Rohelisest elektrist tuumajaamani – mis on mis ja mis sobiks Eestile? ({{commentsTotal}})

{{1560332820000 | amCalendar}}
Eesti peaks edasi liikuma nii taastuvenergeetika kui ka tuumaenergeetika arendamisega, aga kindlasti tuleb hoiduda tuumaenergeetika vananenud tehnoloogiate kasutamisest.
Eesti peaks edasi liikuma nii taastuvenergeetika kui ka tuumaenergeetika arendamisega, aga kindlasti tuleb hoiduda tuumaenergeetika vananenud tehnoloogiate kasutamisest. Autor/allikas: Urmas Volmer/Elektrilevi

Üha põletavam on küsimus, millised energiatootmise viisid võiksid tulla praeguse põlevkivil põhineva tehnoloogia kõrvale. Tuumajaam? Tuulikud? Päikesepatareid? Mis on mis ning mis millise tehnoloogia eelised ja puudused Eestis, sellest tegi ülevaate energeetikahuviline Hillar Toomiste.

Eelmisel nädalal tõstatus teema, et CO2 kvoodi hinnatõus võib tähendada kuni 1000 kuni 6000 inimese tööta jäämist Ida-Virumaal. Põlevkivist energia tootmine saastab keskkonda ning Eesti vajab sellele alternatiive. Päike on üks võimalus, kuid meie laiuskraadil jääb päikesepaneelide töö tõhusus väikeseks, sest otsest päikesevalgust on aasta jooksul vähe. Räägitud on ka uue põlvkonna sulasoolareaktorist, mille osas sõlmiti märtsis ka tasuvusuuringu kokkulepe. Rahandusminister Martin Helme ütles värskes Postimehe intervjuus, et kaasaegne tuumajaam on mõistlik alternatiiv, mis nõuaks aga 10–15 miljardi euro suurust investeeringut.

Hillar Toomiste leiab, et Eesti peaks edasi liikuma nii taastuvenergeetika kui ka tuumaenergeetika arendamisega, aga kindlasti tuleb hoiduda tuumaenergeetika vananenud tehnoloogiate kasutamisest. Väga lootustandev tehnoloogia on tema hinnangul sulasoolareaktori abil elektri tootmine.

Roheline elekter on küllalt lai mõiste, kuid üldjoontes peetakse selle all silmas elektri tootmist taastuvenergia allikatest. Tootmistehnoloogia n-ö rohelisuse hindamiseks tuleb vaadelda elektri tootmist ja tarbimist kompleksselt ning hindamiskriteeriumideks on:

  • otsesed kulutused (seadmete ja rajatiste maksumus);
  • kaudsed kulutused (kahju loodusressursile);
  • peidetud energia (süsiniku jalajälg, materjalide ja seadmete valmistamiseks kulutatud energia hulk);
  • seadme eluiga.

Aga selleks, et lugeja saaks ise otsustada, millist elektritootmist ta eelistaks, pani Hillar Toomiste kokku ülevaate erinevate energiatootmise tehnoloogiate eelistest ja puudustest.

Hüdroenergia

Eesti suhteliselt madala reljeefi tõttu on hüdroenergia ressurss suhteliselt tagasihoidlik. Tehniliselt rakendatav potentsiaal on 30–60 MW (Liivak 2002: 31). Probleemiks on ka ressursi suur killustatus ning maa-alade üleujutamine ja kalarände takistamine, mis keskkonda kahjustavad.

Otsesed kulud:

  • investeerimiskulud 975–6050 €/kW, hoolduskulud 40 €/kW aastas (de Jager jt 2011);
  • teenindusteede rajamine;
  • elektriliinide rajamine.

Kaudsed kulud:

  • maade üleujutamisega ja rändkalade elupaikade hävinemisega loodusele tekitatud kahju.

Peidetud energeetiline kulu:

  • seadmete ja betooni tootmise käigus kulutatud energia,
  • ehitustööde käigus kulutatud energia.

