Geograafiaõpetajate kevadpäevad 2008

1. Geograafiaõpetajate kevadpäevad 2008 Energiamajandus Kaasaeg ja tulevik Ain Kull Tartu Ülikool Ökoloogia ja Maateaduste Instituut

2. Energiamajanduse põletavamad probleemid • Energiatarbe kiire kasv • Kvalitatiivselt kõrgemal tasemel oleva energia vajaduse kasv • Ressursi ja tarbimise ebaühtlane jaotus • Traditsiooniliste energiaressursside ammendumine • Energiajulgeolek • (varustuskindlus) • Keskkonnaprobleemid

3. Maailma energiatarbe prognoos Maailma primaarenergia tarbe kasv 1980-2030 (miljardit tonni naftaekvivalendina)

4. Globaalse energiatarbe rahuldamiseks kasutatavad energiaallikad

5. Elektrienergia tootmine maailmas Elektrienergia tootmine maailmas energiaallikate lõikes (mlrd. kWh)

6. Hubbert’i kõver e. Peak Oil teooria Hubbert’i teooria põhineb sellel, et maavara hulk on lõplik, selle varude ammutamine toimub algul kiirenevas tempos, aga vastavalt varude kahanemisele muutub maavara kättesaamine üha raskemaks ning kallimaks. Maavarade ammutamine järgib üldjoontes varude avastamist, aga ajalise nihkega (u. 35 aastat), mis kulub tehnoloogia arendamisele.

7. Globaalne fossiilkütuste varu Teadaolevad varud: Nafta1050691-1277702 mlrd. barrelit (e. 167-203 km³) Gaas171,040 to 192,720 km³(1,239 mlrd. BOE) Süsi1191906 milj. tonni (4,786 mlrd. BOE) Ööpäevane voog (tootmine): Nafta 77 milj. barrelit/d (12.3 mlrd m3) Gaas 47 milj. BOE/d Süsi 52 milj. BOE/d Võimalik tootmisperiood vastavalt optimistlikumale teadaolevate varude prognoosile (Oil & Gas Journal, World Oil): Nafta 1,277,702/77/365= 45 years Gaas 1,239,000/47/365= 72 years Süsi4,786,000/52/365= 252 years

8. Energiatarve sektorite lõikes 2 TW elektrienergia genereerimiseks kulub ligi 5 TW energiat, kuna maailmas on elektrijaamade keskmiseks kasuteguriks 38%

9. Heaolu sõltuvus energiatarbest Tarbimisühiskond on otseses sõltuvuses tarbitavast energiast, heaoluühiskond võib endale lubada juba madalamat energiatarvet

10. Energiatarbimine ja inimarengu indeks

11. Energiapoliitika • Peamised küsimused: • Millises ulatuses on tagatud energeetiline sõltumatus • Milliseid on tulevikus kasutatavad energiaallikaid ja kuidas energiat tarbitakse (sektorite lõikes) • Millised on energiamajandusega kaasnevad mõjutused keskkonnale • Vahendid: maksud, subsiidiumid, standardid, seadused • Kaasnevad probleemid: * energia säästmine ja hind versus konkurentsivõime säilitamine * turumoonutused subsiidiumite, maksustamise ja globaliseerumise tõttu

12. Subsiidiumid ja maksustamine kohalikul (riik, majandusühendus jmt.) tasemel • Valitseb eeskätt sektoraalne lähenemine (energiasektori keskne). • Toob kaasa äriringkondade keerukad mahhinatsioonid ja pakkumine/nõudmine tasakaalu rikkumise tõttu hinnatõusud teistes sektorites (nt. toiduainetööstus) • Nt. biokütuste toetamine- toiduainete hind tõuseb; • Prioriteetide seadmine (keskkond, tootmine, kohaliku ressursi kasutamine) • Luuakse soodustusi vastavalt prioriteedile ja makstakse kaudselt osa kuludest kinni (nt. põlevkivi kaevandamisel põhjavee rikkumine; taastuvenergia toetused) • Nt. CO2 sidumine – fossiilste kütuste põletamisel tekib CO2 ja vabaneb energia, CO2 sidumisel (CO32- jm) kulub energiat

