1 "Põlevkivi ja teised fossiilsed kütused" Loengukursus „Maailma energeetika akadeemia" Andres Siirde Tallinna Tehnikaülikool 21.03.2016
1
"Põlevkivi ja teised fossiilsed kütused"
Loengukursus „Maailma energeetika akadeemia"
Andres Siirde
Tallinna Tehnikaülikool21.03.2016
Loengukava
Palutud on mul rääkida: - Mis on põlevkivi eripära, kuidas on see võrreldes teiste kütustega - Põlevkivi maailmas, kus ja kui palju - Palju on Eestis põlevkivi ressurssi - Põlevkivikeemia, mida toodetakse, mida selleks vaja on - Põlevkivielekter, palju elektrijaamu on, kauaks neid jätkub - Põlevkiviõli, erinevad tootmisvarad, umbkaudne omahind,
tulevikuperspektiivid
2
Kuidas me defineerime, mis on kütus?
Kütusteks (kütteaineteks) loetakse aineid, mis täidavad järgmisi põhilisi tingimusi:
-küllaldane varu või taastuvus looduses, -hea kättesaadavus ja suhteliselt lihtne tootmine, -reageerimiskiirus oksüdeerijaga toimub kiiresti, -põlemissaadused ei saasta ohtlikult keskkonda.
3
Fossiilkütused
Fossiilkütuste all mõeldakse erinevaid söeliike, naftast saadud kergekütteõli (ahjukütus, küttepetrool), põlevkiviõli, maagaasi ja teisi mittetaastuvaid fossiilsest orgaanilisest ainest pärinevaid kütustena kasutatavaid aineid.
Tekketingimustelt võib fossiilsed kütused jaotada kahte ritta:söerida – sedimentogeense orgaanilise ainega rikastatud kivimid mida nimetatakse kaustobioliitideks,
naftarida – migratsiooni tõttu oma algsest tekkekohast lahkunud ja süsivesinikfluidumeist tekkinud vedelad ja gaasilised ained
Söerida jaotatakse omakorda kahte rühma:humiidid (huumuskütused)sapropeliidid (sapropeelkütused)
4
Fossiilkütused (II)
Huumuskütused:
Sütt jätkub maailmas tänaste tarbimismahtude järgi ca 500 aastaks, 60-70% varudest on Venemaal, Hiinas, USA-s, Austraalias, Indias, Saksamaal
Sapropeelkütused:
JÕUDSIME PÕLEVKIVINI
5
6
PÕLEVKIVIArvestades maailmas järjestsuurenevat nafta ja naftasaaduste intensiivsetkasutamist, on nõudlustäiendavate alternatiivsetesüsivesinike allikateletulevikus ainult suurenemisesuunas.
Üheks paljulubavaks allikas on põlevkivi, mille ressursid maailmas on piisavalt suured.
Mis on põlevkivi ?Põlevkivi on orgaanilist ainet ehk kerogeeni sisaldav settekivim, mille lähteaineks on olnud ainuraksete organismide, bakterite, vetikate ning zooplanktoni orgaaniline mass. Kerogeen sisaldab peale süsiniku suhteliselt palju vesinikku ja hapnikku, veidike lämmastikku jt elemente nagu väävel ja kloor.
C10
H15.2
O0.93
S0.08
N0.03
Põlevkivid, sõltuvalt leiukohtadest, erinevad nii oma tekkelt, koostiselt, kütteväärtuselt, õli saagiselt jne.
Põlevkivide mineraalosad võivad olla väga erinevad.
