TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL
Arhitektuuri ja keskkonnatehnika teaduskond
Tehnoökoloogia õppetool
Villu Vares
ENERGIA ja KESKKOND
Konspekt
1
Villu Vares
Energia ja keskkond
Tallinn – 2012
2(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
SISUKORD
SISUKORD.............................................................................................................................................................3
SISSEJUHATUS....................................................................................................................................................5
1 ENERGIAKASUTUS JA MAAILMAS JA EESTIS........................................................................................6
1.1 ENERGIAKASUTUS MAAILMAS JA EESTIS........................................................................................................6
1.2 MAA
ENERGIAVARUD ....................................................................................................................................10
1.3 ENERGIASEKTORI KESKKONNAMÕJUD..........................................................................................................12
2 ENERGIAALLIKAD .........................................................................................................................................14
2.1 KÜTUSTE LIIGITUS........................................................................................................................................14
2.2 KÜTUSTE OMADUSED....................................................................................................................................15
2.2.1 Kütteväärtus....................................................................................................................................16
2.2.2 Tuha sulamiskarakteristikud...........................................................................................................17
2.3
NAFTA ...........................................................................................................................................................18
2.4 NAFTA ÜMBERTÖÖTAMINE...........................................................................................................................21
2.5 MAAGAAS.....................................................................................................................................................21
2.6 KIVISÖED......................................................................................................................................................23
2.7 MITTEKÜTUSELISED ENERGIAALLIKAD.........................................................................................................23
3 BIOMASSIPÕHISED KÜTUSED....................................................................................................................24
3.1 PUITKÜTUSED................................................................................................................................................25
3.1.1 Puitkütuste tootmine.......................................................................................................................26
3.1.2 Vääristatud puitkütuste tootmine....................................................................................................28
3.2
ROHTSED BIOKÜTUSED.................................................................................................................................30
3.3
TURVAS .........................................................................................................................................................31
3.3.1 Turbakütuste tootmine....................................................................................................................31
3.3.2 Vääristatud turbakütused................................................................................................................34
3.3.3 Turba kaevandamise keskkonnamõjud...........................................................................................34
4 PÕLEVKIVI.......................................................................................................................................................35
4.1 PÕLEVKIVI KAEVANDAMINE.........................................................................................................................35
4.2 PÕLEVKIVIÕLI TOOTMINE..............................................................................................................................35
5 SOOJUSELEKTRIJAAMAD...........................................................................................................................36
5.1 SOOJUSJÕUSEADMETE RINGPROTSESSID.......................................................................................................36
5.1.1
Carnot ‘
ringprotsess ........................................................................................................................36
5.1.2
Rankine ’i ringprotsess ..................................................................................................................37
5.1.3 Sisepõlemismootorid......................................................................................................................39
5.1.4 Otto ringprotsess.............................................................................................................................40
5.1.5
Diiselmootor . Dieseli ringprotsess ja segaringprotsess..................................................................41
5.1.6 Gaasiturbiinseadme Brayton‘i ringprotsess ...................................................................................43
5.2 AURUJÕUSEADMETEGA
ELEKTRIJAAMAD .....................................................................................................45
5.2.1 Aurugeneraatorid............................................................................................................................45
5.2.2 Tahkekütuse põletustehnoloogiad..................................................................................................46
5.2.3
Restkolded ......................................................................................................................................48
5.2.4 Tahke kütuse eelgaasistamisega soojusjõuseadmed.......................................................................54
5.2.5 Põlemise
soojuskaod ja kasutegur..................................................................................................56
5.2.6 Põlemisprotsessi efektiivsust iseloomustavad näitajad..................................................................57
5.2.7
Auruturbiinid ..................................................................................................................................58
5.2.8 Gaasiturbiinid.................................................................................................................................59
6 SOOJUSE JA ELEKTRI KOOSTOOTMINE ................................................................................................61
6.1
