Tb151-00; - Deeltoets I (voorbeeld)

Tb151-00; - Deeltoets I (voorbeeld)

Deze deeltoets bestaat uit 4 vraagstukken. De beschikbare tijd is 2 uur.

Vraag 1 (20 punten)

a) welke energiedragers worden in Nederland (naast Uranium) gebruikt voor de produktie van electriciteit

b) hoe worden deze energiedragers ook wel aangeduid?

c) noem minstens 3 verschillen tussen steenkool en aardolie

d) wat zijn de belangrijkste energietransformaties in een electriciteitscentrale?

e) wat is de algemene verhoudingsformule van steenkool. Wat zijn de belangrijkste verbrandingsproducten

Vraag 2 (20 punten)

Het nieuwe gebouw voor TBM is bijna gereed. Het gebouw bestaat voor een groot gedeelte uit beton (1500 ton), waarvan cement een belangrijk bestanddeel is, naast grind en zand.

Cement wordt gemaakt in een cementoven uit de basisbestanddelen kalksteen (CaCO₃) en klei, waarin aanwezig siliciumoxide en aluminiumoxide (SiO₂ , Al₂O₃ ). Door verhitting in een lange oven (150m!) worden deze uitgangsstoffen omgevormd tot cement. 80gew% van de gevormde cement bestaat uit calciumsilicaten; voor het overige de cement volledig bestaat uit CalciumAluminaat (CaAl₂O₄). De uitgangsstoffen worden in de juiste verhouding in de oven gebracht. Vormingsenthalpieen (kJ/mol)

• ongebluste kalk (CaO) = -635

• kalksteen = -1207

• kooldioxide = -394

a) een van de eerste reacties die optreedt in de oven is de vorming van ongebluste kalk (CaO).

Wat is de vergelijking voor de reactie die optreedt? Hoeveel CO2 ontwijkt er per ton gebruikte kalksteen. Is deze reactie endotherm of exotherm. Wat s de reactieenthalpie?

Beargumenteer uw antwoord (en).

b) de tweede reactie is de vorming van calciumsilicaten en -aluminaten uit ongebluste kalk en klei. De massa van het reactiemengsel in de oven blijft hierbij constant.

Hoeveel Silicium bevindt zich dan in een ton cement?

Hoeveel ton kalksteen is er nodig voor 1 ton cement van deze samenstelling?

Hoeveel ton kalksteen is er gebruikt voor het TBM gebouw, en hoeveel CO2 emissie heeft die veroorzaakt?

Uit de produktiestatistieken van het CBS is gebleken dat per Nederlander netto jaarlijks 1500 kg beton gebruikt wordt. Het beton gebruikt in het TBM gebouw bestaat uit 0.5 deel (gewicht) zand, 1 deel cement, en 1.5 delen grind. Zand en grind worden in Nederland in voldoende mate gewonnen. Stel een massabalansen op en maak de nodige aannames om vraag 1c te beantwoorden

c) Wat is de netto hoeveelheid cement die per Nederlander jaarlijks gebruikt wordt

Hoeveel zand en grind moet er in Nederland jaarlijks gewonnen worden tbv. de betonproduktie?

Cement mag maximaal 0.1 gew.% Chloor (Cl) bevatten. Een slimme cementproducent wil ingezameld PVC (CH2-CHCl)n gebruiken als grondstof en brandstof in de oven.

In Duitsland wordt gemengd kunststofafval ingezameld dat 12.5 gew% PVC bevat.

d) Hoeveel afval PVC kan er in een installatie die jaarlijks 1 miljoen ton cement produceert worden gebruikt? Hoeveel Duits afvalplastic?

Vraag 3 (35 punten)

Het nieuwe gebouw van TBM heeft een totale lengte van 80 m, is 15m hoog en 12m diep.

Het 'paviljoen' meet 10 bij 20 bij 30 m. Een ontwerpcriterium voor het gebouw was dat zelfs bij de meest strenge vorst in Nederland het warmteverlies niet meer mag bedragen dan 0.05 kW/m3.

Dat is gelukt door het kiezen van de juiste bouw en isolatiematerialen. Wel is vanzelfsprekend een installatie nodig om het gebouw ten alle tijden te (kunnen) verwarmen.

a) wat moet de ontwerpcapaciteit (vollast) van de verwarmingsinstallatie zijn?

b) Nederlands aardgas (Groningen kwaliteit) heeft een onderste verbrandingswaarde van 31.65 MJ/Nm3. Hoeveel aardgas zou een CV- installatie met rendement van 90% bij vollast gebruiken om het gebouw te verwarmen?

c) Onder het TU terrein blijkt zich een gasveld te bevinden met hoog-calorisch gas; het gas bestaat voor 95vol% uit methaan, voor 5vol% uit CO₂. De verwachting is dat uit het veld in totaal 200 miljoen Nm3 gas kan worden gewonnen.

Hoelang kan het nieuwe TBM gebouw op vollast verwarmd worden met gas uit dit veld (exclusief gebruik). Hoeveel CO₂ wordt in die periode geproduceerd?

d) Carnot-machines NV heeft ook een aanbod gedaan voor de verwarming van het gebouw te zorgen. Zijn hebben een warmtepomp die werkt van (-15 … + 15 ^oC) naar (60 … + 90 ^oC).

A) Hoeveel electrische energie (arbeid) is er minimaal nodig om het systeem aan te drijven bij vollast als:

1. de gewenste aan het TBM gebouw afgeleverde hoeveelheid warmte dezelfde is als voor de eerder besproken CV-ketel. Buiten temperatuur 5 graden vorst, instelling ketelthermostaat 90 ^oC

2. idem, bij een buiten temperatuur van 10 graden Celsius, instelling ketelthermostaat 60 ^oC

B) Als het werkelijke rendement (Q/W) van de cyclus in deze warmtepomp 200% is, hoeveel electrische energie is dan nodig om in de onder A.1. en A.2 gegeven condities de warmtepomp te laten werken?

C) wat denk je dat er gebeurt met de niet benutte arbeid (W).

e) WKK-Nederland heeft ook een aanbieding gedaan. Hun warmtekrachtcentrale heeft een electrisch rendement van 30%, en een totaal rendement van 90%.

Hoeveel electriciteit kan de installatie voor het TBM-gebouw maximaal leveren?

Denk je dat het zinvol is WKK-Nederland met Carnot-Machines NV in contact te brengen. Kunnen ze samen een alternatief bieden dat minder aardgas vraagt voor de verwarming van het gebouw dan de CV-ketel? Motiveer uw antwoord.

Vraag 4) (15 punten)

De grenadier kever gebruikt explosies om zichzelf te beschermen tegen andere dieren De chemische reactie die hierbij plaatsvindt is de oxidatie van hydroquinone door

waterstofperoxide waarbij quinone en water ontstaat De reactie ziet er als volgt uit:

C

H

(OH)

+ H

O

→ C

H

O

+ 2 H

O

a) Bereken de ∆H voor deze reactie met behulp van de volgende reacties:

C

H

(OH)

→ C

H

O

+ H

∆H = 177,4 kJ

H

+ O

→ H

O

∆H = -191,2 kJ

H

+ ½ O

→ H

O

∆H = -248,1 kJ

H

O

→ H

O

∆H = -43,8 kJ

b) Is deze reactie endotherm of exotherm ? Leg dit uit !