13. Globaliseerumine e. avatud turg • “Räpase” tooraine kasutamine • Madalama elatustasemega riikides on tööjõu- ja keskkonnakaitse-kulud madalamad, toodetav tooraine seeläbi odavam (süsi, uraan, nafta jmt), samas taastoodetakse piirkonnas vaesust ning rikutakse keskkonda, mis kahjustab kohaliku kogukonna edasise arengu väljavaateid (ressurss ammendatud, elukeskkond ja tervis rikutud) • Nt. Kagu-Aasias suurendatakse õlipalmiistandusi troopiliste vihmametsade ja toiduainete tootmiseks kasutatavate alade arvel, aga riisikasvatuspindasid ei jätku ja toiduhinnad tõusevad, vaesus ning sotsiaalne ebavõrdsus suureneb

14. Globaliseerumine e. avatud turg • Kõlvatu konkurents • Kasutades erinevate piirkondade (maj. ühenduste) maksustamis-(subsideerimisskeeme) saadakse topelttulusid ja lüüakse kohalik turg segamini. • Nt. Biodiisli tootjad USA-s saavad kohalikku keskkonnakaitselist toetust ja eksporditoetust (0.2 EUR/l), Euroopasse tuues (Hispaania, Saksamaa) veel lisasoodustusi biokütuste müümisel (aktsiisist vabastus 0.278 EUR/l). Selle tulemusena toodi USA-st Hispaaniasse 150 000 t (ligi 50% turumahust) ja Saksamaale 1 milj. t biodiislit. • CO2 kvoot- Eestis toodetakse puidugraanuleid, briketti ja puusütt, see eksporditakse teistesse EU riikidesse, kus müüakse taastuvenergiaallikana ja saadakse nii maksusoodustusi õhusaaste vähendamise arvelt kui tulu kokkuhoitud CO2 kvoodi pealt.

15. Euroopa Liidu eesmärgid CO2 osas EL liikmesriikide poolt seatud eesmärgid CO2 emissiiooni kahandamiseks. Baasaastaks on 1990. 2005.a. saavutatud kahanemine, eesmärk aastaks 2010 riiklik eemärk emissioonikaubandu-sega katamata sektorite osas 2020 aastaks

16. Euroopa Liidu eesmärgid taastuvenergia osas Taastuvenergia osakaal energiasektoris 1994, 2005 ja eesmärk 2020 aastaks

17. Konventsionaalsete energiatehnoloogiate edasiarendused • Maavarade efektiivsem ammutamine • Tuumaelektrijaamade III, III+ ja IV põlvkond • Energia tootmine jäätmetest (biogaas prügilates, heitveepuhastites jt.) • Heitmete kahandamine, taaskasutamine, neutraliseerimine

18. Meetod (ammenduvate) naftaväljade tootlikkuse suurendamiseks. Kui tavapärase pumpamise abil on võimalik ammutada 20-40% maardla naftavarudest, siis selle meetodi abil 30-60% kogu varust. • Gaasi lisamine: kõige levinum meetod, kus naftamaardlasse pumbatakse CO2, maagaasi või lämmastikku. Gaas suurendab rõhku ja parandab nafta voolavust, mistõttuammutamiskiirus ja puurtornide toodang suureneb. • Termiline meetod: kasutatakse erinevaid meetode nafta temperatuuri tõstmiseks, et suurendada selle voolavust • Keemiline meetod: kõige vähem levinud ja selle käigus pumbatakse maardlasse polümeere, mis suurendavad voolavust või lisatakse detergendilaadseid ühendeid (nt. rhamnolipiidid), et vähendada pindpinevust ja kapillaartõusu, et nafta paremini voolaks. EOR (Enhanced Oil Recovery) EOR meetodite kasutamine lisab barreli hinnale 0.5-8$ ühe tonni lisatava CO2 kohta, hinnatasemel 90 US$/barrel võib seeläbi kasum ulatuda 70 US$/1 t CO2 lisandi kohta. Keskkonnale tähendab 1t lisatud CO2 abil pumbatava nafta põletamine 3t CO2 lisandumist.

