Saateks Energia on ühiskonna tähelepanu keskpunktis. Kivisöe ja muude tahkete fossiilkütuste (sh ka põlevkivi) kaevandamine ja põletamine, mis pani 18. sajandi lõpul maailmas aluse tööstusrevolutsioonile, on tunnistatud kliimamuutusi tekitavaks keskkonnaohtlikuks tegevuseks. Nafta- ja maagaasimaardlad on maailmas juba pikemat aega suurriikide poliitilise võitluse tandriks. Alates 1973. aastast on maailm Araabia naftaembargo, Iraani revolutsiooni ja Pärsia lahe sõdade tõttu muutunud energeetiliselt väga ebastabiilseks. Kui toornafta hind oli kuni 1973. aastani üsna stabiilne, siis pärast seda on see hakanud lühikeste ajavahemike jooksul kordades muutuma. USA energeetikaministeerium (Department of Energy, DOE) on arvamusel, et jätkuv rahavool õlinäljastest riikidest õlitootjatele, eelkõige OPEC-i riikidele, suurendab maailmas terrorismiohtu. Energeetikaministeeriumi arvates tuleks võimalikult kiiresti saavutada energiasõltumatus Araabia õlitootjatest ja seeläbi ka rahvuslik energiajulgeolek. Euroopa on sattunud poliitilisse sõltuvusse Venemaa gaasi- ja naftatarnetest, eriti torkab see silma 2014. aastal alanud Venemaa ja Ukraina vahelise poliitilise ja sõjalise kriisi taustal. Fossiilkütuste varud pole piiramatud, nende leiukohtade avastamine ja kasutuselevõtt ning kütuste tootmine muutuvad üha kallimaks. Juba pikemat aega on otsitud alternatiivseid energeetilisi lahendusi. Tuumaenergia on heidutav ja hullutav reaalsus, mille tõenäolised ohud peituvad mitte niivõrd tehnoloogias kui inimestes enestes. Katastroof Tšernobõlis pani paljudes riikides seisma tuumaenergeetika arengu pikkadeks aastateks. Vajadus fossiilkütuste tarbimist vähendada toob aga majandusmeeste mõtted paratamatult tuumaenergia juurde tagasi. Tavakodanikud, kelle jaoks elekter ja raha tulevad piltlikult öeldes „seinast“, on nende plaanidele kategooriliselt vastu. Kas on olemas ka muid võimalusi? Loomulikult on. Enam kui 50 aasta kestel on püütud taltsutada termotuumaenergiat (fusioonenergiat), kuid praegu on see meie jaoks endiselt terendavaks miraažiks 150 miljoni kilomeetri kaugusel asuval päikesel. Maailmas on fusioonenergeetika tulekut oodatud nagu messiast, kes peaks kohe-kohe saabuma, kuid kahjuks pole veel kohale jõudnud. Algul rangelt salastatud termotuumauuringute projektid on avalikustatud, sest suurriikide poolt loodetud tulemusi strateegilise ülemvõimu saavutamiseks pole enam kui 50-aastase arendustöö kestel saadud. Raha eraldamine projektidele jätkub nüüd juba projektidesse kaasatud teadlaste survel. Prantsusmaa lõunaosas Cadarache lähedal on pooleli ITERi (International Thermonuclear Experimental Reactor) nimeline projekt 500 MW võimsusega termotuumareaktori ja -elektrijaama ehitamiseks. Probleeme selle projekti edukaks lõpuleviimiseks on kuhjunud tohutult. Samas on tulnud ka optimistlikke teateid firmalt Lockheed Martin, kes plaanib lähemal kümnendil valmis ehitada kompaktse termotuumajaama, mille võimsusest piisaks kuni 100000 elanikuga linna elektriga varustamiseks (vt ka http://www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html). Kalifornias asuv firma Tri Alpha Energy kuulutas 2015. aasta augustis uuest läbimurdest termotuumareaktori tehnoloogias. Saab see kõik teoks? Päikese- ja vesinikuenergeetika rakendusi loodetakse Euroopa energiatehnika strateegilise kava kohaselt laiemalt (u 10% ulatuses ja spetsiifilistes rakendustes) 20 kuni 30 aasta pärast. Mõlema energialiigi kasutuselevõtu arendamine on kestnud aastakümneid ja on olnud äärmiselt kulukas. Päikeseelementide ja vesinikul põhinevate kütuseelementide tööpõhimõte on tuntud juba üle saja aasta. Arendustöö tulemusena on saavutatud ka märgatavat edu. Päikeseelektri rakendamine laieneb. Kütuseelemendid on leidnud kindla koha kosmoses ja sõjanduses. Tulevikus loodetakse vesinikku, eelkõige kui puhast kütust, kasutada elektriautodes. Töökindlate ja majanduslikult
