Issuu on Google+

SISUKORD 1

SISSEJUHATUS ...................................................................................................................3

2

ENERGIA JA TÖÖ ..............................................................................................................4

3

ENERGIA JÄÄVUSE SEADUS ..........................................................................................4

4

ENERGIA VORMID (LIIGID) ...........................................................................................5 4.1 MEHAANILINE ENERGIA ...................................................................................................5 4.2 KEEMILINE ENERGIA ........................................................................................................6 4.3 SOOJUSENERGIA ...............................................................................................................7 4.4 ELEKTROMAGNETILINE ENERGIA .....................................................................................7 4.4.1 Kiirgusenergia.........................................................................................................7 4.4.2 Elektrienergia..........................................................................................................7 4.5 TUUMAENERGIA ...............................................................................................................8

5

ENERGEETIKA MÕISTE ..................................................................................................8

6

PRIMAARENERGIAALLIKAD ........................................................................................9 6.1 KÜTUSED .........................................................................................................................9 6.1.1 Tahked kütused......................................................................................................10 6.1.2 Vedelad kütused.....................................................................................................11 6.1.3 Gaasilised kütused.................................................................................................12 6.2 KÜTUSTE ISELOOMUSTUS ...............................................................................................14 6.3 TUUMAKÜTUS ................................................................................................................15 6.4 TAASTUVAD ENERGIAALLIKAD ......................................................................................16 6.4.1 Päikesekiirgus .......................................................................................................17 6.4.2 Hüdroenergia ........................................................................................................17 6.4.3 Tuuleenergia..........................................................................................................18 6.4.4 Geotermaalenergia................................................................................................18

7

ENERGEETIKAS ENAMKASUTATAVAD MÕISTED JA MÕÕTÜHIKUD...........18

8

SOOJUSLIKUD MÕÕTÜHIKUD ....................................................................................26

9

ELEKTRIJAAMADE LIIGITUS .....................................................................................26

10

ENERGIAMUUNDUSED ELEKTRIJAAMADES.....................................................29

11

ELEKTRIENERGIA ÜLEKANNE ..............................................................................33

12

ELEKTRIENERGIA JAOTAMINE.............................................................................35

13

KASUTATAVAD PINGESÜSTEEMID.......................................................................35

14

ENERGIASÜSTEEMID.................................................................................................37

15

ENERGIASÜSTEEMIDE JUHTIMINE......................................................................39

16

AUTOMAATIKA JA TELEMEHAANIKA ENERGIASEADMETE JUHTIMISEL 41 1


17

AUTOMAATIKA VÕRKUDES, AVARIIVASTANE KAITSE ................................42 17.1 17.2 17.3

RIKKED ELEKTRISÜSTEEMIS ...........................................................................................42 RELEEKAITSE JA AUTOMAATIKA ....................................................................................43 ÜLEPINGEKAITSE............................................................................................................44

18

MÕÕTMISED .................................................................................................................45

19

KESKKONNAOHUD.....................................................................................................45

20

LÕPETUSEKS ................................................................................................................47

21

ENERGEETIKA TULEVIKUST..................................................................................48

2


1

Sissejuhatus Kogu inimkonna ja eraldi iga inimindiviidi eksistentsiks ning arenguks on möödapääsmatult vajalikud kolm asja (kui neid tinglikult asjadeks nimetada): • aine • energia • info.

Täpsemalt öeldes on nendeks ainevahetus, energiavahetus ja infovahetus. Igasugune inimese vahekord ümbruskonnaga on kõige üldisemas mõttes alati taandatav nimetatud kolmele mõistele: • Ainevahetus seisneb toidu omastamises ja seedejääkide ning muude keha jääkproduktide eemaldamises. • Energiavahetus seisneb toidus sisalduva energia omastamises ja selle arvel inimkehas tekkiva soojusenergia eemaldamises. Osa energiat kulub ka füüsilise tööna, igasuguse füüsilist jõudu nõudva liikumise näol. Ekslik on arvata, et inimene vajab ka soojusenergiat. Inimkeha temperatuur on valdavalt kõrgem ümbruse temperatuurist ja seetõttu kandub soojusenergia alati inimkehalt ümbruskonda, välja arvatud piiratud aja jooksul nt saunas või troopikas, kui keskkonnalt kandub soojus inimkehale.Kuid pikema aja jooksul see ei ole võimalik. • Infovahetus seisneb kõigi meelte vahendusel saadavates aistingutes, millest ajus kujunevad vastavad infokogused ning inimese poolt kõne, kirja, žestide ja miimika abil ümbruskonnale (sh teistele inimestele) edastatavas infos. Igasugune inimtegevus on tegelikult aine-, energia- ja infovahetuse tulemus erinevate objektide vahel, kus üheks objektiks võib olla inimene. Enamikel juhtudest need vahetused ei esine üksikuna, vaid on omavahel tihedalt seotud, kuid siiski eristatavad, kuigi igal üksikul juhul saab vaadelda ühte neist domineerivana. On oluline märkida, et aine-, energia- ja infovahetus ei toimu mõlemas suunas üheaegselt. Nii aine, energia kui ka info salvestub teatud ajavahemikuks mõnes objektis, sh ka inimkehas. See ajavahemik võib olla väga pikk. Nimetatud kolme ’asja’ inimese osalusega seotud vahetuse sobiva toimimise eesmärgil juhib inimene väliskeskkonnas märksa suuremaid kolme “asja” liikumise ja salvestamise protsesse. Enamus inimese poolt kasutatavast energiast kulubki just selleks. Nimetagem energia kasutamist tööstuses, transpordis, ruumide kütteks, info edastamiseks, valgustuseks (vt ka Elektrienergia ülekanne). Järgnevalt vaadeldakse peamiselt keskkonnas esinevaid energiavahetusega seotud looduslikke ja tehislikke protsesse. Inimkonna kõigi vajaduste rahuldamiseks on vajadus energia järele muude seas olnud ning jääb üheks kõige olulisemaks ja kiiremini kasvavaks. Seoses energia ressursside piiratusega ja sellega kaasnevate probleemide keerukusastme kasvuga suureneb energia osatähtsus maailmamajanduses veelgi. Sellest tingituna on viimasel ajal kasvanud kogu maailmas nõudmine ka haritud energeetikaala spetsialistide järel. Samal ajal on väga oluline, et iga vähegi haritud inimene saaks aru energeetikasse puutuvatest igapäevaprobleemidest ja sellel alal vastuvõetavatest otsustest, oskaks energiaressursse mõistusepäraselt ja ratsionaalselt kasutada. Selleks on kasulik meenutada keskkoolikursuse füüsika ja keemia neid osi, mis puudutavad tööd, energiat, soojust ja elektrit. Seejuures ei ole käesolevas kirjutises kinni peetud järjepidevusest füüsikakursuse elektrotehnikat puudutavates küsimustes, esitatud on 3


vaid energeetikasse puutuvad olulisemad teemad. Vähem on puudutatud teooriat ja välditud keerulisi valemeid. Järgnev ongi pühendatud kõige selle meenutamiseks ja huviliste abistamiseks energeetikat käsitlevate küsimuste lahtimõtestamisel, aga ka selleks, et teha oma valikuid võimalikus osalemises energiaprobleemide lahendamisel kvalifitseeritud spetsialistina. Käesolev tekst peaks aitama ka paremini aru saada Eesti Energia AS-i koduleheküljel esitatust. Mis siis on energeetika? Enne, kui vastata küsimusele energeetika kohta, on oluline meenutada mõningaid mõisteid, ilma milleta ei ole võimalik energeetikat puudutavates küsimustes täit selgust saada.

2

Energia ja töö Füüsikalises mõttes on energia füüsiliste objektide (osakeste, kehade, väljade) liikumise üldine mõõt, kitsamas mõttes suurus, millega saab mõõta objekti võimet teha tööd, nt panna midagi liikuma, tõsta mingi keha temperatuuri, gaasi rõhku või muuta aine keemilist struktuuri jne. Energiat võime tinglikult nimetada töö varuks. Mehaanikas on töö võrdne energia kuluga, mida kulutatakse materiaalse keha (materiaalse punkti) nihutamisel teatud teepikkusel, ületades seejuures teatud mehaanilist jõudu. Teisisõnu: jõu poolt tehtud töö on võrdeline jõu suurusega ja tema mõjumise jooksul nihutatud materiaalse keha (materiaalse punkti) poolt läbitud vahemaa pikkusega. A = F × l, kus A on tehtud töö džaulides [J], F on kehale mõjuv jõud njuutonites [N] ja l on jõu mõju ajal keha poolt läbitud vahemaa meetrites [m]. Tööd tehakse alati teatud aja jooksul. Energia ja töö on ühe ja sama nähtuse kaks eri tahku ja nende mõõtühikud on samad. Töö tulemusena muutub üks energialiik mõneks teiseks energialiigiks.

3

Energia jäävuse seadus Energia võib esineda väga mitmesugusel kujul või erinevas vormis. Võib rääkida energia erinevatest liikidest. Aegade jooksul on vaieldamatult tehtud kindlaks, et mistahes suletud süsteemis toimub kõigi protsesside tulemusel ühe energialiigi muutumine teiseks selliselt, et süsteemi koguenergia jääb muutumatuks. Selles väljendub energia jäävuse seadus. Täpsemalt käsitledes tuleb rääkida massi ja energia ekvivalentsuse seadusest, mille kohaselt iga füüsikalise süsteemi mass m ja energia E on omavahel järgmises seoses: E = m × c2, kus E on energia džaulides [J], m on süsteemi mass kilogrammides [kg] ja c on valguse kiirus meetrites sekundis [m/s]. (c = 3 × 108 m/s). See tähendab, et iga füüsikalise süsteemi siseenergia muutusele ΔE vastab süsteemi teatud massi muutus Δm. See seadus seob energia jäävuse seaduse massi jäävuse seadusega, näidates vahekorda, kuidas mass võib muutuda energiaks ja vastupidi. Sellised muutumised ei 4


ole tavalistes protsessides märgatavad. Need võivad olla arvestatavad vaid väga suurte jõudude (nt tuumajõudude), väga suurte kiiruste (valgusekiirusele lähedaste kiiruste) või väga suurte masside (nt galaktikate ja nende kogumite) juures. Tavaliste, maapealsete protsesside juures piisab ainult energia jäävuse seaduse arvestamisest. Seega energia võib vaid muuta oma liiki või kanduda süsteemi ühelt objektilt teisele, kuid energia hulk ühe suletud süsteemi piires ei muutu, ta ei kao ega teki juurde. Energia jäävuse seadus väljendab ühte looduse kõige üldisemat olemust: ühes kindlas süsteemis on energiat just nii palju kui seda on, kui just väljastpoolt sinna energiat juurde ei anta. Energia võib vaid muuta oma asukohta või vormi (liiki). Vahel toimub see muutumine nii märkamatult, et esimesel pilgul tundub tegu olevat energia tekkimise või kadumisega. Lähemal uurimisel selgub aga alati, et energia on kas muutnud oma vormi (liiki) või asukohta. Näiteks mingi keha mehaaniline energia on muutunud soojuseks ja hajunud ümbritsevasse keskkonda või kiirgusenergia näol kiirgunud maailmaruumi. Ette rutates tuleb öelda, et kui räägitakse energia tootmisest, siis ei ole tegu energia loomise või tekitamisega, vaid ikkagi ühe energialiigi muutmisega teiseks. Kui räägitakse energia kadudest, siis tuleb seda mõista kui mingis protsessis vajaliku energialiigi muutumist mittevajalikuks energialiigiks, tavaliselt soojusenergiaks, mis reeglina hajub ümbritsevasse keskkonda. Ilmselt ei ole siinjuures vaja selgitada, et seetõttu ei saa ehitada masinat, mis toodaks otseses mõttes energiat. Järelikult ei ole võimalik igavese jõumasina (igiliikuri, perpeetum mobile) loomine. 4 4.1

Energia vormid (liigid) Mehaaniline energia Mehaanilise energia all mõeldakse füüsilise keha nii potentsiaalset energiat kui ka kineetilist energiat. Kui materiaalne keha püsib paigal, aga talle mõjub mingi jõud, siis öeldakse, et sellel kehal on teatud hulk potentsiaalset energiat. Tõepoolest, kui see keha vabastada teda paigalseisus hoidvatest tõketest, võib see keha liikuma hakates hakata tegema tööd. Jõuks, mis kehale mõjub, võib olla näiteks maakera külgetõmbejõud (nimetakse ka gravitatsioonijõuks või raskusjõuks). Näiteks, kui maapinnalt on tõstetud mass m kõrgusele h (eeldades, et selles vahemikus raskuskiirendus g on praktiliselt konstantne), on selle massi potentsiaalne energia: Wp = m × g × h, kus Wp on potentsiaalne energia džaulides [J] m on mass kilogrammides [kg] ja h on kõrgus meetrites [m]. Näitena võib siin tuua ka kõrge paisu taga seisvat veemassi, millel on teatud potentsiaalne energia. Veemass on võimeline tegema tööd niipea, kui avatakse lüüsid (siibrid) ja alla voolav vesi paneb käima veeturbiini abil elektrigeneraatori või vesiratta abil veskikivid. Potentsiaaset energiat, kus on tegemist raskusjõuga, võib nimetada gravitatsioonienergiaks, sest raskusjõud on ju tegelikult gravitatsioonijõud. Kui mingi materiaalne keha liigub (tavaliselt on taustsüsteemiks Maa, mille suhtes liikumist määratakse), siis omab see keha kineetilist energiat. Kineetiline energia on võrdeline keha massiga m ja keha liikumiskiiruse v ruuduga. Mõne 5


teise taustsüsteemi suhtes, mis näiteks Maa suhtes liigub, omab see kineetiline energia muidugi teist väärtust. Liikuva keha kineetiline energia määratakse järgmiselt: Wk =

, kus Wk on kineetiline energia džaulides [J] m on mass kilogrammides [kg] ja v on keha kiirus meetrites sekundis [m/s].

Seega näiteks kaks korda suurem auto omab liikumisel sama kiirusega ka kaks korda suuremat kineetilist energiat. Kuid kaks korda kiiremini sõitev sama suur auto omab juba neli korda suuremat energiat. Analoogiliselt omab kineetilist energiat ka iga pöörlev keha, kusjuures pöörleva keha kineetiline energia on võrdeline tema pöörlemise nurkkiiruse ω ruuduga. Peale selle on pöörleva keha kineetiline energia võrdeline selle keha inertsmomendiga J (inertsmoment sõltub selle keha massist ja geomeetrilisest kujust):

J ×ω Wk = , kus 2 2

J on pöörleva keha inertsmoment kilogramm korda meeter ruudus [kgm2] , ω on pöörleva keha nurkkiirus radiaani sekundis [rad/s].

Selleks, et panna seisva elektrimootori, generaatori või turbiini rootor pöörlema vajaliku pöörlemiskiirusega, tuleb rootorile anda tema käivitamisel, st. tema pöörlemiskiiruse tõstmisel nullist kuni töökiiruseni, teatav hulk energiat. Seega omab iga pöörleva elektrimootori, generaatori või turbiini rootor teatava kineetilise energia, mida saab määrata eeltoodud valemiga. Muidugi peab selleks teadma rootori inertsmomenti. Mehaanilise energia hulka kuulub ka akustiline energia, mis on helilaines õhuosakeste liikumise kineetiline energia. Akustilist energiat “toodab” näiteks raadio kõlar, muundades võimendist tuleva helisagedusega elektrienergia akustiliseks energiaks. 4.2

Keemiline energia Keemiline energia on energia, mis on talletatud aine(te) keemilisse struktuuri, ja mis võib vabaneda ainete ühinemise- või lagunemisprotsessis sõltuvalt keemilise protsessi tasakaalutingimustest. Neid aineid nimetatakse kütusteks. Lihtsaim näide on süsinikku sisaldavate ainete keemiline reaktsioon õhuhapnikuga, milles süsinik ühinedes hapnikuga moodustab reaktsiooni tulemusena süsihappegaasi (CO2). See on põlemine. Selles reaktsioonis eraldub energia soojusena − süsinikus sisalduv keemiline energia muutub soojusenergiaks. Protsess kulgeb tavaliselt intensiivselt, leegina. Samuti toimub vesiniku (nii puhta kui ka aine koosseisu kuuluva) ühinemine hapnikuga, kus uue ainena tekib vesi (H2O) auru näol, ja eraldub soojusenergia. Reeglina toimuvad kõik põlemisprotsessid meid ümbritseva keskkonna temperatuurist tunduvalt kõrgematel temperatuuridel. Põlemisprotsessi käivitamiseks (alustamiseks) on 6


algul vaja tõsta nende ainete temperatuuri süttimistemperatuurini - protsessi alustamiseks peab toimuma aine süütamine. 4.3

Soojusenergia Soojusenergia ehk soojus on aine molekulide korrapäratus liikumises ja omavahelistes põrkumistes kätketud energia. Lühemalt öeldes on see aineosakeste kineetiliste energiate summa. Mida kiirem see liikumine on, mida sagedasemad on põrkumised, seda suurem on aine (sise)energia soojusenergia. Konkreetse aine hulga juures iseloomustab energia taset aine temperatuur. Huvitav on siinjuures märkida, et (nagu sissejuhatuses juba öeldud) inimene ei tarbi otseselt soojusenergiat. Soojusenergiat vajame kodudes ainult toidu valmistamisel ja inimkehas toidu keemilise energia muundumise tulemusena tekkiva soojusenergia ärajuhtimiseks sobiva toaõhu temperatuuri loomisel. Kogu ruumide kütteks kasutatav soojusenergia kaob alati läbi seinte, ventilatsiooniavade ja korstna väliskeskkonda. Muidugi kasutatakse soojusenergiat suuremal määral tööstuses ja teistes majandusharudes mitmesuguste tehnoloogiliste protsesside juures.

4.4

Elektromagnetiline energia Elektromagnetiline energia esineb sisuliselt elektromagnetvälja energiana. Mittemuutuva elektromagnetilise välja energia väljendub nii elektrivälja kui ka magnetvälja energiana, aga samuti alalisvoolu energiana. Perioodiliselt muutuva elektromagnetilise välja energia on aga kiirgusenergia ja vahelduvvoolu energia. Viimast nimetatakse lihtsalt elektrienergiaks ja see ongi energeetika põhiliseks objektiks. Vähemal määral kuulub energeetika objektide hulka ka alalisvoolu energia.

4.4.1 Kiirgusenergia Kiirgusenergia (täpsemalt - elektromagnetilise kiirguse energia) on vahelduva elektromagnetilise välja energia, mis levib elektromagnetlainete näol. See on elektromagnetlainete kiirgus. Siin mõistetakse elektromagnetilist kiirgust kõige laiemas mõttes. Elektromagnetilist kiirgust liigitatakse sõltuvalt elektromagnetlainete sagedusest raadiolainete kiirguseks, infrapunaseks kiirguseks (see on soojuskiirgus), nähtavaks valguseks, ultraviolettkiirguseks, röntgenikiirguseks, gamma-kiirguseks. Nimetatud kiirgused on siin toodud vahelduva elektromagnetlainete sageduse tõusvas ehk lainepikkuse vähenevas järjekorras. Kiirgusliikide piirid ei ole täpselt määratud ja nad võivad osaliselt kattuda. 4.4.2 Elektrienergia Elektrienergia on madalsagedusliku elektromagnetilise välja energia, mis madala sageduse tõttu (tööstussagedus Euroopas 50 Hz või 60 Hz USA-s) praktiliselt kiirguse näol ei levi. Seetõttu toimub elektrienergia edastamine juhtmete abil. Kasutatakse ka väljendit “elektrienergia transport”, kuid see ei iseloomusta mõistet kõige paremini. 7


Inimtegevuse iga ala on seotud mingisuguse energiakuluga. Tööstuses, transpordis (NB! siin on väljend “transport” igati õiges tähenduses), teeninduses, põllumajanduses, kodumajapidamises ja igapool mujal on lõpptulemuse või eesmärgi saavutamiseks vaja teha mehaanilist tööd, muuta või säilitada temperatuurirežiimi, teostada keemilist protsessi, valgustada midagi, võimendada signaale jne. Kõigeks selleks on vaja suurel hulgal energiat, mille liikidest tänapäeva arenenud maailmas on kõige levinum, kõige mugavamalt kasutatav elektrienergia. Elektrienergia on sellise domineeriva koha võitnud kõigepealt sellega, et teda saab lihtsalt muuta teist liiki energiaks. Samal ajal on elektrienergia oma olemuselt paljudele inimestele küllaltki salapärane, raskesti mõistetav ja arusaamatu. Elektrienergia on juhtmete kaudu edastatava elektrivoolu poolt põhjustatud vahelduva magnetvälja energia ja juhtmetevahelise elektrilise pinge poolt põhjustatud vahelduva elektrivälja energia ühine koguenergia. Elektrienergia on põhimõtteliselt sarnane elektromagnetilise kiirgusenergiaga, ainult selle erinevusega, et siin toimub selle vahelduva elektromagnetilise välja suunamine metallist juhtmete abil. Tegelikult levib elektrienergia juhtmeid ümbritsevas ruumis elektromagnetilise väljana.Tavakäsitluses on siiski piisavalt korrektne, kui ütleme, et elektrienergia levib juhtmete kaudu elektrivooluna. 4.5

Tuumaenergia Tuumaenergia (aatomienergia) all mõistetakse raskete aatomituumade (uraan, plutoonium jt.) lõhestamisel vabanevat energiat ja samuti kergete aatomituumade (vesiniku isotoobid deuteerium ja triitium) ühinemisel vabanevat energiat (termotuumaenergia). Viimati nimetatud ühinemisreaktsiooni nimetatakse termotuumareaktsiooniks, sest see on võimalik ainult väga kõrgel temperatuuril (üle 10 miljoni °C). Viimasel ajal on inglise keele mõjul hakatud kasutama selle reaktsiooni nimetusena ka “fusioon” või “fuusio”. Aatomituumade lagunemisel eralduv energia on mitme suurusjärgu võrra suurem kui mistahes aine sama koguse põlemisprotsessis eralduv energia. Raskete aatomituumade lõhestamisel põhinevat energia “tootmist” kasutatakse aatomielektrijaamades. Veelgi suurem energia kogus eraldub aga kergete aatomituumade ühinemisel. Püsiva energia saamine kergete aatomituumade ühinemise teel on tehniliselt praegu veel lahendamata.