19. Elektrienergia tootmise meetodid • Soojuselektrijaamad: • Tuumaeenergetika • Fossiilsete kütuste põletamine (nafta, gaas, süsi jt.) • Geotermaalenergial põhinev • Jääkenergia (prügimäed, heitvesi, metallurgia) • Taastuvenergial soojuselektrijaamad: • Biomassielektrijaamad • Taastuvatel energiaallikatel põhinevad: • Päikeseenergia • Hüdroenergia • Laineenergia, tõusu-mõõnalaine energia • Tuuleenergia

20. Keskkonnakaitselisest seisukohast lähtuvalt on energeetikasektori tähtsaimaks eesmärgiks õhusaaste ja eriti CO2 emissiooni kahandamine. Nt. USA-s pärineb üle 90% CO2 emissioonist fossiilsetest kütustest. CO2 kahandamine

21. Uued tehnoloogiad fossiilsetel kütustel töötavate jõujaamade jaoks Fossiilse kütusega töötav jõujaam ei saa kunagi olla päris CO2 saastevaba.Sõltuvalt tehnoloogiast on maksimaalne teoreetiline piir 85-98% vahel. Kahandamise võimalused: CO2 pumpamine maaalustesse tühimikesse (gaasimaardlad, kaevanduskäigud, soolalademed); CO2eraldamine heitgaasidest, keemiline sidumine ja ladestamine. USA-Norra ühisprojekt nägi ette 275 MW võimsusega Mongstad kivisöelektrijaama puhul 90% CO2 emissioonist maa alla pumbata. Mongstad kivisöel töötavsoojuselektri-jaam

22. CO2 kahandamise meetodid • 3 meetodit söeelektrijaamade CO2 püüdmiseks • Põletamisjärgne – tavalise jõujaama heitgaasid suunatakse kuni 50m kõrgustesse absorbertornidesse, kus keemiliste protsesside käigus (reaktiiviks amiinid) seotakse 85-95% CO2-st. Seejärel absorbermaterjal suunatakse desorberisse, kus lisaenergia abil saab CO2 kätte, see veeldatakse kõrge rõhu all ja ladestatakse mujal. Katsetatakse nt. Taanis Esbjergis. Efektiivsus kokkuvõttes siiski väike ja kütusekulu suureneb 10-35%, aga peaaegu ainus meetod olemasolevate jõujaamade jaoks. • Põletuseelne – kivisüsi eelnevalt gaasistatakse, mille käigus saadakse peamiselt CO ja H2. Gaasistamine toimub veeauru ja hapnikuga küllastatud keskkonnas 650-2000°C temperatuuri ja 100 baarilise rõhu juures. Seejärel gaasisegu suunatakse veelkord aurugeneraatorisse, mille käigus saadakse CO2 ja H2, millest eraldatakse CO2 ning H2 läheb põletamisele. Meetodi eeliseks on see, et saab ehitada suhteliselt väikesi jõujaamasid. Põhilised arendajad on Saksa firmad RWE ja Eon. • Oxyfuel – kütus põletatakse õhu asemel puhtas hapnikus, mistõttu heitgaasides puudub N ja sisaldub vaid CO2 ning veeaur. Veeaur kondenseeritakse ja järgi jääb heitgaasis vaid CO2. Tehnoloogiat edendab Vattenfall ja eeliseks on, et kätte saadakse kuni 98% CO2, aga puuduseks on suures koguses hapniku tootmise keerukus, energiamahukus ja seadmete kõrge hind.

