Referaat ,,Maasoojusenergia kui energiaressurss'' (0)

Referaat ,,Maasoojusenergia kui energiaressurss'' 



TALLINNA ÜLIKOOL Loodus- ja terviseteaduste instituut Keskkonnakorraldus (Nimi) MAASOOJUSENERGIA KUI ENERGIARESSURSS referaat aines keskkonnafüüsika (Koht, kuupäev)


SISUKORD SISUKORD 2 SISSEJUHATUS 3 1. MAASOOJUSENERGIA KUI LOODUSRESSURSS 4 2. MAASOOJUSENERGIA KASUTAMINE 5 2.1 Maasoojuspump 5 2.2 Maasoojusenergia liigid 6 2.2.1 Maakollektor 6 2.2.2 Soojuspuurauk ehk energiakaev 6 2.2.3 Põhjavesi: vertikaalne avatud puurkaevusüsteem 7 2.2.4 Veekollektor 7 3. MAASOOJUSENERGIA JA KESKKONNAMÕJU 9 KOKKUVÕTE 10 KASUTATUD ALLIKAD 11 2


SISSEJUHATUS 21. sajandi üks suurimaid väljakutseid on piisava energia tootmine nii arenenud kui ka
arengumaade majanduse toetamiseks (Duffield & Sass, 2003). Energiaallikaid jaotatakse
taastumatuteks (näiteks nafta, maagaas, kivisüsi, põlevkivi ja turvas) ja taastuvateks (näiteks
päikeseenergia, tuuleenergia, hüdroenergia ja maasoojusenergia). Taastumatute energiaallikate probleem seisneb selles, et üha enam kasvab tarbimine, mis toob endaga kaasa
selle, et ühel hetkel saab see energiaallikas lihtsalt otsa. Siit tulenebki vajadus ja nõudlus
taastuvate energiaallikate järele. Üheks lahenduseks on energia ammutamine maa
sisesoojusest. Inimesed on maa soojust põllumajanduslikel, puhke- ja tööstuslikel eesmärkidel ära
kasutanud juba alates ammustest aegadest (Duffield & Sass, 2003). Kaasaegne tehnoloogia
on suurendanud geotermiliselt kuumutatud vedelike kasutamist drastiliselt, mille tulemuseks
on ülemaailmne geotermilise energia tootmine üle 10 000 megavati aastas. (Duffield & Sass,
2003). Tänapäeval võivad puurid tungida maa sisse tuhandete meetrite sügavusse , otsides
geotermaatilisi ressursse. (Duffield & Sass, 2003) Maa sisemus sisaldab piisavalt soojust, et
katta ära märkimisväärne osa maailma energiavajadusest (de Bruijn jt, 2021). 3


1. MAASOOJUSENERGIA KUI
LOODUSRESSURSS Geotermaalenergia ehk maasoojusenergia tekib päikeseenergia salvestumisel maapinda või
Maa sügavusest leviva soojusena (Eesti Geotermaalenergia Assotsiatsioon, n.d.).
Maasoojusenergiat leidub kõikjal maa pinna all, kuigi kõrgemad temperatuurid on koondunud
aktiivsete või geoloogiliselt noorte vulkaanidega piirkondadesse. Kuigi ressurss on pigem
soojusenergia kui füüsiline aine nagu kuld või kivisüsi, on paljud geotermilise energia
aspektid analoogsed mineraalsete ja fossiilkütuste ressursside omadustega. (Duffield & Sass,
2003) Puuraukudes, kaevandustes ja muudel kaevetöödel tehtud mõõtmised näitavad, et maapinna
sügavnedes tõuseb ka temperatuur. Seega, keskmisest suurema soojusvooludega tsoonid on
kõige tõenäolisemad kohad, kus kõrged temperatuurid võivad olla sellisel sügavusel maa
sees, mil on neid võimalik ära kasutada maasoojusenergia näol. (Duffield & Sass, 2003) Ehkki geotermilist energiat nimetatakse mõnikord taastuvenergia ressursiks, on see mõiste
mõnevõrra eksitav, kuna igas konkreetses hüdrotermilises süsteemis saadaolevat sooja vett,
auru ja soojust saab kiiremini välja võtta, kui neid looduslikult täiendatakse.Täpsem on
pidada geotermilist energiat säästvaks ressursiks, mille kasulikkust saab optimaalse
tootmisstrateegia ja -meetodite abil pikendada või säilitada. (Duffield & Sass, 2003) 4


