Kõige tähtsam on energia


 

[Andres Kuusk  2011-2015]

 

 

Palju aastaid tagasi alustas akadeemik Juhan Ross looduseteemalist teadusettekannet instituudi nõukogus sõnadega "Kõige tähtsam on vesi". Kahtlemata oli akadeemikul õigus. Nii kogu elu kui olulised atmosfääriprotsessid Maal on seotud veega ja kujundatud vee iseäralike füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolt. Energiavajadus kõikvõimalikes looduslikes protsessides ja inimtegevuses on nii enesestmõistetav, et see justnagu ei vajagi meeldetuletamist. Tänapäeva inimühiskonnas on energia roll siiski täiesti erandlik. Kogu tsivilisatsiooni-eelse aja ja viis tuhat aastat ajaloolist aega oli inimese energiavajadus loodusega tasakaalus. Liigse kuuma eest varjuti või jahutati veega, külma peletamiseks põletati lõkkes või koldes maalt ja metsast kogutud kütet. Igasuguseks tööks ja liikumiseks vajalik energia oli inimese või loomade lihaste energia, tuule ja voolava vee energia. Kogu see energia oli oma päritolult inimese ajaskaalas hiljuti akumuleeritud Päikese kiirgusenergia - möödunud päevade, nädalate või kuude kestel tuule ja voolava vee kineetiliseks energiaks teisenenud kiirgusenergia, kütustes mõnekümne kuni sajakonna aasta kestel fotosünteesi tulemusena akumuleeritud kiirgusenergia. Kütuste vajadus ei olnud ligilähedanegi juurde kasvava küttematerjali hulgale.

 

Põhimõtteline rajajoon energia kasutuses ja päritolus on kolmsada aastat tagasi inglase Thomas Newcomeni ja šotlase James Watti poolt aurumasina leiutamine. Nüüd osutus võimalikuks kasutada mehaanilise energia saamiseks taimede poolt fotosünteesis akumuleeritud Päikese kiirgusenergiat, kusjuures pole oluline, kui palju aega tagasi see energia on kogutud. Liikumisenergia allikaiks said kütused - küttepuud, turvas, kivisüsi, nafta, maagaas, põlevkivi. Need on kütused, millesse on Päikese kiirgusenergia kogutud väga pika aja kestel ja väga ammu. Turbas on viimase 10000 aasta kestel kogutud energia, põlevkivis on Päikese kiirgusenergia akumuleeritud 450 miljonit aastat tagasi. Inimkond hakkas oma enrgiavajadust rahuldama ammumöödunud aegadel ja inimese elueaga vörreldes väga pika aja kestel Maale saabunud Päikese kiirgusenergiaga, mis oli salvestatud maapõues ladestunud fossiilkütustes. Need varud tundusid masinate ajastu algusperioodil olevat ammendamatud.

 

Äratundmine, et meie ümmargusel Maal ei ole loodusressursse piiramatult, hakkas tekkima möödunud sajandi keskpaigas. Möödunud sajandi seitsmekümnendail loodud esimesed globaalse arengu mudelid (World2, World3, Meadows et al., 1972 jt.) ennustasid drastilisi muutusi inimkonna arengus 21. sajandi esimesel poolel, mis on tingitud kiirelt kasvavast elanikkonnast, taastumatute loodusvarade otsalõppemisest ning keskkonna reostumisest. Tollased prognoosid said rohke kriitika osaliseks, ennekõike majandusinimeste ja poliitikute poolt. Peamisteks etteheideteks oli, et matemaatilised mudelid lähtusid olemasolevaist ühiskonna käitumismallidest ning tehnoloogiatasemeist. Mudelid näitasid küll, kuidas oleks vaja olemasolevaid suhteid muuta, et tagada ühiskonna stabiilsus, aga ei pakkunud välja mingeid mooduseid vajalike muutuste teostamiseks. Kriitikud arvasid, et teaduse ja tehnoloogia areng ning inimühiskonna teadlik sekkumine ühiskonna protsessidesse tagab stabiilse globaalse käitumise.

