Tentamen spm april uur

Transcriptie

1 spm1520 Tentamen 17 april 2013 Tentamen spm april 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 beantwoording van de vragen. Ommezijde is antwoordvel meerkeuzevragen. LEVER DIT VEL IN. Dit tentamen bevat 24 vragen, op 10 pagina s. Daaronder zijn 21 meerkeuzevragen (40 punten) en twee open vragen (50 punten). Het totaal aantal te behalen punten is 100. U start met 10 punten. Pagina: Totaal: Punten: Score: Met de BONUSVRAAG kunt u 10 extra punten verdienen. Toelichting meerkeuzevragen bij elke deelvraag is slechts één antwoord juist. Een foute keuze geeft aftrek van 1 /3 van het puntenaantal. Aanvinken van meer dan één vakje per vraag wordt gerekend als een foute keuze Als u het antwoord niet weet en D blanco kiest, volgt géén puntenaftrek!

2 spm1520 Antwoorden meerkeuzevragen tentamen spm april 2013 Naam: Studienummer: Vraagstuk A B C D punten score Totaal 40

3 spm1520 Tentamen 17 april 2013 MEERKEUZEVRAGEN Region Reserve Percentage R/P -ratio Miljard ton (%) Total World ,0 112 USA ,6 239 China ,3 33 European Union 56 6,5 97 Tabel 1: Informatie over steenkool t.b.v. vraag 1-3 (bron: BP Statistical Review 2011) 1. (2 punten) De informatie in tabel 1 suggereert dat in de Verenigde Staten de situatie voor steenkool (veel) gunstiger is dan in China. Uit de cijfers blijkt dat het jaarlijks gebruik van steenkool (miljard [ton/jaar]) in de VS en China zich verhouden als ongeveer: A. 1 staat tot 2 B. 1 staat tot 4 C. 1 staat tot 7 2. (2 punten) Uit de in tabel 1 opgenomen gegevens blijkt dat: A. China een netto importeur is van steenkool B. de Europese Unie jaarlijks 3x zoveel steenkool gebruikt als China C. de wereldvoorraad steenkool zich vooral buiten de VS, China en de EU bevindt 3. (2 punten) Steenkool bevat gemiddeld zo n 10 [gew.%] ander materiaal dan koolstof. Op basis van tabel 1 is een redelijke schatting voor de jaarlijkse wereldwijde CO 2 -emissie door het gebruik van steenkool: A. 1.9 miljard [ton] B. 6.9 miljard [ton] C miljard [ton] 4. (2 punten) Het Getal van Graetz Gz geeft de verhouding tussen warmteinhoud en warmteoverdracht in een vloeistofleiding weer. Dit is een dimensieloos getal, dat gegeven wordt door Gz = Φ m C p k L. Hierin is Φ m de massastroom in [kg/s], C p de warmtecapaciteit bij constante druk [J/(K.kg)], k de warmtegeleiding en L een karakteristieke lengte. De dimensie van k is dus A. [W/(K.s)] B. [W/(K.m)] C. [J/(K.m)]

4 5. (1 punt) Bij een reactie staat vermeld H reactie = 28 [MJ/kg]. Dat betreft zeker niet: A. een verbrandingsreactie B. een endotherme reactie C. een reactie waar steenkool bij betrokken is 6. (1 punt) Waterkokers en elektrische boilers hebben als overeenkomstige reden voor hun aantrekkelijk ogend rendement: A. dat ze beide zeer goed zijn geïsoleerd B. er géén Carnot-rendement van toepassing is C. de gekozen temperatuur van het warme water 7. (2 punten) Het Carnot-rendement is hoger naarmate een elektriciteitscentrale... A. met een hogere koelwatertemperatuur werkt B. een hogere mate van terugwinning van warmte realiseert C. bij een hogere verbrandingstemperatuur werkt 8. (1 punt) De Nederlandse elektriciteitsvoorziening onderscheidt zich van die in andere landen met name door een groot aandeel van A. steenkoolcentrales B. kerncentrales C. (warmtekrachtgekoppelde) gascentrales 9. (1 punt) Welke stelling is juist? Het elektrisch rendement van... A.... een moderne kerncentrale is hoger dan dat van een moderne steenkoolcentrale B.... een waterkrachtcentrale is ruim twee keer zo hoog als dat van een moderne kerncentrale C.... een warmtekrachtcentrale (WKK) op gas is hoger dan dat van een moderne gascentrale 10. (2 punten) Welke stelling is zeker waar? A. Het aantal mol peren in 1 kilo is gelijk aan het aantal mol appels in 1 kilo B. Het aantal peren in een mol verschilt van het aantal appels in een mol C. Het aantal peren(appels) in één mol is afhankelijk van het gemiddelde gewicht van de peren(appels) pag. 2 van 10

