ZIE OOK OMMEZIJDE!
spm1510-07_08; - Opdracht/Deeltoets I;
28 februari 2008, 10:45-12:45
Deze deeltoets bestaat uit 3 vraagstukken en een bonusvraag. De beschikbare tijd is 2 uur.
U mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal, het formuleblad en het periodiek systeem.
Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan uw tijd in per vraagstuk. Succes!
NB: u start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100.
Gebruik systeemdenken om uw antwoorden te formuleren, te beargumenteren, en te motiveren! Succes!
Vraagstuk 1. Energiedragers, voorraden (20) punten)
De wereldwijde energievoorziening is al ruim een eeuw in hoofdzaak gebaseerd op fossiele energiebronnen.
a. Noem de twee belangrijkste typen fossiele energiedragers die momenteel wereldwijd op grote schaal worden gebruikt voor elektriciteitsproductie
b. Hoe luidt de 1e Hoofdwet van de Thermodynamica?
Elektriciteitscentrales die gestookt worden met fossiele energiedrager hebben wereldwijd een gemiddeld rendement van ongeveer 40%.
c. Teken een principeschema van een elektriciteitscentrale waarmee u uitlegt hoe ze voldoet aan de 1e Hoofdwet.
d. Het aandeel van kernenergie in de wereldenergievoorziening is 7%; het aandeel van kernenergie in de elektriciteitsvoorziening is wereldwijd 16%. Stel dat alle kerncentrales morgen worden stilgelegd en de elektriciteitsproductie wordt overgenomen door andere centrales op fossiele brandstof, met hoeveel procent neemt het wereldenergiegebruik dan toe?
De R/P ratio voor Uranium-235, de grondstof voor kerncentrales, is 60 (in 2005).
e. Welke dimensie heeft dit kental? Licht de R/P ratio kort toe.
f. Onderbouw ondermeer met dit kental en deelvraag d. uw visie op de rol die kernenergie kan spelen bij het terugdringen van de wereldwijde CO2 uitstoot.
Vraagstuk 2. Bioethanol (35 punten)
In benzine kan bio-ethanol zonder problemen worden bijgemengd. In Nederland rijdt +/- drie-kwart van de 8 miljoen (!) personenauto’s op benzine. Al deze benzine-auto’s zijn in principe geschikt om op benzine/ethanol mengsels van genoemde samenstellingen te rijden. Bij genoemde percentages blijft het omzettingsrendement van de motor blijft nagenoeg gelijk. Het gemiddelde verbruik van het Nederlandse wagenpark is 1 liter op 12,5 km; Nederlandse benzineauto’s leggen al jaren gemiddeld elk 16.700 km per jaar af.
' Nederland loopt ver achter met biobrandstoffen '
Marcel aan de Brugh. Het kabinet en de gevestigde olieconcerns hebben grote belangen in de huidige verkoop van fossiele brandstoffen. Door de hoge benzineprijzen zijn biobrandstoffen weer volop in beeld. Maar kunnen ze de concurrentie met olie aan?
Brazilië en Zweden bewijzen dat het kan. Nederland blijft achter. Het kabinet en de olieconcerns hebben zo hun belangen. (…) Regels uit Brussel schrijven voor dat benzine en diesel al in 2005 voor 2 volumeprocent uit biobrandstoffen hadden moeten bestaan. In 2010 moet dat percentage op 5,75 volumeprocent liggen.
ZIE OOK OMMEZIJDE!
a) maak een ‘eerste-orde’ schatting van de hoeveelheid bio-ethanol die voor de Nederlandse benzinemarkt moet worden geproduceerd in 2005 respectievelijk 2010 volgens de Brusselse richtlijnen. Maak daarbij gebruik van onderstaande gegevens, en geef uw antwoord in een vorm geschikt voor het management van Argos Oil, een van de grote spelers in de bio- ethanolmarkt.
b) Verwacht u dat het omzettingsrendement van een benzine-motor af- of toenemt als ze moet rijden op 100% bio-ethanol? En wat verwacht u voor de actieradius van zo’n, overigens ongewijzigde auto? Leg uit zonder te rekenen of gebruik te maken van uw antwoord op deelvraag c)
c) Bereken een schatting voor de verandering in actieradius in 2010 van een in 2003
geproduceerde benzine-auto. t.o.v. de oorspronkelijke specificaties van deze personenauto.
