks põletati lõkkes või koldes maalt ja metsast kogutud kütet.

Igasuguseks tööks ja liikumiseks vajalik energia oli inimese või loomade lihaste energia, tuule ja voolava vee energia. Kogu see energia oli oma päritolult inimese ajaskaalas hiljuti akumuleeritud Päikese kiirgusenergia – möödunud päevade, nädalate või kuude kestel tuule ja voolava vee kineetiliseks energiaks teisenenud kiirgusenergia, kütustes mõnekümne kuni sadakonna aasta kestel fotosünteesi tulemusena akumuleeritud kiirgusenergia. Kütuste vajadus ei olnud ligilähedanegi juurde kasvava küttematerjali hulgale.

Tasakaalus oli ka Maa kliimat mõjutava kasvuhoonegaasi süsihappegaasi sisaldus atmosfääris. Süsihappegaasi atmosfääri viimist vulkaanipursetega, surnud taimede lagunemise ja maastikupõlengutega kompenseerisid süsihappegaasi sidumine taimede poolt fotosünteesis ning süsiniku geoloogiline ringkäik.

Energiaajastu ja inimkonna kasv

Põhimõtteline rajajoon energia kasutuses ja päritolus on kolmsada aastat tagasi, mil inglane Thomas Newcomen ja šotlane James Watt leiutasid aurumasina. Osutus võimalikuks kasutada mehaanilise energia saamiseks taimede poolt fotosünteesis akumuleeritud Päikese kiirgusenergiat, kusjuures pole tähtis, kui palju aega tagasi see energia on kogutud. Liikumisenergia allikaiks said kütused – küttepuud, turvas, kivisüsi, nafta, maagaas, põlevkivi. Inimkond hakkas oma energiavajadust rahuldama ammumöödunud aegadel ja inimese elueaga võrreldes väga pika aja kestel Maale saabunud Päikese kiirgusenergiaga, mis oli salvestatud maapõues ladestunud fossiilkütustes. Kütuste varud tundusid masinate ajastu algusajal olevat ammendamatud.

Äratundmine, et meie ümmargusel Maal ei ole loodusressursse piiramatult, hakkas tekkima möödunud sajandi keskpaigas. Möödunud sajandi seitsmekümnendail loodud esimesed globaalse arengu mudelid¹ ennustasid suuri muutusi inimühiskonna arengus selle aastatuhande esimesel poolel ja need on tingitud kiirelt kasvavast elanikkonnast, taastumatute loodusvarade otsalõppemisest ning keskkonna reostumisest. Ennekõike majandusinimestelt ja poliitikutelt said tollased prognoosid rohke kriitika osaliseks. Peamine etteheide oli, et matemaatilised mudelid lähtusid olemasolevaist ühiskonna käitumismallidest ning tehnoloogiatasemeist. Mudelid näitasid küll, kuidas oleks vaja olemasolevaid suhteid muuta, et tagada ühiskonna stabiilsus, aga ei pakkunud välja mooduseid vajalike muudatuste teokstegemiseks. Kriitikud arvasid, et teaduse ja tehnoloogia areng ning inimühiskonna teadlik sekkumine ühiskonna protsessidesse tagab stabiilse globaalse käitumise.

Nüüd, rohkem kui nelikümmend aastat hiljem, kui Maa elanike arv on lähenemas kaheksale miljardile (ÜRO hinnangul 7,7 miljardit aprillis 2019), on kõige määravamad globaalsed parameetrid, nt elanikkonna kasv, energiavajadus, taastumatute loodusressursside kasutus, keskkonna saastatuse kasv ning tööstustoodangu ja toiduainete tootmine elaniku kohta, järginud tollaste prognooside põhistsenaariumi, milles analüüsiti, mis juhtuks inimkonna ja keskkonnaga, kui ühiskonna arengus ei leia aset suuri muutusi käitumises, tarbimises, majandamises. Rahvaarv kasvab praegu umbes 1,1–1,2% aastas – s.o aastaga umbes 65 Eesti rahva jagu. Rahvaarv kasvas kahekordseks 47 aastaga (World Population Prospects 2019, UN). Samal ajal kasvab pidevalt energia ja maavarade kasutus inimese kohta, nii et globaalne energiakasutus kasvab veelgi kiiremini kui rahvaarv.

