spm1520 Tentamen 7 April 2011
Tentamen spm1520 7 April 2011
14-17 uur
Aanwijzingen:
• U mag gebruik maken van:
– schrijfmateriaal – rekenmachine
– formuleblad en periodiek systeem (afgedrukt achteraan dit tentamen).
• Lees de vragen vooraf door en deel de beschikbare tijd in voor beantwoord- ing van de vragen.
Antwoordvel meerkeuzevragen aan ommezijde. LEVER DIT VEL IN.
Dit tentamen bevat 18 vragen, op 8 pagina’s.
Daaronder zijn 14 meerkeuzevragen (30 punten).
Het totaal aantal te behalen punten is 100. U start met 10 punten.
Pagina: 1 2 3 4 5 6 Totaal:
Punten: 10 13 7 12 15 33 90
Score:
Met de BONUSVRAAG kunt u 10 extra punten verdienen.
spm1520 Antwoordvel meerkeuzevragen tentamen spm1520 7 April 2011 Beantwoord de meerkeuzevragen s.v.p. op dit vel
– LEVER DIT VEL IN – Naam:
Studienummer:
Vraagstuk A B C D punten score
1 1
2 1
3 1
4 3
5 2
6 2
7 5
8 4
9 2
10 2
11 3
12 1
13 1
14 2
Totaal 30
• bij elke deelvraag is slechts ´e´en antwoord juist.
• Een foute keuze geeft aftrek van1/3van het puntenaantal.
• Als u het antwoord niet weet en D – blanco kiest, volgt g´e´en puntenaftrek!
spm1520 Tentamen 7 April 2011
MEERKEUZEVRAGEN
1. (1 punt) Het binnenlands energiegebruik van Nederland was de afgelopen jaren ongeveer A. 330 miljoen TOE
B. 33 miljard [Nm3] aardgas C. 3300 [PJ]
D. blanco
2. (1 punt) Elektriciteit wordt in Nederland geproduceerd uit onder meer A. aardgas, uranium-235 en geothermie
B. aardgas, steenkool en huishoudelijk afval C. ruwe aardolie, steenkool en uranium-235 D. blanco
3. (1 punt) Als we steenkoolcentrales vervangen door aardgascentrales dan vermindert daarmee de CO2-intensiteit van de elektriciteitsvoorziening, uitgedrukt in ton CO2per [MWh].
A. deze uitspraak is juist B. deze uitspraak is niet juist
C. het is niet te bepalen of deze uitspraak (on)juist is D. blanco
4. (3 punten) Het wereldgebruik van aardolie is gemiddeld 84 miljoen vaten per dag (BP Statistical Review, 2009). Als, zoals recent gesteld door Owen c.s. (Energy Policy, 2010) de R/P-ratio van aardolie ± 29 [jaar] is, dan is een schatting van de wereldolievoorraad:
A. ± 700 miljard [vaten]
B. ± 800 miljard [vaten]
C. ± 900 miljard [vaten]
D. blanco
5. (2 punten) In berekeningen aan vloeistoffen en gassen wordt gebruik gemaakt van het Reynolds getal. Dit is een dimensieloos getal, dat gegeven wordt door Re = ρ · v · L
µ . Hierin is ρ de dichtheid in [kg/m3], v de snelheid in [m/s] en L een karakteristiek lengte in [m]. De dimensie van µ, de dynamische viscositeit is dus
A. [kg·m-1·s-1] B. [kg-1·m·s]
C. [kg·m·s-1] D. blanco
6. (2 punten) De volgende energie transformaties treden op in een Concentrated Solar Power centrale
A. Zonnestraling → elektriciteit; warmte Thoog→ warmte Tlaag B. Zonnestraling → warmte; warmte Thoog→ warmte Tlaag
C. Zonnestraling → warmte; warmte Tlaag→ warmte Thoog D. blanco
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011 7. (5 punten) Het rendement van een Concentrated Solar Power centrale is zo’n 25%. De zonne-instraling in Zuid-Spanje is gemiddeld 2000 [GWh/km2/jaar]. Hoeveel [km2] CSP is dan nodig in Zuid-Spanje om de Nederlandse dagelijkse piek in stroomvraag van 6000 [MW] gedurende 8 uur (van 9-17:00u) te vervangen?
