Systeemdenken: balansen - Leerdoelen

Transcriptie

1 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)

2 Wat is een systeem?

3 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

4 Wat is een systeem? Chemische Fabriek Inputs Chemische Fabriek Chemische Fabriek Outputs Outputs >> Inputs Chemische Fabriek Uitwisseling Chemische Fabriek Flow Info Categorie Chemische Fabriek Chemische Fabriek Systeem Element De chemische industrie Systeem Grens Dijkema, G.P.J. (2004), Process System Innovation by Design.

5 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) Inputs Chemische Fabriek Chemische Fabriek Chemische Fabriek Outputs >> Uitwisseling Inputs Chemische Fabriek Chemische Fabriek Outputs Flow Info Categorie Chemische Fabriek Chemische Fabriek Systeem Element systeemgrens? systeemelementen? verbindingen? inputs, outputs? De chemische industrie Systeem Grens Dijkema, G.P.J. (2004), Process System Innovation by Design.

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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.

12 Waarom systeemdenken (2)? Systeemdecompositie: systemen bestaan uit subsystemen subsystemen bestaan uit subsubsystemen 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?

13 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).

14 Voorbeeld: de Aarde als systeem Aarde open systeem voor energie gesloten systeem voor materie Aarde als milieusysteem open zwakke integratie zeer complex

15 de Aarde als systeem: veel gebruikte systeemdecompositie Aarde open systeem voor energie gesloten systeem voor materie Aarde als milieusysteem open zwakke integratie zeer complex

16 Systeemdenken: industrie en milieu Milieu als bron en put

17 Systeemdenken: industrie en milieu Milieu als bron en put Society als systeem decompositie t.b.v. analyse

18 Import Import Systeemdecompositie Nederlandse Economie Food Textile Winning Cokes factories Paper Refineries Fertilizer Oth. chemical Power plants Building material Basic metal Oth. metal Oth. industry Transport Homes The Netherlands Winningsbedrijven Energie-bedrijven Eindgebruikers Export Export

19 Black-box systeem-model Black-box model: Feed Fuel T Feed preparation Reaction Separation Purification Product Purge elk systeem wordt gekarakteriseerd door zijn inputs en outputs. Recycle Flow Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

20 Process systems engineering: Open the Black-box Black-box openen: Feed Fuel T Feed preparation Reaction Separation Purification Product Purge elk systeem wordt gekarakteriseerd door zijn inputs en outputs. we zien wat er in het systeem zit Recycle Flow Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

21 Algemene systeemstructuur/decompositie van een fabriek in de procesindustrie: Een assemblage van unit operations Feed T Product Fuel Feed preparation Reaction Separation Purification Purge Recycle Flow Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

22 Een assemblage van unit operations Unit operations: Feed Fuel T Feed preparation Reaction Separation Purification Product Purge...Basis concept van (chemical) process systems engineering...voor modellering en ontwerp Recycle Flow Aan dit systeemmodel zijn een aantal methoden voor het (vroeg) schatten van investeringskosten opgehangen. Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

23 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 pu treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht

24 Systeemdenken Voorafgaand aan gebruik milieu als pu treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht Voorbeelden?

25 Systeemdenken Voorafgaand aan gebruik milieu als pu 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

26 Afvalverwerking - systeem Hoe ziet het systeem voor huishoudelijk afvalverwijdering er uit in Nederland? Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting? Schatting van bovenstaande?

27 Afvalverwerking - systeem Hoe ziet het systeem voor huishoudelijk afvalverwerking er uit in Nederland? Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting? Schatting van bovenstaande?

28 Afvalverwerking - systeem AFVAL Inzameling Transport Verwerking Restprodukt

29 De verwerking van afval Systeemkeuze voor analyse en ontwerp opties: AFVAL Inzameling opties: Transport opties: Verwerking Restprodukt

30 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 AFVAL Inzameling Transport Verwerking Restprodukt

31 Huishoudelijk Afval in Nederland, gegevens_2007.asp 1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]

32 Ontwikkeling huishoudelijk afval bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

33 De verwerking van huishoudelijk afval in Nederland - massabalans bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

34 De verbranding van huisvuil

35 De grootschalige verbranding van huisvuil (grijze container), Afvalverwerking Zuid-Nederland, AZN AZN Moerdijk verwerkt ton afval per jaar Daarbij ontstaan ton bodemas ton metalen ton vliegas ton gips ton stoom De operatie is (volgens AZN (folder): schoon en erg milieu-vriendelijk Is dat werkelijk zo? Welke informatie ontbreekt aan dit overzicht (uit PR-folder)?

36 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?

37 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

38 De verbranding van huisvuil 1. systeemdiagram opstellen op basis van kennis & informatie over dit systeem bijvoorbeeld Ullmann s Encyclopedia of technology (via wikipedia, boeken, wetenschappelijke & technische literatuur, bedrijfsinformatie etc. keuze systeemgrens, systeemelementen, inventarisatie van stromen 2. inputs & outputs uitrekenen 3. kosten en opbrengsten in beeld brengen

39 Systeemdiagram Verbranding met energieterugwinning Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r

40 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 Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r

41 De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk? AZN Moerdijk verwerkt ton afval per jaar Daarbij ontstaan ton vliegas ton bodemas ton gips ton metalen ton stoom Rookgas (CO 2 )

42 Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r Control Volume t.b.v. vragen

43 Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop Warmtewisselaar (energieafnemer) Kringproces Stoomketel (energiewinning) Aanvoer/Loshal (bunkering) Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Opslag (open lucht) A f v o e r Control Volume t.b.v. vragen

44 Stap 2: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Stoomketel (energiewinning) Warmtewisselaar (energieafnemer) Netto circulatie ton rookgas??? ton Aanvoer/Loshal (bunkering) ton Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Verbrandings- Lucht??ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) vliegas ton gips etc ton Control Volume metalen ton bodemas ton

45 De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk? AZN Moerdijk verwerkt ton afval per jaar Daarbij ontstaan ton vliegas ton bodemas ton gips ton metalen ton stoom Rookgas (CO 2 ) (1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de schoorsteen wordt uitgestoten? (2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheid CO 2, dioxines, NO x, roet etc.) (3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard

46 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

47 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

48 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

49 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!

50 Berekenen ontbrekende gegevens met massabalans: (1) Inputs: lucht: stel X ton afval: ton totaal: X (2) Outputs rookgas: stel Y ton vliegas: ton bodemas: ton metalen: ton gips etc.: ton totaal: Y

51 Berekenen resultaat met balans: (3) Massabalans: stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0 som(inputs) - som(outputs) = 0 (4) Resultaat X Y = 0 hoeveelheid rookgas = Y = X

52 Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht benodigde informatie: verbrandings-reactie(s) samenstelling huisvuil samenstelling lucht massa / mol balansen

53 Neem aan dat we dit proces voltooien: (1) Kies systeemgrens & control volume; (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 aanname(s) (5) Stel (voorlopig) onbekendes op X

54 Vervolg systeemanalyse Systeem is gekarakteriseerd, informatie verzameld, verantwoorde schatting van ontbrekende gegevens gemaakt Kunne we nu iets zeggen of de AZN afvalverbrander schoon en milieuvriendelijk is Hebben we aanknopingspunten om te bepalen wat de kosten van de verwerking van een ton huisvuil is?