spm1520 Tentamen 17 april 2013
Tentamen spm1520 17 april 2013 14-17 uur
Aanwijzingen:
• U mag gebruik maken van:
– schrijfmateriaal – rekenmachine
– formuleblad en periodiek systeem (afgedrukt achteraan dit tentamen).
• Lees de vragen vooraf door en deel de beschikbare tijd in voor beantwoor- ding van de vragen.
Ommezijde is antwoordvel meerkeuzevragen. LEVER DIT VEL IN.
Dit tentamen bevat 24 vragen, op 10 pagina’s.
Daaronder zijn 21 meerkeuzevragen (40 punten) en twee open vragen (50 punten).
Het totaal aantal te behalen punten is 100. U start met 10 punten.
Pagina: 1 2 3 4 5 6 Totaal:
Punten: 8 8 12 12 30 20 90
Score:
Met de BONUSVRAAG kunt u 10 extra punten verdienen.
Toelichting meerkeuzevragen
• bij elke deelvraag is slechts ´e´en antwoord juist.
• Een foute keuze geeft aftrek van1/3van het puntenaantal.
• Aanvinken van meer dan ´e´en vakje per vraag wordt gerekend als een foute keuze
• Als u het antwoord niet weet en D – blanco kiest, volgt g´e´en puntenaftrek!
Naam:
Studienummer:
Vraagstuk A B C D punten score
1 2
2 2
3 2
4 2
5 1
6 1
7 2
8 1
9 1
10 2
11 3
12 2
13 2
14 2
15 3
16 3
17 1
18 2
19 1
20 2
21 3
Totaal 40
spm1520 Tentamen 17 april 2013
MEERKEUZEVRAGEN
Region Reserve Percentage R/P-ratio Miljard ton (%)
Total World 861 100,0 112
USA 237 27,6 239
China 115 13,3 33
European Union 56 6,5 97
Tabel 1: Informatie over steenkool t.b.v. vraag 1-3 (bron: BP Statistical Review 2011) 1. (2 punten) De informatie in tabel 1 suggereert dat in de Verenigde Staten de situatie voor
steenkool (veel) gunstiger is dan in China. Uit de cijfers blijkt dat het jaarlijks gebruik van steenkool (miljard [ton/jaar]) in de VS en China zich verhouden als ongeveer:
A. 1 staat tot 2 B. 1 staat tot 4 C. 1 staat tot 7 D. blanco
2. (2 punten) Uit de in tabel 1 opgenomen gegevens blijkt dat:
A. China een netto importeur is van steenkool
B. de Europese Unie jaarlijks 3x zoveel steenkool gebruikt als China
C. de wereldvoorraad steenkool zich vooral buiten de VS, China en de EU bevindt D. blanco
3. (2 punten) Steenkool bevat gemiddeld zo’n 10 [gew.%] ander materiaal dan koolstof. Op basis van tabel 1 is een redelijke schatting voor de jaarlijkse wereldwijde CO2-emissie door het gebruik van steenkool:
A. 1.9 miljard [ton]
B. 6.9 miljard [ton]
C. 25.4 miljard [ton]
D. blanco
4. (2 punten) Het Getal van Graetz Gz geeft de verhouding tussen warmteinhoud en warm- teoverdracht in een vloeistofleiding weer. Dit is een dimensieloos getal, dat gegeven wordt door
Gz = Φm· Cp k · L .
Hierin is Φmde massastroom in [kg/s], Cpde warmtecapaciteit bij constante druk [J/(K.kg)], kde warmtegeleiding en L een karakteristieke lengte. De dimensie van k is dus
A. [W/(K.s)]
B. [W/(K.m)]
C. [J/(K.m)]
D. blanco
5. (1 punt) Bij een reactie staat vermeld ∆Hreactie= −28[MJ/kg]. Dat betreft zeker niet:
A. een verbrandingsreactie B. een endotherme reactie
C. een reactie waar steenkool bij betrokken is D. blanco
6. (1 punt) Waterkokers en elektrische boilers hebben als overeenkomstige reden voor hun aantrekkelijk ogend rendement:
A. dat ze beide zeer goed zijn ge¨ısoleerd B. er g´e´en Carnot-rendement van toepassing is C. de gekozen temperatuur van het warme water D. blanco
7. (2 punten) Het Carnot-rendement is hoger naarmate een elektriciteitscentrale ...
A. met een hogere koelwatertemperatuur werkt
B. een hogere mate van terugwinning van warmte realiseert C. bij een hogere verbrandingstemperatuur werkt
D. blanco
8. (1 punt) De Nederlandse elektriciteitsvoorziening onderscheidt zich van die in andere lan- den met name door een groot aandeel van
A. steenkoolcentrales B. kerncentrales
C. (warmtekrachtgekoppelde) gascentrales D. blanco
9. (1 punt) Welke stelling is juist? Het elektrisch rendement van ...
A. ... een moderne kerncentrale is hoger dan dat van een moderne steenkoolcentrale B. ... een waterkrachtcentrale is ruim twee keer zo hoog als dat van een moderne
kerncentrale
C. ... een warmtekrachtcentrale (WKK) op gas is hoger dan dat van een moderne gascentrale
D. blanco
10. (2 punten) Welke stelling is zeker waar?
A. Het aantal mol peren in 1 kilo is gelijk aan het aantal mol appels in 1 kilo B. Het aantal peren in een mol verschilt van het aantal appels in een mol
C. Het aantal peren(appels) in ´e´en mol is afhankelijk van het gemiddelde gewicht van de peren(appels)
D. blanco
spm1520 Tentamen(vervolg) 17 april 2013 11. (3 punten) Stel het rendement van een elektriciteitscentrale, waar kolen verstookt wor- den, is 50%. Het vermogen van deze deze centrale is 800 [MWe]. Hoeveel steenkool met LHV=28 [MJ/kg] is per uur nodig voor de centrale als deze het hele uur op vollast draait?
A. 102,9 ·103[kg]
B. 205,7 ·103[kg]
C. 161,3 ·106[kg]
D. blanco
12. (2 punten) Aardgas en kolenprijzen liggen normaliter veel verder uiteen dan in 2009-2010 het geval was. Toen was de prijs voor voor kolen met ongeveere4,50 per GJ die van aard- gas genaderd, waarvoore4,60 per GJ betaald moest worden. De prijs voor CO2-uitstoot bedroeg ongeveer 15eper ton. De LHV van kolen bedraagt 28 [MJ/kg] en van aardgas 50 [MJ/kg]. Welke uitspraak over de kosten voor het opwekken van 1 MWh elektriciteit uit aardgas t.o.v. steenkool is zeker juist voor deze periode?
A. de gemaakte brandstofkosten voor een aardgascentrale waren hoger dan die voor een kolencentrale.
B. de gemaakte brandstofkosten voor een aardgascentrale waren lager dan die voor een kolencentrale.
C. de gemaakte CO2-kosten voor een aardgascentrale waren lager dan die voor een kolencentrale.
D. blanco
13. (2 punten) Als 2,000 [kg] SO2 wordt uitgestoten als gevolg van de verbranding van een hoeveelheid pure zwavel, dan is de massa van deze hoeveelheid zwavel:
A. 0,5 [kg]
B. 1,0 [kg]
C. 2,0 [kg]
D. blanco
14. (2 punten) De volgende energietransformaties treden op in een warmtekrachtcentrale A. (Chemische energie → warmte); (warmte Tlaag→ warmte Thoog)
B. (Chemische energie → warmte); (warmte Thoog→ warmte Tlaag) C. (Chemische energie → kracht); (kracht → warmte)
D. blanco
15. (3 punten) Een zuivere stof bevat 62 [gew.%] koolstof. Dit geldt voor:
A. de stof aceton, CH3-CO-CH3
B. de stof methylazijnzuur, CH3-CH2-COOH C. g´e´en van beide bovenstaande stoffen D. blanco
pag. 3 van 10
16. (3 punten) Als de vormingsenthalpie van stof A gelijk is aan ∆HA, stof B ∆HBen stof C
∆HC, dan geldt voor de reactie A + B → C dat de reactieenthalpie ∆Hr(in [kJ/mol]) gelijk is aan
A. ∆HA+ ∆HB− ∆HC B. ∆HA+ ∆HB+ ∆HC C. ∆HC − ∆HA− ∆HB D. blanco
17. (1 punt) Toestandsgrootheden in een elektriciteitscentrale zijn:
A. rendement, capaciteit en vermogen
B. verbrandingsenthalpie, capaciteit en vermogen C. verbrandingsenthalpie, stoomdruk en -temperatuur D. blanco
18. (2 punten) De volgende formulering van de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica is niet juist:
A. Energie kan niet worden gecre¨eerd, noch vernietigd
B. Massa kan noch worden gecre¨eerd, noch worden vernietigd C. De energie van het Universum is constant
D. blanco
19. (1 punt) Nederland heeft een elektriciteitsgebruik van ongeveer A. 1 miljard [kWh] per jaar
B. 10 miljard [kWh] per jaar C. 100 miljard [kWh] per jaar D. blanco
20. (2 punten) De volgende uitspraak is juist:
A. Een energiebalans is all´e´en op te stellen voor energieconversiesystemen B. Een energiebalans is all´e´en op te stellen voor stationaire systemen C. De twee bovenstaande uitspraken zijn onjuist
D. blanco
21. (3 punten) Palmitinezuur, een verzadigd vetzuur met verhoudingsformule C16H32O2, kan met zuurstof O2 worden vergast tot biogas, dat idealiter slechts bestaat uit CO2en CH4 . In een kloppende reactievergelijking reageert 1 molecuul palmitinezuur tot slechts CO2en CH4. Daarvoor zijn precies nodig:
A. met 6 moleculen zuurstof B. met 7 moleculen zuurstof C. met 8 moleculen zuurstof D. blanco
spm1520 Tentamen(vervolg) 17 april 2013
Open vragen
22. (30 punten) Elektriciteitsopwekking. Wereldwijd wordt nog steeds het grootste deel van onze elektriciteit opgewekt in thermische centrales. In dit soort centrales wordt als enig afzetproduct elektriciteit gemaakt via een conventionele stoomcyclus of Rankine cyclus.
Hoewel de verbrandingtemperatuur in de nieuwste centrales gestookt met steenkool zo’n 1.200◦C is, is door materiaalbeperking de maximale te bereiken temperatuur in de stoom- cyclus gemiddeld beperkt tot 1.000◦C . Het gerealiseerde rendement is in Nederland ge- middeld 42%. Steenkoolcentrales zijn niet erg flexibel, ze werken eigenlijk altijd op vollast, of staan uit. Kolencentrales voorzien in de helft van de Nederlandse basislast, zo’n 12.000 [MW], de gehele dag door.
(a) Beschrijf kort de inrichting en werking van een stoomcyclus in een thermische cen- trale.
(b) Naast CO2zijn er nog minstens 3 andere typen luchtverontreiniging waartegen in een kolencentrale maatregelen moeten worden genomen. Welke zijn dit?
(c) Kies ´e´en van de typen luchtverontreiniging uit deelvraag b, en beschrijf welke tech- nische maatregelen c.q. voorzieningen in een kolencentrale worden getroffen om de betreffende uitstoot te beperken.
(d) Maak een systeemdiagram ter beantwoording van onderstaande deelvragen e,f,g,h.
(e) Hoeveel ton steenkool wordt er per dag in Nederlandse elektriciteitscentrales verstookt?
De LHV van steenkool is 28 [MJ/kg].
(f) Hoe groot is het continu afgegeven vermogen aan restwarmte aan de omgeving van de Nederlands kolencentrales in [MW]?
(g) Stel dat alle centrales met oppervlaktewater worden gekoeld. Maak een schatting van het totale, dagelijks door de kolencentrales gebruikte koelwaterdebiet (Cp(water)=
4.2[kJ/kg/K]).
De zonne-instraling in Nederland staat in figuur 1 (volgende pagina). Het gemiddeld rende- ment van PV-installaties is 15%. De Nederlandse dagelijkse piek in stroomvraag is zo’n 3.000 [MW] tussen 12 en 2 uur overdag in de zomermaanden juli en augustus.
(h) Bereken het oppervlakte aan PV nodig om deze piek stroomvraag op te vangen.
Zon-PV-systemen lijken een aantrekkelijke optie om de energievoorziening te verduurzamen en de Nederlandse CO2 uitstoot te verminderen. Echter, om de elektriciteitsvoorziening bijvoor- beeld ook ’s nachts te kunnen garanderen is opslag van elektriciteit wellicht nodig, bijvoorbeeld in”pumped-hydro” systemen.
(i) Leg kort het principe van een
”pumped-hydro” systeem uit.
(j) Stel dat de helft van de Nederlandse basislast, naast de volledige dagelijkse piek, wordt verduurzaamd met zon-PV in combinatie met pumped-hydro. Gebruik de in- formatie uit figuur 1 en zet een eenvoudig systeemdiagram en energiebalans op om te bepalen hoe groot het vermogen van respectievelijk zon-PV, pumped- en hydro dienen te zijn.
pag. 5 van 10
Figuur 1: Gemiddelde instraling per uur (in [W/m2]) te De Bilt als functie van de maand en de tijd van de dag. Bron: KNMI (http://www.knmi.nl/klimatologie/
achtergrondinformatie/Zonnestraling_in_Nederland.pdf)
23. (20 punten) Een massa ijzer en staal. Staal is een legering van ijzer F e, chroom Cr, nikkel N i en een gelimiteerde hoeveelheid koolstof C (tussen de 1 en 2 [gew.%]). Staal wordt gepro- duceerd uit ruwijzer, dat weer geproduceerd kan worden uit ijzererts of schroot. IJzererts bevat g´e´en koolstof, terwijl schroot, zeker gietijzer, wel tot 7 [gew.%] koolstof kan bevatten.
Daarnaast bevat staal gemiddeld zo’n 10 [gew.%] legeringselementen (Cr en N i ongeveer in de verhouding 2:1). De productie vraag een groot aantal stappen1:
”Cokesbereiding: omzetten van ruwe steenkool tot cokes, die als reductiemiddel in de hoogoven kan worden ingezet
Ruwijzerbereiding in hoogovens
Mengertransport: vervoer van vloeibare ruwijzer van hoogovens naar staalfabriek, in men- gers (torpedovormige vaten op treinstellen)
Ontzwaveling
Staalbereiding: meestal volgens het oxystaalproces, waarbij zuivere zuurstof onder hoge druk in een bad met vloeibaar ruwijzer wordt geblazen. De aanwezige koolstof wordt daarbij gebonden tot CO-gas, dat na reiniging en ontstoffing als brandstof voor elek- triciteitscentrales kan dienen.”
Tot zover Wikipedia.
1overgenomen uit Wikipedia (http://nl.wikipedia.org/wiki/Geintegreerd_staalbedrijf); acces- sed 15.04.2013
spm1520 Tentamen(vervolg) 17 april 2013 (vervolg inleiding vraag 23). Ter toelichting: in een hoogoven wordt all´e´en ijzererts ver- werkt. In het oxystaal proces wordt het ruwe product van de hoogoven verwerkt. In het oxystaal proces kan ook schroot worden verwerkt. Tata Steel2rapporteert op haar website de volgende kentallen voor 2011:
• 6,9 miljoen ton kwaliteitsstaal uit
• 7,5 miljoen ton ijzererts in
• 4,5 miljoen ton kolen in
• 1,5 miljoen ton schroot in
Een hoogoven produceert ook zgn. hoogovenslakken. Deze bevatten niet-ijzer en niet- koolstof componenten afkomstig van het gebruikte erts en van de gebruikte cokes (die is gemaakt uit steenkool). De website van Tata steel vermeldt3 dat in 2011 er 2.3 miljoen ton hoogovenslakken werden geproduceerd; die werden afgezet aan cementproducenten en wegenbouwers. Waarschijnlijk om strategische redenen worden de hoeveelheden gebruikt chroom en nikkel niet vermeld.
(a) Lees alle informatie ´en de onderstaande deelvragen. Teken een systeemdiagram van het productieproces van staal dat geschikt is voor het beantwoorden van de onder- staande deelvragen. Licht uw diagram kort toe!.
(b) Stel de massabalans over Tata Steel Ijmuiden op. Laat in uw diagram gemaakt bij a) zien hoe de stromen ijzer F e en koolstof C lopen. Gebruik de systeembenadering! Geef ook een korte beschrijving in woorden!
(c) Tata Steel is de grootste CO2-emittent van Nederland. Verwerk de informatie en bere- ken een onderbouwde schatting van de CO2-uitstoot van Tata Steel Ijmuiden in 2011.
Leg kort uit!
(d) Maak geschikte aannames en bereken een zo nauwkeurig als mogelijke schatting van het gewichtspercentage ijzer F e in het gebruikte ijzererts. Leg kort uit!
(e) De gebruikte steenkool bevat zwavel. Staal mag absoluut geen zwavel bevatten. Een hoogovencomplex produceert daarom als co-product zwavelzuur, H2SO4. Stel dat Tata Steel steenkool met 2 [gew.%] zwavel inkoopt, maak dan een onderbouwde schat- ting van de jaarlijkse zwavelzuurproductie in Ijmuiden. Leg kort uit!
24. (10 punten (bonus))
”Centraal of Decentraal?”. De Duitse Energiesector heeft samen met de Bondsregering een plan ontwikkeld hoe verder na het sluiten van de Duitse kerncentrales.
Er wordt voorgesteld de komende jaren ruim 80 miljard te investeren in aardgascentrales, schone kolencentrales, windparken ´en in het elektriciteitsnetwerk. Critici stellen echter dat het tijdperk van grootschalige, centrale opwekking van elektriciteit verleden tijd is. De sluiting van de kerncentrales biedt een kans, om juist nu vol in te zetten op decentrale ener- gievoorziening - zon-PV, kleine biomassacentrales en warmtekrachtcentrales. Geef kort uw analyse van en beargumenteerde visie op de toekomst van de Nederlandse elektriciteits- voorziening in relatie tot wind, zon, aardgas ´en steenkool.
– Einde van de vragen –
2http://www.tatasteel.nl/maatschappelijkjaarverslag/bedrijf/ons-bedrijf-in-cijfers-en-grafieken/
bedrijf-in-kentallen.html; accessed 15.04.2013
3http://www.tatasteel.nl/maatschappelijkjaarverslag/bedrijf/ons-bedrijf-in-cijfers-en-grafieken/
grafieken-en-tabellen.html; accessed 15.04.2013
pag. 7 van 10
– Deze pagina is bewust blanco –
spm1520 Tentamen(vervolg) 17 april 2013
Formuleblad
• Energie [J]:
Ekin= 12m · v2 Q = Cp· m · ∆T Wmax= Qh·(Th− Tc)
Th
Qc= Qh− Wmax = Qh· Tc
Th E = 2, 31 · 10−19·Q1.Q2
r
• Avogadro [moleculen/mol]:
NAvogadro= 6, 022 ∗ 1023
• Straling:
S = k · T4[W/m2])
k = 5, 67 · 10−8[W/m2/K−4] λpiek = c
Tpiek ν = c/λ[s−1J]
c = 3, 000 · 108[m/s]
E = h · ν[J]
h = 6, 62608 · 10−34[J · s]
• Heisenberg:
∆x · ∆(m · v) ≥ h 4π
• Ideaal gas:
P · V = n · R · T
R = 8, 31451[J/(K · mol)]
1[atm] = 101, 235[J]
pag. 9 van 10
118 1A8A 12 H21314151617He 1.0082A3A4A5A6A7A4.003 345678910 LiBeBCNOFNe 6.9419.01210.8112.0114.0116.0019.0020.18 1112131415161718 NaMgAlSiPSClAr 22.9924.31345678910111226.9828.0930.9732.0735.4539.95 192021222324252627282930313233343536 KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr 39.1040.0844.9647.8850.9452.0054.9455.8558.9358.6963.5565.3869.7272.5974.9278.9679.9083.80 373839404142434445464748495051525354 RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdIn Sn Sb Te I Xe 85.4787.6288.9191.2292.9195.94(98)101.1102.9106.4107.9112.4114.8118.7121.8127.6126.9131.3 555657727374757677787980818283848586 CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTl Pb Bi PoAtRn 132.9137.3138.9178.5180.9183.9186.2190.2192.2195.1197200.6204.4207.2209(209)(210)(222) 878889104105106107108109110111112 FrRaAcUnqUnpUnhUnsUnoUneUunUuuUub (223)226(227) 5859606162636465666768697071 CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu 140.1140.9144.2(145)150.4152.0157.3158.9162.5164.9167.3168.9173.0175.0 90919293949596979899100101102103 ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr 232.0(231)238.0(237)(244)(243)(247)(247)(251)(252)(257)(258)(259)(260)
Figuur 2: Periodiek systeem der Elementen