A. minstens 35 [km2] B. minstens 24 [km2] C. minstens 8 [km2] D. blanco
8. (4 punten) Het McArthur River deposit in het Athabasca Bassin, Canada bevat het rijkste uranium-erts ter wereld. De totale hoeveelheid uraniumerts is geschat op 221,000 ton U3O8- houdend erts, dat 24 [gew.%] van dit uraniumoxide bevat. E´en mol natuurlijk uranium bevat 0.72 [mol %]235U en 99.28 [mol %]238U. De hoeveelheid235U in het McArthur River deposit is dus naar schatting ongeveer
A. ongeveer 320 ton B. ongeveer 380 ton C. ongeveer 1210 ton D. blanco
9. (2 punten) Bij bovenmatige inspanning, of intensief sporten kunnen je spieren “verzuren”
- ze leveren arbeid zonder zuurstof op te nemen. Onder deze omstandigheden wordt veel suiker (C6H12O6, ∆Hv = −1271[kJ/mol]) omgezet in melkzuur (C3H6O3). Hieruit volgt voor de absolute waarde van de ∆Hv [kJ/mol] van melkzuur resp. suiker:
A. melkzuur > suiker B. 2 * melkzuur > suiker C. 2 * melkzuur < suiker D. blanco
10. (2 punten) De structuurformule van melkzuur is hierboven gegeven.
(a) Skelet (b) Bal
Figuur 1: Representatie van melkzuur (bron:Wikipedia)
De verbrandingsenthalpie of LHV van melkzuur (figuur 1) is te berekenen als we de bind- ingsenergie¨en [kJ/mol] kennen van
A. C-C, C=O, C-O, C-H, O-H B. C-C, C=O, C-O, C-H, O=O, O-H C. C=C, C=O, C-O, C-H, O=O, O-H D. blanco
pag. 2 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011 11. (3 punten) Hoogovengas bestaat gemiddeld uit 50 vol.% CO en 50 vol.% H2. De LHV van CO is 10.1 [MJ/kg], die van H2121 [MJ/kg]. Daaruit volgt dat de LHV van hoogovengas [MJ/kg] gegeven wordt door
A. (0.5 × 10.1) + (0.5 × 121)
B. (0.5 × 2 × 10.1) + (0.5 × 28 × 121)
C. 28
(2 + 28) × 10.1 + 2
(2 + 28) × 121 D. blanco
12. (1 punt) Het GWP van methaan is 25 (IPPC, 2007). Dat betekent dat als broeikasgas de uitstoot van
A. 1 kilo methaan overeenkomt met 25 kilo CO2 B. 1 mol methaan overeenkomt met 25 mol CO2
C. 25 moleculen methaan overeenkomen met 1 molecuul CO2
D. blanco
13. (1 punt) Met de uitstoot van CO2 door het verstoken van fossiele brandstoffen verandert de mens in hoofdzaak
A. de langzame koolstofcyclus B. de snelle koolstofcyclus C. geen van beide
D. blanco
14. (2 punten) Door waterkrachtcentrale A stroomt 1000 [m3/s] water. Het oppervlak van het stuwmeer ligt 50 [m] hoger dan de turbineuitstroom. Waterkrachtcentrale B verwerkt veel minder water, maar hier ligt het stuwmeer 500 [m] hoger dan de uitstroom van de turbines.
De capaciteit [MWe] van de twee centrales is gelijk. Dan is de waterstroom φv in [m3/s]
door centrale B bij benadering:
A. √
1000 · 10 B. 1000 · (1/10) C. 1000/√
10 D. blanco
pag. 3 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011
Open vragen
15. (12 punten) Ontzilting van zeewater Nederland heeft geen traditie in het ontzilten van zeewater voor de productie van industrie- of drinkwater. In landen als Australi¨e en Mex- ico wordt echter hard aan deze technologie gewerkt. Bijvoorbeeld in Hermosillo, een stad in het Noorden van Mexico, is een project ontwikkeld voor het ontzouten van zeewater t.b.v. de drinkwatervoorziening voor deze 110 [km] landinwaarts gelegen stad. De ca- paciteit van de installatie wordt 2.5 [m3/s]. Aanleiding voor het project is de jarenlang aanhoudende droogte, waardoor zelfs stuwmeren in de bij de stad gelegen rivier compleet zijn opgedroogd.
Figuur 2: Systeemdiagram Hermosillo Ontziltingsinstallatie
De ingezette technologie is ‘Saline water reverse osmosis’, oftwel omgekeerde osmose van zeewater. Daarbij wordt zeewater onder hoge druk door een membraan geperst dat een deel van het water doorlaat, maar het zout niet. Er ontstaan zo twee productstromen:
ontzout water en water met een verhoogde concentratie zout. Zeewater bevat 3,5 [gew.%]
keukenzout (NaCl). De membranen in de installatie houden 99.7 % van het zout tegen. Een optimaal ontwerp wordt verkregen met een schema zoals hierboven aangegeven, waarin de relatieve grootte van een aantal stromen is gegeven (op gewichtsbasis, dus bijv. [kg]):
100 [kg] zeewater naar het eerste membraan geeft 40 [kg] zoet productwater.