Põlevkivi eelised ja puudused koostisest
Orgaaniline osa 10-65% (meil toorainena kasutatavas põlevkivis ~25-35%)
• Sh ~1,8% väävlit
Karbonaatne osa 15-70%
• Sh ~45% CO2
Liiv-saviosa 15-40%
• Sh ~0,5% SO3 ja ~12,3% FeS2
Allikad:
1.http://www.ttu.ee/public/m/Mehaanikateaduskond/Instituudid/soojustehnika-instituut/oppematerjalid/kyte-ventilatsioon/5._Polevkivi.pd
2.https://dspace.utlib.ee/dspace/bitstream/handle/10062/27643/plevkivi_keemiline_koostis.html
3.I.Rooks, 1987
Põlevkivi varud maailmas
Kokku on teada rohkem kui 600 põlevkivimaardlat. Suurim põlevkivimaardla paikneb USA-s. See on nii suur, et võimalik põlevkiviõli maht ületaks kordi kogu Saudi Araabia naftavarusid. Hiinlased küll väidavad, et on avastamas veelgi suuremat maardlat (Junggar) NAFTA VARUD ON ca 1500 bbl
10
Maailma põlevkivivarude jaotus õlisaagise järgi
90-150 l/t
31%
< 45 l/t
25%
45 - 90 l/t
43%
> 150 l/t
1%
11
Põlevkivi tootmine milljonites tonnides ajavahemikus 1880 - 2000
• Põlevkivi tippnõudlus oli Eestis alates 1975 kuni 1982, üle 30 mln tonni aastas;
• Alates 80 - langus oli tingitud Eesti lähedaste aatomjõujaamade Ignalina ja Sosnovi Bor tööleminekust. 90-langus toimus tänu majandusreformidele Eestis
• Vastavalt riigi pikaajalisele arenguprogrammile, on põlevkivi kasutamine täna Eestis piiratud kuni 20 mln tonni aastas
Ajalugu20. sajandi alguses oli Eestis peamine energiatooraine turvas. 1922. aastal moodustas põlevkivi kõigest 10,6 protsenti primaarenergiaressursist. Esialgselt kasutati põlevkivi vedurikoldes, seejärel hakati üha enam põletama põlevkivi ka tööstuskateldes. Kasutati peamiselt tolleaegsele standardile vastavat tükkpõlevkivi suurusega 40 millimeetrit ja seda põletati tavaliselt puitkütusele ettenähtud restil.
Peagi leiti, et põlevkivi sobib oma mineraalosa koostise poolest hästi tsemendiklinkri põletamiseks pöördahjus. Nii oligi põlevkivi esimene tööstuslik suurtarbija 1920. aastatel Kunda tsemenditehas, mille pöördahjud viidi 1921 .a täielikult üle põlevkiviküttele.
Tähtis etapp põlevkivienergeetika ajaloos algas Tallinna soojuselektrijaama üleviimisega põlevkiviküttele 1924. Nimetatud aastat saamegi lugeda põlevkivienergeetika algusaastaks elektrienergia genereerimise tähenduses
12
Ajalugu (II)
Eestis on põlevkivi kasutatud pidevalt kahel eesmärgil: elektri tootmiseks ja vedelkütuse saamiseks.
Esimesed põlevkiviõligeneraatorid alustasid katseliselt tööd 1921. Positiivsete tulemuste alusel rajati Esimese ja Teise maailmasõja vahelisel ajal neli õlitehast, kasutusel olid nii püstretordid, tunnelahjud kui ka katseliselt pöörlevad retordid
13
1933. a Eesti Entsüklopeedia kirjutab: „Tööstuse kütte küsimus on lahendatud õnnelikult põlevkivi tarvituselevõtuga. Kivisöe tarvidus oli veel 1923 a. 29 % üldisest kütusest, nüüd (1930) ligi pool kütet annab põlevkivi”.
14
Ajalugu kokkuvõtvalt
1916 Test mining programm
1918 Commercial oil shale mining started
1924 Commercial oil production was started
1924 Power generation from oil shale was started
1940 11 M tons of oil shale, annual mining capacity 1,7 M Ton
15
Elektritootmise arengud
Construction date Plant MW electricity MW
heat
1930s Tallinn 11
1949–1967 Kohtla-Järve 39 534
1952–1957 Ahtme 20 338
1959–1971 Balti
1624 inc. 4 blocks at 200 MWe and 8 blocks at 100 MWe pulverized firing boilers
686
1969–1973 Eesti
1610 inc. 8 blocks at 200 MWe pulverized firing boilers
84
1995 renovation of turbines, extra repairs of boilers, new electrostatic precipitators, demolition of old blocks
2004 two 215 MW Circulated Fluidized Bed (CFB) units commissioned in Balti and Eesti Power Plant
1616
Mida me saame põlevkivist
1 tonnist põlevkivist saame elektrit või õli tänase tootmistehnoloogiate ja nende kasuteguritega :
1 tonn põlevkivi
(2030 kcal/kg)
125 kg põlevkiviõli ja 35 Nm³ küttegaasi
850 kWh elektrit(8500 elektripirni a’100W põleb 1 tund)
17
Kaevandamine
underground mining opencast mining
reforestation of exhausted opencast areas
enrichment of oil shale
Mõned slaidid poliitikastDiskussioon põlevkivi kasutamisest
18
Kütus Elektritootmine
Põlevkiviõlitootmine
Põlevkivi keemiatööstus
DIMENSIOONID
KESKKONNANÕUDED20 / 20 / 20 +10
TURG
Euroopa energiapoliitika eesmärk „20-20-20”2020. aastaks vähendada kasvuhoonegaaside heiteid 20% võrra ja energianõudlust 20% võrra ja suurendada taastuvenergia osa energia lõpptarbimises 20%ni ning biokütuste osakaalu transpordis 10%ni
Kliimapoliitika, eesmärgid aastani 2050
Eesti energiasektori väljakutsed
PRIMAARENERGIA STRUKTUURI KUJUNDAMINE
KESKKONNAMÕJUDE VÄHENDAMINE
ENERGIASEKTORI EFEKTIIVSUS
PÕLEVKIVI VÄÄRTUSTAMINE
Põlevkivi väärtustamine toimub läbi ahelate, mis algab teadusest ja jõuab majandushüviseni
22
Teadmised on olulised
23
Jõuame sageli mõisteteni:
Põlevkivi ahju ajamine;Põlevkivist õli väljapigistamine/pressimineMadala kasuteguriga põletaminePuidu madala kasuteguriga elektritootmine
Ja tudeng vastab mul eksamil küsimusele „mis on see kütus, mida Ida - Eestis kasutakse suurtes elektrijaamades?“ , et see on fosforiit!
Tänased põlevkivikasutused
24
Kuidas põlevkivist elektrit saadakse
• Elektri tootmiseks on vaja seadet, mis muundaks soojuse pöörlevaks mehaaniliseks energiaks, mis omakorda käitaks elektrigeneraatori. Masinat, kus toimub soojuse muundamine mehaaniliseks tööks, nimetatakse soojusjõumasinaks.
• Kõige levinum soojusjõuseade, mille abil toodetakse elektrienergiat, on auruturbiin. Auruturbiini tööks on vaja kõrge temperatuuri ja rõhuga auru, mis suunatakse selle korpuse küljes olevatesse düüsidesse. Seal suure voolukiiruse ehk kineetilise energia saanud aur suundub turbiini võlli küljes olevatele töölabadele. Labadele suundunud aurujoa jõud paneb turbiini võlli pöörlema ja nii saadakse mehaaniline energia. Termodünaamika terminoloogiat kasutades: auru paisumistöö arvelt saame kasulikku tööd.
25
Aurujõuseadme ringprotsess
Elektri tootmisel muundatakse soojus auruturbiini abil elektrienergiaks. Mida kõrgem on auruturbiini töötemperatuur (auru rõhk), seda efektiivsem on protsess. Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu st. aur tuleb jahutada (kondenseerida). Soojusallika ja jahutaja temperatuuride vahe määrab protsessi (Carnot’ ringprotsessi) kasuteguri.
