12 säästvat inseneriprintsiipi: Energia säästvuse problemaatika elektrienergia toomise aspektist

1. 12 säästvat inseneriprintsiipi: Energia säästvuse problemaatika elektrienergia toomise aspektist Andres Siirde TTÜ Soojustehnika instituut

2. The 12 Principles of Green Engineering • Principle 1: Designers need to strive to ensure that all material andenergy inputs and outputs are as inherently nonhazardousas possible. • Principle 2: It is better to prevent waste than to treat or clean upwaste after it is formed. • Principle 3: Separation and purification operations should bedesigned to minimize energy consumption and mmaterialsuse • .Principle 4: Products, processes, and systems should be designed tomaximize mass, energy, space, and time efficiency. • Principle 5: Products, processes, and systems should be “outputpulled” rather than “input pushed” through the use ofenergy and materials. • Principle 6: Embedded entropy and complexity must be viewed as aninvestment when making design choices on recycle,reuse, or beneficial disposition. • Principle 7: Targeted durability, not immortality, should be a designgoal. • Principle 8: Design for unnecessary capacity or capability (e.g., “onesize fits all”) solutions should be considered a designflaw. • Principle 9: Material diversity in multicomponent products should beminimized to promote disassembly and value retention. • Principle 10: Design of products, processes, and systems mustinclude integration and interconnectivity with availableenergy and materials flows. • Principle 11: Products, processes, and systems should be designedfor performance in a commercial “afterlife”. • Principle 12: Material and energy inputs should be renewable ratherthan depleting.

3. Protsessi kujundamisel peab lähtuma põhimõttest, et nii sisendis kui väljundis oleksid vajaminevad materjalid ja energia võimalikult väheohtlikud. • Protsessi kujundamisel lähtume põhimõttest, et parem on ära hoida heitmete teke kui neid hiljem kas töödelda või puhastada. • Puhastuse ja eralduse protsessid peaksid olema kavandatud nii, et nad tarvitaksid minimaalselt energiat. • Tooted, protsessid ja süsteemid peaksid olema kavandatud nii, et oleksid tagatud maksimaalne materjali, energia, ruumi ja aja kasutamise efektiivsus

4. 5. Tooted, protsessid ja süsteemid peaksid olema energia ja materjali kasutuse efektiivsuse seisukohalt pigem suunatud lõpptoodangule, kui tootmisprotsessile. 6. Protsessi kujundamisel temasse viidav “entroopia” ja “keerukus” tuleb võimalikult väärtustada ja mõtestada kui hästi paigutatud investeering. 7. Toote eluiga peab vastama vajadusele, mitte kestma igavesti. 8. Toode peab oma suuruselt (võimsuselt) vastama vajadusele. Üleprojekteerimine on viga.

5. 9. Multikomponentsete toodete puhul peaks kasutatavate materjalide hulk olema võimalikult väike soodustamaks demontaazi ja väärtuste säilumine peale toote kasutusaja lõppu 10. Toodete, protsesside ja süsteemide kavandamisel tuleb püüelda materjalide ja energia integreeritud kasutamist. 11. Toodete, protsesside ja süsteemide kavandamisel peame ette nägema ja teadma, mis saab pärast nende kommertskasutuse lõppu. 12. Protsessides kasutatavad materjalid ja energiad peaksid olema võimalikult taastavad ja korduvkasutatavad (regenereeritavad).

6. Tarbija poolne energiasääst: Energiasäästu meetmete ja ratsionaalse energiapoliitika rakendamise eesmärk on majanduslik kokkuhoid ning keskkonnatingimuste kui ka elutingimuste parendamine. Seega säästetud energia, see on vähenenud energiaarve, see on vähenenud keskkonda saastavate einete emissioon, see on säästetud looduavarad.