5

Energeetika mõiste Energeetika on majandus- ja teadusharu, mis tegeleb kõige sellega, mis teeb võimalikuks kütustes sisalduva energia viimise tarbijateni tarbijate poolt soovitud vormis, nõutava kvaliteediga ning neile kõige sobivamas kohas ja vajalikul ajal. See tähendab, et antud tingimustes majanduslikult mõistliku hinnaga saadaolevas energiakandjas (kütuses, vees, tuumakütuses) sisalduv energia muundatakse sobivaks energialiigiks (valdavalt elektrienergiaks, vähemal määral soojusenergiaks) ja edastatakse see tarbijale. Mõnikord käsitletakse kütuseenergeetikat eraldi. Selle all mõistetakse kütuste kaevandamist, nende transporti ja jaotamist. Sel juhul käsitletakse elektroenergeetikat eraldi. Siis mõistetakse selle all kütuses sisalduva keemilise energia muundamist elektrienergiaks ja selle edastamist tarbijatele. Võib öelda, et energeetika on erinevate energialiikide (mitmekordsete) muundamiste protsess, mille lõpptulemusena saadakse elektrienergia, mis antakse 8


tarbijale üle tarbija juures, tarbija poolt soovitud aja jooksul ja temale vajaliku võimsusega ja kvaliteediga. See tähendab, et energeetikaettevõte, mis müüb tarbijale elektrienergiat, peab igal ajahetkel tootma elektrienergiat täpselt nii suure võimsusega, kui tarbijad parajasti just vajavad (muidugi kadude võrra rohkem kui tarbijate koguvõimsus on). Tänapäeva energeetika ei võimalda elektrienergiat arvestatavates kogustes salvestada ja lattu koguda. Energeetika mõttes väga väikeses maastaabis on see siiski võimalik, nt elektrienergia salvestamisel tavalise auto akusse – see on ju väike elektrienergia ladu. Käesoleval ajal on aga intensiivistunud uuringud akude erimahtuvuse (energiamahtuvus massiühiku kohta) tõstmise osas eesmärgiga kasutada neid autodel põhienergiaallikatena. Energeetikas akudel siiski tulevikus suurt rolli ei ole. Laiemas mõistes haarab energeetika endasse nii elektroenergeetika, soojusenergeetika kui ka kütuseenergeetika. See, millise energeetikaharuga on tegemist, sõltub sellest, milliseid energia muutumise piire vaadeldakse. Käesolevas kirjutises käsitletakse energeetika mõiste all peaasjalikult elektroenergeetikat, puudutades vaid vajaduse korral kütuse- ja soojusenergeetika küsimusi. 6

Primaarenergiaallikad

Primaarenergiaallikateks nimetatakse neid energiaallikaid, mille tekkimises pole inimkond osalenud või ei osale. Neid omakorda võib jagada taastuvateks ja mittetaastuvateks energiaallikateks, nimetatakse ka taastuvateks ja mittetaastuvateks energiateks. Peab kohe ütlema, et praktiliselt ainsaks primaarenergiaallikaks on päikese kiirgusenergia, millest maale saabub püsivalt üliväike osa. Sageli nimetatakse seda lihtsalt päikeseenergiaks. Selle tulemusel on tekkinud ja tekivad kõik maapealsed taastuvad ja mittetaastuvad energiaallikad, mida käsitleme maa tingimustes primaarenergiaallikatena. Tavaliselt loetakse taastuvateks energiaallikateks selliseid energiaallikaid, mis uuenevad pidevalt päikese kiirgusenergia arvel. Mittetaastuvateks energiaallikateks loetakse aga selliseid, mille taastumine päikese kiirgusenergia arvel kestab inimese elueaga võrreldes tunduvalt kauem või mille taastumine on tunduvalt aeglasem kui kasutamine. “Tavaliselt” on taastuvate energiaallikate kohta öeldud sellepärast, et päikese energiaallikaks on termotuumareaktsioon, milles energia vabaneb kergete aatomituumade ühinemise arvel. Kuigi neid kergeid aatomituumasid jätkub miljoniteks aastateks, ei ole nende kogus siiski lõpmatu. Seega on päikeseenergia põhimõtteliselt samuti mittetaastuv. Inimühiskonna jaoks aga võib päikeseenergiat lugeda siiski ammendamatuks. 6.1

Kütused Kütuste energia kujutab endast salvestunud päikeseenergiat. Sõltuvalt kütusest võib see salvestumine olla toimunud kümneid (puit) kuni miljoneid (kivisüsi, nafta) aastaid tagasi. Kütuseid, mis on formeerunud miljoneid aastaid tagasi surnud loomadest ja taimedest, nimetatakse fossiilkütusteks, nendeks on kivisöe-, põlevkivi-, maagaasi- ja naftaproduktid. 9


Sageli räägitakse biomassist kui kütuseliigist. Boimassi all mõistetakse igasugust taimestikku, selle töötlemissaadusi või jäätmeid, mille niiskusesisaldus on pärast kasvuperioodi viidud põletamiseks sobivalt madalaks. Siia kuuluvad puiduhake ja -jäätmed, saepuru, põõsastaimed, pilliroog, põhk, turvas jne. Liialdamata võib lugeda biomassi hulka igasugust mitte kauges minevikus looduses tekkinud orgaanilist ainet. Vt. joonis nr 1.- on alles lk-l 13 Nagu juba mainitud, on kütuste puhul tegemist ainetega, mille keemilistes seostes olev energia võib vabaneda mingi keemilise reaktsiooni (põlemise) tulemusena. Kütuste energeetiliselt oluliseks iseloomustavaks suuruseks on nende kütteväärtus, mis on kütuse massiühiku (tahkete ja vedelate kütuste puhul) või mahuühiku (gaasiliste kütuste puhul) täielikul põlemisel vabanenud energiahulk. Tänapäeval energeetikas kasutatavad kütused on kõik orgaanilise päritoluga maavarad või nende töötlemise saadused. Viimaseid (orgaanilise kütuse töötlemissaadusi) ei saa muidugi liigitada primaarenergiaallikateks, sest need on saadud tõeliste primaarenergiaallikate töötlemise tulemusena. Mõistet “tuumakütus” käsitletakse edaspidi, sest tuumakütuse puhul ei ole tegemist põlemisega, kuigi ülekantud tähenduses seda sõna (põlemine) sageli ka kasutatakse. Seetõttu ei ole ka õige tuumakütust vaadelda kütusena tavalises mõttes. Energeetikas kasutatavate kütustena tulevad kõne alla järgmised kütused: 6.1.1 Tahked kütused Puit (küttepuud, puidujäätmed, puiduhake, energiavõsa jms.). Puit on ajalooliselt esimene energiaallikas, mida inimene hakkas peale lihaseenergia teadlikult kasutama. Puidus sisalduv keemiline energia muudeti ja muudetakse nüüdki soojusenergiaks, mida kasutatakse peaasjalikult kütteks, toiduvalmistamiseks. Kunagi kasutati puidu põletamist ka mehaanilise energia saamiseks, nt auruvedurites. Tänapäeva energeetikas otsitakse võimalusi puidu kasutamiseks energeetilistel eesmärkidel vaid seal, kus muude energiaallikate kasutamine osutub kas liialt kalliks või siis looduskaitselistel kaalutlustel. Eeskätt otsitakse võimalusi puidujäätmete kasutamiseks, kuid tõsist tööd tehakse ka nn energiavõsa kasvatamise uurimisel. Energiavõsana kasvatatakse kiireltkasvavaid puittaimi, mille 2-3 aastaseid puitunud võrseid kasutatakse hakituna ja kuivatatuna soojuse tootmiseks. Perspektiivis on energiavõsa võimalik kasutada ka elektrienergia tootmiseks. Kivisüsi Kivisüsi on üks vanemaid ja enamlevinumaid energeetilisi kütuseid. Kivisüsi on tekkinud miljoneid aastaid tagasi soodes ürgsete taimede lasunditest, mis on hiljem kattunud mitmesuguste setetega. Taimede koostises olnud ainetest on kivisöes aegade jooksul säilinud peamiselt süsinik (kuni 95% kivisöest), vähemal määral teisi põlevaid aineid. Põlemisel muutub kivisöes olev keemilise energia soojusenergiaks. Kivisöe kvaliteet, st eriti tema kütteväärtus ja mineraalosade sisaldus (eraldub põlemisel tuhana), sõltub suurel määral leiukohast. Kivisöe eriliseks vormiks on antratsiit, mille kvaliteedinäitajad on tavalistest kivisöesortidest märksa kõrgemad. Pruunsüsi 10


Pruunsüsi on samuti taimse päritoluga, kuid kivisöest märksa noorem ja tunduvalt madalama kütteväärtusega. Päritolult on pruunsüsi kivisöe ja turba vaheline nn siirdeaste. Põlevkivi Põlevkivi on miljonite aastate jooksul merepõhja sadestunud madalamate elusorganismide kivistunud jäänused, mis sisaldavad küllaldasel määral orgaanilist ainet (orgaanilise aine osa sisaldab süsinikku 60 - 80 %, vesinikku 6 - 10 %). Põlevkivi kvaliteet on madalam kui kivi- või pruunsöel, omades madalat kütteväärtust ja väga suurt mittepõlevat mineraalosa osatähtsust (umbes pool kogu põlevkivist). Hoolimata põlevkivi suurtest varudest maailmas, kasutatakse seda energeetilistel eesmärkidel võrdlemisi tagasihoidlikult eelkõige madala kütteväärtuse tõttu. Paljud põlevkivivarudest rikkad riigid eelistavad primaarenergiaallikatena kasutada teistest riikidest sisseveetavat kivisütt või maagaasi. Eestis on põhiliseks energeetiliseks kütuseks kujunenud siiski põlevkivi. Sellel on nii ajaloolised põhjused kui ka see, et muude kütuste suuri varusid Eestis ei ole. Turvas Turvas on veekogudes kasvanud taimestiku surnud ja põhja settinud osised, mille vanust loetakse sadade ja tuhandete aastatega. Võib öelda, et turvas tekib juurde ka tänapäeval. Kinnikasvavad järved on selle tunnistajaks. Tingituna väikesest tihedusest on turba kütteväärtus madal. Suur niiskusesisaldus loob lisaprobleeme tema kuivatamisega. Väike tihedus ja tagasihoidlik kütteväärtus lubavad turvast kasutada ainult kohaliku kütusena. Turba töötlemise tulemusena (vastava tehnoloogiaga kokkupressimisel) saadav turbabrikett on ahjukütusena kodumajapidamises kasutatav, energeetilise kütusena praegu mitte. Siiski kasutati möödunud sajandil kuni 1960ndate aastateni Eestis Ulilas ja Turbas ka turvast elektrijaamades kütusena. Muu tahke kütus Tahke kütusena tulevad kõne alla veel põhk, pilliroog ja teised kiireltkasvavad mittepuittaimed ning olmeprügi. Nende igaühe põletamiseks ettevalmistamisega ja põletamisega on seotud palju probleeme, kuid taastuva kütusena tulevad need tulevikus kindlasti arvesse. 6.1.2 Vedelad kütused Nafta ja naftasaadused Toornafta, mis on kõigi naftasaaduste lähtematerjaliks, on tekkinud maakoores mereloomade ja -taimede ning alamate organismide sadestunud jäänustest miljonite aastate jooksul. Toornafta tööstuslikul töötlemisel saadakse muude naftasaaduste kõrval mitmeid vedelaid energeetilise kütusena kasutatavaid kütuseid. Bensiin on kerge naftasaadus, mida kasutatakse valdavalt transpordis. On ette nähtud kasutamiseks sisepõlemismootorites. Energeetilise kütusena ei tule kõne alla, v. a üksikutel juhtudel ajutise ja väikese võimsusega energiaallikana kohtades, kus puudub alaline elektrivarustus. 11


Diiselkütus kuulub samuti kergete naftasaaduste hulka, kuid teda kasutatakse peale transpordivahendite ka väiksemates energeetilistes seadmetes, peamiselt kohtades, kus muude energeetiliste kütuste kasutamine on keeruline. Kasutatakse sageli väikesaarte diiselelektrijaamades, kus muul kombel elektrivarustuse tagamine majanduslikult end ei õigusta. On reeglina odavam kui bensiin, kuid teatud turusituatsioonis võib diiselkütuse hind muutuda bensiini hinnaga võrreldavaks. Kerge kütteõli on sarnane diiselkütusega ja need on omavahel asendatavad. Kasutatakse ahjukütusena (muidugi spetsiaalse konstruktsiooniga ahjudes) soojusenergia tootmiseks. Raske kütteõli ehk küttemasuut on nafta töötlemisel pärast kergete naftasaaduste eraldamist saadav vedelkütus. Kasutatakse soojus- ja elektrienergia tootmiseks. Kui kerged vedelkütused on reaalsetel temperatuuridel hästi voolavad (pumbatavad), siis küttemasuut (lühidalt masuut) on tunduvalt "paksem" ja vajab pumpamiseks eelnevat kuumutamist, eriti talvetingimustes. Tahkete kütuste destillaadid Eelnimetatud vedelkütustega sarnaseid energeetilisi kütuseid võib saada ka tahkete kütuste töötlemisel-utmisel (destilleerimisel). See tuleb kõne alla vaid siis, kui erikaalutlustel teiste kütuste kasutamine ei ole otstarbekas. Eestis on Narva lähistel Eesti Elektrijaama territooriumil põlevkivi ümbertöötamise tehas. Seal toodetav (põlevkivi utmisel saadav) õli sobib kasutamiseks nii väiksemates katlamajades soojuse tootmiseks kui ka Eesti Elektrijaamas. See toodang moodustab vaid väikese osa elektrijaamas kasutatavast energeetilisest kütusest. Tahkete kütuste destillaatide hulka võib lugeda ka taimse päritoluga vedelaid kütuseid. Piiratud huvi kütustena kujutavad vilja ja muude tärklist sisaldavate taimede töötlemisel saadav etanool (etüülalkohol ehk viinapiiritus) ja õlitaimedest saadav õli sisepõlemismootorite kütusena. Energeetikas need olulist tähtsust ei oma. 6.1.3 Gaasilised kütused Looduslik gaas (maagaas) Maagaasi päritolu on üsna lähedane nafta päritolule. See on tekkinud samuti miljoneid aastaid tagasi mereloomade ja -taimede ning alamate organismide lagunemise tulemusel eraldunud gaasilise osana ning koosneb põhiliselt metaanist. Gaasileiukohtades täidab maagaas poorseid kivimeid ja tühemikke maakoores. Suurimad maagaasileiukohad on Venemaal, Iraanis, USA-s − seal, kus naftaleiukohadki. Eestis maagaasileiukohti tööstuslikus mõttes ei ole. Vähesel määral on leitud maagaasi Keri ja Prangli saartel ning mõnes kohas Põhja-Eestis. Tarbijateni viiakse maagaas magistraaltorujuhtmete ja jaotusvõrkude kaudu. Magistraaltorujuhtme pikkus võib ulatuda tuhandetesse kilomeetritesse. Energeetilise kütusena on maagaas kõige loodussõbralikum - tema põletamisel ei jää tuhka ning põlemisproduktides olevate keskkonnaohtlike ainete sisaldus 12


on minimaalne. Kasutatakse energeetilise kütusena seal, kus muude kütuste kasutamine on kallim või raskendatud (eelkõige loodushoiu seisukohalt). Eestis kasutab energeetilise kütusena osaliselt maagaasi Iru Elektrijaam Tallinna külje all. Eestis kasutatakse Venemaalt saadavat maagaasi, mille varustuse ootamatu katkemise korral on võimalik kasutada Lätis asuvat looduslikus maaaluses hoidlas hoitavat reservi. Vedelgaas Vedelgaas koosneb põhiliselt propaanist ja butaanist ning on keemiatööstuse (naftatöötlemise) produkt. Kuigi tegemist on kütusega, mida transporditakse ja hoitakse vedelal kujul, saab vedelgaasi kasutada (põletada) pärast aurustamist vaid gaasilises olekus. Seetõttu vaadeldakse teda ikkagi gaasilise kütusena. Vedelgaasi kasutatakse peamiselt majapidamisgaasina seal, kus soovitakse just gaaskütust, kuid puudub võimalus maagaasi kasutamiseks. Tehisgaasid Tehisgaasidest tulevad kõne alla kamberahjugaas ja generaatorigaas. Tehisgaase saadakse tööstuslikul teel tahkete kütuste töötlemisel kamberahjudes või erilistes gaasigeneraatorites. Kasutatakse kütusena mitmes tööstusharus, ka majapidamisgaasina, kuigi tänapäeval majapidamistes on enamasti asendunud maagaasi kui odavamaga. Energeetiliseks otstarbeks tehisgaase praktiliselt ei kasutata. Enne gaasimagistraali ehitamist Venemaa maagaasi transportimiseks Eestisse toodeti põlevkivist kamberahjugaasi Kohtla-Järvel. Selle gaasiga kui majapidamisgaasiga varustati Kohtla-Järve kõrval Tallinna ja Leningradi (praeguse Peterburi) kodusid. Kaasnev gaas Kaasnev gaas on muude keemiliste protsesside kõrvalsaadus, peamiselt naftaleiukohtades saadava nafta (kohati soovimatu) kõrvalsaadus. Sageli põletatakse kasutult, et mitte lasta vabalt keskkonda, kus ta reostaks loodust rohkem, kui tema põlemisproduktid. Enamasti kasutatakse vajadusel energeetilise kütusena naftaleiukohtade vahetus läheduses. Harvemini kasutatakse koos või analoogiliselt tavalise maagaasiga. Biogaas Biogaas ehk käärimisgaas on orgaanilise aine käärimisel tekkiv gaas. Koosneb umbes 2/3 metaanist ja 1/3 süsihappegaasist. Saadakse orgaanilise aine suure sisaldusega olme- ja loomakasvatusjäätmete kääritamisel kinnises anumas või muus ruumalas. Kasutatakse väiksemates majapidamistes majapidamisgaasina. Üksikutel juhtudel orgaanilise aine suurte kogumite juures (prügimäed, loomakasvatus-suurfarmid jms.) võidakse kasutada ka energeetilise kütusena kohaliku vajaduse katmiseks soojatootmisel, väikestes elektrijaamades soojuse ja elektri koostootmisel või ka mootorikütusena elektrienergia reservgeneraatori käitamiseks.