26
Selleks, et aur saaks voolata ja paisuda, peame tekitama turbiini taha alarõhu ehk vaakumi. Prantsuse füüsik Denis Papinavastas 1690. aastal, et kui auru kondenseerida, saabki tekitada vaakumi. Auru kondenseerumiseks on aga vaja seda jahutada
Põlevkivi katel
27
Rankine ringprotsess
28
29
Keevkihttehnoloogia võrdlus tolmpõletusega Tolmpõletus Keevkiht SO2 sidumine 80 % 100 % SO2 2000 mg/Nm3 0 – 20 mg/Nm3 NOx 300 mg/Nm3 90 – 170 mg/Nm3 Lendtuhk < 200 mg/Nm3 < 30 mg/Nm3 Võrku antav elekter 28-30% 34-36% CO2 kg/kWhe 1.18 kg/kWhe 1.0 kg/kWhe
30
Eestil on ulatuslik kogemus põlevkivi kasutamisel energia tootmiseks
-1960
Keskrõhu tolmpõletus
keskmine kasutegur
25%
1960
Balti SEJ
kävitamine
1624MW
1959-1966
keskmine kasutegur
27%
1970
Eesti EJ käivitamine
1615 MW
1969-1973
keskmine kasutegur
30%
2000
Kahe energiaploki
renoveerimine
430MW
2001-2004
keskmine kasutegur
37%
2012-
Alustatud uue 300 MW ploki
ehitust
oodatav kasutegur
≥40%
Uus tehnoloogia on suurendanud üldist tõhusust ja vähendanud keskkonnamõju energia tootmisel
Kuidas kõrge kasutegur saadakse?
Nagu oli eespool: kõrged auruparameetrid ja võimalikult madal jahutustemperatuur kondensaatoris
Ja auruparameetrid saadakse katla konstruktsiooniga
Iga katel projekteeritakse kindla kütteväärtuse ja koostisega kütusele.
31
Kas puiduga saab kõrgeid parameetreid?
Saab, Tallinna, Pärnu ja Tartu uutes koostootmisjaamades on kõrged parameetrid 110 atmosfääri ja 540 kraadi. Need on ÜLIHEAD, kõrgemaks ei saa täna
Aga Narva, temal on veel kõrgem 150 atmosfääri, 540 kraadi ja isegi 160 atmosfääri 560 kraadi
32
Seega puidu ja põlevkiviga koos …
… saame ka puidu osas kõrged parameetrid ja seega SAAME KÕRGE ELEKTRITOOTMISE KASUTEGURI
Ja kui me ehitaks vaid puidukatla, siis see on kallim kui põlevkivi või põlevkivi+puidukatel.
Aga kas me rikume põlevkivikatelt puiduga?Ei, sest puit ja põlevkivi on suhteliselt sarnased.Söe ja puidupõletamisel küll võib tulla see, et katla kasutegur langeb ja piir on koguses
33
Peamised väljakutsed tulevikku
Tolmpõletustehnoloogia lõpetamine Auru ülekriitilised parameetrid nn teisel 300 MW
plokil: kasutegur ≥44% Tuhaärastuse moderniseerimine- kuiv
tuhaärastus Põlevkivi koospõletamine teiste kütustega sh
põlevkiviõlitootmise kõrvalproduktid CO2 kinnipüüdmine (CO2 emission capture)
34
Põlevkivist õlitootmine
35
Põlevkiviõli tootmiseks kasutatav tehnika
meetod – tehnoloogiline protsess –tehnoloogia– tehniline lahendus
36
37
Kaks erinevat tehnoloogiat
KIVITER GALOTER- SHC-Petroter-ENEFIT
VKG Grupp tootmiskompleks
38
39
Tooted, kaastooted, keemiatooted
40
41
Põlevkivi peenkeemia
• epoksüvaike EPOX-b-4 ja EPOX-b-2
• vaiku SF-281
• karbamiidvaigud UF30 ja UF-15P
• fenoolformaldehüüdvaiku PF-3014
• õlivärvi, resoli, honeyoli, honeyol RFK-d
• 2 metüülresortsiini
KOKKU ca 2000 tonni aastas
