spm1510-03/04; Deeltoets I; Donderdag 12 februari 2004, 10:45-12:45 Deze deeltoets bestaat uit 3 vraagstukken. De beschikbare tijd is 2 uur. U mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal, Periodiek Systeem en formuleblad (achterpagina deze toets). U start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100.
Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan uw tijd in per vraagstuk. Gebruik systeemdenken en let op correcte keuze / gebruik eenheden. Succes!
Vraagstuk 1 (20 punten)
Ook in de Nederlandse bodem bevindt zich een grote voorraad fossiele energiedragers.
a. Noem de TWEE typen fossiele energiedrager die uit Nederlandse bodem worden gewonnen.
b. Noem vijf energiebronnen die niet van fossiele oorsprong zijn.
c. Waarom spreken we liever van energiegebruik dan van energieconsumptie of energieverbruik?
In energiestatistieken wordt de voorraadpositie van energiedragers veelal gekarakteriseerd met de R/P ratio.
d. Licht deze ratio toe. Bespreek daarbij ten minste waar de R en P voor staan en door welke fenomenen de omvang van elk wordt bepaald. In welke eenheid wordt dit statistisch gegeven uitgedrukt? Om welke reden is de R/P zo handig in gebruik?
e. Beschrijf kort met welke 'problemen' of tekortkomingen rekening moet worden gehouden bij interpretatie cq. gebruik van de R/P ratio.
f. Maak een vergelijking voor twee van de drie belangrijkste fossiele energiedragers. Ga daarbij ten minste in op (1) omvang van de voorraad (2) belangrijkste toepassingen (3) transportmogelijkheden van de energiedrager (4) bijdrage aan het broeikaseffect (5) milieueffecten bij onbeheerste
verbranding.
Vraagstuk 2 (30 punten)
Figuur 1. Koolstofcyclus
Op aarde zijn twee koolstofkringlopen te onderscheiden. Figuur 1 geeft één van deze koolstofkringlopen weer. De bijschriften van de figuur geven aan dat het om twee (gekoppelde) kringlopen zou gaan.
a. Hoe wordt de hierboven weergegeven koolstofkringloop genoemd. Licht deze cyclus kort toe.
b. Vertaal Figuur 1 naar een systeemdiagram voor 'de aarde', waarmee de invloed van de mens op deze kringloop duidelijk wordt. Maak daarbij een zorgvuldige en geschikte keuze van op te nemen subsystemen (compartimenten), de systeemgrens en subsysteemgrenzen.
c. Gebruik het systeemdiagram uit deelvraag b. om de invloed te verklaren van 'de mens' in de huidige industriële samenleving op de geschetste koolstofkringloop'.
d. Waarom wordt, denkt u, in het kader van de onderhandelingen n.a.v. 'Kyoto' en beheersing van het CO2 gehalte in de atmosfeer, veel verwacht van het gebruik van biomassa in de energievoorziening?
Welke mogelijkheden en problemen ziet u hierbij?
e. Hoe worden inzet van biomassa en ander mogelijkheden om onze invloed op de koolstofcyclus te verminderen ook wel genoemd? Beschrijf kort een tweetal mogelijkheden in de energievoorziening anders dan de inzet van biomassa.
Vraagstuk 3 (40 punten)
De elektriciteitscentrale Harculo wordt normaliter gestookt met alléén steenkool. Ze heeft een elektrisch vermogen van 600 MW. Door inzet van frituurvet wordt op het steenkoolverbruik bespaard. De
verbrandingswaarde van frituurvet bedraagt 39 [MJ/kg], die van steenkool 29 [MJ/kg]. Het rendement van de centrale is 41%.
a. Teken een systeemdiagram voor de elektriciteitscentrale geschikt voor analyse van de elektriciteitsopwekking in de centrale met behulp van olijfolie en frituurvet.
Frituurvet is een organische stof die bestaat uit koolstof, waterstof, zuurstof. Daarnaast bevat ze kleine hoeveelheden stikstof, zwavel en chloor. Steenkool bestaat uit koolstof, waterstof en een asrest.
