Kas naftat on üldse vaja?

Nafta on nüüdisaja maailma üks tähtsamaid olluseid, kuid olukord pole väljapääsmatu.

"Naftasõltuvus" - nii tavatsetakse nimetada seisundit, milles minusugused Lääne inimesed elavad. See võib ju ollagi tõsi kodanike puhul, kes liiklevad kesklinna ja magalate vahet hiiglaslike linnamaasturitega, kuid mina sõidan autoga haruharva ja pealegi on minu oma pisitilluke. Pole ometi võimalik, et mul oleks naftasõltuvus.

Kummatigi see pilt muutub, kui ma vaatan oma kodus ringi. Kui poleks naftat - pauh! - kaoks seintelt värv. Vannitoa põrandalt haihtuks vinüül. Dušikardinat ja segistit poleks samuti nagu olnudki. Kogu mu kosmeetika ja tualett-tarbed ühes pakenditega oleksid nagu peoga pühitud. Kuna šampoon ja seep on läinud, oleksid isikliku hügieeniga täbarad lood.

Sama saatus tabaks mu elatusvahendeid: arvuti, klaviatuur, printer, telefon - ühtki neist poleks olemas, kui poleks naftast toodetud plastmasse. Kõik elektri- ja telefonijuhtmed oleksid hoobilt paljad. Neile, kelle tervis sõltub naftast sünteesitud ravimitest - näiteks suhkruhaiguse, kõrgvererõhu või depressiooni all kannatajatele - oleks nafta puudumine lausa eluohtlik.

Naftas sisalduvale süsinikule rajaneb triljonidollarilise käibega naftakeemiatööstus, mis annab meile lõpmatu hulga tööstuskaupu ja majatarbeid - värve, plastmasse, ravimeid, liime, määrde-, maitse- ja lõhnaaineid ning palju muud. Ometi ei pruugi see kõik enam kauaks nii jääda. Oleme asunud peale kütuste ise kasvatama ka keemiatööstuse toorainet.

Biomaterjalid, mis juba katavad osa meie bensiini- ja diiselkütusevajadusest, võivad üsna peatselt hakata asendama ka teisi naftasaadusi. Juurutamisel on uued biomassi töötlemise meetodid, mille kasutuselevõtt võimaldaks asendada senised traditsiooniliselt naftapõhised tooted. Need lahendused ühes uute komplekssete elamute kütmise ja transpordi korraldamise strateegiatega näitavad meile teed naftavabasse tulevikku.

Säärase tuleviku poole seavad sihte üha uued ja uued riigid. Sedamööda, kuidas kliimamuutusest saab üha selgemalt üleilmne prioriteet, on valitsused hakanud otsima võimalusi vähendada meie igapäevast, 80 miljoni barreli nafta tarbimisel atmosfääri paisatavat süsinikdioksiidi kogust. Näiteks Rootsi kavatseb saavutada sõltumatuse naftast 2020. aastaks, loobudes kütteõli põletamisest ja vähendades poole võrra naftasaaduste kasutamist transpordis. Ka vähem rohelise mõtteviisiga riikides on sõltuvuse vähendamine importnaftast kujunemas riikliku julgeoleku põhiküsimuseks.

Olenevalt sellest, kellelt küsida, öeldakse, et naftatootmise lagi jõuab kätte millalgi tänavuse ja 2030. aasta vahel. Nafta hind on juba tõusnud 2001. aasta 25 dollarilt barreli eest ligi 70 dollarini, mis sunnib tarbijaid ja ettevõtteid otsima alternatiivseid kütuseid ja keemilise sünteesi tooraineid.

Naftale on raske leida võrdset. Pole sugugi juhus, et kasutame seda niihästi veokite, lennukite ja autode käivitamiseks kui ka majade kütmiseks: tegu on äärmiselt mugava ja kompaktse energiakandjaga. Niisama mugav on kasutada naftat keemiatööstuse toorainena. Naftas leiduvad süsinikku sisaldavad molekulid on hõlpsasti aurustuvad ja mitmesuguste katalüsaatorite abil kombineeritavad. See omadus innustas keemikuid terve inimpõlve vältel neid molekule aina uutmoodi kokku klapitades välja töötama üha uusi kasulikke materjale, millest tänapäeval saab valmistada kõike alates kuulivestidest ja lõpetades hambaharjadega .