23. CO2 ladestamine maaalustesse õõnsutesse on efektiivne lähedalasuvate gaasi- ning naftamaardlate või sügaval paiknevate isoleeritud soolalademete esinemisel. Samas CO2 eraldamine ja transport on ise energiamahukad ja füüsikalises mõttes efektiivsus küsitav CO2 ladestamine maa all

24. Tuumaenergeetika • 1934 avastas Enrico Fermi, et kui uraani neutronitega pommitada, siis uraani aatomid lõhustuvad ning lõhustumise käigus vabaneb energia. • Esimene tsiviilotstarbeline tuumaelektrijaam (5 MW võimsusega) valmis 1954. aastal Nõukogude Liidus Obninskis. Lääne allikates mainitakse Obninski tuumaelektrijaama väga harva kui esimest tuumaenergia rahuotstarbelist rakendust, sest ta oli võimeline vajadusel tootma ka sõjalistel eesmärkidel kasutatavat plutooniumit. • Tuumaelektrijaamades toodetakse 17% kogu maailma elektrienergiast. • Suurim tuumaenergia osakaal kogu elektrienergiatoodangust on Prantsusmaal (~78%) Leedu (~70%) Slovakkia ja Belgia (~55%) Rootsi (~50%) USA (~20%)

25. Kokku on maailmas kasutusel 439 kommertstuumaelektrijaama 30-s riigis. Lisaks sellele on kasutusel 284 õppereaktorit 56 riigis ning umbes 220 reaktorit on paigutatud laevadele või allveelaevadele. Tuumaelektrijaamade paiknemine

26. 4 tuumareaktorite põlvkonda • * I põlvkonda enam ei kasutata ja IV veel lähema 15 aasta jooksul tootmisküpseks ei saada. • * Töös on enamasti II põlvkonna ja üksikud III põlvkonna reaktorid. Tuumaelektrijaamade tüübid II põlvkonna reaktorite tüübid (arvukuse järgi): * surveveereaktor PWR ja WWER * keevveereaktor BWR * surveraskeveereaktor PHWR või CANDU * täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR * kergevee grafiitaeglustiga reaktor RBMK * kiire reaktor FBR Väljaarvatud FBR, on kõik ülejäänud aeglastel neutronitel töötavad reaktorid, mis kasutavad tuumkütusena peamiselt looduslikku või 235U suhtes väherikastatud uraani ja osaliselt reaktori töötamisel 238U neutronkiiritamisel tekkivat plutooniumi. Sellega kasutatakse kogu uraanis sisalduvast lõhustumisenergiast ära ainult 1-2 %.

27. Surveveereaktor PWR Tavaline vesi reaktoris ja esmases jahutussüsteemis temperatuuril ~ 325°C ja rõhul ~ 150 at toimib nii soojuskandja kui ka aeglustina. Kõrge rõhk, mida hoiab aur erilises survepaagis, takistab vee keemist esmases kontuuris. Aurugeneraator mis tekitab turbiini käitava auru teiseses madalama rõhu all töötavas jahutuskontuuris, asub tavaliselt samuti kaitsekestas. Enam kui 260 reaktoriga on PWR levinuim (Venemaal nimetatakse WWER). Elektriline võimsus varieerub piirides 300-1500 MWe. Suure võimsusega PWR reaktori südamikus võib olla 150-250 vertikaalselt asetatud kütusekomplekti, millest igaühes on 200-300 kütusevarrast. Kokku on reaktoris seega 80-100 tonni 3,5-5 % 235U suhtes rikastatud tuumkütust

28. Keevveereaktor BWR Maailmas töötab üle 90 keevveereaktori võimsustega kuni 1300 MWe ja see on levikult teine reaktoritüüp. Töötavad USA-s, Jaapanis, Rootsis. Erinevalt PWR-st on selles reaktoris ainult üks madalama ~ 75 at veerõhuga jahutuskontuur. Sellisel rõhul keeb vesi ~ 285 °C juures juba reaktorisüdamikus ja südamiku ülaosas on 12-15 % kogu veest auru kujul. Sellise reaktori kasutegur väiksem kui PWR reaktoril.

