Taastuvenergiast ilma udujututa

17. apr. 2020 Jaan Paaver, Hugo Treffneri gümnaasium; Kaido Reivelt, Eesti füüsika selts, TÜ koolifüüsika keskus - Taastuvenergiast ilma udujututa kommenteerimine on välja lülitatud
Puupõld energia tootmiseks.

„Maa võib rahuldada inimeste vajadusi, aga see maa ei suuda rahuldada inimeste ahnust.“ Mahatma Gandhi

„Vaat seda ta tõesti ei suuda!“ Fred Jüssi

Ideena on fossiilkütuste põletamise taastuvenergiaga asendamine suurepärane. Aga kas meil jätkuks rohelisest energiast kogu riigi energiavajaduse rahuldamiseks? Mida me peaksime süsinikuneutraalsuse saavutamiseks reaalselt tegema? Need on küsimused, mida soovitame loodusainete tundides käsitleda.

Jaan Paaver.

Energia on üks vaene väärkasutatud sõna. Üleilmne meediapööris toob meile püsiva vooluna teateid energiasammastest, positiivsest vaimuenergiast pakatavatest inimestest, kosmilise energia suunamise nippidest, kivide võnkeenergia aktiveerimisest jms. Rääkimata taastuvenergia mõistest, milleta igapäevane infovoog ei saa päevagi läbi. Kas saaksime energia mõistele tema teadusajaloost pärit auväärse koha tagasi anda?

Energiakontseptsiooni ilu on teatud mõttes selles, et energiakulu on paratamatu. Näiteks inimene võib olla laisk või usin, pikaldane või kiire, aga ta peab sööma. Kui energiavaru lõpeb, kaob peagi ka kiirus ja tublidus. Vähe sellest, isegi laisklemine ei ole enam võimalik. Igasuguste masinate ja nutikate aparaatidega on sama lugu. Energiatarvet ei ole võimalik ära petta, isegi tehisintellekt peab „sööma“, st energia peab ühest liigist teise minema. Me nimetame seda energia kasutamiseks või kulutamiseks. Kerkib küsimus, kuidas saab energiat „ära kulutada“ või „ära kasutada“? Teab ju igaüks, et energia on jääv, seda ei saa tekitada ega hävitada, võib vaid muundada.

Kaido Reivelt.

Mida põhikoolis energia kohta õpitakse?

Kui vaadata loodusainete õppekavu [1], siis energiat mainitakse seal väga tihti. Põhikoolis on energia, elektrienergia, energia säästmise väärtustamine ja võimalused geograafiatundide teemaks. Energiatarve on jutuks bioloogias. Keemias on teemaks süsinikuühendid ning taastuvad või taastumatud energiaallikad. Füüsikas, nagu peabki olema, on energia tähtsal kohal.

Kuigi põhitähelepanu läheb mehaanilisele energiale, on nimekirjas ka elektrienergia, siseenergia, seoseenergia ja valgus kui energia. Mehaanilise energia jäävuse seaduse kõrval toimib energia jäävus veel lihtmehhanismide korral ja soojusprotsessides. Elektrienergia ja tuumade seoseenergia korral jäävust ei käsitleta.

Energiamuunduritena on kogu põhikooli õppekavas kirjas ainult elektrimootor ja -generaator. Üldpilt energia mõistest jääb mosaiikne ja hajus. Eks see ole teada, et lõimimispüüetest hoolimata jääb lõpuks ikkagi üles küsimus, kas näiteks ühiskonnaõpetuse energiasõjas ja füüsikatunni keha siseenergias on tegu ikka sama energiaga ja kas arvutus käib ikka sellesama matemaatikatunni matemaatikaga.