(a) Waarom is bovenstaand diagram geen correct systeemdiagram?
(b) Hoeveel zeewater verwerkt de installatie (bereken φmin [m3/s])?
(c) Wat is het zoutgehalte in [mg/l] van het geproduceerde zoet water resp. van het efflu- ent?
(d) Verklaar met een korte systeemanalyse waarom de ontziltingsinstallatie van Hermosillo aan de kust wordt gebouwd en niet bij de stad.
(e) Met hoeveel procent kan de capaciteit van de installatie toenemen als de membranen parallel worden geschakeld i.p.v. in serie? Licht uw antwoord toe.
pag. 4 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011 16. (15 punten) Klimaatsysteem De kennis over het klimaatsysteem en de onbalans daarin is
door het IPCC samengevat in onderstaande figuur.
Figuur 3: Radiative Forcing (bron:IPCC, 2007)
(a) Leg uit waarom het broeikaseffect als zodanig onomstreden is. Betrek ten minste de Wet van Stefan-Boltzmann in uw beschouwing.
(b) Een Elfstedentocht vraagt om sterk ijs, en dus een langere periode strenge vorst. Leg uit waarom dat niet te verwachten is bij sneeuwval en/of bewolking.
(c) Leg uit hoe de informatie in figuur 3 samenhangt met de energiebalans van de aarde.
(d) De onbalans geeft aan dat er op aarde energie accumuleert.
i. Waar komt deze energie terecht?
ii. Welke effecten van klimaatverandering zijn gerelateerd aan deze energieopslag (noem de twee belangrijkste)
(e) Om een vergelijking te kunnen maken tussen broeikasgassen wordt het Global Warm- ing Potential gehanteerd
i. noem en verklaar kort drie aspecten die het GWP van een gas bepalen.
ii. waterdamp heeft een sterke broeikasgaswerking. De GWP van water is echter gelijk aan 0. Verklaar.
(f) Het klimaat is in feite onze waarneming van een set emergente eigenschappen van een complex systeem. Dat systeem kan worden gestabiliseerd or gedestabiliseerd door dempende of elkaar versterkende koppelingen. Beschrijf kort ten minste 3 koppelin- gen in het klimaatsysteem; geef aan of ze (de)-stabiliserend werken en waarom.
pag. 5 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011 17. (33 punten) De RoCa-3 Centrale in Rotterdam Alexander is ´e´en van de grotere warmte-
krachtcentrales van Nederland .
Hoogcalorisch aardgas (LHV = 50 [MJ/kg]) uit het middendrukdistributienet (40 bar) wordt in de verbrandingskamer van een gas turbine gemengd met lucht en verbrand. In de ver- brandingskamer wordt stoom ge¨ınjecteerd. De energie in de hete verbrandingsgassen wordt deels overgebracht door de turbine op de as van de machine, die een generator aandrijft.
De hete uitlaatgassen van de gas turbine worden vervolgens naar een afgassenketel geleid.
Daarin wordt midden-druk stoom gemaakt, het begin van een Rankine cyclus, waarmee via een enkele stoomturbine en generator nog meer elektriciteit kan worden gemaakt. De overblijvende restwarmte kan worden weggekoeld naar de lucht door verdamping van schoon industriewater in een koeltoren, of wordt (deels) geleverd aan het stadsverwarm- ingsnet van Rotterdam-Alexander - heet water wordt ge¨exporteerd, lauw water komt re- tour.
Een deel van het rookgas van de afgassenketel wordt door naverbranding in een tweede, speciale ketel verrijkt met CO2. Na koeling en compressie wordt dit CO2-rijke rookgas per pijpleiding aan glastuinders in Bergschenhoek en Berkel en Rodenrijs geleverd. Door het bijstoken met aardgas in deze tweede afgassenketel wordt het CO2gehalte van dit rookgas verhoogd van 3 naar 6 vol.%.
In de tabel zijn de operatiegegevens voor zomer- en winterbedrijf gegeven.