 

Nüüd - ligi nelikümmend aastat hiljem, kui Maa elanike arv on jõudnud seitsme miljardini, on kõige olulisemad näitajad nagu elanikkonna kasv, energiavajadus, taastumatute loodusressursside kasutus, keskkonna saastatuse kasv ning tööstustoodangu ja toiduainete tootmine elaniku kohta järginud tollaste prognooside põhistsenaariumi, mis ennustas, et inimkond ei suuda hoiduda seniseist käitumis-, tarbimis- ja majandamismudeleist, mis olid ja on võimalikud ainult piiramatute loodusressursside korral. Hakkab silma Rooma klubi ennustuste mõningane analoogia NLKP programmiga. NLKP programmis lubati, et käesolevale põlvkonnale saab osaks ... Siin analoogia lõpeb. Osaks ei saa mitte õnn elada kommunismis vaid kataklüsm, kus kogu inimkonnal tuleb muuta elukorraldust.

 

Teemal, et kas oleks aeg hakata mõtlema, kuidas elada edasi, kui pole enam fossiilkütuseid ja teisi maavarasid, on lähiminevikus ka Eestis, ennekõike Sirbis ja Rohelises Väravas olnud mitu ühe või teise nurga all seda probleemi analüüsivat kirjutist. Kõigi loodusvarade peatset lõppu ennustajatele oponeerivad optimistid, et inimene on leidlik ja leiab väljapääsu küll uute maardlate otsimisega, küll uute tehnoloogiatega. Energiaallikate (ennekõike nafta ja gaasi) kõrval on hakatud märkama ka haruldaste metallide vajaduse murettekitavat lähenemist teadaolevatele varudele. Ometi on energiaallikate ja muude maavarade vahel üks oluline ja põhimõtteline erinevus. Inimese poolt loodud asjades, materjalides ja seadmetes keemilised elemendid ei muutu. Nad jäävad loodud asjadesse mingiks ajaks ning lähevad kasutusest välja asjade kuludes või utiliseerides. Põhimõtteliselt on võimalik need ained uuesti kokku koguda ja uuesti kasutusse võtta, kuigi see on raske ja kulukas ning palju energiat nõudev.

 

Fossiilkütuste põletamisel niisamuti keemilised elemendid ei muutu. Kütuse põletamisel jääb süsinik süsinikuks, vesinik vesinikuks, hapnik hapnikuks, aga fotosünteesi poolt fossiilkütuses salvestatud energia vabaneb. Põlemisel saadavat soojusenergiat kasutatakse väga mitmel viisil - ruumide kütteks, tehnoloogilistes protsessides vajaliku temperatuuri saamiseks, elektri tootmiseks, kõikvõimalike masinate liikumapanemiseks. Lõppkokkuvõttes muutub kogu kütuste põletamisel saadud soojus ikkagi heit-soojuseks, mis lahkub Maalt ilmaruumi pikalainelise soojuskiirgusena. Maailmaruumi lahkunud pikalainelist kiirgusenergiat ei ole mingilgi moel võimalik taaskasutusse võtta. Inimese jaoks on ärapõletatud fossiilkütus ära kasutatud lõplikult, seda ei ole võimalik taastada.

