Vana põlevkivikaevandus on jätkuvalt energiaallikas

Eesti ei oleks energeetiliselt sõltumatu, kui meil ei oleks põlevkivi. Energiat võime seejuures ammutada isegi suletud põlevkivikaevandustest, kui oskame ära kasutada neisse koguneva vee.

Põlevkivi on Eestis kaevandatud enam kui 90 aastat, selle ajaga on maa alt välja veetud enam kui üks miljard tonni põlevkivi. Lisaks põlevkivile on välja veetud põlevkivikihindi lubjakivikihid - neist on moodustunud aheraine mäed, mis nüüd ilmestavad Ida-Virumaa loodust. Põlevkivivaru ammendumisel kaevandus suletakse ja see täitub aja jooksul veega. Mida selle veega teha?

Kaevanduste sulgemine loob allmaabasseinid

Kui kaevanduses ei ole enam võimalik põlevkivi kaevandada, näiteks tehnoloogiliselt, varu ammendumisel või majanduslikult, suletakse see vastavalt kehtestatud korrale. Eesti põlevkivimaardlas on peatatud või suletud tänaseks kümme kaevandust, viimased neist - Sompa, Tammiku, Ahtme ja Kohtla kaevandus - aastail 1999-2002. Hetkel kaevandatakse põlevkivi Viru, Estonia ja Ojamaa kaevanduses ning Narva, Aidu, Ubja ja Põhja-Kiviõli karjääris. Neist Viru kaevandus ja Aidu karjäär suletakse mõne aasta jooksul, sest varud ammenduvad. Kavandamisel on uus kaevandus - Uus-Kiviõli.

Põlevkivikihind asub enamasti põhjaveetasemest allpool. Põlevkivi kaevandamiseks tuleb alandada põhjaveetaset. Nii on tekkinud Ida-Virumaale põhjavee alanduslehter. Kaevandamise lõppedes peatatakse samuti vee pumpamine kaevandusest ja karjäärist ning varasem põhjaveetase hakkab taastuma. Nii täituvadki suletud kaevandused veega. Eesti põlevkivimaardlas on veega täielikult täitunud Ahtme, Tammiku, Sompa ning osaliselt täitunud kaevandused nr 4, nr 2, Käva, Käva 2, Kohtla, Kiviõli ning Kukruse (joonis 1 trükinumbris). Tänu kaevanduste vahele jäetud tõkketervikutele on tekkinud nn allmaabasseinid. Kaevanduse piires on vesi vahetus kontaktis, läbi tõkketervikute kulgeb veevahetus allmaabasseinide vahel vastavalt kivimite hüdrogeoloogilistele omadustele.

Veevahetuse intensiivsus allmaabasseinides sõltub kaevanduste vahele jäetud tõkketervikute pikkusest ning paksusest, veetasemete vahest naaberkaevandustes ning tõkketerviku ja lasumi veejuhtivusest. Veevahetus on seda intensiivsem, mida pikem ja õhem on tõkketervik, mida suurem on veetasemete vahe ja mida suurem on kivimite veejuhtivus. Viimast mõjutab tugevalt maapinna geoloogiline häiritus - karst ja lõhed ning sellest tulenev veejuhtivuse anisotroopia.

Kui palju suletud kaevandustes vett võib olla? Eri uuringud on hinnanud põlevkivikihindis oleva veehulga mahuks kuni 160-170 miljonit kuupmeetrit. Arvestades ka kivimite lõhelisust ja poorsust kaevanduste kohal, on sel alal olev veehulk üle ühe miljardi kuupmeetri.

Allmaabasseinid

Paremaks mõistmiseks, kuidas allmaabasseinid välja näevad, on tehtud lõige, mis algab Käva 2 kaevanduse põhjaosast ning liigub põhjast lõunasse kuni Viru kaevanduse põhjaosani. Lõige illustreerib hästi tekkinud allmaabasseine (joonis 2 trükinumbris). Näha on, et Käva 2 põhjaosa on kuiv, samuti kaevanduse nr 4 põhjapoolne osa. Käva 2 on põhja poolt kuiv seetõttu, et põlevkivikihind on kaldu lõunasse ning kogu vesi voolab mööda kihindipõhja lõuna suunas. Juhul kui sademeid oleks rohkem, täituks ka Käva 2 põhjaosa teatud määral veega. Kaevanduse nr 4 põhjaosa on kuiv seetõttu, et Käva 2 ja kaevanduse nr 4 vahel paikneb tõkketervik ning vee imbumine Käva 2 kaevandusest kaevandusse nr 4 võtab aega. Samas pole kaevanduse nr 4 ja Sompa kaevanduse vahel sellist olukorda tekkinud, kuna põlevkivikihindi sügavus on juba piisavalt suur, ning Sompa kaevandus on täielikult veega täitunud.

Allmaabasseinide vee omadused

Kaevanduse sulgemisest selle veega täitumiseni kulub kolm-neli aastat. Suletud kaevandustesse koguneb vesi peamiselt sademetest. Vee liikumine kaevanduses sõltub kivimite veejuhtivusest, poorsusest, veemahutavusest, kaevandamisviisist, mida igas kaevanduses oli kasutusel mitu. Loetletud parameetrid varieeruvad palju kaevanduste lõikes. Parema ülevaate saamiseks tuleb kasutada vanu kaevanduste plaane, paraku on suurt osa neist purenud ajahammas ja info kättesaamine on piiratud. On siiski ilmne, et kaevandused on veega täitunud, veemaht kaevandustes suur ning sealsel veel on aastaringselt stabiilne temperatuur, 9-7 kraadi. Soojem on temperatuur suvel ja sügisel.

Kaevandustes oleva vee kvaliteet on omaette teema. Eesti Energia Kaevanduste monitooring näitab, et umbes kolme aastaga saavutab suletud kaevanduse vesi joogiks kõlbuliku kvaliteedi. Kaevanduses olev vesi puhastub veelgi, kuid see võtab aastaid. Teisalt ei saa välistada, et altkaevandatud alal tegutsevad inimesed, asulad ja ettevõtted võivad allmaakaeveõõsi kasutada reostuse peitmiseks.

Kaevandusvee taseme reguleerimine

Allmaabasseinid saavad suure osa veest just sademetest. Mõned aastad tagasi, kui sadas rohkesti vihma, tõusis seetõttu mitmel pool veetase ning paiguti tekkisid üleujutused. Edaspidiste üleujutuste vältimiseks on rajatud mitmeid kaevandusvee taseme reguleerimise süsteeme, neist looduseski nähtavad on nn tehisallikad: Tammiku ja Ahtme kaevanduse idaserval, kus vesi tänu kaevandustes olevale veesurvele ise välja voolab. Tammiku väljavool on sisse varisenud kaevanduskäikude ristumiskoht, sealt voolab vesi Rausvere ojja. Ahtme väljavool (joonis 3 trükinumbris) rajati, puurides kaevanduskäiku kolm väljavoolupuurauku, ning vesi juhitakse seal Sanniku ojja. Lisaks on rajatud Jõhvi linna põhjaserva kaevanduse nr 2 väljavool, vältimaks kaevandusvee üleujutusi selles piirkonnas.

Kaevandusvee potentsiaal soojusallikana

Üks võimalus moodustunud tehnogeense veekogumi otstarbekaks rakendamiseks on selle kasutamine soojusenergia või kineetilise energia allikana.

Otstarbekuse hindamiseks tuleb arvutada võimalik vee maht, vee vooluhulk ja analüüsida võimalikke veevõtu, vee pumpamise või soojuspumba paigutamise kohti. Analüüsiks on otstarbekas koostada mäenduslik geoinfosüsteemi mudel, mis hõlmab kivimikihtide ja maapinna geomeetrilise mudeli, kaevanduse tehnoloogilise ruumilise mudeli ja vee voolu hüdrogeoloogilise dünaamilise mudeli. Mudeli abil on TTÜ mäeinstituudi teadlased simuleerinud vee pumpamist soovitavatest kohtadest.

Kaevandusvett saaksid eelkõige kasutada just Ida-Virumaa vallad, kus suletud kaevandused asuvad. Mäeinstituudi teadlased on uurinud Ida-Virumaa piirkonda, mis hõlmab Jõhvi, Toila ja Mäetaguse valda - ala, kus asuvad töötavad ja suletud põlevkivikaevandused. Uuringu tulemusena on saadud kaevandusvee kasutamise potentsiaali kaart (Joonis 1), mis baseerub veesamba survel. Teisisõnu - mida kõrgem sammas, seda potentsiaalsem on sellesse kohta rajada soojuspumbajaam, mis kasutaks kaevandusvett soojusallikana. Analüüsides ka soojustrasside olemasolu, leidis uuringu meeskond, et suurtarbijana on kõige mõistlikum rajada soojuspumbajaam Ahtme soojuselektrijaama juurde. Nii saab vajadusel kasutada olemasolevat kompleksi vee temperatuuri tõstmiseks soovitud kõrguseni, kui soojuspump ise seda ei võimalda.

Kiikla asula läheb üle kaevandusveeküttele

Mäetaguse valla initsiatiivil arendatakse praegu soojuspumba rajamist Kiikla asulasse.

Kiikla paikneb Mäetaguse valla lääneosas. Asula ümbrusesse jäävad suletud Sompa kaevandus, töötav Viru kaevandus ning rajatav Ojamaa kaevandus. Ehitatav soojuspumbajaam hakkab kasutama soojusallikana Sompa kaevanduses olevat vett. Sompa kaevandus, mis jääb Kiikla kirdeossa, suleti 12. veebruaril 2000. Tööd peatati johtuvalt põlevkivivajaduse vähenemisest ja Sompa toodangu keskmisest kõrgemast omahinnast. Kaevandus piirneb põhjas endise kaevanduse nr 4 kaevandatud alaga, idas Tammiku, lõunas Viru ja läänes Ojamaa kaevandusega. Pärast sulgemist hakkas kaevandus täituma veega, mille tase tasakaalustus paari aasta jooksul kõrgusmärgi 42-48 m (abs) vahel.

Rajatava soojuspumbajaama võimsus saab olema 500 kW ja see kasutab kaevandusvett maksimaalselt 74 m³/h. Rakendatav tehnoloogia näeb ette, et kaevandusvesi pumbatakse maa peale, mööda torustikku juhitakse see soojuspumbani (umbes 1000 meetrit), soojuspumbas alandatakse vee temperatuuri nelja kraadi võrra ning seejärel suunatakse jahenenud vesi mööda torustikku uuesti Sompa kaevanduse veebasseini, umbes 300 meetrit kaugemale väljapumpamiskohast. Nii jõuab tagasi lastud vesi kaevanduses uuesti üles soojeneda. Rajatav soojuspumbajaama hoone on veel ehitamisel. Esialgsete plaanide järgi alustab soojuspumbajaam tööd 2011. aasta alguses.

Kuidas töötab soojuspump?

Soojuspumba tööpõhimõte on koguda meid ümbritsevas keskkonnas - välisõhus, maapõues, ventileeritavas õhus, kaevandusvees, põhjavees ja heitvees - leiduvat soojusenergiat ning muuta see kasulikuks soojuseks.

Soojuspump töötab nagu külmkapp, aga vastupidi. Soojuspump ise koosneb neljast põhiosast: aurustist, kondensaatorist, kompressorist (seade rõhu tõstmiseks) ning paisventiilist (ventiil rõhu langetamiseks). Komponendid on omavahel ühendatud kinniseks süsteemiks, kus ringleb külmaagens (külmakindel lahus), mis ühes süsteemi osas on vedelas ja teises gaasilises olekus. Külmaagensi eripäraks on väga madal keemispunkt, mis on normaalrõhul on -40 kraadi (veel on see 100 kraadi). See omadus toetab külmaagensi kasutamist madalate temperatuuridega soojusallikate juures, nagu näiteks kaevandusvesi.

Soojuspumba töö: süsteemis ringlev külmaagens saab soojusenergia kaevandusveelt (kaevandusvee temperatuur alaneb veelgi). Külmaagensil on omadus madalatel temperatuuridel aurustuda. Aurustunud külmaagens läbib kompressori, kus kokkusurumise tagajärjel gaasi temperatuur tõuseb, tekib kuum gaas, mis liigub kondensaatorisse, kus kondenseerumisel antakse soojusenergia edasi küttesüsteemile. Gaasilises olekus olnud külmaagens muutub kondenseerudes taas vedelikuks. Läbides paisventiili, toimub rõhu alandamine ning algab uus tsükkel soojusenergia kogumiseks. Samas reguleerib paisventiil külmaagensi vooluhulka, et saavutada optimaalset rõhkude vahet aurusti ja kondensaatori vahel.

LOE VEEL

• Kaevandamist seletav ja pidevalt täienev veebiõpik
• Kaevandusvee uuringute ülevaade
• Põlevkivi teemaline arutelu, uuringud

AUTORIST

Veiko Karu (1981) töötab Tallinna Tehnikaülikooli mäeinstituudis ning õpib Tallinna Tehnikaülikool energia- ja geotehnika doktorantuuris, tema teadustöö teema on Eesti maardlate mäendustingimuste arvutimodelleerimine, -analüüs ja mäeettevõtete digitaalprojekteerimine.