ELEKTRIENERGIA TOOTMISE JA SOOJUSE VAJADUSE SUHE...........................................................................61
6.2 VASTURÕHUTURBIINIGA AURUJÕUSEADE.....................................................................................................62
6.3 REGULEERITAVATE VAHELTVÕTTUDEGA AURUJÕUSEADE...........................................................................62
3(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
6.4 GAASITURBIINIGA KOOSTOOTMISJAAM........................................................................................................63
6.5
KOMBINEERITUD AURU-GAASITSÜKLIGA SEADE..........................................................................................63
6.6 SISEPÕLEMISMOOTORIGA KOOSTOOTMISE
SEADMED ....................................................................................65
6.7 KÜTUSEELEMENDID......................................................................................................................................67
6.7.1 Kütuseelementide tehnilised lahendused........................................................................................68
6.7.2
Vesinik kütuseelementide kütusena................................................................................................70
7 TAASTUVATE ENERGIAALLIKATE RAKENDAMINE..........................................................................72
7.1 BIOKÜTUSTE RAKENDAMINE.........................................................................................................................72
7.1.1 Biokütuste
laod ja edastamisseadmed............................................................................................73
7.1.2 Elektri ja soojuse koostootmine biokütuste baasil..........................................................................75
7.2 HÜDROENERGIA............................................................................................................................................78
7.3 TUULEGENERAATORID..................................................................................................................................80
7.3.1
Horisontaalse võlliga propellerturbiiniga tuulegeneraatori ehitus..................................................81
7.3.2 Tuulikute vähemlevinud tehnilised lahendused..............................................................................83
7.4 PÄIKESEELEKTRIJAAMAD..............................................................................................................................83
8 TUUMAELEKTRIJAAMAD ...........................................................................................................................86
9 ENERGIASÜSTEEMID JA NENDE TOIMIMISE MAJANDUSLIKUD ALUSED.................................91
9.1 KAUGKÜTTESÜSTEEMID................................................................................................................................91
9.2 ELEKTRIVARUSTUSE ENERGIASÜSTEEMID....................................................................................................93
9.2.1 Eesti elektrisüsteem........................................................................................................................94
9.3 GAASIVARUSTUS...........................................................................................................................................95
10 ENERGIASEKTORI KESKKONNAMÕJUD.............................................................................................96
10.1
KASVUHOONEGAASID JA KLIIMAMUUTUSED..............................................................................................96
10.2
GAASILISED JA
TAHKED HEITMED ...............................................................................................................96
10.3 KESKKONNAMÕJUDE LEEVENDAMISE VÕIMALUSED ................................................................................100
10.3.1 Tahkete osakeste püüdmine suitsugaasidest...............................................................................100
10.3.2 Multitsüklonid............................................................................................................................100
10.3.3
Kottfiltrid ....................................................................................................................................101
10.3.4 Elektrifiltrid................................................................................................................................102
10.3.5 Suitsugaaside kondenseerimine..................................................................................................102
10.3.6 Täiendavad meetmed kahjulike atmosfääriheitmete vähendamiseks.........................................104
10.4 SAASTEAINETE HEITKOGUSTE MÄÄRAMINE..............................................................................................105
11 KIRJANDUS...................................................................................................................................................107
12 LISAD..............................................................................................................................................................109
12.1 KASUTATAVAD ÜHIKUD............................................................................................................................109
12.2 ENERGIASTATISTIKA PÕHIMÕISTED..........................................................................................................109
12.3 ERIHEIDETE TABELID................................................................................................................................111
4(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
SISSEJUHATUS
5(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
1
ENERGIAKASUTUS JA MAAILMAS JA EESTIS
1.1
Energiakasutus maailmas ja Eestis Energiavajadus maailmas kasvab pidevalt ja sellega koos suureneb ka
primaarenergia kasutus
(vt Joonis 1 .1). Energiatarbimise kasvu mõjutab ühelt poolt rahvastiku juurdekasv ja
teiselt poolt majanduse kiire areng arengumaades. Energiavajaduse katmiseks kasutatakse kõige
enam naftat, kuigi nafta osatähtsus primaarenergiaga varustatuses on langenud
1971 . aasta
46,1% tasemelt 34%
tasemele 2007. aastal. Kivisöe osatähtsus primaarenergiavarustatus oli
2007. aastal 26,5%, maagaasil 20,9%, biokütustel ja jäätmetel 9,8%,
tuumaenergial 5,9%,
hüdroenergial 2,2% ja geotermaal-, tuule ja päikeseenergia kokku 0,7%.
Mtoe
Joonis 1.1 Primaarenergia varustatus maailmas ajavahemikus 1971–2009 Mtoe
* –
geotermaalenergia , tuul, päike
Kiiremini kui primaarenergia vajadus on maailmas kasvanud nõudlus elektri järele. Kui
1973.aastal toodeti maailmas 6 116 TWh elektrit, siis 2007. aastal juba 19 771 TWh – seega
üle kolme korra enam (vt Joonis 1 .2). Suur osa elektrist toodetakse maailmas
soojuselektrijaamades (2007. aastal 68%), sh kivisöel või turbal töötavates 41,5%,
naftakütustel 5,6% ja maagaasil 20,9%. Tuumajaamades toodeti 2007. aastal 13,8% elektrist,
hüdrojaamades 15,6%, geotermaal-, päikese-, tuule- biokütustel ning jäätmetel töötavates
elektrijaamades 2,6%.
Primaarenergiaga varustatuse osas erineb Eesti (vt Joonis 1 .3) märgatavalt mistahes
muust maailma piirkonnast, sest see baseerub umbes 60% ulatuses eesti põlevkivil. Kui lisada
põlevkivile teised kohalikud energiaallikad, sh turvas ja biokütused, saame kodumaiste
energiaallikate osatähtsuseks primaarenergia bilansis üle 70%, mis näitab Eesti suhtelist
energeetilist sõltumatust. Eestisse imporditakse
transpordis kasutatavad vedelkütused,
gaas ja
kivisüsi,
kusjuures viimase tarbimine on muutunud marginaalseks.
Väärib märkimist, et Eesti on muutunud vedelate katlakütuste importijast nende eksportijaks,
mis on
setud põlevkiviõli suureneva ekspordiga ja imporditava naftamasuudi tarbimise järsu
langusega.
6(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Elektri tootmisel on põlevkivi osatähtsus ülisuur ja viimastel aastakümnetel on
põlevkivielekter moodustanud 90 – 99,5% kogu tarbitavast elektrist. Nagu näitab järgnev
joonis (vt Joonis 1 .4), on Eestist elektrit väga olulisel määral ka eksporditud. Alates aastast
2010 on hakanud suurenema puitkütuste ja
tuuleenergia baasil
toodetava elektri osatähtsus,
mis vähendab mõnevõrra põlevkivielektri osatätsust.
Energiasektori seisukohalt on oluline ka see, kus ja mis
otstarbel energiat Eestis vajatakse.
Lisaks elektritarbimisele majandusharude kaupa (vt Joonis 1 .5) pakub huvi ka
soojustarbimine majandusharude kaupa (vt Joonis 1 .6).
TWh
Joonis 1.2 Elektri tootmine maailmas tootmisviisi ja energiaallikate kaupa ajavahemikus
1971–2007 TWh aastas
** – geotermaalelektrijaamad, päikese ja tuulejaamad, biokütustel ning jäätmetel töötavad
elektrijaamad
7(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
TJ
300 000
250 000
200 000
Põlevkivi&
biogaas , m ust
leelis Vedelad m ootorikütused
150 000
Vedelad katlakütused
Maagaas&
vedelgaas Puitkütused
Turvas
100 000
Kivisüsi&koks
Põlevkivi
50 000
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
50 000
Joonis 1.3 Primaarenergia varustatus Eestis ajavahemikus 1999–2009
14 000
Kaod võrkudes
12 000
Elektrijaam ade om atarve
Netoeksport
Tarbim ine
10 000
s 8 000
sta
a
a
h
W 6 000
G
4 000
2 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.4 Eesti elektribilanss ajavahemikus 1960–2009
Alates Eesti taasiseseisvumise ajast on
elektritarbimine jaotunud ligilähedaselt võrdselt kolme
majandusharu vahel: tööstus, kodumajapidamised ja muude majapidamisharude vahel,
kusjuures „muude“ all mõistetakse statistikas
teenindust ja avaliku halduse hoonete
8(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
energiakasutust. Põllumajanduse ja transpordi elektrikasutus on praegu suhteliselt
tagasihoidlik , kusjuures eelmise sajandi kaheksakümnendatel aastatel oli põllumajanduse
elektritarve suurem kui kodumajapidamistes ja nn muudes majandusharudes kokku.
Väga drastiliselt on viimase viiekümne aasta jooksul muutunud nii soojustarbimine
tervikuna kui selle jaotus majapidamisharude kaupa(vt Joonis 1 .6). Eelmise sajandi
kaheksakümnendate aastate soojustarbimine oli 21. sajandi esikümne aastatega võrreldes
umbes kaks ja pool korda suurem, seejuures tööstuses isegi üle nelja korra suurem. Enim
tarbivad soojust kodumajapidamised (2009. aastal 42% toodetud soojusest), järgnevad tööstus
koos ehitusega 27%, muud
majandusharud 19% ja põllumajandus 1%. Kaod soojusvõrkudes
on statistika andmetel langenud 11% tasemele.
Soojustarbimise statistilise andmestiku
kasutamisel tuleb silmas pidada asjaolu, et
lokaalkatlamajades ja
kohalikes kütteseadmetes toodetud soojust ei käsitleta statistikas
toodetud soojusena. Statistika käsitleb „soojusena“ ainult müüdud ja ostetud soojust, seega
lokaalkatlamajades ja kohalikes kütteseadmetes kasutatakse kütuseid küll soojuse saamise
eesmärgil, kuid statistikas kajastatakse seda kütuste (ja mitte soojuse!) lõpptarbimisena.
Joonistel (vt Joonis 1 .1 – Joonis 1 .6) esitatud energiastatistilisi andmeid saab värskendada
veebipõhiste statistika andmebaaside abil, mida uuendatakse keskmiselt kord aastas ja mille
baasil koostatakse statistilisi aastaraamatuid. Kogu maailma hõlmava
jooksva energiastatistikaga on
soovitav tutvuda Rahvusvahelise Energiaagentuuri (
International
Energy Agency – IEA) veebist allalaetavate publikatsioonide
Key World Energy Statistics või
eriti põhjaliku
World Energy Outlook kaudu. Euroopa Liidu energiastatistika värskeid
andmeid saab leida statistikaagentuuri
Eurostat ’i energiaportaalist.