Seadmete eluiga on kuni 50 aastat, rajatistel kuni 100 aastat.

Elektri omahind tuleb suhteliselt kõrge: taastatavates jaamades 3,8-9 senti/kW∙h, uutes jaamades 5,5-11 senti/kW∙h. Tootmismaht oli 2011. aastal 31 GW∙h.  Hüdroelektrijaamade võimsuse reguleerimine on kiire ja see omadus annab võimaluse kasutada neid elektritarbimise tipukoormuse katteks ja stabiliseerimisjaamadena.

Eestis on seni veel kasutamata üks oluline ressurss: Omuti jõuaste Narva jõel. Erinevatel hinnangutel on selle võimsuseks 15-30 MW.


Tuuleenergia

Tehniliselt rakendatav tuuleenergia potentsiaal Eesti maismaal on 560 MW ja avamerel 3425 MW. 2018 aasta seisuga on püstitatud 139 tuulikut koguvõimsusega 310 MW. 2018. aastal toodeti Tuuleenergia assotsiatsiooni statistika kohaselt toetatavat tuuleenergiat 590 GW∙h. Tuulegeneraatori koormusteguriks saame vaid 22% installeeritud võimsusest, kirjanduse põhjal peaks koormustegur olema 30% ringis.

Otsesed kulud:

  • investeering maismaale püstitades 1125 €/kW – 1525 €/kW, hooldus 35–45 €/kW aastas;
  • investeering meretuulikute puhul 2450 €/kW – 3500 €/kW, hooldus 90–120 €/kW aastas.

Kaudsed kulud:

  • vajadus pump-hüdroelektrijaama või puhverelektrijaama järele, investeering nendesse võib ületada mitmekordselt otsese investeeringu tuuliku rajamiseks;
  • elektri jaotusvõrgu ümberehitamine, kuna tuulikud paiknevad rannikujoonel.

Peidetud energeetiline kulu:

Seadme eluiga on 25 aastat.

Tuuleenergia kasutamise suurim miinus on energia tootmise ebakorrapärasus. Tuulikud saavad töötada ainult tuulekiiruste vahemikus 5 m/s–22 m/s. Väiksema ja suurema tuulega nad energiat ei tooda. Elektrivõrgu stabiliseerimiseks kasutatakse praegu soojuselektrijaamu nn kuumas reservis hoidmisega. Sellisel juhul tarbib soojuselektrijaam pidevalt kütust ja jooksevkulusid, aga elektrit ei genereeri. Seega tuleks kogu kuuma reservi poolt kulutatud kütust ja emiteeritud CO2 vaadelda kui tuulegeneraatorite käitluskulu. Sellest tulenevalt pole õige väita, et tuulikute kasutamine ei emiteeri kasvuhoonegaase.

Tuulikufarmide omanikelt tuleks nõuda ka salvestuselektrijaamade väljaehitamist kogu installeeritud võimsuse stabiliseerimiseks. Näiteks 2000 MW võimsusega tuulikute töö stabiliseerimiseks oleks vaja rajada 1200 MW võimsusega pumpelektrijaam. Selliselt oleks võimalik toota stabiilselt 600 MW võimsusega elektrit.

Marek Strandbergi pakutud idee kasutada Norra pumphüdroelektrijaamu pole samuti tõsiseltvõetav, sest elektri transport sinna ja tagasi pole kindlasti mitte tasuta. Praegustelt elektriarvetelt näeme, et elektri transport on kallim kui elekter ise.


Päikesepatarei  ehk fotoelektriline muundamine

Eesti laiuskraadil võime arvestada parimaks energiatiheduseks 1 kW/m2 (päikesekiirte langemisel risti olevale tasapinnale selge ilma korral). Energia tihedus tundub küll ahvatlevalt suur, aga kahjuks on päikesepatarei kasutegurid vahemikus 9–18%. Samuti on suureks probleemiks päikesepatareide kõrge hind, mis tuleneb nende tootmiseks vajalikust väga suurest energiahulgast. Näiteks monokristalsest ränist valmistatud elemendi tootmiseks kulub kuni 1,9 kW∙h energiat iga ruutsentimeetri kohta. Seega peaks selline element Eesti laiuskraadil töötama 45 aastat, et toota sama suur kogus energiat, mis kulus tema valmistamiseks. Paneeli elueaks aga arvestatakse 25 aastat.