Zomer Winter Gas Turbine (MWe) 120 120 Stoom Turbine (MWe) 100 80 Warmtelevering (MWth) 20 210
Energierendement η (%) 53 88 Koelwatertemperatuur (◦C ) 20 10
Texport(◦C ) 98 98
Tretour(◦C ) 55 55
(a) Tegen welk type luchtverontreiniging zijn in de RoCa-3 centrale maatregelen genomen?
(b) Geef een correcte formulering van de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica (c) Teken een systeemdiagram van de RoCa-3. Maak een zinvolle keuze t.a.v. weer te
geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van on- derstaande deelvragen
(d) Inputs en outputs van de centrale
i. Stel een energiebalans op voor de centrale
ii. Bereken een schatting van de hoeveelheid weggekoelde restwarmte, in de winter resp. in de zomer.
iii. Bereken m.b.v. uw energiebalans een schatting van het jaarlijks aardgasverbruik van de centrale en bereken een schatting van de jaarlijkse CO2uitstoot.
iv. Hoeveel water circuleert er in de winter door het stadsverwarmingsnet?
(e) Het rendement van de centrale
i. bereken het elektrisch rendement van de centrale in zomer- respectievelijk win- terbedrijf
ii. Leg uit dat het onvermijdelijk is dat dit elektrisch rendement van de centrale daalt naarmate ze meer warmte aan de stadsverwarming levert.
pag. 6 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011 (f) E.On zegt op haar website dat jaarlijks 130.000 ton CO2 aan tuinders wordt geleverd.
Hoeveel ton aardgas wordt dan bijgestookt in de tweede naverbrandingsketel?
18. (10 punten (bonus)) Energievoorziening 21steeeuw. Hoewel er op dit moment drie grote met fossiel brandstoffen gestookte centrales in Nederland worden gebouwd, zetten Neder- land en Europa sterk in op verduurzaming van de elektriciteitsvoorziening - in 2050 moet 50% CO2-vrij worden geproduceerd, in 2080 zelfs 80%. Geef kort uw beargumenteerde visie op de mogelijkheden daartoe, en de noodzakelijke aanpassingen van de elektriciteits- infrastructuur. Licht ten slotte kort toe of u de aanstaande doorbraak van elektrisch ver- voer - auto’s die kunnen worden opgeladen uit het stopcontact - ziet als een kans of juist bedreiging voor de verduurzaming van de elektriciteitsvoorziening.
Formuleblad
• Energie [J]:
Ekin= 12m · v2 Q = Cp· m · ∆T Wmax= Qh·(Th− Tc)
Th
Qc= Qh− Wmax = Qh· Tc Th
E = 2.31 · 10−19·Q1.Q2 r
• Avogadro [moleculen/mol]:
NAvogadro= 6, 022 ∗ 10−23
• Straling:
S = k · T4[W/m2])
k = 5, 67 · 10−8[W/m2/K−4] λpiek = c
Tpiek ν = c/λ[s−1J]
c = 3, 000 · 108[m/s]
E = h · ν[J]
h = 6.62608 · 10−34[J · s]
• Heisenberg:
∆x · ∆(m · v) ≥ h 4π
• Ideaal gas:
P · V = n · R · T
R = 8.31451[J/(K · mol)]
pag. 7 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 7 April 2011
• Periodiek Systeem:
118 1A8A 12 H21314151617He 1.0082A3A4A5A6A7A4.003 345678910 LiBeBCNOFNe 6.9419.01210.8112.0114.0116.0019.0020.18 1112131415161718 NaMgAlSiPSClAr 22.9924.31345678910111226.9828.0930.9732.0735.4539.95 192021222324252627282930313233343536 KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr 39.1040.0844.9647.8850.9452.0054.9455.8558.9358.6963.5565.3869.7272.5974.9278.9679.9083.80 373839404142434445464748495051525354 RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInGeSbTeIXe 85.4787.6288.9191.2292.9195.94(98)101.1102.9106.4107.9112.4114.8118.7121.8127.6126.9131.3 555657727374757677787980818283848586 CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlSnBiPoAtRn 132.9137.3138.9178.5180.9183.9186.2190.2192.2195.1197200.6204.4207.2209(209)(210)(222) 878889104105106107108109110111112 FrRaAcUnqUnpUnhUnsUnoUneUunUuuUub (223)226(227) 5859606162636465666768697071 CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu 140.1140.9144.2(145)150.4152.0157.3158.9162.5164.9167.3168.9173.0175.0 90919293949596979899100101102103 ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr 232.0(231)238.0(237)(244)(243)(247)(247)(251)(252)(257)(258)(259)(260)
Figuur 4: Periodiek systeem der Elementen
pag. 8 van 8