2. MAASOOJUSENERGIA KASUTAMINE Sajandeid on inimesed ära kasutanud geotermilisi eeliseid kuumaveeallikate näol, kuid alles
20.sajandi jooksul saavutatud tehnoloogiliste edusammude abil on inimesed võimelised
kasutama seda maa alust energiaressurssi mitmel eri moel, näiteks elektri tootmiseks.
(Duffield & Sass, 2003) Elektrienergiat toodetakse maasoojusenergia abil 24 riigis, millest viis toodavad 15-22% oma
riigi elektritootmine maasoojusenergiast. Selle energia otsesest kasutamisest (näiteks
kütmiseks) on teatanud 72 riiki. 2004. aastal oli maasoojusenergia ülemaailmne kasutamine
57 TWh aastas elektrienergia kohta ja 76 TWh aastas otseseks kasutamiseks. (Bertani, n.d.)
Joonisel 1. on näha neliteist riiki, kus toodetakse kõige rohkem elektrit geotermilise energia
abil. Geotermilise energia abil toodetakse elektrit kõige rohkem El Salvadoris, Kenyas,
Filipliinidel ja Islandil. Joonis 1. Riigid, kus toodetakse kõige rohkem elektrit geotermilise energia abil. (Bertani,
n.d.) Maasoojusenergiat saab kasutada nii maa- kui ka linnapiirkondades soojuse pakkumise
baasallikana, kasutades kohalikku ja säästvat soojust. Siiski on investeerimiskulud
tavapärastest soojusallikatest oluliselt kõrgemad, eriti puurimisega seotud kulude ja riskide
tõttu. (Ciapała jt, 2021) Maasoojusenergia abil elektri tootmiseks puuritakse maa-alustesse reservuaaridesse kaevud,
mis on mõnikord ka sügavamal, kui 1 kilomeeter, selleks, et juhtida elektrigeneraatoritega
ühendatud turbiinide abil auru ja väga kuuma vett. Esimene geotermiliselt toodetud elekter
toodeti 1904. aastal Itaalias Larderellos. (National Geographic, n.d.) 5


Eestis on võimalik madalatemperatuurilist maasoojusenergiat rakendada juba ca. 1 meetri
sügavusel maapinnas, maasoojuspumpade abil. Kõrgetemperatuurilise geotermaalenergia
potentsiaali Eestis uuritud ei ole, kuigi mitmed suurriigid rakendavad seda edukalt
soojusenergia ja elektri tootmiseks. (Eesti Geotermaalenergia Assotsiatsioon, n.d.) 2.1 Maasoojuspump Maasoojuspumbad on üheks kõige laiemalt ja kiiremini levinud rakendusi taastuvenergia
maailmas. Need esindavad üsna uut, kuid juba välja kujunenud tehnoloogiat: maa sisemusse
salvestunud tohutud energiahulgad. Selline maasoojusenergia otsene kasutusviis , mil
maapinnas või põhjavees on suhteliselt konstantse temperatuur vahemikus 4°C kuni 30°C, on
saadaval kõikjal maailmas: ruumi kütmiseks ja jahutamiseks, sooja vee kättesaadavus
kodumajapidamises, koolides, tehastes, avalikes ja kaubanduslikes hoonetes. (Bertani, n.d.) Maasoojuspumba kasutamiseks on vajalik sobiva madalatemperatuurilise soojusallika
olemasolu. Maasoojuspump kasutab soojusallikana maapinda, pinnase ülemisi kihte või
lähedal asuvat veekogu. Näiteks meetri sügavusel maapinnas on temperatuur üsna konstantne
(4 – 12 °C). Ideaalsel soojusallikal on kütteperioodil kõrge ja stabiilne temperatuur, sest
temperatuurist olenevad külmutusagensi keemistemperatuur aurustis, temperatuuritõus
soojuspumbas ning tehnilised näitajad. (Maaküte.info, n.d.) 2.2 Maasoojusenergia liigid On võimalik rakendada nelja erinevat looduslikku energiaallikat, millest sobivaim valitakse
sõltuvalt asukohast ja energiavajadusest. Eestis on kasutusel enamasti pinnasekollektor
(horisontaalne maakollektor), kuid viimaste aastate jooksul on kasvanud ka soojuspuuraukude ehk energiakaevude rakendamine. (Maaküte.info, n.d.) Neli võimalust maasoojuse ammutamiseks: 1.maapind (horisontaalne või spiraalne
maakollektor); 2.soojuspuurauk ehk energiakaev (vertikaalne kinnine süsteem puuraukude
baasil); 3. põhjavesi (vertikaalne avatud süsteem puurkaevude baasil) ja 4. veekogu
(pinnavesi, veekollektor). (Maaküte.info, n.d.) 2.2.1 Maakollektor 6


