Uitwerking spm1510-'08-'09; - Tentamen; 30 juni 2009, 14:00 – 17:00 uur

Uitwerking spm1510-'08-'09; - Tentamen; 30 juni 2009, 14:00 – 17:00 uur

Dit tentamen bestaat uit 13 meerkeuzevragen, 5 open vragen en een bonusvraag. De beschikbare tijd is 3 uur.

U mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal, kopie Periodiek Systeem, formuleblad.

Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan je tijd in per vraagstuk. Succes! Het totaal aantal punten te behalen is 100.

LEVER DIT VEL IN Naam:

Studienummer:

NB: bij elke deelvraag is slechts ÉÉN antwoord juist. Een foute keuze geeft aftrek van 1/3 van het puntenaantal.

Meerkeuze vragen: (18 punten)

Containers met producten op houten pellets worden conform EU-richtlijnen ‘gegast’ met dichloorethaan, ClH3C-CH3Cl, om houtkevers etc.

te doden. Dichloorethaan is niet heel stabiel, en valt uiteen onder invloed van licht. Dichloorethaan is echter een zenuwgif. Daarom zijn speciale maatregelen nodig bij het openen van gegaste containers, die bijaankomst nog 1-100 gram dichloorethaan kunnen bevatten.

1. (1.2 pt) In de Haven van Rotterdam komen naar schatting 1 miljoen gegaste containers per jaar aan. Opening van deze containers zonder verdere maatregelen

0 vergroot alléén de kans op zomersmog in de haven

0 vergroot alléén de kans op wintersmog in de haven

0 vergroot noch de kans op zomersmog als wintersmog in de haven

0 blanco

DEZE VRAAG IS NIET GEHEEL CORRECT GEFORMULEERD; DAAROM IS AAN ALLE DEELNEMERS HET VOLLEDIGE PUNTENAANTAL TOEGEKEND.

Toelichting:

aangegeven is dat dichloorethaan ClH2C- CH2Cl niet heel stabiel is en uiteenvalt onder invloed van licht. In dat geval ontstaan chloorradicalen en organische radicalen, die zowel de ingrediënten vormen van c.q.

aanleiding kunnen geven tot de vorming van zomersmog en wintersmog.

Het is onduidelijk uit de vraagstelling of er 's winters licht is met voldoende energie per foton om dichloorethaan te doen uiteenvallen ('s winters staat de zon lager, waardoor meer energierijke straling in de atmosfeer wordt geabsorbeerd).

2. (1.8 pt) 1000 gram dichloorethaan is 0 ongeveer 7 mol

0 ongeveer 10 mol 0 ongeveer 12 mol 0 blanco

Toelichting:

het molgewicht van dichloorethaan is 2*35.5 (Cl)+ 2* 12 (C) + 4 * 1 (H) = 71 + 24 + 6 = 99 [g/mol].

Notabene, als u de foutieve structuur formule had gebruikt dan komt u op 101 [g/mol].

Het juiste antwoord blijft gelijk.

3. (0.6 pt) De koolstofatomen in dichloorethaan zijn volgens de MO-theorie

0 niet gehybridiseerd 0 sp² gehybridiseerd 0 sp³ gehybridiseerd 0 blanco

OMDAT DE STRUCTUURFORMULE VAN DICHLOORETHAAN EEN FOUT BEVAT, IS AAN ALLE DEELNEMERS HET

VOLLEDIGE PUNTENAANTAL

TOEGEKEND.

Toelichting:

in dichloorethaan zijn aan elke koolstof (C) één ander koolstofatoom verbonden en één chloor (Cl) en 2 waterstofatomen. Dat zijn totaal vier bindingsrichtingen, dus zijn volgens de MO-theorie de koolstofatomen sp³ gehybridiseerd.

4. (0.6 pt) Ozone depletion potential (ODP) van een stof is gedefinieerd t.o.v. CFK-11 en dus vergelijkbaar gedefinieerd als het GWP.

Dichloorethaan heeft een hoog GWP. Het ODP van dichloorethaan is

0 hoog omdat het een hoog GWP heeft 0 hoog omdat het relatief veel Cl bevat

0 laag omdat dichloorethaan al uiteenvalt bij het licht van een gloeilamp

0 blanco Toelichting:

voor een stevig ODP van een stof zijn twee dingen nodig:

1. voldoende stabiliteit, zodat de stof eenmaal in de atmosfeer naar de ozonlaag kan migreren

2. veel halogeenradicalen per molecuul Aan 1. is hier niet voldaan;

dichloorethaan valt al snel uiteen, en de stof noch de chloorradicalen zullen de ozonlaag bereiken.

5. (1.2 pt) Geef de chemische definitie van een radicaal (geen aftrek)

Een radicaal is een atomair of moleculair deeltje met een ongepaard elektron. (dus bijvoorbeeld Cl^● of ClH2C-H2C^●)

6. (1.2 pt) Het molecuul NO is een radicaal maar toch relatief stabiel. Dat is te verklaren door 0 de Lewis-structuur

0 het aantal valentie-elektronen van N en O 0 Molecular Orbital theorie

0 blanco

Toelichting: uit de MO-theorie volgt dat de bond-order van NO positief is. Er zitten meer (valentie-)elektronen in bonding orbitals dan in anti-bonding orbitals Straling wordt gebruikt voor het ontsmetten van voedsel. De werking berust op het zodanig beschadigen van DNA van eventueel aanwezige bacteriën dat deze gedood worden.

DNA bestaat uit in elkaar gedraaide strengen desoxyribosenucleïnezuur. De zgn. dubbele helixstructuur wordt in stand gehouden door zgn.

waterstofbruggen H….O, een zwakke binding tussen waterstof en zuurstof. De bindingsenergie van deze waterstofbruggen in bacterie-DNA bedraagt -270 kJ/mol.

7. (1.2 pt) De dubbele-helix structuur van DNA is stabiel omdat

0 er in de natuur géén schadelijke straling voorkomt

0 de reactie enthalpie voor de vorming van waterstofbruggen negatief is

0 de reactie enthalpie voor de vorming van waterstofbruggen positief is

0 blanco

Toelichting:

In de thermodynamica wordt een – teken gezet voor energie of enthalpie die een systeem verlaat. Bij de vorming van waterstofbruggen verlaat dus 270 [kJ/mol (waterstofbrug)];

daarmee bereikt het DNA een lagere energietoestand (t.o.v. haar omgeving), wat een verklaring is voor de stabiliteit van de dubbele helixstructuur.

8. (2.4 pt) DNA kan beschadigd raken door straling met een golflengte:

0 groter dan 438 nm 0 kleiner dan 456 nm 0 kleiner dan 443 nm 0 blanco

Toelichting:

Straling bestaat uit fotonen; elk foton bezit een bepaalde hoeveelheid (potentiële) energie, die gerelateerd is aan de golflengte. Een foton dient voldoende energie te bezitten om één waterstofbrug te kunnen breken. Uit de onderstaande formules volgt dat de golflengte kleiner of gelijk moet zijn aan 443 nm.

