Systeemdenken: balansen - Leerdoelen
• Vraagstuk analyseren m.b.v. systeemdenken
• Behoudswetten massa en energie
• Procedure voor opstellen balans
• Voorbeelden:
• de chemische industrie
• huisvuilverwerking in Nederland
• warmte-kracht koppeling
• etc.
• Stuk elektronische reader “De Systeembenadering” (volgt)
Wat is een systeem?
Wat is een systeem?
• A system may be defined as “a structured assemblage of
elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens (interface tussen systeem en omgeving)
• systeemelementen
• verbindingen tussen systeemelementen (structuur)
• inputs/outputs
Wat is een systeem?
De chemische industrie Inputs
Outputs Chemische
Fabriek
Outputs Inputs Uitwisseling
>>
Systeem Element
Systeem Grens
Flow
Categorie Info Chemische
Fabriek
Chemische Fabriek
Chemische Fabriek
Chemische Fabriek Chemische
Fabriek Chemische
Fabriek
Dijkema, G.P.J. (2004) , “Process System Innovation by Design”.
Wat is een systeem?
• A system may be defined as “a
structured assemblage of elements and subsystems, which interact through
interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens?
• systeemelementen?
• verbindingen?
• inputs, outputs?
De chemische industrie Inputs
Outputs Chemische
Fabriek
Outputs Inputs Uitwisseling
>>
Systeem Element
Systeem Grens
Flow
Categorie Info Chemische
Fabriek
Chemische Fabriek
Chemische Fabriek
Chemische Fabriek Chemische
Fabriek Chemische
Fabriek
Dijkema, G.P.J. (2004) , “Process System Innovation by Design”.
Systeem?
• A system may be defined as
“a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment”
(Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens?
• systeemelementen?
• verbindingen? (structuur)
• inputs, outputs
http://aardling.com/ferrari-458-italia/
Systeem?
• A system may be defined as
“a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment”
(Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens?
• systeemelementen?
• verbindingen? (structuur)
• inputs, outputs
http://www.mocpages.com/moc.php/11547
Wat is een systeem?
• A system may be defined as “a structured assemblage of
elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens (interface tussen systeem en omgeving)
• systeemelementen
• verbindingen tussen systeemelementen (structuur)
• inputs, outputs
• combinatie leidt tot prestatie, gedrag van het systeem
• het systeem vervult een FUNCTIE
Systeem?
• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its
environment” (Asbjørnsen 1992)
• systeemgrens (interface tussen systeem en omgeving)
• systeemelementen
• verbindingen tussen
systeemelementen (structuur)
• inputs, outputs
• combinatie leidt tot prestatie, gedrag van het systeem
• het systeem vervult een FUNCTIE
http://aardling.com/ferrari-458-italia/
Waarom systeemdenken (1)?
• Basisregels hoe systemen werken zijn toepasbaar voor
• natuurlijke, technologische, economische,
ecologische, fysische, maatschappelijke en politieke systemen.
• productie processes, producten, informatiesystemen
• Systeembenadering is basis voor analyse industriële installaties:
• economie: kosten/baten analyse; schatting investeringen;
• ecologie: input/outputs “wieg-tot-graf” keten
Waarom systeemdenken (2)?
• Gedrag van een systeem is afhankelijk van zijn structuur (interactie van
systeemelementen) en relatie met zijn omgeving
• Elk systeem is meer dan de optelling van het gedrag van zijn afzonderlijke elementen!
• Op elk aggregatie niveau:
• Systeem is te decomponeren in subsystemen
• Deze (sub)systemen zijn weer te decomponeren in (sub)-
subsystemen
• etc.
http://rummage.typepad.com/rummage/2007/11/index.html
Waarom systeemdenken (2)?
• Systeemdecompositie:
• systemen bestaan uit subsystemen
• subsystemen bestaan uit sub- subsystemen
• sub...systemen bestaan uit systeemelementen
• Systeemanalyse:
• wat is een geschikte systeemdecompositie??
• Keuze van aggregatieniveaus
• Bijv. locaal, regionaal, nationaal
• Industriële economie / Industriegebied / Industrieel complex / Fabriek?
• Fabriek / -Sectie / Apparaat / Onderdeel?
http://rummage.typepad.com/rummage/2007/11/index.html
Waarom systeemdenken (3)
• … geeft je de mogelijkheid complexe, ongestructureerde informatie te ordenen, en methoden voor oplossing te overwegen.
• … een gevonden oplossing kan vrij indirect en moeilijk te
begrijpen zijn voor niet-systeem-denkers, maar het werkt beter
• … de oplossing geeft betere resultaten geïntegreerd in plaats en tijd
• systeemdenken: krachtig hulpmiddel/denkwijze in combinatie met inhoudelijke kennis (waar gaat het over).
