1

"Põlevkivi ja teised fossiilsed kütused"

Loengukursus „Maailma energeetika akadeemia"

Andres Siirde

Tallinna Tehnikaülikool21.03.2016

Loengukava

Palutud on mul rääkida: - 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

Kuidas me defineerime, mis on kütus?

Kütusteks (kütteaineteks) loetakse aineid, mis täidavad järgmisi põhilisi tingimusi:

-küllaldane varu või taastuvus looduses, -hea kättesaadavus ja suhteliselt lihtne tootmine, -reageerimiskiirus oksüdeerijaga toimub kiiresti, -põlemissaadused ei saasta ohtlikult keskkonda.

3

Fossiilkütused

Fossiilkütuste all mõeldakse erinevaid söeliike, naftast saadud kergekütteõli (ahjukütus, küttepetrool), põlevkiviõli, maagaasi ja teisi mittetaastuvaid fossiilsest orgaanilisest ainest pärinevaid kütustena kasutatavaid aineid.

Tekketingimustelt võib fossiilsed kütused jaotada kahte ritta:söerida – sedimentogeense orgaanilise ainega rikastatud kivimid mida nimetatakse kaustobioliitideks,

naftarida – migratsiooni tõttu oma algsest tekkekohast lahkunud ja süsivesinikfluidumeist tekkinud vedelad ja gaasilised ained

Söerida jaotatakse omakorda kahte rühma:humiidid (huumuskütused)sapropeliidid (sapropeelkütused)

4

Fossiilkütused (II)

Huumuskütused:

Sütt jätkub maailmas tänaste tarbimismahtude järgi ca 500 aastaks, 60-70% varudest on Venemaal, Hiinas, USA-s, Austraalias, Indias, Saksamaal

Sapropeelkütused:

JÕUDSIME PÕLEVKIVINI

5

6

PÕLEVKIVIArvestades maailmas järjestsuurenevat nafta ja naftasaaduste intensiivsetkasutamist, on nõudlustäiendavate alternatiivsetesüsivesinike allikateletulevikus ainult suurenemisesuunas.

Üheks paljulubavaks allikas on põlevkivi, mille ressursid maailmas on piisavalt suured.

Mis on põlevkivi ?Põlevkivi on orgaanilist ainet ehk kerogeeni sisaldav settekivim, mille lähteaineks on olnud ainuraksete organismide, bakterite, vetikate ning zooplanktoni orgaaniline mass. Kerogeen sisaldab peale süsiniku suhteliselt palju vesinikku ja hapnikku, veidike lämmastikku jt elemente nagu väävel ja kloor.

C10

H15.2

O0.93

S0.08

N0.03

Põlevkivid, sõltuvalt leiukohtadest, erinevad nii oma tekkelt, koostiselt, kütteväärtuselt, õli saagiselt jne.

Põlevkivide mineraalosad võivad olla väga erinevad.

Põlevkivi eelised ja puudused koostisest

Orgaaniline osa 10-65% (meil toorainena kasutatavas põlevkivis ~25-35%)

• Sh ~1,8% väävlit

Karbonaatne osa 15-70%

• Sh ~45% CO2

Liiv-saviosa 15-40%

• Sh ~0,5% SO3 ja ~12,3% FeS2

Allikad:

1.http://www.ttu.ee/public/m/Mehaanikateaduskond/Instituudid/soojustehnika-instituut/oppematerjalid/kyte-ventilatsioon/5._Polevkivi.pd

2.https://dspace.utlib.ee/dspace/bitstream/handle/10062/27643/plevkivi_keemiline_koostis.html

3.I.Rooks, 1987

Põlevkivi varud maailmas

Kokku on teada rohkem kui 600 põlevkivimaardlat. Suurim põlevkivimaardla paikneb USA-s. See on nii suur, et võimalik põlevkiviõli maht ületaks kordi kogu Saudi Araabia naftavarusid. Hiinlased küll väidavad, et on avastamas veelgi suuremat maardlat (Junggar) NAFTA VARUD ON ca 1500 bbl

10

Maailma põlevkivivarude jaotus õlisaagise järgi

90-150 l/t

31%

< 45 l/t

25%

45 - 90 l/t

43%

> 150 l/t

1%

11

Põlevkivi tootmine milljonites tonnides ajavahemikus 1880 - 2000

• Põlevkivi tippnõudlus oli Eestis alates 1975 kuni 1982, üle 30 mln tonni aastas;

• Alates 80 - langus oli tingitud Eesti lähedaste aatomjõujaamade Ignalina ja Sosnovi Bor tööleminekust. 90-langus toimus tänu majandusreformidele Eestis

• Vastavalt riigi pikaajalisele arenguprogrammile, on põlevkivi kasutamine täna Eestis piiratud kuni 20 mln tonni aastas

Ajalugu20. sajandi alguses oli Eestis peamine energiatooraine turvas. 1922. aastal moodustas põlevkivi kõigest 10,6 protsenti primaarenergiaressursist. Esialgselt kasutati põlevkivi vedurikoldes, seejärel hakati üha enam põletama põlevkivi ka tööstuskateldes. Kasutati peamiselt tolleaegsele standardile vastavat tükkpõlevkivi suurusega 40 millimeetrit ja seda põletati tavaliselt puitkütusele ettenähtud restil.