Berekening:

Efoton = h*f = h*c/λ [J]

Ewaterstofbrug = -270 [kJ/mol] / Navogrado

Aan elkaar gelijk stellen en met de gegevens op het formuleblad uitrekenen.

[Zie volgende blad]

9. (1,2 pt) Net als bacterie-DNA kan ook menselijk DNA beschadigd raken door straling. In het gunstige geval sterven dan cellen af, in het ongunstige geval ontstaat kanker. Naast de algemeen weersvoorspelling geeft het KNMI sinds enkele jaren zomers een voorspelling van de zgn. zonkracht, met name gericht op de hoeveelheid schadelijk geacht UV.

Deze voorspelling is gebaseerd op

0 gegevens en voorspelling ten aanzien van de ozonconcentratie in zomersmog

0 gegevens en de voorspelling over de dikte van de ozonlaag en de aanwezigheid van bewolking

0 gegevens en de voorspelling over de dikte van de ozonlaag en de te verwachten luchtdruk 0 blanco

Toelichting:

Schadelijk UV wordt geneutraliseerd door de ozonlaag. Bewolking weerkaatst een groot deel van het zonlicht, het diffuse licht dat er nog doorheen komt bevat nauwelijks meer UV.

Een onbekend element Xy is niet een metaal, heeft een valentie-elektronen configuratie 3s²3p⁵

10. (1.2 pt) Geef aan welke uitspraak juist is (kruis slechts één mogelijkheid aan!).

0 Xy heeft géén 3d-orbitalen 0 Xy heeft precies zes 3d-orbitalen 0 Xy heeft precies tien 3d-orbitalen

OMDAT HET JUISTE ANTWOORD

ONTBREEKT IS AAN ALLE

DEELNEMERS HET VOLLEDIGE PUNTENAANTAL TOEGEKEND.

Toelichting:

Xy heeft precies vijf 3d-orbitalen. Deze zijn weliswaar niet gevuld met elektronen, maar ze bestaan wel! In deze vijf orbitalen zouden precies 10 elektronen een plek kunnen vinden.

11. (1.2 pt) Wat is de identiteit van dit element?

Geef het atoomnaam symbool uit het Periodiek Systeem.

Cl (Chloor)

Lewis-structuren geven veel inzicht in de mogelijkheden tot reactie van een molecuul.

Allylchloride H2CCCHCl is een tussenprodukt bij de productie van epoxyharsen, die veel gebruikt worden in bijv. secondenlijm. Het koolstofskelet van allylchloride is recht. Aan de twee buitenste koolstofatomen zijn respectievelijk 2 waterstof en een waterstof en een chlooratoom verbonden.

12. (2 pt) Teken de Lewisstructuur voor allylchloride (geen aftrek)

13. (2 pt) Leg uit waarom allylchloride géén gedeeld Molecular Orbital over haar 3 koolstofatomen heeft, terwijl bijvoorbeeld 1,3 butadieen dat wel heeft over haar 4 koolstofatomen (koolstofskelet C=C-C=C).

(tekening of tekst) (geen aftrek):

Toelichting:

Dubbele bindingen bestaan altijd uit een σ- en een π-binding. De laatste bestaat uit een combinatie van p-orbitalen.

In allylchloride is dit tussen C1 en C2

bijvoorbeeld een combinatie van 2py, en tussen C2 en C3 een combinatie van 2pz. Deze bevinden zich ruimtelijk in een ander vlak, waardoor zich geen MO over de drie C atomen kan vormen.

In 1,3 butadieen is draaiing tussen C2 en C3

mogelijk, en kunnen beide π-binding dus in het zelfde vlak komen te liggen, en kan zich uit de vier 2py orbitalen één MO vormen.

Vraagstuk 14 Aardolie (12 punten)

Op de wereldoliemarkten worden ‘vaten olie’ verhandeld van elk 159 liter. Het wereldverbruik van aardolie was in 2008 bijna 82 miljoen vaten per dag (www.bp.com), en de R/P ratio voor aardolie was ultimo 2008 gelijk aan 42. Aardolie heeft een gemiddelde verbrandingswaarde van 42.7 [MJ/kg] en een dichtheid van 3.205 [kg/gal]

(Argonne National Laboratories, CBS). De gemiddelde samenstelling van ruwe olie is (Massa %): koolstof 83%, waterstof 12%, stikstof 1%, zuurstof 1%, zwavel 3%

a) Bereken een schatting voor de wereldvoorraad ruwe aardolie per ultimo 2008.

R/P ratio = Resources / Production = 42 [jaar]

Verbruik = Production = 82 miljoen[vaten/dag]

Een schatting voor de wereldvoorraad op basis van deze gegevens is dus 42 [jaar] * 365 [dagen/jaar] * 82 miljoen [vaten/dag] = 1.3 * 10^12 [vaten].

Het CBS zegt “Het totale energieverbruik in Nederland is 3 353 PJ” (in 2007).

b) Leg uit met de 1^e Hoofdwet van de Thermodynamica dat het beter is te spreken van energiegebruik De 1^e hoofdwet zegt dat de energie van het Universum, systeem + haar omgeving CONSTANT is; een andere formulering is “energie noch kan worden gecreëerd of vernietigd”. Verbruik duidt op het laatste, gebruik geeft aan dat energie blijft bestaan.

c) Aan hoeveel TOE staat het Nederlands energiegebruik gelijk?

TOE = Ton Olie Equivalent. De verbrandingswaarde (LHV) van aardolie is 42.7 [MJ/kg] = [GJ/ton].

Het Nederlands energiegebruik staat dus gelijk aan

3353 [PJ] / 42.7 [GJ/ton] = 3353 * 10^15 / 42.7*10^9 = 78.5 * 10^6 [TOE].

Stel dat Nederland slechts aardolie gebruikt om in zijn energiebehoefte te voorzien, d) Bereken dan een schatting van de Nederlandse CO2 uitstoot in MTA.

Gemiddeld bevat ruwe aardolie 83 gew.% koolstof.

C + O2 → CO2; bij verbranding van 1 kg C ontstaat (molgewicht CO2 / molgewicht C) * 1 kg CO2

Een schatting is dan dus 78.5 * 10^6 [TOE] * 0.83 [kg C / kg aardolie] * 44 [g/mol] / 12 [g/mol] = 239 * 10^6 ton CO2. Een MTA = 1 million ton per annum.

De gevraagde schatting is dus ongeveer 239 MTA.

e) De Nederlandse CO2 uitstoot werd in 2007 berekend op 215 Miljoen Ton. Leg uit waarom uw antwoord op deelvraag e) hoger dan wel lager is (beargumenteer).

Het antwoord op deelvraag e is hoger dan de werkelijke uitstoot. Dat kan als volgt kwalitatief worden verklaard:

De brandstofmix in Nederland bestaat uit aardgas, aardolie en steenkool. Terwijl de gemiddelde energieinhoud (LHV) van deze brandstoffen afneemt (resp. 50, 42.7 en 28 [MJ/kg]) neemt het koolstofgehalte juist toe.