7. Tootja poolne lähenemine- KÜTUSE- JA ENERGIAMAJANDUSE PIKAAJALINE RIIKLIK ARENGUKAVA AASTANI 2015 • Eesti kütuse- ja energiamajanduse strateegilised eesmärgid on: • tagada nõuetekohase kvaliteediga ning optimaalsete hindadega kütuse- ja energiavarustatus; • kindlustada sisemaise elektrilise tarbimiskoormuse katmiseks vajalik kohaliku genereeriva võimsuse olemasolu ning seadusele vastav vedelkütuse varu; • saavutada aastaks 2010 taastuvelektri osakaaluks 5,1% brutotarbimisest; • saavutada aastaks 2020 elektri- ja soojuse koostootmisjaamades toodetud elektri osakaaluks 20% brutotarbimisest; • tagada elektrivõrgu täielik uuendamine ligikaudu 30 aastastes perioodides;

8. tagada avatud turu tingimustes põlevkivienergia tootmise siseturu konkurentsivõime säilimine ning efektiivsuse tõus rakendades kahjulikke keskkonnamõjusid vähendavaid kaasaegseid tehnoloogiaid; • kindlustada riiklikult kehtestatud keskkonnanõuete täitmine; • tõhustada energiakasutust soojus-, elektri- ja kütusemajanduses; • hoida aastani 2010 primaarenergia tarbimise maht aasta 2003 tasemel; • töötada välja meetmed võimaldamaks taastuvate vedelkütuste, eeskätt biodiisli, kasutamist transpordisektoris; • tagada pidev kaasaegse oskusteabe ning spetsialistide olemasolu kütuse- ja energiamajanduse kõigis valdkondades, et soodustada siseriiklikku tehnoloogiaarendust ning võimaldada kaasaegse energiatehnoloogia siiret; • luua eeldused ühenduste rajamiseks Põhjamaade ning Kesk-Euroopa energiasüsteemidega.

9. Esitada ja analüüsida elektrienergia tootmise arengusuundasi Eestis tulenevalt majanduspoliitilistest ja keskkonnahoiu tingimustest ning seotusest baltimaade ühtse energiasüsteemiga • Põlevkivienergeetika konkurentsivõimelisus Balti riikide ühises energiasüsteemis • Elektri ja soojuse koostootmise majanduslikud ja tehnilised aspektid

10. BALTI RIIKIDE ENERGIASÜSTEEMIDE VAHELINE ÜHENDUS JA SUUREMATE ELEKTRIJAAMADE PAIKNEMINE

11. BALTI RIIKIDE, VENEMAA JA VALGEVENE VÕRGUÜHENDUSTE LÄBILASKEVÕIMSUSED KOOS PIIRANGUTE PÕHJUSTEGA T- Soojuslik piirang (vool) SS- Staatiline stabiilsus TS- Dünaamiline stabiilsus VS- Piirang pinge stabiilsusest

12. Olukord enne investeeringute alustamist

18. LEEDU ELEKTRIENERGIA TOOTMISIST JA ARENGUT MÕJUTAVAD TEGURID: • LEEDU SEIM (PARLAMENT) ON VASTU VÕTNUD POLIITILISE OTSUSE-SULGEDA IGNALINA AEJ ÜKS ENERGIA PLOKK AASTAL 2004. TEISE PLOKI SULGEMINE ON OTSUSTAMISEL. TÕENÄOLINE ON IGNALINA TÄIELIK SULGEMINE AASTAL 2010. • LEEDU ON TEOSTANUD EELUURINGUID REKONSTRUEERIDA LEEDU EJ KAASAEGSE KOMBINEERITUD GAAS-AURUTURBIIN TSÜKLIGA ELEKTRIJAAMAKS

19. LÄTI ELEKTRIENERGIA TOOTMISIST JA ARENGUT MÕJUTAVAD TEGURID: LÄTI ELEKTRIJAAMAD EI KATA OMA MAA ELEKTRITARVET. SEEGA ON TINGIMUSED POTENTSIAALSEKS ELEKTRIENERGIA TURUKS LÄTIS TÄNA JUBA OLEMAS . EELDUSI LISAB SEEGI, ET OLEMASOLEV HÜDROENERGIA ON SOBIV VÕIMSUSE REGULEERIMISEKS, TIPUVÕIMSUSTE KATMISEKS NII OMA MAAL KUI KA VÄLJAPOOLE OMA PIIRE. SEEGA ON SOODSAD TINGIMUSED ERITI nn. BAASIS TÖÖTAVATE KOOSTOOTMISJAAMADE EVITAMISEKS. LÄTI ON ALUSTANUD RIIA SEJ-1 REKONSTRUEERIMISE PROJEKTIGA KASUTADES KOMBINEERITUD GAAS-AURUTURBIIN TSÜKLIT. POTENTSIAALNE VÕIMALUS ON REKONSTRUEERIDA RIIA SEJ-2. LÄTIS ON SEADUSEGA LOODUD SOODSAD MAJANDUSLIKUD TINGIMUSED KUNI 4 MWe VÕIMSUSEGA KOOSTOOTMISJAAMADELE.

