Tb151-02/03; - Deeltoets I;
Maandag 17 Februari, 2003, 15:45-17:45
Deze deeltoets bestaat uit 4 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.
Een aantal gegevens die je in de vraagstukken nodig hebt kun je halen uit het Periodiek systeem.
Een aantal formules mogelijkerwijs te gebruiken zijn samengevat op het formuleblad (laatste pagina) 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 (10 punten)
De Nederlandse elektriciteitsvoorziening is in hoofdzaak gebaseerd op fossiele energiedragers.
a) Noem de TWEE belangrijkste typen fossiele energiedrager die in Nederland worden gebruikt voor elektriciteitsproductie
b) Noem tenminste twee 'sinks' van elektriciteitsproductie; licht kort toe.
c) In de wereldenergiestatistieken wordt de voorraadpositie van energiedragers gekarakteriseerd met de R/P ratio. Licht kort toe door welke fenomenen op wereldschaal P wordt bepaald.
d) Waarom spreken we liever van energiegebruik dan van energieconsumptie?
e) Wat is de belangrijkste reden dat aardolieprodukten worden gebruikt voor transporttoepassingen en niet aardgas?
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) Teken een eenvoudig systeemdiagram van de Grootschalige Nederlandse Elektriciteitsproductie. U kunt uw diagram gebruiken voor de beantwoording van onderstaande vragen
b) Hoeveel brandstof [MW] moet aan de centrales worden geleverd bij benutting van 80% van de opgestelde capaciteit?
c) Maak een schatting van de hoeveelheid koelwater die wordt gebruikt door de elektriciteitscentrales als de opgestelde productiecapaciteit gemiddeld voor 80% wordt benut. De warmtecapaciteit van water is 4.2 [J/g/K].
d) De gemiddelde hoeveelheid zwavel (S) in de gebruikte brandstoffen is 0.5 kg/TJ. Bij de verbranding wordt zwavel verbrand tot zwaveldioxide. In de sinds jare verplichte rookgasontzwaveling wordt dit vervolgens nagenoeg volledig omgezet in gips:
S + O2 Æ SO2
Ca(OH)2 + 0.5 O2 + SO2 -- > CaSO4 + H2O
Maak een schatting van de jaarlijkse in Nederland ontstane hoeveelheid rookgasontzwavelingsgips Stel dat al deze elektriciteitscentrales worden omgebouwd cq. worden vervangen door warmte/kracht centrales gekoppeld aan stadsverwarming, waarbij de warmte overdracht van de centrales in plaats van naar de omgeving (10oC) naar de stadsverwarming plaatsvindt bij 410 oC.
e) Geef een onderbouwde schatting voor het te verwachten rendement voor de elektriciteitsopwekking in deze situatie.
f) Maak een schatting van de nu benodigde hoeveelheid brandstof voor de totale WKK voorziening (warmte + kracht). Neem aan dat WKK's een totaal rendement (betrokken op LHV) van 90% hebben.
Vraagstuk 3 (30 punten)
Een van de mogelijkheden om fossiele energiedragers te vervangen is de inzet van biomassa. Momenteel wordt reeds veel tropisch regenwoud gekapt, onder meer om energiecentrales en papierfabrieken van grondstof te voorzien. Alle huidige menselijke activiteiten samen leiden naar verwachting tot verdwijnen van het regenwoud:
"With just 2.5 million square miles (…) of tropical rain forest remaining <in de wereld>, we continue to lose an estimated 93,000 square miles (150,000 square km) a year. If the current rate of deforestation continues, the world's rainforests will be gone within 100 years." (www.ctm.co.uk/destructionoftherainforest.htm)
Biologen hebben geschat dat tropisch regenwoud ongeveer 400 kg biomassa per hectare bevat als tropisch hout. Het watergehalte is 50 gewichts % van het hout, de gemiddelde chemische verhoudingsformule van hout is CH2O; de verbrandingswaarde van het hout (Lower Heating Value) bedraagt 15 [MJ/kg].
a) Noem twee andere vormen van hernieuwbare energiebronnen die in Nederland op redelijke schaal (kunnen) worden toegepast
b) De quote van de website ctm.co.uk is een goed voorbeeld van inconsistent gebruik van dimensies en foutieve berekeningen. Hoeveel km2 regenwoud verdwijnt er werkelijk jaarlijks, en hoe lang duurt het werkelijk tot het regenwoud verdwenen, aangenomen dat de gegevens in square miles correct zijn? 1 mijl = 1609 m
c) Teken een systeemdiagram rond/met de kringloop waarvan biomassa deel uit maakt, en maak met uw diagram en een korte toelichting duidelijk hoe het beschreven gebruik van biomassa verschilt van het gebruik van fossiele energiedragers? Zet uw diagram zo op dat het ook te gebruiken is voor de beantwoording van deelvraag d en e.