Wij gebruiken relatief veel aardgas, gemiddeld aardolie, en minder steenkool. Dus relatief veel brandstof (aardgas) die juist het minst CO2 en de meeste Joules oplevert. Daarmee is het totale energiegebruik minder koolstofintensief.

Daarnaast voorzien we in een klein deel van onze energiebehoefte met (grotendeels) CO2 vrije bronnen – nucleair, wind, zon, biomassa.

Vraagstuk 15 (15 punten)

Figuur 1. Snelle Koolstofcyclus

Op aarde zijn twee koolstofkringlopen te onderscheiden. Figuur 1 geeft de snelle koolstofkringloop weer. Binnen deze cyclus zijn nog eens een twee (gekoppelde) kringlopen te onderscheiden. De terugkoppeling van CO2

concentratie naar de groeisnelheid van biomassa is echter niet aangegeven: veel planten groeien optimaal als de CO2 concentratie ongeveer 20% hoger is dan de huidige concentratie in de atmosfeer.

a) Waaruit bestaat de 'langzame' koolstofkringloop?

De langzame koolstofkringloop is de geochemische koolstofkringloop, waarin onder meer koolstof door schelpen in de wereldzeeen wordt gemineraliseerd tot CaCO3, kalksteen, en anderzijds vrijkomt nadat dit soort lagen door geologische processen aan de oppervlakte komen en langzaam verweren.

b) Licht toe met behulp van de figuur ‘snelle koolstofcyclus’ in een systeemanalyse hoe het versterkt broeikaseffect in hoofdzaak is ontstaan en waarom het zo lastig is er iets aan te doen.

Voor het grootschalig gebruik van fossiele grondstoffen was de snelle koolstofcyclus, een “continu systeem”, in evenwicht. Door het aanboren van fossiele voorraden onttrekken wij zeer snel fossiel koolstof aan de bodem voor verbranding, waarbij we de atmosfeer als sink gebruiken (deze onttrekking is ongeveer 100-1000x sneller dan de natuurlijk optredende fossilisering, waarbij net CO2 uit de atmosfeer wordt vastgelegd in fossiele voorraden). In deze cyclus die een aantal sources en sinks verbindt is de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer zeer klein vergeleken met de totale hoeveelheid fossiel (en mineraal) koolstof. Het resultaat van de systeemonbalans door snelle onttrekking van fossiele grondstoffen aan de bodem is dus niet alleen accumulatie van CO2 in de atmosfeer, maar ook snelle toename van de concentratie.

CO2 in de atmosfeer is door haar broeikaswerking de belangrijkste veroorzaker van het versterkt broeikaseffect. Het is lastig er iets aan te doen omdat er een cyclus verstoort is – we kunnen niet zo maar even de natuurlijke onttrekking van CO2 aan de atmosfeer versnellen – anderzijds omdat bijna de complete energievoorziening van onze industriele samenleving afhankelijk is van het gebruik van fossiele grondstoffen.

In het klimaatbeleid spreekt men inmiddels van adaptatie (aan klimaatverandering) en mitigatie (voorkomen van) klimaatverandering.

c) Leg uit uit waarop het Nederlandse kabinetsbeleid “Adaptatie aan Klimaatverandering” zich volgens u zou (moeten) richten. Beargumenteer.

Voor Nederland relevante gevolgen van klimaatverandering zijn zeespiegelstijging en veranderende neerslagpatronen – drogere zomers, meer pieken in neerslag in Nederland; verandering in het debiet van de grote rivieren – lage afvoer en waterstanden in de zomer, pieken in de rest van het jaar.

Belangrijke maatregelen, zoals ook geadviseerd door de Deltacommissie, zijn investeren in waterveiligheid – verhogen / versterken van onze duinen en dijken (primaire waterkering, zeewering) om de gevolgen van zeespiegelrijzing en toename maximale golfhoogte en golfbelasting aan te kunnen;

bedijking van en ruimte voor onze rivieren en aandacht voor de integrale zoetwatervoorziening. Met name zal goed moeten worden gekeken naar de watervoorziening voor land- en tuinbouw in de zomermaanden, wellicht door het aanleggen van c.q. vergroten van zoetwaterspaarbekkens.

In mondiale klimaatmodellen wordt 'radiative forcing' [W/m²] gebruikt als maat om de effecten op het klimaat van zeer uiteenlopende emissies en menselijke ingrepen onder één noemer te brengen.

d) Leg met een korte, systematische beschrijving van het versterk broeikaseffect uit wat 'radiative forcing' zo geschikt maakt voor het ontwikkelen en evalueren van beleid voor mitigatie.

Het (versterkt) broeikaseffect is te begrijpen door de aarde te beschouwen als een open systeem voor energie. Inkomende energie is straling van de zon, uitgaande energie is straling die de aarde uitzendt.

Dit is ook te zien als een stralings- of energiebalans voor de aarde. Als deze twee – netto ingevangen zonnestraling en uitgestraalde warmte- of infraroodstraling van de aarde met elkaar in balans zijn is de energiehuishouding van de aarde stabiel. Is dit niet het geval, dan accumuleert de aarde netto energie, wat op termijn allerlei effecten zal gaan hebben op het klimaat.

Veranderingen in de atmosfeer en de (bedekking van) het aardoppervlak beïnvloeden de albedo (rechtstreeks terugkaatsing van zonnestraling) en de hoeveelheid uitgestraald infraroodstraling door absorptie en vervolgens terugkaatsing van de warmtestraling, en daarmee de energiebalans. Deze wordt uitgedrukt in [W/m²]. Over de aarde is de gemiddelde netto zonne-instraling en de uitstraling van de aarde 240 [W/m²], afgezien van de onbalans veroorzaakt door menselijke ingrijpen. Het wetenschappelijk bewijs voor een onbalans, waarbij netto energie accumuleert in het 'systeem aarde' is groot.

In mondiale klimaatmodellen kunnen de effecten van diverse menselijke en natuurlijke ingrepen op deze aardse energiebalansen worden weergegeven. Zo wordt het effect van CO2 op de energiebalans nu geschat op 1.5 [W/m²].

Critici van maatregelen in verband met klimaatverandering voeren de in sommige gebieden geconstateerde groeiversnelling voor biomassa wel aan om aan te geven dat het klimaat en het CO2 gehalte zich uiteindelijk vanzelf zullen stabiliseren.

e) Analyseer en beargumenteer kort met behulp van ten minste 'de snelle koolstofcyclus' of dat te verwachten is, en zo ja onder welke voorwaarden, zo nee: waarom niet.

Voor stabilisatie van het CO2 gehalte kunnen we naar de snelle koolstofcyclus kijken: stabilisatie zal grosso modo optreden als de onttrekkingen aan de voorraden fossiele grondstoffen en de toename in het vastleggen van koolstof in biomassa door groeiversnelling met elkaar in balans zijn. Persoonlijk verwacht ik dat in de (verre) toekomst het CO2 gehalte zich wel zal stabiliseren, omdat de onttrekking van fossiele grondstoffen eindig is; dat zal echter zijn op een veel hoger niveau dan dat we nu kennen.

