Post on 23-Oct-2019
Loengu ülesanne on selgitada kasuteguri
mõistet • Termodünaamilisest seisukohast mis on kasutegur:
elektritootmisel, soojuse tootmisel, koostootmisel.
Mis on Narva Elektrijaama kasutegur. Mis on Tallinna, ja
Pärnu elektrijaama kasutegur? Kas Narva ja Tallinna El-
de kasutegurid on võrreldavad?
• Mis on koostootmine? Kui suur on koostootmise
potentsiaal Eestis? Puitkütus Narvas, Tallinna
Elektrijaamas ja Pärnu Soojuse ja Elektrijaamas.
• Kas Narva linna küte Balti SEJ on tõhus koostootmine ja
kuidas seda arvutakse? Kas arvutuse metoodika on
ühtlustatud Euroopa Liidus?
• Ja KÕIGE LÕPUKS PUIT+PÕLEVKIVI2
Ajalugu- mõisted, terminoloogia
Prof. Ilmar Öpiku ja prof. L Jüregnsoni vaidlus,
Kuidas tõlkida sõna „heat“- kas „soojus-“, või „sooja“
Soojustehnikas õpetatavas
termodünaamikas ei esine mõistet
„soojusenergia“ , sest soojus ei
„energia“ vaid „energia ülekande“.
vorm. Soojust ei saa muuta otse
mehaaniliseks tööks!
Õlitootmine on suurema kasuteguriga põlevkivist
elektritootmine
3
Termodünaamika I ja II seadus
Termodünaamika esimene printsiip on energia
jäävuse seadus, millest järeldub siseenergia U kui
olekufunktsiooni olemasolu. Kui ainehulk on jääv, siis
siseenergia muutus ΔU=ΔQ-ΔW, kus ΔQ on
süsteemi sisestatud soojushulk ja ΔW süsteemi
tehtud töö.
Clausius formuleeris täpselt uues formuleeringus
termodünaamika teise seaduse (1850) väites, et ei
ole protsessi, mille ainus efekt oleks soojuse
ülekanne madalama temperatuuriga kehalt kõrgema
temperatuuriga kehale.
4
ENTROOPIA MATEMAATILINE VÄLJENDUS
Soojushulga arvutamiseks termodünaamika esimese seaduse matemaatilisest
väljendusest (diff. kujul):
dq=du+pdv
peame teadma rõhu ja erimahu sõltuvust vaadeldavas protsessis.
Matemaatiliselt on võimalik diferentsiaal kaksikliiget du+pdv muuta
täisdiferentsiaaliks, kui tema liikmeid korrutata läbi integreerimiskordajaga.
Integreerimiskordajaks on absoluutse temperatuuri pöördväärtus.
Saame võrrandi:
Avaldis dq/T mida tähistame ds on täisdiferentsiaal. Suurus s nimetame
entroopiaks, mille mõõteühikuks on J/(kg K)
5
dsT
pdvdu
T
dq
Igiliikurid
Ajaloost on teada väga palju “leiutusi”, mille sisuks on muundada energiat, kus
kogemata või sihilikult eiratakse termodünaamika seadusi. Tavaliselt on
esimese seaduse rikkumist lihtne kohe tabada (nt automootor, mille “kütuseks”
on ainult vesi).
Masinaid, mis eiravad energia jäävust ehk termodünaamika esimest
seadust nimetatakse esimest liiki igiliikurid (perpetual motion machines
of the first kind).
Masinaid, mis aga eiravad teist seadust, nimetatakse teist liiki igiliikurid
(perpetual motion machines of the second kind).
On selge, kuidas energia jäävust eirates on võimalik korraldada igiliikumist,
aga võib-olla ei ole veel niisama selge, kuidas seda teha rikkudes teist
seadust. Selleks aga tuleb ainult ette kujutada masinat (kas või automootorit),
mis võtaks soojust otse õhust ja muundaks liikumistööks. Õhk jaheneks
sedamööda, mida rohkem selline auto sõidab.