13


Term otuum aenergia

PÄIKE

Kiirgusenergia

ca 8 m inutit

Süsivesinikke sisaldav taim estik Fotosüntees

Küm ned aastad

M adalam ad elusorganism id

Sajad ja tuhanded aastad

M iljonid aastad Maagaas

Kivisüsi Puit

Nafta

Turvas Pruunsüsi

Põlevkivi

Energia esineb k e e m i l i s e

energiana

Joonis nr 1 Kütuste tekkim ine planeedil M aa

6.2

Kütuste iseloomustus Energeetika seisukohalt kõige olulisemaks kütuste iseloomustavaks näitajaks on energiasisaldus. Seda iseloomustatakse kütuse massiühiku (gaasilistel kütustel ruumiühiku) põlemisel eralduva soojusenergia hulgaga. Nimetatakse seda näitajat kütteväärtuseks ehk eripõlemissoojuseks, mille mõõtühikuks on tahketel ja vedelatel kütustel MJ/kg (megadžauli kilogrammi kohta) rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) või kcal/kg (kilokalorit kilogrammi kohta) varem kasutatud mõõtühikute süsteemis. Gaasiliste kütuste kütteväärtuse mõõtühikuks on vastavalt MJ/m³ või kcal/m³ normaaltingimustel, s.o gaasi temperatuuril 0° C ja rõhul 1 atm ehk 760 mm Hg. Tahkete kütuste puhul on peale orgaanilise osa oluline ka nende koostises olevate mittepõlevate mineraalainete sisaldus (põlemisel järelejääva tuha hulk), tahkete ja vedelate kütuste puhul on oluline ka nende tihedus. Vedelaid kütuseid, eriti küttemasuuti, iseloomustatakse ka viskoossuse ja selle sõltuvusega temperatuurist, mis on oluline nende pumpamisel madalatel temperatuuridel. Kõikide kütuste puhul on loodushoiu seisukohalt äärmiselt tähtis nende väävlisisaldus. Kütuste põletamisel tekib neis sisalduva väävli põlemisel väävligaas (SO2), mis atmosfääris ühinedes veeauruga moodustab väävlishappe (H2SO3). Tagajärjeks on happevihmad. Erinevate kütuste võrdlemiseks kasutatakse mõistet tingkütus. Tingkütuse ehk leppekütuse all mõistetakse arvutuslikku kütust, mille kütteväärtuseks on 7000 kcal/kg ehk rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis 29,3 MJ/kg. Sellele vastab keskmiselt hea kivisöe kütteväärtus.

14


Kütuste kütteväärtused Tahked ja vedelad kütused Kütteväärtus

Kütus Puit Kivisüsi Pruunsüsi Põlevkivi Turvas Bensiin Diislikütus Kerge kütteõli Küttemasuut

MJ/kg 10,5 - 15,1 20.9 - 32,7 8,4 - 23,0 6,3 - 18,4 6,3 - 19,7 43,5 - 46,1 41,0 - 44,0 ~42,0 39,4 - 41,4

kcal/kg 2500 - 3600 5000 - 7800 2000 - 5500 1500 - 4400 1500 - 4700 10400 - 11000 9800 - 10500 ~10000 9400 - 9900

Mineraalaine sisaldus (tuhk) % 0,3 - 1 1 - 30 5 - 45 40 - 80 1 - 20 -

Gaasilised kütused Kütus Maagaas Generaatorigaas Põlevkivi-kamberahjugaas Naftakõrvalgaas Biogaas 6.3

Kütteväärtus MJ/m³ kcal/m³ 29,3 - 37,7 7000 - 9000 3,8 - 11,7 900 - 2800 13,8 - 15,5 3300 - 3700 33,5 - 62,8 8000 -15000 20 - 25 4800 - 6000

Tuumakütus Tuumaenergia ehk aatomienergia allikaks on raskete aatomite (uraani ja plutooniumi) teatavad isotoobid, mida nimetatakse ka tuumakütusteks. Korrektselt võttes pole need kütused ei ole, sest siin pole tegemist põlemisega. Arvestades sellega, et nendes raskete aatomite isotoopides sisalduvat energiat kasutatakse samamoodi kui tavaliste kütuste energiat, loetakse neid siiski ka kütusteks. Selliste raskete aatomituumade lõhustumisel vabaneb energiat umbes 2 miljonit korda rohkem kui sama koguse (massi) nafta põlemisel. Tuumaenergia teise allikana nähtavas termotuumareaktsioonis, st kergete tuumade ühinemisel vabanev energia on veel paarsada korda suurem. Selleks on sobivad vesiniku raskemad isotoobid deuteerium ja triitium. Energeetikas on seni kasutusel tuumaenergia, mida saadakse raskete aatomituumade lõhustumisel juhitava tuumareaktsiooni näol. Termotuumareaktsiooni juhtimine ei ole seni inimkonnale olnud jõukohane ja seetõttu pole see tänapäeval energeetika seisukohalt energiaallikana veel kasutatav. Kahetsusväärselt on mõlemate tuumareaktsioonide kasutus leidnud koha relvastuses tuumapommide näol. Tähtede, sh ka päikese energiaallikaks on kerged aatomituumad, mille ühinemisel termotuumareaktsioonis vabanev tohutu hulk energiat. See on võimalik vaid tähtedel valitsevates tingimustes. Kuigi neid kergeid aatomituumasid on tähtedel lõplik kogus, 15


jatkub neid miljoniteks või isegi miljarditeks aastateks. Vaatamata sellele vaadeldakse päikeseenergiat ikkagi omaette energiaallikana nagu ka eelpool mainitud. Joonisel nr 2 on näidatud tuumakütuse mass võrreldes teiste Eestis kasutatavate energeetiliste kütuste massidega võrdse energiasisalduse juures, milleks on valitud kodumajapidamises ühe kuu elektrienergia kulu arvestatav suurus – 100 kWh.

40,00 35,00 30,00 25,00

kg 20,00

4,5 mg

15,00 10,00 5,00 0,00 Põlevkivi

Kivisüsi

Küttemasuut Tuumakütus

Joonis nr 2 Kütuse mass, milles on energiat 100 kWh 6.4

Taastuvad energiaallikad Taastuvateks energiaallikateks on põhiliselt päikese kiirgus otse kiirgusenergiana või looduse poolt mõneks teiseks energialiigiks muudetud vormid nagu: • • • • • •

päikese kiirgusenergia hüdroenergia tuuleenergia õhumasside kineetilise energia näol eelvaadeldud energiaallikatest puidus (ja ka turbas) sisalduv keemiline energia ookeanide soojusenergia tinglikult võib taastuvaks energiaallikaks lugeda ka geotermaalenergiat.

Tõele au andes on kõikides kütustes, ka nendes, mida ei loeta taastuvateks, sisalduv keemiline energia tegelikult päikeselise päritoluga. See on varasematel aegadel päikesekiirguse toimel bioloogiliste protsesside (fotosüntees) tulemusel salvestatud päikeseenergia (kiirgusenergia). Samuti on ka tuuleenergia ja ookeanide soojusenergia teisenenud päikeseenergia. Taastuvatest energiavormidest on vaid geotermaalne energia muu päritoluga. Arvatakse, et geotermaalenergia on maa tuumas kõrge rõhu all toimuvate tuumareaktsioonide tulemus. 16


6.4.1 Päikesekiirgus Päikesekiirgus on olnud ja on inimkonna ajaloo jooksul praktiliselt muutumatu. Maa ümbruses on päikese kiirgusenergia tihedus umbes 1,3 kW igale kiirguse suunaga risti oleva pinna ruutmeetrile. Tegelikult maapinnale langeva päikese kiirguse intensiivsus sõltub paljudest asjaoludest nagu kellaajast, öö ja päeva vaheldumisest, pilvisusest, õhu keemilisest koostisest, tolmu sisaldusest jne. Suur osa päikese kiirgusest peegeldub pilvedelt tagasi maailmaruumi või neeldub atmosfääris. Seetõttu on see osa päikesekiirgusest, mida maapinnal võiks kasutada, palju väiksem. Päikesekiirguse ajalise muutumise tõttu ei ole võimalik teda energiaallikana kasutada tarbijale vajalikul ajal, öösel aga puudub see energiaallikas täielikult. Päikeseenergia kasutamine tuleb kõne alla koostöös teiste energiaallikatega, mis peavad katma tarbijate energiavajadused siis, kui päike ei paista või kui tarbijate vajadus on suurem kui päikesekiirgus konkreetse seadme abil anda suudab. Otsese päikesekiirguse kasutamine energiaallikana tuleb energeetilises mõttes kõne alla nendes maakera piirkondades, kus enamikul ajal aastast on pilvitu ja kus päikesekiirte tee läbi atmosfääri on lühim, st. ekvaatorile lähedastel laiuskraadidel. Pideva energiavarustuse kindlustamiseks vajab päikesekiirgus siiski igal juhul lisaks reservenergiaallikat. Vähesel määral kasutatakse päikesekiirgust täiendava soojusenergiaallikana päikesepatareide näol (peamiselt sooja veega varustamiseks) ka teistes maailma piirkondades muude kütuste kokkuhoiu eesmärgil. 6.4.2 Hüdroenergia Hüdroenergia ehk vee-energia on vee potentsiaalne ja kineetiline energia. Enamik kasutusel olevast hüdroenergiast on jõgede hüdroenergia. Selleks kasutatakse jõele sobivasse kohta ehitatud paisu taha kogutud veemassi potentsiaalset energiat. Vesi juhitakse hüdroelektrijaama paisu taga oleva vee nivoost madalamal asuvatele veeturbiinidele, kus vesi annab oma energia (vee potentsiaalse energia muutumine vee kineetiliseks energiaks) turbiinile ja koos turbiiniga elektrigeneraatori rootorile kineetilise energiana. Generaatoris muundatakse see energia elektrienergiaks. Üheks ajalooliselt vanemaks hüdroenergia kasutusaladeks oli tema kasutamine vesiveskites, kus muundatuna mehaaniliseks energiaks kasutati vilja jahvatamiseks ja muudeks mehaanilist energiat nõudvateks töödeks. Vähemal määral on kasutusel loodete (tõusu-mõõna) energia. Kasutatakse kuu külgetõmbejõust tingitud ookeanivee tõusu ja mõõna ajal olevat ookeanipinna tasemete vahet. Loodete energia kasutamine pidevaks energia saamiseks on võimatu loodete perioodilisuse tõttu (periood 12 tundi ja 25 min). NB! Tegelikult ei ole loodete energia pärit päikeselt, vaid see on hoopis gravitatsioonivälja muutuste energia. Meenutagem, et tõus ja mõõn on ju tingitud kuu külgetõmbe jõu muutustest, mis sõltub maa pöörlemisest ja seetõttu ookeani veemasside ja kuu vahelise kauguse muutumisest. Veelgi vähem leiab kasutust lainete energia, sest energeetiliselt mõistliku energiahulga saamine on tehniliselt keeruline. Lainete energiat tuleks koguda mere küllaltki suurelt pindalalt. Ka on lainete energia kasutamise võimalus ajaliselt väga ebaühtlane. Energeetikas lainete energia kasutamine olulist osa ei oma. Tavaliselt kasutatakse merel või väikesaartel olevate väikesevõimsuseliste objektide varustamiseks koostöös elektriakumulaatoritega. 17


6.4.3 Tuuleenergia Tuuleenergia on energeetilises mõttes taastuvatest energialiikidest hüdroenergia järel tänapäeval üks perspektiivsemaid. Kasutatakse piirkondades, kus tuulekiirus on valdavalt küllalt suur. Puuduseks on tuulekiiruse ajaline ebaühtlus. Tuuleenergia omab olulist rolli fossiilkütuste energeetilistel eesmärkidel põletamise vähendamisel. 6.4.4 Geotermaalenergia Geotermaalenergia on maapõues peamiselt radioaktiivsete elementide lagunemisel tekkiv soojusenergia. Seda energiat kasutatakse kas otse soojusenergiana või muutes seda elektrienergiaks. Geotermaalenergia on kasutatav kohtades, kus kõrge temperatuuriga nn. termaalvesi asub maapinnale küllalt lähedal, mis teeks selle energia kasutamise tasuvaks. Kasutatakse Islandil, Filipiinidel, Kamtšatkal jm. 7

Energeetikas enamkasutatavad mõisted ja mõõtühikud Kuigi eelpool juba kasutati mitmeid energeetikas kasutatavaid mõisteid, on otstarbekohane nende ja muude energeetikas kasutatavate mõistete lahtimõtestamine koos mõõtühikute selgitamisega. Seda enam, et igapäevases elus on rahva kõnekeeles ja ajakirjanduses levinud väär arusaam mitmest mõistest ning sageli esineb ka mõõtühikute põhimõtteliselt vale kasutamist. Nagu energia ja töö määratlustest võib järeldada (vt. eespool), mõõdetakse energiat ja tööd samades mõõtühikutes. Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis SI on energia ja töö mõõtühikuks džaul ja seda (mõõtühikut) tähistatakse tähega J. Üks džaul on energia, mis kulub mingi keha nihutamisel 1 meetri võrra jõuga 1 njuuton. Kuna džaul on ka võrdne tööga, mida tehakse võimsusega üks vatt (W) ühe sekundi (s) jooksul, siis võib džauli nimetada ka vattsekundiks (tähistatakse Ws). See tähendab, et 1J = 1Ws. Džaul on igapäevases elus kasutamiseks väga väike ühik. Praktikas on energia ja töö mõõtmiseks kasutusel mittesüsteemne ühik kilovatt-tund (tähistatakse kWh). Tähises tähendab k kordajat 1000 ja h ajaühikut tund (tunnis on teatavasti 3600 sekundit). Järelikult on kilovatt-tund 3600000 ehk 3,6 miljonit korda suurem ühik kui džaul. Veelgi suuremate energiate mõõtmisel on kasutatavateks mõõtühikuteks megavatt-tund (Mwh), gigavatt-tund (Gwh) ja teravatt-tund (TWh). (Vt mõõtühikute kordsete suuruste tähistuse tabelit allpool). Kilovatt-tundides mõõdetakse näiteks meie kodudes kasutatud elektrienergia hulka ja selle mõõtmiseks kasutatakse elektrienergia arvestit. Energeetika algaastatel nimetati seda seadet voolumõõtjaks, mis sisuliselt on aga ebaõige nimetus.

18


Mõõtühikute kordsete suuruste tähistus (energeetikas enamkasutatavad kordsed) Nimetus tera giga mega kilo milli

Kordsus 1012 109 106 103 10-3

Tähis T G M k m

Näited teradžaul - TJ gigakalor - Gcal, gigavatt-tund - GWh megaherts - MHz, megaoom - MΩ kilovatt – kW, kilomeeter - km millioom - mΩ, millimeeter - mm

Võimsus on töö intensiivsuse mõõt, see on ühes ajaühikus tehtav töö või ühes ajaühikus energia muundamise määr mõneks teiseks energialiigiks. Võimsusest saab rääkida kui töö intensiivsusest, energia muundamise, edastamise või tarbimise intensiivsusest ühel ajahetkel. Samuti kasutatakse võimsuse mõistet iseloomustamaks elektritarviti elektrienergia muundamise võimet teist liiki energiaks. Näiteks öeldakse, et triikraua võimsus on 1000 vatti, kuigi see triikraud on parajasti pakendis ja ei tarbi midagi. See tähendab seda, et kui see triikraud lülitatakse elektrivõrku, hakkab see tarbima elektrienergiat võimsusega 1000 vatti, mille muudab soojusenergiaks. Võimsuse (tähistuseks on P) mõõtühikuks on vatt (tähistatakse W). Näiteks üks taskulambipirn kasutab põledes võimsust umbes 1W. Suuremate võimsuste korral kasutatakse suuremate kordsetega mõõtühikuid - kilovatti (kW) ja megavatti (MW) (vt mõõtühikute kordsete suuruste tähistust). Nii on kirjeldatud triikraua võimsus 1kW. Elektrienergia tarbimisest kilovatt-tundides võib rääkida ainult mingi ajavahemiku jooksul, võimsusest vattides või kilovattides aga mingil ajahetkel. Seepärast ei tohi omavahel segi ajada vastavaid mõõtühikuid kilovatt-tunde ja kilovatte. Kilovatttund on (elektri)energia mõõtühik, kilovatt aga võimsuse mõõtühik (energia muundamise, edastamise või tarbimise intensiivsuse mõõtühik). Pinge on elektriliste potentsiaalide vahe, mille mõjul vool läbib või võib läbida mingit keskkonda, keha, aparaati, juhet jne. Pinge tähistuseks on U. Pinge mõõtühikuks on volt, ühikutähistus V. Pinge kahe punkti vahel on määratav energiaga, mis on vaja kulutada elektrilaengu ühiku viimiseks ühest punktist teise. Sageli tuuakse selgituseks võrdlus erinevatel kõrgustel asuvate veebasseinidega ja võrreldakse elektrilist pinget nendes basseinides oleva vee nivoode kõrguste (seega rõhkude) vahega. Ühendades basseinid kanaliga (toruga) hakkab vesi kanalis voolama ja voolab seda intensiivsemalt, mida suurem nivoode (kõrguste) vahe on. Samuti on ka elektriliste potentsiaalidega. Mida suurem on nende erinevus (vahe), seda suurema “hooga” voolab elekter nende punktide vahel. Oluline on vahet teha alalispinge ja vahelduvpinge vahel. Alalispingeks loetakse sellist pinget, mis ei ei muuda oma polaarsust, st seda, et sellise pinge tulemusena tekkiv vool kulgeb ahelas ainult ühes suunas. Vahelduvpinge muudab aga perioodiliselt oma polaarsust, st et sellise pinge tulemusena tekkiva voolu suurus ja suund on ajas perioodiliselt muutuv. Alalispinget kasutatakse peamiselt väikesevõimsuseliste elektritarvitite (taskulambid, sidevahendid, automaatikaseadmed jms.) toiteks, kus pingeallikateks on mitmesugused keemilised elektrielemendid või -patareid, akud või alaldid ja alalisvoolugeneraatorid.

19


Nii alalis- kui ka vahelduvpingeallikate pinget koormuseta olekus nimetatakse elektromotoorseks jõuks (emj), mida tähistatakse E. Pingeallika koormamisel osutub selle pinge emj-st väiksemaks nn sisepingelangu võrra. Energeetikas kui majandusharus kasutatakse peaaegu eranditult vahelduvpinget, mille suurus muutub siinusfunktsiooni järgi sagedusega 50 (Ameerikas 60) korda sekundis (võngete arv sekundis). Rääkides vahelduvpinge väärtusest peetakse silmas vahelduvpinge efektiivväärtust. Efektiivväärtus on siinuselise (siinusfunktsiooni järgi muutuva) vahelduvpinge ühe (või täisarvu) poolperioodi ruutkeskmine väärtus. Efektiivväärtust tähistatakse samuti, kui alalispinge puhul – U. U = 0,707 Umax kus Umax on siinuselise vahelduvpinge maksimumväärtus. Vahelduvpinget kujutatakse graafiliselt vektorina, mis pöörlemisel nurkkiirusega ω = 2πf kujutab projektsioonina vertikaalteljele pinge hetkväärtuse ajalist muutumist. Sagedus on igasuguse harmoonilise võnkumise korral võngete arv ajaühikus. Sagedust tähistatakse tähega f ja tema mõõtühikuks on herts ühikutähistusega Hz. Sagedus on üks herts, kui mingi suurus muutub perioodiliselt nii, et tema mistahes väärtus kordub iga sekundi järel (üks kord sekundis). Elektrivool ehk lihtsalt vool on elektrilaengute korrastatud liikumine läbi mingi keskkonna, näiteks läbi juhtme. Voolu suurus, mida nimetatakse voolutugevuseks, on määratav elektrilaengute hulgaga, mis läbib konkreetset keha, aparaati, seadet või vaadeldavat (juhtme) ristlõiget ühes ajaühikus. Voolu tähistatakse tähega I. Voolutugevuse ühikuks on amper, ühikutähistus A. Oluline on vahet teha alalisvoolu ja vahelduvvoolu vahel. Alalisvoolu all mõistetakse sellist elektrivoolu, mille puhul elektrilaengud liiguvad elektriahelas pidevalt ühes suunas. Vahelduvvool on selline elektrivool, kus voolu suurus ja suund on ajaliselt perioodiliselt muutuv. Nagu eelnevastki võib järeldada, on energeetikas tegemist vahelduvvooluga, sest igat elektritarvitit, mis lülitatakse vahelduvpinge võrku, läbib vahelduvvool. Rääkides vahelduvvoolu väärtusest peetakse silmas vahelduvvoolu efektiivväärtust. Vahelduvvoolu efektiivväärtus on siinuselise vahelduvvoolu ühe (või täisarvu) poolperioodi ruutkeskmine väärtus. Efektiivväärtust tähistatakse samuti, kui alalisvoolu puhul – I. I = 0,707 Imax kus Imax on siinuselise vahelduvvoolu maksimumväärtus. Nagu pingegi puhul, kujutatakse vahelduvvoolu graafiliselt vektorina, mis pöörlemisel nurkkiirusega ω = 2πf kujutab projektsioonina vertikaalteljele voolu hetkväärtuse ajalist muutumist. Kõikides elektriseadmetes on vool (sh enimalt lubatav vool) üheks kõige olulisemaks näitajaks.

