spm1510-03/04; Deeltoets I; Donderdag 12 februari 2004, 10:45-12:45 – Uitwerking
Vraagstuk 1 (20 punten) a. Aardgas en steenkool
b. Zonne-energie, waterkrachtenergie, windenergie, biomassa, geothermische energie
c. 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.
d. De R staat voor reserves: de bewezen voorraad. Dit is de omvang waarvan aangetoond is dat deze hoogstwaarschijnlijk rendabel is te exploiteren. De P staat voor productie: de jaarlijkse hoeveelheid grondstof die wordt verbruikt. Als men R/P berekent, vindt men het aantal jaren dat de voorraad afdoende is op het huidige productieniveau. De R wordt met name veranderd door ontdekkingen van nieuwe voorraden, nieuwe technieken die goedkopere productie mogelijk maken en afname door de productie. De P wordt bepaald door de huidige productie. De eenheid is [jaar]
e. Het is niet meteen duidelijk hoe nauwkeurig de bewezen voorraden zijn bepaald. Een voorraad in jaren geeft een vrij zekere indruk, terwijl deze mogelijk minder zeker is (denk aan de gevolgen van de recente voorraadbijstelling van Shell). Daarnaast veronderstelt de R/P-ratio een stabiele productie. De R/P ratio is dus een momentopname van de verwachting.
f.
Tabel 1. Verschillen tussen fossiele brandstoffen
Vraagstuk 2 (30 punten)
a. De snelle koolstofkringloop: het vastleggen van CO2 door fotosynthese door plant en boom, alsmede de verbranding waarbij CO2 weer vrijkomt (inclusief tussenstap in fossiele grondstof).
b.
c. De invloed van de mens is met name op de stroom van het compartiment fossiele grondstoffen naar koolstofdioxide in de lucht.
d. Het gebruik van biomassa verandert de huidige structuur niet van de keten niet. De voorraad biomassa wordt relatief snel aangevuld met als bron CO2 uit de atmosfeer. Het is dus veel eenvoudiger om een cyclus te genereren. Om het duurzaam te krijgen is die cyclus noodzakelijk. Ter illustratie een korte schatting: Als men uitgaat van een groeitijd van 20 jaar van een boom van behoorlijke omvang, moet het bos 20 maal zo groot zijn als het jaarlijkse verbruik voor energievoorziening. Met de
verbrandingswaarde/energie-inhoud, massa en energiebehoefte gegeven is te bepalen dat een enorm bos noodzakelijk is. De afweging tussen de kosten door ruimtegebruik en kosten van andere methoden zal (voor een bedrijf op zoek naar winst) waarschijnlijk beïnvloed moeten worden door bijvoorbeeld subsidieregelgeving.
e. Door deze maatregelen worden ‘decarbonization’ genoemd.. Twee andere mogelijkheden zijn opslaan van CO2 direct na de productie en
Verschilpunt Aardolie Aardgas Steenkool
Voorraad 45 75 200-300
Bijdrage broeikaseffect Redelijk Klein, (groot bij lekken gaslek!)
Groot
Verontreiniging Matig verontreinigd Schoon Sterk verontreinigd Toepassing Transport, plastics Elektriciteitsproductie Elektriciteitsproductie Transportmogelijkheden Eenvoudig Moeilijk (gas) Moeilijk
Milieueffecten bij onbeheerste verbranding
Wisselende zwavelemissie
Wisselende zwavelemissie (met name in Frankrijk)
Grote zwavelemissie
Overig Veel verspilling Veel verspilling Goedkoop
Vraagstuk 3 (40 punten) a.
b. We nemen 1000 [g] frituurvet. Deze bestaat volgens tabel 1 uit 760 [g] C, 130 [g] H en 110 [g] O. Elk delen door de bijbehorende molmassa geeft het aantal molen element per 1000 [g] frituurvet:
C: 760 [g / 1000 g] / 12,01 [g/mol] = 63,28 [mol / 1000 g] C H: 130 [g / 1000 g] / 1,008 [g/mol] = 129 [mol / 1000 g] H O: 110 [g / 1000 g] / 16,00 [g/mol] = 6,875 [mol / 1000 g] O
Een mogelijke combinatie van x, y en z is nu al berekend. Dit zou een structuurformule geven van C63,28H129O6,875. Indien wordt gedeeld door 6,875 en wordt afgerond krijgt men:
C9H19O.
