Taastuvenergiaallikate tehnoloogiad - 1. Kontrollküsimused vastustega (0)

1. ENERGIAALLIKAD JA KÜTUSED
Kontrollküsimused
1. Energiatarbimise ajaloo etapid.
- Homo habilis (oskav inimene) - umbes 3 miljonit aastat tagasi Ida-Aafrikas – esimesi primitiivseid töövahendeid ( kivid , kaikad, puuoksad) tundev inimene. Kasutas töövahendeid peamiselt käte löögijõu suurendamiseks (konnakarpide, pähklite ja loomaluude purustamiseks . Kaikaid ja puuoksi sai kasutada ka kangina nt söödavate taimejuurikate korjamisel). Homo habilis oskas end kohandada keskkonna energiailmingutele ning sihipärasemalt kasutada oma lihaste jõudu.
- Homo erectus (püstine inimene) - Umbes 2 miljonit aastat tagasi.
- Umbes 1,5 miljonit aastat tagasi – õpiti kasutama TULD . See oskus tegi võimalikuks inimese edukama edasisiirdumise aladele , millel soojad aastaajad vaheldusid külmadega (sealhulgas Euroopasse) ning võimaldas toortoidu asemel hakata valmistama keedetud või küpsetatud, kergemini seeditavat toitu. Selle tulemusena hakkas seedimiseks kuluma vähem energiat ning energiat hakkas jääma üle ajutegevuse arenemisks.
- Tule tegemiseks vajas inimene kütust, milleks sel ajal sai olla üksnes puit ( biomass ). Tuli hakata valmistama tööriistu puude langetamiseks ja tükeldamiseks (kivikirveid).
- Elupaikade ja tuleasemete jaoks tuli murda ja vedada kive. Kõik see nõudis inimeselt mitte üksnes mitmekesisemat kehalist tegevust, vaid ka järjest pingsamat mõttetegevust ja kiirendas mõistuse arengut.
- Tule kasutuselevõtt tähendas seda, et peale toidu hakkas inimene tarbima soojust nii toiduvalmistamiseks kui ka primitiivseks kütteks.
- Neoliitikumis võeti peale tule ja veoloomade kasutusele veel üks energiaallikas – TUUL. u 4000 aastat eKr avastasid meresõitjad, et laeva saab liikuma panna papüürusest punutud ( või muu taolise) purje abil.
- Laevapurjed pandi ka esimeste tuuleveskite tiibadele.
- Tuulikutest veidi hiljem hakati vesirataste abil kasutama veejõudu.
2. Maailmaenergiaarengu etappidel kasutatud energialiigid .
Tuli, tuul, veoloomad, puit, vesi,
3. Inimkonna eksistentsiks ning arenguks on vajalikud komponendid
- Aine(vahetus) - toidu omastamine ja seedejääkide ning muude keha jääkproduktide eemaldamine.
- Energia(vahetus) - toidus sisalduva energia omastamine ja selle arvel nt inimkehas tekkiva soojuse eemaldamine. Osa energiat kulub ka füüsilise tööna, igasuguse füüsilist jõudu nõudva liikumise näol.
- Info(vahetus) - kõigi meelte vahendusel saadavad aistingud , inimese poolt kõne, kirja, žestide ja miimika abil ümbruskonnale (sh teistele inimestele) edastatav info.
4. Energeetika mõiste ja energia avaldusvormid (-liigid)
Energeetika - majandus- ja teadusharu , mis tegeleb kõige sellega, mis teeb võimalikuks energiaallikates (nt kütustes sisalduva) oleva energia viimise tarbijateni tarbijate poolt soovitud vormis, nõutava kvaliteediga ning neile kõige sobivamas kohas ja vajalikul ajal.
See tähendab, et antud tingimustes majanduslikult mõistliku hinnaga saadaolevas energiakandjas (kütuses, vees, tuumakütuses) sisalduv energia muundatakse sobivaks energialiigiks (valdavalt elektriks, vähemal määral soojuseks) ja edastatakse see tarbijale.
Energia avaldusvormid (-liigid):
- mehaaniline (potentsiaalne kineetiline jt),
- keemiline (keemiliste reaktsioonide energia),
- soojuslik siseenergia ( soojusenergia õigemini soojus ),
- elektromagnetiline (elektrivälja-, magnetvälja- kiirgusenergia ),
- tuumaenergia ,
- gravitatsioonienergia.
5. Energiatihedus
Energiatihedus on füüsikaline suurus, mis väljendab energiat ruumalaühiku kohta (J/m3) või energiat massiühiku kohta (J/kg). Energiat ruumalaühiku kohta nimetatakse energia ruumtiheduseks (tähis e).
Energiatihedusega iseloomustatakse välju , keskkondi ja aineid, sealhulgas ka näiteks keemiliste vooluallikate aktiivainete energia salvestamise tõhusust.
6. Geofüüsika , geofüüsikalised ressursid ning nende kasutamise võimalused.
Geofüüsika – Maa füüsika. Teadus, mis uurib Maa koore (litosfääri), tema pinnal asetsevate veekogude ( hüdrosfääri ) ja teda ümbritseva õhkkonna (atmosfääri) füüsikalisi omadusi ja nähtusi.