d) Bereken een schatting van de nog aanwezige hoeveelheid in tropisch hardhout en de daarin vastgelegde hoeveelheid CO2.
e) Stel dat de Nederlandse elektriciteitsproducenten (uit vraag 2) massaal overstappen op hout uit
tropische regenwouden. Hoelang (of hoe kort) zal het dan duren totdat het regenwoud verdwenen is ten gevolge van de resulterende massale houtkap? Bepaal uw schatting met een helder systeemdiagram, dat eventueel gebaseerd is op uw diagram uit deelvraag c) en maak geschikte aannames!
f) Rond de evenaar is de gemiddelde zonneinstraling 1500 W/m2 gedurende 12 uur per etmaal. Stel dat op percelen waar het regenwoud is gekapt PV-systemen worden geinstalleerd met een rendement van 15%. Na hoeveel jaar kan dan de houtkap voor de Nedellandse grootschalige elektriciteitsvoorziening worden gestopt?
Vraagstuk 4 (25 punten)
De Verenigde Staten zien het huidige regime in Irak onder meer in staat tot het gebruik van chemische wapens. Ze verdenkt Irak van het bezit van fosgeen, een strijdgas dat al in de eerste wereld is gebruikt is.
Fosgeen, COCl2 wordt industrieel op locatie geproduceerd als ingredient van isocyanaten, een belangrijke component van PUR-schuimen gebruikt in de bouw, meubels, matrassen en autostoelen.
Vanwege de giftigheid mag Fosgeen tegenwoordig niet in grote hoeveelheden worden opgeslagen.
Fosgeen is zo gevaarlijk omdat de dichtheid van Fosgeengas veel groter is dan die van lucht; men zegt dan dat Fosgeen gas zwaarder is dan lucht, en omdat het. Inademing van fosgeen bij concentraties > 1 mg/m3 leiden bij het slachtoffer tot zwaar longoedeem en mogelijk de dood. De dichtheid van vloeibaar fosgeen is 1,4 [kg/l];
a) Stel dat een een fosgeengranaat die 0.5 liter fosgeen bevat bij windstil weer ontploft, en een giftige deken over de grond vormt van 3 meter dik. Tot op welke afstand (straal) van de granaat zullen dan burgers of soldaten vrijwel zeker slachtoffer zijn? een mol ideaal gas heeft een volume van 22,4 liter.
Hint: kies je systeemgrens zo dat daarbinnen slachtoffers vallen, daarbuiten net niet.
In Nederland wordt slechts op één locatie fosgeen geproduceerd en gebruikt voor de productie van MDI, methylene-di-isocyanaat:
CO + Cl2 -Æ COCl2 (reactie 1)
2 Aniline (C6H7N) + Formaldehyde (H2CO) -Æ diaminodiphenylmethaan, C13H14N2 (reactie 2) diaminodiphenylmethaan, C13H14N2 + fosgeen (COCl2) Æ MDI, C15H10ON2O2 (reactie 3)
Aniline (C6H7N)
diaminodiphenylmethaan, C13H14N2
. MDI, C15H10ON2O2
In reactie 3 komt de chloor terecht in zoutzuur, HCl; bij beide reacties 2/3 kan water en/of CO2 ontstaan.
b) Maak de bovenstaande reactievergelijkingen 2/3 kloppend.
c) Teken een systeemdiagram voor een MDI-fabriek
d) Hoeveel ton Fosgeen is nodig voor een jaarproductie van 50.000 ton MDI?. Hoeveel zoutzuur (HCl) ontstaat daarbij?
e) Bekend is dat de MDI-fabriek met interne fosgeen produktie een netto exporteur van stoom (40 bar, 400 oC is). De energie van deze stoom is >> de elektriciteit nodig voor de fabriek.
1. Wat zegt dit over de samengestelde (totaalreactie 1 t/m 3) in de fabriek? en waarom
2. Als de reactie-enthalpie van reactie 1 en 2 bekend zijn, alsmede de Cp's van CO, Cl2 en MDI, met welke Wet en onder welke aanname kunt u dan een schatting van de reactie-enthalpie van reactie 3 berekenen?
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+]