20


Elektriline takistus Elektriline takistus ehk lihtsalt takistus on suurus, mis iseloomustab aine või juhi takistavat või pidurdavat toimet (elektri)energia edastamisele. Takistus on elektrijuhi omadus, mis sõltub selle materjalist, mõõtmetest ja tavaliselt ka temperatuurist. Takistuse tähiseks on R. Takistuse mõõtühikuks on oom, mille tähiseks on kreeka täht oomega Ω. Vahelduvvooluahelais tehakse vahet aktiivtakistuse, reaktiivtakistuse ja näivtakistuse vahel. Alalisvooluahelas reaktiivtakistusest ja näivtakistusest rääkida ei saa. Tähisega R tähistatakse just aktiivtakistust, mis esineb alalisvooluahelas üksinda. Seda nimetatakse ka oomiliseks takistuseks (kuigi ka reaktiiv- ja näivtakistust mõõdetakse ikkagi oomides). Tähisega X tähistatakse reaktiivtakistust, kusjuures see võib olla induktiivne reaktiivtakistus, ehk lihtsalt induktiivtakistus, siis tähistatakse see XL, või mahtuvuslik reaktiivtakistus, ehk lihtsalt mahtuvuslik takistus, siis tähistatakse see XC. Reaktiivtakistus on nende takistuste absoluutväärtuste vahe: X = XL – XC Seega võib ka tinglikult lugeda induktiivtakistust positiivseks reaktiivtakistuseks ja mahtuvuslikku takistust negatiivseks reaktiivtakistuseks. Induktiivtakistust omavad igasugused poolid ja mähised. Mida rohkem keerdusid ja mida suurema ristlõikega on rauda sisaldavast materjalist mähise südamik, seda suurem on induktiivtakistus. Mahtuvuslikku takistust aga omavad elektrilised kondensaatorid. Mida suurema mahtuvusega on kondensaator, seda väiksem on mahtuvuslik takistus. Laskumata sügavamale elektrotehnika teooriasse võib näitena tuua, et vahelduvvooluahelas on aktiivtakistuse ja reaktiivtakistuse järjestikühenduse korral kogutakistus, mida nimetatakse näivtakistuseks (tähis Z), väljendatav järgmiselt: ehk Energeetikas omab takistus olulist tähtsust kõikides elektrienergia muundus- ja edastuselementides, sest aktiivtakistus on see elektrijuhi omadus, millest sõltub kaduma mineva (loe: mittesihipäraselt soojusenergiaks muutuva) energia kogus. Voolutugevuse elektriahelas määrab ära üks elektri põhiline seadus – Ohm’i (loe: oomi) seadus: Kahe punkti vahel olevas elektriahelas (juhtmes, elektritarvitis jms.) voolava elektrivoolu suurus (voolutugevus) on võrdeline nende punktide vahel oleva pingega ja pöördvõrdeline nende punktide vahelise elektriahela elektrilise takistusega: I = U / R, kus I on voolutugevus amprites (A), U on pinge voltides (V), R on takistus oomides (Ω).

21


Seaduseks, mis määrab ära soojuseks muutuva elektrienergia hulga on JouleLenzi seadus. Soojusenergia Ws (erinevates väljaannetes tähistatakse ka A, Q, E jm.), mis tekib mingis elektrilist takistust R omavas kehas, takistis, juhtmes, elektritarvitis jne., kui seda läbib teatud suurusega vool I teatud aja t jooksul, on määratud valemiga: Ws = I² × R × t , kus Ws on (soojus-)energia džaulides (J), I on vool amprites (A), R on takistus oomides (Ω) t on aeg sekundites (s). Oluline on siinjuures tähele panna seda, et see elektrilist takistust omavas kehas, takistis, juhtmes, elektritarvitis jne. soojuseks muutuv energiahulk on võrdeline voolutugevuse ruuduga. Järelikult, kui juhet läbiv vool suureneb 3 korda, suureneb juhtmes soojuseks muutuva energia hulk 9 korda jne. Veelkord võimsusest Alalispinge ahelas on võimsus võrdeline pinge ja vooluga ehk valemiga väljendades P = U × I, kus P on võimsus vattides (W) U on pinge voltides (V) I on vool amprites (A). Vahelduvpinge võrgus (-ahelates) väljendatakse pinge ja voolu korrutisega näivvõimsust. Näivvõimsuse ühikuks on voltamper (VA). S = U × I, kus S on näivvõimsus voltamprites (VA) U on pinge voltides (V) I on vool amprites (A). Siin ja edaspidi mõeldakse vahelduvpinge võrgus (-ahelates) indeksita tähistatud pingeid ja voolusid nende efektiivväärtustena. Võimsust, mis on käsitletav töö intensiivsuse mõõduna (võimsus, mis teeb tegelikult tööd, salvestub keemilise energiana, muutub soojuseks või muuks energialiigiks, nagu alalispinge korral), nimetatakse vahelduvpingevõrgus aktiivvõimsuseks. Aktiivvõimsust tähistatakse tähega P nagu alalispinge ahelates lihtsalt võimsust. Aktiivvõimsus on üldjuhul väiksem kui näivvõimsus või äärmisel juhul sellega võrdne. Aktiivvõimsuse ja näivvõimsuse suhet nimetatakse võimsusteguriks ja tähistatakse cos ϕ. Seega cos ϕ = P / S ja P = S × cos ϕ ehk P = U × I × cos ϕ , kus 22


S on näivvõimsus voltamprites (VA) P on aktiivvõimsus vattides (W) U on pinge voltides (V) I on vool amprites (A) cos ϕ on võimsustegur. Võimsustegur on pinge ja voolu vektorite vahelise nurga ϕ koosinus. Mida induktiivsem on koormus, seda suurem on nurk pinge ja voolu (vektorite) vahel, seda suurem on ka vool, mis on vajalik sama (aktiiv)võimsuse edastamiseks (eeldades, et pinge on muutumatu). Suurema voolu korral on aga kaod ülekandeliinis ka suuremad (võrdelised voolu ruuduga). Siit järeldub, et on kasulik suurendada tarbija juures võimsusteguri cos ϕ väärtust. Kuna aktiivvõimsus on näivvõimsusest väiksem, siis peab näivvõimsus koosnema veel millestki. Selleks on nn. reaktiivvõimsus, mida tähistatakse Q ja selle mõõtühikuks on varr ehk voltamper-reaktiivne (var). Näivvõimsus, aktiivvõimsus ja reaktiivvõimsus on seotud järgmise valemiga: kus S on näivvõimsus voltamprites (VA) P on aktiivvõimsus vattides (W) Q on reaktiivvõimsus varrides (var). Reaktiivvõimsus on võrdne induktiivvõimsuse QL ja mahtuvusvõimsuse QC absoluutväärtuste vahega: Q = QL - QC , kus QL = I 2 × XL ja QC = I 2 × XC Tinglikult loetakse induktiivvõimsust (induktiivset reaktiivvõimsust) positiivseks reaktiivvõimsuseks ja mahtuvusvõimsust (mahtuvuslikku reaktiivvõimsust) negatiivseks reaktiivvõimsuseks. See tähendab seda, et tarviti, mis omab induktiivset iseloomu, tarbib aktiivvõimsuse kõrval ka reaktiivvõimsust ja tarviti, mis omab mahtuvuslikku iseloomu, toodab reaktiivvõimsust. Enamus elektrienergia tarbijatest on induktiivse iseloomuga (omavad induktiivtakistuslikku iseloomu), sest kõik elektrimootorid omavad mähiseid ja seega ka induktiivset reaktiivtakistust. Siit järeldub, et võimsusteguri cos ϕ suurendamiseks tarbija juures tuleks tarvitiga paralleelselt lülitada sobiva suurusega elektriline kondensaator, mille reaktiivvõimsus oleks enam-vähem sama suur, kui tarviti poolt tarbitav reaktiivvõimsus. Seda nimetatakse võimsusteguri parendamiseks. Tulemusena väheneb tarbijani minevas liinis vool ja võrdeliselt voolu ruuduga ka võimsuskaod liinis. Kolmefaasilises pingesüsteemis on võimsus (aktiivvõimsus) määratav järgmise valemiga: P =

3 × U × I × cos ϕ , kus 23


P on võimsus vattides (W) U on liinipinge voltides (V) I on liinivool amprites (A) cos ϕ on võimsustegur. Kui alalispinge korral andis pinge ja voolu korrutis võimsuse, siis vahelduvvoolu puhul annab pinge ja voolu korrutis näivvõimsuse.

ja

S=U×I S= 3×U×I

ühefaasilises süsteemis kolmefaasilises süsteemis, kus

S on näivvõimsus voltamprites (VA) U on pinge liinijuhtmete vaheline ehk liinipinge voltides (V) I on liinivool amprites (A). Joonisel nr 3 on esitatud näiteid pinge- ja vooluvektorite kasutamise kohta erinevate koormuste korral ja võimsusteguri parendamise selgitamiseks. Seejuures vaadeldakse voolu koosnevana aktiivkomponendist ehk aktiivvoolust Ia ja reaktiivkomponendist ehk reaktiivvoolust Ir. Viimane koosneb induktiivsest reaktiivvoolust IL ja mahtuvuslikust reaktiivvoolust olles viimaste absoluutväärtuste vahe: Ir = IL - IC . Tinglikult võib lugeda, et induktiivne reaktiivvool on positiivne ja mahtuvuslik reaktiivvool negatiivne. Seejuures kogu vool on: ehk a) aktiivkoormus (koormus omab ainult oomilist ehk aktiivtakistust), pinge ja voolu vektorite vaheline nurk on 0. Koormustegur on maksimaalne (cos ϕ = 1,0). Selliseks koormuseks on näiteks triikraud või elektripliit. b) induktiivkoormus (koormus omab ainult induktiivtakistust), pinge- ja vooluvektorite vaheline nurk on 900. Koormustegur on 0. Selliseks koormuseks on näiteks mingi raudsüdamikuga jämedast traadist (mittearvestatavalt väikese aktiivtakistusega) mähis. c) mahtuvuslik koormus (koormus omab ainult mahtuvustakistust), pinge- ja vooluvektorite vaheline nurk on 900. Koormustegur on 0. Selliseks koormuseks on näiteks elektriline kondensaator või spetsiaalselt selleks ehitatud elektrimasin – sünkroonkompensaator. Nendes vektordiagrammides on: U pinge voltides (V) I kogu vool amprites (A) Ia aktiivvool amprites (A) Ir reaktiivvool amprites (A) IL induktiivne reaktiivvool amprites (A) IC mahtuvuslik reaktiivvool amprites (A) cos ϕ võimsustegur. d) induktiivse iseloomuga aktiivkoormus (segakoormus, mis omab nii aktiiv- kui ka induktiivtakistust), pinge- ja vooluvektorite vaheline nurk on vahemikus 0 < ϕ < 900. Koormustegur on vahemikus 1,0 > cosϕ > 0. Selliseks koormuseks on näiteks enamus elektrimootoreid. e) võimsusteguri parandamine. Induktiivse iseloomuga aktiivkoormusele on paralleelselt ühendatud mahtuvuslik koormus (kondensaator), mille vool IC vähendab reaktiivvoolu Ir = IL ja sellega ka summaarset voolu I toitvas liinis, kus 24


I1 on summaarne vool enne kondensaatori ühendamist I2 on summaarne vool pärast kondensaatori ühendamist.

U

U

U

Ia IL φ=0 cos φ = 1,0

a

IC

0

0

φ = 90 cos φ = 0

φ = 90 cos φ = 0

b

c

U

U ϕ2 IC I

Ia

ϕ

Ia

I1 I2

Ir=IL d

I2 < I1

IL e

Joonis nr 3. Näiteid pinge- ja vooluvektorite kasutamise kohta erinevate koormuste korral ja võimsusteguri parendamise selgitamiseks

25


8

Soojuslikud mõõtühikud Temperatuur on soojusnähtuste põhisuurus. Temperatuur iseloomustab mingi keha (tahke või vedela aine või gaasi kogumi) soojusenergia taset, mitte hulka. Mida intensiivsem on aineosakeste (molekulide) korrapäratu soojuslik liikumine, seda kõrgem on aine temperatuur. Temperatuuri mõõtühikuks on kraad, kusjuures on kasutusel mitu erinevat temperatuuriskaalat. Rahvusvahelises m��õtühikute süsteemis on kasutusel temperatuuri absoluutne skaala ehk Kelvini skaala. Igapäevases elus ja kodumajapidamises kasutatakse Celsiuse skaalat, Ameerikas aga Fahrenheiti skaalat. Kelvini ja Celsiuse temperatuuriskaalade ühe kraadi väärtused on ühesuurused, kuid erinevus on selles, et Celsiuse skaala nullpunkt asub Kelvini skaala 273 kraadi juures ja Kelvini skaalal puuduvad negatiivsed temperatuurid. Kelvini skaala järgi on temperatuur null kraadi (absoluutne null), kui aineosakeste (molekulide) korrapäratu soojuslik liikumine on täielikult lakanud, st aine molekulid on liikumatud. Temperatuuri mõõtühikuid tähistatakse vastavalt Kelvini kraad - °K ja Celsiuse kraad - °C. Järelikult on jää sulamistemperatuur Kelvini kraadides 273° K ja vee keemistemperatuur 373°K. Samuti võime ütelda, et absoluutne nulltemperatuur Celsiuse skaalal on miinus 273°C. Teiseks oluliseks suuruseks soojustehnikas on rõhk. Mõistetavalt saab rõhust juttu teha ainult vedelikes ja gaasides. Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemis SI on rõhu mõõtühikuks paskal ühiku tähistusega Pa. Üks paskal on rõhk, mida avaldab jõud üks njuuton ühele ruutmeetrile. Hoolimata sellest, et rahvusvaheline mõõtühikute süsteem on ka Eestis eelistatuim, on igapäevases elus jäänud kasutusele rõhu mõõtühikuna ka atmosfäär ühiku tähistusega atm, mis on võrdne 760 mm kõrguse elavhõbesamba rõhuga ehk keskmise õhurõhuga maapinnal. Tehnikas kasutatakse ka rõhuühikut tehniline atmosfäär ühiku tähistusega at, mida avaldab jõud üks jõukilogramm (kgf) ühele ruutsentimeetrile. Seejuures on 1 atm = 1,02 at. Praktikas loetakse neid võrdseks ja räägitakse lihtsalt atmosfäärist. Paskal on atmosfäärist umbes 105 korda väiksem ühik. Kasutatakse ka mõõtühikut baar [bar] 1 bar = 105 Pa. Praktiliselt loetakse atmosfääri võrdseks baariga. Seega sageli kasutatav megapaskal MPa ≈10 atm. Kuigi rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI kohaselt on energia mõõtühikuks džaul, on soojusenergia mõõtmiseks veel kasutusel ka kalor ühiku tähistusega cal. 1 cal = 0,24 J. Seejuures on kalor võrdne energiahulgaga, mis on vajalik ühe grammi vee temperatuuri tõstmiseks ühe kraadi võrra. Rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI energia ühiku džauli J võrdlus teiste kasutusel olevate mehaaniliste, soojuslike ja elektriliste energia mõõtühikutega on näidatud järgnevas tabelis. Energia ja töö mõõtühikud erinevates mõõtühikute süsteemides Mõõtühik 1J 1 kgf x m 1 kcal 1 kWh

9

J 1 9,81 4,19 .103 3,6 .106

kgf x m 0,102 1 4,27×102 3,67×105

kcal 2,39×10-4 2,34×10-3 1 8,6×102

kWh 2,78×10-7 2,72×10-6 1,16×10-3 1

Elektrijaamade liigitus Elektrijaamu võib energiamuunduste liigi alusel liigitada kolme suurde rühma: 26


• • • •

soojuselektrijaamad hüdroelektrijaamad tuuleelektrijaamad. Eraldi võib vaadelda otsemuundusseadmetega elektrijaamu ja erinevate elektrijaamade liikide kombinatsioone.

9.1 Soojuselektrijaamad Soojuselektrijaamades saadakse elektrienergiat soojusenergia muundamise teel elektrienergiaks mehaanilise energia vahendusel. Soojusenergia saamise viisi järgi liigitatakse soojuselektrijaamu omakorda kasutatava primaarenergia järgi: • orgaanilisel kütusel (kivisüsi, põlevkivi, masuut, gaas, turvas jms.) • tuumakütusel (aatomielektrijaamad) • geotermaalenergial • päikese kiirgusenergial • ookeanivee soojusel töötavateks elektrijaamadeks. Enamlevinum soojuselektrijaama liik on orgaanilisel kütusel töötav elektrijaam, kus kütuse põletamisel saadav soojus (soojusenergia) antakse katelagregaadis (katlas) üle veele-veeaurule. Aurus sisalduv soojusenergia muundatakse auruturbiini vahendusel mehaaniliseks energiaks, mis elektrigeneraatoris lõpuks muundatakse elektrienergiaks. Selliseid soojuselektrijaamu nimetatakse ka auruturbiinelektrijaamadeks. Eestis toodetakse 95% elektrienergiast orgaanilisel (fossiilsel) kütusel – põlevkivil töötavates Narva elektrijaamades – Balti Elektrijaamas ja Eesti Elektrijaamas. Need on maailma suurimad põlevkivielektrijaamad. Ettekujutuse nende mõõtmetest annavad mõned järgmised faktid. Balti Elektrijaama peahoone pikkuseks on ca kolmveerand kilomeetrit, Eesti Elektrijaama katelagregaadi kõrgus on võrreldav Tallinnas asuva välisministeeriumi hoone kõrgusega, korstnate kõrgus on aga veerand kilomeetrit. Teiseks soojuselektrijaama liigiks turbiinis kasutatava energiakandja järgi on gaasiturbiinelektrijaam. Gaasiturbiinelektrijaamas kasutatakse kütusena tavaliselt gaasilisi, harvemini vedelaid kütuseid. Nende põletamine toimub rõhu all ja kütuse põlemisel saadav soojusenergia antakse põlemisgaasidele, mis ilma veeauru vahenduseta otse käitavad turbiini (gaasiturbiini). Kuna põlemisgaaside temperatuur on märksa kõrgem kui veeaurul, siis on gaasiturbiinile esitatavad nõuded samuti hulga rangemad ja vastavad seadmed ka kallimad. Seetõttu kasutatakse gaasiturbiinelektrijaamu ainult eriolukordades, peamiselt seal, kus on sageli vaja turbiini kiiret käivitamist. Reeglina kasutatakse gaasiturbiinelektrijaama turbiini(de)st väljuvaid veel võrdlemisi kõrge temperatuuriga põlemisgaase tavalise auruturbiinelektrijaama tsüklis. Soojuselektrijaamade olulise grupi moodustavad tuumaelektrijaamad (aatomielektrijaamad). Need erinevad orgaanilisel kütusel töötavatest elektrijaamadest selle poolest, et neis saadakse soojusenergia tuumareaktorist (aatomireaktorist), kus tuumakütuse radioaktiivse lagunemise tulemusel saadav soojusenergia antakse spetsiaalsete soojusvahetajate kaudu veele-veeaurule. Edasine energiamuunduste käik on sama, mis tavalises orgaanilisel kütusel töötavas elektrijaamas. Tuumaelektrijaamade probleemiks on võimalike avariide korral keskkonna saastamise suur oht. Meenutagem Tšernobõli juhtumit. Eraldi liigi soojuselektrijaamadest moodustavad soojuselektrijaamad, kus kütuse keemiline energia muundub soojusenergia vahendusel mehaaniliseks energiaks sisepõlemismootorites, valdavalt diiselmootorites. Nimetatakse diiselelektrijaamadeks. 27