Viimastel aastatel on järjest häälekamalt hakatud rääkima inimtegevusega põhjustatud kliimamuutustest. Sõlmitud on rahvusvahelisi kokkuleppeid temperatuuri tõusu ärahoidmiseks, tekkinud on süsinikukvoodid. Maakera on üks ja ainuke ning see ei kasva ajas nii, nagu on kasvanud inimeste arv ja inimtegevuse mõju keskkonnale: loodusressursside kasutamine ning inimeste elu ja tegevusega kaasnevad kõrvalnähud – heitmed keskkonda. Enam ei saa pigistada silma kinni selle ees, et kasutusele on võetud umbes pool põllumajanduseks sobilikku maad, maha raiutud ligi pool vihmametsadest, et keskkonda paisatakse aastakümneid püsivaid sünteetilisi materjale, millest on ookeanides tekkinud ujuvad plastmassisaared, et fossiilkütuste põletamisega paisatakse atmosfääri kasvuhoonegaasi – süsihappegaasi – kordades rohkem kui vulkaanipursetega ja väga palju rohkem kui kogu planeedi taimkate jõuab fotosünteesiga atmosfäärist välja viia.²

Kasvuhooneefekti kohta Maa kliima kujunemisel võisime lugeda hiljutisest Jaan Peldi artiklist „Naabreid otsimas“.³ Kui Maa atmosfääris poleks soojuskiirgust neelavaid kasvuhoonegaase, oleks siin 30–40 °C külmem.

Fossiilkütuseid ei saa taaskasutada

Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis on energia ühikuks džaul (J). See on väga väike kogus energiat. Elektri mõõtmisel kasutatav kilovatt-tund (kWh) on tervelt 3,6 miljonit džauli. Globaalsete aine- ja energiavoogude mõõtmiseks on vaja kasutada kordseid ühikuid: kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T), peta (P), eksa (E). Selle loetelu iga järgmine on eelmisest tuhat korda suurem. Kasutatakse ka ühikut mtoe, see on miljoni tonni nafta energeetiline ekvivalent. 1 mtoe = 42 PJ.

Globaalne primaarenergia toodang oli 2018. aastal 13 865 mtoe, sellest nafta 36%, looduslik gaas 23,8%, kivisüsi 27,2%, tuumaenergia 4,4%, hüdroenergia 6,8% ja muud taastuvad energiaallikad (tuul, päike, biokütused) 4,0%. Primaarenergia tootmine kasvas aastaga 2,9%. Fossiilkütustega kaetakse 85% energiavajadusest.⁴ Maismaa taimkatte globaalne primaarproduktsioon on 55 GT süsinikku aastas, see on väga palju väiksem kui fossiilkütuste põletamisega atmosfääri viidav süsinikukogus.⁵

Teemat, kuidas elada edasi, kui pole enam fossiilkütuseid ja muid maavarasid, käsitletavate kirjutiste arv kasvab kiiresti. Energiaallikate (ennekõike nafta ja gaasi) kõrval on hakatud märkama ka haruldaste metallide vajaduse murettekitavat lähenemist teadaolevatele varudele. Ometi on fossiilkütuste ja muude maavarade vahel üks suur põhimõtteline erinevus. Inimese loodud asjades, materjalides ja seadmetes keemilised elemendid ei muutu. Need jäävad loodud asjadesse mingiks ajaks ning lähevad kasutusest välja, kui asjad kuluvad või need utiliseeritakse. Põhimõtteliselt on võimalik need ained kokku koguda ja uuesti kasutusse võtta, kuigi see on raske ja kulukas ning nõuab palju energiat.

Fossiilkütuste põletamisel niisamuti keemilised elemendid ei muutu. Kütuse põletamisel jääb süsinik süsinikuks, vesinik vesinikuks, hapnik hapnikuks, aga fotosünteesiga fossiilkütuses salvestatud energia vabaneb. Põlemisel saadavat soojusenergiat kasutatakse väga mitmel viisil: ruumide kütteks, tehnoloogilistes protsessides vajaliku temperatuuri saamiseks, elektri tootmiseks, kõikvõimalike masinate liikumapanekuks. Lõppkokkuvõttes muutub kogu kütuste põletamisel saadud soojus ikkagi heitsoojuseks, mis lahkub Maalt ilmaruumi pikalainelise soojuskiirgusena.

Maailmaruumi lahkunud pikalainelist kiirgusenergiat ei ole mingilgi moel võimalik taaskasutusse võtta. Inimese jaoks on ärapõletatud fossiilkütus ära kasutatud lõplikult, seda ei ole võimalik taastada. Praeguse tarbimistaseme juures jätkuks fossiilkütuste teadaolevaid varusid küll veel paljudeks aastateks: naftat ja gaasi 50 aastaks, kivisütt 130 aastaks, aga fossiilkütuste põletamise soovimatu kõrvalnähtus on, et seni maapõues olnud süsinik seotakse kasvuhoonegaasiks süsihappegaasiks ja paisatakse atmosfääri.