 

Fotosünteesi aktiivsem kasutamine energia salvestamiseks - nn energiataimede (energiavõsa, teravili, suhkruroog, hein jms) kasvatamine annab mõningast leevendust inimese energiamurele. Kahjuks on fotosünteesi kasutegur energia salvestamisel üpriski väike, keskmiselt 3-6% (Renewable biological systems for alternative sustainable energy production, FAO Agricultural Services Bulletin, 1997). Estonia kaevanduse väljal on energiatootlus 36 GJ/m2. Nii suur kogus energiat saabub päikesekiirgusena umbes 12 aasta jooksul, aga fotosünteesi vahendusel nii suure energiakoguse salvestamiseks kulub aega väga palju rohkem.  Põlevkivilade moodustus umbes 15 miljoni aastaga.  Kogu saabunud päikesekiirgusest salvestatakse näiteks küttepuudesse väga väike murdosa.   Metsa tagavara juurdekasv Eestis varieerub sõltuvalt puuliigist ja kasvukoha headusest väga suurtes piirides. Hinnanguliste arvutuste jaoks võib hektari tagavara juurdekasvuks lugeda umbes 6 tihumeetrit aastas. Tihumeetri kuiva puidu kaal on umbes 500 kg ja kuiva puidu kütteväärtus 20 MJ/kg (Metsamajanduse teatmik. Koostanud I. Etverk. Valgus, Tallinn, 1980). Nii salvestab hektar metsa aastas umbes 60 GJ, aga hektarile metsale saabub aastas 3.5x104 GJ päikesekiirgust (Russak, V. ja Kallis, A. Eesti kiirguskliima teatmik. EMHI, Tallinn 2003), millest umbes 10-15% peegeldub tagasi, nii et hektar metsa neelab umbes 30000 GJ päikeseenergiat aastas. Seega on metsa kasutegur päikeseenergia salvestina 60/30000 = 0.002. Puudega ahju küttes muutub toasoojaks 0.1-0.2% metsas neeldunud päikesekiirgusest.

 

Globaalne primaarproduktsioon aastas on umbes 53.5x1015 grammi süsinikku (2000-2009 keskmine, Zhao & Running, 2010). See ületab kõigest veidi rohkem kui kuus korda fossiilkütuste põletamisel kuluvat süsiniku hulka. 2010. aastal paisati fossiilkütuste põletamisega atmosfääri 30.6 Gt CO2, selles on 8.35 Gt süsinikku (8.35x1015 grammi). Suur hulk primaarproduktsioonis seotud süsinikust ringleb looduses inimesele kättesaamatult. Metsa- ja maastikupõlengud viivad atmosfääri tagasi umbes sama palju primaarproduktsioonis seotud süsinikku kui fossiilkütuste põletamine. Metsast puulehtede ja väheviljakatelt või raskesti ligipääsetavalt maastikult rohu kogumisele kulub energiat rohkem kui sealt kokku kogume. See kord salvestatud energia vabaneb sealsamas kõdunemise käigus. Võrreldes inimese poolt kasutatava fossiilkütuste hulgaga on kõdunemata jääva orgaanilise aine hulk, mis võiks taastoota fossiilkütuseid, olematu.

 

2005. aastal katsid biokütused umbes 12% energiavajadusest, fossiilkütused 81%. Bioenergia kasutamise kõige optimistlikumad prognoosid pakuvad aastaks 2050 taset 400 EJ aastas, mis on üle 80% 2005. aasta globaalsest energiakasutusest. Seda optimismi on raske jagada. Fotosünteesil tuginevale energeetikale seab piirid taimede kasvuks sobiliku maa hulk - sedasama maad on vaja inimestele ja kariloomadele toidu kasvatamiseks.

 

Tublisti suurem on globaalne tuuleenergia ressurss. 2010. aastal oli installeeritud tuulegeneraatorite võimsus 194.4 GW, potentsiaalne elektrienergia toodang 430 TWh/a, mis moodustab ~2.5% elektritoodangust (How Much Wind Energy is there? – Brian Hurley – Wind Site Evaluation Ltd.). Globaalne majanduslik tuuleenergia ressurss on 20000-50000 TWh/a maismaal ning kaasates rannikualasid kuni 1.1 EWh/a, s.o. 72-180 EJ/a kuni 4x1021 J/a, mis ületab kaugelt praegust globaalset energiavajadust. Probleemiks on tuuleenergia akumuleerimine ja transportimine. Tuulegeneraatorite tuule tugevusest sõltuv võimsus tekitab probleeme elektrivõrkudes, kui tuuleenergia osa ületab 20% koguvõimsusest.

