ÜLO KASK CORBIS / SCANPIX. Energeetika

Transcript

1 ÜLO KASK Energeetika CORBIS / SCANPIX Bioenergeetika on osa tuleviku biomajandusest. Bioenergia tarbimine on üks võimalus hakkama saada maailmas, kus nafta, kivisüsi, turvas ja põlevkivi on otsakorral. Ometi pole ka biomassi hulk, millest energiat saadakse, lõputu. Biomassi, nagu kõiki loodusressursse, tuleb majandada kestlikult. 24 Δ horisont 3/2012

2 otsapidi tuleviku biomajanduse küljes Bioressursside tähtsus kõigis eluvaldkondades ja majandusharudes ainult kasvab. Maailma rahvastik suureneb ja paljud ressursid on kiiresti ammendumas, kasvab surve keskkonnale ja muutub kliima. Sellises olukorras on kogu maailmal, sealhulgas ka Euroopal, vaja põhjalikult muuta lähenemisviisi bioloogiliste ressursside tootmisele, tarbimisele, töötlemisele ja säilitamisele. Ainult kestlik majandamine aitab kindlustada bioloogilise mitmekesisuse, varustatuse inimtoidu ja loomasöödaga ning loodushoiu ja taastumatute ressursside osalise asendamise. Kuidas on selle taustal lood bioenergeetikaga? Loodusressursside majandamine Eeldatakse, et uuele lähenemisviisile loob kasuliku aluse biomajandus, mis hõlmab taastuvate bioloogiliste ressursside tootmise kõrval ka jäätmete muundamist lisandväärtusega toodeteks, milleks on eeskätt toiduained ja loomasööt, samuti bioenergia. Biomassi energeetilises kasutuses nähakse üht võimalust leevendada kliimamuutusi. Aga ka sõltumata sellest, kas kliimamuutusi põhjustavad inimtegevus ja rahvastiku üha kasvav energiavajadus või looduslikud protsessid, peaksime varem või hiljem niikuinii otsima alternatiive fossiilsetele energiaallikatele, mille varud on lõplikud. Teine oluline põhjus vähendada või optimeerida energiakasutust peitub energia kui kauba pidevas kallinemises. Kolmandaks ei saa alahinnata asjaolu, et taastuvate energiaallikate kasutuselevõtt on põhjustanud täiesti uute tehnoloogiate ja seadmete väljatöötamise ning tööstusharude arengu. See on võimaldanud ka paljudel fossiilenergia allikatest vabadel riikidel maailma energiamajanduses sõna sekka öelda ning vähendada energeetilist sõltuvust naftariikidest. Hea näide on Taani, kus ainuüksi elektrituulikud (tuugen id) genereerisid aastal viiendiku sisemaiselt tarbitavast elektrist. Taani eesmärk on minna aastaks täielikult üle taastuvatele energiaallikatele. Nende väljakutsete lahendamiseks on Euroopa Komisjon esitanud Euroopa energiapoliitika dokumendi, mille eesmärk on võidelda kliimamuutuste vastu ning tõsta Euroopa Liidu energiavarustuse kindlust ja konkurentsivõimet. Otse loomulikult pole see dokument saanud mööda minna ka bioenergeetika probleemidest. Selle kavaga, mille kiitis aastal heaks Euroopa Ülemkogu, kinnitati pikaajalised konkreetsed energiapoliitika eesmärgid Euroopa Liidus aastani. Nende eesmärkide saavutamiseks tuleb tõsta taastuvenergia osakaal 20 protsendini ja suurendada biokütuste osakaal transpordis kümne protsendini, säästes seejuures energiat võrreldes praeguse tasemega viiendiku võrra ja vähendades kasvuhoonegaaside heitkoguseid samuti vähemalt viiendiku võrra. Olulisim taastuv ehk uuenev energiaallikas energiatootmises on Euroopa Liidus ja ka kogu maailmas seniajani biomass (joonis 1). Selle osakaal kõigist taastuvatest energiaallikatest moodustab praegu veidi üle 68 protsendi. Kes meist poleks matkal olles istunud õhtuti telgi läheduses lõkketule juures. Selles põletame tavaliselt metsa 1 Euroopa Liidus kasutatavad taastuvad primaarenergia allikad alt leitud oksi, vanu kände ja muid metsapudemeid. Soojus, mis lõkke ääres põske paitab, on kunagi puudes keemiliste sidemetena salvestunud päikesekiirgus. Kui soovime puidus sisalduva primaarenergia muundada meile kõige paremini sobivaks energiavormiks, peame seda põletama näiteks elektrijaama katlas ja saadava auru abil genereerima elektrit. Siis saame matkalt koju jõudes elektri abil saunakerise