Voorbeeld: de Aarde als systeem
•Aarde
• open systeem voor energie
• gesloten systeem voor materie
•Aarde als milieusysteem
• open
• zwakke integratie
• zeer complex
de Aarde als systeem:
veel gebruikte systeemdecompositie
•Aarde
•open systeem voor energie
•gesloten systeem voor materie
•Aarde als milieusysteem
•open
•zwakke integratie
•zeer complex
Systeemdenken: industrie en milieu
• Milieu als bron en put
Systeemdenken: industrie en milieu
• Milieu als bron en put
• “Society” als systeem decompositie t.b.v. analyse
Food
Textile Paper Fertilizer Oth. chemical Building material Basic metal Oth. metal Oth. industry
Transport Homes Cokes factories
Refineries
Power plants Winning
Import
Export The Netherlands
Import
Export
Systeemdecompositie Nederlandse Economie
Winningsbedrijven Energie-bedrijven Eindgebruikers
Black-box systeem-model
• “Black-box” model:
• elk systeem wordt gekarakteriseerd door zijn inputs en outputs.
Puri- fication
Recycle Flow Separation Reaction
Feed Product
Purge Feed
preparation
T
Fuel
Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004
Process systems engineering:
Open the Black-box
• “Black-box” openen:
• elk systeem wordt gekarakteriseerd door zijn inputs en outputs.
• we zien wat er in het systeem zit
Puri- fication
Recycle Flow Separation Reaction
Feed Product
Purge Feed
preparation
T
Fuel
Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004
Algemene systeemstructuur/decompositie van een fabriek in de procesindustrie:
Een assemblage van unit operations
Puri- fication
Recycle Flow Separation Reaction
Feed Product
Purge Feed
preparation
T
Fuel
Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004
Een assemblage van unit operations
• Unit operations:
• ...Basis concept van (chemical) process systems engineering
• ...Voor modellering en ontwerp
• Aan dit systeemmodel zijn een aantal methoden voor het (vroeg) schatten van investeringskosten opgehangen.
Puri- fication
Recycle Flow Separation Reaction
Feed Product
Purge Feed
preparation
T
Fuel
Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004
Systeemdenken: industrie en milieu
• Industriële productie:
• onttrekking van grondstoffen aan de aardkorst
• industriële bewerkingen tot gereed product
• sommige bewerkingen: emissies, afval
• producten: na gebruik afval
• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we
voorzieningen die we verantwoord vinden en die
betrouwbaar worden geacht
Systeemdenken
• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht
• Voorbeelden?
Systeemdenken
• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht
• Voorbeelden?
• onttrekking: boorspoeling; mijnafval; ganggesteente
• industriële bewerking: end-of-pipe; procesgeïntegreerde maatregelen, schone/groene grondstoffen & processen
• afgedankte produkten: recycling; afvalverwerking
Afvalverwerking - systeem
• Hoe ziet het systeem voor
huishoudelijk afvalverwijdering er uit in Nederland?
• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?
• Schatting van bovenstaande?
Afvalverwerking - systeem
• Hoe ziet het systeem voor
huishoudelijk afvalverwerking er uit in Nederland?
• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?
• Schatting van bovenstaande?
Afvalverwerking - systeem
Inzameling
Transport
Verwerking
AFVAL
Restprodukt
De verwerking van afval
• Systeemkeuze voor analyse en ontwerp
• opties:
• opties:
• opties:
Inzameling
Transport
Verwerking
AFVAL
Restprodukt
De verwerking van afval
• Systeemkeuze en afbakening, voor analyse en ontwerp
• inzameling
• opties:
• integraal of gescheiden? (GFT-bak, glasbak, papiercontainer etc.)
• halen of brengen
• transport
• opties:
• vrachtauto, trein, of schip (vliegtuig)
• eindverwijdering of nuttige toepassing?
• opties:
• vuilstortplaats (gecontroleerde stort)
• composteren (van GFT)
• verbranding met energieterugwinning
• grondstofterugwinning
• gergebruik en recycling
Inzameling
Transport
Verwerking
AFVAL
Restprodukt
Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2007
1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]
http://www.senternovem.nl/uitvoeringafvalbeheer/publicaties/Monitoring/ua_200805_afvalverwerking_in_nederland__gegevens_2007.asp
Ontwikkeling huishoudelijk afval
bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007
De verwerking van huishoudelijk afval in Nederland - massabalans
bron: Nederland Afval in Cijfers,
Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007
De verbranding van huisvuil
De grootschalige verbranding van
huisvuil (grijze container),
Afvalverwerking Zuid-Nederland, AZN• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar
• Daarbij ontstaan
• 180.000 ton bodemas
• 12.000 ton metalen
• De operatie is (volgens AZN (folder):
“schoon en erg milieu-vriendelijk”
• Is dat werkelijk zo? Welke informatie ontbreekt aan dit overzicht (uit PR-folder)?
• 15.000 ton vliegas
• 3.000 ton gips
• 2.600.000 ton stoom
De verbranding van huisvuil
• Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk??
• Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil?
• Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen?
Hoe ziet een systeemdiagram eruit?
De verbranding van huisvuil
• Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk??
• Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil?
• Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen?