Peaaegu 90 protsenti maa seest tulevast naftast läheb kütuseks, seega peab ükskõik milline naftast loobumise strateegia pakkuma eelkõige alternatiive just selles vallas. Osa energiaallikaid, nagu näiteks vesinik, tuumareaktsioon ja tuul, ei pea üleüldse olema süsinikupõhised.

Keemiatööstuses kasutatav 3,6 protsenti naftast on aga hoopis omaette probleem. Siin on
nafta ainult toormeks meie nii harjumuspärastele süsinikupõhistele materjalidele. Nafta tähtsusest selles funktsioonis kõneleb fakt, et USA turul on naftakeemiasaaduste käive dollarites umbes niisama suur kui kogu transpordile kuluva mootorikütuse oma. Kust siis tuleb kogu see süsinik, kui pole naftat? "Kui me tahame üle minna jätkusuutlikule süsteemile, siis jääb ainult üks võimalus - biomaterjalid," vastab Iowa Amesi ülikooli keemik Brent Shanks.
Pilguheit naftatöötlemise ajaloole annab aimu ka sellest, mis juhtub edaspidi.

20. sajandi keskpaiku hakkasid vedelkütuste tootjad otsima võimalusi nafta utmisel vabanevate jääkgaaside ärakasutamiseks.

Utmisprotsessi käigus tekib hulgaliselt süsinikku sisaldavaid molekule, millest mõned - eteen, propeen ja benseen - leidsid kasutust arenevas naftakeemiatööstuses. Nende molekulide reageerimisvõime ja suurus tegi neist käepärased "ehitusmaterjalid" paljude uute ühendite sünteesimisel. "Kogu edaspidine areng sai alguse nendest esimestest ühenditest," selgitab Shanks.

Tänapäeva biokeemiatööstus liigub sama rada. Kuigi nende peamine eesmärk on biokütuste tootmine, uurivad tootjad eri biomassidest kütuse valmistamisel tekkivaid kõrvalsaadusi ja arutlevad, mida nendega peale hakata. Süsivesinike asemel on nende käsutuses taimsed suhkrud, tärklised, rasvad ja valkained. "Ma usun, et mõnekümne aasta jooksul tekib meil oskus ja võimalus valmistada peaaegu kõiki vajaminevaid materjale taimsest toorainest," ütleb Michigani ülikooli keemik Bruce Dale. Osa aineid sünteesitakse ensüümide ja geneetiliselt muundatud mikroorganismide abil, teisi hakatakse valmistama traditsioonilises keemiatööstuses tuntud anorgaaniliste katalüsaatorite abil, ennustab ta.

Biomassiks kõlbab kõik alates maisist, suhkruroost, rohttaimedest, puidust ja sojaubadest ning lõpetades merevetikatega. Vajamineva biomassi suhteliselt tagasihoidlik kogus lubab tööstusliku toormena kasutada maisi või muid taimseid toidukultuure, ilma et tekiks nõudluse ülekuumenemine tooraineturul, nagu juhtus maisist toodetava etanoolkütuse juurutamisel USAs, arvab Shanks. "Biomassipõhiste ühendite turule toomine ei toimuks sugugi toidukultuuride arvelt."

Teatavaid ühendeid on võimalik saada isegi loomsest toorainest. Juba praegu toodab üks firma, Changing World Technologies, 225 tonnist toiduks kõlbmatutest kalkuni sisikondadest 500 barrelit õli päevas, peale selle vett, mineraale ja kontsentreeritud lämmastikväetist.

Tootmisprotsessis kuumutatakse roiskmass kõrge temperatuurini ja töödeldakse kõrgrõhul, matkides nafta looduslikku tekkeprotsessi maa all.