Voor steenkool nemen we 900 [g], omdat de rest bestaat uit asrest. Deze 900 [g] bestaat volgens de tabel uit 800 [g] koolstof en 100 [g] waterstof. De formule wordt hier CxHyO0 = CxHy
Het aantal molen element per 900 [g] steenkool bedraagt:
C: 800 [g / 900 g] / 12,01 [g/mol] = 66,61 [mol / 900 g] C H: 100 [g / 900 g] / 1,008 [g/mol] = 99,21 [mol / 900 g] H
Een mogelijke combinatie is dus C66,61H99,21. Dit komt nagenoeg overeen met C2H3.
c. Normaliter met steenkool. Opgewekt vermogen = 600 [MW] = 600 [MJ/s] = 600*3600*24*365 =
= 1,89 * 1010 [MJ/jaar]. Massa steenkool per jaar = 1,89 * 1010 [MJ/jaar] / 29 [MJ/kg] = 0,65 * 109 [kg/jaar] = 0,65 [Mton/jaar], geldend voor 100% rendement. Bij 41%: 0,65 / 0,41 = 1,6 [Mton/jaar]
De eenvoudigste manier om de tweede vraag uit deze deelvraag uit te rekenen is door de verhouding tussen verbrandingswaarde te vertalen naar massa.
Frituurvet: 2,00 [kton/jaar], met 39 [MJ/kg]; en steenkool: x [kton/jaar], met 29 [MJ/kg]. Kruisregel toepassen Æ x = 2,00 * 39 / 29 = 2,6 [kton/jaar]
d. De reactievergelijking wordt bij frituurvet: 4C9H19O + 53O2 Æ 38H2O + 36CO2. Per jaar 2000 ton frituurvet. Molmassa frituurvet: 9(12,01) + 19(1,008) + 16 = 143,2 [g/mol]
2000 ton vet komt overeen met 2000*106 [g] / 143,2 [g/mol] = 14*106 [mol] frituurvet.
Per 4 [mol] frituurvet ontstaat 36 [mol] koolstofdioxide (zie vraag c.). Daardoor ontstaat bij 14*106 [mol] frituurvet 14*106 * 36 / 4 = 126 * 106 [mol] CO2, dat komt overeen met 126 * 106 * (12,01 + 2*16) = 5,5 * 109 [g] = 5,5 [kton] CO2.
e. Het artikel stelt dat deze manier van energieopwekking duurzaam is en niet bijdraagt aan de uitstoot van koolstofdioxide. Er vindt wel uitstoot plaats, maar deze hoeveelheid zou recentelijk zijn
onttrokken uit de atmosfeer. Het is echter de vraag hoe frituurvet is geproduceerd. Er kan alleen sprake zijn van duurzame energieopwekking indien voor de productie van frituurvet ook een duurzame bron is gebruikt. Dat wordt echter niet vermeld in het artikel.
f. De verbrandingsenthalpie van per kg is gegeven, maar per mol is deze uit te rekenen door te delen door de molmassa, zijnde 9 * 12,01 + 19 * 1,008 + 1 * 16,00 = 143 [g/mol].
Verbrandingsenthalpie: 39 * 103 [MJ/g] / 143 [g/mol] = 273 [MJ/mol]. Per 4 mol: 1092 [MJ/4mol]
De reactievergelijking: 4C9H19O + 53O2 Æ 38H2O + 36CO2
Invullen van de vergelijking: 4*x + 0 Æ 38 * -286 + 36 * -394 = -10868 + -14184 4x = -25,1 + 1092 = 1066,9 Æ x = 267 [MJ/mol]
g. Het rendement wordt geschat op 41%. De geproduceerde hoeveelheid energie bedraagt 39 [MJ/kg] * 1000 [kg/ton] * 2000 [ton/jaar] * 0,41 [%] = 32 * 106 [MJ/jaar]. Per seconde bedraagt dit: 32 * 106 / (365*24*60*60) = 1,01 [MJ/s] = 1,0 [MW].
h. 0,5 massa% zwavel van 2000 [ton] bedraagt 1,0 [ton] = 1,0 *106 [g]. Dit komt overeen met 1,0 * 106 / 32,07 [g/mol] = 31 * 103 [mol]. 1 [mol] S komt volgens de reacties in de opgave overeen met 1 mol CaSO4. 31 * 103 [mol] CaSO4 heeft een massa van 31 * 103 [mol] * (40,08 + 32,07 + 4(16)) [g/mol] = 31 * 103 * 136,15 = 4,2 [ton] gips.
i. Als inputs uit het milieu gebruikt de centrale koud water, (schone) lucht, grondstoffen, als outputs warm water, afvalgassen en asresten.
