"Kasutegur ja teised olulised mõisted KASUTEGUR ENERGIATOOTMISEL"

Transcript

1 "Kasutegur ja teised olulised mõisted KASUTEGUR ENERGIATOOTMISEL" Loengukursus WEC Akadeemia loengud" Andres Siirde Tallinna Tehnikaülikool

2 Loengukava, mis oli meil kavas eelmise loengu tsükli korral Põlevkivi ja teised fossiilsed kütused Palutud on mul rääkida siis: - Mis on põlevkivi eripära, kuidas on see võrreldes teiste kütustega - Põlevkivi maailmas, kus ja kui palju - Palju on Eestis põlevkivi ressurssi - Põlevkivikeemia, mida toodetakse, mida selleks vaja on - Põlevkivielekter, palju elektrijaamu on, kauaks neid jätkub - Põlevkiviõli, erinevad tootmisvarad, umbkaudne omahind, tulevikuperspektiivid 2

3 Jõudsime oma loengu lõpus järeldusteni, et Teadmised on olulised ja sageli kui kasutakse väljendid nagu: Põlevkivi ahju ajamine; Põlevkivist õli väljapigistamine/pressimine Madala kasuteguriga põletamine Puidu madala kasuteguriga elektritootmine Ja tudeng vastab mul eksamil küsimusele mis on see kütus, mida Ida - Eestis kasutakse suurtes elektrijaamades?, et see on fosforiit! Siis need ei näita just väärtustatud teadmisi 3

4 Täna loengus räägime mõistest kasutegur Loengu ülesanne on selgitada: Termodünaamilisest seisukohast mis on kasutegur: elektritootmisel, soojuse tootmisel, koostootmisel. Mis on Narva Elektrijaama kasutegur. Mis on Tallinna, ja Pärnu elektrijaama kasutegur? Kas Narva ja Tallinna El-de kasutegurid on võrreldavad? Mis on koostootmine? Kui suur on koostootmise potentsiaal Eestis? Puitkütus Narvas, Tallinna Elektrijaamas ja Pärnu Soojuse ja Elektrijaamas. Kas Narva linna küte Balti SEJ on tõhus koostootmine ja kuidas seda arvutakse? Kas arvutuse metoodika on ühtlustatud Euroopa Liidus? 4

5 Mida me jätame järgmiseks aastaks? Õlitootmise energeetiiline bilanss ja CO2 emissiooni, aga kui veab jõuame ehk sedagi käsitleda, sissejuhatusena kas või. 5

6 Ajalugu- mõisted, terminoloogia Prof. Ilmar Öpiku ja prof. L Jüregnsoni vaidlus, Kuidas tõlkida sõna heat - kas soojus-, või sooja Soojustehnikas õpetatavas termodünaamikas ei esine mõistet soojusenergia, sest soojus ei energia vaid energia ülekande. vorm. Soojust ei saa muuta otse mehaaniliseks tööks! Õlitootmine on suurema kasuteguriga põlevkivist elektritootmine 6

7 Kasutegu ri mõisted KASUTEGUR SAADAV KASULIK TÖÖ SÜSTEEMI SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA ELEKTRILINE KASUTEGUR TOODETUD ELEKTRIENERGIA SÜSTEEMI SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA SOOJUSLIK KASUTEGUR SÜSTEEMI TOODETUD SOOJUS SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA KOGUKASUTEGUR TOODETUD ELEKTRIENERGIA SOOJUS SÜSTEEMI SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA 7

8 Mis on kütusega sisseviidud energia? Kütteväärtus: Kütuse kütteväärtus on soojushulk, mis eraldub 1 kg tahke- ja vedelkütuse või normaalkuupmeetri gaaskütuse täielikul põlemisel. ALUMINE, ÜLEMINE, POMMIS, PÕLEVAINE, TARBIMISAINE 8

9 Katla kasutegur 9

10 Põlevkivi katel 10

11 Keevkihttehnoloogia võrdlus tolmpõletusega Tolmpõletus Keevkiht SO2 sidumine 80 % 100 % SO mg/nm mg/nm3 NOx 300 mg/nm mg/nm3 Lendtuhk < 200 mg/nm3 < 30 mg/nm3 Võrku antav elekter 28-30% 34-36% CO2 kg/kwhe 1.18 kg/kwhe 1.0 kg/kwhe EKSITAV ON TUUA SIIA VÕRKU ANTAV ELEKTER KASUTEGURINA 11

