You are here

ENERGIASÜSTEEMID – elektrijaamad ja tarbijad juhtmeid pidi üksteise küljes

Energiaressursid ja energeetika arengutase mõjutavad riikide arengut ja inimeste heaolu üha suuremal määral, kõrgtehnoloogia vajab aina kvaliteetsemat elektrienergiaga varustamist. Loomulikult vajatakse selleks energiasüsteeme, kus toimub elektrienergia ülekanne ja jaotamine. Milline on energiasüsteemide eripära Eestis ja nende arendamise võimalused?

Maailma elektritarbimine kasvab paar protsenti aastas. Prognoositakse, et 2050. aastal on elektri tarbimine üle kahe ja aastal 2100 üle kolme korra suurem kui praegu. Iga riigi elektritarbimise kasvuprotsent sõltub majanduskasvust ja moodustab umbes poole sellest.

Riigi varustamisele elektrienergiaga esitatakse palju nõudmisi.

  • Elektri varustuskindlus peab vastama kehtestatud nõuetele.
  • Elektrienergia kvaliteet (sagedus, pinged jm) peab vastama kehtestatud nõuetele.
  • Elektrienergia genereerimine, edastamine ja jaotamine peab olema majanduslikult ökonoomne nii ööpäevaringselt kui ka nädala ja aasta jooksul. Majanduslik ökonoomsus tähendab seda, et elektrit tuleb genereerida nii, et fossiilsete jm kütuste kulu, mõju keskkonnale ja muutuvad tegevuskulud oleksid minimaalsed ning et hüdroelektrijaamade veeressursse kulutatakse võimalikult efektiivselt. Seejuures peavad protsessid ja seadmed vastama ohutuse, keskkonnahoiu jm nõuetele.
  • Energiasüsteemis tehtavad investeeringud peavad olema ökonoomsed pikaajaliselt, 50–70 aasta lõikes.
  • Elektrienergia hind peab olema nii madal kui võimalik ning nii kõrge kui tarvilik.
  • Elektri hind peab olema konkurentsivõimeline nii elektrijaamade kui ka elektri edastajate, jaotajate ja tarbijate seisukohast.

Tarbijate varustamiseks elektrienergiaga vajatakse energiaressursse ja -süsteeme, kus toimub elektrienergia genereerimine, ülekanne ja jaotamine ning millest tarbijad saavad elektrienergiat tarbida. Energiasüsteemid on väga keerukad tehnilised süsteemid, mille eripära peab elektroenergeetika arengu planeerimisel arvestama. Milline on energiasüsteemide eripära Eestis ja nende siinsed arendamise võimalused?

Energiasüsteemid

Elektrienergia on kõige universaalsem, mugavam ja kvaliteetsem energialiik. Sellest ka elektrienergia laialdane kasutamine. Tarbijale on elekter kõige keskkonnasõbralikum ja piisavalt ohutu energia, kuigi elektrivõimsuste genereerimisel ja edastamisel on alati ka teatud keskkonnamõjud.

Elektrienergia on eriline selle poolest, et seda ei saa salvestada nagu vett või kütuseid, ka on elektri genereerimine, edastamine ja tarbimine pidev ning ühtne protsess, mille toimimiseks peavad generaatorid, elektriliinid ja tarbijate elektritarvitid moodustama suletud vooluahelaid. Arvestada tuleb sellegagi, et elektrivool levib elektriahelates valguse kiirusega.

Nende erisuste tõttu vajab elektrienergia tootmine, ülekanne, jaotamine ja tarbimine süsteeme, mida nimetatakse elektrienergiasüsteemideks või lühidalt energiasüsteemideks.

Energiasüsteem on tehniline süsteem, mille moodustavad teatud territooriumil asuvad elektrijaamad ja neid omavahel ning tarbijate elektriseadmetega ühendavad elektrivõrgud. Elektrivõrgud koosnevad ühtsest ülekande- ehk põhivõrgust ning jaotusvõrkudest. Energiasüsteemi talitlust juhib energiasüsteemi operaator (joonis 1 trükinumbris).

Energiasüsteemis toimub praktiliselt samaaegselt ühtse protsessina elektrienergia genereerimine, ülekandmine, jaotamine ja tarbimine. Seejuures valitseb igal ajahetkel tasakaal genereeritava võimsuse ehk elektrijaamade summaarse koormuse ja energiasüsteemist tarbitava võimsuse ehk energiasüsteemi summaarse koormuse ja võimsuskadude summa vahel.