Otsesed kulud:

  • investeering 1000 - 2200 €/kW*, hooldus 30–42 €/kW aastas;
  • teenindusteede rajamine;
  • elektriliinide rajamine.

Kaudsed kulud:

  • nn päikesefarmide rajamisel ei saa maad enam põllumajanduslikult kasutada;
  • energiatootmine vajab nagu tuuleenergiagi oma perioodilise iseloomu tõttu  pumphüdroelektrijaama või puhverelektrijaama, investeering nendesse võib aga ületada otsese investeeringu päikesepatareidesse;
  • kui puhverjaamana kasutatakse soojuselektrijaama, siis on päikeseelektri tootmine kahjumlik, kuna nn kuumas reservis hoitav soojuselektrijaam tarbib pidevalt kütust ja jooksevkulusid.

Peidetud energeetiline kulu:

1,9 kWh/cm2 monokristalse elemendi puhul (see on äärmiselt suur), mistõttu PV-paneel ei suuda oma eluea jooksul toota samaväärset energiahulka, mis kulus tema valmistamiseks.

Elueaks arvestatakse 25 aastat.

Võimalik, et uued tehnoloogiad vähendavad mõningal määral PV-elementide valmistamise energiamahukust. Õhukeste kilede tehnoloogiaga valmistatud päikesepatareid on väiksema peidetud energiamahukusega, seega ka odavamad.

Paraku on ka nende kasutegurid vaid 9% piires. Päikesevalgusest saab elektrit toota ka peeglitega valgust kontsentreerides ja saadud soojuse abil turbiini või stirlingmootorit käitades, aga need lahendused ei ole oma tehnilise komplitseerituse tõttu eriti levinud.


Biomassist toodetud elekter

Eestis oleks võimalik puidu biomassist toota 653 MW elektrit (5,72 TW∙h/a) ja rohtsest biomassist 144 MW elektrit (1 TW∙h/a) (Kask 2009). Aastal 2011 toodeti biomassist elektrienergiat 747 GW∙h ulatuses, sellest tõhusa koostootmise režiimis 147 GW∙h. Tootmisvõimsustesse arvutatult oleks see 85,3 MWel. Biomassist toodetud elektri eest maksti tootjatele 40 miljoni euro ulatuses dotatsioone. Euroopa keskmine koostootmisjaama kasutegur on elektri tootmisel 38,1% ja soojuse tootmisel 47,7%.

Otsesed kulud:

  • investeering 2225–4375 €/kW, hooldus 84–176 €/kW aastas;
  • teenindusteede rajamine;
  • biomassi kogumissüsteemi ja transpordi lisakulu;
  • biomassi niiskusesisaldusest tingitud kulud.

Kaudsed kulud:

  • loodusele tekitatud kahju – metsade raie,
  • põldude kasutamine mittetoidulise toodangu jaoks.

Peidetud energeetiline kulu:

  • küttematerjali kogumine ja transport toimub fossiilkütuste kasutamise arvel.

Elueaks arvestatakse 30 aastat.

2005. aastal tarbiti 7,5 gigatonni fossiilkütuses sisalduva süsiniku põletamiseks arvutuslikult 50 teratonni muistset fütomassi. See on ekvivalentne 500 aasta jooksul tekkiva biomassi hulgaga ehk 105 gigatonni süsinikuga aastas. Inimkond on igal aastal kasutanud fossiilset fütomassi koguses, mis on võrdne 80–100 kordse kogu planeedi tänase fütomassivaruga, milleks on 500-600 gigatonni süsinikku. Seega on lootus, et biomassi põletamisega saab kogu inimkonna energiavajadust rahuldada, lihtsalt utoopiline.


Põlevkivielekter

Põlevkivi on Eestis kaevandatud alates 1916. aastast. Selle aja jooksul on maapõuest välja toodud umbes miljard tonni põlevkivi ja kaevandatud ala pindala on ligikaudu 430 km2. Elektrienergia tootmine põlevkivist on tänases Eestis suhteliselt ebatõhus. Erinevate allikate järgi on põlevkivi elektrienergiaks muundamise efektiivsus kõigest 15-32%. Põlevkivielektrijaamade installeeritud võimsus oli 2011. aastal 2994 MW, kasutusvõimsus 2931 MW. Põlevkivist toodeti elektrienergiat 10 899 GW∙h (BNS 2012).

Otsesed kulud:

  • investeeringud ja hooldus;
  • teenindusteede ja karjääri rajamine;
  • kogumissüsteemi ja transpordi lisakulu.

Kaudsed kulud:

  • loodusele tekitatud kahju: igal aastal laienevad kaevandused ja karjäärid 3-5 km2 võrra;
  • veeressursi raiskamine: igal aastal pumbatakse maapõuest välja kaugelt üle 100 miljoni kuupmeetri pinna- ja põhjavett, mis on toonud kaasa regionaalse veeringe mittejätkusuutlikkuse;
  • esmane reljeef ja elukooslused on hävitatud ligikaudu 118 km2.

Peidetud energeetiline kulu:

  • põhjaveekihi, reljeefi, huumuskihi ja liigilise mitmekesisuse taastamine ja selle hind.

Elueaks arvestatakse 30 aastat.

Põlevkivi kaevandamise ja kasutuse kohta on kogutud väga suur hulk andmeid. Küsimus pole seega andmete puuduses, vaid selles, et põlevkivienergeetika on osa rahvuslikust energiajulgeolekust ja selle tõttu keskkonnakaitsele pööratakse vähem tähelepanu. Põlevkivi väärindamise mõistlikum tehnoloogia oleks õli ja gaasi tootmine. Sellisel juhul saame protsessist ekstraheerida ka teisi keemiatööstusele vajalikke ühendeid ja arendada põlevkivikeemiat. Saadud gaasi ja õli saaksime kasutada üle Eesti hajusalt paiknevates soojuse ja elektri koostootmisjaamades. Niimoodi saaksime luua hajusa elektrienergia tootmise ja väärindada ka praegu kaotsi mineva soojuse.


Tuumaenergia

Tuumaenergeetika on valdkond, mille arengule pandi väga suuri lootusi, kuid toimunud avariide ja radioaktiivse reostuse pikaajalise iseloomu tõttu on ühiskonnas tekkinud sellele emotsionaalne vastuseis. Ometi on tuumaenergeetika praegu ainus energeetikaharu, mis fossiilsete kütuste lõppemisel suudab tagada ilmastikuoludest sõltumatu ööpäevaringse elektrivarustuse. Tähtis osa tuumaenergia abil elektri tootmises on ka kaasproduktina saadaval soojusel, mis võimaldaks meie linnasid kütta.

Tuumaenergeetika tooraineks on siiani peetud uraani, mille hulk maakeral on 5,3–6,4 miljonit tonni. See on väga suur ressurss, kuna 1 kilogrammi loodusliku uraani lõhustumisel saadakse 123 000 kW∙h energiat. Võrdluseks: 1 kg kivisöe energiasisaldus on 9 kW∙h ja põlevkivil 1,3-3,1 kW∙h.

Tänapäeval on kasutusel mitmeid erinevaid tuumareaktoritüüpe, millel kõigil on üks ühine nimetaja – nad kasutavad tahket tuumakütust, mis on paigutatud kütusevarrastesse. Tuumalõhustumise käigus vabanev soojusenergia tuleb neist varrastest kiiresti eemale juhtida, muidu võivad kütusevardad sulada. Sulamine ongi tuumareaktorile kõige suuremaks ohuks. Väljavaade, et väikseimagi tõrke tõttu jahutussüsteemis on katastroof käes, pole just hea. Sellepärast ongi jahutussüsteemid kuni neljakordse dubleerimisega ehitatud.