20. EESTI • LEPINGULINE KOHUSTUS OLI VÄHENDADA VÄÄVLIHEITMEID 2005 AASTAKS 80 % VÕRRELDES HEITMETEGA AASTAL 1980 • Narva Elektrijaamas on äsja renoveeritud kaks energiaplokki kokku 430 MW

21. Balti energiasüsteemi optimeerimine optimeerides*) generaatorite tööd süsteemis lähtudes valitud tarbimise stsenaariumil vähimkulutuste meetodil saame tulemuseks: • uute võimsuste evitamine on vajalik alates aastast 2008 operatiivreservi tagamiseks- 130 MW • alates aastast 2009 on vajalik tarbimise tagamiseks evitada keskmiselt 200 MW võimsusi *) märkused: • optimeerimisel arvestati Eesti kohustust tagada aastast 2005 väävliheitmed piirides, mis ei ületaks 20% 1980 tasemest • (~40 000t/aastas) • energiasüsteemis tuleb tagada operatiivreserv teatavatest kriteeriumidest lähtudes (kriteerium n-1) • generaatorid vajavad hooldust ja remonti, seega ei ole aastaringselt kasutatav kogu võimsus. • hüdroenergia kasutatav võimsus on sesoonse iseloomuga

22. Põlevkivienergeetika konkurentsivõimelisus Balti riikide ühises energiasüsteemis

24. Hetkeolukord • Nõudlus • Pakkumine • Ühendused • Poliitika Elektrienergia tarbimine kasvab nii Eestis kui ka Balti regioonis tervikuna. Installeeritud võimsus Balti regioonis suurem kui tarbimine. Vahe väheneb Balti riikide vahelised võrguühendused on küllaldased võimaldamaks riikide vahelist energiakaubandust. Elektrituru järkjärguline avamine. Karmistuv keskkonnapoliitika Ignalina EJ sulgemine

25. Investeerimisvajadus • Olemasolevate elektrijaamade amortiseerumine • Keskkonnapiirangud või poliitilised otsused • Tarbimise kasv

26. Uue tehnoloogia mõju põlevkivi vajadusele • 1 tonn põlevkivi sisaldab 2,32 MWh energiat • 1 tonni põlevkivi tolmpõletamisel - 0,696 MWh elektrienergiat • 1 tonni põlevkivi keevkihtpõletamisel - 0,812 MWh elektrienergiat Uus keevkiht katel kasutab 1 MWh elektrienergia tootmiseks16 % vähem põlevkivi

27. Elektriturgude liberaliseerimise mõju põlevkivi toodang12 mln tonni aastas Põlevkivi aastastest toodangust on garanteeritud ca 75%. Elektrisektori järk-järguline avamine vähendab garanteeritud toodangu osakaalu keemiatööstus 2 mln tonni aastas energeetika10 mln tonni aastas konkurents2 mln tonni garanteeritud 9 mln tonni konkurents1 mln tonni aastas eksport 0.5 mln tonni Eestis 0.5 mln tonni

28. Elektrituruseadusega garanteeritud toodang Garanteeritud kogus turuavamise esimeses faasis ca 9-10 mln tonni põlevkivi aastas

