Uitwerking Tentamen spm april uur

Transcriptie

1 spm1520 Tentamen 17 april 2013 Uitwerking Tentamen spm april uur Aanwijzingen: U mocht gebruik maken van: schrijfmateriaal rekenmachine formuleblad en periodiek systeem (afgedrukt achteraan dit tentamen). Ommezijde is antwoordvel meerkeuzevragen. De uitwerking van dit tentamen beslaat 24 vragen, op 17 pagina s. Daaronder zijn 21 meerkeuzevragen (40punten) en twee open vragen (50punten). Het totaal aantal te behalen punten was 100. U startte 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 17

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? Het thermische vermogen is 1600 [MW]. Dat vertaalt zich in 1600[MJ/s] 3600[s/uur]/28[MJ/kg] = [kg/uur] steenkool 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: Dit is het gemakkelijkst te zien door de verhoudingsformule te bepalen, resp. C3H6O, C3H6O2 en C3H8O. Telkens 36 [g/mol] voor C, totaal resp. 58, 74 en 60 [g/mol], dus C-percentage resp. 62, 48,6 en 60 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 17

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 17

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. De stoomcyclus in een thermische centrale werkt als volgt. Met een pomp wordt water op hoge druk gebracht. Door toevoer van warmte (van een warmtebron) wordt stoom gemaakt. Deze hogedruk stoom wordt geëxpandeerd in een turbine, waarbij arbeid geleverd wordt via de as van de turbine (deze drijft meestal een generator aan). De in de turbine (deels gecondenseerde), geëxpandeerde en afgekoelde stoom wordt verder afgekoeld en volledig gecondenseerd door middel van koeling. Via het koelmedium wordt zo restwarmte afgegeven aan de omgeving. Als alle stoom is gecondenseerd tot water en is afgekoeld (m.b.v. koelwater) begint de cyclus opnieuw. (b) Naast CO 2 zijn er nog minstens 3 andere typen luchtverontreiniging waartegen in een kolencentrale maatregelen moeten worden genomen. Welke zijn dit? Dat is uitstoot van roet en fijn stof, uitstoot van SO 2 en uitstoot van NO x. Daarnaast stoot een kolencentrale koolmonoxide, CO, en vluchtige metaalverbindingen uit. (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. roet en fijn stof: grote elektrostatische en doekenfilters om vliegas en roet af te vangen, als onderdeel van de rookgasreiniging. SO 2 : Een voorzorgsmaatregel is om als voeding kolen met beperkt zwavelgehalte te gebruiken. Deze zijn over het algemeen duurder. Daarnaast in de rookgasreiniging ontzwaveling. In een kolencentrale gebeurt dit door het leiden van het rookgas door een kalkoplossing, waarbij rookgasontzwavelingsgips ontstaat. NO x : NO x in het rookgas van een kolencentrale is vooral thermische NO x die ontstaat tijdens verbranding met lucht. Low-NO x branders en vuurhaardcondities kunnen geoptimaliseerd worden ter beperking van thermische NO x. pag. 5 van 17

8 In de rookgasreiniging kan selectieve katalytische reductie met ammoniak worden toegepast. CO De hoeveelheid CO in het rookgas kan worden geminimaliseerd door de juiste stookcondities te kiezen: goede temperatuur, verblijftijd in het fornuis, en bovenal een flinke overmaat zuurstof. Zie ook dictaat (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]. Aanname: het systeem werkt continu, er is geen accumulatie. Er wordt volgens de informatie continu 50 % van [MW] elektriciteit uit steenkool opgewekt. Het rendement is 42%, dus de input is 6000 [MW] / 0,42 steenkool Dat staat gelijk aan 6000 [MW] / 0,42 steenkool / 28 [MJ/kg] De hoeveelheid steenkool input nodig is dus 6000 [MJ/s] = 510 [kg/s] 0, [MJ/kg] Een dag heeft 3600*24 = seconden. De hoeveelheid steenkool per dag is dus 44 miljoen kilo of ton steenkool per dag (f) Hoe groot is het continu afgegeven vermogen aan restwarmte aan de omgeving van de Nederlands kolencentrales in [MW]? Er wordt volgens de informate in continue 6000 [MW] elektriciteit uit steenkool opgewekt Het rendement is 42%; volgens de Eerste Hoofdwet (energiebalans) wordt dan een hoeveeheid restwarmte afgegeven aan de omgeving gelijk aan 6000 * (1-0,42) /0,42 = 8286 [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 totale hoeveelheid restwarmte is 8286 [MW]. Als we aannemen dat de kolencentrales 10% van deze hoeveelheid verliezen via rookgas, dan is het weg te koelen vermogen 0, = 7457 [MW] de te gebruiken formule is Q = C p m T pag. 6 van 17