Kuna tarbitav võimsus muutub pidevalt ja ka jaamades genereeritav võimsus võib mitmel põhjusel väheneda, tuleb energiasüsteemis aktiiv- ja reaktiivvõimsust pidevalt reguleerida. Aktiivvõimsust tuleks reguleerida nii, et aktiivvõimsuste bilanss oleks täidetud nimisageduse juures. Sagedus peaks püsima vahemikus 50. Reaktiivvõimsuste bilanssi reguleeritakse olulistes sõlmedes selleks, et pinged võrkudes püsiksid nimiväärtuse lähedal. Kui seda ei tehta, ei suuda energiasüsteem tagada tarbija nõuetekohast varustamist elektriga.

Ühendenergiasüsteemid

Ühendenergiasüsteem on mitme energiasüsteemi ühendus, millel võib olla ühendsüsteemi operaator, kuid see võib ka puududa. Võrreldes üksiku energiasüsteemiga on ühendsüsteem suurema häiringukindlusega ja selles püsib sagedus stabiilsemana, ühendsüsteemi summaarne koormusgraafik on ühtlasem jne. Lisaks sellele pakub ühendsüsteem tunduvalt laiemaid võimalusi elektrikaubanduseks, energiaturgude organiseerimiseks ning energiaressursside ja -süsteemide tõhusamaks kasutamiseks-arendamiseks.

Tänapäeval on maailm täis suuri energiasüsteeme ja ühendenergiasüsteeme. Väikestes riikides on tavaliselt ainult üks ühtne energiasüsteem, millega on ühendatud kõik riigi territooriumil asuvad elektrijaamad ja tarbijad. Suurtes riikides võib olla palju piirkondlikke energiasüsteeme, mis on omavahel ühendatud ühendenergiasüsteemideks. Suure riigi ühtne energiasüsteem võib koosneda mitmest ühendenergiasüsteemist ja igas neis võib olla mitu piirkondlikku energiasüsteemi.

Eesti energiasüsteem on ühendatud vahelduvvooluliinide abil Läti ja Venemaa energiasüsteemiga ning nende kaudu ka paljude teiste maade süsteemidega (joonis 2 trükinumbris). Soomega on meie energiasüsteem ühendatud alalisvoolu merekaabli abil. Eesti, Läti ja Leedu moodustavad Balti ühendenergiasüsteemi. Varasematel aastatel oli Balti ühendenergiasüsteemil Riias ka dispetšjuhtimise keskus. Nüüd on see likvideeritud ja energiasüsteemide talitlust koordineeritakse vastavate komisjonide ja lepingutega. Eesti energiasüsteemis on sama sünkroonne sagedus, mis on Venemaa ühtses energiasüsteemis, kuid alluvussuhted sealse operatiivjuhtimiskeskusega puuduvad.

Kõikides energiasüsteemides, mis on omavahel ühendatud vahelduvvooluliinidega, on ühesugune sünkroonne sagedus. Sagedust reguleerib sel juhul kõige suurema genereerimisvõimsusega süsteem. Venemaa ja Balti riikide ühenduses teeb seda Venemaa energiasüsteem. Euroopa sünkroonse sagedusega piirkonnad on näidatud joonisel 3 (vt trükinumbris). Üks maailma suuremaid ühendenergiasüsteeme on Mandri-Euroopa ühendenergiasüsteem UCTE, mis ühendab 24 maa energiasüsteeme ja kust saavad elektrienergiat 450 miljonit inimest. Aastal 2009 moodustati Euroopa Liidu energiasüsteemide operaatorite ühing BALTSO-E, kuhu kuulub ka Eesti.

Energiasüsteemi koormuse muutumine on väga keerukas juhuslik protsess. Selles on:

  • väga kiired ebaregulaarsed ja väikese amplituudiga muutused;
  • kiired ebaregulaarsed, kuid märgatava amplituudiga muutused;
  • aeglased koormuse muutused, mida kirjeldatakse tabelite ja graafikutena.

Esimese grupi koormusmuutustele elektrijaamad reageerima ei pea, kuid teise ja kolmanda grupi muutustele küll. Teise grupi muutustele reageerivad sageduse ja võimsuse automaatregulaatorid.

Genereeritava võimsuse reguleerimine Mandri-Euroopa ühendsüsteemis on neljaastmeline. Kõigepealt primaarreguleerimine ehk turbiinide kiiruse reguleerimine, teiseks sekundaarreguleerimine ehk sageduse ja võimsuse reguleerimine, kolmandaks tertsiaalreguleerimine ehk reservide ja talitluse optimaalsuse reguleerimine. Neljas on sünkroonaja reguleerimine.

Kõige suurema ulatusega on aeglased energiasüsteemi koormuse muutused. Neid mõõdetakse iga tunni või teatud arvu minutite tagant. Süsteemi koormuse aeglane komponent muutub ööpäevas kaks või enam korda (joonis 4 trükinumbris). Vähemalt sama palju peab olema energiasüsteemis reguleeritavat elektrijaamade võimsust. Hommikul koormus suureneb kiiresti ja saavutab maksimumi 9–10 paiku. Teine koormuse maksimum esineb õhtuti kella 20–22 paiku. Üsna vähe tarbitakse elektrit öösel 3–4 vahel. Siis kipub genereeritavat võimsust üle jääma.

Joonisel 5 (trükinumbris) on näidatud Eesti energiasüsteemi koormuse aeglase komponendi ühe talvise ja suvise nädala graafikud. Energiasüsteemi aasta koormusgraafik on toodud joonisel 6 (trükinumbris).

Elektrijaamad

Elektrijaamade tüüpe on palju, kuid eksisteerib ainult kaks jaama tüüpi, mis suudavad üksinda reguleerida aktiivvõimsuste bilanssi kogu ööpäeva ja nädala ulatuses. Need on piisavalt suurte veehoidlatega hüdroelektrijaamad ning sellised soojuselektrijaamad, kus genereeritavat aktiivvõimsust saab elektri tarbimise ja genereerimise tasakaalustamiseks pidevalt muuta.

Aktiivvõimsust reguleerivateks soojuselektrijaamadeks on peamiselt kondensatsioonturbiinidega tavasoojus-elektrijaamad. Võimsuste bilansi reguleerimisel võivad osaleda ka gaasiturbiin-elektrijaamad, diiselelektrijaamad ning soojusakuga või kondensatsioonturbiinidega varustatud soojuse ja elektri koostootmisjaamad.

2006. aasta maailma elektrijaamade installeeritud võimsuste struktuuri näeme jooniselt 6 (trükinumbris): tavasoojuselektrijaamade võimsus moodustas 68,6 protsenti, hüdroelektrijaamade võimsus 19,4 protsenti, tuumajaamade võimsus 9,4 protsenti ja muude jaamade võimsusi (kaasa arvatud tuulikud ja päikeseelektrijaamad) oli 2,6 protsenti.

Elektrijaamade sobivus energiasüsteemi

Veehoidlatega hüdroelektrijaamad sobivad kõige paremini võimsuste ja sageduse reguleerimiseks. Need võivad katta kogu koormusgraafikut, töötada baaskoormusjaamana või katta ainult tippkoormusi. Hüdroelektrijaama reguleeritavus sõltub veehoidla suurusest ja vee juurdevoolust. Väga suure veehoidlaga hüdrojaamad suudavad reguleerida aastast koormust. Väiksemate veehoidlatega jaamade abil korraldatakse nädalast või ööpäevast reguleerimist. Narva hüdroelektrijaam suudab osaleda kogu nädala koormusgraafiku reguleerimisel. Hüdroagregaadi genereeritavat võimsust on võimalik kiiresti muuta vahemikus nullist saja protsendini. Neid võib mõne minutiga käima panna või seisma jätta ning reguleerimisest tingitud energiakadu on hüdrojaama puhul tunduvalt väiksem kui soojuselektrijaamas.

Hüdroelektrijaama puudus on selle energiaressursi ebatäpne prognoositavus ja sõltuvus piirkonna sademete hulgast. Väheste sademetega aastatel võib veest puudus tulla.

Orgaanilisi kütuseid põletav kondensatsioonelektrijaam on aurukatla ja kondensatsioonturbiiniga soojuselektrijaam. Kütusena kasutatakse kivisütt, pruunsütt, põlevkivi, maagaasi, turvast või masuuti. Suured energiaplokid peavad töötama ööpäevaringselt. Nende seisma jätmine ööseks ja käivitamine hommikul ei ole tehniliselt võimalik ja mõjub seadmetele kahjulikult. Tahke kütusega kondensatsioonplokkide koormus on reguleeritav vahemikus 50–100 protsenti ja gaasi puhul 30–100 protsendi ulatuses nimivõimsusest. Reguleerimiskadu on soojuselektrijaamas tunduvalt suurem kui hüdrojaamas. Seepärast ei sobi kondensatsioonplokid tuulikute genereeritava võimsuse kompenseerimiseks, küll aga suudavad orgaanilisi kütuseid põletavad kondensatsioonjaamad reguleerida genereeritavat võimsust vastavalt süsteemi koormusgraafikule. Energiasüsteemides, kus veehoidlatega hüdroelektrijaamad puuduvad, nagu Eesti ja Taani, on orgaanilist kütust põletavad kondensatsioonelektrijaamad ainsad, mille abil on võimalik genereerimist vastavalt energiasüsteemi koormuse muutumisele reguleerida.

Tuumaelektrijaam on kondensatsioonelektrijaam, kus aurukatel on asendatud tuumareaktoriga. Tuumareaktor on ette nähtud töötamiseks püsiva koormusega. Tuumajaam võib katta koormusgraafiku baasosa, kui süsteemis on piisava võimsusega veehoidlatega hüdroelektrijaamu. Võimsusbilansi reguleerimises tuumajaam ei osale. Tuumajaama ehitamine vajab üle kahe korra suuremaid investeeringuid kui sama võimsusega kivisöe- või põlevkivielektrijaama ehitamine. Neile lisanduvad tuumajaama likvideerimise kulud. Avariidega kaasneb radioaktiivse saastamise oht. Reaktori juhitamatuse või lõhkemisega kaasnevad katastroofid võivad hävitada tuumajaama ja muuta jaama ümbritseva territooriumi kümnete tuhandete kilomeetrite ulatuses elamiskõlbmatuks.

Tuumajaamu ehitatakse energiasüsteemidesse, kus on piisavalt reguleeritavaid hüdroelektrijaamu. Nende puudumisel tuleks energiasüsteemi ehitada vastav pumphüdrojaam. Energiasüsteemi, kus on ainult tavasoojuselektrijaamad, tuumajaam ei sobi. Seoses avariidega Tšernobõli ja Jaapani tuumajaamades on hakatud tuumajaamu maailmas sulgema.

Gaasiturbiinjaamad on ette nähtud tippkoormuse katmiseks ja avariireserviks. Nende kasutamine koormusgraafiku pidevaks reguleerimiseks ei ole otstarbekas gaasi kõrge hinna ja madala kasuteguri tõttu väikestel koormustel.

Soojuse ja elektri koostootmisjaam toodab üheaegselt nii soojust kui elektrit. Selline jaam töötab vastavalt soojuskoormuse graafikule ja toodab elektrit ainult kõrvalsaadusena. Võimsuse bilansi reguleerimises koostootmisjaam ei osale. Ainult need koostootmisjaamad, kus on soojusaku või auru vaheltvõttudega kondensatsioonturbiinid, suudavad osaleda ka võimsusbilansi reguleerimisel.

Tuuleelektrijaamas genereeritav võimsus sõltub tuule kiirusest ega ole seepärast täpselt prognoositav ja juhitav nagu tavaelektrijaamas. Tuulevaiksetel päevadel ja nädalatel elektrituulikud seisavad. Muutliku tuule puhul on tuuliku genereeritav võimsus mitteprognoositav ja võib muutuda nullist saja protsendini. Väga tugeva tuule korral (üle 20 m/s) tuleb tuulik purunemise vältimiseks seisma jätta. Tuule muutlikkuse tõttu toodavad tuulikud Eestis aastas keskmiselt ainult veerandi nimivõimsusele vastavast toodangust ehk nelja megavatine elektrituulik annab aastas elektrienergiat umbes samapalju kui ühe megavatine tavajaam. Kuna tuulikute võimsus ei ole korreleeritud energiasüsteemist tarbitava võimsusega, suurendavad elektrituulikud võimsuste kõrvalekaldeid, mida tavajaamad peavad kompenseerima. Seni kuni elektrituulikute koguvõimsus on väike (alla viie protsendi süsteemi maksimaalvõimsusest) energiasüsteem tuulevõimsuse fluktuatsioone ei tunneta ja neid võib mitte kompenseerida. Kui aga energiasüsteemi ühendatud tuulikute koguvõimsus ulatub sadadesse või tuhandetesse megavattidesse, tekitavad need tõsiseid sageduse ja süsteemide vaheliste võimsuste reguleerimise probleeme. Samuti ohustavad suure võimsusega tuulepargid elektriülekannete püsivust ja vähendavad töökindlust.

Kuna elektrituulikud võivad tundideks või isegi nädalateks seisma jääda, ei suuda ükski elektrituulik ega tuulepark ilma tavaelektrijaamadeta tagada tarbijate elektrienergiaga varustamist nüüdisaegses mõttes. Seejuures peavad energiasüsteemi tavaelektrijaamad kompenseerima elektrituulikute genereeritava võimsuse muutusi. Kui seda ei tehta, läheb suurem osa elektrituulikute genereeritavast energiast naaberenergiasüsteemidesse ja nende tavaelektrijaamad peavad need muutused kompenseerima.