12 Soojusjõuseadmed ja kasutegurid Seadmeid, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks, me nimetame soojusjõuseadmeteks. Soojusjõuseadeteks on: Sisepõlemismootorid Gaasturbiinid Auruturbiinid Maailmas toodetud elektrienergia enamus on toodetud just soojusjõuseadmetega ja vaatamata näiteks tuule-, hüdro-, päikese jt. energiatootmisseadmete arengule, jääb soojusjõuseadmete osatähtsus elektrienergia tootmisel väga suureks 12

13 Carnot' ringprotsess Carnot' ringprotsessil on kõigist võimalikest ringprotsessidest soojusallika ja jahutaja antud temperatuurivahemikus kõrgeim termiline kasutegur. Oma 1824 avaldatud töös esitas Carnot ringprotsessi, mille abil tõestas, et soojuse tööks muundamise määr on piiratud, selle määrab üheselt kahe temperatuuri suhe. Sellest tulenevalt sõnastas Carnot termodünaamika teise seaduse (matemaatilise formuleeringu andis sellele 1834 B. Clapeyron). t l q 1 2 T2 1 q q 1 1 T1 13

14 Kuidas soojuselektrijaamast elektrit saadakse Elektri tootmiseks on vaja seadet, mis muundaks soojuse pöörlevaks mehaaniliseks energiaks, mis omakorda käitaks elektrigeneraatori. Masinat, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks, nimetatakse soojusjõumasinaks. Kõige levinum soojusjõuseade, mille abil toodetakse elektrienergiat, on auruturbiin. Auruturbiini tööks on vaja kõrge temperatuuri ja rõhuga auru, mis suunatakse selle korpuse küljes olevatesse düüsidesse. Seal suure voolukiiruse ehk kineetilise energia saanud aur suundub turbiini võlli küljes olevatele töölabadele. Labadele suundunud aurujoa jõud paneb turbiini võlli pöörlema ja nii saadakse mehaaniline energia. Termodünaamika terminoloogiat kasutades: auru paisumistöö arvelt saame kasulikku tööd. 14

15 Aurujõuseadme ringprotsess Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu ehk vaakumi. Prantsuse füüsik Denis Papin avastas aastal, et kui auru kondenseerida, saabki tekitada vaakumi. Auru kondenseerumiseks on aga vaja seda jahutada Elektri tootmisel muundatakse soojus auruturbiini abil elektrienergiaks. Mida kõrgem on auruturbiini töötemperatuur (auru rõhk), seda efektiivsem on protsess. Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu st. aur tuleb jahutada (kondenseerida). Soojusallika ja jahutaja temperatuuride vahe määrab protsessi (Carnot ringprotsessi) kasuteguri. 15

16 Rankine ringprotsess 16

17 Kasutegurid põlevkivi kasutamisel energia tootmiseks Keskrõhu tolmpõletus Balti SEJ kävitamine 1624MW Eesti EJ käivitamine 1615 MW Kahe energiaploki renoveerimine 430MW Alustatud uue 300 MW ploki ehitust keskmine kasutegur keskmine kasutegur keskmine kasutegur keskmine kasutegur oodatav kasutegur 25% 27% 30% 37% 40% Uus tehnoloogia on suurendanud üldist tõhusust ja vähendanud keskkonnamõju energia tootmisel 17

18 Eesti põlevkivisektori hetkeolukord: Narva EJ põlevkivikatelde arengud Tolmpõletus Tsirkuleeriv keevkiht Tsirkuleeriv keevkiht 2015 η~30% (*) η~36% (*) η~40% (*) TP-101, Narva p = 13,2 MPa t = 520 / 525 C η ~30% CFB, Narva, E08, B11 CFB, Auvere 300 MW p = 13,3 MPa p = 17,8 MPa t = 535 / 535 C t = 543 / 568 C η ~36% η ~40% (*) - Energiaploki kasutegur, allikas: Rain Veinjärv 18