9 Als we aannemen dat deze centrales allemaal koelwater gebruiken, dat ze 3 C opwarmen, dan is T gelijk aan 3 [K]. Dan geeft 1 kubieke meter koelwater per seconde een koelvermogen van 1 [m 3 /s] 4, 2 [kj/kg/k] 1000 [kg/m 3 ] 3 [K] = [kj/m 3 /s] = 12.6 [MW/(m 3 /s)] Er is dus nodig 7457 [MW] 12.6 [MW/(m 3 /s)] = 592 [m3 /s] Gevraagd is het dagelijkse koelwaterdebiet. Een dag heeft seconden, dus de hoeveelheid koelwater per dag is = 51 miljoen kubieke meter per dag. De zonne-instraling in Nederland staat in figuur 2 (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 [MW] / 15% = 20 [GW] zon nodig. De vraag gaat over de periode juni tot en met augustus, van 12 tot 2 uur. De grafiek in figuur 2 geeft in dat gedeelte een inval van minimaal 400 [W/m 2 ]. Dat minimum (en niet een gemiddelde zonneinstraling!) is belangrijk omdat de piek in zijn geheel moet worden opgevangen; over de volle 2 uur moet minstens 3000 [MW] worden geleverd. Daarmee gaat het dus om [W ] 400[W m 2] = [m 2 ] = 50[km 2 ] 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. Dat is een waterkrachtcentrale met zowel onder als bovenaan de dam een reservoir, en turbines die omgeschakeld kunnen worden naar pompen. Als er energie, beschikbaar als elektriciteit, dient te worden opgeslagen, wordt water uit het laag gelegen reservoir naar het hoog gelegen reservoir gepompt. Zo krijgt het water potentiële energie. Als er stroom dient te worden geleverd, dan wordt water uit het hooggelegen reservoir (meestal achter een stuwdam) via de turbines van hoog naar laag geleid. (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 2 en zet een eenvoudig systeemdiagram en energiebalans op om te pag. 7 van 17

10 bepalen hoe groot het vermogen van respectievelijk zon-pv, pumped- en hydro dienen te zijn. Het schema staat in de figuur hieronder. Toelichting (niet gevraagd op tentamen): uit het systeemdiagram is eenvoudig op te maken dat als de zon globaal 8u per dag schijnt, en dat tegelijk met het optreden van de dagelijkse piek in elektriciteitsvraag, dat dan het zon-pv systeem moet voorzien in de totale piek (gedurende 8u), de helft van de basislast (gedurende 24u). Dat betekent dat in de 8 uur dat de zon schijnt, zowel de pieklast, de helft van de basislast als 2x de helft van de basislast moet worden geleverd om de pumped hydro vol te laten pompen en de overige 16u van de dag de helft van de basislast te kunnen leveren. Als de pieklast 3000 [MW] is, de basislast 6000 [MW] dan blijkt uit dit schema (systeemanalyse!) dus dat we 3000 (piek) + (basis:) x3000 = [MW] Zon-PV nodig hebben voor pieklast plus helft basislast, 24 uur per dag, 7 dagen per week. Figuur 1: Systeemdiagram zoals gevraagd in vraag 23-j. pag. 8 van 17

11 Figuur 2: 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. 9 van 17

12 (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! We passen de systeembenadering toe: we kiezen een systeemgrens en systeemelementen en we inventariseren alle stromen: voor ijzer is dat ijzererts en schroot in, kwaliteitsstaal en hoogovenslakken uit (voor de slakken is gegeven dat ze nietijzer enz. bevatten; de tekst impliceert niet dat hoogovenslakken geen ijzer zouden bevatten. We kunnen deze later wel op nul stellen en verwaarlozen). Voor koolstof kijken we naar koolstof bevattende stromen. Dat zijn kolen, schroot en kwaliteitsstaal. Het is niet gegeven, maar naar de aard van het hoogovenproces bevatten de slakken géén koolstof. In de hoogoven wordt de koolstof omgezet tot CO dat het staal reduceert, waarbij CO 2 ontstaat. Alle CO die niet reageert wordt later alsnog als hoogovengas verbrand. Er is dus een CO 2 stroom die het complex verlaat, en de systeemgrens dient zo gekozen te zijn dat ze de e-centrale omvat. 7,5 miljoen ton ijzererts in; dat is x 1 7, 5 miljoen ton F e; 1,5 miljoen ton schroot in; dat is x 2 1, 5 miljoen ton F e; en c 2 1, 5 miljoen ton C 4,5 miljoen ton kolen in; dat is c 1 7, 5 miljoen ton C 6,9 miljoen ton kwaliteitsstaal uit y 1 6, 9 miljoen ton F e; c 3 6, 9 miljoen ton C 2 bedrijf-in-kentallen.html; accessed grafieken-en-tabellen.html; accessed pag. 10 van 17