29. Toodangu potentsiaal ja põlevkivi vajadus Kokku maksimaalselt 11,85 TWh aastas ja 16,5 mln tonni põlevkivi

30. Põlevkivielektri võimalikud mahud 16,5 mln tonni põlevkivi ja 11,8 TWh aastas

31. Aastane põlevkivi kogus (2008 a.) Max vajadus Eesti põlevkivi järgi15.3 mln tonni aastas Põlevkivienergeetika maksimaalne aastane vajadus on 16,5 milj tonni. Sellest 10 mln tonni Eesti vajaduseks. Ekspordi võimalus on 6,5 mln tonni, (millest 1.2 mln tonni imporditakse Venemaalt) Vene põlevkivist elektri tootmine 0.7 TWh aastas Eksport Lätti0.5 TWh aastas Eesti tarbimine 7.5 TWh aastas ESTLINK eksport 0.9 TWh aastas Võimalik põlevkivi toodang aastas Võimalik lisatoodang 2.7 TWh aastas NEJ võimalik toodang11.8 TWh aastas

32. Põlevkivi konkurentsivõime • Lähiperioodis mõjutavad põlevkivi energeetika konkurentsivõimet peamiselt muutuvkulud: • Kütus • Keskkonnamaksud • Pikas perspektiivis mõjutavad konkurentsivõimet: • Tehnoloogia • Kütuse hind • keskkonnamaksud

33. Põlevkivi konkurentsivõime • Eesti vabaturul • Balti regioonis • Põhjamaades Turumaht ca 1 TWh aastal 2002-2008 Konkureerib koostootmisrežiimis toodetud elektriga ja impordiga. Läti impordib ca 2 TWh aastas Peamised konkurendid Ignalina ja Venemaal toodetud elekter. Tulevikus peamiselt gaasist toodetud elektrienergia. Eelduseks ESTLINK’i elluviimine. Võimalik turumaht 1 – 2 TWh aastas. Hinnatase sõltub ilmastikust. Vähene investeerimine on tõstnud elektrihindu. Täna võimalik sõlmida 10 aastaseid lepinguid tasemelt 24 EUR/MWh?????

34. Vahekokkuvõte • Maksimaalne nõudlus põlevkivi järgi elektroenergeetika sektoris on 16,5 mln tonni aastas • Garanteeritud toodang väheneb oluliselt järgmise 10 aasta jooksul • Tulevikus sõltub põlevkivi, kui kütuse konkurentsivõime Balti regioonis peamiselt: • Tootmishinnast • Keskkonnamaksudest • Pikas perspektiivis põlevkivi põletamistehnoloogia konkurentsivõimest

35. Elektri ja soojuse koostootmise majanduslikud ja tehnilised aspektid

36. Mida mõistetakse koostootmise all? • Euroopa Liit defineerib koostootmise mõiste direktiiviga 2004/8/EC, vastu võetud 11 veebruaril 2004 (avaldatud 21.2.2004). • Euroopa Liit oma direktiiviga tegeleb nn. kõrge efektiivsusega koostoomisega: Efektiivse koostootmise kriteeriumiks on kogukasutegur, mis peab olema vähemalt 10% kõrgem võrreldes energiate (soojuse ja elektri) eraldi tootmisega.

37. Kasutegurite mõisted:

38. Euroopa Liidu direktiivides arvutatav koostoomise efekt (PES) :

39. Euroopa Liidu direktiiviga määratletakse koostootmise kogukasutegur. Sõltuvalt koostootmise tüübist peab koostootmise aastane kogukasutegur olema piirides 75-80%. • Juhul, kui kogukasutegur osutub madalamaks ülatoodust, esitab direktiiv võimaluse arvutada koostootmisest tuleneva elektritoodangu koostootmis- seademest toodetud soojuse ja seadmele vastava elektri ja soojuse suhteteguri C järgi: • Valem seab piirid madala kogukasuteguriga seametel kirjutada juurde “koostoomisest tulenevat elektritoodangut”.

40. Riiklik tegevuskava Eestis: • Kütuse- ja energiamajanduse pikaajaline riiklik arengukava aastani 2015 (eelnõu) seab üheks strateegiliseks eesmärgiks: • saavutada aastaks 2020 elektri-ja soojuse koostootmisjaamades toodetud elektri osakaaluks 20% brutotarbimisest kusjuures tuleb eelistada uute elektrijaamade rajamisel elektrienergia hajutatud tootmise printsiipi ja soojuse ning elektri koostootmist, kindlustades seejuures olemasolevate soojusvõrkude optimaalse ärakasutamise.

