spm1520 Tentamen 15 April 2010
Tentamen spm1520 15 april 2010
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 16 vragen, op 8 pagina’s.
Daaronder zijn 11 meerkeuzevragen (25 punten).
Het totaal aantal te behalen punten is 100. U start met 10 punten.
Pagina: 1 2 3 5 Totaal:
Punten: 11 13 46 20 90
Score:
Met de BONUSVRAAG kunt u 10 extra punten verdienen.
spm1520 Antwoordvel meerkeuzevragen tentamen spm1520 15 April 2010 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 2
4 4
5 3
6 3
7 2
8 3
9 3
10 2
11 1
Totaal 25
• 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 15 April 2010
MEERKEUZEVRAGEN
1. (1 punt) In Nederland wordt > 95% van de elektriciteit opgewekt uit A. aardolie, aardgas en uranium
B. aardgas, uranium en steenkool C. bruinkool, steenkool en uranium D. blanco
2. (1 punt) Van aardolie, steenkool en uranium is wereldwijd bij huidig gebruik nog bewezen voorraad voor ongeveer
A. respectievelijk 42, 300, 60 [jaar]
B. respectievelijk 142, 300, 160 [jaar]
C. respectievelijk 42, 2500, 160 [jaar]
D. blanco
3. (2 punten) In berekeningen voor warmteoverdracht wordt gebruik gemaakt van het Nus- selt getal. Dit is een dimensieloos getal, dat gegeven wordt door N uL = h · L
kf . Hierin is h de warmteoverdrachtsco¨efficient in [W/m2/K], en L een karakteristiek lengte in [m]. De dimensie van kf is dus
A. [W/m2] B. [W/m/K]
C. [W/m2/K]
D. blanco
4. (4 punten) Het elektriciteitsverbruik in Nederland is overdag het hoogst. Gemiddeld staat in Nederland overdag, 365 dagen per jaar 8 uur per dag 6000 [MW] elektriciteitproduk- tievermogen extra bijgeschakeld. De NRC berichtte zaterdag (10 april 2010) dat zon-PV wellicht al in 2015 concurrerend wordt met conventionele elektriciteitscentrales. Wetende dat het rendement van zon-PV zo’n 15% is en de zonne-instraling in Nederland gemiddeld 1100 [kWh/m2], hoeveel [km2] zon-PV is dan nodig om deze dagelijkse piek te vervangen?
A. 20-40 [km2] B. 90-140 [km2] C. 200-500 [km2] D. blanco
5. (3 punten) NPK kunstmest van de firma NPK.nl bestaat uit een mengsel van kaliumni- traat, KN O3, superfosfaat, Ca(H2P O4), en ureum H2N-CO-NH2. NPK.nl levert haar kun- stmest in zakken van 30 [kg]. In NPK.nl’s kunstmest zijn de gewichtspercentages van de drie stoffen gelijk, 33 [gew.%]. Kunstmest bevat ongeveer 1 [gew. %] spore-elementen, zoals Mg, Cu etc.
Een zak NPK.nl kunstmest bevat:
A. ongeveer 73 mol Ca(H2P O4) B. ongeveer 83 mol Ca(H2P O4) C. ongeveer 93 mol Ca(H2P O4) D. blanco
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010 6. (3 punten) NPK.nl’s kunstmest bevat per zak van 30 kg
A. ongeveer 4 [kg] K, kalium B. ongeveer 5 [kg] K, kalium C. ongeveer 6 [kg] K, kalium D. blanco
7. (2 punten) Na gebruik op land reageert ureum met uitsluitend water tot slechts ammoniak (NH3) en CO2. Bij het uiteenvallen van ureum ontstaat/ontstaan
A. per mol ureum ´e´en mol NH3.
B. per molecuul ureum twee moleculen NH3. C. per kilogram ureum twee kilogram NH3. D. blanco
8. (3 punten) Hieronder zijn een aantal bindingsenergie¨en [kJ/mol] gegeven.
O-H 467 C-C 347
O=O (O2) 495 O-O 146
N≡N 941 C=O 745
H-H 432 C-O 358
C=O (CO2) 799 N-H 391
Met behulp van deze gegevens is een schatting voor de LHV van ammonia te berekenen.