Vereenvoudigd is de massaverdeling als volgt:
massapercentage element
frituurvet steenkool
C 76 80
H 13 10
O 11 0
asrest 0 10
Tabel 1. Massaverdeling frituurvet en steenkool
b. Frituurvet en steenkool kunnen worden genoteerd als CxHyOz. Bereken voor elk een mogelijke combinatie van x, y en z en geef zo de verhoudingsformule van frituurvet resp. steenkool.
c. Hoeveel ton steenkool verstookt de centrale normaliter per jaar? Hoeveel ton steenkool wordt jaarlijks uitgespaard door de beschreven inzet van frituurvet?
d. Hoeveel koolstofdioxide (CO2) ontstaat per jaar bij de verbranding van het frituurvet? Indien vraag b.
onbeantwoord is gebleven mag u CH2O gebruiken als verhoudingsformule voor frituurvet.
e. Waarom stelt het artikel dat deze manier van energieopwekking niet bijdraagt aan het broeikaseffect, hoewel in deelvraag d. is berekend dat er koolstofdioxide-uitstoot plaatsvindt? Betrek in je antwoord het fenomeen duurzame energie. Ben je het eens met deze stelling?
f. De vormingsenthalpie van water is -286 kJ/mol; die van CO2 -394 kJ/mol. Wat is de vormingsenthalpie van frituurvet?
g. Wat is het gemiddelde opgewekte elektrisch vermogen opgewekt uit frituurvet (in MW)?
De gemiddelde hoeveelheid zwavel (S) in de gebruikte steenkool bedraagt 0.5 massa%. Bij de verbranding ontstaat zwaveldioxide (SO2). In de sinds jaren verplichte rookgasontzwaveling wordt dit verwijderd door nagenoeg volledige omzetting in gips: Ca(OH)2 + 0.5 O2 + SO2 Æ CaSO4 + H2O
h. Bereken een schatting van de hoeveelheid gips die de elektriciteitscentrale jaarlijks produceert.
i. Beschrijf kort en systematisch hoe in normaal bedrijf de centrale in Harculo gebruik maakt van haar 'omgeving' cq. 'het milieu'.
Kader 1. Elektriciteitscentrale draait op olijfolie
ZWOLLE (ANP) - De elektriciteitscentrale Harculo in Zwolle wekt vanaf deze week energie op met olijfolie. De centrale stookte afgelopen zomer al gebruikt frituurvet. De proeven moeten leiden tot een rendabele nieuwe vorm van duurzame energie.
Maandag is de eigenaar van de centrale, energiemaatschappij Electrabel, begonnen met het verbranden van vetzuren afkomstig uit plantaardige oliën als palm- en olijfolie. In ongeveer een half jaar verstookt de centrale 1000 ton vetzuren, meldde Electrabel dinsdag.
De vetzuren komen onder meer van de levensmiddelenindustrie. “Het product lijkt qua verbranding erg op gewone olie en is daardoor zeer geschikt voor het opwekken van elektriciteit”, aldus Electrabel.
Energieopwekking uit deze brandstof zou niet bijdragen aan het broeikaseffect.
De proef met frituurvet was een succes. ,,Het is mogelijk dat we in de toekomst nog eens gaan draaien met frituurvet'', aldus een woordvoerder.
Formuleblad TB151
Energie: Ekin = ½ mv2 [J]
Q = Cp×m×∆T [J]
Wmax = Qh×(Th – Tc) / Th
Qc= Qh – Wmax = Qh × Tc / Th
19 1 2
2.31 10 Q Q
E r
= × − × [J]
Avogadro: N = 6,022 * 1023 [moleculen/mol]
Straling: λpiek
piek
c
=T [m]
S = kT4 (k = 5,67 * 10-8 [W/m2]) E = h*f = h*c/λ [J]
h = 6.62608 * 10-34 [Js]
c = 3,000 * 108 [m/s]
Heisenberg: ∆ ∆( ) 4 x mv h
⋅ ≥ π
Ideaal gas: PV = nRT
(R = 0,0821 [atm L K-1]) (L = liter) R = 8.31451 [J/(K*mol)]
Zuurgraad: pH=-log[H+]
1 18
1A 8A
1 2
H 2 13 14 15 16 17 He
1.008 2A 3A 4A 5A 6A 7A 4.003
3 4 5 6 7 8 9 10
Li Be B C N O F Ne
6.941 9.012 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P S Cl Ar
22.99 24.31 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.38 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Ge Sb Te I Xe
85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3
55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Sn Bi Po At Rn
132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.9 186.2 190.2 192.2 195.1 197 200.6 204.4 207.2 209 (209) (210) (222)
87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112
Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Uun Uuu Uub (223) 226 (227)
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
140.1 140.9 144.2 (145) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
232.0 (231) 238.0 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260)