Põlevkiviõli tootmisel energia jagunemine
42
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
teoreetiline tegelik õlitootmine
66%54%
15%
18%
14%24%
5% 5%
fenoolvesi
poolkoks
retortgaas
põlevkiviõli
Põlevkiviõli tootmiseks vajaminevad protsessid, kuluv energia ja emiteeruv CO2
43
Utmisprotsessi etapp
Vajaminev soojus MJ/t õli
kg CO2/ t õli
1 Lähtepõlevkivi kuivatamine –kuivatustsoon, veeaurude kuumenemine protsessi temperatuurini
5513.6 596.3
2 Kuiva põlevkivi kuumenemine protsessi temperatuurini
4346.2 470.1
3 Põlevkivi termiline lagunemine- pürolüüsiprotsess
850.3 92.0
4 Pürolüüsiprotsessis tekkinud õlide aurustumine
334.9 36.2
6 Karbonaatide lagunemine 375.6
KOKKU 1570.2
Koostis toodeteks/tuluks pöörata
Orgaaniline
Energia
Mineraalne
Võtmeküsimus: kui suur osa põlevkivist tooteks
Petroter I, II 2014 a
Elekter poolkoksigaasist
Aur ja kaugküte poolkoksigaasist
Poolkoksigaasi eksport
Turustatavad kaubaõlid
Auru ja küttevee energia eksportPeendispersne koks
Petroteride põlevkivi tarbimine
Elektri tarbimine
Elektri tarbimine
Ettevõttesisene Välistarbija
Väärtusahelas kasutamata võimalused
• Põlevkiviõlist mootorkütuste tootmine
• Peenkeemia tooted
• Koksigaasi veeldamine vs import LNG
• Energiaefektiivsuse tõstmine
• Tsemendi tootmine
• Ehitusmaterjalid, paneelid, plokid
• Tuha, aheraine killustiku kasutamine teedeehituses
Järeldused (I)• Põlevkivitööstus on läbi aegade (80 aastat) olnud Eesti majandusele
oluline komponent ja toonud kasumit.
• Läbi aegade on põlevkivitööstuse toodang olnud oluline ekspordis.
• Nii põlevkiviõli kui põlevkivi elektri realiseerimine/müük on ka varasematel aegadel sõltunud „turutingimustest“ ja jääb ka tulevikus sõltuma avatud turust ja turutingimustest.
47
Järeldused (II)
• Põlevkivis sisalduv energia leiab pea täit võimalikku kasutust (väärtustub) kui tootes põlevkiviõli kasutatakse ära ka kaasnevaid saadusi, nagu poolkoks/generaatorgaas, samuti tuha järelpõletamist ja jahutamist koos suitsugaasidega kas soojuse või elektritootmiseks. Põlevkivituhk peab leidma kasutuse tsemendi/ehitusmaterjalide tööstuses. Tuhaväljale ladestunud CaO rikas tuhk seob uuesti karbonaatidest tekkinud CO2
48
Järeldused (III)• Põlevkivi kui ressursi väärtustamine ning säästva
ressursikasutuse arenguvõimalused saavad toetuda vaid meie oskustele ja teadmistele.
• Teadmisi ja oskusi on järjepidevalt endas kandud meie teadlased ja insenerid (valdavalt keemikud, soojustehnikud, mäetehnikud).
• Põlevkivi ei saa kunagi lõpuni uuritud. Tema lõplikuks tundmaõppimiseks on veel palju tööd teha. Selleks on vaja tagada teadlaste ja inseneride järjepidevus ja
jätkusuutlikus.
49
KOKKUVÕTE
LAHENDUS EI OLE ÜHES KONKREETSES ENERGIAALLIKAS,
TEHNOLOOGIAS EGA INVESTEERINGUS, VAID NENDE
OPTIMEERITUD PÕIMIMISEL ÜHTSEKS TERVIKSÜSTEEMIKS
50