41. Koostootmisseeadmed: • Auruturbiinjõuseade, mille töö põhineb Rankine ringprotsessil. Nimetatud tehnoloogia põhineb aurukatlas genereeritud auru paisumisel elektrigeneraatoriga ühendatud auruturbiinis soojustarbijale vajaliku auru rõhuni. Sellisel süsteemil on küll rida eeliseid, nagu näiteks võimalus kasutada erinevaid kütuseid, pikk kasutusiga, suhteliselt madalad tootmiskulud, kuid ta on sobilikum kasutuseks suurematel võimsustel. Sisuliselt saab auruturbiinjõuseadet jagada kaheks: kas vasturõhu turbiinsead, või vaheltvõtuga turbiinseade.

42. Gaasturbiinjõuseade, mille töö põhineb Braytoni ringprotsessil. Gaasturbiin on suhteliselt uus tehnoloogia, mis on kasutusele võetud viimase neljakümne aasta jooksul. Gaasturbiinseadmetele on iseloomulikud madalad kapitali- ja hooldekulud ning lühike ehitusaeg

43. Sisepõlemismootoriga jõuseade, mille töö põhineb kas Diesel või Otto ringprotsessil. Otto ringprotsessil töötavad seadmed kasutavad reeglina kütuseks maagaasi. Soojust toodetakse nii heitgaaside (400-6000 C) arvelt kui ka mootori jahutussüsteemist.

44. Kombineeritud süsteem gaasi- ja auruturbiiniga. Kombineeritud tsükliga soojuse ja elektri koostootmisjõujaamas toimub üheaegselt gaasi- ja auruturbiinseadme kasutamine. Kahe termodünaamilise ringprotsessi kooskasutamine tagab elektrienergia tootmise kõrge kasuteguri, kuid nimetatud tehnoloogia kasulikkus ilmneb suurematel võimsustel.

45. Koostootmisjaama töö kõrge efektiivsuse saavutamiseks tuleb see projekteerida soojusvõimsusele, mis vastab tarbija baassoojuskoormusele. • Sellisel juhul tagatakse jõujaama suur aastane kasutusaeg. • Tarbija baaskoormust ületav soojustarve kaetakse kas tipuseadmetega või ostetakse suurtootjatelt. • Juhul, kui jõujaama käitaja elektrienergia omatarve osutub seejuures väiksemaks kui jaama tootlikkus, on vajalik toodetud ülejääk müüa võrku teistele tarbijatele.

46. Et otsustada soojuse ja elektri koostootmisjõujaama otstarbekuse üle, tuleb välja selgitada järgmised põhilised tingimused: • Optimaalne soojuse ja elektri koostootmisjõujaama konfiguratsioon. • Sobilik koht soojuse ja elektri koostootmise jaamale. • Soojuse ja elektri koostootmise jaama ühendamise võimalused olemasoleva soojuse ja elektrivõrguga. • Millised on planeeritava koha soojuskoormused aasta ja ööpäeva lõikes, et tagada maksimaalne soojuse ja elektri koostootmisjõujaama kasutus koos kõrge kasuteguriga.

47. Baassoojuskoormus: tööstus ja kaugküte • Soojuse tarbijaga on määratud soojuse tarbimise potentsiaal: temperatuur. Mida madalama temperatuuriga on soojustarbimine, seda väiksemad on kaod, seda suhteliselt rohkem on võimalik koostoomisest toota elektrit soojuse baasil või on suurem võimalik kogukasutegur. • Tööstuses tuleb analüüsida kas on võimalik ettevõtte tootmist organiseerida nii, et soojustarbimine on päeva jooksul koormuste poolest võrdlemisi ühtlane.

50. Kas säilitada kaugküte? Jah, kui koostootmise rakendamine on tehniliselt võimalik ja majanduslikult (arvestades loomulikult ka kaugkütte renoveerimise ja optimeerimise kulutused) tasuv. Kaugkütte renoveerimine ja majandamine peab tagama olukorra, kus kliendid on rahul, soojuse hind ja kvaliteet on konkurentsivõimeline lokaalküttega. Nii luuakse eeldus koostootmise rakendamiseks. • Koostootmine ja elekter põlevkivibaasil?