De energie is dan meestal in de vorm van warmte

Tb151-02/03; - Deeltoets I; Uitwerking Maandag 17 Februari, 2003, 15:45-17:45

Vraagstuk 1 (10 punten) a) Aardgas en steenkool

b) Oppervlakte water, waarop opgewarmd koelwater wordt geloosd: het water is verwarmd door de bij elektriciteitsproductie niet voor elektriciteit te benutten restwarmte.

Atmosfeer: is een put voor het rookgas, waarin de (ongewenst) vrijgekomen CO2 en (klein deel) van het warmteverlies van de installatie

c) P betekent de productie van fossiele energiedragers en daarmee de consumptie per jaar. Deze omvang van P wordt bepaald door de bevolkingsomvang en het welvaartsniveau.

d) Energie kan volgens de eerste hoofdwet van de thermodynamica nooit verloren gaan. De term

consumptie suggereert dat de energie bij consumptie verdwijnt. Echter, de energie verandert alleen van vorm. Als we energie gebruikt hebben is de vorm waarin de energie zich dan bevindt niet nuttig meer te gebruiken. De energie is dan meestal in de vorm van warmte.

e) Het is lastig aardgas te vervoeren. Dit moet onder hoge druk plaatsvinden. Aardolieproducten zijn vloeibaar en kunnen in tankers/tankauto's bij atmosferische druk vervoerd worden.

Vraagstuk 2 (25 punten)

Volgens het Energie Centrum Nederland bedraagt de totale huidige Nederlandse Elektriciteits

opwekkingscapaciteit van Elektriciteitscentrales 12000 MW. Het gemiddeld elektrisch rendement bedraagt 46%. Het Carnotrendement van de huidige centrales is 70%. Conform de Wet Verontreiniging

Oppervlaktewater (WVO) mag een elektriciteitscentrale de temperatuur van ingenomen koelwater maximaal 4 ^oC verhogen.

a)

Productie

Koeling fossiele brandstoffen

koel water

warm water electriciteit restproducten restwarmte

b) Bij dit vraagstuk gebruik je de Wet van Behoud van Energie, en de energiebalans voor het systeem 'Nederlandse Elektriciteitsproduktie (antwoord a). De netto accumulatie van energie in dit systeem = 0.

Het omzettingsrendement van aan het systeem toegevoerde energie naar elektriciteit = 46% = 0,46 Stel: toegevoerde energie aan brandstof = x Æ

Afgevoerde energie = 0,80 * 12.000 = 9600 MW

Afgevoerde energie = Toegevoerde brandstof * rendement = x * 0,46 = 9600 Æ Toegevoerde energie als brandstof = x = 21.000 MW = 21 GW

c) De hoeveelheid warmte die moet worden afgevoerd is 21.000 – 9600 = 11.400 MW = 11,4 * 10⁹ J/s.

Water mag vier graden stijgen Æ Hoeveelheid warmte opgenomen in water is 4 * 4,2 =16,8 J/g.

Dichtheid = 1*10³ (daarom 1 kg = 1 L)

Hoeveelheid water = 11,4 * 10⁹ / 16,8 = 6,79 * 10⁸ g/s. = 6,79 * 10⁵ kg/s = 6,79 * 10⁵ L/s = 679 m³/s Er is dus ongeveer 680 m³ water nodig per seconde.

d) Bij dit vraagstuk gaat het erom dat je met molen kunt rekenen, en de verschillende energie-eenheden kent.

1 mol S Æ 1 mol CaSO4. 1 mol S komt overeen met 32 g ;

1 mol CaSO4 komt overeen met 40+32+4*16= 136 g.

Gewichtsverhouding CaSO4/S = 136/32= 4,25 1 TJ = 10¹² J

1 MJ = 10⁶ J

Ingevoerde energie = 21.000 MW = 21.000 MJ/s = 21.000*365*24*3600 = 6,62 * 10¹¹ MJ/jaar = 6,6 * 10⁵ [TJ/jaar]

hoeveelheid S = 0,5 * [kg / TJ]

Totale hoeveelheid S = 0,5 * [kg / TJ] 6,6 * 10⁵ [TJ/jaar]= 3,3 * 10⁵ [kg/jaar]

Totale hoeveelheid CaSO4= 4,25 * 3,3 * 10⁵ = 1,4 * 10⁶ [k/jaar] = 140 000 [ton/jaar].

e) Bij dit vraagstuk kun je het Carnotrendement gebruiken! In een elektriciteitscentrale wordt warmte (verkregen door verbranding van fossiele brandstoffen of anders, zie college) omgezet in kracht.

Volgens Carnot is Wmax = Q {1-(Tlaag/Thoog)}, waarbij {het Carnot Rendement}. Gegeven is dat het Carnot rendement voor NL elektriciteitsopwekking 70% bedraagt, ofwel 0.7.

Dus (Tlaag/Thoog) = 0.3;

De omgevingstemperatuur waarbij warmte mag worden geloosd op het oppervlaktewater is gemiddeld 10 ^oC, ofwel 283 K. Om op het gegeven Carnotrendement uit te komen moet dus Thoog (is de

vuurhaardtemperatuur) gelijk zijn aan 283/0.3 = 943 K

In de WKK wordt nu de temperatuur waarbij de elektriciteitsproduktie warmte afgeeft (Tlaag) in plaats van 10 ^oC gelijk aan 410 ^oC, ofwel 683 K.

Bij gelijkblijvende Thoog (stel) wordt het Carnot rendement dan {1-(Tlaag/Thoog)} = 1 - (683/943) = 1- 0.72 = 0.28

Bij een zelfde verhouding van werkelijk en Carnotrendement is een eerste schatting van het behaalde elektriciteitsrendement dus (0.46/0.70) * 0.28 = 0.18.

Notabene:

in de praktijk ligt het behaalde elektrische rendement gelukkig bijna twee x zo hoog ( +/- 33%) in WKK's; dit komt doordat

1. de vuurhaardtemperatuur is verhoogd naar wel 1000 tot 1200 ^oC.

2. de verliezen t.o.v. Carnot kleiner zijn, omdat er minder stappen/systeemelementen nodig zijn voor het realiseren van de omzetting warmte Æ elektriciteit, en dus lager te verwachten verlies.

f) Het rendement van de elektriciteitsopwekking is nu 18%; dat betekent dat de netto hoeveelheid brandstof 9600/018 = 66700 MW.

NB dat het totale systeemrendement 90% bedraagt is extra informatie. Dat betekent dus dat een schatting is: van 53300 MW brandstof wordt 9600 MW elektriciteit gemaakt (18%), 38400 MW warmte (72%), terwijl 5300 MW verloren gaat (10%)

Vraagstuk 3 (30 punten)

a) Zonne-energie, windenergie, bio-olie

b) 93.000 mijl² = 93.000*1,609² = 240 duizend km². De fout die werd gemaakt is de conversiefactor niet te vermenigvuldigen met het kwadraat van 1,609.

Eenhedenanalyse fout: [mijl² * (km/mijl)] = [km*mijl]

goed: [mijl² * (km/mijl)²] = [km²] Het regenwoud is verdwenen na 2,5 miljoen / 93 duizend = 27 jaar

c) <dit is het diagram voor de snelle koolstofcyclus, met daarin ons gebruik van biomassa ex regenwoud adequaat toegevoegd>

d) 400 kg biomassa per hectare, 50%m hout Æ 0,50 * 400 = 200 kg hout per hectare.

1 hectare = 100 * 100 m = 10.000 m² = 0,01 km².

2,5 miljoen mijl² = 2,5 * 1,609² = 6,5 miljoen km² = 6,5 / 0,01 = 647 miljoen hectare.

Aantal kg = 647 miljoen * 200 = 1,3 * 10¹¹ kg.

1 mol C in hout (CH2O) komt overeen met 1 mol CO2 na verbranding. De hoeveelheid vastgelegde CO2 in molen is dus gelijk aan de hoeveelheid molen hout als (CH2O).

1 mol hout = 12+2+16= 30 gram.

1 mol CO2 = 12+2*16= 44 gram.

De massaverhouding = 44 / 30 = 1,47

De hoeveelheid vastgelegde CO2 = 1,47 * 1,3 * 10¹¹ = 1,9 * 10¹¹ kg. Dit is meer dan de hoeveelheid hout zelf, omdat in de reactie een zwaarder zuurstofatoom bindt op de plek van twee H-atomen.

e) Energie nodig: 21.000 MW. Hout levert 15 MJ/kg.

Hout nodig = 21.000 / 15 = 1400 kg/s = 1400 * 365 * 24 * 3600 = 44 * 10⁹ kg/jaar.

Oppervlak nodig: 44 * 10⁹ / 200 = 220 * 10⁶ hectare/jaar

Er zijn 647 miljoen hectare beschikbaar Æ Aantal jaar = 647 miljoen / 220 * 10⁶ = 2,9 jaar.

Aannames: geen ander verbruik van hardhout.

f) Gemiddeld 1500/2 W/m² * 0,15 = 112,5 W/m² .Benodigde ruimte = 9,6*10⁹ / 112,5 = 8,53*10⁷ m² = 8,53*10³ hectare.

Tijd = 8,53*10³/2,2*10⁶ * 2,9 = 0,01jaar = 4,1 dag.

Vraagstuk 4 (25 punten)

a) De granaat bevat 0,5 L. Dit heeft een gewicht van 1,4 * 0,5 = 0,7 kg = 700 g = 700 * 10³ mg.

1 mol komt overeen met 22,4 L.

Een concentratie van 1 mg/m³ zorgt dan voor 700 * 10³ m³ aan volume dat dodelijk is.

Het volume wordt bepaald door de formule V = A*H. De hoogte van H het gas = 3 m.

Het oppervlak, bepaald door π r² = 700*10³ / 3 = 2,33 * 10⁵ m²

Dit geeft dat de afstand (=straal r) = 2,33*10⁵/π = 273 m = 0,27 km.

b) 2: 2C6H7N + H2CO Æ C13H14N2 + H2O.

3: C13H14N2 + 2COCl2 Æ C15H10N2O2 + 4HCl c)

reactie 1 CO

H2O

reactie 2

reactie 3 Cl2

H2CO C6H7N2

MDI HCl

d) reactie molverhouding: 2 fosgeen : 1 MDI : 4 zoutzuur 2 mol fosgeen weegt 2(12 + 16 + 2 * 35,45) = 197,8 g 1 mol MDI weegt 15 * 12 + 10 * 1 + 14 * 2 + 16 * 2 = 250 g 4 mol HCl weegt 4 * (1 + 35,45) = 145,8 g

reactie gewichtsverhouding = fosgeen : MDI : zoutzuur = 197,8 : 250 : 145,8 50.000 ton MDI komt overeen met 197,8/250 * 50.000 = 40 ton fosgeen 50.000 ton MDI komt overeen met 145,8/250 * 50.000 = 29 ton zoutzuur e) 1. deze zijn exotherm, omdat er meer energie vrijkomt dan erin gaat

2. wet van behoud van energie/Hess. Aanname: rendement = 100%