Geofüüsikalised energiaressursid – energiaressursid, mis on koondunud Maa koorde , selle pinnale ja atmosfääri.
Geofüüsikaliste energiaressursside , muundamise ja kasutamise võimalused- Varudes sisalduv ehk primaarenergia muundatakse paljudel juhtudel edastus - ja rakendussoodsamaks vääris- ehk sekundaarenergiaks (elektri-, kuuma veega ja auruga edastatav soojus , suruõhk, keemilised sidemed jm).
Tehisprotsessides saab päikeseenergiat kasutada nii otse (passiivne päikese küte) kui ka peale looduslikku muundumist või tehismuundamist, salvestamatult (tuule- ja laineenergia) või salvestatult (kütuse ja toidu keemiline energia, paisjärvede hüdroenergia ).
Peale päikeseenergia ja selle muunduste kasutatakse, geotermilist ja gravitatsioonienergiat ( looded – tõus ja mõõn ookeanides).
Salvestusastme ja taastumiskiiruse järgi eristatakse tinglikult mittetaastuvaid ( fossiil - ja tuumkütuste energia) ja taastuvaid energiavarusid (otsese päikesekiirguse, biomassi, hüdro - ja tuule- ning lihaseenergia).
7. Maa energiabilanss , seda iseloomustavad suurused
Maakera saab pidevalt energiat kolmest looduslikust ja kahest tehisallikast, mida iseloomustavad järgmised aastased energiakogused:
1) Päikeselt tulev kiirgus - 5,6⋅103 ZJ,
2) Geotermaalenergia (Maa sisemuses uraani, tooriumi ja vähesel määral ka kaaliumi radioaktiivsel lagunemisel tekkiv soojus) - 1,1 ZJ,
3) Kuu (Päike, planeedid) gravitatsioonilisel toimel tekkivate loodete energia 0,1 ZJ,
4) Maapõues salvestunud kütuste ( kivisöe , nafta , maagaasi, põlevkivi jms) ja nendest saadavate teiseste kütuste (nt nafta rafineerimissaaduste) põletamisel tekkiv soojus - 0,5 ZJ,
5) Maapõuest kaevandatava uraani tehislagundamisega tuumareaktorites (nii tuumaelektrijaamades kui ka plutooniumitehastes, tuumaallvee- ja -pealveelaevades) tekitatav soojus - 0,04 ZJ.
Suhteliselt väikese koguse energiat haaravad fotosünteesiks maa- ja veetaimed . Osa sellest tagastavad taimed soojuskiirgusena atmosfääri, osa salvestavad aga biomassina. Maapõues või merepõhjas võib surnud biomass aeglaselt muunduda fossiilkütusteks.
Osa taimede biomassist tarbivad taimetoiduna elusolendid , kes tarbitud energia samuti osalt soojusena atmosfääri või hüdrosfääri eraldavad , osalt aga omaks biomassiks muundavad, mis samuti võib hiljem salvestuda fossiilkütusena.
Puiduna, turbana ja väga väikesel määral ka fossiilkütustena salvestub aastas käesoleval ajal ligikaudu 0,4 ZJ energiat.
Atmosfääris ülalkirjeldatud viisil Maa päikesepoolsel osal neeldunud energia kiirgub Maa mõlemal poolel pikalainelise infrapunase (soojus-) kiirgusena tagasi maailmaruumi, põhjustades maapinna ja õhu temperatuuri ööpäevast vaheldumist. Väike osa muundub enne seda tuuleenergiaks, veel väiksem osa aga pinnavoolu hüdroenergiaks.
8. Taastamatute energiaallikate liigitus.
Mittetaastuvateks energiaallikateks loetakse selliseid, mille taastumine päikese kiirgusenergia arvel kestab inimese elueaga võrreldes tunduvalt kauem või mille taastumine on tunduvalt aeglasem (või üldse taastumatu ) kui kasutamine.
Taastumatud energiaallikad (kütused)
- Fossiilsed kütused: nafta, kivisüsi , pruunsüsi , maagaas (kildagaas, metaanhüdraat), põlevkivi jm. Fossiilsete kütuste lähtematerjaliks on orgaaniline aine taimedest ja mikroorganismidest, mis elasid Maal 0,5–500 miljonit aastat tagasi.
- Tuumakütus – materjalid, mis eraldavad energiat raskete aatomituumade ( uraan , plutoonium jt.) lõhestamisel (tuumaenergia) ja samuti kergete aatomituumade (deuteerium ja triitium ) ühinemisel ( termotuumaenergia ).
- Kerged elemendid – vesinik , heelium , liitium.
9. Taastuvate energiaallikate liigitus.
Taastuvad energiaallikad on sellised energiaallikad, mis uuenevad pidevalt päikese kiirgusenergia arvel ja nende taastumisaeg on võrreldav inimese elueaga:
- Päikeseenergia [otsene ja kaudne (OTEC)],
- Biomass (fotosünteesi energia),
- Tuuleenergia,
- Hüdroenergia:
- Vooluvee energia,
- Merelainete ja hoovuste energia,
- Tõusu-mõõna energia.