Deze schatting is A. -207 [kJ/mol]
B. -307 [kJ/mol]
C. -407 [kJ/mol]
D. blanco
9. (3 punten) De auto van het jaar 2010, de nieuwe VW Polo Bluemotion 1.2 TDI (diesel), heeft een gemiddelde CO2 uitstoot van 87 [gram/km]. Daarmee is deze auto vrijgesteld van BPM en wegenbelasting. De auto gebruikt gemiddeld 3.3 liter brandstof per 100 km.
Hieruit volgt dat een liter diesel A. ongeveer 680 gram C bevat
B. ongeveer 700 gram C bevat C. ongeveer 720 gram C bevat D. blanco
10. (2 punten) Biogas bestaat na verwijdering van water gemiddeld uit 50 vol.% CH4 en 50 vol.% CO2. De LHV van CH4is 50 [MJ/kg]. Daaruit volgt dat de LHV van biogas gegeven wordt door
A. 16
(16 + 44) × 50[MJ/kg]
B. 50
(50 + 50) × 50[MJ/kg]
C. (44 − 16)
44 × 50[MJ/kg]
D. blanco
pag. 2 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010 11. (1 punt) Eenmaal in de atmosfeer dragen de volgende stoffen bij aan het (versterkt) broeikas-
effect:
A. lachgas (N2O ), CFK’s en stikstof (N2) B. methaan (CH4), stikstof (N2) en water C. lachgas (N2O ), CFK’s en water
D. blanco
Open vragen
12. (8 punten) Aardgas Vorige week is begonnen met de aanleg van de Nordstream aardgaslei- ding van Vyborg in Rusland naar Sassnitz in Noord-Duitsland. Als de pijplijn klaar is zal ze 40 jaar lang jaarlijks 55 miljard [Nm3] Russisch hoogcalorisch aardgas aan de Europese Unie gaan leveren. Het wereldverbruik van aardgas was in 2006 bijna 104 triljoen [ft3]; de wereld aardgasvoorraad wordt geschat op 6.800 triljoen [ft3] per ultimo 2006. 1 triljoen = 1000 miljard; 1 [ft] = 30.5 [cm].
(a) Voor welke twee doeleinden wordt aardgas in hoofdzaak gebruikt?
(b) Bereken een schatting voor de R/P ratio voor aardgas per ultimo 2006.
(c) Een beroemde formule voor milieu-impact is I = P × A × T (IPAT). Licht de termen in deze formule toe.
(d) Gebruik de IPAT formule om uw schatting van de R/P ratio van aardgas kort te eval- ueren.
(e) Hoeveel procent van de in 2006 bekende wereldvoorraad aardgas gaat volgens plan via de Nordstream pijplijn afgeleverd worden aan de EU?
13. (12 punten) Biomassa - zuiveringsslib Bij de zuivering van huishoudelijk afvalwater in afvalwaterzuiveringsinstallaties (awzi’s) ontstaan grote hoeveelheden zuiveringsslib - dit bestaat in feite uit zeer vochtige biomassa. In een typische awzi installatie ontstaat bijvoor- beeld een hoeveelheid waterig slib per jaar die ´e´en miljoen ton biomassa bevat (als droge stof). Deze hoeveelheid waterig slib wordt vergist onder ana¨erobe condities (uitsluiting van zuurstof). Bij deze gisting ontstaat 700 kton per jaar biogas, dat na verwijdering van water bestaat uit (50 vol.% CH4 , 50 vol.% CO2 ). Bij de gisting ontstaat tevens afgew- erkt zuiveringsslib, dat mechanisch wordt gedroogd tot een watergehalte van 25 gew.% en afgevoerd. Het water dat daarbij vrijkomt, 2.5 miljoen ton per jaar, wordt teruggevoerd naar de awzi.
(a) Maak geschikte aanname(s) en schrijf een kloppende reactievergelijking uit voor de ana¨erobe vergisting van de biomassa in het waterig zuiveringsslib
(b) Teken een systeemdiagram voor de installatie voor vergisting en ontwatering van zuiveringsslib tot biogas voor de beantwoording van onderstaande deelvragen (c) Hoeveel organisch/biologisch materiaal (als droge stof) wordt jaarlijks met het afgew-
erkt zuiveringsslib afgevoerd?