Kui aga sulatada tuumakütus kohe üles ja juhtida reaktorit vedelas olekus? Selline lahendus on ajaloos olemas.

Tuumafüüsik A. M. Weinberg (1915–2006) asus 1945. aastal juhtima Ameerika kuulsaimat tuumalaborit Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Tema patenteeritud on 1945. aastal ka tänapäeval kasutatavad kergveereaktorid. Uurimistöö arenedes jõudis Weinberg uudse lahenduseni – sulatatud soola keskkonnas toimava reaktorini.

1965. aastal alustas tööd 7,4 MW katsereaktor, mis töötas edukalt kuni 1969. aastani. USA valitsuse nõudmisel projekt suleti ja külmutati. Sulasoolareaktoril oli mitmeid eelised teiste reaktoritüüpide ees, aga tal oli ka üks puudus, mis ilmselt sai otsustavaks – temaga ei saanud toota materjali tuumarelva valmistamiseks. Tänapäeval on see omadus pigem voorus kui puudus...

Järgnevas videos räägib Sandor Liive tuumajaama võimalikkusest Eestis:


Sulatatud soola reaktor ehk sulasoolareaktor

Reaktori töökeskkonnaks on sulatatud sool (LiF, BeF2), milles on lahustatud lõhustatav aktiivaine. Aktiivaineks sobivad uraan, plutoonium, toorium. Eriti huvitav on just tooriumi kasutamise võimalus.

Toorium on tuumamassiga Th232 kergelt radioaktiivne metall, mis neelab hästi neutroneid ja muutub uraaniks U233. Selle isotoobi lõhustumisenergia on ligilähedane U235 energiale (24 000 000 kWh/kg).

Tooriumi aktiivne varu on 5,3 miljonit tonni, aga tähelepanuväärne on see, et üle 99% tooriumist on looduses isotoobina Th232. Uraanis on tema väärtuslikumat isotoopi U235 vaid 0,71%. Seega saab looduslikust tooriumist 200 korda rohkem energiat kui looduslikust uraanist.

Tähtis on ka lõhustumise jääkproduktide kogus ja  poolestusaeg. Jääkprodukte tekib palju vähem, suisa 206 korda vähem kui loodusliku uraani lõhustamisel ja tekkinud  jääkidest saab 83% taaskasutada tööstuses ja meditsiinis. Selleks on vaja neid hoida vaid 10 aastat stabiliseerimiskambris. Ülejäänud 13% jääkide poolestusaeg on keskmiselt 30 aastat. Kui hoida neid  jääkprodukte 10 poolestusaega ehk 300 aastat, on nad juba sellise ohutuse tasemega, et neid on lihtne utiliseerida.

Sulasoolareaktori kiituseks tuleb veel lisada, et reaktori töötemperatuur on 700 oC ja ta töötab normaalrõhul. Võrreldes sulasoolareaktorit  kergveereaktoritega, kus töötemperatuurid on 285–315 oC ja rõhud 75–158 baari, on normaalrõhul töötamine suur eelis: väheneb tehnilisest rikkest tingitud avariioht. Samuti on kõrgemate temperatuuride juures kergem avariilise olukorra puhul tagada jahutust. Jahutid võib teha passiivsed, seega pole neid vaja ka dubleerida, sest passiivjahuti töötab igal juhul. Sulasoolareaktori heaks omaduseks on veel negatiivne temperatuuritegur, st et reaktori kuumenedes sool paisub ja tõrjub osa kütusest reaktori aktiivalast välja ning reaktor hakkab taas jahtuma.