Suve jooksul salvestub maapinna ülemistesse kihtidesse päikeseenergia (samuti ka vihmavee-
ja maapinna lähedase õhu soojusenergia). Kollektori pikkus sõltub soojuspumba võimsusest
jäädes tavapäraselt suurusjärku 250 – 1 000 m. Rusikareegli järgi vajab 1 m² elamu köetavat
pinda vähemalt 3 m horisontaalset maakollektorit ja vähemalt 3,6 m² vaba maapinda. Hea
soojusjuhtivuse tõttu on eelistatud niiske pinnas (seda lühem on ka maakollektori torustik),
vastandub kuiv ja liivane pinnas. (Maaküte.info, n.d.) Maakollektori torustik paigaldatakse ca. 1-1,2 meetri sügavusele vahekaugusega ca. 1 m.
(Vt. joonis 2) Torustik täidetakse külmumiskindla ringleva vedelikuga (külmakandja), millele
ülekandunud maasoojusenergiat kasutatakse soojuspumba abil hoonete kütmiseks ja sooja
tarbevee tootmiseks. Maakollektori paigaldusel kasutatakse plastiktoru 40×2,4 PN 8, mille
jooksev meeter mahutab ca ühe liitri külmakande vedelikku. Maapinnast talveperioodil
võetud soojus taastub suvel. Eesti oludes on maakollektor odavaim vaatamata mullatööde
suurele mahule. Maakollektori paigaldamiseks on eelistatud maatükk kus talvel aktiivselt
peal ei trambita ega lund lükata (lumekiht kaitseb maakollektorit liigse külmumise eest).
Samuti ei ole soovitav maakollektori torustikku paigaldada kõva kattega teede, platside ja
terrasside alla. Maakollektori eluiga on väga pikk ning õigesti dimensioneeritud ja
paigaldatud maakollektor ei mõju taimede kasvule ega ökoloogilistele tingimustele.
(Maaküte.info, n.d.) Joonis 2. Horisontaalne maakollektor (Maaküte.info, n.d.) 2.2.2 Soojuspuurauk ehk energiakaev Energiakaevuks ehk soojuspuurauguks nimetatakse vertikaalseid või kaldu puurauke, kuhu
paigaldatud torustiku kaudu ammutatakse pinnasekihti salvestunud päikeseenergiat.
Soojuspuuraugust saadav soojus meetri kohta on keskmiselt kaks korda suurem võrreldes
horisontaalse paigaldusega. Kui soojuspuurauk on lõpuni suletud, siis sanitaarkaitseala ega 7