Biomassi kasutuselevõtuks on kaks peamist motiivi, ütleb Minneapolises baseeruva agrokeemiaettevõtte Cargill biotööstusdivisjoni peadirektor Jim Stoppert. "Esiteks see, et süsiniku hind on järsult tõusnud. Teiseks see, et paljud kliendid on hakanud eelistama keskkonnasõbralikke alternatiive."

Stoppert on pidanud läbirääkimisi mööblitoo tjatega, kes soovivad saada biomaterjalist vahtu madratsite täidiseks - selline on tellijate nõue. Ta rõhutab, et aastakümneid kestnud protsessiarendus on juba muutnud naftakeemiatööstuse äärmiselt efektiivseks, mis ei jäta firmadele kuigi suurt mänguruumi süsiniku hinnatõusu kompenseerimiseks. Seevastu on biomassi töötlemise tehnoloogiad veel üsna algelised, niisiis on siin peidus suuri võimalusi parandada efektiivsust.

Ka valitsused nõuavad tööstusettevõtetelt tarbitavate naftakoguste vähendamist ja rohelisemaid lahendusi. Aastaks 2025 tahab USA energeetikaministeerium jõuda sinnamaale, et veerand tööstusliku orgaanilise keemia saadustest valmib biomassist.

2004. aastal valminud energeetikaministeeriumi raport loetleb kaksteist kõige olulisemat biomassis sisalduvatest suhkrutest saadavat ühendit, millel raporti hinnangul on potentsiaali saada nüüdisaegse biosünteesi eteenideks, propeenideks ja benseenideks - need on molekulid, mis edaspidi hakkavad asendama naftakeemiatööstuse põhikomponente. Tänavu märtsis teatas Prantsuse firma Agro Industrie Recherches ja New Yorgis asuva ettevõtte Diversified Natural Products (DNP) ühisettevõte BioAmber kavatsusest ehitada Prantsusmaale Pomacle'isse tehas, mis hakkab tootma etanooli ja üht neist kaheteistkümnest olulisimast komponendist, merevaikhapet. Merevaikhappest saab valmistada lahusteid, värve, liime, ravimeid ja muid seni naftapõhiseid tooteid. Suhkrut hakatakse Pomacle'is asuvas tehases valmistama nisust. Nagu selgitab DNP esindaja Dulim Dunwila, leiab etanooli tootmise kõrvalsaadusena tekkiv süsinikdioksiid kasutust merevaikhappe tootmisel hapnikuvabas fermentatsiooniprotsessis. "Meil on võimalik rajada biotööstus, mille õhku paisatav CO2 kogus on null," ütleb ta.

Kõigi naftatöötlemistehasega toodud paralleelide kõrval on olemas ka mõned radikaalsed erinevused. Nafta kujutab endast taimset ollust, mis on miljoneid aastaid rõhu all olles laagerdunud täiesti teistsugusteks molekulideks, kuna aga värske taimne ollus sisaldab kõiki taime enda sünteesitud elutegevuseks vajalikke ühendeid. Sellistel ühenditel võib olla ka tööstuslikku tähtsust: näiteks mõned neist on juba valmis polümeersed ahelad. Mõnel juhul on taimsetel valmisühenditel väärtust lõhna- ja maitseainete ning toidulisanditena.

Biomolekulide väärtus avaldub eriti selgelt ravimi­tööstuses, kus paljudel juhtudel on eriti oluline molekulide struktuuriline kiraalsus ehk "käelisus". Traditsioonilise sünteesi käigus saadud molekulides on pooltel keemilised rühmad paigutunud aatomi ümber ühtmoodi, pooltel aga vastupidi, peegelpildis - mõnikord nimetatakse neid molekuli "paremaks" ja "vasakuks" teisendiks. Biosüsteemid aga valmistavad sageli ainult üht neist kahest versioonist ning paljude ravimite tootmisel saab kasutada neist samuti ainult üht, sest peegelversioon ei anna soovitud tulemust või põhjustab drastilisi kõrvaltoimeid. Niisiis on taimses toormes - erinevalt naftakeemiast, kus enamik ühendeid saadakse väiksemate osade kokkusidumise teel - juba olemas teatavate väärtuslike ühendite "koorekiht", mis on võimalik sealt enne lagundamist ja uute molekulide sünteesimisprotsessi eraldada.