Zoals in het college behandeld is is een deel van de toename van het CO2 gehalte te verklaren uit veranderd landgebruik, en neemt het landgebruik voor het vastleggen van biomassa nog steeds af. De genoemde groeiversnelling kan mogelijk dit effect compenseren, maar niet dat van de ontsluiting van fossiele grondstoffen.

Voor- en tegenstanders van (vergaand) klimaatbeleid zijn het eens over de te verwachten toename van de CO2-concentratie, en over de daardoor veroorzaakte verstoring van de energiebalans van de aarde;

ook zijn zij het eens dat er een doorwerking zal zijn op het klimaat. Echter, er zijn zowel criticasters die de IPCC scenario's verwerpen omdat naar hun mening het IPCC de mogelijke effecten overdrijft, als criticasters die het IPCC verwijten teveel consensus na te streven en daarmee de te verwachten effecten juist te rooskleurig weergeeft. Wat velen delen is dat we nog steeds onvoldoende kennis hebben van ons klimaatsysteem – om te beweren dat door groeiversnelling van biomassa het klimaat zich zal stabiliseren gaat dus veel te ver.

Elektriciteitscentrales (wordt gebruikt bij vraagstuk 16 en 17 – deze staan op pagina 5)

Hieronder staat een principeschema van een ‘eenvoudige’ Kerncentrale van het Light-Water Graphite Reactor, of wel LWGR type dat ook in Tsjernobyl is gebruikt.

Zoals in de figuur is te zien bestaat het reactorblok uit een matrix waarin reactorstaven afgewisseld worden door moderator staven (control rods). Met de laatste wordt de snelheid van de kernsplijtingsreacties geregeld, en daarmee de warmte- of heatflux. De warmte die vrijkomt bij de kernsplijting wordt afgevoerd via een stoomcyclus. Daarin wordt via de turbine en generator elektriciteit gemaakt. In dit geval wordt de restwarmte weggekoeld via een ‘air-condensing plant’ ofwel een koeltoren.

De kerncentrale in Borssele is van een ander type, een zgn. Pressurized Water Reactor (PWR). Bij een bedrijfstemperatuur van de PWR reactor van 320 ^oC wordt netto een vermogen van 450 MW elektrisch aan het net geleverd bij een buitentemperatuur van (10 ^oC). Slechts de circulatiepomp in het condensor systeem vraagt intern elektriciteitsgebruik. In afwijking van de Tsjernobyl-centrale wordt de restwarmte van ‘Borssele’

weggekoeld met zeewater. Het rendement van de centrale in Borssele is 33 % betrokken op de vrijkomende splijtingswarmte.

Minder bekend is dat naast de kerncentrale in Borssele ook een steenkoolcentrale staat met een vermogen van 900 MW elektrisch. De bedrijfstemperatuur van het fornuis is zo’n 1100 ^oC. Het rendement van deze centrale is 42%, betrokken op de onderste verbrandingswaarde van de gebruikte steenkool (LHV). Ter vergelijking: het rendement van de modernste aardgascentrale van Nederland, de Eemscentrale, die is uitgerust met gasturbine en afgassenketel, met een bedrijfstemperatuur in de gasturbineverbrandingskamer van 1500 ^oC, is 55% (LHV).

Beide centrales in Borssele worden vrijwel continu op vollast bedreven.

Vraagstuk 16 (20 punten) (zie voorgaande beschrijving/informatie op pagina 3)

In Spanje wordt zwaar ingezet op ontwikkeling van de technologie van Concentrated Solar Power – met spiegels zonlicht concentreren en zo water tot zo'n 600^oC te verwarmen. Gemiddeld concentreren de spiegels per [m²] 75% van het invallende zonlicht.

a) Teken een algemeen systeemdiagram voor grootschalige elektriciteitscentrales die werken op uranium, aardgas, zonlicht of steenkool. Maak een zinvolle keuze t.a.v. weer te geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van onderstaande deelvragen

b) Hoe groot is de jaarlijkse elektriciteitsproduktie van de beide elektriciteitscentrales in Borssele?

Het vermogen is 450 + 900 [MW] = 1350[MW]

Een jaar heeft 365*24 = 8760 uur.

Stel dat de centrales het hele jaar, continue op vollast draaien.

Dan is de jaarproduktie 8760 [uur/jaar] * 1350 [MW] = 11.83 miljoen [Mwh/jaar] (megawattuur) Dat is 11.83 miljard [kWh/jaar]

1 kWh = 3.6 MJ (3600 [s/uur] * 1 [uur] * 1000 [J/s])

De elektriciteitsproduktie is ook gelijk aan 11.83 * 10^9 kWh * 3.6 [MJ/kWh]= 42.6 * 10^9 MJ = 42.6 PJ/jaar c) Hoeveel steenkool moet jaarlijks worden aangevoerd in Borssele?

Onder dezelfde aannamen als bij b is de jaarproduktie van alleen de steenkoolcentrale 8760 [uur/jaar] * 900 * 10^6 [W] * 3600 [s/uur] = 28.4 * 10^15 [J/jaar]

De Lower Heating Value van steenkool was niet gegeven, maar stel x = 28 [MJ/kg] dan is de hoeveelheid steenkool die aangevoerd moet worden gelijk aan 28.4 * 10^15 [J/jaar] / 28 * 10^6 [J/kg] = 1.0 * 10^9 [kg/jaar]

Dat is een miljard kilo per jaar, of een miljoen ton steenkool per jaar.

d) Leg uit met behulp van de Carnotfactor waarom het rendement tussen de kern-, steenkool en aardgas centrales zo sterk verschilt.

Voor de omzetting van warmte naar kracht in een (ideale) Carnotcyclus geldt de volgende vergelijking:

Wmax = Qh×(Th – Tc) / Th

De maximaal te verkrijgen hoeveelheid arbeid uit een warmtestroom Q is die warmtestroom Q vermenigvuldigd met de Carnotfactor. De Carnot factor is het verschil tussen het temperatuurniveau van de heat source en de cold sink, gedeeld door de temperatuur van de heat source. De temperatuur is hier in Kelvin(!). Anders geschreven als 1 – Tc/Th.

Bij grootschalige elektriciteitscentrales is de temperatuur van de cold sink telkens gelijk, namelijk de (gemiddelde) omgevingstemperatuur, in Nederland zo'n 10 ^oC. Dat betekent dat naarmate de te bereiken temperatuur van de heat source toeneemt, het maximaal te behalen omzettingsrendement van warmte → kracht

toeneemt. Dat is de bedrijfstemperatuur van de oven c.q. Reactor in de centrale. De kerncentrale heeft een Th

van 320 ^oC, de kolencentrale een van 1100 ^oC en de aardgascentrale zelfs 1500 ^oC. De (werkelijke) rendementen lopen in overeenstemming met Carnot, op van respectievelijk 33, 42 naar 55%. Merk op dat dat steeds lager is dan het maximaal te behalen rendement: een echte elektriciteitscentrale bevat nooit een ideale Carnotcyclus.

e) In Spanje bedraagt de zonne-instraling gemiddeld 1400 [W/m²] gedurende 12 uur per etmaal. Hoe groot moet een CSP zijn om de steenkoolcentrale in Borssele te kunnen vervangen? Ga uit van een omgevings- cq.

koelwatertemperatuur van 10 ^oC.

Als we aannemen dat we

1. een perfecte opslagmogelijkheid hebben voor warmte om de nacht te overbruggen 2. de transportverliezen voor elektriciteit van Spanje naar Nederland verwaarloosbaar zijn 3. de bedrijfstemperatuur over de gehele dag gehaald wordt en constant is

4. de gemiddelde omgevingstemperatuur in Spanje 10 ^oC is

5. het werkelijke rendement zich net zo verhoudt tot het maximale rendement als een kerncentrale

Dan dient een CSP die de steenkoolcentrale in Borssele kan vervangen een vermogen te hebben van 2 * 900 MW = 1800 MW.

De zonneinstraling bedraagt 1400 [W/m²], daarvan wordt 75% ingevangen.

De Th van een kerncentrale is 600^oC, dus Carnot = (593-283)/593 = 52%

Het werkelijk rendement van een kerncentrale is 33%, dus conversie theoretisch → werkelijk = 33/52.

De Th van de CSP is 600 ^oC, dus Carnot = (873 – 283)/873 = 67.6%

Met de conversie theoretisch → werkelijk is een schatting van het rendement van een CSP dus 67.6 * 33/52 = 42.9%. Omdat het een schatting is gebruiken we 43%.

Van de zonnestraling per m² wordt dus netto 1400*.75*.43=452 W elektriciteit verkregen.

De CSP produceert dus 452 W/m² of ongeveer 450 W/m² Nodig is 2*900*10^6 W

Delen levert dus vrij eenvoudig het resultaat: de zonnecentrale moet 4*10^6m² groot zijn.

Gezien de aannamen die we hebben gemaakt zal het werkelijk benodigde oppervlak gemakkelijk 10-20% hoger kunnen liggen, dus zeg 5*10^6 m². Dat is dus 5 vierkante kilometer.

Vanaf 1 januari 2005 moeten worden betaald voor de uitstoot van CO2. Momenteel bedragen de kosten zo'n 25 Euro per ton CO2 gaan bedragen. Vanaf 2012 wordt het EU beleid verscherpt, en zou door reductie van het emissieplafond dit op kunnen lopen naar 50 Euro/ton.

f) Welke twee behoudswetten gelden bij de opwekking van elektriciteit in een aardgas resp. steenkool centrale?

De Wet van behoud van energie (1^e hoofdwet) De Wet van behoud van massa

NB de 2^e hoofdwet, de entropie van het universum neemt altijd toe, is géén behoudswet.

g) Stel een formule op waarmee u de te verwachten jaarlijkse kosten voor de CO2 uitstoot van een willekeurige elektriciteitscentrale kunt berekenen met de informatie zoals gegeven in dit vraagstuk (u hoeft de berekening niet uit te voeren!).

De informatie gegeven in dit vraagstuk betreft het elektrisch vermogen P van verschillende typen elektriciteitscentrales, de gerealiseerde rendementen η [%] op basis van LHV van de gebruikte brandstof [MJ/kg]

Daarnaast weten we dat C + O2 → CO2; uit de molgewichten (zie vraag 1 d) weten we dat 1 kg C dus 44/12 = 3.7 kg CO2 oplevert.

Stel dat we van elke brandstof het gewichtspercentage koolstof χ [%] kennen, dat we het aantal seconden in een jaar aanduiden met τ en dat de prijs van een CO2 emissierecht α Euro/ton bedraagt dan zou de gevraagde formule luiden.

K = α * 0.001 * (χ/100)*(44/12) {100* (P/ η) * τ / LHVbrandstof }

= [Euro/ton] [ton/kg] * ([] / []) * ([g/mol]/[g/mol]) * {[(MJ/s / [])] * [s/jaar] / [MJ/kg]}

= [Euro/kg] * {[kg/jaar]}

= [Euro/jaar]

De dimensie-analyse laat zien dat de uitgebreide formule klopt. 2X wegstrepen van 100 en invulling en vermenigvuldiging van de vaste factoren voor K geeft:

K = 115632 * α * χ * P/ η / LHVbrandstof

Vraagstuk 17 (15 punten) (zie voorgaande beschrijving/informatie)

In 2003, 2006 en 2008 is 'Alarmfase Rood' in werking getreden voor de elektriciteitsvoorziening in Nederland. Een dreigend tekort aan productiecapaciteit zou tot regionale of zelfs landelijke storing en netuitval kunnen leiden. In de communiqués van TenneT, de landelijke netbeheerder werd de 'een gebrek aan koelcapaciteit' aangemerkt als oorzaak van de problemen. Met oppervlaktewater (zeewater, zoet water) gekoelde elektriciteitscentrales kampten met een absoluut tekort aan koelwater door lage waterstanden, én met een te hoge koelwaterinname temperatuur door de extreme zomertemperaturen. Elektriciteitscentrales worden ontworpen voor een gemiddelde omgevings- cq.

koelwaterinlaattemperatuur van 10 ^oC. Volgens de ABK-richtlijnen is de koelwateruitlaattemperatuur wettelijk gelimiteerd op maximaal 30 ^oC. Het temperatuurverschil ten opzichte van het innamepunt moet in het binnenland altijd kleiner zijn dan 7 ^oC, aan zee kleiner dan 10 ^oC.

a) Elektriciteitscentrales zijn zowel aan de grote als kleine waterkringloop gekoppeld, direct respectievelijk via de elektricititeitsproduktie. Leg dit kort uit met behulp van de definitie en werking van beide kringlopen.

De grote waterkringloop is de aardse kringloop wereldzee → verdamping → regen → run-off via rivieren &

grondwater → wereldzee. Grootschalige elektriciteitscentrales zijn daaraan gekoppeld via hun koelwatersysteem. Ofwel ze onttrekken koelwater en geven dat – enigszins opgewarmd – weer terug, ofwel ze onttrekken koelwater en geven dat terug door verdamping in koeltorens.

De kleine waterkringloop of waterketen is gedefinieerd als het systeem dat begint met onttrekking – voor drinkwater, irrigatie voor de land- en tuinbouw, industriewater, koelwater – tot teruggave aan de grote waterkringloop (if any) als afvalwater, effluent of opgewarmd koelwater. De elektriciteitscentrale is dus een deel van de kleine waterkringloop en gekoppeld aan de andere delen door elektriciteitslevering.

b) In de beschreven situatie zou volgens experts ook Alarmfase Rood voor de zoetwatervoorziening moeten worden ingesteld. Leg uit, en geef aan welke maatregelen in deze situatie zouden moeten worden getroffen door de regering.

Naast koelwater is zoetwater nodig voor drinkwaterbereiding, irrigatie voor de land- en tuinbouw, en als industriewater (denk bijvoorbeeld aan de produktie van bier, frisdranken, soepen, melk etc, maar ook in veel andere industrie wordt water gebruikt bij de produktie). In de beschreven situatie is de waterstand en het debiet van de rivieren laag; dat kan betekenen dat onttrekking aan dit deel van de grote waterkringloop niet meer mogelijk is. Genoemde functies worden dan afhankelijk van de zoetwatervoorraden – deze zijn eindig, net als grondwatervoorraden. Inderdaad wordt dan ook in droge zomers regelmatig een beregeningsverbod voor de landbouw uitgevaardigd. In een aantal gevallen kan, door de grotere vuillast per liter van het water in de grote rivieren, daar tijdelijk geen drinkwater meer uit worden bereid.

c) De genoemde koelwaterlozingsbeperkingen zijn onderdeel van het waterkwaliteitsbeheer. Welk type waterkwaliteit wordt hiermee beschermd? Welke twee andere typen waterkwaliteit zijn er? Geef van elk een voorbeeld.

De temperatuur van het water is (direct) een fysieke kwaliteitsparameter.

Andere typen zijn chemische kwaliteitsparameters, bijvoorbeeld gehalte chloride, pesticiden etc.; biologische kwaliteitsparameters, bijvoorbeeld aantal en samenstelling algenpopulatie, aanwezigheid van biologische toxines, bacteriele verontreiniging (ziekteverwekkers) etc.

De temperatuur heeft invloed op veel biologische indicatoren, omdat ze mede via het zuurstofgehalte (neemt af bij toenemende temperatuur) de groeisnelheid voor veel waterorganismen beïnvloedt.

d) Opwarming van oppervlaktewater beïnvloedt de zuurstofhuishouding en daarmee de in het water levende organismen. Dat geldt eveneens voor lozing van biologisch afbreekbare stoffen. Welke maat karakteriseerd de laatste in afvalwater?

Dat is de BOD, of Biological Oxygen Demand – het Biologisch Zuurstof Verbruik (BZV) bij afbraak van deze stoffen.

e) Leg uit waarom een afvalwaterzuiveringsinstallatie (awzi) relatief veel elektriciteit verbruikt.

Een awzi verwerkt (huishoudelijk) afvalwater, met als een van de doelstellingen om de BOD van het afvalwater met meer dan 90% terug te brengen. Het BOD van afvalwater is door de aanwezigheid van organische stoffen hoog. In de awzi worden organische stoffen afgebroken onder aërobe condities door micro-organismen in grote bassins. Om deze van voldoende zuurstof te voorzien wordt het afvalwater actief belucht (door ventilatoren).

Dat kost veel elektriciteit. De overige stappen in een awzi zijn minder intensief; het verpompen van het water vergt relatief weinig elektriciteit. >80 tot 90% van het elektriciteitsverbruik is gekoppeld aan beluchting.

Zoals ook door de Minister van Economische Zaken gesuggereerd, is de bouw van koeltorens bij de centrales een mogelijke oplossing ter voorkoming van elektriciteitstekorten. In koeltorens wordt ingenomen water bij ongeveer omgevingstemperatuur verdampt. De daarvoor benodigde verdampingsenergie is ongeveer 440 kJ/mol. De Cp van water is 4.2 [kJ/K/kg].

f) Bereken voor een kerncentrale vergelijkbaar met die in Borssele (vraag 3) een schatting van de minimale koelwaterstroom (zeewater). Bereken tevens het minimale netto watergebruik na installatie van een koeltoren die alle restwarmte aankan.

Eerste berekenen we de weg te koelen restwarmte, Q^▪.

Het vermogen van de centrale is 450 MW, en haar rendement 33%. Uit een eenvoudige energiebalans (1e hoofdwet) volgt dat van elke 100MW brandstof input 33MW elektriciteit resulteert en 67 MW restwarmte. Dus in Borssele wordt 2x het elektrisch vermogen weggekoeld, ofwel Q^▪ = 900 MW.

Vervolgens berekenen we hoe groot de koelwaterstroom is, eerst voor directe koeling, daarna na installatie van een koeltoren.

De kerncentrale van Borssele ligt aan de Westerschelde en gebruikt zeewater om te koelen. Voor directe koeling geldt:

Q = Cp×m×∆T [J]

Q^▪ = Cp×m^▪×∆T [J/s]

Waarin m^▪ de gevraagde koelwaterstroom is in [kg/s]

m^▪ = Q^▪ / (Cp×∆T ) [kg/s]

Het maximale temperatuur verschil ∆T is 10 ^oC Cp van water is 4.2 [kJ/K/kg]

m^▪ [kg/s] = 900 * 10^6 [J/s] / (4.2*10^3 [J/K/kg] × 10 [K])

m^▪ [kg/s] = 21.4 * 10^3 [kg/s]; dat is ruim 21 kubieke meter per seconde.

Als een koeltoren wordt geïnstalleerd, wordt Q^▪ opgenomen door het water dat verdampt.

Gegeven is de verdampingsenergie van water in [kJ/mol]

We berekenen eerste de verdampingsenergie per kg.

1 mol water, H2O is 18 g.

Dus de verdampingsenergie van water is 440 * 10^3 [J/mol] * 1000 [g/kg] / 18 [g/mol]

ΔHverdamping= 440/18 * 10^6 J/kg = 24.4 MJ/kg.

De hoeveelheid water om met een koeltoren 900 MW weg te koelen is dus 900 [MJ/s] / 24.4 [MJ/kg] = 36.9 [kg/s]

Ten opzichte van directe koeling is dus 100* 36.9/21400 = 0.17% van de hoeveelheid koelwater nodig!

g) Is installatie van een koeltoren ter vervanging van koeling met oppervlaktewater een voorbeeld van duurzaam watergebruik? Licht toe.

Het kan een voorbeeld zijn van duurzamer watergebruik. Duurzaam watergebruik wil zeggen dat er niet meer onttrokken wordt dan dat er wordt aangevuld aan het betreffende deel van het watersysteem (via natuurlijke processen, grote waterkringloop). Hanteer je een iets ruimere definitie van duurzaamheid, dan dient de het koelwatergebruik de mogelijkheden van huidige en toekomstige generaties niet te beperken. Vervanging van directe koeling door koeltoren als slechts water uit een kleine rivier beschikbaar is is verduurzaming.

Verplaatsing van een centrale naar een plek waar alleen grondwater beschikbaar is voor het water dat in de koeltoren wordt verdampt is geen stap in de richting van duurzaam watergebruik, vanwege de meestal trage natuurlijke aanvulling van grondwatervoorraden.

Vraagstuk 18 – Hoogoven (20 punten)

Synthese gas staat momenteel weer sterk in de belangstelling, omdat het een tussenprodukt is voor de synthese van veel organische verbindingen, en een mogelijke bron voor waterstof (H2). Synthesegas is de algemene benaming voor een mengsel van koolmonoxide, CO en waterstof, H2.