- Geotermaalenergia,
Miks kasutada taastuvaid energiaallikaid?
- Fossiilsete kütuste varude ammendatavus
- Keskkonna saastamine ja inimeste tervise halvenemine
- CO2 kontsentratsiooni kasv atmosfääris ja eeldatavad kliimamuutused
- Fossiilkütuste hinnatõus
- Fossiilkütustega ebakindel (poliitiline) ja riikide lõikes ebaühtlane varustatus
- Uus majandussektor
- Energeetika jätkusuutlik ja säästev areng
Taastuvate energiaallikate teoreetiline potentsiaal on tunduvalt suurem kui kogu maailma energiakasutus 2008,
10. Biomassi põhised taastuvad energiaallikad Eestis.
- Mets (puitbiomass)
- Looduslikud ja poollooduslikud kooslused ( rohtne biomass)
looduslike rohumaade hein ja pilliroog – reaalne lähiajal 150 GWh/a
- Põllukultuurid
- Põllumajandusjäätmed ( loomsed , rohtsed)
- Põhk – reaalne 110 GWh/a
- Vetikad (veetaimed)
- Olme- ja tööstusjäätmete biolagunev osa
- Biogaas (prügilagaas, reoveegaas)
11. Biomassi kui biokütuste lähtematerjali peamised kategooriad
1. Puitmaterjal metsast ( Forest products):
•− Kogupuu ( Wood )
•− Raiejäätmed (Logging residues)
•− Puud, põõsad ja puitjäätmed ( Trees , shrubs and wood residues)
•− Saepuru , koor jm (Sawdust, bark, etc.)
2. Biolagunevad jäätmed (Biorenewable wastes):
•− Põllumajandusjäätmed (Agricultural wastes)
•− Põllukultuuride jäätmed (Crop residues)
•− Saeveski jäätmed (Mill wood wastes )
•− Aia ja pargijäätmed ( Urban wood wastes )
•− orgaanilised olmejäätmed (Urban organic wastes)
3. Energiakultuurid (Energy crops):
•− Kiirekasvulised puittaimed (Short rotation woody crops)
•− Puituvad rohttaimed (Herbaceous woody crops)
•− Heintaimed (Grasses)
•− Tärklist sisaldavad taimed (Starch crops)
•− Suhkrut sisaldavad taimed ( Sugar crops)
•− Söödakultuurid (Forage crops)
•− Õlikultuurid (Oilseed crops)
4. Veetaimed (Aquatic plants):
•− Mikrovetikad (Algae)
•− Merevetikad (Water weed )
•− Vesihüatsint (Water hyacinth)
•− Pilliroog ja kõrkjad ( Reed and ruhes
5. Toiduviljad (Food crops):
•− Teraviljad (Grains)
•− Õliviljad (Oil crops)
6. Suhkrutaimed (Sugar crops):
•− Suhkruroog (Sugar cane)
•− Suhkrupeet (Sugar beets)
•− Siirup e melass (Molasses)
•− Sorgo ( Sorghum )
7. Prügilajäätmed (Landfill)
8. Orgaanilised tööstusjäätmed ( Industrial organic wastes)
9. Vetikad, pruunvetikad, samblikud ja samblad (Algae, kelps, lichens and mosses)
12. Biomassi lähteressursid Eestis
Maaressurss
Metsaressurss
Puit on kõige suurema majandusliku potentsiaaliga biokütus nii soojuse kui ka elektri tootmiseks Eestis.
Energiapuit
Energiakultuuride ( - Õlirikkad kultuurid: raps, rüps , valge sinep, tuder, õlikanep,
- Kiirekasvulised puuliigid : paju, hall lepp, kask , haab ,
- Kiirkasvulised rohttaime(kultuuri)d: päideroog, kiukanep , roogaruhein, ida-kitsehernes (galeega),
- Etanoolikultuurid: nisu, rukis , tritikale, kartul , suhkrupeet,
- Looduslikud hein( roht )taimed: niidetav biomass püsirohumaadelt ning (pool)looduslikelt kooslustelt, märgaladelt (pilliroog).
Jäätmete ressurss
13. Fotosünteesi olemus ning selle vajalikkus
Looduses toimuva fotosünteesi käigus seovad taimed õhus leiduva süsinikdioksiidi ja eraldavad hapnikku atmosfääri. Puu kõdunemisel või põletamisel süsinik aga vabaneb uuesti. Seega puidu kasutamisel kütteks täiendavat CO2 emissiooni ei toimu.
Biomassil põhinevad küttesüsteemid aga emiteerivad vähesel määral täiendavat CO2 atmosfääri. See toimub varumise, transpordi, töötlemise ja katlaehituse jms operatsioonide käigus, kui kasutatakse nn fossiilset energiat (fossiilkütuseid ja nende baasil genereeritud elektrit).
Kogu heterotroofse elu (orgaanilisest ainest toituvad organismid) rikkalikkusele ja keerukale inimtsivilisatsioonile annab energiat fotosüntees . Tänu sellele on meil olemas nii fossiilsed kui taastuvad biokütused