tasuvate suurrakendusteni pole aga veel jõutud. Arvestades aga, et puhast vesinikku Maal tegelikult ei leidu ning vesiniku näol on tegemist kunstliku kütusega, ei saa selle toel üles ehitada mõistlikku energiamajandust. Ka vesiniku kogumine energia salvestamiseks on selle gaasi eriliste omaduste tõttu küllaltki keerukas. Kelle või mille peale tuleks meil energeetikas loota? Kas neile, kes soovitavad metsainimestele stepiinimese energiasäästlikke põhkmaju, kuigi ka puidust majad on nii vastupidavad kui ökoloogilised? Kas poliitikute peale, kelle teadmised energeetikast on sageli ebapiisavad ning otsused tuginevad valdavalt poliitilistele huvidele? Kas teadusjuhtide ja -rahastajate peale, kes kohalikust elust võõrdununa mängivad Eesti maksumaksja rahaga maailmateaduses ja väikest edulootust pakkuvate triljonidollariprojektide kasiinos? Või loota õige tee valikul energiatootjate tarkuse peale ja põhimõttele, et „turg paneb asjad paika“? Küsimusi on rohkem kui vastuseid. Füüsika üks põhiseadusi on energia jäävuse seadus - energia ei teki ega kao, vaid muutub ühest olekust teise. Energia ringkäik looduses on tervikprotsess, mis sisaldab endas nii energia kontsentreerimist kui ka energia hajutamist. Maa energiabilansi aktivast moodustab suurema osa päikeseenergia. Väike osa Maa pinnale saabuvast energiast tuleb Maa sisemuses toimuvatest tuumalagunemise protsessidest. Tänapäeva inimene tarbib kogu oma tegevusega Maale saabuvast päikeseenergiast (kui kaasa arvata ka fossiilkütuste tarbimine) vaid ühe kümnetuhandiku. Bioloogiliste ja keemiliste protsesside tulemusena on päikeseenergia miljonite aastatega kontsentreerunud fossiilsetes kütustes. Päikeseenergia kontsentreerub ka Maa kliimakatlas, mäestike liustikes vee potentsiaalse energiana, tuule ja merelainete kineetilise energiana. Peale energia kontsentreerimise toimub looduses pidevalt energia hajutamisprotsess. Selle tulemusena kiirgub suur osa päikeselt Maale saabunud energiast kosmosesse tagasi. Liustikud sulavad ja jõed voolavad mägedest ookeani. Tuule ja lainete jõud raugeb. Inimene kasutab väga väikest osa looduses ringlevast energiast. Meelsamini kasutab inimene suure kütteväärtusega kütuseid, milles energia on kõige enam kontsentreerunud. Hajutatud energia kasutamine on alati kallim, sest tuleb teha kulutusi energia kontsentreerimiseks. Biokütuste kokkukogumine suurtelt põllu- või metsaaladelt nagu ka elektri või vedelkütuste tootmine on energia kontsentreerimine. Elekter ja suure kütteväärtusega vedelkütused on väärtuslikud kontsentreeritud energialiigid, mida saab hõlpsasti kasutada tööstuses (majanduses tervikuna) või olmes masinate liikumapanemiseks ja mugavuste (soojus, valgus) loomiseks. Energia nn kasutamine või tarbimine pole aga tegelikult midagi muud kui energia taashajutamine loodusesse. Hajutatud energiavarud maal on praktiliselt piiramatud. Hajutatud energia kasutuselevõtuks on tänapäeval olemas soojuspumbad, päikesepaneelid ja päikese-elektripatareid. Hajutatud energia kasutamisel on seadmete võimsus otseselt sõltuv pindalast, millelt energiat kogutakse. Kuigi pinnaühikule langev maksimaalne päikeseenergia võib olla kuni 1 kW/m2, on keskmine võimsus suurusjärgu võrra väiksem. Kaod muunduris vähendavad keskmist kasulikku võimsust veelgi. Energia eelneva kontsentreerimiseta on päikese-elektri muundurite kasutegur alla 20%. Päikese elektri- või soojusjaamade puhul vähendab nende tõhusust teenindamiseks ja abiseadmete jaoks vajalik lisapind. Seega võtab 1 MW päikeseelektrijaam enda all mitu hektarit maad, seejuures põhjamaises Eestis kaks kuni kolm korda rohkem kui Vahemere-äärses Kreekas või Egiptuses. Siinkohal tuleb tähelepanu juhtida ka asjaolule, et taastuvenergia (tuule- ja päikesejaamade) puhul on installeeritud võimsus