 

Võib ju küsida, et miks mitte tuumaenergia. Tänapäevastes tuumajaamades kasutatav raskete tuumade lagunemisel vabanev energia on kunagi salvestunud kosmiline energia. Raskeid tuumi ei teki Maal, neid on võtta just nimelt nii palju kui neid on praegu olemas ja inimkonna energiavajadustega võrreldes ei ole tuumajaamas kasutatavate isotoopide varud sugugi piiramatud. Inimajaloo mõistes piiramatud on tuumasünteesiks sobivate kergete tuumade varud, aga kuigi püüded kasutada energia saamiseks kergete tuumade sünteesi on vist küll inimajaloo kalleim teadusprojekt, ei ole majanduslikus mahus kergete tuumade süntees veel silmapiiril. Võib juhtuda, et fossiilkütused lõpevad enne kui inimene suudab hakata kontrollima kergete tuumade sünteesi. Omaette probleem on tuumaohutus - tuumasaaste kauakestvus ja tuumareaktorite ülisuur võimsus, s.t. energiatootmise tohutu kontsentreeritus ja sellega seotud riskid ning (elektri)energia jaotamisega seotud kulud.

 

Üsnagi suured kogused fossiilkütuseid kuluvad ruumide kütteks. Siin on mõningaid teisi võimalusi. Ruumide parem soojapidavus vähendab kütusekulu. Ruume saab kütta ka soojuspumpade abil maapinnas akumuleerunud soojusenergiaga. Nii kasutatakse maapinnal neeldunud Päikese kiirgusenergiat ilma fotosünteesi vaheastmeta. Suur "aga" on, et vajadus ruume kütta ja selleks vajalik maa on tasakaalus ainult hõreasustusega piirkondades.

 

Päikesepatareide energia, tuule-elekter ja hüdroelekter on samuti ilma fotosünteesi vaheastmeta kasutatavaks muudetud Päikese kiirgusenergia. Probleemiks on niisuguse energia akumuleerimine. Tänapäevased elektriakud ei suuda salvestada energiat tööstuslikus mahus. Arvatavasti on mitte väga kauge tuleviku peamine energiasalvesti vee elektrolüüsil saadav vesinik.

 

Kokkuvõte ei saa olla ülearu optimistlik. Imre Madáchi "Inimese tragöödias", kui Päike on tuhmunud, palub Eskimo Luciferi:

 

Ma oma naabrid küll

kõik maha olen löönud, aga ikka

taas uued ilmuvad, ja nõnda napp

on hülgesugu. Kui sa oled jumal,

siis tee, et oleks vähem inimesi

ja rohkem hülgeid!

 

Aurumasina leiutamisest möödunud kolmesaja aastaga on inimese energiavajadus sedavõrd kasvanud, et on ületamas määra, mis taimkate - ainuke energiat kestvalt akumuleeriv süsteem - suudab salvestada. Vahe kaetakse fossiilkütustega, mis on väga pika aja kestel hoiule pandud Päikese kiirgusenergia. Inimene ei ole enam loodusega tasakaalus, ta kasutab möödunud aegadel kogutud energiaressursse rohkem kui on võimalusi nende taasloomiseks. Niisugune disbalanss ei saa kesta igavesti, fossiilkütused lõpevad ammu enne kui tuhmub Päike. Väljapääsuks saab olla ainult energia tarbimise ja taastuvenergia tasakaalu viimine. Tasakaalu saavutamiseks on ainult kaks võimalust - kas inimkond õpib vähema energiaga läbi ajama või õpib fotosünteesist efektiivsemalt kasutama ning pikaajaliselt salvestama Päikeselt saabuvat kiirgusenergiat.