1. systeemdiagram opstellen 2. inputs & outputs uitrekenen
3. kosten en opbrengsten in beeld brengen
De verbranding van huisvuil
1. systeemdiagram opstellen
• op basis van kennis & informatie over dit systeem – bijvoorbeeld Ullmann’s Encyclopedia of technology (via
www.library.tudelft.nl), wikipedia, boeken, wetenschappelijke &
technische literatuur, bedrijfsinformatie etc.
• keuze systeemgrens,
systeemelementen, inventarisatie van stromen
2. inputs & outputs uitrekenen
3. kosten en opbrengsten in beeld brengen
Systeemdiagram
Verbranding met energieterugwinning
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen,
chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking (verwijdering
metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)
Stoomketel (energiewinning)
Opslag (open lucht)
A f v o e r
Verbranding met
energieterugwinning
• Systeem-informatie:
• er is een gesloten stoomkringloop voor energiewinning (vergelijk met centrale verwarming (cv) thuis)
• de schoorsteen is 80m hoog
• voor de verbranding van huisvuil wordt lucht gebruikt
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen,
chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking (verwijdering
metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)
Stoomketel (energiewinning)
Opslag (open lucht)
A f v o e r
De grootschalige verbranding van
huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?
• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar
• Daarbij ontstaan
• 180.000 ton bodemas
• 12.000 ton metalen
• Rookgas (CO2)
• 15.000 ton vliegas
• 3.000 ton gips
• 2.600.000 ton stoom
Stap 1 - keuze systeemgrens &
control volume
Control Volume t.b.v. vragen
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen,
chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking (verwijdering
metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)
Stoomketel (energiewinning)
Opslag (open lucht)
A f v o e r
Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop
Control Volume t.b.v. vragen
Aanvoer/Loshal (bunkering)
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen,
chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking (verwijdering
metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)
Stoomketel (energiewinning)
Opslag (open lucht)
A f v o e r Warmte-
wisselaar (energie- afnemer)
Kring- proces
Stap 2: boekhouden
inventarisatie inputs en outputs
Control Volume Aanvoer/Loshal
(bunkering) 700.000 ton
Rookgasreiniging (NOx, vliegas, zware metalen,
chloor, SO2
dioxines, kwik)
Slakopwerking (verwijdering
metalen tbv recycling) Roosteroven (verbranding)
Stoomketel (energie-
winning) Warmte-
wisselaar (energie- afnemer)
Verbrandings- Lucht
??ton
bodemas 180.000 ton metalen
12.000 ton
vliegas 15.000 ton
gips etc.
3.000 ton rookgas
??? ton Netto circulatie
2.600.000 ton
De grootschalige verbranding van
huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?
• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar
• Daarbij ontstaan
• 180.000 ton bodemas
• 12.000 ton metalen
• Rookgas (CO2)
(1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten?
(2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheid CO2, dioxines, NOx, roet etc.)
(3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard
• 15.000 ton vliegas
• 3.000 ton gips
• 2.600.000 ton stoom
Oplossing: gebruik kennis van het systeem EN balansen
• Stelt u in staat te “boekhouden” met Behouds wet
som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie
• Geldt voor: elektronen, atomen, moleculen*, massa, energie, kippen, mineralen, etc.
*bij afwezigheid chemische reactie
Materie- en energietransformatie behoudswet
• LAW OF CONSERVATION OF MATTER AND ENERGY
• matter and energy cannot be created or destroyed
• matter and energy can be transformed into other
kinds of matter and energy
Oplossings-procedure
(zie ook elektronische reader)
(1)
Kies systeemgrens & control volume;• gebruik daarvoor kennis van het systeem (2) Kies de te gebruiken grootheid
(3) Ga boekhouden met Behouds wet som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie
• dus inventariseer alle stromen (4)Maak aanvullende aannamen
• bijv. in een continu werkend systeem is bij stationaire operatie de accumulatie gelijk aan nul!
• bijv. de massa van schadelijke stoffen in rookgas is te verwaarlozen in de massabalans
Resultaat systeemanalyse stap (2)
• Er is een additionele input, verbrandingslucht, hoeveelheid is onbekend
• Er is een output waarvan de hoeveelheid en samenstelling onbekend is
• NB de samenstelling van huisvuil is eveneens vooralsnog onbekend!
• Om te bepalen of het systeem “schoon en milieuvriendelijk” is, dienen we dus ontbrekende gegevens te schatten / berekenen, c.q. informatie te verzamelen!
Berekenen ontbrekende gegevens met massabalans:
• (1) Inputs:
• lucht: stel X ton
• afval: 700.000 ton
•totaal: 700.000 + X
• (2) Outputs
• rookgas: stel Y ton
• vliegas: 15.000 ton
• bodemas: 180.000 ton
• metalen: 12.000 ton
• gips etc.: 3.000 ton
• totaal: 210.000 + Y
Berekenen resultaat met balans:
• (3) Massabalans:
• stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0
• som(inputs) - som(outputs)
= 0
• (4) Resultaat
• 700.000 + X - 210.000 - Y = 0
• hoeveelheid rookgas = Y = 490.000 + X