Peagi leiti, et põlevkivi sobib oma mineraalosa koostise poolest hästi tsemendiklinkri põletamiseks pöördahjus. Nii oligi põlevkivi esimene tööstuslik suurtarbija 1920. aastatel Kunda tsemenditehas, mille pöördahjud viidi 1921 .a täielikult üle põlevkiviküttele.

Tähtis etapp põlevkivienergeetika ajaloos algas Tallinna soojuselektrijaama üleviimisega põlevkiviküttele 1924. Nimetatud aastat saamegi lugeda põlevkivienergeetika algusaastaks elektrienergia genereerimise tähenduses

12

Ajalugu (II)

Eestis on põlevkivi kasutatud pidevalt kahel eesmärgil: elektri tootmiseks ja vedelkütuse saamiseks.

Esimesed põlevkiviõligeneraatorid alustasid katseliselt tööd 1921. Positiivsete tulemuste alusel rajati Esimese ja Teise maailmasõja vahelisel ajal neli õlitehast, kasutusel olid nii püstretordid, tunnelahjud kui ka katseliselt pöörlevad retordid

13

1933. a Eesti Entsüklopeedia kirjutab: „Tööstuse kütte küsimus on lahendatud õnnelikult põlevkivi tarvituselevõtuga. Kivisöe tarvidus oli veel 1923 a. 29 % üldisest kütusest, nüüd (1930) ligi pool kütet annab põlevkivi”.

14

Ajalugu kokkuvõtvalt

1916 Test mining programm

1918 Commercial oil shale mining started

1924 Commercial oil production was started

1924 Power generation from oil shale was started

1940 11 M tons of oil shale, annual mining capacity 1,7 M Ton

15

Elektritootmise arengud

Construction date Plant MW electricity MW

heat

1930s Tallinn 11

1949–1967 Kohtla-Järve 39 534

1952–1957 Ahtme 20 338

1959–1971 Balti

1624 inc. 4 blocks at 200 MWe and 8 blocks at 100 MWe pulverized firing boilers

686

1969–1973 Eesti

1610 inc. 8 blocks at 200 MWe pulverized firing boilers

84

1995 renovation of turbines, extra repairs of boilers, new electrostatic precipitators, demolition of old blocks

2004 two 215 MW Circulated Fluidized Bed (CFB) units commissioned in Balti and Eesti Power Plant

1616

Mida me saame põlevkivist

1 tonnist põlevkivist saame elektrit või õli tänase tootmistehnoloogiate ja nende kasuteguritega :

1 tonn põlevkivi

(2030 kcal/kg)

125 kg põlevkiviõli ja 35 Nm³ küttegaasi

850 kWh elektrit(8500 elektripirni a’100W põleb 1 tund)

17

Kaevandamine

underground mining opencast mining

reforestation of exhausted opencast areas

enrichment of oil shale

Mõned slaidid poliitikastDiskussioon põlevkivi kasutamisest

18

Kütus Elektritootmine

Põlevkiviõlitootmine

Põlevkivi keemiatööstus

DIMENSIOONID

KESKKONNANÕUDED20 / 20 / 20 +10

TURG

Euroopa energiapoliitika eesmärk „20-20-20”2020. aastaks vähendada kasvuhoonegaaside heiteid 20% võrra ja energianõudlust 20% võrra ja suurendada taastuvenergia osa energia lõpptarbimises 20%ni ning biokütuste osakaalu transpordis 10%ni

Kliimapoliitika, eesmärgid aastani 2050

Eesti energiasektori väljakutsed

PRIMAARENERGIA STRUKTUURI KUJUNDAMINE

KESKKONNAMÕJUDE VÄHENDAMINE

ENERGIASEKTORI EFEKTIIVSUS

PÕLEVKIVI VÄÄRTUSTAMINE

Põlevkivi väärtustamine toimub läbi ahelate, mis algab teadusest ja jõuab majandushüviseni

22

Teadmised on olulised

23

Jõuame sageli mõisteteni:

Põlevkivi ahju ajamine;Põlevkivist õli väljapigistamine/pressimineMadala kasuteguriga põletaminePuidu madala kasuteguriga elektritootmine

Ja tudeng vastab mul eksamil küsimusele „mis on see kütus, mida Ida - Eestis kasutakse suurtes elektrijaamades?“ , et see on fosforiit!

Tänased põlevkivikasutused

24

Kuidas põlevkivist 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.

25

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.