Energia gümnaasiumi õppekavas

Gümnaasiumi õppekava tegeleb energiaga palju rohkem: energiamajandus, energiajulgeolek, taastuvad või taastumatud energiaallikad jpm. Põhikooli õppekava energiakäsitlustest ei paista eriti ühtse loodusteadusliku maailmapildi poole püüdlemist, kuid gümnaasiumis vaatavad teadused üha sügavamalt iseendasse. Bioloogia ainekavas – ATP universaalsus energia salvestamises ja ülekandes. Hingamine kui organismi varustamine energiaga. Keemias – ainevahetuse energeetika, fotosüntees, biosfääri energeetiline skeem. Paraku on terminoloogia ja isegi tavakeele sõnade kasutus aineti ehmatavalt erinev.

Gümnaasiumi füüsikakavas on ilusa, kuigi veidi probleemse nimega kursus „Energia“. Energia mõiste leiab muidugi kasutust ka teistes kursustes. Nagu ka põhikoolis, juhib mehaaniline energia. Füüsikakesksed energiateemad on tugevalt esindatud – elektri- ja magnetvälja energia salvestamise võimalused, massi ja energia samaväärsus, kvandi energia jt. Üks energiakontseptsiooni peen, aga ülioluline aspekt on peidetud paari energiakursuse õpitulemuse sisse – termodünaamika II seadus ja entroopia mõiste ning elu Maal energia ja entroopia aspektist lähtuvalt. See võiks lõpuks vastata eespool tekkinud küsimusele – mida tähendab igijääva energia salvestamine, kasutamine, kulutamine ja isegi ära raiskamine.

Kas kõik tiirleb ümber energia?

Energia teema on tänapäeval nii oluline ja igapäevane, et kiputakse uskuma, nagu paneks energia kõike (loodust, inimesi, masinaid, äri jne) käima. Tegelikult teeb energia seda ka siis, kui miski peatub, hääbub või hävib. Täpsem oleks öelda, et kõik toimub seoses energia muundumisega, st tööga. Millegi käimalükkamiseks või seismajätmiseks on vaja lasta energial ühest liigist teise muunduda ja see lõpeb keskkonnasoojusega, osakeste liikumise kaosega. Vahepeal võib energia siiski pidama jääda olulistes asjades, kohtades või tegevustes (liikumine, sh transport, soe tuba, täis kõht, hea tervis, kiire internet jpm) Tuleb ringi vaadata ja leida neid kohti, kus energia on kontsentreeritud. Valikuid on vähe.

Energiabilanss. Kui tarbimise tulp tuleb kõrgem kui tootmise tulp, siis see lihtsalt ei tööta.
  • Päike, mis praegu paistab (tuul, jõed, footonid).
  • Hiljuti Maale langenud päikesevalgus (taimed, loomad).
  • Ammu või väga ammu saabunud valgus (turvas, süsi, nafta, maagaas).
  • Kosmilised nähtused (aatomituumad, loodelised nähtused).
  • Ja ongi vist kõik.

Vaadates isiklikku, perekondlikku, riiklikku või globaalset energiatarvet, peaks olema võimalik raamatut pidada. Ühel lehel on plussiga kontsentreeritud energia sissetulek energiaallikate kaupa džaulides. Kõrvallehel on miinusega džaulides see, kui palju energiat läheb teiste energialiikidena välja, ja ridade kaupa, mida head oleme saanud. Kõlab nagu majandusõpetuse tund ja seda ta ongi. Majanduses on küll võimalik teha miinusesse laskmise trikki, aga tegelikult näiteks energiaga seda kaua teha ei saa. Tuba läheb külmaks või külmik soojaks, auto ei sõida, kõht on tühi jne.

Taastuvenergia ja füüsika

David MacKay oli briti füüsik, matemaatik ja arvutiteadlane, kes analüüsis põhjalikult oma riigi ja ka globaalset energiabilanssi. Energiaprobleemidele vaatas ta füüsiku pilguga ja paljudes asjades on tema järeldused ehmatavalt selged ja lihtsad. Oma 2009. aastal ilmunud raamatus „Taastuvenergiast ilma udujututa“ [2, 3] kirjutab ta näiteks järgmist.

„Ka kampaaniate väljamõtlejad proovivad meid eksitada. Inimesed, kes tahavad tuumaenergia asemel rõhutada taastuvenergiaallikate kasutamist, ütlevad näitaks, et „rannikualade tuuleenergia abil saaks toota energiat kõigi Ühendkuningriigi majapidamiste jaoks“ ning et „uued tuumajaamad ei aitaks meil kliimamuutuse vastu võidelda,“ sest 10 uut tuumajaama vähendaksid emissioone vaid umbes 4% võrra. See argument on ekslik, sest keset lauset muudetakse seda, millest jutt käib: energiat vajavate majapidamiste hulk muutub emissioonide vähendamiseks. Tegelikkuses on nende suurepäraste tuulegeneraatorite poolt toodetav elektrienergia hulk täpselt sama suur, mida saaks toota nende 10 tuumajaama abil! „Kõigi Ühendkuningriigi majapidamiste energiaga varustamine“ moodustab vaid 4% Ühendkuningriigi emissioonidest.

Võib-olla on meie kuningriigi kõige suuremaks jamaajajaks inimesed, kes peaksid justkui targemad olema – meediapublikatsioonid, kes seda jama tõe pähe müüvad: näiteks New Scientist oma artikliga vee jõul töötavast autost.

Ühiskonnas, kus inimesed numbreid õieti ei mõista, võivad ajalehed, kampaaniate tootjad, ettevõtted ning poliitikud justkui ükskõik mida teha.

Meil on vaja lihtsaid numbreid ning need numbrid peavad olema arusaadavad, võrreldavad ning meeldejäävad.“

Rohepööre ja kooliõpilane

Usun, et meil Eestis kirjutavad rohepöördest, taastuvenergiast ja süsinikuneutraalsusest inimesed oma parimas usus. Aga kas füüsikat õppivad õpilased peavad nende väiteid pimesi tõe pähe võtma? Kas õpilased oskaksid ise arusaadavate, võrreldavate ning meeldejäävate arvudega mängida? Kas see võiks neid muuta meie kõigi tulevikku puudutavate otsustuste tegemisel teadlikumaks?

Alljärgnevalt pakume näiteid ülesannetest, mis on riiklikus õppekavas nõutud tööriistadega lahendatavad. Siia artiklisse mahtusid vaid küsimused ja vastused, rehkendustega saab huvi korral tutvuda meie energiakalkulaatoris [4]. Tähistame järgnevas tekstis näidisülesandega kaetud väited Ü-ga. Sealt leiate ka viited allikatele, kust on võetud arvutuste aluseks olnud andmed.

Kui palju me energiat üldse vajame?

Kui suured on Eesti võimalused bio-, tuule- ja päikeseenergia kasutamiseks rohepöörde läbiviimisel? Kasutame oma arvutustes mõõtühikuid, millel on meie jaoks isiklik arusaadav mõte. Energia tootmist mõõdame keskmise võimsusena ühe ruutmeetri kohta (W/m2). Juuresolevas tabelis on reaalsed andmed nendes ühikutes. Näiteks tuuleenergia korral on näiduks 2,5 W/m2 (maismaal) kuni 3 W/m2 (avamerel). Kui me ehitaksime merre ruutkilomeetrise pindalaga tuulepargi, siis saaksime aasta keskmiseks tootmisvõimsuseks 2,5 MW (maismaal) või 3 MW merel.

Võimsus maismaa või veepinna pindala kohta

  • Tuul 2,5 W/m2
  • Tuul merel 3 W/m2
  • Tõusud ja mõõnad 3 W/m2
  • Vee voolamine tõusudel ja mõõnadel 6 W/m2
  • Päikesepaneelid 5-20 W/m2
  • Taimed 0,5 W/m2
  • Vihmavesi (mägistes piirkondades) 0,24 W/m2
  • Hüdroelekter 11 W/m2
  • Geotermiline soojus 0,017 W/m2
  • Päikeseahjud 0,1 W/m2
  • Ookeani soojus 5 W/m2
  • Päikeseenergia koondamine (kõrbetes) 15–20 W/m2

Kas seda on vähe või palju? Oleneb sellest, kui palju kogu Eesti üldse energiat tarbib. Maailmapanga info järgi kulus Eestis 2015. aastal energiat 132 kWh päevas inimese kohta (kWh/p/i) (Ü). See teeb keskmiseks võimsuseks 7,15 GW (Ü). Statistikaameti andmetel oli elektrienergia tootmine 2018. aastal Eestis 26 kWh/i/p (kilovattundi inimese kohta) (Ü). Tuuleenergiat toodeti Eestis 2018. aastal 1,36 kWh/p/i (Ü). Statistikaameti andmebaas ütleb, et suurtes katlamajades toodeti 2019. a soojust 19,4 kWh/p/i (Ü). Me teame veel seda, et 100 km läbimiseks autoga, mis kulutab kütust 6 liitrit 100 km kohta kulub 60 kWh (Ü). On ka näiteks välja arvutatud, et kassi pidamiseks kulub keskmiselt 2, koera pidamiseks keskmiselt 9 ja hobuse pidamiseks keskmiselt 17 kWh/p.

Jätame selles loos kõrvale küsimuse taastuvenergiaallikate võimsuse kõikumisest ja vajadusest seda energiat salvestada (vesinikumajandus ja näiteks pumbajaamad jäävad järgmistesse lugudesse). Räägime lihtsalt keskmisest võimsusest ja ütleme, et reaalsete võimsuse kõikumistega hakkama saamiseks on tehnoloogiad olemas või tulemas.

Niisiis, et tarbida energiat tasemel 132 kWh/p/i, peab energia tootmise keskmine võimsus Eestis olema ca 7 GW. Millised on meie rohelised võimalused?

BIOKÜTUS

Sissejuhatuseks ülesanne biokütuse võimaluste kohta. Loodusteadustes, eriti füüsikas on sõnal „energia“ selgelt defineeritud tähendus. Ja energia jäävuse seadus on see, et me ei hakka autoga Tartust Tallinna sõitma, kui meil ei ole selleks paagis piisavalt kütuse keemilist energiat. Teeme oma esimese rehkenduse. Oletame, et meil on maantee, kus liigub pidev autode vool. Kahe auto vahele jääb 100 m, autod liiguvad kiirusega 100 km tunnis ja tarbivad kütust 6 liitrit 100 km kohta. Küsime, kui lai peaks olema energiataimede põld sellise tee servas, et kõik seal sõitvad autod saaksid kasutada biokütust. Arvestades ühelt hektarilt saadavaks aastaseks biokütuse koguseks 1200 liitrit, saame pärast väikest pusimist tulemuseks 4,3 kilomeetrit (Ü). On seda palju või vähe? Võime võrdluseks öelda, et keskmise pikkusega inimese jaoks on horisont 5,1 km kaugusel. Seega peaks energiataimed ulatuma peaaegu silmapiirini. Kas biokütus oleks realistlik lahendus?

METS

Huvitav on välja arvutada, kui suur on Eestis energiataimede potentsiaal. Energiataim konverteerib päikeseenergia keemiliseks energiaks ja teeb seda teatud (üsna madala) kasuteguriga. Eesti energiataim number üks on ilmselt mets, mille kohta on hinnanguks 0,1–0,2 W/m2. Isegi kui arvestame selleks numbriks ikkagi 0,5 W/m2 ja eeldame, et me muudaks kogu RMK majandatava metsa (65 6263 ha) puude põlluks, oleks maksimaalne saavutatav energia tootmise võimsus kõigest 1,64 GW, st 23% vajaminevast (Ü).