Süsihappegaasi hulk atmosfääris on industriaalajastul kasvanud üle 40%. Nii kiiret atmosfääri süsihappegaasi sisalduse kasvu pole teadaolevalt olnud viimase 66 miljoni aasta kestel.⁶

Energia hoiustamatus

Teine energia iseärasus on see, et energiat on väga raske hoiustada. Suvel põllul toiduks kasvatatud vilja saame hoida kuni järgmise saagini, seda vajadust mööda hoidlast võttes ja tarvitades. Kiiresti riknev toit säilib konservidena või külmutatult. Kiirestirikneva toidu säilitamine on siiski probleemiks vähearenenud maades, sest vajalikke rajatisi, seadmeid ja energiat ei jätku ning nii hävib suur hulk kasvatatud põllusaadustest. Keerulisem on lugu veega. Kui suures osas planeedist saab vett looduslikest veekogudest, siis on piirkondi, kus inimeste veevajadus on suurem, kui loodus pakkuda suudab. Veepuudust on juba kannatanud ja kannatamas miljonilinnad Ladina-Ameerikas, Lõuna-Aafrikas, Indias.

Hoopis keeruline on lugu energia hoiustamisega. Maa saab peaaegu kogu oma energia Päikeselt. Atmosfääri ülapinna ruutmeetrile saabub 1,36 kW Päikese kiirgusenergiat, millest kolmandik peegeldub tagasi ilmaruumi, aga kaks kolmandikku jääb siia – see on 5 miljonit korda rohkem kui inimkonna praegune energiatarve. See energia soojendab maa ja mere, paneb liikuma õhu, lainetama mere ja voolama jõed ning lahkub lõpuks soojuskiirgusena ilmaruumi. Kui me sellest ühe viiemiljondiku oma vajadusteks kasutades mõneks ajaks kõrvale juhime, ei juhtu loodusega tõesti midagi märkimisväärset. Inimese jaoks on Päikeselt saabuv energia ammendamatu, aga probleemiks on, kuidas panna see hoiule siis, kui seda on konkreetses maakohas küll, ning saada kasutada siis, kui päike ei paista või tuul ei puhu ja väljas on külm.

Päikeseenergia majanduslikes kogustes hoiulepanekuga saab hakkama ainult taimkattes toimuv fotosüntees. Nii tekivad küttepuud, nii tekkisid gaas, nafta, kivisüsi, põlevkivi, turvas. Kahjuks on fotosünteesi kasutegur energia salvestamisel üpriski väike. Illustreerime seda Eesti metsade näitega. Metsa tagavara juurdekasv Eestis varieerub sõltuvalt puuliigist ja kasvukoha headusest väga suurtes piirides. Hinnangulisteks arvutusteks kasutame ligikaudseid keskväärtusi. Hektari metsa tagavara juurdekasv on 6 tihumeetrit aastas. Tihumeetri kuiva puidu kaal on 500 kg ja kuiva puidu kütteväärtus 0,2 MJ/kg.⁷ Nii salvestab hektar metsa aastas 0,6 GJ, aga hektarile metsale saabub aastas 35 TJ päikesekiirgust,⁸ millest 10–15% peegeldub tagasi, nii et hektar metsa neelab 30 000 GJ päikeseenergiat aastas. Seega on metsa kasutegur päikeseenergia salvestina 0,6/30 000 = 2 × 10^-5. Puudega ahju küttes muutub toasoojaks 0,001% metsas neeldunud päikesekiirgusest.

Fossiilkütustesse on Päikese kiirgusenergia kogutud väga ammu ja väga pika aja kestel. Turbas on viimase 10 000 aasta kestel kogutud energia, põlevkivis on Päikese kiirgusenergia akumuleeritud miljonite aastate kestel rohkem kui 400 miljonit aastat tagasi. Eesti põlevkivimaardlas on salvestatud energiat 45 GJ maapinna ruutmeetri kohta.⁹ Nii suur kogus energiat saabub päikesekiirgusena 15 aasta jooksul, aga põlevkivilademe moodustumiseks kulus 15 miljonit aastat. Fossiilkütustesse salvestatud energia püsib seal, on üsna kergesti transporditav ja kasutatav kõikvõimalikes doosides välgumihklist gigavatiste elektrijaamadeni, mootorikütuseks muruniitjast naftatankeri ja lennukikandjani.

Sel aastal said Nobeli keemiaauhinna liitiumaku loojad.¹⁰ Liitiumaku on igas nutitelefonis, liitiumakuga auto võib sõita ühe laadimisega Tartust Tallinna. Liitiumakusse saab salvestada päeval päikesepaneeliga kogutud elektri pereelamu öisteks vajadusteks, aga ei saa koguda suvel kogu talveks ega ka mitte asulat või linna elektriga varustava tuulepargi toodetud elektrit elektrivajaduse katmiseks nädalase tuulevaikuse ajal. Fossiilkütusega lendav Airbusi lainer viib 600 reisijat 15 000 kilomeetri kaugusele, liitiumakudega pole see võimalik. Fossiilkütusest toodetud elektriga laetud liitiumakuga elektriauto aitab hoida linnaõhu puhtamana, aga ei vähenda fossiilkütuste kasutust.

Põksit ja tuumajaam

Kliimaentusiastide üleskutse lõpetada fossiilkütuste kasutamine ja Põksit Eestis on igati mõistetav, sest fossiilkütuste põletamisega atmosfääri viidav süsihappegaasi kogus ja selle mõju on tõepoolest murettekitav. Arvan, et tuult tööle panevate Angla tuulikute ehitajate poole vaadati tunnustavalt, mitte ei kogutud allkirju nende tuulikute keelamiseks ega peatanud tollased riigiisad nende ehitust. Tänaste tuuleparkide iga 10 MWh elektrit hoiab ära 2 tonni nafta või 3 tonni kivisöe või 13 tonni põlevkivi põletamise. Aga kuni pole võimalik taastuvenergia salvestamine tonni nafta ekvivalenti, mida saaks võtta, kui pole tuult ega jätku päikese soojust, pole ka võimalik täielik fossiilkütustest loobumine.

Nagu hüdroenergia või päikese- ja tuuleelekter, on süsinikuvaba ka tuumaenergia. Raskeid tuumi lõhustavad reaktorid toodavad maailmas 4,4% primaarenergiat. Raskete tuumade lagunemisel vabanev energia on kunagi salvestunud kosmiline energia. Raskeid tuumi ei teki Maal, see pole taastuv ressurss ning inimkonna energiavajadustega võrreldes ei ole tuumajaamas kasutatavate isotoopide varud sugugi piiramatud. Omaette probleem on tuumaohutus ja ka tuumaelektri hind. Tuumareaktorite ülisuur võimsus tähendab energiatootmise tohutut kontsentreeritust ja sellest tingitud energia jaotamisega seotud kulusid ja riske. Radioaktiivsed jäätmed vajavad kauakestvat ja pidevat käitlemist. Sellega seotud ja tuumajaama likvideerimise kulusid tuleb kanda veel palju aastaid pärast tuumajaama töö lõpetamist.

Septembris Bahama saari laastanud orkaan pühkis saarelt majad ja metsa, aga pärast tormi raugemist saab seal kohe alustada uute ja tugevamate majade ehitamist. Ainult ühe energiaploki purustanud avarii Tšornobõlis muutis inimpõlvedeks elamiskõlbmatuks mitu tuhat ruutkilomeetrit. Fukushima tuumaõnnetuse tõttu evakueeriti 154 000 elanikku, nende tagasipöördumine koju pole võimalik. Kiirete neutronitega töötavad neljanda põlvkonna tuumareaktorid on idee järgi väiksemad ja ohutumad, aga töötavad kõrgematel temperatuuridel ja vajavad kallimaid materjale. Niisuguste reaktorite ehitamine ja ekspluatatsioon on alles katsetuste faasis.

Inimajaloo mõistes piiramatud on tuumasünteesiks sobivate kergete tuumade varud. Vesinikupomm saab oma tohutu plahvatusjõu kergete tuumade sünteesil. Püüded kasutada energia saamiseks kontrollitavat kergete tuumade sünteesi on vist küll inimajaloo kalleim teadusprojekt. Hoolimata 60 aastat kestnud ponnistustest ei ole energia tootmine kergete tuumade sünteesiga majanduslikus mahus veel silmapiiril. Paradoksaalne on, et elektrit toodab kõrgtehnoloogiline tuumaelektrijaam nagu põlevkivielektrijaamgi auruturbiiniga, mis on kolm sajandit tagasi leiutatud aurumasina edasiarendus.

Ilma fotosünteesi ja auruturbiini vaheastmeteta toodavad päikesekiirgusest elektrit fotoelektrilised päikesepatareid, päikeseküttel puhuvat tuult ja voolavat vett elektriks muutvad elektrituulik ja hüdroelektrijaam. Ilma fotosünteesi vaheastmeta kasutavad päikeseenergiat kütteks vett soojendavad päikesepaneelid ja maasooja või õhusooja tuppa viivad soojuspumbad.

Eesti osa on 0,042% globaalsest energiakasutusest.¹¹ Põksit Eestis jääb globaalses arvepidamises täiesti märkamatuks ja lootusetult nende voogude mõõtmisvea piiresse. Siinse kirjutise kõigi arvandmete kohta võib infoallikatest leida ka teistsuguseid hinnanguid. Põlevkivi edasine kasutamine või Põksit on majandus- ja sotsiaalprobleem. Eestis kaevandatava põlevkivi asemel kuskil mujal toodetava fossiilkütuse kasutamine ei ole süsinikuneutraalsus ja viib süsihappegaasi atmosfääri ning mõjutab planeedi kliimat üsna samal viisil nagu põlevkivi põletamine.

Globaalsete energiaprobleemide lahendamises saab Eesti kaasa rääkida märksa tõhusamalt, kui Eesti teadlased aitavad luua efektiivsemaid ja odavamaid päikesepaneele, suurema kasuteguriga ja töökindlamaid elektrituulikuid, arendada energia salvestamist ja kasutamist vesiniku vahendusel, edasi arendada superkondensaatoreid, võib-olla leida uusi energia salvestamise võimalusi nanostruktuuridel või mingil muul praegu tundmata viisil, luua vähem energiat vajavaid seadmeid ja tehnoloogiaid, tõhustada kütteseadmete kasutegurit, parandada uute materjalidega odavamalt hoonete soojapidavust.

Need on valdkonnad ja tegevused, mille tulemus toob kulutatud euro tagasi alles aastate või aastakümnete pärast. Ilmekas näide on LED-lamp. Detektorraadio kristalldetektorile parima kristalli otsija märkas ühel kristallil sellest elektrivoolu läbi juhtides helendust. Tänapäeval võime paari euro eest osta kaubamajast kümnevatise LED-lambi, mis annab valgust sama palju kui sajavatine hõõglamp. Selleni jõudmiseks kulus ligi sada aastat teadlaste mõttetööd ja katsetusi. Aurumasinaga kolmerattalisest sõidukist viie liitri bensiiniga sada kilomeetrit sõitva autoni kulus 250 aastat.

Veel mõnikümmend aastat tagasi tundmatud interneti, mobiiltelefoni, mikrolaineahju ja veel palju-palju muud meie igapäevaelus on loonud teadlased, kes pole pidanud kogu vaimuenergiat kulutama oma olemasolu õigustamisele ja kulutatud krooni või sendi kohe tagasitootmisele. Miitingud, piketid ja loosungid aitavad juhtida probleemidele tähelepanu, aga ei paku lahendusi. Praeguste teadmiste ja tehnoloogiatega loobub inimkond fossiilkütuste kasutamisest siis, kui need saavad otsa. Et see juhtuks varem, selleks on vaja uusi avastusi ja leiutisi.

1 World2, World3 jt, Donella H. Meadows, Dennis L. Meadows, Jørgen Randers, William W. Behrens III, The Limits to Growth, A Report for the Club of Rome’s Project on the Predicament of Mankind. Universe Books, New York, 1972.

2 T. M. Gerlach, Present-day CO₂ emissions from volcanoes. Eos, Transactions, AGU, 72(23): 249–255, 2011.

3 Jaan Pelt, Naabreid otsimas. – Sirp, 23. VIII 2019.

4 BP Statistical Review of World Energy 2019, 68th edition.

5 C. B. Field, M. J. Behrenfeld, J. T. Randerson, P. Falkowski, Primary production of the biosphere: Integrating terrestrial and oceanic components. Science. 281(5374): 237–240, 1998.

6 Peter Stassen, an Earth and environmental scientist at KU Leuven, Slashdot. 21. III 2016.

7 Metsamajanduse teatmik. Koostanud Ivar Etverk. Valgus, Tallinn 1980.

8 Viivi Russak, Ain Kallis, Eesti kiirguskliima teatmik. EMHI, Tallinn 2003.

9 ENE

10 Nobeli auhinna keemias said sel aastal John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham ja Akira Yoshino liitium-ioonakude vallas tehtud arendustöö eest.

11 http://andmebaas.stat.ee