Tentamen TB142Ea 2 juli uur

Transcriptie

1 TB142Ea Tentamen 2 juli 2014 Tentamen TB142Ea 2 juli 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. Dit tentamen bevat 18 vragen, op 9 pagina s. Daaronder zijn 15 meerkeuzevragen (30 punten) en twee open vragen (40 punten). Het totaal aantal te behalen punten is 70. Pagina: Totaal: Punten: Score: Met de BONUSVRAAG kunt u 7 extra punten verdienen. Toelichting meerkeuzevragen bij elke deelvraag is slechts één antwoord juist. Aanvinken van meer dan één vakje per vraag wordt gerekend als een foute keuze

2 TB142Ea Tentamen 2 juli 2014 begin van de vragen 1. (2 punten) De volgende grootheden zijn toestandsgrootheden A. Enthalpie, warmte, druk, temperatuur B. Enthalpie, warmte, gasconstante, temperatuur C. Warmte, gasconstante, druk, temperatuur D. Enthalpie, volume, druk, temperatuur 2. (2 punten) Grafiet en diamant zijn beide een vorm van zuiver koolstof C. Gegeven de volgende reacties: C(grafiet) + O 2 CO 2 ; H reactie = 394 [kj] C(diamant) + O 2 CO 2 ; H reactie = 396 [kj] Dan is de reactie-enthalpie van de conversie van diamant naar grafiet A. 2 [kj] B. 0 [kj] C. -2 [kj] D. niet te bepalen, onvoldoende gegevens 3. (2 punten) de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica luidt A. Warmte kan niet voor 100% geconverteerd worden in kracht B. Kracht kan niet voor 100% geconverteerd worden in warmte C. Bij Energieconversie zijn Kracht en Warmte in evenwicht D. De entropie (wanorde) in het Universum is constant 4. (2 punten) Hieronder zijn een aantal bindingsenergieën [kj/mol] gegeven. O-H 467 C-H 413 O=O 495 H-H 432 C-O 358 C=O 745 Uitspraak (1): Met behulp van deze gegevens is een eerste schatting te berekenen voor de reactie-enthalpie voor de vorming van ethanol, H 3 C CH 2 OH uit CO 2 en H 2 O. Uitspraak (2): Met behulp van deze gegevens is een eerste schatting te berekenen van de verbrandingsenthalpie van methanol, CH3OH A. Uitspraak (1) is juist, uitspraak (2) is juist B. Uitspraak (1) is juist, uitspraak (2) is onjuist C. Uitspraak (1) is onjuist, uitspraak (2) is juist D. Uitspraak (1) is onjuist, uitspraak (2) is onjuist 5. (2 punten) Eenmaal in de atmosfeer dragen de volgende stoffen bij aan het (versterkt) broeikaseffect: A. methaan (CH 4 ), stikstof (N 2 ), CFK s en water B. lachgas (N 2 O), methaan, CFK s en water C. lachgas (N 2 O), methaan, CFK s en stikstof (N 2 ) D. lachgas (N 2 O), methaan, stikstof (N 2 ) en water.

3 6. (2 punten) Het GWP-100 van methaan is 25 (IPPC, 2007). Dat betekent met betrekking tot de broeikaswerking dat... A....de uitstoot van 1 kilo methaan overeenkomt met 25 kilo CO 2 B....de uitstoot van 1 mol methaan overeenkomt met 25 mol CO 2 C....de Radiative Forcing van 1 kilo methaan 25 keer zo groot is als van 1 kilo CO 2 D....de Radiative Forcing van 1 mol methaan 25 keer zo groot is als van 1 mol CO 2 7. (2 punten) Stortgas dat vrijkomt uit oude vuilstortplaatsen bestaat voor ongeveer 50 vol.% uit methaan, en 50 vol.% CO 2. De kleinste bijdrage aan het (versterkt) broeikaseffect ontstaat als: A. we het stortgas gewoon laten vrijkomen B. we het stortgas afvangen en benutten in een thermische centrale C. we het stortgas afvangen om het te kunnen affakkelen D. de bijdrage van stortgas is altijd hetzelfde omdat het broeikasgassen bevat 8. (2 punten) De volgende uitspraak is juist. Smog, een vorm van secundaire luchtverontreiniging ontstaat...: A.... altijd uit reacties die verlopen onder invloed van zonlicht (fotochemie) B.... door reactie van primaire luchtverontreiniging met andere stoffen in de atmosfeer C.... alleen in de zomer; in de winter is de temperatuur te laag D.... alleen als er op grote schaal steenkool wordt verstookt 9. (2 punten) De emissie van SO 2 uit bijvoorbeeld kolencentrales draagt bij aan: A. smog, aërosolvorming en zure regen B. smog, afbraak van de ozonlaag en zure regen C. smog, afbraak van de ozonlaag en aërosolvorming D. afbraak van de ozonlaag, aërosolvorming en zure regen 10. (2 punten) Aantasting van de ozonlaag is ernstig omdat... A. de ozonlaag een bron is van hydroxylradicalen, die zorgen dat de atmosfeer schoon blijft B. de ozonlaag het leven op aarde beschermt tegen schadelijke infrarood-straling van de zon C. de ozonlaag het leven op aarde beschermt tegen schadelijke UV-straling van de zon D. daardoor de ozonconcentratie van de lucht die wij inademen zal toenemen pag. 2 van 9