(d) Als het watergehalte van het aan de installatie toegevoerde zuiveringsslib 75 gew. % is, hoeveel water wordt dan per jaar uit het natte biogas verwijderd?
14. (25 punten) Amercentrale In Geertruidenberg staat ´e´en van de grootste elektriciteitscen- trales van Nederland die hoofdzakelijk gestookt wordt met steenkool. Hieronder is een principeschema van deze centrale opgenomen.
pag. 3 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010
Figuur 1: Principe schema Amer centrale (bron:Essent
Steenkool uit de opslag (1) wordt gemengd met lucht en gevoed aan de verbrandingsketel (2). Niet aangegeven is dat onderin de ketel bodemassen worden afgevoerd. De warmte wordt overgedragen aan een Rankine cyclus (2, 3, 5), waarmee via de turbine en generator (3,4) elektriciteit wordt gemaakt. Restwarmte wordt weggekoeld met water uit het Har- ingvliet respectievelijk een koeltoren (6,7). Via uitgebreide rookgaszuivering (8,9) wordt het rookgas via een hoge schoorsteen in de atmosfeer geloosd.
De Amercentrale bestaat uit twee gelijke eenheden die samen een netto vermogen aan het net kunnen leveren van 1245 [MW] elektrisch bij gemiddelde jaartemperatuur van het wa- ter/lucht (10◦C ). Koelwaterpompen, luchtcompressie en steenkoolmalers vragen intern elektriciteitsgebruik. De centrale wordt vrijwel continu op thermische vollast bedreven.
Het bruto rendement voor elektriciteitsproductie is 42%, het netto rendement 40% be- trokken op de onderste verbrandingswaarde (LHV) van de gebruikte steenkool. De hoog- ste temperatuur in de stoomcyclus van de centrale (120 bar) is 1200◦C .
Zomers wordt all´e´en elektriciteit geleverd. De Amercentrale heeft ook een voorziening om
’s winters warmte te leveren aan de glastuinbouw en huishoudens via een stadsverwarm- ingsnet. In plaats van koeling tegen koelwater uit het Haringvliet c.q. koeltoren (6,7), wordt via een extra warmtewisselaar dan als het ware gekoeld tegen het stadsverwarmingsnet.
De aflevertemperatuur van warm water aan het stadsverwarmingsnet (onder druk) is 130
◦C . Deze warmtelevering gaat onvermijdelijk ten koste van het geleverde elektrisch ver- mogen en elektrisch rendement van de installatie.
Eigenschappen steenkool gebruikt in de Amercentrale
Verbrandingswaarde (LHV) 28 [GJ/ton]
Organische verbindingen (CxHy) 90.0 [gew.%]
De verhouding C:H 2:1
Stikstofgehalte 0.5 [gew.%]
Zwavel gehalte 2.0 [gew.%]
Asrest 7.5 [gew.%]
pag. 4 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010 (a) De Amercentrale is g´e´en warmtekrachtcentrale. Beschrijf kort hoe een moderne, aardgas-
gestookte, warmtekrachtcentrale is opgebouwd.
(b) Beschrijf drie typen energieconversie die in de Amercentrale optreden
(c) Noem drie typen luchtverontreiniging waartegen in een kolencentrale maatregelen moeten worden genomen
(d) Hoe luidt de 1eHoofdwet van de Thermodynamica?
(e) Teken een systeemdiagram voor de beschreven centrale. Maak een zinvolle keuze t.a.v.
weer te geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van onderstaande deelvragen
i. Stel een energiebalans op voor de centrale
ii. Bereken hoe groot het intern elektriciteitsverbruik van de centrale is als deze all´e´en elektriciteit maakt
iii. Bereken m.b.v. uw energiebalans het jaarlijks steenkoolverbruik van de centrale en bereken een schatting van de jaarlijkse CO2uitstoot.
iv. Hoeveel bodemas wordt jaarlijks door de centrale geproduceerd?
v. Met welke formule en gegevens kunt u een schatting maken van het maximale koelwaterdebiet, te onttrekken aan het Haringvliet? (U hoeft de berekening niet uit te voeren!)