soojaks kütta või teed keeta, et väsimust ja jahedust kontidest välja ajada. Nii Euroopa Liidu riikide kui kogu maailma keskmine taastuvate energiaallikate osakaal moodustab täna kogu primaarenergia kasutusest umbes kümnendiku. Eesti Riigikogus vastu võetud Biomassi ja bioenergia kasutamise edendamise arengukava aastateks eesmärk on luua soodsad tingimused kodumaise biomassi ja bioenergia tootmise arenguks. Siht on vähendada Eesti sõltuvust imporditavatest ressurssidest ja fossiilsetest kütustest, aga ühtlasi vähendada survet looduskeskkonnale ning kasutada maaressursse tõhusamalt. Pealegi on niisugune tegevus jätkusuutlik selleski mõttes, et soodustab tööhõivet eeskätt maal. Maa energiabilanss, biomass, biokütus ja bioenergia Maa energiabilansi järgi on teada, et suhteliselt väikese koguse kuus zetadžauli (ZJ = J) ehk ligikaudu 10 4 protsenti Maale saabuvast päikesekiirgusest kasutavad fotosünteesiks maa- ja veetaimed, esimesed ligikaudu neli zetadžauli, teised ligi poole vähem. Osa sellest tagastavad taimed soojuskiirgusena atmosfääri, osa salvestavad aga biomassina. Osa taimede biomassist kasutavad taimtoiduks elusolendid, kes eraldavad tarbitud energia samuti osalt soojusena atmosfääri või hüdrosfääri, osalt aga muundavad oma biomassiks, mis võib aastatuhandete pärast olla salvestunud samuti fossiilkütusena, kas või põlevkivina. Puiduna, turbana ja väga väikesel määral ka fossiilkütustena salvestub horisont 3/2012 Δ 25

3 ÜLO KASK Halupuud on üks vanimaid biokütuse liike. aastas käesoleval ajal ligikaudu 0,4 zetadžauli energiat. Kultiveeritavatel aladel toodetud biomassist läheb suurem osa toiduainete ja loomasööda tegemiseks. Energia tootmiseks jääb eri hinnanguil 0,29 0,44 ZJ aastas. Tegelikult kasutatavaks biomassi varuks maailmas hinnatakse aga 0,176 ZJ ehk teravatttundi (TWh) aastas aastal kasutati Euroopa Liidu riikides kokku 1369 teravatt-tundi biomassi primaarenergiat. Energeetikas loetakse biomassiks põllumajanduse, metsanduse ja nendega seotud tööstusharude tooteid, samuti nendega seotud jääke, nagu ka tööstuslike ja olmejäätmete biolagunevat osa. Biokütus ise on toodetud otseselt või kaudselt biomassist ja on läbinud mehaanilise, keemilise, termilise või bioloogilise töötluse või eelneva kasutuse, nagu näiteks lammutuspuit. Biokütuse hulka kuuluvad nii tahked, vedelad kui gaasilised muundamisproduktid. Biokütus on energeetilisel otstarbel kasutatav orgaaniline aine, mis organismide elutegevuse tulemusena on ökosüsteemis hiljuti moodustunud või mis on selle saadus. See määratlus seob biokütuse energeetilise kasutusega. Seostamine energeetilise kasutusega vaatleb ainult kaubanduslikku biokütust ja nn traditsioonilist kasutust toidu valmistamisel, lõkke tegemisel jne. On veel teisigi biokütuse määratlusi. Oluliseks kriteeriumiks biomassi kasutamises biokütuse toorainena peetakse taastuvust. Kui biomassi kasutatakse juurdekasvust rohkem, ei saa seda lugeda enam taastuvaks energiaallikaks. Bioenergia omakorda on taastuva energia liik, mis saadakse orgaanilises materjalis ehk biomassis sisalduvate süsivesinike termokeemilise muundamise protsessis, eeskätt põletamisel. Lihtsamalt bioenergia on biokütustest saadav energia. Biomass kliimamuutuste leevendajana Biomassi lagunemisel vabaneb süsihappegaas, mis kuulub kasvuhoonegaaside hulka. Oluline on teada, et biomassi lagunemisel või mädanemisel vabaneb süsinikdioksiidi samas mahus võrdväärse hulga biomassi põletamisega ja nii lagunemisel kui ka põletamisel eralduv süsinikdioksiid seotakse fotosünteesi käigus taas kasvavaks biomassiks (joonis 2). Seega vaatamata biokütuste Kui biomassi kasutatakse juurdekasvust rohkem, ei saa seda pidada taastuvaks energiaallikaks. Biomassi produktiivsus Kuigi biomass on enim kasutatav taastuv energiaallikas, jääb selle produktiivsus (viljakus) väheseks. Taimekasvu kasutegur võib ulatuda väga optimaalsetes