Van oudsher vindt vorming van synthesegas plaats in een hoogoven door in-situ vergassing van cokes. Zo wordt met cokes ruwijzer geproduceerd uit ijzeroxide dat rijk is aan Fe2O3. (typisch 30 gew.% Fe2O3 ). Het erts bevat ook 1 gew.% zinksulfide, ZnS en 0.5 gew.% Gallium; deze metalen komen terecht in de zgn. hoogovenslakken, dat verder andere steenachtige materialen bevat waaruit het erts verder bestaat.

Corus in Ijmuiden produceert normaliter 7 miljoen ton ijzer per jaar.

Cokes wordt in de hoogoven met stoom (H2O) omgezet in reducerend synthese gas.

Ook treedt de zgn. shift-reactie op waarin CO met water wordt omgezet tot CO2 en waterstof:

CO + H2O → CO2 + H2.

Cokes wordt op zijn beurt geproduceerd uit speciale steenkool, die in z.g.n. pyrolyse-ovens onder uitsluiting van zuurstof wordt verhit, waardoor de vluchtiger koolwaterstoffen verdwijnen die worden opgevangen als z.g.n.

steenkoolteerolie, waaruit waardevolle producten worden gewonnen. Voor een ton cokes (bijna zuiver CH, C:H verhouding 2:1) is 1.3 ton steenkool nodig, en 10 GJ aan warmte.

Het reducerend synthese gas, met name de waterstof, reageert met het ijzeroxide tot water en ijzer. Door de inrichting van de hoogoven wordt slechts 50 gew.% van de “waterstofpotentie” van het synthesegas benut voor ijzerreductie. Het “afgewerkte synthesegas” kan niet worden gerecycled, maar wordt in plaats daarvan gebruikt om de cokes-ovens te verwarmen.

a) Zet een systeemdiagram op waarmee u onderstaande deelvragen kunt beantwoorden

b) Hoeveel ijzererts (ton per jaar) wordt verwerkt en hoeveel hoogovenslakken worden jaarlijks geproduceerd, en hoeveel ton Zn resp. Ga zit daar in?

We nemen aan dat alle ijzer in het erts omgezet wordt tot ruw ijzer, en dat er geen accumulatie in het systeem plaatsvindt.

Tonnen ijzer uit (als Fe) = Tonnen ijzer in (als Fe) (Massabalans) De input is in de vorm van ijzererts waarin x Fe2O3 = 30 gew.%

Voor m^▪ = 7 miljoen ton Fe per jaar is dus

m^▪erts = m^▪Fe [ton/jaar] * ( molgewicht ½ Fe2O3 [g/mol] / molgewicht Fe) / x_Fe

2O₃

m^▪erts = 7 * 10 ^6 [ton/jaar] * ( (55.85 + 1.5 * 16) [g/mol] / 55.85) / 0.3 m^▪erts = 7 * 10 ^6 [ton/jaar] * 2.6

m^▪erts = 18.1 * 10 ^6 [ton/jaar]

Het gewichtspercentate ZnS is 1 %. De hoeveelheid Zink is dus

m^▪zink = m^▪erts [ton/jaar] * 0.01 ( molgewicht Zn[g/mol] / molgewicht ZnS) m^▪zink = 18.1 * 10 ^6 [ton/jaar] * 0.01 * ( 65.4 [g/mol] / (65.4 +32.1)[g/mol]) m^▪zink = 18.1 * 10 ^6 [ton/jaar] * 0.01 * 0.67

m^▪zink = 12.1 * 10 ^4 [ton/jaar]

Het gewichspercentage Gallium is 0.5%

m^▪gallium = 18.1 * 10 ^6 [ton/jaar] * 0.005 m^▪gallium = 9.1 * 10 ^4 [ton/jaar]

c) Schrijf de kloppende reactievergelijking op voor de omzetting van cokes met stoom in synthesegas Gegeven is dat de verhoudingsformule van cokes C:H = 2:1

Synthese gas bestaat uit CO en H2

De cokes reageert met stoom, H2O We kunnen dus opschrijven:

C2H + H2O → CO + H2

Maar deze moet nog kloppend worden gemaakt.

Alle koolstof C komt terecht in CO; koolstofbalans kloppend:

C2H + H2O → 2CO + H2

Daarvoor is zuurstof nodig, die alleen uit H2O kan komen. Er is dus 2 H2O nodig:

C2H + 2H2O → 2CO + H2

Zowel de cokes als het water leveren H2, respectievelijk 0.5 en 2 moleculen of mol per mol C2H:

Een kloppende reactie vergelijking is dus C2H + 2H2O → 2CO + 2.5H2

of met hele getallen:

2C2H + 4H2O → 4CO + 5H2

Eventueel kunnen we hier nog de shift reactie zoals boven gegeven bij optellen:

2 x {CO + H2O → CO2 + H2.}

Dan wordt de overall reactie C2H + 4H2O → 2CO2 + 4.5H2

d) Maak geschikte aanname(s) en bereken het aantal ton waterstof per ton cokes beschikbaar voor de reductie van ijzer.

We nemen aan dat er in de Hoogoven voldoende tijd is en de juiste condities heersen zodat de watergas-shift reactie volledig afloopt. Dan komt (uiteindelijk) de maximale hoeveelheid waterstof per ton cokes vrij.

Dan geldt de overall reactie voor de productie van waterstof uit cokes zoals uitgewerkt bij antwoord c:

C2H + 4H2O → 2CO2 + 4.5H2

Het molgewicht van cokes is 2 * 12 + 1 = 25 g/mol Het molgewicht van waterstof is 2 * 1 = 2 g/mol

Uit de reactievergelijking zien we dat per “mol” cokes 4.5 mol waterstof ontstaat

Per ton cokes ontstaat dus 4.5 * 2 [g/mol] / 25 [g/mol] = 9 / 25 ton waterstof = 0.36 ton waterstof per ton cokes Als we daarentegen aannemen dat de watergas-shift reactie niet verloopt, dan geldt de overall reactie voor de productie van waterstof uit cokes zoals uitgewerkt bij antwoord c:

C2H + 2H2O → 2CO + 2.5H2

Het molgewicht van cokes is 2 * 12 + 1 = 25 g/mol Het molgewicht van waterstof is 2 * 1 = 2 g/mol

Uit de reactievergelijking zien we dat per “mol” cokes 2.5 mol waterstof onstaat

Per ton cokes ontstaat dus 2.5 * 2 [g/mol] / 25 [g/mol] = 5 / 25 ton waterstof = 0.2 ton waterstof per ton cokes

e) Bereken een schatting voor de hoeveelheid en steenkool verwerkt bij Corus

In de Hoogoven vindt reductie van ijzererts plaats met behulp van waterstof. De eerste stap is dus het opstellen van de reductievergelijking:

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O;

Hieruit zien we dat voor de productie van 1 mol Fe 1.5 mol H2 nodig is.