6
Soojusjõuseade
7
soojusallikas
jahuti
qs
wt
qk
Tööd
tootev
masin
Ts
Tk
Q
s
katel
pum
W
t
kondensaato
Qk
turbiin
Wp
1
2
3
4
Kasuteguri mõisted
8
ENERGIA KÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
TÖÖKASULIK SAADAVKASUTEGUR
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
ERGIA ELEKTRIENTOODETUDKASUTEGUR EELEKTRILIN
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
SOOJUSERGIA ELEKTRIENTOODETUDGURKOGUKASUTE
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
SOOJUS TOODETUDKASUTEGUR SOOJUSLIK
Mis on kütusega sisseviidud
energia?
Kütteväärtus: Kütuse kütteväärtus on soojushulk, mis eraldub
1 kg tahke- ja vedelkütuse või normaalkuupmeetri gaaskütuse
täielikul põlemisel. ALUMINE, ÜLEMINE, POMMIS, PÕLEVAINE, TARBIMISAINE
9
Kütuse bilanss
10
Põlevkivi
ParameeterKasutatud
ühikudVäärtus
Tarbitud kütuse kogus t 1 467 321
Kütuse alumine kütteväärtus TJ/t0,00762637
Tarbitud kütuseenergia TJ 11190,33285
Tarbitud kütuseenergia GWh 3108,338757
Eriheide t CO2/TJ 100,96782
Oksüdatsioonitegur 0,999
Fossiilne CO2 t CO21 128 733,60
Põlevkiviõli
ParameeterKasutatud
ühikudVäärtus
Tarbitud kütuse kogus t716
Kütuse alumine kütteväärtus TJ/t 0,0397
Tarbitud kütuseenergia TJ 28,4252
Tarbitud kütuseenergia GWh 7,895667804
Eriheide t CO2/TJ 77,31
Oksüdatsioonitegur 0,99
Fossiilne CO2 t CO2 2 175,6
Poolkoksgaas
ParameeterKasutatud
ühikudVäärtus
Tarbitud kütuse kogus Nm3 13 622 000
Kütuse alumine kütteväärtus TJ/Nm3
0,000042773
Tarbitud kütuseenergia TJ 582,653806
Tarbitud kütuseenergia GWh 161,8437477
Eriheide t CO2/TJ 58,174
Oksüdatsioonitegur 0,995
Fossiilne CO2 t CO2 33 726
Kasutatud kütuseenergia kokku
GWh 3278,078173
Põlevkivi suhteline kasutatud
kütuseenergiast
0,948219839
Väljastatud elektrienergia GWh 1166,561859
Põlevkivist toodetud arvestuslik
elektrienergia kogus
GWh 1106,157098
Keevkihtpõletusel Eesti
elektrijaamastCO2/GWhe 1020,409851
Väljastatud elektrienergia GWh 1166,561859
Netokasutegur 0,355867614
Katla kasutegur
11
12
Soojusjõuseadmed ja kasutegurid
Seadmeid, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks, me nimetame soojusjõuseadmeteks. Soojusjõuseadeteks on:
Sisepõlemismootorid Gaasturbiinid Auruturbiinid
Maailmas toodetud elektrienergia enamus on toodetud just soojusjõuseadmetega ja vaatamata näiteks tuule-, hüdro-, päikese jt. energiatootmisseadmete arengule, jääb soojusjõuseadmete osatähtsus elektrienergia tootmisel väga suureks
13
Carnot' ringprotsess
Carnot' ringprotsessil on kõigist võimalikest ringprotsessidest
soojusallika ja jahutaja antud temperatuurivahemikus kõrgeim
termiline kasutegur.
Oma 1824 avaldatud töös esitas Carnot ringprotsessi, mille abil
tõestas, et soojuse tööks muundamise määr on piiratud, selle
määrab üheselt kahe temperatuuri suhe. Sellest tulenevalt sõnastas
Carnot’ termodünaamika teise seaduse (matemaatilise formuleeringu
andis sellele 1834 B. Clapeyron).