(f) Teken een nieuw systeemdiagram voor de centrale of breidt uw vorige diagram uit zodat de verbinding met het stadverwarmingsnet duidelijk wordt en u de volgende deelvragen kunt beantwoorden
i. Leg uit m.b.v. Carnot dat het elektrisch rendement van de centrale daalt naarmate ze meer warmte aan glastuinbouw en huishoudens levert.
ii. Stel dat ´e´en van de eenheden van de Amercentrale al haar restwarmte aan het stadsverwarmingsnet levert. Maak een nieuwe energiebalans voor deze eenheid van de centrale in deze situatie.
iii. Bereken een schatting van het elektrisch rendement van deze eenheid van de cen- trale in deze situatie.
iv. Welk elektrisch vermogen levert deze eenheid van de Amercentrale naar schatting dus in deze situatie?
v. Met hoeveel procent is het nuttig rendement van de centrale toegenomen?
15. (20 punten) Klimaatsysteem en koolstofcycli Recent zijn in de rapporten van het IPPC (2007) een aantal fouten ontdekt. Naar aanleiding daarvan is een discussie in de media ont- brand over klimaatverandering, de oorzaken en de effecten daarvan, en de noodzaak om onze uitstoot van broeikasgassen zoals CO2te beperken. Het broeikaseffect zelf is en blijft echter een onomstreden fenomeen. Vorige week is een nieuwe satelliet van de Europese Ruimtevaart organisatie gelanceerd in Kazachstan. Deze satelliet heeft een nauwkeurige radar aan boord, waarmee de dikte van de ijsbedekking van de poolkappen en het zeeijs kan worden gemeten.
(a) Het broeikaseffect is op hoofdlijnen te begrijpen met een energiebalans voor ’het sys- teem aarde’. De onbalans in deze energiebalans is de afgelopen 200 jaar opgelopen van ± 0 naar ± 1.6 [W/m2] nu.
i. welke vorm(en) van energie betreft deze energiebalans?
ii. waarom is het broeikaseffect als zodanig onomstreden?
iii. de energiebalans heeft een relatie met het begrip “radiative forcing”. Leg uit.
pag. 5 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010 iv. de onbalans geeft aan dat er op aarde energie accumuleert. Waar komt deze en-
ergie terecht?
v. welke effecten van klimaatverandering zijn gerelateerd aan deze energieopslag (noem de twee belangrijkste)
vi. hoewel water een sterk broeikasgas is, is het GWP van water gelijk aan 0. Verklaar.
(b) de CO2concentratie in de atmosfeer is een indicator van de de snelle koolstofcyclus i. teken een systeemdiagram van de snelle koolstofcyclus
ii. wat zijn de twee belangrijkste veranderingen die ’de mensheid’ hierin heeft aange- bracht
iii. welke (relatief snel proces) zorgt dat CO2 in de atmosfeer niet gelijk oploopt met door mensen veroorzaakte extra uitstoot?
iv. er is ook een langzame koolstofcyclus. Beschrijf deze kort.
(c) De vorige week gelanceerde satelliet gaat nauwkeurig meten aan een aantal ontwikke- lingen die klimaatwetenschappers zorgen baren: de zeeijsbedekking op en rond de polen, en de dikte van de ijskappen.
i. leg uit wat de relatie tussen zeeijs en de albedo van de aarde is
ii. beschrijf twee andere dreigende versterkende of destabiliserende koppelingen in het klimaatsysteem
16. (10 punten (bonus)) Naast klimaatverandering gerelateerd aan CO2 uitstoot is
”security- of-supply” de belangrijkste aanleiding om een transitie cq. verduurzaming van de Ned- erlandse c.q. Europese energievoorziening in te zetten. Analyseer kort de situatie voor Nederland of de EU met betrekking tot
”security-of-supply” voor energie; beargumenteer welke kansen en barri`eres er zijn voor genoemde transitie en geef uw beargumenteerde visie hoe hiermee om te gaan. Welke mogelijkheden ziet u voor de inrichting van onze energievoorziening tot 2050?
pag. 6 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010
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)]
• Periodiek Systeem:
pag. 7 van 8
spm1520 Tentamen (vervolg) 15 April 2010
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 2: Periodiek systeem der Elementen
pag. 8 van 8