Tänu neile omadustele saab sulasoolareaktorit ehitada väga kompaktsena, töökindlana ja kerge juhitavusega. Hinnataseme orienteeruvaks suurusjärk on 100 MWel reaktori investeeringu vajadus ca 2000 $/kW ehk 200 miljonit dollarit. Sellist reaktorit saab tänu oma kompaktsusele tehases valmistada ning ühes tükis lõppkasutaja juurde transportida. Reaktori elueaks prognoositakse 40 aastat.

Sulasoolareaktori turvalisus

Sulasoolareaktori hea omadus on isestabiliseerumise võime. Vaatleks siinkohal neid turvalisust tagavaid tegureid punktiloendi vormis:

  • Temperatuuri liigse tõusu korral hakkab toorium paremini neutroneid neelama, sellega pidurdub ahelreaktsiooni kiirus.
  • Temperatuuri tõustes soolalahus paisub ja surub osa lõhustuvast materjalist reaktori aktiivtsoonist välja.
  • Keemiliselt stabiilne soojusülekande vedelik – sulatatud fluoriidid ei põle, ei plahvata, ei lagune isegi väga kõrgel temperatuuril ja tugevas radiatsioonikeskkonnas.
  • Madalsurveline reaktoriruum – reaktor võib töötada atmosfäärirõhul või kuni       6 baarise rõhu all. Kergveereaktori töörõhud on vahemikus 75–158 baari.
  • Lekke ja plahvatuskindel – madala surve tõttu on materjaliväsimuse         tekkimise tõenäosus väike.
  • Lõhustumisjääkide kerge ja kiire eraldamine reaktorist
  • Väike tuumakütuse hulk aktiivtsoonis – kergem juhtida ja ohutum.
  • Passiivse jahutussüsteemi kasutamise võimalus, pole vaja jahutussüsteeme dubleerida.
  • Aktiivtsooni "avariipunn" – õhuventilaatoriga jahutatakse ühte toru osa mis ühendab aktiivtsooni avariipaakidega. Kui mingil põhjusel elekter kaob ja torule külma õhku peale ei puhuta, siis sulab torus olev sool üles ja reaktori sisu koos tuumakütusega voolab avariipaakidesse.
  • Jäätmetes pole pika poolestusajaga osiseid. 300 aastaga on kõik kütusejäägid stabiliseerunud.
  • Sulasoola reaktor võimaldab "põletada" ka olemasolevaid kergveereaktori tuumajäätmeid.
  • Sulasoolareaktorit ei saa kasutada tuumapommi materjali tootmiseks.

Ökonoomia ja tõhusus:

Ökonoomilist aspekti iseloomustavad järgmised punktid:

  • Toorainet Th232 on sama palju kui pliid, Tooriumi hind oli 2011 aastal 30$/kg.
  • Tooriumi kulub vähe, sest 99% tooriumist on tuumakütuseks sobilik isotoop.
  • Sulasoolareaktori ehitamiseks pole vaja haruldasi metalle ega mineraale.
  • Termodünaamiline kasutegur on kõrge, gaasiturbiiniga – 45%, veeauruturbiinil näiteks vaid 33%.
  • Läbitöötanud kütusest 83% saab taaskasutada tööstuses ja meditsiinis.
  • Kütuse lisamine ja heitmete kõrvaldamine toimuvad reaktori töö ajal, pole vaja reaktorit seima jätta.
  • Hea skaleeritavus, reaktori võib teha vahemikus 10 MW kuni 1000 MW võimsusega.
  • Sulasoolareaktorit saab kasutada ka õhkjahutusega reziimis, seega pole vaja suurt veekogu reaktori lähedusse.

Järgnevas videos on "Aktuaalse kaamera" uudis sulasoola reaktori tasuvusuuringute tegemise kohta:

 

Hillar Toomiste artikkel on varem ilmunud ajakirjas Keskkonnatehnika ning kohandatud aastaarvude ja võimsuse statistika osas.

* Hillar Toomiste parandus 17. juunil. Varem oli artiklis kirjas 2950–4750 €/kW.

Toimetaja: Marju Himma



Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: