2022. aasta kevadel toimus erialavõistlus teist korda, suur tänu kõigile tublidele osalejatele, kes nädalaid nuputasid ja said hakkama suurepäraste finaalülesande lahendustega.  

Energiatehnoloogia erialavõistluse võitjad 2022 on selgunud!

I koht võistkond AML Gustav Adolfi gümnaasiumist (168 punkti)

II koht võistkond KoidulaG Pärnu Koidula gümnaasiumist (167 punkti)

III koht võistkond ROT Tallinna Reaalkoolist (153 punkti)

 

Ülesanne 1

Iidne või mitte nii iidne, erinevates kultuurides erinevalt tõlgendatud – elemendid. Teaduses võime elementidena pigem mõista keemilisi elemente, mille omaduste tundmine on ka energeetikas olulisel kohal. Ometi oleme see kord lasknud end viia kaugemale rangest Mendelejevi tabelist, kus elemente on 118, millest viimane teadaolev on Oganessoon ja mille eluiga on vaid 0,89 mikrosekundit.

See kord vaatame erialavõistluse raames energeetikat läbi viie, vägagi jääva ja püsiva, kuid samas ka müstilise elemendi. Iga nädal tuleb uus ülesanne, mis avad vastava elemendiga kooskõlas olevat tahku, kuniks finaalvõistluseks olete läbinud viie elemendi õpetuse (energeetikas!) ja valmis neid kõiki praktikas kokku panema, et luua midagi enneolematut.

Esimene element, millest alustame oma teekonda on TULI.

Miks tuli? Sest väga pikalt on kogu maailma energeetika sellel püsinud. Seda on vaja olnud nii sooja saamiseks, elektri saamiseks, selle abil sõidavad isegi autod (sisepõlemismootorid!)

Selle jaoks, et meil oleks tuld on vaja eelkõige kütust ja hapnikku ning kui me pole just koopainimesed, siis on meil vaja ka katelt (energeetikute kõnepruuk – tavainimeste jaoks on see ahi, mis kuumutab vett).

Esimese ülesande peakangelane ongi meil Juku, kellel on kena katel. Juku katel on 1000 kW ning ta tahab seal kütta puiduhaket, mida tal õnnestus saada kohaliku metsatöösturi käest, kelle jaoks kogu see sodi on üleliigne ning kes oli õnnelik, et jääkidest lahti sai.

Juku puiduhakke puhul on tegemist täiesti tavalise puiduga, mille keemiline koostis täiesti kuivana on esitatud tabelis

Keemiline element	Sisaldus kuivas puidus
Süsinik C	49,56 %
Vesinik H	6,50 %
Lämmastik N	0,17 %
Väävel S	0,02 %
Hapnik O	40,00 %
Tuhk (metallid, mis ei põle)	3,75 %

Kui Juku puit oleks täiesti kuiv, siis annaks see täielikult põledes energiat 18,9 MJ/kg.

Paraku on Jukule osaks saanud puit otse metsast tulnud ja päris märg – keskmiselt on selle niiskusesisaldus isegi 60%! On aga teada, et paraku vesi ei põle ning hoopis vastupidi – selle jaoks, et puidus olevat niiskust aurustada, tuleks hoopis lisaks energiat kulutada, mis otseloomulikult tuleb kütuse enda energia arvelt. Vee aurustamise soojus on 2,3 MJ/kg.

1. Kui palju saaks Juku oma puiduhakke põletamisel rohkem energiat, kui ta puidu enne katlasse panemist täiesti ära kuivataks?
2. Mitu kg kütust kulub Jukul, kui ta põletaks täiesti kuiva puiduhaket oma katlas tund aega? Eeldusel, et katel töötab täisvõimsusel.
3. Mitu kg kütust kulub Jukul, kui ta põletaks märga puiduhaket oma katlas tund aega? Eeldusel, et katel töötab täisvõimsusel.
4. Mitu kg tekib Jukul süsihappegaasi, kui ta kütab tund aega katelt täiesti kuiva puiduhakkega?
5. Mitu kg tekib Jukul tuhka, kui ta põletab tund aega täiesti kuiva puiduhaket oma katlas?

Ülesanne 2

Peale tuld on mõistlik pöörduda vee poole, ilma milleta oleks tänapäeva energeetika täiesti mõeldamatu.