Edasine energia muundumine toimub neis nagu teistes soojuselektrijaamades elektrigeneraatorites. Eestis enne merekaablite paigaldamist mandrilt Saaremaale varustasid elektriga Saaremaad ja Hiiumaad just diiselelektrijaamad. Sisepõlemismootoritega elektrijaamu kasutatakse seal, kus muu kütuse kohalevedu on raskendatud. Toodetava elektrienergia hind on neis tunduvalt kallim kui teistes elektrijaamades. Neid kasutatakse ka väikesevõimsuseliste liikuvate (teisaldatavate) elektrijaamadena. Ookeanivee soojusel töötavaid elektrijaamu energeetikas praktiliselt ei kasutata. Kuigi ookeani pinnakihtides on salvestatud soojusena tohutul hulgal päikesekiirguse energiat, ei ole temperatuuride vahe ookeani pinna- ja süvakihtide vahel piisavalt suur, et kasutada seda efektiivselt elektrienergia tootmiseks. Ka tekitab raskusi vajaliku soojusenergia kogumine suurelt ookeani pinnalt. 9.2 Hüdroelektrijaamad Hüdroelektrijaamad liigitatakse: • jõgede vee-energiat kasutavateks (paisuelektrijaamad ja derivatsioonielektrijaamad) • loodeteelektrijaamadeks (tõusu-mõõnaelektrijaamad) • laineteelektrijaamadeks. Valdavas enamikus on hüdroelektrijaamad ehitatud jõgedele. Erinevus paisu- ja derivatsioonielektrijaamade vahel seisneb selles, et paisuelektrijaamades on elektrijaama hoone ehitatud paisu sisse või selle vahetusse lähedusse. Sellised on tasandikujõgedele ehitatud elektrijaamad. Derivatsioonielektrijaamade puhul asub aga elektrijaama hoone paisust eemal ja vesi juhitakse elektrijaama hoones asuvatesse hüdroturbiinidesse kas torustike, tunnelite või kanalite ja rõhutorude kaudu. On kasutusel paljudel mäestikujõgedel. Loodeteelektrijaamu (tõusu-mõõnaelektrijaam) saab ehitada vaid ookeanirannikule, kus on tõusu ja mõõna ajal ookeanivee tasemete vahe suur ja kus on sobivaid lahtesid, mida mida saab tammiga sulgeda. Muus osas töötab loodeteelektrijaam sarnaselt tavalise hüdroelektrijaamale (paisuelektrijaamale), ainult selle vahega, et see töötab kahes suunas ja vaheaegadega (kahel korral ööpäevas). Laineteelektrijaamu, mis on väikese võimsusega, on ehitatud vaid kohtades, kus teiste elektrjaamaliikide kasutamine on olnud raskendatud või majanduslikult ebaotstarbekas, enamasti meres asuvate üksikute objektide energiavarustuseks. Omaette grupi hüdroelektrijaamade seas moodustavad pumpelektrijaamad ehk nagu varem nimetati - hüdroakumulatsioonielektrijaamad. Pumpelektrijaamad on mõeldud energia salvestamiseks vee potentsiaalse energiana ja selle energia hilisemaks kasutamiseks. Sisuliselt koosneb pumpelektrijaam elektriliselt käitatavast pumbajaamast (pumpadest), mis pumpab vee kõrgemalasuvasse veehoidlasse, ja tavalisest hüdroelektrijaamast, mis vajadusel kasutab seda vett (vee potentsiaalset energiat) elektrienergia tootmiseks. Enamasti on pumpelektrijaamades veeturbiin ja elektrigeneraator ehitatud nii, et neid saab kasutada vastavalt veepumbana ja elektrimootorina. 9.3 Tuuleelektrijaamad Tuuleelektrijaamades toimub tuule kineetilise energia otsene muundamine elektrienergiaks. Tänapäeval on enamlevinud rõhtsa võlliga tiiviktuulemootoriga (tavaliselt 3 labaga) tuuleelektrijaamad. Tuuleelektrijaam vajab tuulevaikuse korral pideva energiavarustuse tagamiseks reservi mõne muu elektrijaama liigi või 28


energiasüsteemi (vt tagapool) näol. Ehitatakse tavaliselt mitmest tuuleelektrijaamast koosneva tuuleelektrijaamapargina kohtades, kus enamiku ajast valitsevad tugevad tuuled, enamasti rannikualadel nii mandril kui ka vees. Omab tähtsust teistes elektrijaamades kasutatavate fossiilkütuste kokkuhoiu mõttes. 9.4 Otsemuundusega elektrijaamad Otsemuundusega elektrijaamades toimub elektrienergia tootmine ilma traditsiooniliste soojusenergiat mehaaniliseks muundavate soojusjõumasinate (auru- või gaasiturbiinid, sisepõlemismootorid) vahenduseta. Energia otsemuundusega elektrijaamad ei ole tänapäeval (veel) kuigivõrd levinud, sest paljud neis kasutatavatest energiamuunduse põhimõtetest on majanduslikult efektiivse lahenduseta ning kasutatavad vaid piiratud tingimustes ja erijuhtudel. Otsemuundusega elektrijaamadest tulevad kõne alla järgmisi seadmeid kasutavad jaamad: • magnethüdrodünaamiline generaator • kütuseelement • termoelektrongeneraator • fotoelement • termoelement. Energeetika seisukohalt on käesoleval ajal enim perspektiivsed magnethüdrodünaamiline generaator ja kütuseelement. Otsemuundusega elektrijaamades kasutatavate energiamuunduste põhimõtetega võib lähemalt tutvuda vastava teatmekirjanduse abil. On huvitav märkida, et Eestis on tehtud uurimistöid magnethüdrodünaamilise generaatori alal Kohtla-Järve Elektrijaamas. 10 Energiamuundused elektrijaamades

29


Nagu eelnevast selgunud, on selleks, et primaarenergiast saada elektrienergiat, vaja elektrijaamades teha mitmeid energiamuundusi. Maailmas enamlevinud elektrijaamaliigiks on soojuselektrijaam, milles toimuvate energiamuunduste lähem kvalitatiivne ja kvantitatiivne vaatlemine on kasulik - toodetakse ju absoluutne enamus ka Eestis tarbitavast elektrienergiast soojuselektrijaamades. Energiamuundused soojuselektrijaamades toimuvad järgmistes etappides: 1. Elektrijaama katelagregaadi (katla) koldes põledes muutub kütuses sisalduv keemiline energia põlemisgaaside soojusenergiaks, kusjuures teoreetiliselt võib see protsess toimuda 100%-lise kasuteguriga. Tegelikkuses on see kasutegur alati väiksem, sest mingi väike osa kütusest jääb põlemata tingituna kütuse mitteküllaldasest segunemisest õhuga (nn põlemisõhuga) ja osa soojusest lahkub ka suitsugaaside ning tuhaga. 2. Kuumade põlemisgaaside soojusenergia ülekandmine katelagregaadi vee- ja aurutorustikus (nimetatakse katla küttepindadeks) ringlevale veele-veeaurule. See protsess ei saa kunagi toimuda 100%-lise kasuteguriga, sest soojuse ülekanne saab toimuda ainult kuumemalt kehalt jahedamale. Kuigi katelagregaatide ehitusel on kasutatud tehnilisi lahendusi soojusülekande efektiivsuse suurendamiseks, läheb osa põlemisgaasides sisalduvast soojusenergiast suitsugaaside näol sõna otseses mõttes korstnasse. Väike osa põlemisgaaside soojusenergiast läheb kaduma ka läbi katelagregaadi seinte, sest nende soojusisolatsioon ei saa olla absoluutne. Tänapäeva katelagregaadid võimaldavad kütuses sisalduvat keemilist energiat muundada aurus

Soojusenergia Keemiline energia

Mehaaniline energia

Elektrienergia

Jahutusveega Korstnasse

Kütus

Katel

Turbiin

Generaator

Katla kasutegur on 90 - 95%, 5 - 10% energiat kaob suitsugaasidega korstna kaudu. Turbiini läbinud aurus sisaldunud energiast kaob kondensaatori kaudu jahutusveega 40 - 45%. Turbiini enda kasutegur on 70 - 85%. Generaatori kasutegur on kuni 99%. Kogu elektrijaama kasutegur on seega 35 - 48% (Generaatorist väljuva energia suhe kütuses sisalduvasse keemilisse energiasse)

Joonis nr 4 Energiamuundused soojuselektrijaamas

sisalduvaks soojusenergiaks 90 - 95 %-lise kasuteguriga. 3. Energeetilises mõttes üks olulisemaid energiamuundusi on auru soojusenergia muundumine auruturbiinis mehaaniliseks energiaks. Siin ei saa kuidagi mööda minna ühest soojustehnika (füüsika) fundamentaalsest seadusest - termodünaamika teisest seadusest. Kui termodünaamika esimene seadus käsitleb energia jäävuse seadust 30


termodünaamika vaatevinklist, siis termodünaaamika teine seadus käsitleb soojusenergia mehaaniliseks energiaks muundumise kvantitatiivset seaduspärasust. Kui mehaanilist energiat võib soojusenergiaks (soojuseks) muundada täielikult (100%), siis vastupidine muundamine - soojusenergia muundamine mehaaniliseks energiaks täielikult võimalik ei ole. Soojuselektrijaamas soojusenergiat kandev keha (veeaur-vesi), mis ringleb energiamuundusprotsessis katla, turbiini, aurukondensaatori, katla vahel, osaleb nn termodünaamilises ringprotsessis. Protsessi käigus antakse energiat katlas veele-veeaurule soojusenergia näol, turbiinis saadakse energiat mehaanilise energia näol, kuid sellest protsessist väljub alati ka teatud osa soojusenergiat aurukondensaatoris soojusenergia näol, mis tegelikult läheb tavalises soojuselektrijaamas (kondensatsioonelektrijaamas) kaduma. Ideaalse ringprotsessi (nn Carnot’ ringprotsess - loe: karnoo) puhul määravad kaduma mineva energia koguse protsessi siseneva keha (auru) ja protsessist väljuva auru temperatuurid absoluutse temperatuuriskaala järgi (absoluutsed temperatuurid). Carnot’ ringprotsessi kasutegur on väljendatav valemiga: η = 1 - T2 / T1 , kus T1 on protsessi siseneva auru temperatuur ja T2 protsessist väljuva auru temperatuur. See on soojusenergia mehaaniliseks energiaks muutmise kasuteguri teoreetiliselt maksimaalne suurus. Tegelikkuses ei ole protsessid ideaalsed ja seetõttu on tegelike protsesside kasutegur Carnot’ ringprotsessi kasutegurist madalam. Teoreetiliselt soojusenergia mehaaniliseks energiaks muundamise maksimaalselt võimaliku kasuteguri piiri määravad ära eelnimetatud temperatuurid. Kui tänapäeva katla- ja turbiiniehituses kasutatavad materjalid võimaldavad kasutada seadmeid, kus ülekuumendatud auru temperatuur ulatub 570 - 5800C-ni, mis absoluutse temperatuuri skaala ehk Kelvini skaala järgi on 273 kraadi võrra kõrgem ehk T1 = 843 - 8530K. Protsessist väljuva auru temperatuur pärast turbiini saab olla veidi rohkem, kui elektrijaamas kasutada oleva jahutusvee temperatuur. Lugedes selle võrdseks 100C-ga, saame selleks temperatuuriks absoluutse temperatuuri skaala järgi T2 = 2830K. Järelikult tänapäeva katla- ja turbiiniehituse taset arvestades ei saa teoreetiliselt elektrijaamas soojusenergiat mehaaniliseks energiaks muundada kõrgema kasuteguriga kui η = 1 - 283 / 853 = 0,67. Nagu juba eespool mainitud, osutub tegelik kasutegur veelgi madalamaks sõltuvalt kütusest, katla konstruktsioonist ja sellest, kui täiuslikke turbiine kasutatakse. Selles energiamuundusprotsessis paratamatult kadumaminev (soojus)energia on sageli ajendanud ajakirjanikke, poliitikuid ja teisi kriitilise meelega isikuid tegema asjatundmatut kriitikat. Küsimus on siin vaid fundamentaalsete loodusseaduste mittetundmises. 4. Auruturbiini poolt arendatava mehaanilise energia muundab elektriliseks energiaks elektrigeneraator. Tänapäeva soojuselektrijaamades kasutatakse eranditult kolmefaasilisi vahelduvvoolugeneraatoreid, millistes energiamuunduse kasutegur ulatub sõltuvalt koormusest kuni 99%-ni. Energia muunduste käik soojuselektrijaamades on näidatud joonisel nr 4.

31


Joonisel nr 5 on näidatud kütuse energia kasutamine Eesti põlevkivil töötavates elektrijaamades. Kütuse keemiline energia

100 %

Kaod põletamisel (mittetäielik põlemine, tuhaga lahkuv ja korstnasse minev soojus jm.)

14 %

Kaod jahutusveega

Muud (mehaanilised kaod, kaod torustikes ja generaatoris)

12 %

42 %

Elektrienergia

33 %

Joonis nr 5 Kütuse energia kasutamine soojuselektrijaamas

Kuigi loodusseadustest mööda hiilida ei ole võimalik, on leitud võimalusi soojuselektrijaamade efektiivsuse tõstmiseks. Üht sellist võimalust kasutatakse elektrija soojusenergia koostootmisejaamades (nimetatakse ka kombineeritud tootmisega elektrijaamaks, koostootmisjaamaks, soojus-elektritsentraaliks, soojuseja elektrijaamaks, termofikatsioonelektrijaamaks jms). Sellistes jaamades ei lasta auru pärast turbiini võimalikult madala rõhu ja madala temperatuuriga kondensaatorisse, kus jahutusveega läheb suur osa soojusest kaduma, vaid suunatakse soojustarbijale sobival temperatuuril soojusvahetisse, mille kaudu antakse soojusenergiat soojatarbijatele. Turbiine, millest osa või kogu seda läbinud aur kasutatakse soojatarbijatele soojusenergia andmiseks, nimetatakse vasturõhuturbiinideks. Vasturõhuturbiinideks seepärast, et neis turbiinist väljuv aur on kõrgema temperatuuri ja rõhuga kui kondensatsioonelektrijaamas kondensaatorisse juhitav aur. Selline elektri- ja soojusenergia kombineeritud tootmine võimaldab oluliselt tõsta elektrijaama kasutegurit, sest see hulk energiat, mis tavalises soojuselektrijaamas (kondensatsioonielektrijaamas) läheks kondensaatori kaudu kaduma, kasutatakse kombineeritud tootmisega soojuselektrijaamas suures osas soojusenergia andmiseks soojatarbijatele. See on aga siis võimalik, kui koostootmisjaamale sobivas läheduses on küllaldaselt soojusenergia tarbijaid. 32


11 Elektrienergia ülekanne Kuigi eespool on mainitud, et kõige mugavamalt kasutatav energialiik on elektrienergia, tuleb siiski tõdeda, et tegelikult muundatakse elektrienergia tarbija poolt ikkagi kohe mingiks teiseks energialiigiks. Elektrienergia muudetakse elektrimootorite vahendusel mehaaniliseks energiaks, küttekehades soojusenergiaks, valgustites kiirgusenergiaks (valguseks). Kõlab harjumatuna, kuid inimene tarbijana elektrienergiat tegelikult otseselt ei vajagi. Kuigi tarbija vajab mingit muud liiki energiat, räägitakse ikkagi elektrienergia tarbijast ja mõõdetakse ning müüakse talle energiat elektrienergiana. Elektrienergiat vajatakse sisuliselt energia ülekandmiseks teatud vahemaa taha elektrijaamast tarbijani. Enamikel juhtudel asuvad elektrijaamad energiatarbijatest kaugel. Selleks on mitmed objektiivsed põhjused - energiaallika ettemääratud asukoht (hüdroelektrijaam), primaarenergiana kasutatava kütuse ebaratsionaalne transport kauge vahemaa taha (turvas, põlevkivi) või keskkonnaohutuse nõuded. Tarbijad asetsevad aga peaaegu kõikjal. Siiski on otstarbekas suuremate tarbijakogumike juurde, kus on vaja ka soojusenergiat kütteks, ehitada koostootmisjaamad. Sobiva kütuse korral korvab jaama suurem efektiivsus kütteliigi valikust ja transpordist tulenevad lisakulud. Nagu selgub, on peale kasutamismugavuse (elektrienergia lihtne muundamine teisteks energialiikideks) just elektrienergiat suhteliselt lihtne üle kanda suurtele kaugustele. Sageli kasutatakse selle tegevuse iseloomustamiseks väljendit elektrienergia transport. Energeetikute keelepruugis kasutatakse rohkem väljendit elektrienergia ülekanne või elektrienergia edastus, kuigi sisuliselt oleks kohasem rääkida energia ülekandest või edastusest elektri(energia) vahendusel. Teiste energiaülekande variantidena on tuntud gaasi ja nafta ülekanne ehk transport (magistraal)torustike kaudu ja igasuguste kütuste transport traditsiooniliste transpordivahenditega. Üldlevinud viis on suurtes kogustes kivisöe ja nafta transport meritsi. On kasutatud ka kivisöetolmu transportimist torustiku kaudu koos veega (suspensioonina). Korrektne oleks muidugi rääkida energiakandjate ülekandest. Kõigi nende energiatranspordiliikide puhul on tegemist keemilise energia kandjate transpordiga. Energia edastamisest rääkides tuleb perspektiivse liigina rääkida nn vesinikenergeetikast. Selle all mõeldakse sellist energiamuunduste ahelat, kus mistahes primaarenergia muudetakse keemiliseks energiaks, mille kandjaks on puhas gaasiline vesinik. Energia edastamine toimuks siis torujuhtmete kaudu energia tarbimiskohta, kus seda kasutataks kütusena. Edasine muunduste ahel oleks sama mis kütuste juures. Lisaks saaks vesinikku kasutada ka transpordivahendite sisepõlemismootorites, kus praktiliselt ainsaks probleemiks on piisavalt suure ja tugeva vesinikupaagi ehitamine. Praegused lahendused võimaldavad vesinikkütusega transpordivahendeid ühe laadimisega sõita vähem kui bensiini- või diiselkütusega. Tuumakütuse transpordi puhul aga ei ole isegi kohane transpordist rääkida selle mahu väiksuse tõttu. Kui jätta kõrvale soojusenergia ülekande torustiku kaudu, siis muud energia transpordiliigid omavad väheolulist rolli. Näiteks oleks väga raske ette kujutada energia ülekannet kauge vahemaa taha mehaanilise energiana kilomeetritepikkuse pöörleva võlli abil... Tulevikuteaduse osaks jääb energia ülekanne kiirgusenergia vahendusel. See tuleb ilmselt kõne alla energia ülekandel maaväliste objektide vahel, neilt maale või vastupidi. Loodus on selle probleemi aga lahendanud - praktiliselt kogu maakeral kasutatav energia on üle kantud päikeselt maale kiirgusenergia näol. 33