26

Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu ehk vaakumi. Prantsuse füüsik Denis Papinavastas 1690. aastal, et kui auru kondenseerida, saabki tekitada vaakumi. Auru kondenseerumiseks on aga vaja seda jahutada

Põlevkivi katel

27

Rankine ringprotsess

28

29

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

30

Eestil on ulatuslik kogemus 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

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.

31

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

32

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

33

Peamised väljakutsed tulevikku

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)

34

Põlevkivist õlitootmine

35

Põlevkiviõli tootmiseks kasutatav tehnika

meetod – tehnoloogiline protsess –tehnoloogia– tehniline lahendus

36

37

Kaks erinevat tehnoloogiat

KIVITER GALOTER- SHC-Petroter-ENEFIT

VKG Grupp tootmiskompleks

38

39

Tooted, kaastooted, keemiatooted

40

41

Põlevkivi peenkeemia

• epoksüvaike EPOX-b-4 ja EPOX-b-2

• vaiku SF-281

• karbamiidvaigud UF30 ja UF-15P

• fenoolformaldehüüdvaiku PF-3014

• õlivärvi, resoli, honeyoli, honeyol RFK-d

• 2 metüülresortsiini

KOKKU ca 2000 tonni aastas

Põlevkiviõli tootmisel energia jagunemine

42

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

teoreetiline tegelik õlitootmine

66%54%

15%

18%

14%24%

5% 5%

fenoolvesi

poolkoks

retortgaas

põlevkiviõli

Põlevkiviõli tootmiseks vajaminevad protsessid, kuluv energia ja emiteeruv CO2

43

Utmisprotsessi etapp

Vajaminev soojus MJ/t õli

kg CO2/ t õli

1 Lähtepõlevkivi kuivatamine –kuivatustsoon, veeaurude kuumenemine protsessi temperatuurini

5513.6 596.3

2 Kuiva põlevkivi kuumenemine protsessi temperatuurini

4346.2 470.1

3 Põlevkivi termiline lagunemine- pürolüüsiprotsess

850.3 92.0

4 Pürolüüsiprotsessis tekkinud õlide aurustumine

334.9 36.2

6 Karbonaatide lagunemine 375.6

KOKKU 1570.2

Koostis toodeteks/tuluks pöörata

Orgaaniline

Energia

Mineraalne

Võtmeküsimus: kui suur osa põlevkivist tooteks

Petroter I, II 2014 a

Elekter poolkoksigaasist

Aur ja kaugküte poolkoksigaasist

Poolkoksigaasi eksport

Turustatavad kaubaõlid

Auru ja küttevee energia eksportPeendispersne koks

Petroteride põlevkivi tarbimine

Elektri tarbimine

Elektri tarbimine

Ettevõttesisene Välistarbija

Väärtusahelas kasutamata võimalused

• Põlevkiviõlist mootorkütuste tootmine

• Peenkeemia tooted

• Koksigaasi veeldamine vs import LNG

• Energiaefektiivsuse tõstmine

• Tsemendi tootmine

• Ehitusmaterjalid, paneelid, plokid

• Tuha, aheraine killustiku kasutamine teedeehituses

Järeldused (I)• Põlevkivitööstus on läbi aegade (80 aastat) olnud Eesti majandusele

oluline komponent ja toonud kasumit.

• Läbi aegade on põlevkivitööstuse toodang olnud oluline ekspordis.

• Nii põlevkiviõli kui põlevkivi elektri realiseerimine/müük on ka varasematel aegadel sõltunud „turutingimustest“ ja jääb ka tulevikus sõltuma avatud turust ja turutingimustest.

47

Järeldused (II)

• Põlevkivis sisalduv energia leiab pea täit võimalikku kasutust (väärtustub) kui tootes põlevkiviõli kasutatakse ära ka kaasnevaid saadusi, nagu poolkoks/generaatorgaas, samuti tuha järelpõletamist ja jahutamist koos suitsugaasidega kas soojuse või elektritootmiseks. Põlevkivituhk peab leidma kasutuse tsemendi/ehitusmaterjalide tööstuses. Tuhaväljale ladestunud CaO rikas tuhk seob uuesti karbonaatidest tekkinud CO2

48

Järeldused (III)• Põlevkivi kui ressursi väärtustamine ning säästva

ressursikasutuse arenguvõimalused saavad toetuda vaid meie oskustele ja teadmistele.

• Teadmisi ja oskusi on järjepidevalt endas kandud meie teadlased ja insenerid (valdavalt keemikud, soojustehnikud, mäetehnikud).

• Põlevkivi ei saa kunagi lõpuni uuritud. Tema lõplikuks tundmaõppimiseks on veel palju tööd teha. Selleks on vaja tagada teadlaste ja inseneride järjepidevus ja

jätkusuutlikus.

49

KOKKUVÕTE

LAHENDUS EI OLE ÜHES KONKREETSES ENERGIAALLIKAS,

TEHNOLOOGIAS EGA INVESTEERINGUS, VAID NENDE

OPTIMEERITUD PÕIMIMISEL ÜHTSEKS TERVIKSÜSTEEMIKS

50