"Kasutegur ja teised olulised mõisted KASUTEGUR ENERGIATOOTMISEL" Loengukursus WEC Akadeemia loengud" Andres Siirde Tallinna Tehnikaülikool 01.11.2016 1
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
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
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
Mida me jätame järgmiseks aastaks? Õlitootmise energeetiiline bilanss ja CO2 emissiooni, aga kui veab jõuame ehk sedagi käsitleda, sissejuhatusena kas või. 5
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
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
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
Katla kasutegur 9
Põlevkivi katel 10
Keevkihttehnoloogia võrdlus tolmpõletusega Tolmpõletus Keevkiht SO2 sidumine 80 % 100 % SO2 2000 mg/nm3 0 20 mg/nm3 NOx 300 mg/nm3 90 170 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
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
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
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
Aurujõuseadme ringprotsess Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu ehk vaakumi. Prantsuse füüsik Denis Papin avastas 1690. 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
Rankine ringprotsess 16
Kasutegurid põlevkivi kasutamisel energia tootmiseks -1960 1960 1970 2000 2012- Keskrõhu tolmpõletus Balti SEJ kävitamine 1624MW 1959-1966 Eesti EJ käivitamine 1615 MW 1969-1973 Kahe energiaploki renoveerimine 430MW 2001-2004 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
Eesti põlevkivisektori hetkeolukord: Narva EJ põlevkivikatelde arengud Tolmpõletus 1959-1973 Tsirkuleeriv keevkiht 2004-2005 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
Koduülesanne Palju väheneb kütuse kulu elektrijaamas samaväärse elektritoodangu juures kui ringprotsessi termiline kasutegur muutus 30% kuni 36%? 19
Vaade Eesti Elektrijaamale 20
Auruturbiinid elektrijaamas 21
Elektrijaam 22
Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme liitringprotsess 23
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
Elektri ja soojuse koostootmine vasturõhu- ja vaheltvõtuga turbiinidega 2 1 3 4 5 6 7 25
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
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
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
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
Direktiiviga ühtlustatud võrdlus koostootmisest ja selle efektiivsusest 30
Narva Linna küte vaheltvõtuturbiinist 31
Võrdlusväärtused eraldi tootmisele 32
Tõhususe kriteerium Primaarenergia sääst võrreldes eraldi tootmisega (10% ja rohkem) Ettenähtud kogukasutegur (80% ja suurem) 33
Tulemuseks: Balti elektrijaama 11. plokiga toodetud soojus ja selle nn koostoodetud elektrienergia on "tõhus", vastavalt direktiivi 2004/8/EÜ mõistele, kogu aasta läbi. Vaid 2006. a. juunis toodetud elektrienergia kogus ei vasta "tõhususe" kriteeriumile. Summaarne säästetud primaarenergia kogus aastal 2006 "koostoodetud tõhusas režiimis" oli 353101 MWh. Koostoodetud "tõhus" elektrikogus samal aastal oli 254445 MWh, mis teeb aasta keskmiseks elektrivõimsuseks 31.87 MW. 34
Kas tõesti nii keeruline? Energiatootja võttis liigselt roheelektritoetust 11.03.2010 00:16 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
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 800 100% 700 80% 600 500 Soojuskoormuse kestuskõver 60% 40% 400 300 200 Küttekatlad - võimsus 500 kw 2. kombiplokk - soojusvõimsus 100 kw 20% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 100 0 1. kombiplokk - soojusvõimsus 200 kw 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Thousand hours Load Bio CHP Gas turb Gas engine Many CHPs TÖÖTUNNID AASTAS 36
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
Üks elektrijaam Lääne Eestis 38
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 2013. 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
Muutused koostootmise rakendamiste tingimustes (II) Varasem analüüs pigem üldine: 40
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 12000 10000 8000 6000 4000 6 764 4 389 Koostootmise potentsiaal 2000...4000 GWh 3 004 133 50 2000 0 3 750 10 514 1 775 1 163 Maksimaalne potentsiaal on toota soojust koostootmisel ca 2000...4000 GWh aastas, seda väikeste katlamajade asemel rajatud CHP-st; Potentsiaalne elektritoodang taastuvkütusel CHP-des oleks ca 600...750 GWh; gaaskütuse kasutamisel ca 2000...4000 GWh; Lisaks on potentsiaalne võimalus ka nn mikro CHP-dele ca??? GWh el 41
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
Üks elektrijaam Lääne Eestis 43
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
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
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
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
Õlitootmise kasutegur? Nimetus Kogus, t, 1000 nm3 Qri, MJ/kg, MJ/nm3 Soojushulk, TJ 1 2 3=1x 2/1000 Põlevkivi,t 786752 8,972 7058,738944 Poolk.gaas, nm3 26299,65 36,465 959,0167373 13,6% Gaasbensiin,t 6437,115 43,907 282,6344083 4,0% Õli, t 107313,36 40 4292,5344 60,8% AUR + soe vesi või muus energiaväljund ükskõik mis ühikus (GWh või MWh) 116962/38106 kokku 155068 1 mwh=0,0036 tj 558 7,9% 86,3% 48
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
KOKKUVÕTE LAHENDUS EI OLE ÜHES KONKREETSES ENERGIAALLIKAS, TEHNOLOOGIAS EGA INVESTEERINGUS, VAID NENDE OPTIMEERITUD PÕIMIMISEL ÜHTSEKS TERVIKSÜSTEEMIKS 50