19 Koduülesanne Palju väheneb kütuse kulu elektrijaamas samaväärse elektritoodangu juures kui ringprotsessi termiline kasutegur muutus 30% kuni 36%? 19

20 Vaade Eesti Elektrijaamale 20

21 Auruturbiinid elektrijaamas 21

22 Elektrijaam 22

23 Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme liitringprotsess 23

24 Sissejuhatuseks koostootmisele Tänane energiapoliitika üldse tuleneb kahest olulisest suundumusest: Energiasäästlikkus Keskkonnakaitse (näitena Kyoto Protokoll, mis sätestab kasvuhoonegaaside piiramist) Et täita eelpooltoodud kahte tingimust, tuleks efektiivsemalt toota energiat. Heaks lahenduseks on siin SOOJUSE JA ELEKTRI KOOSTOOTMINE 24

25 Elektri ja soojuse koostootmine vasturõhu- ja vaheltvõtuga turbiinidega

26 Soojuse ja elektri koostootmise alused Soojuse ja elektri koostootmise mõiste Soojuse ja elektri koostootmise (koostootmine) on protsess, mille puhul ühest seadmest väljastatakse kahte liiki energiat. Koostootmise väljunditeks on: Soojus, mida võib kasutada tehnoloogilistes protsessides, tarbevee soojendamiseks, ruumide kütteks jne. kui ka absorbtsioonil põhineva jahutusprotsessi käitamiseks Mehaaniline energia, mis muundatakse elektrienergiaks, kuid võib kasutada ka pumpade ja kompressorite otseseks käitamiseks 26

27 koostootmist iseloomustavad näitajad, kasutegurid: Soojuse ja elektri koostootmise iseloomustamiseks kasutatakse mõistet kogukasutegur, mis avaldub summana elektrilisest kasutegurist ja soojuslikust kasutegurist ehk analüütiliselt: SOOJUSLIK KASUTEGUR SÜSTEEMI TOODETUD SOOJUS SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA ELEKTRILINE KASUTEGUR TOODETUD ELEKTRIENERGIA SÜSTEEMI SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA KOGUKASUTEGUR TOODETUD ELEKTRIENERGIA SOOJUS SÜSTEEMI SISSEVIIDUD KÜTUSE ENERGIA 27

28 Võrdleme koostootmist soojuse ja elektri eraldi toomisega Olgu kondensatsioonelektrijaama termiliseks kasuteguriks 35% ja katlamaja kasuteguriks 85% Koostootmise puhul on kogukasuteguriks arvestatud 90%. Kirjeldatud süsteemid ja neist tulenevad energiavood on esitatud järgneval slaidil: 28

29 Koostoomise võrdlus elektri ja soojuse eraldi tootmisel SISEND VÄLJUND 4,33 kwh maagaas 2,86 kwh 1,47 kwh kondensatsioonjõujaam katel elektrienergia kaod kaod soojusenergia 1 kwh 2,08 kwh 1,25 kwh gaasil töötav kombijõujaam elektrienergia 1 kwh 2,5 kwh maagaas Koostootmismoodul kaod 0,25 kwh soojusenergia 1,25 kwh 29

30 Direktiiviga ühtlustatud võrdlus koostootmisest ja selle efektiivsusest 30

31 Narva Linna küte vaheltvõtuturbiinist 31

32 Võrdlusväärtused eraldi tootmisele 32

33 Tõhususe kriteerium Primaarenergia sääst võrreldes eraldi tootmisega (10% ja rohkem) Ettenähtud kogukasutegur (80% ja suurem) 33

34 Tulemuseks: Balti elektrijaama 11. plokiga toodetud soojus ja selle nn koostoodetud elektrienergia on "tõhus", vastavalt direktiivi 2004/8/EÜ mõistele, kogu aasta läbi. Vaid a. juunis toodetud elektrienergia kogus ei vasta "tõhususe" kriteeriumile. Summaarne säästetud primaarenergia kogus aastal 2006 "koostoodetud tõhusas režiimis" oli MWh. Koostoodetud "tõhus" elektrikogus samal aastal oli MWh, mis teeb aasta keskmiseks elektrivõimsuseks MW. 34

