KASUTEGUR

ENERGIATOOTMISEL

Andres Siirde (TTÜ)

Loengu ülesanne on selgitada kasuteguri

mõistet • 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?

• Ja KÕIGE LÕPUKS PUIT+PÕLEVKIVI2

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

3

Termodünaamika I ja II seadus

Termodünaamika esimene printsiip on energia

jäävuse seadus, millest järeldub siseenergia U kui

olekufunktsiooni olemasolu. Kui ainehulk on jääv, siis

siseenergia muutus ΔU=ΔQ-ΔW, kus ΔQ on

süsteemi sisestatud soojushulk ja ΔW süsteemi

tehtud töö.

Clausius formuleeris täpselt uues formuleeringus

termodünaamika teise seaduse (1850) väites, et ei

ole protsessi, mille ainus efekt oleks soojuse

ülekanne madalama temperatuuriga kehalt kõrgema

temperatuuriga kehale.

4

ENTROOPIA MATEMAATILINE VÄLJENDUS

Soojushulga arvutamiseks termodünaamika esimese seaduse matemaatilisest

väljendusest (diff. kujul):

dq=du+pdv

peame teadma rõhu ja erimahu sõltuvust vaadeldavas protsessis.

Matemaatiliselt on võimalik diferentsiaal kaksikliiget du+pdv muuta

täisdiferentsiaaliks, kui tema liikmeid korrutata läbi integreerimiskordajaga.

Integreerimiskordajaks on absoluutse temperatuuri pöördväärtus.

Saame võrrandi:

Avaldis dq/T mida tähistame ds on täisdiferentsiaal. Suurus s nimetame

entroopiaks, mille mõõteühikuks on J/(kg K)

5

dsT

pdvdu

T

dq

Igiliikurid

Ajaloost on teada väga palju “leiutusi”, mille sisuks on muundada energiat, kus

kogemata või sihilikult eiratakse termodünaamika seadusi. Tavaliselt on

esimese seaduse rikkumist lihtne kohe tabada (nt automootor, mille “kütuseks”

on ainult vesi).

Masinaid, mis eiravad energia jäävust ehk termodünaamika esimest

seadust nimetatakse esimest liiki igiliikurid (perpetual motion machines

of the first kind).

Masinaid, mis aga eiravad teist seadust, nimetatakse teist liiki igiliikurid

(perpetual motion machines of the second kind).

On selge, kuidas energia jäävust eirates on võimalik korraldada igiliikumist,

aga võib-olla ei ole veel niisama selge, kuidas seda teha rikkudes teist

seadust. Selleks aga tuleb ainult ette kujutada masinat (kas või automootorit),

mis võtaks soojust otse õhust ja muundaks liikumistööks. Õhk jaheneks

sedamööda, mida rohkem selline auto sõidab.

6

Soojusjõuseade

7

soojusallikas

jahuti

qs

wt

qk

Tööd

tootev

masin

Ts

Tk

Q

s

katel

pum

W

t

kondensaato

Qk

turbiin

Wp

1

2

3

4

Kasuteguri mõisted

8

ENERGIA KÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

TÖÖKASULIK SAADAVKASUTEGUR

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

ERGIA ELEKTRIENTOODETUDKASUTEGUR EELEKTRILIN

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

SOOJUSERGIA ELEKTRIENTOODETUDGURKOGUKASUTE

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

SOOJUS TOODETUDKASUTEGUR SOOJUSLIK

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

9

Kütuse bilanss

10

Põlevkivi

ParameeterKasutatud

ühikudVäärtus

Tarbitud kütuse kogus t 1 467 321

Kütuse alumine kütteväärtus TJ/t0,00762637

Tarbitud kütuseenergia TJ 11190,33285

Tarbitud kütuseenergia GWh 3108,338757

Eriheide t CO2/TJ 100,96782

Oksüdatsioonitegur 0,999

Fossiilne CO2 t CO21 128 733,60

Põlevkiviõli

ParameeterKasutatud

ühikudVäärtus

Tarbitud kütuse kogus t716

Kütuse alumine kütteväärtus TJ/t 0,0397

Tarbitud kütuseenergia TJ 28,4252

Tarbitud kütuseenergia GWh 7,895667804

Eriheide t CO2/TJ 77,31

Oksüdatsioonitegur 0,99

Fossiilne CO2 t CO2 2 175,6

Poolkoksgaas

ParameeterKasutatud

ühikudVäärtus

Tarbitud kütuse kogus Nm3 13 622 000

Kütuse alumine kütteväärtus TJ/Nm3

0,000042773

Tarbitud kütuseenergia TJ 582,653806

Tarbitud kütuseenergia GWh 161,8437477

Eriheide t CO2/TJ 58,174

Oksüdatsioonitegur 0,995

Fossiilne CO2 t CO2 33 726

Kasutatud kütuseenergia kokku

GWh 3278,078173

Põlevkivi suhteline kasutatud

kütuseenergiast

0,948219839

Väljastatud elektrienergia GWh 1166,561859

Põlevkivist toodetud arvestuslik

elektrienergia kogus

GWh 1106,157098

Keevkihtpõletusel Eesti

elektrijaamastCO2/GWhe 1020,409851

Väljastatud elektrienergia GWh 1166,561859

Netokasutegur 0,355867614

Katla kasutegur

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

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).