1
2
1
2
111
T
T
q
q
ql
t
Kuidas kütuse põletamisel elektrit
saadakse Elektri tootmiseks on vaja seadet, mis muundaks soojuse
pöörlevaks mehaaniliseks energiaks, mis omakorda käitaks
elektrigeneraatori. Masinat, kus toimub soojuse muundamine
mehaaniliseks tööks, nimetatakse soojusjõumasinaks.
Kõige levinum soojusjõuseade, mille abil toodetakse elektrienergiat,
on auruturbiin. Auruturbiini tööks on vaja kõrge temperatuuri ja
rõhuga auru, mis suunatakse selle korpuse küljes olevatesse
düüsidesse. Seal suure voolukiiruse ehk kineetilise energia saanud
aur suundub turbiini võlli küljes olevatele töölabadele. Labadele
suundunud aurujoa jõud paneb turbiini võlli pöörlema ja nii
saadakse mehaaniline energia. Termodünaamika terminoloogiat
kasutades: auru paisumistöö arvelt saame kasulikku tööd.
14
Aurujõuseadme ringprotsess
Elektri tootmisel muundatakse soojus auruturbiini abil elektrienergiaks. Mida kõrgem
on auruturbiini töötemperatuur (auru rõhk), seda efektiivsem on protsess. Selleks,
et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu st. aur tuleb
jahutada (kondenseerida). Soojusallika ja jahutaja temperatuuride vahe määrab
protsessi (Carnot’ ringprotsessi) kasuteguri.
15
Selleks, et aur saaks voolata ja
paisuda, peame tekitama turbiini
taha alarõhu ehk vaakumi.
Prantsuse füüsik Denis Papin
avastas 1690. aastal, et kui auru
kondenseerida, saabki tekitada
vaakumi. Auru
kondenseerumiseks on aga vaja
seda jahutada
Põlevkivi katel
16
Rankine ringprotsess
17
18
Kasutegurid põlevkivi kasutamisel energia tootmiseks
-1960
Keskrõhu tolmpõletus
keskmine kasutegur
25%
1960
Balti SEJ
kävitamine
1624MW
1959-1966
keskmine kasutegur
27%
1970
Eesti EJ käivitamine
1615 MW
1969-1973
keskmine kasutegur
30%
2000
Kahe energiaploki
renoveerimine
430MW
2001-2004
keskmine kasutegur
37%
2012-
Alustatud uue 300 MW ploki
ehitust
oodatav kasutegur
≥40%
Uus tehnoloogia on suurendanud üldist tõhusust ja
vähendanud keskkonnamõju energia tootmisel
Eesti põlevkivisektori hetkeolukord:
Narva EJ põlevkivikatelde arengud
η~30%(*) η~36% (*) η~40%(*)
Tolmpõletus
1959-1973
Tsirkuleeriv keevkiht
2004-2005
Tsirkuleeriv keevkiht
2015
TP-101, Narva
p = 13,2 MPa
t = 520 / 525 °C
η ~30%
CFB, Narva, E08, B11
p = 13,3 MPa
t = 535 / 535 °C
η ~36%
CFB, Auvere 300 MW
p = 17,8 MPa
t = 543 / 568 °C
η ~40%
(*) - Energiaploki kasutegur, allikas: Rain Veinjärv19
Koduülesanne
Palju väheneb kütuse kulu elektrijaamas
samaväärse elektritoodangu juures kui
ringprotsessi termiline kasutegur muutus 30%
kuni 36%?