35 Kas tõesti nii keeruline? Energiatootja võttis liigselt roheelektritoetust :16 Alates mullu augustist tänavu jaanuarini on EE NEJ saanud rohelise energia toetust kokku 82,1 miljonit krooni. Sellest keskmiselt 59 protsenti läks Balti elektrijaamale ja 41 protsenti Eesti elektrijaamale. Soojuse tootmise eest seadus taastuvenergiatoetust ette ei näe. Sestap näitas EE NEJ mullustes arvestustes, justkui ei oleks Balti elektrijaama 11. energiaplokis soojatootmiseks biokütust kulunud, vaid sellest toodeti üksnes elektrit. Kogu soojusenergia aga toodeti firma arvestuse järgi üksnes põlevkivist ja põlevkiviõlist. «Antud juhul tuvastasime tootja arvutustes põhimõttelise vea ja kontrollisime seda eksperthinnanguga TTÜst,» ütles Eleringi juht Veskimägi Postimehele. TTÜ professori Andres Siirde koostatud ekspertarvamust keeldus Elering avaldamast ärisaladuse tõttu. Märtsi algul teatas Petersen kirjas Eleringile siiski, et on nõustunud viimase seisukohtadega ning esitab kolme kuu kohta toetusarvestuse uuesti. Petersen kinnitas Postimehele, et praeguseni ei ole õigusakti, millest lähtuda, kui erinevaid kütuseid kasutatakse elektri ja soojuse koostootmisel. 35

36 OBJEKTI SOOJUSKOORMUS (kw) Percentage of Heat Load Koostootmisjõujaama töö kõrge efektiivsuse saavutamiseks otstarbekas see projekteerida soojusvõimsusele, mis vastab tarbija BAASSOOJUSKOORMUSELE. Sellisel juhul tagatakse jõujaama suur aastane kasutusaeg. Tarbija baaskoormust ületav soojustarve kaetakse kas tipuseadmetega või ostetakse suurtootjatelt. Koormuskestuskõver mitme kombiploki korral % % Soojuskoormuse kestuskõver 60% 40% Küttekatlad - võimsus 500 kw 2. kombiplokk - soojusvõimsus 100 kw 20% 0% kombiplokk - soojusvõimsus 200 kw Thousand hours Load Bio CHP Gas turb Gas engine Many CHPs TÖÖTUNNID AASTAS 36

37 Elektri- ja soojuse koostootmise rakendamise põhilised eeldused Soojustarbimise olemasolu, soojustarbija jätkusuutlikkus. Konkurentsivõimeline soojuse hind. Soojuse hinna kooskõlastab Konkurentsiamet. Tehnoloogia valik: kütus, koormused, reservivajadused jne. Elektrivõrguga ühendatavus. Elektritarbijad? Seadmed on kallid. Kas saab toetust? Arusaadav ja kestev seadusandlus (näiteks elektrituruseadus, CO2 kaubandus ja hind, kütuse hinna fikseerimine? Toetuste skeemide muutmine. 37

38 Üks elektrijaam Lääne Eestis 38

39 Muutused koostootmise rakendamiste tingimustes (I) Elektrituru avamine. Kui varasemalt määras koostootmisseadme võimsuse elekter, siis nüüd soojus. Toetuste erinevad skeemid ja muutumine CO 2 kvoot ja kaubandus. Muutused alates aastast Muutused elektrienergia tootmisbilansis nii Eestis kui teistes Balti riikides. (Põlevkivil töötavad generaatorid pärast aastat 2015, Ignalina täielik sulgemine, Estlink-2, tuulikute reserveerimine jne.) 39

40 Muutused koostootmise rakendamiste tingimustes (II) Varasem analüüs pigem üldine: 40

41 Olemasolevad koostootmisjaamad Katlamajad Kaugküte kokku Kodumajapidamine Tööstus Põllumajandus Ehitus Muu Kadu GWh Soojuse tootmise bilanss kütuse järgi ja muundamisel ning jaotamisel tarbijani Soojuse toodang ja tarbimine Koostootmise potentsiaal GWh Maksimaalne potentsiaal on toota soojust koostootmisel ca GWh aastas, seda väikeste katlamajade asemel rajatud CHP-st; Potentsiaalne elektritoodang taastuvkütusel CHP-des oleks ca GWh; gaaskütuse kasutamisel ca GWh; Lisaks on potentsiaalne võimalus ka nn mikro CHP-dele ca??? GWh el 41