29. Surveraskeveereaktor PHWR või CANDU Madalal temperatuuril ja rõhul aeglusti paikneb suures kalandriks nimetatavas paagis, mida läbistab mitusada horisontaalset survetoru. Aeglusti rasket vett jahutatakse eraldi soojusvaheti abil, seega on ka siit võimalik vähesel määral soojust toota. Igas survetorus paikneb otsakuti 12 kütusekomplekti ja seda läbib esmase kontuuri jahutusvesi. Esmase jahutuskontuuri raske vesi survetorudes on kõrge rõhu all kuni 290 °C ulatuval temperatuuril ja ringeldes läbi aurugeneraatori, tekitab nagu PWR reaktoris teises kontuuris auru, mis omakorda käitab turbogeneraatori. Maailmas on 44 seda tüüpi umbes 500 MWe keskmise võimsusega reaktorit (Kanada, India). CANDU eelis on võimalus kasutada looduslikku uraanoksiidi (0,7% 235U) tuumakütusena tänu raske vee D2O suurepärastele aeglustiomadustele. Jääb ära kulukas uraanirikastusprotsess, kuid samas tuleb rikastada aeglustimaterjali. Kuna üksikuid survetorusid saab igaüht eraldi süsteemist välja lülitada, saab tuumkütust vahetada reaktori töötamise käigus ja selleks pole vaja reaktorit seisata.

30. Täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR Ühendkuningriigis väljatöötatud ja ainult seal kasutatav reaktoritüüp elektrilise võimsusega 550 – 625 MWe. Kasutab rikastatud (2,5-3,5 % 235U) uraanoksiidist tuumakütust ja soojuskandjana süsinikdioksiidi (CO2).Tuumakütus paikneb tablettidena vertikaalsetes roostevabast terasest torudes grafiitaeglustis. Reaktorianum toimib ühtlasi kiirguskaitsena, on valmistatud raudbetoonist ja selles asuvad ka aurugeneraatoritorud. CO2 soojuskandjana läbib reaktorisüdamiku, kuumeneb temperatuurini kuni 650°C ja läbib seejärel aurugeneraatori, kus veest tekitatakse aur teises kontuuris.

31. Tuumakütuse tsükkel

32. Eesti tuumaressurss • Eestis leidub tuumakütuse tootmiseks kõlbikku uraani, kuid see on madala kontsentratsiooniga, raskesti kaevandatav, väga suure keskkonnamõjuga ja pigem teoreetilist laadi maavara. • Kõige rikkam on uraani poolest Põhja-Eesti graniit, kus parimates kohtades on U kontsentratsioon kuni 928 g/t, Ida-Eesti diktüoneemakildas aga maksimaalselt 304 g/t, samas on selle kihi maksimaalne paksus kõigest 1 meeter. Loode-Eesti suunas on diktüoneemakildas uraani kontsentratsioon madalam, aga kihi paksus ulatub 6 meetrini. • Toolse maardla varusid peetakse 27 149 t vääriliseks. Kui aastas kaevandada 2 milj. t kilta, siis saab selle baasil toota 200 t uraani. Sellest saadav energiakogus võrdub 600 milj. t nafta põletamisega. • Reaalselt tähendaks aga Eestisse tuumajaama rajamine seda, et rikastatud tuumakütus tuleb importida ja kasutatud tuumajäätmed vaheladustada ning hiljem lõppladustada. Lõppladustamispaiga ehitamine on väga kallis, seni pole veel maailmas ühtegi lõppladustuspaika valminud.