20
21
Keevkihttehnoloogia võrdlus tolmpõletusega Tolmpõletus Keevkiht SO2 sidumine 80 % 100 % SO2 2000 mg/Nm3 0 – 20 mg/Nm3 NOx 300 mg/Nm3 90 – 170 mg/Nm3 Lendtuhk < 200 mg/Nm3 < 30 mg/Nm3 Võrku antav elekter 28-30% 34-36% CO2 kg/kWhe 1.18 kg/kWhe 1.0 kg/kWhe
22
Gaasi- ja auruturbiinjõuseadme
liitringprotsess
23
Kasutegurid:
Rankine`i ringprotsessi termiline kasutegur
)(
)(
2131
2121
ppvhh
ppvhht
. (9.6)
Aurujõuseadme sisemine suhteline kasutegur
2121
21
21
)()(
ppvhh
ppvhh
p
i
T
oi
oi
. (9.7)
ning jõuseadme sisemine kasutegur
toii . (9.8)
Aurujõuseadme elektriline kasutegur
Gmoitakel , (9.9)
kus k - aurukatla kasutegur, a - aurutorustiku kasutegur,
m - aurujõumasina mehaaniline kasutegur, G – elektrigeneraatori kasutegur
Sissejuhatuseks koostootmisele
Tänane energiapoliitika üldse tuleneb kahest olulisest suundumusest:
Energiasäästlikkus
Keskkonnakaitse (näitena Kyoto Protokoll, mis sätestab kasvuhoonegaaside piiramist)
Et täita eelpooltoodud kahte tingimust, tuleks efektiivsemalt “toota” energiat. Heaks lahenduseks on siin
SOOJUSE JA ELEKTRI KOOSTOOTMINE
Elektri ja soojuse koostootmine vasturõhu- ja vaheltvõtuga
turbiinidega
25
1
2
3 4
5
6 7
Soojuse ja elektri koostootmise alused
Soojuse ja elektri koostootmise mõiste
Soojuse ja elektri koostootmise (koostootmine) on protsess, mille
puhul ühest seadmest väljastatakse kahte liiki energiat.
Koostootmise väljunditeks on:
Soojus, mida võib kasutada tehnoloogilistes protsessides,
tarbevee soojendamiseks, ruumide kütteks jne. kui ka
absorbtsioonil põhineva jahutusprotsessi käitamiseks
Mehaaniline energia, mis muundatakse elektrienergiaks, kuid
võib kasutada ka pumpade ja kompressorite otseseks
käitamiseks
koostootmist iseloomustavad näitajad,
kasutegurid:
Soojuse ja elektri koostootmise iseloomustamiseks kasutatakse mõistet
kogukasutegur, mis avaldub summana elektrilisest kasutegurist ja
soojuslikust kasutegurist ehk analüütiliselt:
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
ERGIA ELEKTRIENTOODETUDKASUTEGUR EELEKTRILIN
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
SOOJUS TOODETUDKASUTEGUR SOOJUSLIK
ENERGIAKÜTUSE DSISSEVIIDU SÜSTEEMI
SOOJUSERGIA ELEKTRIENTOODETUDGURKOGUKASUTE
Võrdleme koostootmist soojuse ja elektri eraldi
toomisega
Olgu kondensatsioonelektrijaama termiliseks
kasuteguriks 35% ja katlamaja kasuteguriks
85%
Koostootmise puhul on kogukasuteguriks
arvestatud 90%. Kirjeldatud süsteemid ja neist
tulenevad energiavood on esitatud järgneval
slaidil:
Koostoomise võrdlus elektri ja soojuse eraldi tootmisel
4,33 kWh
maagaas
2,86 kWh
1,47 kWh
1 kWh
1,25 kWh
kondensatsioon-
jõujaam
katel
elektrienergia
kaod
kaod
soojusenergia
SISEND VÄLJUND
2,08 kWh
Koostootmis-
moodul
gaasil töötav kombijõujaam
maagaas
2,5 kWh
1 kWh
0,25 kWh
1,25 kWh
elektrienergia
kaod
soojusenergia
Direktiiviga ühtlustatud võrdlus
koostootmisest ja selle efektiivsusest
30
Narva Linna küte vaheltvõtuturbiinist
31
Võrdlusväärtused eraldi tootmisele
32
„Tõhususe kriteerium“
Primaarenergia sääst võrreldes eraldi
tootmisega (10% ja rohkem)
Ettenähtud kogukasutegur (80% ja
suurem)
33
Tulemuseks:
Balti elektrijaama 11. plokiga toodetud soojus ja selle nn
koostoodetud elektrienergia on "tõhus", vastavalt
direktiivi 2004/8/EÜ mõistele, kogu aasta läbi. Vaid
2006. a. juunis toodetud elektrienergia kogus ei vasta
"tõhususe" kriteeriumile.