kordades suurem nende jaamade keskmisest tootmisvõimsusest. Euroopa energiatehnoloogia strateegilises kavas on hinnatud päikeseelektrijaama paigaldamiseks ja käigushoidmiseks vajalikku inimtööjõudu, mis ekspertide arvates ulatub kuni 50 inimeseni 1 MW kohta. Õhksoojuspumba ühikvõimsus on piiratud ümbritseva õhu vahetuse ja ventilaatori võimsusega ning on tavaliselt suurusjärgus mõnest kilovatist kuni mõnesaja kilovatini. Suurte õhksoojuspumpade paigutamisel on aga kindlasti vaja arvestada kohalikke keskkonnaolusid. Maasoojuspumba ühikvõimsus sõltub maasse paigutatud torustiku pikkusest ja sellega haaratavast pindalast. Niiskema pinnase puhul on soojusülekanne efektiivsem. Veekogude läheduses on otstarbekas hankida soojust veest. Sel juhul võib ka soojuspumba ühikvõimsus olla küllalt suur (n 100 kW). Seega, põhjamaises niiskes kliimas ja niiske (soise) pinnase või veekogude läheduses on energia kontsentreerimine soojuspumpadega tõhusam kui lõunamaises kuivas kliimas. Pealegi kasutatakse seal soojuspumpa ümberpööratult ehk õhukonditsioneerina jahutamiseks. Soojuspumpade tehnoloogia on hästi välja arendatud ja soojuspumpade hooldamiseks kulub vähe tööjõudu. Soojuse tootmisel on soojuspumpadel tulevikuenergeetikas kindel koht. Soojuspumpade parimaks integreerimiseks ehitistesse sõltuvalt inimese vajadustest, tuleb teha veel palju arendustööd. Energia muundamisega kaasnevad alati kaod ehk toimub energia hajutamine keskkonda. Seepärast tuleks võimaluse korral vältida energia korduvat muundamist. Päikeseenergiat saab kasutada nii soojuse kui elektrina. Meie kliimavööndis tundub kõige kasulikum olevat päikesesoojuse rakendamine ja seda eelkõige energeetiliselt optimaalselt projekteeritud ehitistes. Tuuleenergeetikas peitub nii ohte kui ka võimalusi. Õige lahenduse leidmine nõuab põhjalikku kaalutlemist ja väga erinevate asjaolude arvestamist, sh keskkonnamõjusid, mõju elektrivõrgule, majanduslikku tõhusust, reguleerimise võimalusi ja salvestusvõimaluste olemasolu. Elektrienergia on kõige väärtuslikum energialiik, sest seda saab kõige lihtsamalt muundada teisteks energialiikideks (mehaaniliseks tööks, soojuseks, valguseks). Elektri peamiseks probleemiks on see, et toodetud elekter tuleb kohe ka ära kasutada, sest võimalusi elektrienergia salvestamiseks on väga vähe. Elektritootmine soojusjaamades (sh tuumajaamades) toimub eelistatult konstantse võimsusega. Tarbitava võimsuse sesoonne ja ööpäevane muutumine nõuab elektritootmise pidevat reguleerimist, mis omakorda vähendab selle majanduslikku tõhusust. Elektritootmine tuule- või päikesejaamade abil on väga muutlik protsess. Lühikese aja jooksul võib võimsus muutuda nullist maksimumini või vastupidi. Kuna elektri suurte energiakoguste salvestamise võimalused praktiliselt puuduvad, siis otsitakse tuule- ja päikesejaamadele toeks tasakaalustavaid võimsusi kiiresti käivitatavate soojusjaamade (nt gaasiturbiinjaamade) näol. Kahjuks on niisugustes jaamades toodetud elekter mitu korda kallim kui püsitalitluses töötavast jaamast saadav elekter. Tulevikuenergeetika plaanimisel on vaja mõtlemise paradigma muutust. Tuleb loobuda püüdlustest toota konstantse võimsusega energiat, mida taastuvenergia puhul ei õnnestu saavutada. Tuulejaamad seadmetena on täiuslikud, kuid nende juhuslikult toodetud energia on praeguste arusaamade järgi kasutuskõlbmatu. Elektrienergia suuremahuline salvestamine tootja juures on võimalik, kuid praegustes oludes majanduslikult kulukas ja raskesti realiseeritav idee. Alternatiivsete elektrijaamade poolt toodetava ja suurtes piirides juhuslikult muutuva võimsusega elektrit saaks tasakaalustada elektritarbijate kaasamisega energia reguleerimise protsessi. Sellest mõttest on välja kasvanud nn tarkvõrkude (Smart Grids) idee.
Olukord muutuks radikaalselt, kui tarbija loobuks mugavusest kasutada konstantse hinnaga energiat igal ajahetkel ja lepiks suurtes piirides ning kiiresti muutuva elektri hinnaga. Vahel võiks siis saada energiat väga odavalt, kuid mõnel teisel ajal tuleks energia eest maksta kordi rohkem. See käivitaks ka tarbija leidlikkuse varuda endale odavat energiat või plaanida energiamahukad tööd ajaks, mil odav elekter on saadaval. Tootmise süvenev automatiseerimine ja robotiseerimine aitaks tootmist ka ajaliselt nihutada ning paremini sobitada energeetiliste võimalustega. Konstantse võimsuse tarbija leiaks tõenäoliselt ka võimaluse, kuidas olukorrast välja tulla, nt ehitades endale elektri- või energiasalvestusjaama. Nende mõtete edasiarendus tähendab elektri reaalajatariifi kehtestamist, kusjuures energia hind tuulejaamade võimsustippude ajal väheneb automaatselt ning tarbijate automaatseadmed reageerivad viivitamatult võimalusele saada odavat energiat. Vastupidisel juhul - kui elektrit võrgus napib (nt kui tuulevaiksel ajal jaamad seisavad), kasvab reaalajatariifiga määratud elektri hind tarbija jaoks väga kiiresti. Tarbija eelprogrammeeritud automaatseadmed otsustavad kalli energia ostmisest loobuda ja lülitavad end välja. Energia tarbimine võrgus väheneb ja toodetud ning tarbitud energia võimsused tasakaalustuvad. Odava energia perioodidel on tarbijal võimalus ka energiat salvestada. Näiteks, elekterkütte korral saab soojust salvestada hoone soojussalvestisse ning kalli elektri perioodil tarbida salvesti soojust. Kasuliku soojushulga võimendamiseks sobiksid omakorda soojuspumbad. Väikeste tuulejaamade maksimaalvõimsuse odavat energiat võivad tarbida akulaadimisjaamad kõikjal, kus elektrienergiat varutakse akudesse. Elektriautode turuletulekul saab korraldada ka autoakude laadimise tuulikute odava tipuenergiaga. Odavat hetke energiat saaksid paindlikult kasutada olmetarbijad, nt veeboilerid ja pesumasinad. Juba praegu on mõnes väiksemas piirkonnas olemas kõik eeldused vastavate infotehnoloogiliste seadmete ja andmevõrkude loomiseks ning reaalajatariifi katseliseks juurutamiseks. Reaalaja tariifi rakendamine, elektrivõrkude ajakohastamine, vastava infotehnoloogilise baasi ja oskusteabe väljaarendamine võiks olla Eesti jaoks sajandi projekt, millest tulevikus võiksid võtta eeskuju kõik maad, kes kavatsevad ulatuslikult rakendada tuule ja päikese hajutatud taastuvenergiat. Olme- ja tööstustarbijatele vajalikud kontrollerid koos tarbimise optimeerimise tarkavaraga võiks olla Eesti tööstuse eksporttoode. Eesti senine infotehnoloogiline areng on näidanud meie võimekust. Infotehnoloogia integreerimine moodsa energeetikaga viiks Eesti maailma tehnoloogilise arengu tippu. Kui alustada kohe, võiks juba mõne aasta pärast käivitada piirkondliku pilootprojekti. Teatav katseperiood näitaks kätte edasised võimalused juhuslikult toodetud energia tarbijapoolseks reguleerimiseks. Põhieesmärgina annaks reaalaja tariifi realiseerimine mitte ainult taastuvenergia tootmise olulise laiendamise, vaid ka suure stiimuli energiatarbimise optimeerimiseks. See raamat keskendub uuele olukorrale elektritootmises, -tarbimises ning võimalikule probleemide lahendusele tarkvõrkude abil.
-varustuses
ja
Tõnu Lehtla
Sisukord 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Elektrivarustuse üldprobleemid Energiaallikad ning nende potentsiaalne kasutatavus „Rohelise energeetika“ tulevikuvisioon ja kaasnevad illusioonid Elektri- ja energiaturud ning turuhinna kujunemine Energiapoliitika, globaalsed muutused ja oodatavad energiahinnad Energiakasutus ja keskkonnaprobleemid
11 11 21 34 39 46
2 Elektrivarustuse uued väljakutsed 2.1 Energiatõhususe, kasuteguri ja energiasäästu mõisted 2.2 Sisemajanduse kogutoodangu sõltuvus energiakasutusest 2.3 Elukvaliteedi ja inimarengu indeksi sõltuvus elektritarbimisest 2.4 Energiamuundamise ahelad ja muundamise kasutegurid 2.5 „Arukad“ tarbijad ja nende koostöö elektrivõrguga 2.6 Elektri hajatootmine ja kahesuunalise energiavooga tarbijad 2.7 Elektriturg ja tariifid 2.8 Elektrivõrgu toitevõimsused ja võimsuste tasakaal 2.9 Energiasüsteemi stabiilsus 2.10 Energia salvestamine ja tarbijapoolne võimsuse tasakaalustamine 2.11 Elektrivõrkude uuendamine 2.12 Alalisvooluvõrgud ja nende võimalik areng 2.13 Kokkuvõte: uued väljakutsed
55 60 67 69 70 73 78 82 85 92 100 103 110 121
3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9
Toitepinge kvaliteet madalpingevõrkudes Pingekvaliteedi põhimõisted Pingekvaliteedi uurimine Madalpingevõrkude pingekvaliteedi parameetrid Toitepinge sagedus Toitepinge suurus Lühiajalised võrgusageduslikud pingehälbed Toitepinge ja -voolu harmoonilised moonutused Toitepinge muutustega seotud värelus ehk flikker Toitepinge asümmeetria
123 124 129 133 134 136 146 152 158 159
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Pingekvaliteedi mõju elektriseadmetele Pingetaseme reguleerimisvahendid Pingehälbed nõrkades võrkudes Toitepinge harmooniliste moonutuste mõju tarbijatele Tarbitava aktiiv- ja reaktiivvõimsuse sõltuvus pingest Aktiiv- ja reaktiivvõimsuse pingesõltuvuse katseline määramine Ettepanekud pingekvaliteedi parandamiseks
163 164 166 173 178 179 182
5 Elektri tarkvõrkud (Smart Grids) 5.1 Tarkvõrgu põhimõisted ja põhimõttemudelid 5.2 Tarkvõrgu valdused ja nende kirjeldused 5.2.1 Kliendivaldus 5.2.2 Turuvaldus 5.2.3 Teenindusvaldus
185 185 189 189 194 200
5.2.4 Talitlusvaldus 5.2.5 Suurtootmisvaldus 5.2.6 Edastus- ja jaotusvaldused 5.3 Tarkvõrgu teolised 5.4 Tarkvõrgu kasutusmudelid 5.5 Tarkvõrkude pilootprojektid 5.6 Tarkvõrgud, mikrovõrgud ja Euroopa supertarkvõrgu idee
201 205 208 211 219 225 226
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
Tarkvõrgu kasutusmudelite kirjeldus Territoriaalne oluteadmus Nõudluskaja Elektri salvestamine Elektrisõidukid Jaotusvõrgu haldamine Raalmõõtetaristu
229 229 232 235 237 241 243
7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6
Tarkvõrgu oluliste teoliste kirjeldused Arukad elektronseadmed ja alajaamade automaatika Koormuse haldussüsteem Talitlusjärelevalve ja andmehõivesüsteemid (SCADA süsteemid) Energiahaldussüsteem Võrku ühendatavad ja võrgust laetavad elektrisõidukid Virtuaalsed elektrijaamad
247 247 255 260 263 266 270
8 Tarkvõrkude küberturve ja elektroenergeetika Kirjandus
273 278
Tarkvõrgu sõnastikud Inglise-Eesti Eesti-Inglise Lühendisõnastik
279 279 287 295