Esimesed biokeemiatööstuse saadused on juba turul. Illinoisi osariigis Decaturis tegutsev põllumajandushiiule Archer Daniels Midland kuuluv maisist etanooli valmistav tehas sünteesib kütuse valmistamisel tekkivatest eri kõrvalsaadustest rohkem kui 20 toodet. Nende hulka kuuluvad mitmesugused siirupid, piim- ja sidrunhapped, amino­happed ja tööstuslikud tärklised.

Kasutust leiavad need pesemisvahendites ja loomasöödas, samuti toidu­lisandite valmistamisel. Enamik maisist etanooli tootvaid tehaseid valmistab kõrvalsaadustest loomasööta. Ka suhkrupeeditööstused ja paberivabrikud oskavad kõrvalsaadusi hästi ära kasutada.

Cargill on välja töötanud meetodi sojaubadest biodiisli valmistamisel tekkiva glütserooli põhjal propüleenglükooli tootmiseks, mis leiab kasutust kosmeetika, määrdeainete, antifriiside ja mõningate plastide valmistamisel. Brasiilia firma Dedini aga on ehitanud tehase, kus toodetakse ühtaegu nii etanooli kui ka biodiislit. Tavaliselt taimsetest õlidest biodiisli valmistamiseks kasutatava fossiiltoormest metanooli asemel kasutatakse siin biomassist saadavat etanooli. Sama meetodi kasutuselevõttu kaalub BioAmber.

Bioloogia kui päästerõngas
Cargill valmistab sojaõlist ka polüoole, millest toodetakse polüuretaane, mis omakorda on tooraineks vahtude, liimide, värvide, lakkide ja mitmete muude kemikaalide valmistamisel. Arvestades, et kogu Ühendriikide sojaoasaak võimaldab rahuldada ainult ligikaudu kuus protsenti riigi diisel­kütusevajadusest, on Shanks seisukohal, et sojaõli sobibki paremini biosünteesi tooraineks kui diiselmootorites ärapõletamiseks.

Biotoormele tähelepanu pööravad ettevõtted ei peagi alati silmas naftasaaduste üks-ühele asendamist. "Juba olemasolev toode konkureerib turul hinnaga," ütleb keemiatööstusgigandi DuPont biotehnoloogia haru asepresident John Pierce. "Biosünteesi abil on tihti võimalik luua uusi materjale, mille eest võib küsida senisest kõrgemat hinda, aga enne tuleb luua neile turg."

Hea näide on siinkohal DuPonti polümeer Sorona, mida turustatakse tekstiilitööstusele vaipade ja rõivaste valmistamiseks. Firma väitel on materjal määrdumiskindel, teistest polümeeridest paremini värvitav ja vastupidav ultraviolettkiirgusele. Selle nailonitaolise kiu omadused huvitasid DuPonti juba mitukümmend aastat tagasi, probleem oli aga selles, et kahest komponendist ühe, 1,3-propaandiooli (PDO) sünteesimine oli liiga kulukas. Siis aga tuli ühele aine molekulaarset struktuuri uurinud keemikule Pierce'i sõnul idee, et seda võiksid valmistada ka mikroobid. Nüüd kasutab firma toorainena maisi­suhkrut, mille tõttu nende toode on ligi 40 protsendi ulatuses bioloogiline; teist komponenti sünteesitakse endiselt naftast. Praegu tegeleb DuPont selle "Bio-PDO" kasutusala laiendamisega, lisades seda ühesse juba tootmises olevasse plasti, mis on mõeldud mitmesuguste valudetailide valmistamiseks. "Me küsime endalt pidevalt, kuhu veel oleks võimalik biomaterjale sisse tuua," ütleb Pierce.