Kogu energiavajaduse kataks energiataimede põld suurusega 14 300 km2, mis on ca kolmandik Eesti kogupindalast. Mõnelegi õpilasele on see suur üllatus.

TUUL

Juuresolev tabel annab tuuleparkide võimsuseks ruutmeetri kohta maismaal 2,5 ja merel 3 W/m2. Lihtsalt kinnituseks: kui võtta ette Suurbritannias asuva London Array andmed, siis 122 km2 kohta toodetakse keskmiselt 285 MW võimsusega, mis teeb 2,33 W/m2 (Ü).

Ehk ei pane muhukad ka siin pahaks, kui võtame arvestuslikuks ühikuks Muhumaa pindala 198 km2. Sellise pindalaga tuulepark toodaks elektrienergiat võimsusega ca 0,6 GW.

St Eesti energiavajaduse katmiseks peaksime ehitama tuuleparke kogupindalaga ligikaudu 11 Muhumaa pindala. Kas oleksime selliseks massiivseks ehitustegevuseks valmis?

Tehnoloogia areng ei muuda tuuleparke oluliselt efektiivsemaks, ka kõrgemate tuulikute ehitamine ei tee asja oluliselt paremaks [3] .

Kavandatav (ja hiidlaste valju protesti põhjustanud) Loode-Eesti meretuulepargi maksimaalseks võimsuseks on planeeritud 0,7–1,1 GW. Arvestades, et tuuleparkide tavapärane koormustegur on kuni 40%, saaksime 0,2–0,3 GW ehk umbes 4% (!) Eesti keskmisest energiavajadusest.

PÄIKE

Päikeseenergia jaoks on meie tabelis antud vahemik 5–20 W/m2. Ca 5 W/m2 saame juhul, kui paneme oma päikesepatareid põllule, ca 10 W/m2 siis, kui paneme need katusele ja ca 20 W/m2 siis, kui paneme need kõrbesse. Päikesefarmide kohta saame anda reaalselt töötavate päikesefarmide võrdlusandmed, mis kinnitavad neid hinnanguid. On olemas ka fundamentaalsed põhjused, miks ei saa päikesepatareide efektiivsus tulevikus oluliselt suureneda, see jääb pigem alla 30%. Niisiis, Muhu saare suurune pindala annaks päikeseenergia tootmise võimsuseks 1 GW.

Kogu Eesti energiatarbimise kataks niisiis päikesefarmid, mille kogupindala oleks seitse Muhumaad.

Selge see, et lahendus saab olla mingisugune mõistlik kombinatsioon kõigist taastuvenergiaallikatest. Aga eelöeldust peaks olema üsna selge, et see ülesanne on mitu korda keerulisem, kui mõnedki roheaktivistid välja paista lasevad.

SÄÄSTLIK TARBIMINE

Aga kui tarbiksime vähem? Kui palju hoiaksime sellega energiat kokku? Ka sellistele küsimustele on võimalik anda teaduspõhiseid vastuseid [2, 3] … ehkki need vastused on ebameeldivad, sest ohustavad meie elustiili.

Kampsun! Pane selga paks kampsun ning keera oma termostaat madalamaks (näiteks 15 või 17 kraadi juurde). Paigalda igale radiaatorile eraldi termostaat. Tulemuseks võib olla elektri kokkuhoidu kuni 20 kWh päevas.

Mõõdikud. Jälgi kõiki oma mõõdikuid (gaas, elekter, vesi) igal nädalal ning leia mõni lihtne viis tarbimise vähendamiseks (näiteks seadmete võimaluse korral väljalülitamine). Võrdle oma tulemusi oma sõbra tulemustega, tee sellest võistlus. Loe ka koolis mõõdikuid, tee pidevat energiaauditit. Nii võib saavutada päevas kuni 4 kWh energia kokkuhoidu.