Eesti
statistilised andmed, sh ka energiastatistika, on väga mugavalt kättesaadavad Eesti
Statistikaameti veebipõhisest andmebaasist [19], kusjuures kasutaja võib ise välja valida teda
huvitavad andmed ja vaadata neid kas
monitori ekraanil või
laadida oma
arvutisse .
8 000
Muud m aj andusharud
7 000
Kodum aj apidam
ised Transport
Põllum ajandus
Tööst us j a ehitus
6 000
5 000
s
sta
a 4 000
a
h
W
G
3 000
2 000
1 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.5 Elektritarbimine Eestis majandusharude kaupa ajavahemikus 1960–2009
9(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
30 000
Kadu soojusvõrkudes
25 000
Muud m aj andusharud
Kodum ajapidam ised
Põllum ajandus
Tööst us ja ehitus
20 000
s
sta
a 15 000
a
h
W
G
10 000
5 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.6 Soojustarbimine Eestis majandusharude kaupa ja kaod soojusvõrkudes
ajavahemikus 1960–2009
1.2
Maa energiavarud
Energiavarude hulka loetakse tavaliselt need varud, mida on sel ajal kehtivate piirangutega
tehniliselt võimalik kasutusele võtta. Kuigi kehtivad piirangud ja keskkonnakaitselised
nõuded karmistuvad pidevalt, suurenevad samaaegselt tehnilised võimalused energiavarude
ohutuks kasutuselevõtuks. Seetõttu on maa energiavarude suurus ajas muutuv.
Energiavarusid jagatakse taastuvateks ja taastumatuteks.
Taastumatute energiavarude hulka
kuuluvad aegade jooksul maapõues moodustunud fossiilsed kütused, samuti tuumkütused.
Suurem osa inimkonna energiavajadusest kaetakse praegu taastumatute energiaallikatega,
mille hulka kuuluvad kivisöed ja pruunsöed, põlevkivi, nafta ja õliliivad ning maagaas.
Enamikes riikides loetakse ka turvas taastumatute fossiilsete kütuste hulka, kuigi turba
moodustumine on pidev protsess ja kaevandamine toimub juurdekasvu ulatuses.
Maailma energiavarude võrdlemisel aastase tarbimisega (vt Tabel 1 .1, Tabel 1 .2 ja Tabel 1
.3) selgub, et fossiilkütustest
ammendub kõige kiiremini praegustes tingimustes kasutatavaks
hinnatud naftavaru (umbes 40 aastaga). Aasta aastalt paranevad aga kütuse ammutamise
tehnilised võimalused seni probleemseteks peetud geoloogilistes ja klimaatilistes oludes, mis
lubab täiendavat varu järk järgult ümber hinnata kasutatavaks
varuks ja isegi kasvava
tarbimise tingimustes peaks naftavarusid jätkuma pikemaks kui 40 aastaks, samas on
paratamatu selle hinna pidev tõus. Kivisöevarud on naftavarudest märgatavalt suuremad ja
seetõttu püsib kivisöe hind suhteliselt stabiilsena juba pika aja jooksul.
Taastuvate energiaallikate kasutamine jääb võrreldes
kasutatava varuga väga väikeseks, seega
oleksid varud piisavad inimkonna energiavajaduse täielikuks rahuldamiseks. Kahjuks on
taastuvenergia
rakendamise tehnoloogiad ressursimahukad ja lähiajal pole fossiilkütuste
põletamisest loobumine veel võimalik.
10(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Tuumkütustest on seni kasutatavad
uraan ja
toorium , mille varud on suhteliselt suured, kuid
edusammud
termotuumareaktsiooni (nn tuumafusiooni) rakendamise valdkonnas
võimaldaksid kasutusele võtta praktiliselt piiramatud raske vee (deuteeriumi) varud. Praegu
on tuumafusiooni suudetud rakendada vaid katseseadmetes ja lähiajal selles valdkonnas kiiret
progressi prognoosida ei ole võimalik.
Tabel 1.1 Maailma fossiilkütuste varud ja tarbimine 2003.a seisuga
Kasutatav varu
Täiendav varu
2003. aasta toodang
EJ
EJ
EJ
Kivisüsi
68 527
90 421
114
Pruunsüsi
11 108
74 653
17
Nafta
6 184
38 103
152
Maagaas
4 895
11 724
88
Turvas
2 052
8 265
1
Põlevkivi ja õliliivad
147
5 862
1
Fossiilkütused kokku
92 913
50 punkti
~ 113 lehte
39 laadimist
0 arvamust 
Kõik kommentaarid