Kogu maailmas toodab hulk firmasid sajaprotsendilisi bio­plaste, mida kasutatakse laialdaselt pakendamisel ning mille tooraineks on maisist saadud biolagunevad piimhappepõhised polümeerid. Üks sellistest firmadest, Minneapolises baseeruv NatureWorks, reklaamib end kui esimest "süsinikuvaba" polümeeritootjat - ehkki oma väite õigustamiseks peab ettevõte ostma tootmises kulutatava süsinikupõhise kütuse tõttu heitmekvooti. Firma enda väitel ületab nõudmine nende tootmisvõimsused (New Scientist, 7. aprill, lk 37). Sedalaadi toodete suure menu üks põhjusi on ka jaekaubandushiiglase Wal-Mart hiljuti välja käidud looduss&a mp;a uml;ästliku pakendi algatus. Nüüd, kui piimhappe- ja PDO-sarnased toorained on konkurentsivõimelise hinnaga saadaval, tahavad firmad teada nende teisigi kasutusvõimalusi. Piimhappe puhul näiteks tulevad kõne alla lahustid, immutusmaterjalid ning ka antifriisid.

Sedalaadi näited on ilmekas tõend biomassi töötleva tööstuse sammhaaval toimuvast arengust, mis vägagi meenutab naftakeemiatööstuse alguspäevi 80 aastat tagasi. "Paralleele on palju," kinnitab Stoppert. "Iga järjekordne ajurünnak tekitab teadlaste hulgas elevust, sest tegu on täiesti uue teadusega."

Mõnedki vaatlejad väidavad, et biosünteesivaimustus hääbub niipea, kui ettevõtted hakkavad mugavalt biotoormest valmistatavate saaduste juurest edasi liikuma ja avastavad, et paljude teiste hädavajalike kemikaalide valmistamine on nafta osaluseta äärmiselt keeruline. "Mulle tundub, et liiga sageli arvatakse või loodetakse, et "äh, võtame paha nafta asemele midagi muud", aga ma olen päris kindel, et ka saja aasta pärast valmistatakse keemiatooteid ikka veel naftast," räägib Pierce.

Mõnede naftatoodetega on väga raske konkureerida. Gaasiline eteen - üks peamisi keemilise sünteesi naftapõhiseid algmaterjale - on endiselt nii odav, et vahel keemiatehased lihtsalt põletavad seda.

Biokeemiatööstus seisab silmitsi samade ülesannetega nagu biokütuste tootminegi: vajadusega lagundada taimses massis sisalduv tselluloos ja ligniin suhkruteks ja teisteks töödeldavateks lähteaineteks. Veekeskkonnas kulgeva protsessi käigus, mida seejuures tõenäoliselt kasutatakse, on vajalike ainete eraldamine keerukam kui naftakeemias kasutatava destillatsioonmeetodiga. Pealegi puudub biomassist saadavate keemiatoodete juurutamiseks Ühendriikides see võimas materiaalne stiimul, mis on biokütustel - neile ei maksta riigi dotatsiooni.

Samas on biokeemiatööstusel naftakeemiatehaste ees oluline eelis - see on kasumlik juba märksa väiksemate tootmismahtude juures. Nii ehitus- kui ka tootmiskulud on väiksemad, sest tootmine toimub madalamal temperatuuril ja väiksema rõhu all kui naftakeemiatehases - niisiis on tootmishooneid kergem rajada. Traditsioonilised naftautmistehased maksavad sedavõrd palju, et neid on USAs alla 150 ja kogu maailmas kõigest ligikaudu 720. Samas on juba ainuüksi USAs praegu 120 etanoolitehast. "Neil pole vajagi tulla suure käraga ja ähvardada kohe äri üle lüüa," ütleb Pierce.

Tegelikult on kõik asjaosalised ühel meelel selles, et otsustav tegur on hind. "Kui nafta hind kukub 10 dollarile barreli eest, siis me arvatavasti unustame kogu selle teema mõneks ajaks ära," ütleb Shanks. Nafta hinna edasine tõus aga muudaks paljud seni kulukana tundunud lahendused ühtäkki tasuvaks. "Kui barrel kerkib 75 dollari peale," ütleb Stoppert, "siis võib juhtuda palju huvitavat." Vahest vabanen ka mina siis lõplikult oma naftasõltuvusest.

Jessica Marshall on Minnesota osariigis St Paulis elav vabakutseline ajakirjanik.