Lennuk ja auto. Lõpeta lennukiga reisimine, sest lendamine toob kaasa energiakulu 35 kWh päevas. Sõida üldse vähem ja aeglasemalt, ökonoomsemalt. Hüppa kellegi teise auto peale, kasuta elektriautot, sõida jalgrattaga, kasuta ühistransporti. Sellega võib saavutada energia kokkuhoidu kuni 20 kWh päevas.

Nutiseadmed. Ära kiirusta vahetama vananenud nutiseadmeid välja kõige uuemate vastu. Jätka olemasolevate vidinate (näiteks arvutite) kasutamist. Nii on võimalik kokku hoida energiat 4 kWh päevas.

Valgustid. Lihtne ülesanne on õpilastel võrrelda hõõgniidiga pirnide, halogeen- ja päevavalguslampide ning LED-lampide energiakulu. Efektiivsemate valgustite kasutamisega võib võita 4 kWh päevas.

Pakendid. Ära osta pakendatud tooteid. Väldi pakendeid. Energiakokkuhoid võib sellega olla koguni 20 kWh päevas.

Taimetoit. Kuuel päeval seitsmest ole taimetoitlane. Energiasääst 10 kWh päevas.

On suurepärane, et rohepööre ja süsinikuneutraalsus pälvib järjest rohkem avalikkuse tähelepanu. Teaduspõhine, argumenteeritud arutelu võiks aidata õpilastel mõtestada hoogu koguvat diskussiooni ning aidata neil eristada olulist ebaolulisest. Rohepööre hakkab paratamatult mõjutama meie igapäevaelu ja ohustama meie senist elustiili. Selliste ülesannete lahendamine aitab noortel mõista, et süsinikuneutraalsust ei ole võimalik lihtsalt osta või poliitikutelt välja nõuda. Meie kõigi parema tuleviku võti vaatab meid hommikul peeglist.

Seda küll, et poliitikud saavad kehtestada globaalselt kõrgema süsinikumaksu. Arvatakse [2, 3], et tase 100 USA dollarit tonni kohta oleks piisav selleks et majandus praeguselt rajalt kõrvale astuks. Oleme olukorras, kus hinnatakse, et ainuüksi internet kulutab globaalselt rohkem elektrienergiat, kui seda saadakse taastuvenergiaallikatest [7]. Mis läheksid maksma poliitikas ringlevad populaarsed roheideed, ka seda on koos õpilastega põnev läbi arvutada. Lähteandmeid leiab avalikest allikatest piisavalt.

Selline teaduspõhine maailmakäsitlus võib olla uskumatult põnev.

Soovitame!


Energiakalkulaatori tegemist on toetanud Euroopa Liidu struktuuri- ja investeerimisfondid meetme „Pädevad ja motiveeritud õpetajad ning haridusasutuste juhid“ kaudu.


1. Webmedia. Gümnaasiumi riiklik õppekava – Riigi Teataja. Tsiteeritud 1. veebruaril 2020. Salvestatud: https://www.riigiteataja.ee/akt/129082014021

2. David MacKay FRS: Contents. Tsiteeritud 1. veebruaril 2020. Salvestatud: https://www.withouthotair.com/

3. fyysika.ee/taastuvenergia

4. fyysika.ee/energiakalkulaator

5. Elektrienergia tootmine, kuu – Eesti Statistika. Tsiteeritud 1. veebruaril 2020]. Salvestatud: https://www.stat.ee/34171

6. Statistikaamet. KE21: Elektrienergia tootmine, import, eksport ja müük (kuud). Tsiteeritud 1. veebruaril 2020. Salvestatud: http://andmebaas.stat.ee/Index.aspx?lang=et&DataSetCode=KE21

7. Internet uses more than 10% of the world’s electricity. Tsiteeritud 2. veebruaril 2020. Salvestatud: https://www.insidescandinavianbusiness.com/article.php?id=356