Door de stijgende vraag naar bio-ethanol wordt steeds meer tropisch regenwoud gekapt, onder meer voor de aanleg van suikerrietplantages. 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)
d) De quote van de website www.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
De nuttige produktie van een suikerrietplantage bedraagt zo’n 400 gram koolstof (C) in druivesuiker per m2 per jaar.
e) Zet een systeemdiagram op voor de analyse van (de gevolgen van) aanleg van
suikkerrietplantages in het Braziliaanse Amazonegebied voor de produktie van bio-ethanol.
f) Hoeveel km2 suikerrietplantage is nodig in 2005 respectievelijk 2010 om aan de Nederlandse vraag te voldoen? Als u de antwoorden van deelvraag a. niet heeft kunnen berekenen, ga dan uit van 100.000 ton bio-ethanol in 2005
Gegevens van een aantal stoffen ten behoeve van vraagstuk 2 en 3
Stof Verhoudingsformule Verbrandingsenthalpie Dichtheid (20oC) (of LHV) in [MJ/kg] [kg/l]
Methanol CH4O (CH3OH) 21
Ethanol C2H6O (C2H5OH) 27 0.794
Koolhydraten* C6H12O6 37.5
Biomassa CH2O 36
Benzine C8H18 42 0.75
Kooldioxide CO2 0
Water H2O 0
*dat zijn onder meer suiker, zetmeel enz.
ZIE OOK OMMEZIJDE!
Vraagstuk 3: Productie van bio-ethanol uit druivesuiker in melasse (35 punten) Zoals bekend kunnen in water opgeloste suikers en zetmeel gefermenteerd worden tot alcoholhoudende dranken zoals wijn en bier. Bij een alcoholpercentage > 15 vol% sterven de micro-organismen die de fermentatie uitvoeren af. Druivesuiker met de verhoudings formule C6H12O6 reageert tijdensdeze fermentatie tot (bio)-ethanol en CO2. Als dat in een afgesloten fles gebeurd, ontstaat dus koolzuurhoudende, bruisende champagne:
C6H12O6 C2H6O + CO2
a) Maak deze reactievergelijking voor de fermentatie van druivesuiker kloppend.
b) Hoeveel gram CO2 komt vrij bij de fermentatie van 1 mol druivesuiker?
c) Bereken de reactie-enthalpie met behulp van de gegevens uit bovenstaande tabel De fermentatie kan ook op industriële schaal worden uitgevoerd. In dat geval is ongeveer 20%
van de druivesuiker in melasse nodig om de micro-organismen in leven te houden; daarnaast leidt omzetting van ongeveer 10% van de druivesuiker voeding tot groei van de micro- organismen; daarom wordt continu een deel van de micro-organismen verwijderd. Het fermentatiemengsel, met een alcoholpercentage van zo’n 14 vol% wordt gedestilleerd zodat industriele alcohol (90 vol.%) ontstaat.
d) teken een principeschema voor een industriële alcoholfabriek die 100.000 ton
industriële alcohol per jaar produceert uit druivesuiker in melasse, een restprodukt van (riet)suikerproduktie.
e) Stel dat de melasse per binnenvaart tankers met een laadvermogen van 1500 ton wordt aangevoerd. Bereken hoeveel tankers jaarlijks nodig zijn.
f) Hoeveel ton CO2 produceert de installatie?
g) Komt bij het proces netto warmte vrij denkt u? Waarom (niet)?
Bonusvraag (10 punten)
Tot voor kort werden biobrandstoffen zoals bio-ethanol zonder meer gezien als ‘groen’, CO2- neutraal, iets wat te verdedigen lijkt op grond van de snelle koolstofcyclus. Onder het vorige kabinet Balkenende is de bijstook van biomassa in kolencentrales sterk gestimuleerd en biobrandstofprojecten konden rekenen op investeringssubsidie.
Geef uw onderbouwde visie op de inzet van de Europese Unie (‘Brussel’) cq. de Nederlandse regering op de ontwikkeling en inzet van biobrandstoffen.
ZIE OOK OMMEZIJDE!
Formuleblad en Periodiek systeem
Energie: Ekin = ½ m⋅v2 [J]
Q = Cp⋅m⋅∆T [J]
Wmax = Qh⋅(Th – Tc) / Th
Qc= Qh – Wmax = Qh ⋅ Tc / Th
[J]
10 31
2 19 1 2
r Q . Q
E= ⋅ − ⋅ ⋅
Avogadro: N = 6,022 ⋅ 1023 [moleculen/mol]
Straling: λpiek
piek
c
=T [m]
S = k⋅T4 (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: p⋅V = n⋅R⋅T
(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)