5 11. (3 punten) Stel het rendement van een elektriciteitscentrale, waar kolen verstookt worden, is 50%. Het vermogen van deze deze centrale is 800 [MWe]. Hoeveel steenkool met LHV=28 [MJ/kg] is per uur nodig voor de centrale als deze het hele uur op vollast draait? A. 102, [kg] B. 205, [kg] C. 161, [kg] 12. (2 punten) Aardgas en kolenprijzen liggen normaliter veel verder uiteen dan in het geval was. Toen was de prijs voor voor kolen met ongeveer e4,50 per GJ die van aardgas genaderd, waarvoor e4,60 per GJ betaald moest worden. De prijs voor CO 2 -uitstoot bedroeg ongeveer 15 eper ton. De LHV van kolen bedraagt 28 [MJ/kg] en van aardgas 50 [MJ/kg]. Welke uitspraak over de kosten voor het opwekken van 1 MWh elektriciteit uit aardgas t.o.v. steenkool is zeker juist voor deze periode? A. de gemaakte brandstofkosten voor een aardgascentrale waren hoger dan die voor een kolencentrale. B. de gemaakte brandstofkosten voor een aardgascentrale waren lager dan die voor een kolencentrale. C. de gemaakte CO 2 -kosten voor een aardgascentrale waren lager dan die voor een kolencentrale. 13. (2 punten) Als 2,000 [kg] SO 2 wordt uitgestoten als gevolg van de verbranding van een hoeveelheid pure zwavel, dan is de massa van deze hoeveelheid zwavel: A. 0,5 [kg] B. 1,0 [kg] C. 2,0 [kg] 14. (2 punten) De volgende energietransformaties treden op in een warmtekrachtcentrale A. (Chemische energie warmte); (warmte T laag warmte T hoog ) B. (Chemische energie warmte); (warmte T hoog warmte T laag ) C. (Chemische energie kracht); (kracht warmte) 15. (3 punten) Een zuivere stof bevat 62 [gew.%] koolstof. Dit geldt voor: A. de stof aceton, CH 3 -CO-CH 3 B. de stof methylazijnzuur, CH 3 -CH 2 -COOH C. géén van beide bovenstaande stoffen pag. 3 van 10

6 16. (3 punten) Als de vormingsenthalpie van stof A gelijk is aan H A, stof B H B en stof C H C, dan geldt voor de reactie A + B C dat de reactieenthalpie H r (in [kj/mol]) gelijk is aan A. H A + H B H C B. H A + H B + H C C. H C H A H B 17. (1 punt) Toestandsgrootheden in een elektriciteitscentrale zijn: A. rendement, capaciteit en vermogen B. verbrandingsenthalpie, capaciteit en vermogen C. verbrandingsenthalpie, stoomdruk en -temperatuur 18. (2 punten) De volgende formulering van de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica is niet juist: A. Energie kan niet worden gecreëerd, noch vernietigd B. Massa kan noch worden gecreëerd, noch worden vernietigd C. De energie van het Universum is constant 19. (1 punt) Nederland heeft een elektriciteitsgebruik van ongeveer A. 1 miljard [kwh] per jaar B. 10 miljard [kwh] per jaar C. 100 miljard [kwh] per jaar 20. (2 punten) De volgende uitspraak is juist: A. Een energiebalans is alléén op te stellen voor energieconversiesystemen B. Een energiebalans is alléén op te stellen voor stationaire systemen C. De twee bovenstaande uitspraken zijn onjuist 21. (3 punten) Palmitinezuur, een verzadigd vetzuur met verhoudingsformule C 16 H 32 O 2, kan met zuurstof O 2 worden vergast tot biogas, dat idealiter slechts bestaat uit CO 2 en CH 4. In een kloppende reactievergelijking reageert 1 molecuul palmitinezuur tot slechts CO 2 en CH 4. Daarvoor zijn precies nodig: A. met 6 moleculen zuurstof B. met 7 moleculen zuurstof C. met 8 moleculen zuurstof pag. 4 van 10

7 Open vragen 22. (30 punten) Elektriciteitsopwekking. Wereldwijd wordt nog steeds het grootste deel van onze elektriciteit opgewekt in thermische centrales. In dit soort centrales wordt als enig afzetproduct elektriciteit gemaakt via een conventionele stoomcyclus of Rankine cyclus. Hoewel de verbrandingtemperatuur in de nieuwste centrales gestookt met steenkool zo n C is, is door materiaalbeperking de maximale te bereiken temperatuur in de stoomcyclus gemiddeld beperkt tot C. Het gerealiseerde rendement is in Nederland gemiddeld 42%. Steenkoolcentrales zijn niet erg flexibel, ze werken eigenlijk altijd op vollast, of staan uit. Kolencentrales voorzien in de helft van de Nederlandse basislast, zo n [MW], de gehele dag door. (a) Beschrijf kort de inrichting en werking van een stoomcyclus in een thermische centrale. (b) Naast CO 2 zijn er nog minstens 3 andere typen luchtverontreiniging waartegen in een kolencentrale maatregelen moeten worden genomen. Welke zijn dit? (c) Kies één van de typen luchtverontreiniging uit deelvraag b, en beschrijf welke technische maatregelen c.q. voorzieningen in een kolencentrale worden getroffen om de betreffende uitstoot te beperken. (d) Maak een systeemdiagram ter beantwoording van onderstaande deelvragen e,f,g,h. (e) Hoeveel ton steenkool wordt er per dag in Nederlandse elektriciteitscentrales verstookt? De LHV van steenkool is 28 [MJ/kg]. (f) Hoe groot is het continu afgegeven vermogen aan restwarmte aan de omgeving van de Nederlands kolencentrales in [MW]? (g) Stel dat alle centrales met oppervlaktewater worden gekoeld. Maak een schatting van het totale, dagelijks door de kolencentrales gebruikte koelwaterdebiet (C p (water)= 4.2[kJ/kg/K]). De zonne-instraling in Nederland staat in figuur 1 (volgende pagina). Het gemiddeld rendement van PV-installaties is 15%. De Nederlandse dagelijkse piek in stroomvraag is zo n [MW] tussen 12 en 2 uur overdag in de zomermaanden juli en augustus. (h) Bereken het oppervlakte aan PV nodig om deze piek stroomvraag op te vangen. Zon-PV-systemen lijken een aantrekkelijke optie om de energievoorziening te verduurzamen en de Nederlandse CO 2 uitstoot te verminderen. Echter, om de elektriciteitsvoorziening bijvoorbeeld ook s nachts te kunnen garanderen is opslag van elektriciteit wellicht nodig, bijvoorbeeld in pumped-hydro systemen. (i) Leg kort het principe van een pumped-hydro systeem uit. (j) Stel dat de helft van de Nederlandse basislast, naast de volledige dagelijkse piek, wordt verduurzaamd met zon-pv in combinatie met pumped-hydro. Gebruik de informatie uit figuur 1 en zet een eenvoudig systeemdiagram en energiebalans op om te bepalen hoe groot het vermogen van respectievelijk zon-pv, pumped- en hydro dienen te zijn. pag. 5 van 10

8 Figuur 1: Gemiddelde instraling per uur (in [W/m 2 ]) te De Bilt als functie van de maand en de tijd van de dag. Bron: KNMI ( achtergrondinformatie/zonnestraling_in_nederland.pdf) 23. (20 punten) Een massa ijzer en staal. Staal is een legering van ijzer F e, chroom Cr, nikkel Ni en een gelimiteerde hoeveelheid koolstof C (tussen de 1 en 2 [gew.%]). Staal wordt geproduceerd uit ruwijzer, dat weer geproduceerd kan worden uit ijzererts of schroot. IJzererts bevat géén koolstof, terwijl schroot, zeker gietijzer, wel tot 7 [gew.%] koolstof kan bevatten. Daarnaast bevat staal gemiddeld zo n 10 [gew.%] legeringselementen (Cr en N i ongeveer in de verhouding 2:1). De productie vraag een groot aantal stappen 1 : Cokesbereiding: omzetten van ruwe steenkool tot cokes, die als reductiemiddel in de hoogoven kan worden ingezet Ruwijzerbereiding in hoogovens Mengertransport: vervoer van vloeibare ruwijzer van hoogovens naar staalfabriek, in mengers (torpedovormige vaten op treinstellen) Ontzwaveling Staalbereiding: meestal volgens het oxystaalproces, waarbij zuivere zuurstof onder hoge druk in een bad met vloeibaar ruwijzer wordt geblazen. De aanwezige koolstof wordt daarbij gebonden tot CO-gas, dat na reiniging en ontstoffing als brandstof voor elektriciteitscentrales kan dienen. Tot zover Wikipedia. 1 overgenomen uit Wikipedia ( accessed pag. 6 van 10

9 (vervolg inleiding vraag 23). Ter toelichting: in een hoogoven wordt alléén ijzererts verwerkt. In het oxystaal proces wordt het ruwe product van de hoogoven verwerkt. In het oxystaal proces kan ook schroot worden verwerkt. Tata Steel 2 rapporteert op haar website de volgende kentallen voor 2011: 6,9 miljoen ton kwaliteitsstaal uit 7,5 miljoen ton ijzererts in 4,5 miljoen ton kolen in 1,5 miljoen ton schroot in Een hoogoven produceert ook zgn. hoogovenslakken. Deze bevatten niet-ijzer en nietkoolstof componenten afkomstig van het gebruikte erts en van de gebruikte cokes (die is gemaakt uit steenkool). De website van Tata steel vermeldt 3 dat in 2011 er 2.3 miljoen ton hoogovenslakken werden geproduceerd; die werden afgezet aan cementproducenten en wegenbouwers. Waarschijnlijk om strategische redenen worden de hoeveelheden gebruikt chroom en nikkel niet vermeld. (a) Lees alle informatie én de onderstaande deelvragen. Teken een systeemdiagram van het productieproces van staal dat geschikt is voor het beantwoorden van de onderstaande deelvragen. Licht uw diagram kort toe!. (b) Stel de massabalans over Tata Steel Ijmuiden op. Laat in uw diagram gemaakt bij a) zien hoe de stromen ijzer F e en koolstof C lopen. Gebruik de systeembenadering! Geef ook een korte beschrijving in woorden! (c) Tata Steel is de grootste CO 2 -emittent van Nederland. Verwerk de informatie en bereken een onderbouwde schatting van de CO 2 -uitstoot van Tata Steel Ijmuiden in Leg kort uit! (d) Maak geschikte aannames en bereken een zo nauwkeurig als mogelijke schatting van het gewichtspercentage ijzer F e in het gebruikte ijzererts. Leg kort uit! (e) De gebruikte steenkool bevat zwavel. Staal mag absoluut geen zwavel bevatten. Een hoogovencomplex produceert daarom als co-product zwavelzuur, H 2 SO 4. Stel dat Tata Steel steenkool met 2 [gew.%] zwavel inkoopt, maak dan een onderbouwde schatting van de jaarlijkse zwavelzuurproductie in Ijmuiden. Leg kort uit! 24. (10 punten (bonus)) Centraal of Decentraal?. De Duitse Energiesector heeft samen met de Bondsregering een plan ontwikkeld hoe verder na het sluiten van de Duitse kerncentrales. Er wordt voorgesteld de komende jaren ruim 80 miljard te investeren in aardgascentrales, schone kolencentrales, windparken én in het elektriciteitsnetwerk. Critici stellen echter dat het tijdperk van grootschalige, centrale opwekking van elektriciteit verleden tijd is. De sluiting van de kerncentrales biedt een kans, om juist nu vol in te zetten op decentrale energievoorziening - zon-pv, kleine biomassacentrales en warmtekrachtcentrales. Geef kort uw analyse van en beargumenteerde visie op de toekomst van de Nederlandse elektriciteitsvoorziening in relatie tot wind, zon, aardgas én steenkool. Einde van de vragen 2 bedrijf-in-kentallen.html; accessed grafieken-en-tabellen.html; accessed pag. 7 van 10

10 Deze pagina is bewust blanco pag. 8 van 10

11 Energie [J]: Avogadro [moleculen/mol]: Straling: Heisenberg: Ideaal gas: Formuleblad E kin = 1 2 m v2 Q = C p m T W max = Q h (T h T c ) T h Q c = Q h W max = Q h Tc T h E = 2, Q1.Q 2 r N Avogadro = 6, S = k T 4 [W/m 2 ]) k = 5, [W/m 2 /K 4 ] λ piek = c T piek ν = c/λ[s 1 J] c = 3, [m/s] E = h ν[j] h = 6, [J s] x (m v) h 4π P V = n R T R = 8, 31451[J/(K mol)] 1[atm] = 101, 235[J] pag. 9 van 10

12 1 18 1A 8A 1 2 H He A 3A 4A 5A 6A 7A Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe (98) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn (209) (210) (222) Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Uun Uuu Uub (223) 226 (227) Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu (145) Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr (231) (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260) Figuur 2: Periodiek systeem der Elementen pag. 10 van 10