veevõtukoha hooldusnõudeid ei määrata (samuti ei saa kasutada veevõtuallikana). Rajatavad
puuraugud on sügavusega 50-200 m ja keskmiselt on vaja eramu küttevajaduse katmiseks
puurida üks kuni kaks puurauku (keskmiselt 1 m puurauku 1 m² köetava pinna kohta) (Vt.
joonis 3). Puuraugu väikseim kaugus maja seinast on 2-3 m. Puuraugu läbimõõt on enamasti
50-160 mm. Soojuspuuraugu sees on 1-2 U-kujulist plasttoru ning torus ringleb külmakindel
(nt. etanooli) vesilahus. SEestis lubatud rajada maapinnalt esimesse aluspõhjalisse veekihti,
kehtiva korra kohaselt tuleb puurauk täita ja sulgeda ehk tamponeerida (nt savi-betooniga).
(Maaküte.info, n.d.) Joonis 3. Soojuspuurauk ehk energiakaev: vertikaalne kinnine süsteem (Maaküte.info, n.d.). 2.2.3 Põhjavesi: vertikaalne avatud puurkaevusüsteem Maasoojuspumbaga ühendatakse tavaliselt kaks üksteisest 15 – 20 m kaugusel asuvat tavalist
puurkaevu, üks vee võtmiseks ja teine vee tagasijuhtimiseks. Puurkaevusüsteemi puurkaevud
peavad olema ühe sügavused ja asuma samas veekihis. Põhjavee temperatuur on aasta läbi
konstantne (25-75 m sügavusel on põhjavee temperatuur Eestis 6,5-7 °C). Põhjavee
toomiseks pinnale kasutatakse 10-30 m sügavusi, aga ka 70 m ja sügavamaid puurkaeve.
Puurkaevude tootlikkus peab vastama vajalikule soojusvõimsusele. Puurkaevust pumbatakse
põhjavesi elamus asuvasse soojusvahetisse, kus põhjavesi jahutatakse temperatuurile 3-4 ºC
ja suunatakse kas tarbimisse või maa alla tagasi (Vt. joonis 4.). Maa alla suunatakse vesi teise
puurkaevu kaudu, mis peab asetsema vee liikumise suhtes pinnases allavoolu, et vältida ühe
ja sama vee korduvat kasutamist. Puurkaevu tootlikkus peab tagama soojuspumba võimsusele
ja olmevajadustele vastava veehulga. Puurkaevusüsteemi negatiivseks küljeks on kindluse
puudus maapinnas piisava veeringluse tekkimise osas. (Maaküte.info, n.d.) Puurkaevu vee kasutamine ei kahjusta põhjavett, sest soojust võetakse kinnise süsteemi abil
ja süsteemis kasutatavad materjalid on plast või roostevaba teras. Samuti ei muutu sellega
põhjavee tase veehorisondis, sest avatud süsteemi võib vaadelda ühendatud anumatena, kus 8


ühest puurkaevust võetav vesi viiakse teise puurkaevu kaudu maa alla tagasi veetaset
muutmata. (Maaküte.info, n.d.) Joonis 4. Vertikaalne avatud puurkaevusüsteem (Maaküte.info, n.d.). 2.2.4 Veekollektor Kui maja on ehitatud veekogu lähedale, siis saab soojuspumbaga veekogu põhja paigaldatud
plasttorustiku (veekollektori) abil ammutada kütmiseks vajalikku soojusenergiat. Pinnavee
puhul on tegemist veekogudega, nagu järved, jõed ja ka meri. Jõe- ja järvevesi on head
soojusallikad, kuid neil mõlemal on ka oluline puudus. Suvel on veekogu pinnakihi
temperatuur kõrgem kui põhjakihtides, talvel vastupidi – pinnakihtides on temperatuur
nullilähedane, põhjas keskmiselt 4 °C. Merevett kasutavad enamasti keskmist ja suuremat
tüüpi soojuspumbad. Sügavusel 25-50 meetrit on merevee temperatuur püsivalt 5-8 ºC.
Tähelepanu tuleb pöörata süsteemi korrosioonikindlusele, eriti soojusvahetite ja pumpade
osas. Ka võib mereveest süsteemi sattuda prahti. Soojusvõtuks pinnaveelt on põhiliselt
kasutusel kaks moodust – vee pumpamine aurustisse ja sealt jahtununa tagasi veekogusse
ning veekogu põhja laotatud kollektorite rakendamine (Vt. joonis 5). Esimese mooduse puhul
kasutatakse suvel veekogu pinnakihti, talvel põhjakihti. Tagasi tuleb vesi pumbata
veevõtukohast eemal. Teise mooduse puhul võib kasutada külmutusagensi otsest aurustamist
torustikus või kollektoris ringlevat vahesoojuskandjat. Torustiku läbimõõt on tavaliselt 25-63
mm. (Maaküte.info, n.d.) 9


Joonis 5. Veekollektor (Maaküte.info, n.d.). 10


3. MAASOOJUSENERGIA JA KESKKONNAMÕJU Võrreldes enamiku muude elektritootmise vormidega on geotermiline keskkonnasõbralik.
Tüüpiline maasoojusjaam, mis kasutab elektri tootmiseks kuuma vett ja auru, eraldab umbes
1% vääveldioksiidi, vähem kui 1% dilämmastikoksiidi ja 5% süsinikdioksiidi, mida eraldab
sama suur söeküttel töötav jaam. Binaarse geotermilise jaama õhuheitmed sisuliselt
puuduvad, kuna geotermilisi gaase ei eraldata atmosfääri.  (Duffield & Sass, 2003) Ameerika Ühendriikides on süsi ja fossiilkütused on ühed peamisteks energiaallikateks,
moodustades 95% sealsest energiakasutusest. Bituminoossed kivisöe põletamine eraldab
megavatt tunnis umbes 900 kilogrammi süsinikdioksiidi ja isegi suhteliselt puhtalt põlev
maagaas vabastab rohkem, kui 300 kilogrammi. Seevastu on maasoojusel töötavad elektrijaamad palju puhtamad, vabastades umbes 120 kilogrammi megavatt tunni kohta.
Binaarsed geotermilised elektrijaamad ei eralda üldse süsinikdioksiidi. Sarnane kontrastsus
geotermiliste ja tavapäraste fossiilkütuste vahel on ka väävelgaaside emissiooniga. (Duffield
& Sass, 2003) 11


KOKKUVÕTE Kogu maailmas seistakse silmitsi paljude ebakindlustega energiavarustuse osas. Suurem osa
praegu kasutatavast energiast pärineb fossiilkütuse ressurssidest, näiteks kivisüsi, nafta ja
maagaas. Kindel on see, et drastiliselt kasvav elanikkond ja industrialiseerimise jätkuv levik
toovad kaasa energiavajaduse suurenemise. Lisaks, fossiilkütuse ressursid ei ole lõpmatud.
(Duffield & Sass, 2003) Kuidas saaks neid aina enam kasvavaid energia vajadusi rahuldada nii keskkonnasäästlikult
kui ka majanduslikult kasulikul viisil? Praeguse tehnoloogia kaasabil võib maasoojusenergia
aidata riikide energiavarustusse kuni 10 protsenti. Veelgi enam, edusammud võimaldavad nii
uuringute kui ka ressursside arendamise tehnoloogiate vallas kasutada tohutut geotermilist
energiat, mis on teadaolevalt olemas maakoores. Lisaks, maasoojuse energia on palju puhtam
kui ükski fossiikütustest, mis on praegu maailma energiavarustustes domineerivad. (Duffield
& Sass, 2003) 12


KASUTATUD ALLIKAD Bertani, R. (n.d.) Geothermal energy: an overview on resources and potential.
https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/ISS/2009Slovakia/I.1.Bertani.pdf
(23.04.2021) Ciapała, B., Janowski, M., Jurasz, J., Kępińska, B. (2021) Climate factors influencing
effective use of geothermal resources in SE Poland: the Lublin trough. Geothermal energy, 9
doi: 10.1186/s40517-021-00184-1 (29.04.2021) Dickson, M. H., Fanelli, M. (2004) What is Geothermal Energy? What is geothermal energy?
https://www.power-technology.com/features/what-is-geothermal-energy/ (25.04.2021) Duffield, W. A., Sass, J. H. (2003). Geothermal energy : clean power from the Earth's heat.
Menlo Park, California: U.S. Geological Survey. Eesti Geotermaalenergia Assotsiatsioon (n.d.) EGA eesmärk on Eesti maasoojusenergia
potensiaali kindlakstegemine ning rakendamine. http://geothermal.org.ee/ (29.04.2021) Maaküte.info (n.d.) Maakütte 4 erinevat liiki: maapind, soojuspuurauk, põhjavesi, veekogu.
https://www.xn--maakte-6ya.info/artiklid/maakyte/ (28.04.2021) National Geographic (n.d.) Geothermal Energy. https://www.nationalgeographic.com/environment/article/geothermal-energy (24.04.2021) Unwin, J. (2019). What is geothermal energy? https://www.power-technology.com/features/what-is-geothermal-energy/ (24.04.2021) 13