Vajadus tavaelektrijaamade järele seejuures ei vähene, vaid suureneb, sest tuulikute asendamiseks peab energiasüsteemis olema tunduvalt enam reguleeritavat võimsust.

Uurimused on näidanud, et elektrituulikute genereeritava võimsuse muutuste reguleerimine soojuselektrijaamadega ei tasu ära, sest reguleerimiskaod soojusjaamades võivad olla tuulikute toodetud energiast suuremad. Tuulikud võivad säästa teatud määral veeressurssi, kui nende võimsusi korvata hüdroelektrijaamadega. Seda põhimõtet kasutatakse Taani-Norra koostöös. Taani varustab oma tarbijaid peamiselt kivisöejaamadest saadud energiaga ja saadab tuulikute genereeritud energia Norrasse, kus on piisavalt reguleeritavaid hüdrojaamu.

Kokkuvõtteks võib öelda, et elektrituulikute lülitamisega energiasüsteemi ei õnnestu lahendada ühtegi elektrivarustuse probleemi, küll aga valmistavad suured tuulevõimsused energiasüsteemidele tõsist peavalu.

Eesti energiasüsteemi tulevik

Loodus ei ole Eestile andnud suuri jõgesid, mis aitaksid toota hüdroelektrienergiat. Kuid meil on oma kohalik fossiilne kütus – põlevkivi. Selle varud on võrdlemisi suured, umbes 12 miljardit tonni.

Meie energiasüsteem on suurenergeetika mõttes ainult soojuselektrijaamadest koosnev süsteem, kus üle 95 protsendi elektrienergiast saadakse põlevkivist. See on Eesti omapära. Meil on suhteliselt tugev põhivõrk, mis on küllalt võimsate vahelduvvooluliinide abil ühendatud Venemaa ja Lätiga ning alalisvoolu kaabli kaudu ka Soomega.

Tulevikus võiks Eesti energiasüsteemi arendada järgmiselt.

  • Suund tuleks võtta optimaalsele energeetikale, arvestades riigi ja praeguste ning tulevaste tarbijate huve: optimeerida energiasüsteem laias laastus alates kaevandamisest kuni energia ja kütuste tarbimiseni.
  • Elektri tootmist põlevkivist on vaja jätkata, sest teisi reaalseid võimalusi pole. Ei maagaas, kütteõli ega kivisüsi ole praeguses olukorras tõsised konkurendid põlevkivile, sest on kallimad, nende hind tõuseb tulevikus kiiremini kui põlevkivil ja pidev varustamine importkütusega pole kuigi kindel.
  • Energeetikat ei tohiks politiseerida, sest:

süsihappegaasi heitmete kaudu kliimat mõjutada ju ei saa,

elektrituulikute koguvõimsust ei ole mõtet Eestis üle 100–150 megavati tõsta, sest meil puuduvad reguleeritavad hüdrojaamad, mis tuulikute võimsusmuutusi asendaks,

tuumajaama ei ole otstarbekas Eestisse ehitada, sest soojuselektrijaamadega süsteemis ei saa tuumajaama kasutada ning tuumajaama ehitamisega seame ohtu Eestimaa ja tulevased põlvkonnad.

  • Energeetika tuleks rohkem siduda teadusega: arendada tunduvalt intensiivsemalt põlevkivienergeetika tehnoloogiaid, energiasüsteemide optimaalset juhtimisteooriat ja meetodeid ning võtta neid kasutusele.

Õigete otsuste tegemine energeetikas on äärmiselt oluline, sest valed otsused tõstavad elektri hinda, raiskavad ressursse ja pidurdavad riigi arengut.

 

MATI VALDMA (1936) on lõpetanud Tallinna Polütehnilise Instituudi 1960 elektrijaamade, -võrkude ja -süsteemide erialal. Tehnikakandidaat (1967), tehnikadoktor (1988), professor (1989). Töötanud Tallinna Tehnikaülikooli elektrisüsteemide kateedri juhataja ning elektroenergeetika instituudi direktori ja energiasüsteemide õppetooli juhatajana. Alates 2004. aastast emeriitprofessor. Tema teadustöö põhivaldkond on energiasüsteemide küberneetika (energiasüsteemide optimaaljuhtimine) ja süsteemiteooria.

Ilmume ka e-ajakirjana: