Tb151-01; - Deeltoets I;
Vrijdag 6 April, 2001, 14:00-16:00
Deze deeltoets bestaat uit 3 vraagstukken. De beschikbare tijd is 2 uur.
Uitsluitend gebruik van schrijfmateriaal en een rekenmachine is toegestaan.
Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan je tijd in per vraagstuk.
Succes!
Het molgewicht [g/mol] van H=1; C=12; N=14, O=16; S=32;
Vraagstuk 1
Wereldwijd wordt al decennia gebruik gemaakt van diesel als motorbrandstof voor voertuigen. Diesel heeft een verbrandingswaarde van 42 [MJ/kg] en een gemiddelde samenstelling te karakteriseren met de verhoudingsformule C
12H
26; diesel bevat geen zuurstof, maar wel 0.2 gew.% zwavel (S).
In een transitie naar een meer duurzame brandstofvoorziening wordt geclaimt dat
Dimethylether (DME), formule CH
3-O-CH
3een belangrijke rol kan spelen omdat dit een stof is die in elke verhouding bij diesel kan worden gemengd en geen zwavel bevat.
Vooralsnog wordt DME geproduceerd uit aardgas via methanol, maar in de toekomst is produktie op basis van biomassa ook mogelijk.
DME kan diesel geheel vervangen. Dat komt ondermeer omdat de dichtheid van diesel en DME ongeveer gelijk is, +/- 0.8 [kg/l].
a) Noem de twee andere bij standaardcondities vloeibare brandstoffen die uit aardolie worden bereid en benoem hun toepassing t.b.v. ‘transport’
b) Bereken de verbrandingswarmte [kJ/mol] van DME uit de volgende reacties:
CH
3OH
(l)+ 1.5O
2 (g)→ CO
2 (g)+ 2 H
2O
(g)∆H = -677 kJ/mol methanol 2 CH
3OH
(l)→ CH
3-O-CH
3(l)+ H
2O
(g)∆H = -46 kJ/mol DME H
2+ 0.5 O
2Æ H
2O
(g)∆H = -60 kJ/mol H
2c) Een gemiddelde dieselrijder rijdt 40.000 km per jaar bij een verbruik van 5 [l/100 km]. Bereken hoeveel uitstoot van zwaveldioxide, SO
2die deze automobilist vermijdt bij overschakeling op ‘schone’ DME uit aardgas.
Als u het antwoord onder b) niet heeft kunnen berekenen, gebruik dan -1150 [kJ/mol]
d) Verwacht u dat de werkelijke hoeveelheid extra of vermeden hoeveelheid SO
2uitstoot
hoger, lager of gelijk is aan de berekende hoeveelheid onder c). Beargumenteer uw
antwoord!
Vraagstuk 2
Op de Maasvlakte staat een van Nederlands’ grootste kolencentrales voor de produktie van elektriciteit.
In de centrale wordt steenkool vermalen tot poederkool in grote molens met een totaal vermogen van 10000kW. Deze poederkool wordt vervolgens in een wervelbed-fornuis verbrand. De hete rookgassen worden via warmtewisselaars naar de rookgasreiniging geleid. De warmte uit de rookgassen wordt
opgenomen door water, dat de warmtewisselaars verlaat als oververhitte stoom van 120 atm. In een turbine wordt de stoom geexpandeerd tot een druk van 10 atm en de aan de turbine gekoppelde generator
produceert electriciteit. Met zeewater (5 oC) wordt de afgewerkte stoom verder gekoeld en gecondenseerd, waarna een hogedrukpomp het water oppompt tot een de druk van 120 atmosfeer. Voordat de rookgassen naar de rookgasreiniging gaan worden ze eerst verder afgekoeld met verse verbrandingslucht. Deze krijgt daardoor een temperatuur van 250 oC. In de rookgasreiniging wordt hoofdzakelijk de bij de verbranding ontstane SO2 geabsorbeerd met gebluste kalk (Ca(OH)2 in water). Het onstane gips slaat neer, wordt verwijderd en gedroogd. Het gezuiverde rookgas wordt naar de schoorsteen geleid, de gebruikte kalkoplossing aangevuld en gecirculeerd.
Steenkool is te beschrijven als CxHy Sz, waarbij x=y=1 z=0.05
Het vermogen (electrisch) dat de centrale levert aan het net is 1500 MW. Het rendement van de conversie kolen Æ electriciteit is 42% (betrokken op de onderste verbrandingswaarde van de kolen). De onderste verbrandingswaarde van de in de centrale gebruikte kolen is = 30 [MJ/kg
a) Welke andere brandstof wordt in Nederland overwegend gebruikt voor de produktie van elektriciteit b) Teken op basis van de boven gegeven beschrijving een systeemdiagram / principeschema van de
centrale
c) Welke hoeveelheid steenkool gebruikt de installatie als ze op vollast in bedrijf is?
d) Hoeveel lucht verbruikt de centrale bij precies de juiste hoeveelheid 0 % luchttoevoer (overmaat noch ondermaat)? Neem aan dat lucht bestaat uit uitsluitend Stikstof en Zuurstof (20vol%). Als u c) niet heeft kunnen berekenen, neem dan 10 ton kolen/uur.
e) Als de warmtecapaciteit van alle stoffen in zowel verbrandingslucht als rookgas 1 J/mol/K bedraagt, wat is dan de temperatuur van het rookgas direct na de verbranding in het fornuis?
f) Op welke energietransformatie heeft het zgn. Carnotrendement betrekking?
g) Hoeveel arbeid had maximaal uit het hete gas in het fornuis gehaald kunnen worden met een ideale Carnot-machine in plaats van de nu geinstalleerde kringloop? Als u het antwoord in e) niet heeft kunnen berekenen, kies dan 900 oC als rookgastemperatuur.
Vraagstuk 3
Om te voldoen aan de CO2 verplichtingen voortvloeiend uit het verdrag van Kyoto wil de Nederlandse regering het bijstoken van biomassa of afvalhout in kolencentrales stimuleren. Zowel biomassa als hout bestaan uit cellulose (CHOH) en water (H2O). Steenkool is te beschrijven als CxHy Sz, waarbij x=y=1 z=0.05.
De onderste verbrandingswaarde van de in Nederland gebruikte kolen is gemiddeld 30 [MJ/kg], die van
‘natte’ biomassa 10, terwijl afvalhout een onderste verbrandingswaarde heeft van 15 [MJ/kg]
a) Welke andere vormen van CO2 -vrij opgewekte electriciteit kunnen in Nederland volgens u een substantiele bijdrage leveren aan het halen van de Kyoto doelstellingen? Motiveer uw antwoord.
b) Neem aan dat het verschil tussen de verbrandingswaarde van hout en biomassa wordt veroorzaakt doordat de laatste vrij water bevat. Wat is dan het gewichtspercentage water in de ‘natte’ biomassa?
c) Bereken een schatting van de netto hoeveelheid vermeden CO2 uitstoot bij vervanging van 500 MW electriciteit uit kolen door 500 MW uit ‘natte’ biomassa. Geef aan welke aannames je bij je schatting hebt gemaakt
d) Is de werkelijke hoeveelheid extra of vermeden hoeveelheid CO2 uitstoot bij gebruik van ‘natte’
biomassa hoger, lager of gelijk aan de berekende hoeveelheid onder c)?. Beargumenteer uw antwoord!
---einde---