1

2

1

2

111

T

T

q

q

ql

t

Kuidas kütuse põletamisel 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

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

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

Põlevkivi katel

16

Rankine ringprotsess

17

18

Kasutegurid põlevkivi kasutamisel energia tootmiseks

-1960

Keskrõhu tolmpõletus

keskmine kasutegur

25%

1960

Balti SEJ

kävitamine

1624MW

1959-1966

keskmine kasutegur

27%

1970

Eesti EJ käivitamine

1615 MW

1969-1973

keskmine kasutegur

30%

2000

Kahe energiaploki

renoveerimine

430MW

2001-2004

keskmine kasutegur

37%

2012-

Alustatud uue 300 MW ploki

ehitust

oodatav kasutegur

≥40%

Uus tehnoloogia on suurendanud üldist tõhusust ja

vähendanud keskkonnamõju energia tootmisel

Eesti põlevkivisektori hetkeolukord:

Narva EJ põlevkivikatelde arengud

η~30%(*) η~36% (*) η~40%(*)

Tolmpõletus

1959-1973

Tsirkuleeriv keevkiht

2004-2005

Tsirkuleeriv keevkiht

2015

TP-101, Narva

p = 13,2 MPa

t = 520 / 525 °C

η ~30%

CFB, Narva, E08, B11

p = 13,3 MPa

t = 535 / 535 °C

η ~36%

CFB, Auvere 300 MW

p = 17,8 MPa

t = 543 / 568 °C

η ~40%

(*) - Energiaploki kasutegur, allikas: Rain Veinjärv19

Koduülesanne

Palju väheneb kütuse kulu elektrijaamas

samaväärse elektritoodangu juures kui

ringprotsessi termiline kasutegur muutus 30%

kuni 36%?

20

21

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

22

Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme

liitringprotsess

23

Kasutegurid:

Rankine`i ringprotsessi termiline kasutegur

)(

)(

2131

2121

ppvhh

ppvhht

. (9.6)

Aurujõuseadme sisemine suhteline kasutegur

2121

21

21

)()(

ppvhh

ppvhh

p

i

T

oi

oi

. (9.7)

ning jõuseadme sisemine kasutegur

toii . (9.8)

Aurujõuseadme elektriline kasutegur

Gmoitakel , (9.9)

kus k - aurukatla kasutegur, a - aurutorustiku kasutegur,

m - aurujõumasina mehaaniline kasutegur, G – elektrigeneraatori kasutegur

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

Elektri ja soojuse koostootmine vasturõhu- ja vaheltvõtuga

turbiinidega

25

1

2

3 4

5

6 7

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

koostootmist iseloomustavad näitajad,

kasutegurid:

Soojuse ja elektri koostootmise iseloomustamiseks kasutatakse mõistet

kogukasutegur, mis avaldub summana elektrilisest kasutegurist ja

soojuslikust kasutegurist ehk analüütiliselt:

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

ERGIA ELEKTRIENTOODETUDKASUTEGUR EELEKTRILIN

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

SOOJUS TOODETUDKASUTEGUR SOOJUSLIK

ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI

SOOJUSERGIA ELEKTRIENTOODETUDGURKOGUKASUTE

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:

Koostoomise võrdlus elektri ja soojuse eraldi tootmisel

4,33 kWh

maagaas

2,86 kWh

1,47 kWh

1 kWh

1,25 kWh

kondensatsioon-

jõujaam

katel

elektrienergia

kaod

kaod

soojusenergia

SISEND VÄLJUND

2,08 kWh

Koostootmis-

moodul

gaasil töötav kombijõujaam

maagaas

2,5 kWh

1 kWh

0,25 kWh

1,25 kWh

elektrienergia

kaod

soojusenergia

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

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

TÖÖTUNNID AASTAS

OB

JE

KT

I S

OO

JU

SK

OO

RM

US

(k

W)

1. kombiplokk - soojusvõimsus 200 kW

2. kombiplokk - soojusvõimsus 100 kW

Küttekatlad - võimsus 500 kW

Soojuskoormuse kestuskõver

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Thousand hours

Perc

en

tag

e o

f H

ea

t L

oa

d

Load Bio CHP Gas turb

Gas engine Many CHPs

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