42 Lõpuks jõuame puitkütuseni, aga enne Miks me toetame koostootmist? V: sest koostootmise investeering on kõrge Kas kokkuhoitud kütuse arvelt ei saa investeeringu suurus tagasimakstud? V: Ainult kui kütus on kallis ja aastakasutus suur Millist kütust kasutada koostootmiseks? V: Analüüsida tehnoloogiat, kasutusaega, ühest vastust ei ole- kõik kütused-gaas-põlevkiviõli-biokütused-põlevkivi KÕIK KOOSTOOTMISPOTNSIAAL TULEKS ÄRA KASUTADA, AGA KOOSTOOTMINE TÖÖTAB REEGLINA SOOJUSTARBIMISGRAAFIKU JÄRGI. AINULT VAHELTVÕTUGA TURBIINIL ON ÕIGUS KA ELEKTRIKOORMUST JÄRGIDA, AGA SEE OSA EI OLE ENAM KOOSTOOTMINE. 42

43 Üks elektrijaam Lääne Eestis 43

44 Aga kui koostootmispotentsiaali ei ole ja elektrit ikka tahaks? Siis tuleb kas hüdroenergia, tuuleenergia või kondensatsioonelektrijaam (tuumaenergia, põlevkivil põletamine, põlevkivi ja puitkütuse koospõletamine, turvas, maagaas jt.) Kondensatsioonjaam peab olema keskkonnanõuetele (SO2, NOX, Lendtuhk, CO, N20 jt) vastav, olema KÕRGE KASUTEGURIGA 44

45 Kuidas kõrge kasutegur saadakse? Nagu oli eespool: kõrged auruparameetrid ja võimalikult madal jahutustemperatuur kondensaatoris Ja auruparameetrid saadakse katla konstruktsiooniga Iga katel projekteeritakse kindla kütteväärtuse ja koostisega kütusele. 45

46 Kas puiduga saab kõrgeid parameetreid? Saab, Tallinna, Pärnu ja Tartu uutes koostootmisjaamades on kõrged parameetrid 110 atmosfääri ja 540 kraadi. Need on ÜLIHEAD, kõrgemaks ei saa täna Aga Narva, temal on veel kõrgem 150 atmosfääri, 540 kraadi ja isegi 160 atmosfääri 560 kraadi 46

47 Seega puidu ja põlevkiviga koos saame ka puidu osas kõrged parameetrid ja seega SAAME KÕRGE ELEKTRITOOTMISE KASUTEGURI Ja kui me ehitaks vaid puidukatla, siis see on kallim kui põlevkivi või põlevkivi+puidukatel. Aga kas me rikume põlevkivikatelt puiduga? Ei, sest puit ja põlevkivi on suhteliselt sarnased. Söe ja puidupõletamisel küll võib tulla see, et katla kasutegur langeb ja piir on koguses 47

48 Õlitootmise kasutegur? Nimetus Kogus, t, 1000 nm3 Qri, MJ/kg, MJ/nm3 Soojushulk, TJ 1 2 3=1x 2/1000 Põlevkivi,t , , Poolk.gaas, nm ,65 36, , ,6% Gaasbensiin,t 6437,115 43, , ,0% Õli, t , , ,8% AUR + soe vesi või muus energiaväljund ükskõik mis ühikus (GWh või MWh) /38106 kokku mwh=0,0036 tj 558 7,9% 86,3% 48

49 Peamised väljakutsed tuleviku põlevkivienergeetikale Tolmpõletustehnoloogia lõpetamine Auru ülekriitilised parameetrid nn teisel 300 MW plokil: kasutegur 44% Tuhaärastuse moderniseerimine- kuiv tuhaärastus Põlevkivi koospõletamine teiste kütustega sh põlevkiviõlitootmise kõrvalproduktid CO2 kinnipüüdmine (CO2 emission capture) 49

50 KOKKUVÕTE LAHENDUS EI OLE ÜHES KONKREETSES ENERGIAALLIKAS, TEHNOLOOGIAS EGA INVESTEERINGUS, VAID NENDE OPTIMEERITUD PÕIMIMISEL ÜHTSEKS TERVIKSÜSTEEMIKS 50