 

Viited

 

Imre Madách, Inimese tragöödia. Tõlkinud Jaan Kross. Eesti Raamat, Tallinn, 1970.

 

Zhao, M. and Running, S.W. , 2010, Drought-induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through 2009. Science, 329, 940-943.

 

World energy resources and consumption, from Wikipedia, the free encyclopedia

 

 

Lisainfot

 

Suured ühikud

 

 

k

kilo

103

M

mega

106

G

giga

109

T

tera

1012

P

peta

1015

E

eksa

1018

Z

zetta

1021

 

 

Süsinik ja CO2

 

 

Globaalne primaarproduktsioon aastas on 53.5x1015 grammi süsinikku - 2000-2009 keskmine.

 

Raschke, IGARSS'2012: GPP ~120 Gt/a - see on kogu biomass.

 

Globaalne energiakasutus 479 EJ/a, sealhulgas:

 

süsi

121

25,3%

nafta

168

35,0%

gaas

99

20,7%

tuuma-

30

6,3%

hüdro-

11

2,2%

bio-

48

10,0%

muu

2

0.5%

 

 

 

Fossiilkütused moodustavad 81% kogu energiakasutusest, 388 EJ/a = 11 Pg C/a.

 

Globaalne bioenergia kasutus on umbes 50 EJ/a. Kõige optimistlikumad bioenergia kasutamise prognoosid küündivad 300-400 EJ/a.

 

2010. aastal paisati fossiilkütuste põletamisega atmosfääri 30.6 Gt CO2, 1.6 Gt rohkem kui eelmisel aastal. Selles on 8.35 Gt süsinikku.

 

Globaalsed metsa ja maastiku tulekahjud üle 350 miljoni hektari 2000. aastal.

 

Globaalsest bioproduktsioonist umbes 9x1015 g C põleb tulekahjudes, 1.5x1015 g C/a kasutatakse bioenergiana. Umbes 40x1015 g C /a ringleb vabalt - kõdunemine, hingamine.

 

Maismaalt CO2 eritumine atmosfääri, Raschke, IGARSS'2012: ~60 Gt/a taimkatte respiratsioon, ~ 50 Gt/a varise kõdunemine ja eritumine mullast.

 

Hinnanguliselt kolmandik fossiilkütustest vabanenud süsinikust seotakse ookeanis.

 

Metsad katavad 30% maismaast, neist 96% looduslikud, 4% istandused. Metsamaal keskmiselt 109 t/ha biomassi, selles ~1/4 süsinikku, ehk umbes 25 t/ha.

 

Eestis oli 2008. aastal 2.2 Mha metsamaad, metsamaa üldtagavara on 442x10^6 tm, keskmine hektaritagavara 200 tm/ha.

 

Tihumeetri kaal (50% vett) kilogrammides:

 

kask

790

lepp

650

kuusk

560

mänd

625

haab

600

 

 

Kuivas puus on umbes 50% süsinikku.

 

Söe kütteväärtus on 22-24 MJ/kg. Antratsiidis 86% süsinikku, kütteväärtus umbes 34 kJ/g. Põlevkivi kütteväärtus on 4.9–11.3 MJ/kg.

 

Tuuleenergia

 

Tuuleenergia installeeritud võimsus 2010. aastal 194.4 GW, potentsiaalne toodang 430 TWh/a, s.o. ~2.5% elektritoodangust.

 

Tuuleelektrit kogu elektrist (2010):

 

Taani

21%

Portugal

18%

Hispaania

16%

Iirimaa

14%

Saksamaa

9%

 

 

 

Veel lugemist samal teemal

 

 

Fiona Harvey, World headed for irreversible climate change in five years, IEA warns, The Guardian,  9 November 2011,

 

Heinimö, J., Junginger, M. (2009) Production and trading of biomass for energy – An overview of the global status. Biomass and Bioenergy, 33(9), 1310-1320.