Energiaülekande variantide võrdlusel tulevad esile elektrienergia ülekande eelised: ülekanne ei võta praktiliselt mingit aega, ei ole vaja energiakandja lisavaru, mis viibib transpordil. Energiaülekande mistahes variandi korral tuleb selleks teha kulutusi (transpordikulud). Elektrienergia ülekandel kasutatakse nende kohta enamasti energiakao mõistet. Elektrienergia kadude puhul on tegemist loodusseadusega, mille tundmine võimaldab kadusid õigesti arvestada ja võimaluste piires neid vähendada. Täiesti olematuteks energiakadusid kahjuks teha ei saa. Elektrienergia ülekandel juhtmete (elektrienergia ülekandeliinide) kaudu elektrivoolu näol on põhiküsimuseks juhtmetes paratamatult kaduma mineva energiahulga vähendamine. Vastavalt Joule-Lenzi seadusele muutub elektrienergia ülekandeliinide juhtmetes osa ülekantavast elektrienergiast soojuseks võrdeliselt liini juhtmete elektrilise takistusega (aktiivtakistusega) ja juhet läbiva voolu ruuduga (vt jaotis 7). Järelikult on kaks võimalust selle kadumamineva energiakoguse vähendamiseks: 1. vähendada juhtmete elektrilist takistust 2. vähendada juhet läbiva voolu tugevust. Juhtme takistuse vähendamiseks kasutatakse juhtmematerjalidena võimalikult väikese eritakistusega metalle – vaske või alumiiniumi. Kuigi kõige väiksema eritakistusega metall on hõbe, ei tule hõbeda kasutamine elektriliini materjalina kõne alla tema kõrge hinna tõttu. Viimasel ajal on hakatud eelistama rohkem vaske, mille eritakistus on väiksem kui alumiiniumil. Teiseks teeks juhtme takistuse vähendamiseks on juhtme ristlõikepinna suurendamine ehk jämedama juhtme kasutamine. Sellel võimalusel on teatud piirid, sest väga jämedate juhtmete kasutamisel muutub kasu energia kokkuhoiust väiksemaks kui kahju kulude suurenemise tõttu liini ehitamisel – suureneks ju materjalikulu nii juhtmetele kui ka liini mastidele, mis peaksid kandma märksa raskemat juhet. Märksa efektiivsem elektrienergia ülekandeliinides kadumamineva energiakoguse vähendamiseks on voolutugevuse vähendamine. Kuna ülekantav võimsus (energia ajaühikus) on võrdeline nii pinge kui ka voolutugevusega, siis sama võimsuse ülekandmiseks mingi arv korda kõrgemal pingel saab seda teha sama arv korda väiksema voolutugevusega. Kuna aga energiakadu (võimsusekadu) liinis on võrdeline voolutugevuse ruuduga, siis on selline viis energiakadude vähendamiseks eriti tõhus. Seepärast kasutatakse elektrienergia ülekandmisel tarbijapingest tunduvalt kõrgemaid pingeid. Sõltuvalt ülekantava võimsuse suurusest ja ülekande kaugusest on igale olukorrale majanduslikult sobiv pinge, õigemini pingete vahemik. Need pinged on standardiseeritud maailma kõigis riikides ja enamikus neist langevad nad suuruselt kokku. See võimaldab kallite elektriseadmete tootmisel ja kasutamisel rahvusvahelist koopereerumist. Eestis on kasutusel elektriliinide nimipinged 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 35 kV, 110 kV, 220 kV ja 330 kV. Mujal maailmas on kasutusel ka kõrgemad pinged. Kuna tavaliselt loetakse pinget üle 1kV (s.o 1000 V) kõrgepingeks, siis nimetatakse selliste pingetega liine kõrgepingeliinideks ja vastavalt omavahel ühendatud liine koos alajaamadega kõrgepingevõrguks. Seadmete komplekse, kus toimub pinge tõstmine või alandamine, nimetatakse alajaamadeks, kus kõige olulisemaks seadmeks, mis võimaldab pinget tõsta või alandada, on transformaator ehk lihtsalt trafo või jõutrafo (eristamaks seda muudest, nt mõõtetrafodest). Siinjuures on oluline meenutada, et trafo väljundvool (sekundaarvool) on sisendvoolust (primaarvoolust) sama palju kordi väiksem, kui palju kordi on väljundpinge (sekundaarpinge) suurem sisendpingest (primaarpingest), ja vastupidi pingetalandaval trafol. Alajaamades toimub elektrivõrgu hargnemine, sealt saavad alguse ja neis lõpevad kõik ülekandeliinid. Alajaamades on ka kõikide liinide ja trafode lülitusseadmed ja vastav juhtimis-, automaatika- ja releekaitseaparatuur (vt edaspidi). 34


Alajaamades, kust algavad või kus lõpevad alalispingeliinid, peavad olema veel kõrgepingelised alaldus- ja vaheldusseadmed, mille nimetustes kajastub nende ülesanne. Kõrgepingeliste alaldus- ja vaheldusseadmete kasutamine on saanud tänapäeval võimalikuks ainult tänu pooljuhttehnika arengule. Kõrgepingevõrku nimipingega 110 kV ja enam käsitletakse põhivõrguna, madalama nimipingega võrke jaotusvõrguna. Jaotusvõrgu hulka kuuluvad ka madalpingeliinid kuni tarbijateni (vt Elektrienergia jaotamine). Energiakaod ülekandeliinides on tarbijate juures tuntavad enamasti nimipingest madalama pingena (pingekadu). Siinjuures on huvitav märkida, et kõrgepingevõrgus võib kõrgemate nimipingetega ülekandeliinide lõpus mõningate režiimide puhul pinge olla isegi kõrgema kui liini alguses. See sõltub liini induktiivtakistuse ning liini ja maa vahelise elektrilise mahtuvuse (sellest tingitud mahtuvusliku takistuse) vahekorrast. Teatud juhtudel kasutatakse energia ülekandeks ka kõrget alalispinget, mis võib ulatuda isegi kõrgemale kui miljon volti (1000 kV). Alalispinge ülekandeliine kasutatakse suurte võimsuste ülekandmisel eriti kaugele või ühenduste loomisel eri riikide või energiasüsteemide vahel (vt ptk 14). Tänapäeva energeetika arengu taseme juures jäävad energiakaod põhivõrgus 2 - 3 % tasemele. 12 Elektrienergia jaotamine Elektrienergia tarbijad vajavad elektrit pingel 220 V (Eurostandardi järgi 230 V) ja 380 V (400 V). (USA-sse reisijatel on kasulik teada, et seal on kodutarbijatel nimipingeks 115 V). Need pinged kuuluvad madalpinge hulka ja vastavaid liine ja võrku nimetatakse madalpingeliinideks ja -võrguks. Teatud territooriumil elektrienergia jaotamisel tarbijate vahel kasutatavat elektrivõrku nimetatakse jaotusvõrguks. Jaotusvõrgus kasutatakse kõrgepingeliine pingetel 35, 20, 15, 10 ja 6 kV ning tarbijatele kõige lähemas osas madalpingeliine pingel 380/220 V, sageli nimetatakse seda ka 0,4 kV pingeks. Viimast osa jaotusvõrgust nimetatakse madalpingevõrguks. Kuna ülekandeliinide ja -võrgu ning jaotusvõrgu vahe on suhteliselt tinglik, siis mõnel juhul võib ka 110 kV liine lugeda jaotusvõrgu osaks. Jaotusvõrgu alajaamadest saavad alguse kõik madalpingejaotusvõrgu liinid, mis lõpevad reeglina tarbija juures. Energiakadude suurus jaotusvõrgus, hoolimata iga-aastasest vähenemisest, ulatub 10%-ni. Tuleb eraldi märkida, et peale tehniliste kadude, mis on määratud võrgu parameetrite ja koormustega, lisanduvad nn kommertskaod. Kommertskaod sõltuvad sellest, et kadusid arvestatakse võrku siseneva energia ja müüdud energia vahena. Seetõttu lähevad energiakaona kirja ka maksujõuetute tarbijate tasumata ning varastatud energia. 13 Kasutatavad pingesüsteemid Igapäevases kõnepruugis kasutatav väljend “vahelduvvool” ei ole alati korrektne. See on õige ainult siis, kui energiat parajasti tarbitakse. Kui elektritarviti on välja lülitatud, siis pole ka voolu, kuigi näiteks seinakontaktis (vahelduv)pinge on. Nagu eespool mainitud, kasutatakse energeetikas eranditult 50 Hz sagedusega vahelduvpinget (Ameerikas on sagedus 60 Hz, mis praktiliselt ei takista Euroopa jaoks ehitatud elektritarvitite - raadiote, pardlite jms - kasutamist Ameerikas). Energeetikas kasutatavad pingesüsteemid on kolmefaasilised. Kolmefaasiline süsteem tähendab seda, et on nagu ühendatud kokku kolm vahelduvvoolu ahelat. Igas nendest ahelatest vahelduvpinge (ja ka -voolu) hetkeväärtused oma perioodilistes 35


muutustes hilinevad eelmise ahela pinge muutustest 1/3 perioodi võrra. Iga sellist ahelat nimetataks faasiks. Kui kolme eraldi vooluahela jaoks on reeglina vaja kokku kuus juhet, siis kolmefaasiline süsteem võimaldab asendada nendest kolm juhet ühe juhtmega ja teatud tingimustes (kui igas neist kolmest ahelast on ühesuurune vool, ühesugune koormus) üldse loobuda neljandast juhtmest. Seetõttu on kolmefaasilistel liinidel kasutusel kas kolm (kõrgepingeliinidel) või neli juhet (madalpingeliinidel). Teatud juhtudel võib elektriliinidel olla ka rohkem juhtmeid, kuid need omavad muud otstarvet (sellest edaspidi). Sageli on samadele kõrgepingeliini mastidele paigutatud kaks paralleelset liini ehk ahelat (kaheahelane liin). Siis on liinijuhtmete arv vähemalt kuus pluss muud otstarvet omavad juhtmed (üks või kaks juhet). Nagu öeldud, on energeetikas valdavalt (välja arvatud mõned kodutarbijad ja väikesevõimsuselised elektritarvitid) kasutusel kolmefaasiline pingete (ja vastavalt ka voolude) süsteem. Näiteks saadakse kolmefaasiline süsteem kolmest ühefaasilisest süsteemist generaatori mähiste vastava ühendamise teel. Ühefaasiliste süsteemide algpunktid ühendatakse kokku nullpunktiks 0. Nullpunkti ja iga ühefaasilisese süsteemi lõpp-punktide A, B ja C vahel olevaid pingeid nimetatakse faasipingeteks Uf (UA, UB, UC), punktide A, B ja C vahelisi pingeid nimetatakse liinipingeteks Ul (UAB, UBC, UCA), vt joonis nr 6. Sümmeetrilise kolmefaasilise süsteemi korral on liinipinge 3 korda suurem faasipingest, st Ul = 3 Uf. Kolmefaasilise kolmejuhtmelise elektriliini iga juhtmepaari vahel on liinipinge, iga juhtme ja maa (või nulljuhtme) vahel aga faasipinge. Maa vahel seepärast, et trafode nullpunktid on reeglina ühendatud maaga. On aga ka neljajuhtmelisi liine (madalpingel), kus neljas juhe on ühendatud maaga. Siis esineb faasipinge teiste juhtmete (liinijuhtmete) ja nulljuhtme (või maa) vahel. Kui ühefaasilises süsteemis kujutatakse graafiliselt vahelduvpinget võrgusagedusega pöörleva pingevektorina, siis kolmefaasilises süsteemis on neid vektoreid kolm, mis on omavahel nihutatud 1/3 perioodi ehk 1200 võrra. Öeldakse, et nendevaheline faasinihe on 1200. B

36


A UAB UA

o

120

o

120

0

UCA UB

o

UC C

120

UBC

B

Joonis nr. 6 Kolmefaasilise süsteemi pingevektorid

14 Energiasüsteemid Rohkem kui 100 aastat tagasi rakendati USA-s elektrienergia tootmisel, ülekandel ja jaotamisel selline süsteem, kus elektrijaamad olid ühendatud omavahel ülekandeliinide kaudu elektrilisse paralleeltöösse. Tekkis elektrienergia ülekandeliinide võrk, kus liinid ei hargnenud ainult tarbijate suunas, vaid võrgu erinevate hargnemispunktide vahel olid ehitatud ka põikühendused, mis kujutasid samuti tavalisi ülekandeliine. Samasuguseid põikühendusi hakati ehitama ka madalama pingega jaotusvõrgu osas. Sellist elektrijaamade ja liinide süsteemi hakati nimetama energiasüsteemiks. Tänapäeval mõistetakse energiasüsteemi all elektrienergia ja ka soojuse tootmise, edastamise ja tarbijatele jaotamise süsteemi, mis koosneb ühtsest elektrivõrgust ja sellega ühendatud elektrijaamadest (ka termofikatsioonielektrijaamadest) ning mida juhitakse tsentraaalselt. Seejuures võib soojuse tootmine ja jaotamine olla ühtse energiasüsteemi osa või iseseisev süsteem. Kui energiasüsteemis puudub soojuse tootmise ja edastamise osa - puuduvad termofikatsioonielektrijaamad või see on ebaoluline, nimetatakse energiasüsteemi elektri(energia)süsteemiks. NB! Mitte segi ajada suurenergeetikasse mittekuuluvate väikeste objektide (masinad, autod jms.) elektrisüsteemidega. Energiasüsteemi põhiülesanne on tarbijate katkematu varustamine kvaliteetse elektrienergia ja soojusega võimalikult optimaalses režiimis. Elektrienergia kvaliteedi all mõistetakse seejuures sageduse vastavust standardsele (meil 50 Hz) ja pinge vastavust tarbija juures tarbija standardsele nimipingele, aga ka pinge hetkeväärtuste muutumist vastavalt siinusfunktsioonile. Soojusenergia ehk lihtsalt soojuse kvaliteedi näitajaks on soojuskandja (vee või auru) rõhk ja temperatuur. Kuna elektrenergia edastamine toimub praktiliselt hetkeliselt (elektrivoolu kulgemise kiirus juhtmetes on üsna lähedane valguse kiirusele), siis peab elektrienergia tootmine vastama igal hetkel tarbimisele. Et energiasüsteemi koormus (st tarbijate poolt tarbitav võimsus) muutub ööpäeva, nädala ja kuude jooksul suurtes piirides, tuleb elektrienergia tootmist ja energiasüsteemi režiimi pidavalt reguleerida ja muuta. 37


Energiasüsteemi tootmise, ülekande ja jaotamise režiimi juhtimine (operatiivdispetšijuhtimine) peab tagama energiasüsteemi optimaalse töö. See toimub elektrijaamade agregaatide õigeaegse käivitamise ja seiskamise, režiimiparameetrite ja võrgu elektrilise skeemi muutmise teel. Seejuures loetakse energiasüsteemi tööd optimaalseks, kui energiasüsteemi kõikides osades tehtavate kulutuste summa on minimaalne. Arvestatakse kulutusi kütusele nii töörežiimis kui ka agregaatide käivitamisel (katelde sissekütmisel elektrijaamades) ja elektrienergia kadusid ülekandeja jaotusliinides. Teisest küljest tuleb optimaalse režiimi määramisel arvestada ka võimalikke kahjusid, mis võivad tekkida mingi agregaadi või liini rikke tõttu tööst väljalangemisel. Võrreldes eralditöötavate elektrijaamadega, millel puudub ühtne (põikisidemetega) elektrivõrk, omab energiasüsteem palju eeliseid, mis olidki energiasüsteemide tekkimise põhjuseks. Nendeks eelisteks on: väiksem vajalik võimsusreserv, ühtlasem koormusgraafik, suurem töökindlus, energia parem kvaliteet, võimalus otstarbekamalt kasutada energiaressursse ja seadmeid, võimalus ehitada võimsamaid (reeglina ühe võimsusühiku kohta odavamaid) elektrijaamu jms. Energiasüsteemi eelised on seda suuremad, mida suuremal territooriumil ta paikneb ja mida võimsam ta on. Seepärast püütakse energiasüsteeme ühendada omavahel ja elektriliinide abil moodustada niimoodi ühendatud energiasüsteeme. Reeglina on igal riigil oma rahvuslik energiasüsteem, suurtel riikidel võib neid olla ka rohkem. Baltimaade rahvuslikud energiasüsteemid on ühendatud Baltija ühendatud energiasüsteemi, viimane on ühendatud aga Venemaa ühtse energiasüsteemiga. Seepärast on Eestis ja kõigis Baltimaades samasugune sagedus kui Venemaal (täpsemalt öeldes - samasugune kõrvalekalle standardsest 50Hz-lisest sagedusest), sest sagedust reguleerib siin Venemaa ühtne energiasüsteem. Ühendatud energiasüsteemide puhul on sageduse reguleerimise ülesanne tehniliselt peaaegu möödapääsmatult pandud suurimale (võimsaimale) energiasüsteemile. Põhjamaade rahvuslikud energiasüsteemid on omavahel ühendatud energiasüsteemi Nordel. Samuti on olemas 13 Lääne-Euroopa ühendatud energiasüsteem, USA ja Kanada ühendatud energiasüsteem jt. Reeglina on energiasüsteemide vahelised ühendused ehitatud võimsate ülekandeliinide näol. Kui eraldi ei nimetata, siis on tegemist ikka tavaliste kolmefaasiliste vahelduvvooluliinidega. Sellisel juhul on muidugi ühendatud energiasüsteemis ühesugune sagedus. Alati ei ole erinevate rahvuslike energiasüsteemide sagedused ühesugused. Energiasüsteemid saavad aga olla vahelduvvoolu korral paralleeltöös ainult siis, kui nende sagedused on täpselt samad. Erinevates riikides valitsevad sageduse täpsuse suhtes küllalt erinevad nõuded. See teeb võimatuks nende riikide rahvuslike energiasüsteemide paralleeltöö vahelduvvoolul. Lahendus on leitud sel teel, et erinevate energiasüsteemide vahele on ehitatud alalisvooluliinid. Energiavahetus erinevate energiasüsteemide vahel toimub siis nii, et energia saatja pool muudab vahelduvvoolu alalisvooluks (alaldamine), vastuvõtja poolel aga muudetakse alalisvool vahelduvvooluks vastuvõtva energiasüsteemi sagedusel (vaheldamine, inverteerimine). Enamikel juhtudest on mõlemal poolel võimalus voolu alaldamiseks ja vaheldamiseks, see tähendab, et energiat saab edastada mõlemas suunas. Selline ülekandelüli on Soome ja Venemaa energiasüsteemide vahel, sellist ehitatakse merekaablina ka Eesti ja Soome vahele.

38


1000 500 365

337

309

281

253

225

197

169

141

113

85

57

29

0 1

Maksimaalvõimsus MW

1500

Päevad Joonis nr 7 Energiasüsteemi aastane koormusgraafik

15 Energiasüsteemide juhtimine Energiasüsteemi juhtimine (operatiivdispetšijuhtimine, dispetšerjuhtimine, operatiivjuhtimine) toimub tsentraliseeritult vastava juhtimiskeskuse poolt, millele võivad alluda hierarhilise skeemi kohaselt väiksemate piirkondade ja linnade elektrivõrkude juhtimiskeskused. Viimaseks lüliks operatiivjuhtimises on nn operatiiv-väljasõidubrigaadid, kes viivad kohtadel ellu juhtimiskeskuste poolt langetatud otsuseid, mida kaugjuhtimise teel või automaatselt teostada ei saa. Kuigi energiasüsteemide juhtimisel on inimtöö kasutamine möödapääsmatu, arendatakse operatiivjuhtimisel järjest enam automaatika- ja telemehaanikavahendeid, milles tänapäeval otsustava osa on endale võtnud kaasaegne arvutustehnika (infotehnoloogia). Energiasüsteemi juhtimise aluseks on eeldatav elektrienergia tarbimine, mis määratakse tarbijatega sõlmitud lepingute ja pikaajalise kogemuse põhjal koostatud koormusgraafikute põhjal Koormusgraafik kajastab tarbija või teatud tarbijate grupi elektrienergia tarbimise (tarbitava võimsuse) muutumise graafikut vaadeldava aja jooksul (ööpäev, nädal, kuu). Joonisel nr 7 on toodud energiasüsteemi ühe aasta tegelik koormusgraafik. Selles on kujutatud iga päeva maksimaalne koormus. Koormusgraafikuid võib vastavalt vajadusele koostada ööpäeva, nädala, aasta kohta. Seejuures ööpäevased ja nädalased koormusgraafikud erinevad oluliselt aastaaegade lõikes. Planeeritava tarbimise koormusgraafikud koostatakse tarbijate energiakasutuse pikaajalise jälgimise analüüsi põhjal. On mõistetav, et igal tarbijagrupil on erinev koormusgraafik. Näiteks tänavavalgustuse koormusgraafikus on koormus keskendunud pimedale ajale, st öötundidele, kodutarbija oma hommiku- ja eriti õhtutundidele, linna elektritranspordi oma päevasele ajale jne. Koormusgraafikud võimaldavad planeerida küllaldase täpsusega igaks ajahetkeks vajaliku jaamade genereeriva võimsuse, st töösolevate katelde ja 39


1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Tippkoormus

23

21

19

17

15

13

11

9

7

5

3

Baaskoormus

1

Koormus MW

turbogeneraatorite arvu ning nende plaanilisi remonte, aga samuti vastava võimsuse edastamiseks vajaliku elektrivõrgu konfiguratsiooni (töös olevad liinid ja trafod). Koormusgraafikutes eristatakse kahte olulist osa: baaskoormuse ja tippkoormuse osa (vt. joonis 7). Baaskoormuse katmiseks kasutatakse nende jaamade võimsusi, mille koormuse muutmine on raske või ebaõkonoomne. Tippkoormuse katmiseks sobivad elektrijaamad, mille koormust saab lihtsamini muuta või mille turbiinide (ja katelde) ajutine väljalülimine võib toimuda kiiresti ja ilma suurte energiakadudeta. Baaskoormuse katmiseks sobivad aatomielektrijaamad, suure võimsusega soojuselektrijaamad. Viimaste hulka kuuluvad ka Eestis Narva elektrijaamad. Tippkoormuse katmiseks on sobivad hüdroelektrijaamad ja gaasiturbiinelektrijaamad.

Kellaaeg

Joonis nr 8

Koormusgraafik

Koormusgraafikute alusel planeeritakse ka seadmete remonte ja hooldust. Arvutuste teel määratakse vastavate töösolevate seadmete optimaalne komplekt (millise elektrijaama millised katlad ja turbogeneraatorid, millised liinid ja trafod elektrivõrgus). Ka remontide ja hoolduse optimaalne aeg on samal teel määratav. Siinjuures on oluline märkida, et soojuselektrijaamade turbiinide ja katelde töösse- ja väljalülimine on alati seotud teatud energiakadudega. Turbiinide käivitamisel tuleb neile tööpöörlemiskiiruse saavutamiseks anda vajalik kineetiline energia, mis hiljem väljalülimisel läheb lihtsalt “kaduma”. Veelgi suuremad energiakaod esinevad katelde sissekütmisel, st vajaliku aururõhu ja -temperatuuri saavutamiseks. Ka see energia tuleb katla väljalülitamisel hajutada keskkonda. Elanikud suurte soojuselektrijaamade läheduses on vahetevahel kuulnud jaama poolt reaktiivlennuki möirgele sarnast heli – see ongi “auru väljalaskmisega” (loe: katla väljalülitamisel energia keskkonda hajutamisega) kaasnev akustiline efekt. Eriti suur on see energiakadu siis, kui katel tuleb välja lülitada või lülitub automaatselt välja mingi rikke tagajärjel täiskoormuselt. Elektrijaamade seadmete plaaniline sisse- ja väljalülimine arvutuste teel määratud režiimi saavutamiseks toimub tavaliselt energiasüsteemi juhtimiskeskusest (dispetšeri poolt) antud suulise korralduse näol vastava elektrijaama juhtimiskeskuse töötajale. Suund on ka selle operatsiooni tegemisele telemehaanika vahenditega juhtimiskeskusest. Elektrivõrgus tehtavad liinide ja trafode sisse- ja väljalülitamised viiakse läbi enamasti telemehaanika vahenditega ilma personali osavõtuta, vastava võimsuslüliti sisse- või väljalülimise teel. Alalise valvepersonaliga alajaamade arv on tänapäeval kahanenud miinimumini. Kahjuks ei ole kõik alajaamad veel 40


telemehaniseeritud ja ega iga väikest alajaaama pole ka vajagi telemehaniseerida. Sellistes alajaamades viib lülimisi läbi juhtimiskeskusest antavate korralduste põhjal operatiiv-väljasõidubrigaad, kes teenindab elektrivõrku teatud territooriumil. Energiasüsteemide juhtimisel on oluline tarbijate varustuskindluse tagamine. Tarbijate varustuskindluse tagamine algab juba elektrivõrgu projekteerimisest, millega nähakse ette selline elektrivõrgu konfiguratsioon, mis kindlustaks tarbijale toite võimalike genereerivate võimsuste, liinide ja alajaamaseadmete avariiliste väljalülitumiste korral. Siin peetakse silmas kahe(või enama-)poolset toidet, reservtoiteallikaid jms. Seejärel lasub põhirõhk selles küsimuses energiasüsteemi operatiivjuhtimisel, mis peab pidevalt tagama sobiva süsteemi režiimi. Vastutusrikaste tarbijate korral annab maksimaalseima varustuskindluse sõltumatu elektrienergiaallikas tarbija enda juures, nt automaatselt käivituv diiselelektrigeneraator. 16 Automaatika ja telemehaanika energiaseadmete juhtimisel Energeetikas (silmas on peetud eelkõige energiasüsteemi) on paljude seadmete ja režiimide juhtimine mõeldamatu ilma automaatikata. Etteantud parameetrite alusel on automaatselt reguleeritavad: • elektrijaamade katelde ja turbiinide peaaegu kogu tegevus • generaatorite koormuse (võimsuse) hoidmine etteantud tasemel • pinged elektrijaamade generaatorite väljunditel, enamike alajaamade trafode väljundil, elektrivõrgu erinevates sõlmpunktides • kogu energiasüsteemi sagedus. On selge, et automaatselt reguleeritav suurus on ikkagi personali poolt ette määratud vastava automaatregulaatori seadistamisega. Vastutusrikastes kohtades toimib automaatika siiski valvepersonali jälgimisel. Siinmainitud tegevuste ja põhisuuruste kõrval on elektrijaamas tohutu hulk muid suurusi, mida reguleeritakse vastavalt katla, turbiini või generaatori automaatikaseadmete poolt. Seejuures moodustab elektrijaama katlaautomaatika koos turbiini vastavate automaatika- ja kaitseseadmetega omaette soojusautomaatika kompleksi, mille käit toimub suhteliselt eraldi elektriseadmete automaatikast ja kaitseseadmetest. Peale eelmainitute on elektrijaamas veel palju muid seadmeid ja süsteeme, mille töötamine ilma automaatikata on mõeldamatu, nimetagem siin kütuse transpordi ja ettevalmistuse ning vee keemilise puhastuse süsteeme, tuhaärastust, jahutusvee kasutust jms. Kuigi paljude energeetikaseadmete juhtimine toimub automaatselt, on suur osa seadmeid, mida juhib otseselt personal. Enamiku juhtimiskeskuse poolt langetatud otsuseid liinide, trafode, generaatorite sisse- või väljalülitamiseks viib täide operatiivpersonal. See toimub otseselt lülitusoperatsiooni(de) teostamisega alajaamas või elektrijaamas või telemehaanikavahenditega juhtimiskeskusest. Vahe on selles, et otsesel lülitamisel alajaamas või elektrijaamas toimub vastava lüliti ajami juhtimisahela sisselülitamine (või väljalülitamine) töötaja poolt kohapeal, telemehaanikavahendite kasutamisel antakse aga ajami juhtimisahela sisselülitamiseks (või väljalülitamiseks) käsklusi sidekanali kaudu. Seejuures võib käskluse andmine toimuda kuitahes kaugelt. Sidekanal võib olla milline tahes – side-, traatsideliin, raadiokanal või tavaline elektriülekandeliin, mis on varustatud spetsiaalsete seadmetega, et üheaegselt kanda üle nii elektrienergiat kui ka infot (lülitamiskäsklused, telefonikõned, mõõtriistade näidud vms). Varem kasutati selleks aparatuuri, mida nimetati tihendusaparatuuriks. See tähendas seda, et kõrgepingeliini juhtmete kaudu edastati samaaegselt elektrienergiaga (kasutades vastavaid kõrgsagedusdrosseleid liinijuhtmetes ja kõrgepingelisi sidekondensaatoreid) kõrgsageduslikku moduleeritud signaali, millesse olid kodeeritud lülituskäsklused, telefonikõned või mõõtriistade näidud. Tänapäeval minnakse üle 41


kiudoptilistele kaablitele, mis võivad olla monteeritud isegi liinijuhtme sisse, ja mida kasutatakse nagu tavalisi kaasaegseid sideliine. Arvestades energeetikas kasutatavate seadmete suurust ja kõrget hinda, peab nende kaitse rikete vastu olema maksimaalselt töökindel. Kuna releekaitse, automaatika ja telemehaanika töö on otseselt sõltuv sidekanalite ja -vahendite töökindlusest, siis on energeetikas peaaegu kõikjal välja kujunenud oma sidesüsteem. Enamikel juhtudest kasutatakse energeetikas ülalmainitud oma sidekanaleid, mis ei ole sõltuvad üleriigilisest või mõnest muust (näiteks eravalduses olevast) sidesüsteemist. 17 Automaatika võrkudes, avariivastane kaitse 17.1 Rikked elektrisüsteemis Rääkides riketest elektrisüsteemis tuleb eelkõige silmas pidada, et kasutatavate kõrgepingete puhul võib tekkida pinge ülelöök ilma, et kõrvalise esemega saaks pinge all olevaid elektriseadmete osi puudutadagi. Asi seisneb selles, et kõrgepinge puhul muutub elektrivälja tugevus kõrvalise keha ja elektriseadme pinge all oleva osa vahel nende vahekauguse vähenemisel teatava piirini nii suureks, et toimub õhu elektriline läbilöök. Seda võib kujutada välgu minimudelina. Välgu otsene toime lõpeb sekundi murdosaga. Elektriseadmete puhul muutub aga läbilöök elektrikaareks, milles voolutugevus ja vastavalt ka kogu lühisvooluahela võimsus on väga suur, ja mis võib kesta kuni elektriahela väljalülitamiseni. Seega võib iga elektriline läbilöök ja sellest tekkiv püsiv elektrikaar eralduva suure energia ja kõrge temperatuuri tõttu põhjustada suuri purustusi ja tulekahju. Kuna lühisvool läbib ka generaatoreid, trafosid, liine, mis on ettenähtud lühisvooludest märksa väiksemate koormusvoolude juhtimiseks, siis põhjustavad lühisvoolud ka neis lubamatut kuumenemist, mis võib põhjustada nende seadmete rikke või hävimise. Kuumenemise kõrval võib paljudel juhtudel tugev lühisvool põhjustada voolukandvatele osadele suuri mehaanilisi jõudusid, mis võivad elektriseadmeid purustada ja sellega tekitada täiendavaid kahjustusi. Kõrgepinge ülelöögi ja lühise põhjustab ka inimese või looma liigne lähenemine pinge all olevatele kõrgepingeseadmetele. Reeglina lõpeb see inimesele või loomale raskete põletushaavadega, sageli ka surmaga. Ohtu suurendab see, et ilma abivahendita ei ole võimalik teada, kas elektriseade on pinge all või mitte. Seepärast on võõraste inimeste viibimine kõrgepingeseadmete territooriumil ja nende läheduses otsese ohu tõttu inimelule kategooriliselt keelatud. Samuti peavad kõik kõrgepingeseadmed olema mehaaniliselt tõkestatud (tarastatud, asuma suletud ruumis jms.) vältimaks juhuslike inimeste (laste) ja loomade juurdepääsu. Rikkeid elektriseadmetes võivad põhjustada mitmed asjaolud: liinidele langevad puud, tormiga lendavad oksad ja muud esemed, lindude sattumine liinijuhtmete vahele, loomade sattumine elektriseadmetesse, pinge all olevaid osi toetavate või kandvate isolaatorite ja elektriliinimastide mehaanilised rikked või vananemine, trafodes isolatsioonina kasutatava trafoõli kvaliteedi halvenemine või niiskuse sattumine õlisse ja palju muud. Rikete võimaluse vähendamiseks on energeetikas rakendatud range organisatsiooniliste meetmete süsteem. Kõrvuti sellega on ka tehnilisest küljest rakendatud range kord, mis hõlmab nii elektrilise isolatsiooni kvaliteedi ja seadmete töökorras oleku pidevat kontrolli kui ka kõrvaliste esemete juhtmetele või nende lähedale sattumise võimaluse vähendamist (puude ja võsa lõikamine 42


liinide all ja läheduses, range kontroll tööde üle liinide läheduses, kaevetööde jälgimine kõrgepingekaablite läheduses jms.). Kõik see on seotud elektriohutuse küsimustega, mis on igasuguste tööde tegemisel elektriseadmetes või nende läheduses inimese elu ja tervise seisukohalt esmase tähtsusega. On vajalik, et iga inimene teaks: igasugune energeetiline elektriseade peidab endas ohtu. Eriti ohtlikud võivad need olla niiske või vihmase ilmaga või kui mõni neist on ilmselt rikkes (juhe lebab maas, ilmsed mehaanilised vigastused jne.). Kõikidel ilmsetel rikkejuhtudel on iga inimese otsene kohus teatada sellest kohe energeetikafirma esindajatele. 17.2 Releekaitse ja automaatika Hoolimata kõikidest eelnimetatud abinõudest ei ole võimalik rikkeid elektrisüsteemis siiski täielikult vältida. Samuti ei ole võimalik vältida üksikute energiaseadmete ülekoormusi, mis võivad tekkida real ettenägematutel juhtudel. Ülekoormuse (liigkoormuse) all mõistetakse energiaseadme sellist režiimi, mille juures seadet läbiv vool ületab seadme nimivoolu ehk seda maksimaalset voolu, millele seade on projekteeritud ja mis on seadmele kestvalt lubatud, ilma et seade rikneks või häviks. Selleks, et vältida või minimiseerida kahjusid, mis võivad tekkida lühistest, ülekoormustest või muudest ebanormaalsetest režiimidest energiaseadmetes, on kasutusel laiaulatuslik tehniliste vahendite kompleks, mida nimetatakse (energiasüsteemi) releekaitseks ja automaatikaks. Releekaitse ülesandeks on energiaseadmes tekkinud lühise või liigkoormuse korral lülitada välja energiaseade (ja võimalikult ainult see), kus on tekkinud lühis või mida võib kahjustada liigkoormus. Peale selle on releekaitse ülesandeks tegutsemine veel mitmete teiste energiasüsteemile kahjulike režiimide korral, et tagada tarbijatele häireteta energiavarustus ning ennetada rikkeid. Väga oluliseks nõudeks releekaitsele on see, et lühise korral tuleb võimalikult kiiresti vooluahel katkestada (seade välja lülitada), nagu juba eespool juttu oli. Kuigi lühisvool läbib kõiki energiaseadmeid alates elektrijaama generaatorist, (sh mitmeid transformaatoreid, liine, lüliteid) peab releekaitse olema küllalt “tark” ja välja lülitama ainult lühise tekkimise kohale kõige lähema lüliti või lülitid, kui on tegemist kahepoolse toitega. Selle kohta öeldakse, et releekaitse peab töötama selektiivselt. Oluline on ka see, et releekaitse teeks vahet seadet läbivate voolude suuruste vahel. Releekaitse ei tohi reageerida seadet läbivatele koormusvooludele, peab aga reageerima lühistele ja ülekoormusele, seejuures kummalegi neist erinevalt. Samuti ei tohi releekaitse reageerida kaugemate lühiste puhul, või reageerima nendele siis, kui lühisekohale lähim kaitse mingil põhjusel ei reageeri. Siis peab reageerima kauguselt järgmine kaitse. See tähendab, et releekaitse peab omama erinevat tundlikkust seadet läbivate lühis- ja liigkoormusvoolude suhtes. Energiaseadme ülekoormuse puhul ei ole releekaitse põhiülesandeks tingimata antud seadme väljalülitamine, sest kõik energeetilised seadmed on ehitatud nii, et nad taluvad teatud väikest ülekoormust teatud kindla aja jooksul. Ülekoormuse korral võib releekaitse anda operatiivpersonalile signaali seadme ülekoormatuse kohta, anda käskluse reservliini või -transformaatori töösselülitamiseks ja vaid teatud (sobivalt määratud) ajavahemiku järel (kui personal ei ole selle aja jooksul midagi ette võtnud koormuse vähendamiseks) anda käskluse seadme väljalülitamiseks. Reservseadme sisselülitamisel on tegemist juba nn reservilülitusautomaatikaga. 43


Teiseks enamlevinud automaatikaks energiasüsteemis on taaslülitusautomaatika (endise nimetusega korduvlülitusautomaatika). Peamiselt väliselektriseadmetes tekkivatest lühistest on enamus põhjustatud liikuvatest esemetest või loomadest-lindudest. Tekitanud lühise, kukuvad need esemed (loomad-linnud) tavaliselt maha või põlevad ära, sõltuvalt eseme suurusest ja iseloomust. Tekkinud elektrikaar aga jääb “põlema”, kuni releekaitse poolt seadet pole välja lülitanud. Praktika on näidanud, et valdaval enamikul juhtudest on lühise põhjus kõrvaldunud (ja elektrikaar kustunud) kohe pärast seadme väljalülitamist releekaitse poolt. Seetõttu on enamik elektriseadmeid, eriti liinid varustatud nn taaslülitusautomaatidega, mis lülitavad seadme uuesti sisse pärast releekaitse poolt selle lühise tagajärjel väljalülitamist. Kuna energiaseadmete taassisselülitamine toimub enamasti sekundi murdosa jooksul, jääb selline energiatoite katkestus tarbijatele tavaliselt märkamatuks. Taaslülitusautomaatika edukus võib ulatuda 90%-ni. Energiasüsteemis on kasutusel veel mitmeid automaatsüsteeme ehk automaatikaid, millest võib nimetada tarbijatele otseselt tunnetatavat pingereguleerimisautomaatikat ja koormuse vähendamise automaatikat. Pingereguleerimisautomaatika on seadmete kompleks, mis muudab alajaamades transformaatorite ülekandetegurit selliselt, et tagada tarbijate juures normidele vastav pinge. Koormuse vähendamise automaat on mõeldud energiasüsteemi stabiilse töö tagamiseks juhul, kui teatud piirkonnas tarbitav võimsus ületab teatud lubatava võimsuse maksimaalse piiri, mille tulemusel energiasüsteem võib hakata lagunema osadeks. See võib toimuda ka sageduse ülemäärase languse vältimiseks. Koormuse vähendamise automaadi tegutsemise tulemusena lülitatakse välja mitmeid liine vastavalt eelnevalt määratud järjekorrale. Järjekord on määratud lähtuvalt nende liinide poolt energiaga varustatavate tarbijate suurusest ja tähtsusest. Kuigi sellised automaadid on äärmiselt vajalikud ja on töövalmis, ei ole nad viimasel ajal Eestis põhjuse puudumise tõttu õnneks töötanud. Energeetikas kasutatav releekaitse ja automaatika haarab endasse tunduvalt rohkem, kui siin kirjeldatud. 17.3 Ülepingekaitse Energeetikaseadmed vajavad kaitset ka erinevates allikatest pärit ülepingete (liigpingete) vastu. Ülepinge on ohtlik seetõttu, et kõikide energeetikaseadmete isolatsioon on projekteeritud töötama seadme nimipingel, arvestades teatavat varu. Kui aga seadmesse satub sellest piirist kõrgem pinge, tekib elektriline läbilöök või ülelöök, mis võib rikkuda seadme pöördumatult. Ohtlike ülepingete allikateks võivad olla välgu otsene sisselöök elektriliini või lahtise alajaama seadmetesse, liinides indutseeritud ülepingeimpulsid välgu sisselöögi korral lähedastesse objektidesse, mitmete elektriseadmete sisse- ja väljalülitamiste tekkivad ülepingeimpulsid, kõrgemapingelise liini juhtme langemine madalamapingelisele liinile või seadmele jms. Ülepinge võib põhjustada ka suure võimsusega tarbijate ootamatu väljalülitumine, koormuse järsk langemine. Alajaamade seadmete äikesekaitseks kasutatakse peamiselt piksevardaid, elektriliinide kaitseks aga äikesekaitsetrosse, mis on monteeritud liinidele liinijuhtmetest kõrgemale. Need on mõeldud välgu otsese sisselöögi kaitseks. Indutseeritud ülepingete vastu on kasutusel nn ülepingelahendajad, mis ülepingeimpulsi saabudes juhivad selle maasse, impulsi möödudes aga muutuvad 44


isolaatoriks. Sellised ülepingelahendajad kaitsevad alajaamade ja tarbijate elektriseadmeid liinide kaudu tulevate ülepingeimpulsside vastu. 18 Mõõtmised Energiasüsteemi juhtimise, releekaitse ja automaatika, ökonoomika ning energia müügi seisukohalt on äärmiselt tähtis voolude, pingete, võimsuste ja energia küllaldase täpsusega mõõtmine. Kõrgepingeseadmetes ei tule kõne alla nimetatud suuruste otsene mõõtmine mõõtriistade ühendamise teel mõõdetavatesse ahelatesse. See tähendaks lühise tekitamist nagu eelpool kirjeldatud kõrvaliste esemete lähendamisel kõrgepingeseadmetele. Nimetatud suuruste mõõtmiseks kõrgepingeahelates kasutatakse kõrgepinge- ja madalpingeahelate eraldamiseks nn mõõtetrafosid pingetrafosid ja voolutrafosid. Mõõtetrafod on väga täpse ja püsiva ülekandeteguriga transformaatorid, mille primaarmähis on kõrgepingeahelas ja sekundaarmähis madalpingeahelas, kusjuures nendevaheline isolatsioon vastab kasutatavale kõrgepingele. Seetõttu kujutavad kõrgepingeahelates kasutatavad mõõtetrafod omaette kõrgepigeseadmeid ja nende mõõtmed on dikteeritud praktiliselt ainult kasutatava (kõrge)pinge poolt. Mõõtetrafod on pingetrafod ja voolutrafod. Pingetrafode ülekandetegurid on valitud nii, et kõrgepinge poole nimipingele vastab madalpinge poolel pinge 100 V ja vastava seadme nimivoolule vastab voolutrafo sekundaarpoolel (madalpingepoolel) vool 5A. Muidugi on nende mõõtetrafode sekundaarmähistega ühendatud mõõteriistad gradueeritud, arvestades mõõtetrafode ülekandetegureid, kõrgepingeahelais esinevate suuruste järgi, mida tegelikult tahetakse mõõta. Paljudel juhtudel kasutatakse voolutrafosid ka madalpingeseadmetes, peamiselt siis, kui tarbija poolt tarbitav vool osutub oluliselt suuremaks kasutatavate mõõteriistade maksimaalnäidust või nimivoolust, milleks tavaliselt on 5 A. Ka kõik releekaitse- ja automaatikaseadmed on kõrgepingeseadmetes ühendatud mõõtetrafode kaudu. Sõltuvalt eesmärgist, milleks üht või teist suurust mõõdetakse, peavad mõõtetrafod ja mõõteriistad omama küllaldast täpsust ehk nagu tehnikas öeldakse olema vastava täpsusklassiga. Mõõteriista (ja ka mõõtetrafo) täpsusklass näitab kui mitu protsenti (ühes või teises suunas) mõõteriista lõppnäidust võib vea suurus olla. Elektrienergia arvestite puhul näitab täpsusklass erinevust protsentides arvesti poolt näidatud ja tegelikult tarbitud energiahulga vahel.