kasvutingimustes (st parima võimaliku valguse, toitainete, niiskuse ja temperatuuri puhul) nelja-viie protsendini. Üldjuhul aga niisuguseid optimaalseid tingimusi ei eksisteeri ning juba neljaprotsendine kasutegur ei ole looduses saavutatav. Tavalisel viljapõllul muundub põllule langevast päikesekiirgusest viljaterade keemiliseks energiaks üksnes tuhandik, sest fotosünteesi käigus kasutatakse langevast kiirgusest ära üksnes kümnendik ja kaod on suured. Ideaalsetes tingimustes olevad taimelehed võivad ööpäevas anda 1,7 tonni fütomassi hektari kohta aastas. Sellise aastaringse kasvuga saaksime ühelt hektarilt 620 tonni fütomassi aastas. Reaalne lühiajaline juurdekasv on siiski üksnes kolmandik, väga heal aastal erilistes tingimustes kuni veerand ja pikaajalise keskmisena kümnendik ideaalsest. Kõige tõenäolisem ülemaailmne biomassi produktiivsus (NPP net primary productivity) oli 20. sajandi lõpus süsinikumassina väljendatuna gigatonni süsinikku aastas (Gt C/a), s.o gigatonni kuiva fütomassi, mis energiaühikutes oleks 3,3 3,6 zetadžauli. See kasvab koos süsinikdioksiidi emissiooni kasvuga. Eelmainitud kogusest jääb keskmiselt 56,4 gigatonni süsinikku aastas maise biomassi arvele ja 48,5 gigatonni süsinikku aastas ookeanide ja merede arvele. Keskmiseks energiatiheduseks saame 450 millivatti jäävaba maismaa ruutmeetri kohta (mw/m 2 ) ja 130 millivatti ookeanipinna ruutmeetri puhul. Võrdluseks on söekaevanduses saadava energia tihedus: allmaakaevandamisel 1 2 kilovatti ruutmeetri kohta; karjäärikaevandamisel kuni 20 kilovatti ruutmeetri kohta. Energia tihedus nafta tootmisel on kilovatti ruutmeetri kohta, millest kümnendik kulub mitteenergeetiliseks vajaduseks. Parima energiataime energiatihedus jääb alla ühe vati ruutmeetri kohta, mis on minimaalselt tuhat korda väiksem kui allmaakaevandusest saadaval kivisöel aastal vajas 7,5 gigatonni fossiilkütuses sisalduva süsiniku põletamine 50 teratonni muistset fütomassi. See on ekvivalentne 500 aasta jooksva biomassi produktiivsusega ehk 105 gigatonni süsinikuga aastas. Inimkond on igal aastal kasutanud fossiilset fütomassi koguses, mis on võrdne kordse planeedi kogu tänase fütomassi varuga, milleks on gigatonni süsinikku. 26 Δ horisont 3/2012

4 2 Süsiniku ringkäik biomassi elukaares põletamisel tekkivale süsihappegaasile, selle hulk atmosfääris ei suurene, vastupidiselt fossiilsete kütuste põletamisel vabanevale süsihappegaasile, mis lisandub juba atmosfääris olevale ja osaleb kasvuhooneefekti tekkes. Biomassi käärimisel hapniku juuresolekuta ehk anaeroobsel lagunemisel eraldavad bakterid oma elutegevuse käigus aga metaani, mis on süsihappegaasist 25 korda tugevam kasvuhooneefekti tekitaja. Sõnniku ja muude biojäätmete kääritamisel biogaasiks vastavates tehnilistes seadmetes ongi oht, et biomassi ja jäätmete kontrollimatu bioloogilise lagunemise käigus tekkiv ja atmosfääri jõudev metaan võib aidata kaasa kliimamuutusele. Seega peaksime püüdma igati vältida just metaanileket atmosfääri. Tahked, vedelad ja gaasilised biokütused Biokütus nagu fossiilkütuski esineb tahke, vedela ja gaasilisena. Tahke biokütus võib olla puitpõhine, rohtne, ÜLO KASK puuviljapõhine või lisanditega segatud. Läänemeremaades kasutatakse energeetilise kütusena mitmesuguseid puitpõhiseid kütuseid ning mõningaid rohtse päritoluga kütuseid, eeskätt õlgi, Eestis ka luhaheina. Puitpõhise biomassi annavad puud või/ja põõsad, kusjuures biomass võib olla saadud otse metsast või energiametsa istandusest. Sobivad on ka puidutööstuse jäägid ja korduvkasutusega puit. Nii puitpõhised kui rohtsed (ingl herbaceous) kütused võivad olla keemiliselt töödeldud ning sisaldada lisandeid ja kemikaale, mis mõjutavad nende materjalide kasutatavust kütusena. Selliste lisandite sisaldus tuleb lähtuvalt keskkonnaohtlikkusest eriti täpselt määratleda. Vedelaid biokütuseid looduses ei esine ning taimeõli