Met de molgewichten leiden we nu af dat

m^▪H2 = m^▪Fe * 1.5 * (molgewicht H2 / molgewicht Fe) [ton/jaar]

Uit het antwoord op deelvraag d leiden we af dat er 0.36 ton waterstof ontstaat per ton cokes Uit de tekst en schema zien we dat 50% van de waterstofpotentie van de cokes wordt benut

Uit de tekst en schema zien we dat voor elke ton cokes 1.3 ton steenkool nodig is (massabalans over de pyrolyse-oven).

Een schatting van de hoeveelheid steenkool wordt dan:

m^▪Steenkool = m^▪H2 * 1.3 / 0.36 / 0.5

Combineren met de eerste vergelijking levert

m^▪Steenkool = m^▪Fe * 1.5 * (molgewicht H2 / molgewicht Fe) * 1.3 / 0.36 / 0.5

m^▪Steenkool = 7 * 10^6 [ton/jaar] * 1.5 * (2 / 55.85) * 1.3 / 0.36 / 0.5 = 2.7 * 10^6 [ton/jaar].

Tabel A met bindingsenergieën (kJ/mol):

C-H 413 C=C 614 O-H 467

C-C 347 O=O 495 O-O 146

C-N 305 C=O 745 H-H 432

C-O 358 C=O (CO2) 799 N-H 391

f) Bereken m.b.v. de gegevens in tabel A de reactie-enthalpie van de shift-reactie en de Lower Heating Value van waterstof.

De reactie enthalpie is te berekenen met de gegeven bindingsenergiën als

ΔHreactie = – (Σ H bindingen gevormd in produkten – Σ H bindingen verbroken in reactanten)

De shift reactie

CO + H2O → CO2 + H2.

ΔHreactie = – {Σ H bindingen gevormd in produkten – Σ H bindingen verbroken in reactanten}

ΔHreactie = – {(2 * C=O + H-H) – (C-O + 2* O-H}

ΔHreactie = – {(2 * 799 + 432) – (358 + 2* 467)}

ΔHreactie = – {(2030) – (1292)}

ΔHreactie = – 738 [kJ/mol CO]

De Lower Heating Value van waterstof = de verbrandingsenthalpie van de reactie H2 + ½ O2 → H2O.

ΔHreactie = – {Σ H bindingen gevormd in produkten – Σ H bindingen verbroken in reactanten}

ΔHreactie = – {(2 * O-H) – (H-H + ½ * O=O}

ΔHreactie = – {(2 * 467) – (432 + ½ * 495)}

ΔHreactie = – {(934) – (679.5)}

ΔHreactie = – 254.5 [kJ/mol H2]

g) Leg uit hoe u kunt berekenen of de hoogoven voldoende afgewerkt synthesegas levert om de cokes-ovens te verwarmen (u hoeft de berekening niet uit te voeren).

Uit antwoord d) blijkt hoe groot de netto maximale waterstofproduktie is per ton cokes is.

Daarvan wordt de helft gebruikt in de Hoogoven.

De andere helft kan worden gebruikt om de pyrolyse ovens te verwarmen.

Uit het antwoord bij f weten we de LHV van waterstof.

Bereken of 0.5 * (maximale waterstofproduktie/ton cokes) * LHV waterstof [GJ/ton]

Kijk of dit groter is dan 10 GJ/ton cokes nodig in de pyrolyseoven.

Als je aanneemt dat de shift reactie in de Hoogoven (volledig) optreedt, dan zit er naast waterstof ook nog CO in het afgewerkte synthesegas. Bereken dan voor een eerste schatting de LHV van CO zoals in deelvraag f, en de hoeveelheid CO in het afgewerkte synthesegas conform de kloppende reactie in deelvraag c. (de CO reageert niet, dus volgens de Wet van behoud van massa zit alle CO per ton cokes zit nog in het afgewerkte synthesegas).

Vraagstuk 19: bonusvraag Duurzaam verpakkingssysteem? (10 punten)

Naar schatting drijft 50 miljoen toen niet afbreekbaar plastic rond in de oceanen. Waar vroeger biologisch afbreekbare plantaardige materialen werden gebruikt en konden worden weggeworpen, blijft het plastic lang in het milieu. Een van de alternatieven is de (her)introductie van papieren verpakkingen, gemaakt uit papierpulp afkomstig van “duurzame landbouw” waar vlas wordt geteeld.

Beschrijf kort een systeem van duurzame landbouw waarin papier wordt ingezet voor verpakkingen. Gebruik de ruime definitie van 'duurzame ontwikkeling' om te evalueren of het hierbij gaat om “duurzame ontwikkeling”.

Betrek daarbij uw systeemkennis van de industriële landbouw en haar beslag en effect op de natuurlijke hulpbronnen van onze aarde. Licht met behulp van de definitie toe of dit systeem te beschouwen is als agrificatie?

Deze bonusvraag bevat drie elementen: de ruime definitie van duurzame ontwikkeling, systeemkennis van (industriele) landbouw, en het begrip agrificatie. Daarnaast levert een heldere analyse punten op.

De “ruime” definitie van duurzame ontwikkeling is “ontwikkeling die niet ten koste gaat van het vermogen van toekomstige generaties om ook in hun behoeften te voorzien” (Brundtland rapport, 1987). Er mag dus geen onomkeerbare uitputting van grondstoffen – ertsen, mineralen, fossiele grondstoffen, bodems, watersystemen, voedingsbronnen etc. plaatsvinden, immers, dat zou de mogelijkheden van toekomstige generaties beperken.

Een systeem van duurzame landbouw zou dan bijvoorbeeld zijn

– teelt van vlas op een geschikte locatie waarvoor geen kwetsbare of schaarse ecosystemen hoeven te worden opgeofferd (bijv. niet op plaats van voormalig regenwoud)

– met inputs van (organische) meststoffen, water enz. die de draagkracht van het locale systeem niet te boven gaan

– op een schone manier uit de geoogste vlas de vezels winnen voor schone papierproduktie – daaruit geschikt verpakkingsmateriaal maken dat plastic kan vervangen

Is dit duurzame ontwikkeling of niet? Ik zou zeggen van wel, omdat fossiel grondstof gebruik wordt vervangen door inzet van hernieuwbare grondstoffen uit de landbouw, en het probleem van ronddrijvend plastic duurzaam wordt voorkomen bij overgang naar papieren verpakkingen. Daarmee kunnen vis- en vogelpopulaties zich herstellen cq. wordt voorkomen dat zij door het plastic te gronde gaan.

Zou dit agrificatie zijn of niet? De definitie van agrificatie is het ontwikkelen van produktieketens en -systemen die (alleen) inputs van de landbouw gebruiken, en produkten vervangen die voorheen uit eindige (fossiele) grondstoffen worden gemaakt. Omdat papier van oudsher uit plantaardige vezels wordt gemaakt – uit bomen om precies te zijn – is het eerste stuk van deze produktieketen dus geen voorbeeld van agrificatie. Het tweede gedeelte – het vervangen van plastic verpakkingen door papieren verpakkingen is dat wel.

Formuleblad spm1510

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:

λ_piek

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: Δ Δ( ) 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)