4 11. (2 punten) Het Ozon Depletion Potential (ODP) van een stof wordt uitgedrukt als de hoeveelheid afbraak van de ozonlaag die een kilogram van een stof veroorzaakt ten opzichte van een kilogram CFK-11, trichloor-fluormethaan. De ODP van stoffen varieert ondermeer door verschillen in... A. hoeveelheid - des te meer van de stof wordt uitgestoten, des te hoger de ODP B. stabiliteit - een stof moet voldoende stabiel zijn om de ozonlaag te kunnen bereiken C. het aandeel zuurstof in de stof - zuurstof is nodig om ozon af te breken D. het absorptiespectrum van de stof - des te meer UV-straling ze absorbeert, des te hoger het ODP 12. (2 punten) In onze zomer groeit het gat in de ozonlaag boven de Noordpool omdat... A.... daar het ijs-albedo effect momenteel in sterke mate optreedt B.... daar de opwarming van de aarde lijkt te versnellen, waardoor de aarde meer schadelijke straling uitzendt C.... er daar dan altijd teveel energierijke UV-straling is, waardoor de ozonlaag daar zomers geheel verdwijnt D....in de winter de afbraakcyclus van ozon daar maar voor de helft verloopt door gebrek aan zonlicht 13. (2 punten) Het versterkt broeikaseffect leidt niet alleen tot temperatuurstijging, maar ook tot een intensivering van de hydrologische kringloop. De belangrijkste oorzaak daarvan is... A.... dat de zeespiegel stijgt B.... dat gletschers en ijskappen kleiner worden C.... dat er grote hoeveelheden energie worden opgenomen door de oceanen D.... dat neerslagpatronen op aarde veranderen 14. (2 punten) In een kernreactor wordt kernsplijting van Uranium-235 beheerst uitgevoerd. De volgende uitspraak is juist. De functie van de moderator is... A.... het beheersen van de hoeveelheid snelle neutronen. B.... het vertragen van de juiste hoeveelheid neutronen. C.... zorgen dat de reactor kan worden stilgezet. D.... de kernsplijting op gang te brengen. 15. (2 punten) PWR s en BWR s zijn zogenaamde licht-water reactoren. De volgende uitspraak is juist: A. er circuleert alleen water door de reactoren bij normaal bedrijf B. de enige functie van het water is afvoer van de geproduceerde warmte C. als door storing het water uit de reactor loopt dreigt een kernexplosie D. als door storing het water uit de reactor loopt dreigt een meltdown pag. 3 van 9

5 steenkool biocoal eenheid Verbrandingswaarde (LHV) [GJ/ton] Organische verbindingen (C x H y O z ) [gew.%] De verhouding C:H:O 2:1:0 1:2:1 Watergehalte 0 20 [gew.%] Stikstofgehalte [gew.%] Zwavel gehalte [gew.%] Asrest [gew.%] Table 1: Eigenschappen steenkool en biomassa gebruikt in de Amercentrale OPEN VRAGEN 16. (25 punten) Amercentrale In Geertruidenberg staat één van de grootste elektriciteitscentrales van Nederland. Voorheen werd deze centrale hoofdzakelijk gestookt met steenkool, maar één van de eenheden is recent aangepast zodat biomassa kan worden bijgestookt tot 30% van de benodigde brandstofinput (GJ). Het gaat om zgn. biocoal een houtachtige biomassa die is getorreficeerd (verhit tot maximaal 300 C ) zodat deze houtskool eigenschappen krijgt die met steenkool te vergelijken zijn 1. De biocoal en steenkool uit de opslag worden gemengd met lucht en gevoed aan het fornuis. Onderin het fornuis worden de bodemassen afgevoerd. Met een stoomcyclus wordt elektriciteit gemaakt. De centrale is uitgerust met directe koeling (koelwater uit het Haringvliet) en een koeltoren. De voor biocoal aangepaste eenheid van de Amercentrale kan een netto vermogen aan het elektriciteitsnet leveren van 630 [MWe] bij een temperatuur van het water (de lucht) van 10 C. Koelwaterpompen, luchtcompressie, steenkoolmalers en biocoal/steenkooltransport en -menging vragen intern elektriciteitsgebruik. De centrale wordt vrijwel continu op thermische vollast bedreven. Het bruto rendement voor elektriciteitsproductie is 44%, het netto rendement 42% betrokken op de onderste verbrandingswaarde (LHV) van de gebruikte steenkool en biocoal. De hoogst bereikte temperatuur in de stoomcyclus van de centrale (120 bar) is 1100 C. (a) (1) Hoe luidt de 1 e Hoofdwet van de Thermodynamica? (b) (2) Geef een korte beschrijving van de stoomcyclus van de Amercentrale (c) (5) Teken een systeemdiagram van de verbouwde Amercentrale. Maak een zinvolle keuze t.a.v. weer te geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van onderstaande deelvragen (d) (6) Energie. Stel dat de inzet van biocoal in 2013 maximaal was, gelijk over het jaar verdeeld, en dat de warmte nodig voor torreficatie in de biocoalfabriek, 35 [MW], afkomstig is van het fornuis. i. Stel een energiebalans op voor de centrale ii. Bereken het intern elektriciteitsverbruik van de centrale bij vollast iii. Hoe groot is de inzet van biocoal in [MW]? (e) (4) De CO 2 afkomstig van biomassastook telt niet mee voor de CO 2 -emissiehandel. i. Bereken de dagelijkse inzet van steenkool en biocoal in de centrale [ton]. Als u deelvraag d (i) niet heeft kunnen berekenen, gebruik dan 100 [MW]. 1 historische_stap_richting_biomassacentrale.html accessed 19 juni 2013 pag. 4 van 9

6 ii. Bereken een schatting van de jaarlijks door de inzet van biocoal voor de emissiehandel vermeden CO 2 -uitstoot [ton]. (f) (4) De adiabatische vlamtemperatuur van biocoal is flink lager (minstens enkele honderden graden) dan die van steenkool. Gebruik de gegevens uit tabel 1 en leg kort uit met een systeemanalyse waarom dit zo is (U hoeft de berekeningen niet uit te voeren!)( We weten dat de C p s van CO 2 en waterdamp niet veel verschillen (allebei zeg ±1,1 [kj/kg/k]). (g) (3) Leg uit waarom, ondanks Carnot, dat het rendement van de centrale nagenoeg gelijk blijft als biocoal wordt bijgestookt. 17. (15 punten) Klimaatsysteem. In september 2013 is het Fifth Assessment Report van het IPCC gepubliceerd. Onderstaande figuur komt uit het Fourth Assessment (2007), en geeft een samenvatting voor beleidsmakers van de toen beschikbare wetenschappelijke kennis en inzichten. Figure 1: Radiative Forcing Uit de figuur blijkt dat het versterkt broeikaseffect heeft geleid tot een onbalans ( Radiative Forcing, RF) die is opgelopen tot ± 1.6 [W/m 2 ]. In het 5 th assessment is deze waarde nauwelijks bijgesteld. (a) (1,5) Waardoor is de toename van de CO 2 -concentratie in de atmosfeer ontstaan? (b) (2) Biomassa maakt deel uit van de snelle koolstofcyclus. Desondanks is het stoken van voor de energievoorziening geteelde biomassa niet volledig CO 2 -neutraal. Leg uit. pag. 5 van 9

7 (c) (6) Het broeikaseffect is op hoofdlijnen te begrijpen met een energiebalans voor het systeem aarde. i. Teken een correct systeemdiagram voor de beantwoording vand de volgende subvragen. ii. Gebruik uw systeemdiagram, benoem alle energiestromen en leg uit hoe de energiebalans van het systeem aarde in elkaar zit. iii. Leg uit hoe de long-lived greenhouse gases (zie figuur 1) de energiebalans beïnvloeden. Betrek daarbij ten minste de Wet van Stefann-Boltzmann en gebruik eventueel uw diagram. (d) (2,5) In figuur 1 is te zien dat halocarbons een relatief grote RF hebben, terwijl de uitstoot en concentratie van deze halocarbons (CFK s en HFK s) veel en veel kleiner is dan die van CO 2. Leg uit met behulp van het begrip atmospheric window. (e) (3) Een concentratie van 450 [ppm] CO 2 in de atmosfeer wordt gezien als de zogenaamde 2-graden grens. Volgens klimaatwetenschappers kan het klimaat op hol slaan als we hierboven komen, onder meer door destabiliserende koppelingen in het klimaatsysteem. Er zijn echter ook stabiliserende koppelingen die wellicht helpen de aarde af te koelen. Beschrijf ten minstens twee stabiliserende en twee destabiliserende koppelingen. Beargumenteer of het waarschijnlijk is dat ze (niet) optreden. 18. (7) Energievoorziening 21 ste eeuw. Naast klimaatverandering gerelateerd aan CO 2 uitstoot is security-of-supply een belangrijkste aanleiding om in te zetten op verduurzaming van de Nederlandse c.q. Europese energievoorziening. Analyseer kort hoe duurzaam de elektriciteitsvoorziening in Nederland momenteel is, hoe door aanpassing van de brandstofmix de security-of-supply van elektriciteit in de 21 ste eeuw vergroot kan worden; geef uw beargumenteerde visie op de mogelijkheden tot verduurzaming (kansen), de inzet van kernenergie, en mogelijke barriéres voor de transformatie van onze elektriciteitsvoorziening. Einde van de vragen pag. 6 van 9

8 Deze pagina is bewust blanco pag. 7 van 9

9 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. 8 van 9

10 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) Figure 2: Periodiek systeem der Elementen pag. 9 van 9