Summaarne säästetud primaarenergia kogus aastal
2006 "koostoodetud tõhusas režiimis" oli 353101 MWh.
Koostoodetud "tõhus" elektrikogus samal aastal oli
254445 MWh, mis teeb aasta keskmiseks
elektrivõimsuseks 31.87 MW.
34
Kas tõesti nii keeruline? Energiatootja võttis
liigselt roheelektritoetust
11.03.2010 00:16
Alates mullu augustist tänavu jaanuarini on EE NEJ saanud rohelise energia toetust
kokku 82,1 miljonit krooni. Sellest keskmiselt 59 protsenti läks Balti elektrijaamale ja
41 protsenti Eesti elektrijaamale.
Soojuse tootmise eest seadus taastuvenergiatoetust ette ei näe. Sestap näitas EE
NEJ mullustes arvestustes, justkui ei oleks Balti elektrijaama 11. energiaplokis
soojatootmiseks biokütust kulunud, vaid sellest toodeti üksnes elektrit. Kogu
soojusenergia aga toodeti firma arvestuse järgi üksnes põlevkivist ja põlevkiviõlist.«Antud juhul tuvastasime tootja arvutustes põhimõttelise vea ja kontrollisime seda
eksperthinnanguga TTÜst,» ütles Eleringi juht Veskimägi Postimehele. TTÜ
professori Andres Siirde koostatud ekspertarvamust keeldus Elering avaldamast
ärisaladuse tõttu. Märtsi algul teatas Petersen kirjas Eleringile siiski, et on nõustunud viimase seisukohtadega ning
esitab kolme kuu kohta toetusarvestuse uuesti.
Petersen kinnitas Postimehele, et praeguseni ei ole õigusakti, millest lähtuda, kui erinevaid
kütuseid kasutatakse elektri ja soojuse koostootmisel.
35
Koostootmisjõujaama töö kõrge efektiivsuse saavutamiseks otstarbekas
see projekteerida soojusvõimsusele, mis vastab tarbija
BAASSOOJUSKOORMUSELE.
Sellisel juhul tagatakse jõujaama suur aastane kasutusaeg.
Tarbija baaskoormust ületav soojustarve kaetakse kas tipuseadmetega
või ostetakse suurtootjatelt. Koormuskestuskõver mitme kombiploki korral
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
TÖÖTUNNID AASTAS
OB
JE
KT
I S
OO
JU
SK
OO
RM
US
(k
W)
1. kombiplokk - soojusvõimsus 200 kW
2. kombiplokk - soojusvõimsus 100 kW
Küttekatlad - võimsus 500 kW
Soojuskoormuse kestuskõver
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Thousand hours
Perc
en
tag
e o
f H
ea
t L
oa
d
Load Bio CHP Gas turb
Gas engine Many CHPs
36
Elektri- ja soojuse koostootmise
rakendamise põhilised eeldused
Soojustarbimise olemasolu, soojustarbija jätkusuutlikkus. Konkurentsivõimeline soojuse hind. Soojuse hinna kooskõlastab Konkurentsiamet.
Tehnoloogia valik: kütus, koormused, reservivajadused jne.
Elektrivõrguga ühendatavus. Elektritarbijad?
Seadmed on kallid. Kas saab toetust?
Arusaadav ja kestev seadusandlus (näiteks elektrituruseadus, CO2 kaubandus ja hind, kütuse hinna fikseerimine?
Toetuste skeemide muutmine.
37
Üks elektrijaam Lääne Eestis
38