Tarbija poolt kasutatud elektrienergia mõõtmine on viimane energiamuunduste ahelas alates primaarenergiast kuni tarbijale kättetoimetatava elektrienergiani ja tarbija poolt selle kasutamiseni. elektrienergia kasutamine on igal juhul tegelikult tarbija poolt muundamine elektritarviti abil mõnda muud liiki energiaks.

toiming pikas sobival kujul Tarbija poolt elektrienergia

19 Keskkonnaohud Energeetika, nagu igasugune teine majandusharu avaldab ka teatud negatiivset mõju keskkonnale, keskkonnale, milles me elame, millest toitume ja mida tahame nautida. Et mitte korrata nõukogudeaegsest hoolimatust suhtumisest tingitud raskeid vigu ja raskesti parandatavaid keskkonnamõjutuste tagajärgi, tuleb energeetikas ja selle arendamisel hoolikalt arvestada keskkonnamõjutuste vältimise või vähendamise võimalusi. Millega siis tuleb energeetikas arvestada? Millisel moel siis mõjutab energeetika meie planeedi keskkonda?

1.Kõigepealt paiskavad soojuselektrijaamad maa atmosfääri fossiilsete kütuste põletamise tulemusena tohutul hulgal heitmetena süsihappegaasi ehk süsinikdioksüüdi 45


(CO2), sest enimkasutatavates fossiilkütustes on suurim osa keemilisest energiast talletatud süsinikku, mis põledes annabki süsihappegaasi. Süsihappegaas tekitab atmosfääris kasvuhooneefekti, mis mõjutab kogu maakera kliimat soojenemise suunas. See on see süsihappegaas, mis miljonite aastate eest, kui maakera kliima oli palju soojem, seoti päikeseenergia ja fotosünteesi abil tolleaegsesse taimestikku, millest on tekkinud praktiliselt kõik fossiilsed kütused (vt. joonis nr 1). Seni ei ole leitud efektiivset süsinikdioksüüdi heitmete kahjutustamise meetodit. Idee süsinikdioksüüdi lagundamiseks süsinikuks ja hapnikuks ei tule kõne alla energiamahukuse tõttu (söe põletamise pöördprotsessina nõuaks see sama palju energiat, kui söe põletamisel saadakse). Ka mõte veeldada süsinikdioksüüd ja matta sügavale maakoorde oleks probleemide lükkamine tulevaste põlvede kaela – veeldatud süsinikdioksüüd aurustuks maakoore temperatuuri juures igal juhul ja lõpuks jõuaks kindlasti maapinnale ja atmosfääri. Siinjuures ei saa aga puidu ja teiste kiireltkasvavate taimede põletamisel tekkivat süsihappegaasi lugeda kahjulikuks heitmeks, sest see seotakse päikeseenergia poolt uute taimede kasvamisel enam-vähem samas koguses uuesti taimestikku. 2.Teiseks oluliseks negatiivseks mõjuks fossiilsete kütuste põletamisel on nendes sisalduva väävli põlemisel tekkiv vääveldioksüüd (SO2), mis vihmapiiskadega ühinedes moodustab väävlishappe (H2SO3). See hape, mis koos vihmaga (happevihmad) sajab maa taimestikule, tekitab metsa- ja põllukultuuridele raskeid kahjustusi, mille “ravimine” looduse enda poolt võib võtta aastakümneid. Mõned kitsamal territooriumil kasvavad tundlikumad taimeliigid võivad hoopiski hävineda. 3.Soojuselektrijaamade heitmetest on lämmastikühendid taimestikule väetise mõjuga, kuid küllalt suure kontsentratsiooni korral põhjustavad need veekogudes mittesoovitavat taimestiku vohamist, rikkudes sellega liigilist kooslust. Eestis põlevkivijaamade lämmastikühendite heitmed on õnneks tunduvalt väiksemad, kui kivisütt põletavates jaamades ja seetõttu olulist keskkonnaohtu ei kujuta. 4. Suure tuhasisaldusega kütuste puhul (nagu Eestis põlevkivi) on kahjulikuks heitmeks korstnate kaudu suurele territooriumile kanduv lendtuhk, mis mõjub kahjustavalt igasugusele elavale ja elutule loodusele, rikub seadmeid, hooneid, saastab tänavaid, parke jne. Põlevkivi lendtuhk põhjustab inimestel hingamisteede ja kopsuhaigusi. Lendtuha hulka vähendatakse mitmeastmeliste suitsufiltrite abil, millest viimases astmes kasutatakse tavaliselt suure efektiivsusega elektrifiltreid. Eestis kütusena kasutatava suure tuhasisaldusega põlevkivi juures ei suuda isegi elektrifiltrid kogu tuhka välja filtreerida. Eesti suurte põlevkivielektrijaamade elektifiltritega kinnipüütud tuhk on aga kasulik tooraine kõrgekvaliteetse tsemendi tootmiseks. Üle veerandsajandi seisab püsti sellise põlevkivituhktsemendi baasil tehtud betoonist Tallinna teletorn. Põlevkivituhka kasutatakse ka happeliste muldade neutraliseerimiseks. Põhiosa tuhast ladustatakse elektrijaamades tuhaväljadele. Eesti elektrijaamades toimub tuha transport jaamast tuhaväljale hüdraulilisel teel, kusjuures transpordiks kasutatavat vett kasutatakse korduvalt, ilma lisaveeta. Seejuures on kasutatav vesi muutunud leeliseliseks ja tohutult mürgiseks. Äärmiselt ohtlik on, kui see vesi pääseb tuhavälja settebasseinist ringlusest välja (mida siiski on varasemal ajal ka juhtunud) ja mürgitab muid veekogusid. Eestis on seetõttu ohustatud suurima vooluhulgaga Narva jõgi. 5. Ei saa mööda vaadata ka keskkonnaohtudest, mis on seotud kütuste kaevandamisega (Eestis põlevkivi kaevandamise kahjud põhjaveele, pinnavormidele, maakasutusele jne.). Seni ei ole kaevandamisest tingitud ohte hinnatud küllalt tõsiselt, 46


eriti mõju põhjavee taseme langusele ja seoses sellega asemele tungivast mereveest tingitud põhjavee sooldumisele. 6. Kondensatsioonelektrijaamade reostuse hulka tuleb lugeda ka soojusreostust jahutusvee näol, sest väga suur osa jaama kateldes põletatud kütuses sisalduvast energiast läheb soojusenergiana jahutusveega paratamatult loodusse, rikkudes väljakujunenud tasakaalu taimestikus. Sageli muudetakse see osaliselt kasulikuks ja kasutatakse ära, näiteks kalakasvatuses. 7. Aatomielektrijaamadel küll puuduvad sellised heitmed, mis väljuvad tavaliste soojuselektrijaamade korstnatest, kuid see-eest kujutavad olulist probleemi elusale loodusele kasutatud tuumakütuse ohtlikud radioaktiivsed jäägid. Nende radioaktiivsuse vähenemine poole võrra (poolestusaeg) ulatub sadadesse aastatesse ja need tuleb ju peita kuhugi, kus need inimkonnale ei saa ohtlikuks mitmete sadade aastate jooksul. Ka nende transport radioaktiivsete jääkide spetsiaalsetesse hoidlatesse on ohtlik tegevus. Samuti ei saa ka täielikult välistada avariiohtu, mille tulemusel võib tekkida globaalse mastaabiga katastroof. Tšernobõli kogemus on juba olemas. 8. Hüdroelektrijaamade mõju keskkonnale (eriti tasandikujõgedele ehitatud jaamade korral) väljendub eelkõige suurte maa-alade taimestiku (ja mitte ainult taimestiku) hävimises tekkiva paisjärve kohal. Oluline on mõju ka kalade elurežiimile, sest nende ränne kudemiskohtadesse osutub võimatuks või väga tugevasti häirituks. 9. Ka tuuleelektrijaamad ei ole ohutud keskkonnale. Kõne alla tuleb (ränd)lindude hukkumine nende sattumisel jaamade tiivikute tööpiirkonda. Ka põhjustavad pöörlevad tiivikud madalsageduslikku õhu võnkumist, mis häirib inimeste kuulmist, kui jaamad asuvad inimasustuste läheduses. Tuuleelektrijaamade kogum (park) võtab tavaliselt enda alla suure territooriumi, mille kasutamine muudel eesmärkidel osutub võimatuks või vähemalt tugevasti raskendatuks. 10. Ohtu keskkonnale kujutab ka elektriülekanne – kõrgepingeliinid ja alajaamad. Lisaks liinide ehituseks ja käiduks vajalike liinikoridoride rajamisele ja hooldamisele, mis seab piiranguid maa-alade kasutusele ja tekitab kahju kujunenud looduskooslusele, avaldab elanikele ja muule elusloodusele teatud mõju ka kõrgepingeline elektriväli. Otsest ohtu inimeste ja loomade eludele kujatavad avarii korral kõrgepingejuhtmete kukkumine inimestele või inimestega kokkupuutes olevatele esemetele. Ka maha kukkunud pinge all olev liinijuhe ohustab inimelu isegi teatud mõnemeetrilises kauguses maha langenud liinijuhtmest. Otsestele ohtudele lisandub alajaamades ka müra, mille allikaks on trafode undamine ja õhk-võimsuslülitite töötamisega seotud tugevad akustilised efektid, mis on võrreldavad kahuripaukudega. Ohtu kujutab ka trafodes isolatsiooniks kasutatav trafoõli, mis avariiolukorras võib sattuda pinnasesse ja reostada põhjavett. 20 Lõpetuseks Energeetika on iga riigi majanduse üks tugitalasid. Ilma töökindla elektrienergiavarustuseta pole tänapäeval mõeldav mingi majandustegevus ega ükski tegevusala. Riigile on oluline, et kogu rahvast haaravad tegevusalad, nagu nt energeetika, toimiksid minimaalsete kulutustega. Sama oluline on see ka riigi igale elanikule, sest lõppude lõpuks kaetakse kõik kulutused energia tootmiseks ikkagi elanike kui lõpptarbijate poolt. 47


Igapäevane praktika on näidanud, et mistahes lõpp-produkti hind on seda kõrgem, mida rohkem vahendajaid on selle toote valmistamisel, transportimisel, müümisel. Seepärast on paljudes riikides energiatootmine koondunud ühe või paari firma kätte alates primaarenergiallikatest ja lõpetades tarbijale vajaliku energia müügiga. See firma kuulub tavaliselt riigile, kuid ei ole välistatud ka eraomand Tänapäeval, turumajanduse tingimustes peetakse otstarbekaks jaotada elektri tootmine, ülekanne ja jaotamine eraldi äriühingute vahel. Seejuures moodustab energiasüsteemi põhiosa ülekandevõrk (põhivõrk), mille üheks põhifunktsiooniks jääb energiasüsteemi tehniline juhtimine. Avatud elektrituru tingimustes võivad eraldi äriühingutele kuuluvad elektrijaamad ülekandevõrgu kaudu müüa elektrit enda ja tarbija vahel sõlmitud lepingute alusel mistahes tarbijale, tasudes ülekandevõrgule ülekandekulud, mida tegelikult tehniliselt ei ole võimalik täpselt määrata. Need määratakse kokkuleppeliselt. Kuigi käesolevaga on käsitletud peamiselt elektroenergeetika küsimusi, on siin oluline märkida, et äsjamainitut arvestades peaks Eesti Vabariigi tingimustes vaatlema elektroenergeetikat koos kütuseenergeetikaga (põlevkivienergeetikaga), sest need koos moodustavad praegu ühtse põlevkivile tugineva energeetilise väärtusketi, mis kujutab tervikut praeguses energiamuutuste ahelas. Eestis muid tõsiseltvõetavaid primaarenergiaallikaid peale põlevkivi praegu ei ole. Alternatiivsete primaarenergiaallikate kasutamine tuleb Eestis kõne alla ainult seal, kuhu rahvuslik energiasüsteem ei ulatu või sellega liitumine osutuks kallimaks alternatiivsete primaarenergiaallikate kasutamisest. Teadaolevalt ei ole maailmas riike, kes võivad endale lubada üleriigilises ulatuses kõrvuti töötavaid konkureerivaid (alternatiivseid) energiasüsteeme, mis likvideeriks energeetikas ühe firma monopoolse seisundi. Elektroenergeetika olemusest tingituna on tema monopoolne seisund Eestis loomupärane, sest meie riigi jõukuse ja tarbijate arvu juures ei ole mõistlikku põhjendust konkureeriva energiasüsteemi loomiseks. See ei tähenda sugugi seda, et mõningatel juhtudel ja teatud tingimustes ei oleks majanduslikult sobiv kasutada ka teisi primaarenergiaallikaid, eelkõige elektri ja soojuse koostootmiseks, kuid see peaks toimuma ikkagi elektri osas energiasüsteemi koosseisus. Muude variantide puhul oleksid kulutused igal juhul suuremad. Siinjuures on oluline meelde tuletada, et elektri ja soojuse koostootmine on summaarselt eraldi tootmisest alati tunduvalt odavam. Vastava alternatiivset primaarenergiat kasutava koostootmisjaama omandiline kuuluvus ei pruugi olla sama, kui kogu energiasüsteemi kuuluvus. 21 Energeetika tulevikust Seoses traditsiooniliste fossiilsete kütuste (nafta, kivisüsi, pruunsüsi, maagaas) kasutuskõlblike varude lõppemisega maailmas lähemate aastakümnete jooksul on tulevikus vaja neile leida asenduskütuseid. Nendeks võivad olla põlevkivi ja asfalt (looduslik bituumen), mille varud on mitmetes maades suured. Seni pole neid maailmas praktiliselt kasutatud (välja arvatud põlevkivi Eestis), sest oli lihtsam ja odavam kasutada traditsioonilisi fossiilseid kütuseid. Eesti on olnud selles osas väikeseks erandiks. Seetõttu võime õigusega olla uhked selle üle, et Eesti teadlastel ja praktikutel on maailma parim oskusteave põlevkivi kasutamiseks elektrienergia tootmisel. Samal ajal on selge, et ka põlevkivi- ja asfaldivarud on ikkagi piiratud. Seepärast on maailma teadlaste peatähelepanu suunatud termotuumareaktsiooni (kasutatakse ka uudissõnalisi termineid fusioon, fuusio) juhitavaks muutmisele. Praegu rajatakse mitme suurriigi ühise tööna Prantsusmaal vastavat rahvusvahelist katseseadet, mis peaks valmima aastaks 2015 ja mille tulemusena loodetakse termotuumareaktsiooni abil tööstusliku energiatootmiseni jõuda paarikümne aasta jooksul. Peab aga ütlema, et 48


viimase 30-40 aasta jooksul on pidevalt ennustatud, et tööstusliku energiatootmiseni juhitava termotuumareaktsiooni abil jõutakse umbes 50 aasta jooksul. Hoolimata sellest, on selge, et siin peitub maailma energeetika tulevik, sest on kindlaks tehtud, et termotuumareaktsioonil vabanev energia, mis on võrdne 1000 liitri nafta põletamisel saadava energiaga, saadakse 75 mg deuteeriumist ja triitiumist, millest viimane saadakse 225 mg liitiumist. Selline kogus deuteeriumi sisaldub 2 liitris vees ja vajalik kogus liitiumi mõnes kilogrammis pinnases. Seega on selles peituva primaarenergia varu praktiliselt piiramatu ning sellega inimkonna energiavajadus rahuldatud praktiliselt igaveseks. Fossiilkütuste kasutamise vähendamise eesmärgil arendatakse taastuvenergiaallikate kasutamist. Üks tähelepanuväärsemaid on tuuleenergia kasutuse areng. Tuuleenergia ja päikesekiirgusenergia tulevad kõne alla aga siiski muu kütuse kokkuhoiu mõttes. Nende kasutamisel ainuüksi elektrienergia tootmiseks pole mingit garantiid, et tarbimise maksimumi ajal ei ole tuulevaikus või paistaks päike. Järelikult koormuse katmise mõistes peab nendele energiaallikatele olema 100% reservallikaid. See tähendab, et koormuse maksimumile peab vastama muude energiaallikate võimsus. Muidugi on maailmas piirkondi, kus puhuvad pidevalt küllalt tugevad tuuled, kuid ikkagi ei taga see elektrienergia varustuskindlust. Ka kõige päikeselisematel ekvatoriaalaladel ei ole öisel ajal päikeseenergiat kuskilt võtta. Pealegi on päikeseenergia muundamine elektrienergiaks tänapäeval energeetika eesmärke silmas pidades suhteliselt keeruline ja ka kallis. Taastuvate energiaallikate seas pannakse rõhku bioenergia laiemale kasutamisele, mis ei riku tasakaalu atmosfääri koosseisus süsihappegaasi osas. Eestis tuleb energeetika tulevikku vaadelda kahes osas, sest lähitulevikus ei ole ilmselt põlevkivienergeetikale samaväärset asendajat leida, kui mitte arvestada põlevkivi kui primaarenergiaallika asendamist Venemaa maagaasiga. Põlevkivi asendamine maagaasiga tooks kaasa väga suure riski sattuda majanduslikku ja poliitilisse sõltuvusse naaberriigist. Seetõttu tuleb esimeses osas leida võimalused põlevkivi ratsionaalsemaks, vähem keskkonnaohtlikuks kasutamiseks energeetilise kütusena. Seda suunda praegu arendatakse, ehitades Narva elektrijaamades tolmpõlevkivi põletamisega katlad ümber keevkiht-põletamisega kateldeks. Teine osa tulevikust kujutab tuule- ja vee-energia kasutamist elektrienergia tootmiseks. Nagu eelpool mainitud, ei saa need muutuda ressursside piiratuse tõttu Eesti energeetika põhiliseks energiaallikaks. Tõsiselt tuleb aga võtta tarbimiskeskustes, kus on piisavalt soojusenergiatarbijaid, koostootmisjaamade ehitamist, mis kasutaksid kütusena kohalikku biokütust (turvast, hakkepuitu, võib-olla ka põhku, roogu jms) omaette või näiteks koos maagaasiga, mille tarnete lakkamisel ei jääks jaamad siis kütuseta. Energeetika tuleviku ennustamine on riskantne nagu igasugune teine tuleviku ennustamine. Kuid teades energia ja energeetika põhitõdesid, on igaühel võimalus natuke reaalsemalt hinnata sellekohast teavet ja teha endale vajalikke järeldusi sõltumata poliitilistest “tõmbetuultest” ja majanduslike huvigruppide poolt levitatavast infost.

49


Energieõpik