ja etanooli kusagil iseenesest ei tilgu. Neid saadakse mehaanilise, bioloogilise ja termokeemilise muundamise käigus biomassist ja kasutatakse peamiselt veovahendite mootorikütusena. Vedelaks biokütuseks loetakse Euroopa Liidu direktiivi järgi bioetanooli, biodiislikütust, biometanooli jt aastal toodeti maailmas keskmiselt 106,5 miljonit liitrit vedelaid biokütuseid ööpäevas, mis moodustas umbes ühe protsendi globaalsel mootorikütuste turul müüdavatest kütustest. Gaasilisi biokütuseid looduses samuti pole, ehkki näiteks looduslike käärimisprotsesside tulemusena tekib metaanirikas soogaas, kuid hajutatuna ning kütusena seda ei kasutata. Gaasilisi biokütuseid saadakse kas kääritamisel või termokeemilisel teel. Gaasilised biokütused on peamiselt biogaas, sealhulgas prügilagaas, biovesinik ja sünteetiline biogaas. Mitmekesiseks energiaallikaks on biojäätmed, mis tegelikult on samuti taimse või loomse päritoluga. Need on orgaanilised olme-, põllumajandus- ja tööstusjäätmed, heitvete muda ning kas otseselt põletatavad tahked olme- ja MIS ON MIS? FÜTOMASS kõikide taimsete organismide kogumass. Luhaheina pakid AS Lihula Soojus katlamaja laos ootavad põletamist. HEMITSELLULOOS keemilise ehituse poolest väga sarnane tselluloosile, hapete toimel muutub lahustiks. horisont 3/2012 Δ 27

5 3 Biokeemiakombinaadi tööpõhimõte põllumajandusjäätmed või gaasistatavad või isegaasistuvad prügimägedele paigutatud orgaanilised jäätmed. INFOGRAAFIKA: KAAREL TAMRE AUTORIST ÜLO KASK (1952) on lõpetanud Tallinna Polütehnilise Instituudi tööstusliku soojusenergeetika erialal. Tallinna Tehnikaülikooli Soojustehnika instituudi teadur, tehnikateaduste magister. On avaldanud teaduslikke ja populaarteaduslikke kirjutisi bioenergia, energia tõhusa muundamise ja säästliku kasutuse alal. Osalenud paljudes Euroopa Liidu projektides. Eesti Biokütuste Ühingu juhatuse liige. horisont TOOMAS PÄÄSUKE Esimene, teine ja kolmas põlvkond Esimese põlvkonna biokütusteks peetakse suhkruid ja tärklist sisaldavatest taimedest, nagu suhkruroost, maisist, nisust ja teistest teraviljadest, suhkrupeedist ja kartulist toodetud bioetanooli ning õlitaimede seemnetest või pähklitest tehtud biodiislikütust. Iseasi, kui palju jätta neid taimi ja vilju ikkagi inimese toidulauale või anda loomadele söödaks. Vedelate biokütuste omahinnad muutuvad ajas kiiresti vastavalt tehnoloogia arengule ja sõltuvad tootmismahust. USA-s on pakutud puittoormest valmistatud bioetanooli ühe liitri tootmise omahinnaks 0,17 eurot, kui ettevõtte tootmismaht on 135 miljonit liitrit aastas. Eestis on põllumajanduslikust toormest valmistatud absoluutse bioetanooli tootmise omahinnaks hinnatud 0,6 eurot liiter, mis omakorda sõltub oluliselt vilja hinnast. Teise põlvkonna biokütuseid saadakse ligno-tselluloossete taimede, nagu puit, õled ja hein, töötlusprotsesside saadusena. Ühest grammist puidust, mis sisaldab keskmiselt 42 protsenti tselluloosi ja 21 protsenti hemitselluloosi, on teoreetiliselt võimalik saada 0,32 grammi bioetanooli. Keskmisest Eesti lepikust saab 6,4 tonni puitu hektarilt ja sellest omakorda 1650 liitrit bioetanooli, millega saaks läbida umbes kilomeetrit. Seega kulub saja kilomeetri läbimiseks kaheksa liitrit bioetanooli. Kolmanda põlvkonna biokütuse tootjad on elusorganismid näiteks vetikad või tsüanobakterid ning saadused biodiislikütus, bioetanool ja biovesinik. Tulevikus arendatavat biomassi igakülgset kasutust võimaldab biokeemiakombinaat (ingl biorefinery), kus biomassist, sealhulgas vetikatest, saadakse materjale, kemikaale, toitaineid, kütust veovahenditele, energiat elektri ja soojusena. Mitmetes maades on juba asutud endisi tselluloosi- ja paberivabrikuid ümber kujundama biokeemiakombinaatideks (joonis 3). Järgmises numbris räägime biomassi muundamise tehnoloogiatest, biomassi kasvatamise ja kasutamise riskidest ning elukaarest. 28 Δ horisont 3/2012