Veel siiamaani on vesi peamine termodünaamiline keha, mida kasutatakse soojuselektrijaamades – olenemata sellest, kas soojust toodetakse millegi põletamisel, tuumade lagunemisel või hoopis maa soojusest – kõige tihemini on just vesi see, mille paisumine ja kokkusurumine paneb liikuma turbiinid ja tootma generaatorid.

Lisaks sellele on vesi oluline ka soojussüsteemides. Kui katlamaja on kaugküttesüsteemi süda, siis torustik on selle veresooned ja vesi selle veri. Vesi on see, mis kannab soojuse katlast majadesse ja aitab soojaks teha meie toad.

Vaadates rohelisema tuleviku poole, on endiselt omal kohal ka vanad energia tootmise lahendused – vesirattad, millest hiljem arenesid välja hüdroturbiinid ja hüdroelektrijaamad.

Meil Eestis küll eriliselt suuri hüdroenergia kasutamise võimalusi pole, kuid tänu ühisele elektrisüsteemile on Põhjamaade hüdroenergia ka meile kättesaadav.

Järgmine ülesanne viibki meid Norrasse, Mardalsfosseni ja Mongefosseni jugade äärde, kus asub Grytteni hüdroelektrijaam. Seal mõlgutanud oma igapäevaste tegemiste kõrval igasuguseid mõtteid Håkon, kui ta parasjagu Romsdalshorni mäe jalamil matkas, kus avanes hea vaade ka elektrijaamale.

Håkoni teada peaks jaamas olema üks Peltoni tüüpi turbiin, mille võimsus on 144 MW. Et jaam asub mägedes saab see kasutada võimast langu – tervelt 953,4 meetrit!

Viimase suve madal veeseis mõjutas tugevalt ka elektri hinda ja seda sai tunda lisaks Norrale ka mujal Euroopas.

Vaadates kenasid jugasid jäi Håkon mõtlema…

1. Kui palju vett peaks turbiini läbima, et see töötaks täisvõimsusel, arvestades et kogu energia muundatakse kasulikuks tööks?
2. Kui suur oli jaama elektriline võimsus eelmisel suvel, kui vee vooluhulk oli vaid 20% täisvõimsuse vooluhulgast?
3. Teades, et Grytteni hüdroelektrijaama aastane elektritoodang on keskmiselt 548 GWh, siis kui suur on keskmine vee vooluhulk läbi turbiini?
4. Meenutades oma viimast reisi Eestisse tuli tal meelde ka Keila-Joa, kus oli üks imetilluke hüdroelektrijaam. Teades, et Keila-Joa lang on vaid 8,7 m ja vooluhulk vaid 5,5 m³/s, siis mitu korda on Keila-Joa hüdroelektrijaama võimsus väiksem Grytteni hüdroelektrijaama installeeritud võimsusest?
5. Mõeldes veel Eesti peale, kui suure osa kogu Eesti aastasest eletkritarbimisest suudaks Grytteni hüdroelektrijaam katta (2020 aasta andmete järgi)?

Ülesanne 3

Kolmanda elemendina käsitleme maad! Energeetika valdkonnas on maa üsna hiljutine tegija, kui välja arvata asjaolu, et maa on meile energiat andnud aegade algusest peale, kui oleme tarbinud toitu, Maa ande.

See aga pole energeetikas meil hetkel väga teema, küll aga on vägagi teemaks maa soojuse kasutamine. See, kuidas maa soojust kasulikult ära kasutada sõltub juba maapinna temperatuurist. Iseenesest võib maa soojuse liigitada kaheks – maa pinna lähedal on pigem tegemist pinnasesse salvestunud päikese soojusega. Sellisel juhul ei saa rääkida eriti kõrgetest temperatuuridest – talvisel perioodil sõltuvalt sügavusest 5…8 °C, suvisel perioodil samuti sõltuvalt sügavusest on temperatuurid mõned kraadid üle 10 °C. Selliste temperatuuride puhul kõlbab maa soojus kasutamiseks vaid hoonete kütmiseks soojuspumba abil.

Sügaval maa sisemused on aga temperatuurid oluliselt kõrgemad ning nendele pääseb ligi siis, kui juhtud olema kas vulkaani lähedal (nagu Islandil) või kaevad väga sügavale (ka selliseid pilootprojekte on tehtud). Sellisel juhul saame rääkida temperatuuridest, mis on juba vahemikus 100…300 °C. Sellisel juhul saab maa soojust kasutada edukalt ka elektri tootmiseks, kui kasutada selle jaoks vastavaid tehnoloogiaid, näiteks Orgaanilise Rankine’i tsükli tehnoloogiat, mis oma olemuselt on sarnane tavalisele auruturbiini tehnoloogiale, kuid kuna vee asemel kasutatakse termaalõli, siis suudab see panna turbiini tööle ka juba maasoojuse temperatuuril.

Seekordse ülesande peategelased on perekond Maasikas, kes soovides järgmise talve küttearveid vähendada, on otsustanud paigaldada oma kodule maasoojuspumba. Nende kodu üldpind on 150 m² ning sellele on väljastatud B-klassi energiamärgis, mis tähendab seda, et nende keskmine aastane energiavajadus on 130 kWh/(a·m²).

1. Arvestades, et maapinna keskmine temperatuur on 8 °C ning maja küttesüsteemi pealevoolu temperatuur on 35 °C ning soojuspumba efektiivsus on 50%, siis kui suur on soojuspumba soojustegur (coefficient of performance – COP)? Vihje: seda võiks leida hästi Carnot’ valemi järgi.
2. Kui perekond Maasikate kodu suurim soojusvajadus on 5,5 kW, siis kui suur peaks olema nende valitud soojuspumba elektriline võimsus, et see suudaks katta maja soojusvajadust? Vihje: kasutada eelmises ülesandes leitud soojustegurit.
3. Kui suur oleks perekond Maasikate kodu soojuspumba kogu aastane elektritarbimine?
4. Kui arvestada, et maa sisse kaevatava küttekontuuri keskmine soojusülekandetegur 18,3 W ühe meetri kontuuri kohta, siis mitu meetrit küttekontuuri peaks perekond Maasikas paigaldama?
5. Kui palju väheneks perekond Maasikate aastane elektritarbimine, kui maja küttesüsteemi pealevoolu temperatuuri langetatakse 1 °C võrra?

Ülesanne 4

Neljanda, eelviimase elemendina on vaatluse all õhk! Sarnaselt maaga, on ka õhk hakanud energeetikas olulisemat rolli mängima alles hiljuti, kuigi ka üle-eelmise sajandi tuuleveskid on ilmekas näide tuule kasutamisest energeetikas. Elektrit tootvad tuuleturbiinid on tegelikult vanemad, kui võiks arvata. Esimese sellise turbiini leiutas aastal 1888 Charles F. Brush ning oli 144 puidust tera ja selle elektriline võimsus oli 12 kW.

Tuuleenergia tootmise põhimõtted on tänapäeval sama lihtsad kui 19. sajandil. Tuule näol on tegemist liikuva õhuga ning seal, kus on liikumine, on kineetiline energia.

Tuuleturbiinid on kavandatud takistama seda kineetilist energiat, aeglustades seda ja muundades elektrienergiaks. See takistus on turbiinide labade näol, mis on spetsiaalselt loodud maksimaalse energia saamiseks. Turbiinilabade disain ja tugineb paljudele teguritele, nagu aerodünaamika ja õhutakistus. Turbiinilabade kujundamisel võetakse lisaks kõikidele muudele teguritele arvesse tuule kiirust, aerodünaamikat ja helikiirust. Kõige olulisem aspekt on aerodünaamika. Aerodünaamika kirjeldab tahke eseme omadusi, mis mõjutavad seda ümbritsevat õhku. Seda silmas pidades on tuuliku labad konstrueeritud umbes nagu lennuki tiivad.

Laba tagaosa on kõveram kui esiosa, samamoodi kaardub lennuki tiib otsast ülespoole. See varieeruv kuju põhjustab rõhuerinevuse, kui õhk liigub üle tera, mis põhjustab labade liikumist. Laba kuju tõttu liigub õhk tera taga kiiremini kui selle ees. See paneb labad pöörlema ja alustab elektritootmise protsessi. Sellest aga ei piisa, kui labasid tuul liigutab. Insenerid peavad terade kujundamisel arvestama ka tuule kiiruse ja õhu takistusega, et tagada kõrgeim tõhususe tase. Näiteks kui labade õhutakistus on liiga suur, on saadav võimsus palju väiksem. Kui takistus ei ole aga piisav, võivad labad liiga kiiresti liikuda, ületades helibarjääri. Tuulegeneraatorite üks suurimaid eeliseid on see, et nad töötavad väga vaikselt. Kui nad ületaksid helibarjääri, võib see kavandatud tuuleparkide läheduses asuvaid elanikke tõsiselt häirida.

Üldiselt on enamik tuuleturbiine kolme labaga. Väiksema takistuse tõttu oleks energia saagikuse osas optimaalne arv üks tera. Kuid üks tera võib väga kergesti põhjustada tasakaalustatuse ja see pole turbiini stabiilsuse jaoks praktiline valik. Sarnaselt pakuks ka kahe labaga turbiin suuremat energiasaagist kui kolme labaga, kuid seal võib tekkida teisi probleeme. Kahe labaga tuuleturbiinid on altimad nähtusele, mida tuntakse güroskoopilise pretsessioonina, mille tagajärjeks on võnkumine. Loomulikult tekitaks see kõikumine turbiinile tervikuna täiendavaid stabiilsusküsimusi. See tekitaks lisarõhku ka turbiini komponentidele, põhjustades selle aja jooksul kulumist ja pidevalt vähenevat efektiivsust. Kui labade arv oleks aga üle kolme, oleks turbiinil ka suurem tuuletakistus, mis aeglustaks elektri tootmist ja seega on rohkemate labadega turbiin vähem efektiivne kui kolmelabaline turbiin.

Nendel põhjustel on kolme labaga konstrueeritud turbiinid ideaalne kompromiss suure energiatõhususe ning turbiini enda suurema stabiilsuse ja vastupidavuse vahel.

Tuulegeneraatori võimsust on võimalik avaldada kineetilise energia kaudu ning võttes arvesse ka Betz’i piiri saame võimuse avaldiseks.

N – võimsus (W)

ρ – õhu tihedus (kg/m³)

v – õhu kiirus (m/s)

A – rootori pindala (m²)

1. Mitu korda suureneb tuuleturbiini võimsus, kui selle rootori diameeter suureneb 2 korda?
2. Mitu korda suureneb tuuleturbiini võimsus, kui tuule kiirus suureneb 2 korda?
3. Kui suur osa kogu tuule kineetilisest energiast on teoreetiliselt võimalik muundada kasulikuks võimsuseks Betzi piiri kohaselt?
4. Tuul kiirusega 15 m/s puhub läbi tuuliku, mille laba pikkus on 40 m. Kui suur on tuule kiirus peale tuulikut? (vihje: abiks on kineetilise energia valem ja eelpool toodud valem)
5. Kui suur on õhurõhkude vahe tuuliku ees ja taga?

Ülesanne 5

Viimaseks, viiendaks elemendiks meie erialavõistlusel on metall! Ühel ajal nii tugev ja purunematu, samal ajal nii elastne ja hästi vormitav. Energeetikas peavad seadmed vastu pidama väga ekstreemsetele tingimustele nagu kõrge rõhk ja temperatuur, mida peab arvestama nii katelde ja selle osade, turbiinide kui ka heitmete puhastusseadmete puhul. Kuna enamasti on metalli pind ka kokkupuutes kuuma auruga, siis tuleb arvestada ka korrosiooniohtu ning võtta kasutusele meetmeid selle vältimiseks. Korrosioon vähendab metalli pingetaluvust ja elastsust märkimisväärselt ja võib põhjustada seadme purunemise.

Pilt: Biokütuse katlad
https://www.raplametall.ee/et/bioenergia/liikuvate-restidega-biomassi-katlad/

Viimase ülesande peategelane on taas esimesest ülesandest tuttav Juku, kellel on kena puiduhakke katel. Tema katla kolle on tehtud terasest ning kolde mõõtmed on igas dimensioonis 40 cm. Kord aga tegi Juku koldesse väga kõva tule ning kolle hakkas imelikult naksuma. See pani Juku mõtlema metallis tekkivate termiliste pingete peale ning tal tekkisid järgmised küsimused.

1. Kui palju suureneb katla kolde väline ruumala kui koldes toimub põlemine ehk temperatuur tõuseb 20°C kuni 400°C? Kolle on valmistatud terasest ja selle joonpaisumistegur on 12,5∙10^-6 m/(m∙K).
2. Koldes on soojusülekanne enamasti kiirguslik, mis tähendab seda, et suurem osa energiast antakse üle kiirguse teel, kiirguse ja energia suhet kirjeldab Stefan-Boltzmanni seadus. Kui suur võimsus antakse põlemisel koldes edasi, kui jätta arvestamata efektiivsust vähendavad tegurid? Temperatuur koldes on 400°C.
3. Kui suurt rõhku avaldab kiirgus põlemisel kolde pinnale?
4. Kui suur pinge tekib kolde seinas terase soojuslikust paisumisest kui terase Youngi moodul on 200 GPa ja koldeseina paksus on 3 mm.
5. Mitu korda oleks soojuslikust paisumisest tekkiv pinge väiksem, kui kolle oleks valmistatud terase asemel titaanisulamist?

Finaal

Võistluse viimaseks ülesandeks on ehitada etteantud materjalidest (vaata nimekiri ja pilt) viiest elemendist koosnev masin (põhimõte sarnane Rube-Goldbergi masinaga), mis paneb liikuma tiiviku ning ühendab ühtseks tervikuks viis elementi.

Viis elementi, mis peavad olema masina konstruktsioonis selgelt esile toodud on:

1. Vesi
2. Tuli  
3. Maa
4. Õhk
5. Metall

Masinas võib olla rohkem elemente, kuid vastavalt hindamismaatriksile kuuluvad hindamisele eelnevalt mainitud elemendid. Elementide järjekord masinas ei ole oluline, kuid oluline on, et nad oleksid omavahel seotud. Tiivik peab olema masina viimane element – masina töö lõppeesmärk peab olema see, et tiivik hakkab pöörlema. 

Masin peab töötama täiesti autonoomselt, lubatud on vaid teha esimene liigutus, mis paneb kogu ahela tööle – näiteks valada vett, vajutada millelegi peale, lükata midagi, puhuda või muud moodi kuidagi masin käivitada.

Finaalülesande lahenduse esitamiseks tee oma masina töötamisest video, lae see Youtube’i üles* ja edasta video link meile selle lingi kaudu hiljemalt 10. aprill kell 23:59. Lisaks videole lisa ka tekstiline kirjeldus oma masina tööst – tekstilise kirjelduse eesmärk on viia vaataja kurssi masina tööelementidega ning näidata, kuidas kõik viis ülalmainitud elementi masinas esindatud on.

*video ei pea olema avalik, aga peab olema vaadatav kõigile, kellel on video link

Küsimuste korral kirjuta!

Materjalid

 

Nagu ka eelmisel aastal anname väikse meelitina juba varakult teada, milliseid materjale võib kasutada finaalülesandes, et saaksite finaalipäeva koitmise hetkeks kõik kenasti valmis varuda.

Tööriistad:

• Akutrell ja erineva suurusega puurid – pole ilmtingimata vajalik, saab ka ilma hakkama, kuid

teeb paljud asjad oluliselt lihtsamaks

• Käärid
• Naaskel – kui akutrell koos puuridega on olemas, siis pole vajalik
• Liimipüstol – pole ilmtingimata vajalik, saab ka ilma. Kui on, siis võib kasutada
• Joonlaud
• Marker – saab ka ilma hakkama

Materjalid:

• Grilltikud
• Plastikust noad, kahvlid, lusikad
• Plastpudelid
• Joogikõrred
• Paber
• Vesi
• Papitükke – nt vana pappkast vms
• Plekkpurgid
• Küünlad
• Papptopsid
• Kivid
• Liiv
• Tikud
• Kruvid
• Montaažilint

Asjad mida võib soovi korral samuti kasutada:

• Kummipaelad
• Erineval kujul puit
• Erinevat tüüpi teibid ja kleeplindid
• Pliiatsid
• Legod
• Erinevad tööriistad – tangid, näpitsad, kruvikeerajad, jms

Võib kasutada ka muid käepäraseid materjale. Tingimuseks on see, et need ei ole automatiseeritud ega kasuta elektrit.

Kui tekib küsimusi mõne materjali kasutamise lubatavuse kohta, siis võib julgelt korraldajatega ühendust võtta!

---