13 Figuur 3: Systeemdiagram t.b.v. opstellen massabalans Tata Steel Ijmuiden 2,3 miljoen ton hoogovenslakken uit y 2 2, 3 miljoen ton F e Y miljoen ton CO 2 uit; dat is K = 12 Y miljoen ton C 44 De massabalans voor IJzer, F e is dus: x 1 7, 5 + x 2 1, 5 = y 1 6, 9 + y 2 2, 3 De massabalans voor koolstof, C is dus: c 2 1, 5 + c 1 7, 5 = c 3 6, 9 + K x, y en c zijn gewichtsfracties (0..1). Alle getallen zijn in miljoen ton, per jaar. pag. 11 van 17

14 (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! We hebben de informatie al verwerkt in het systeemdiagram en voor het opstellen van de massabalans in deelvraag a. en b. Uit de massabalans voor koolstof C zien we dat één vergelijking tot onze beschikking hebben met één onbekende, K, als we y 2, c 1, c 2 en c 3 kennen. De deelvraag komt er dus op neer een onderbouwde aanname voor deze percentages te maken, en vervolgens de massabalans te gebruiken om de schatting voor de hoeveelheid CO 2 te berekenen. In de omschrijving is gegeven dat kwaliteitsstaal tussen 1 en 2 gew.% C bevat. Daarmee kunnen we c 2 en c 3 bijvoorbeeld op 2 [gew.%] stellen. Van steenkool weten we dat het voor het grootste deel uit koolwaterstoffen bestaat met een heel hoog koolstofgehalte; daarnaast bevat steenkool niet-koolwaterstoffen, zoals zwavel, metalen enz. Een gemiddelde kwaliteit steenkool levert bij verbranding zo n 10 [gew.%] as. Daarmee kunnen we c 1 dus bijvoorbeeld op 0,9 stellen. Invullen van de massabalans levert dan: 0, 02 1, 5 + 0, 9 7, 5 = 0, 02 6, 9 + K Daaruit volgt dat: K = 0, 02 1, 5 + 0, 9 7, 5 0, 02 6, 9 K = 0, 9 7, 5 0, 02 (6, 9 1, 5) Oftewel: de hoeveelheid koolstof als CO 2 -uitstoot is de hoeveelheid koolstof in de steenkool, verminderd met de koolstof in het geproduceerde staal, vermeerderd met de koolstof in het gebruikte schroot. De laatste gecombineerde term is bij de aanname van gelijk percentage van koolstof in schroot en kwaliteitsstaal van 2 [gew.%] gelijk aan 0,1 miljoen ton. Als we aannemen dat schroot 6, 9 = 4.6 maal 1, 5 zoveel koolstof bevat als kwaliteitsstaal (dat kan gegeven de informatie), dan is de tweede gecombineerde term gelijk aan 0. Een onderbouwde schatting voor de hoeveelheid koolstof in CO 2 kan dus verkregen worden door het gewichtspercentage C in steenkool te gebruiken. Bij 0.9 dan bevat de steenkool 6.7 miljoen ton C. Dat staat gelijk aan 24.6 miljoen ton CO 2. (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! We hebben de informatie al verwerkt in het systeemdiagram en voor het opstellen van de massabalans in deelvraag a. en b. Uit de massabalans voor ijzer F e zien we dat één vergelijking tot onze beschikking hebben met het gevraagde percentage x 1. Om deze te kunnen schatten dienen we de een onderbouwde aanname cq. schatting te maken van x 2, y 1 en y 2. De deelvraag komt er dus op neer een onderbouwde aanname voor deze percentages te maken, en vervolgens de massabalans te gebruiken om de schatting voor het gevraagde percentage F e in het erts te berekenen. In de omschrijving is gegeven dat kwaliteitsstaal tussen 1 en 2 gew.% C bevat en tot 10 [gew.%] legeringselementen. Daarmee kunnen we y 1 dus bijvoorbeeld op pag. 12 van 17

15 90 [gew.%] stellen. Van schroot is niets gegeven anders dan dat het koolstofgehalte van gietijzer tot 7 [gew.%] kan oplopen. Daarnaast zal staalschroot ook legeringselementen bevatten. Een veilige aanname lijkt 5 [gew.%] niet-f e, waarme x 2 = 0, 95. Van het ijzergehalte van de hoogovenslakken is niets gegeven. Daarmee kunnen we als aanname y 2 dus op 0 stellen. Invullen van de massabalans levert dan: x 1 7, 5 + 0, 95 1, 5 = 0, 9 6, Daaruit volgt dat: x 1 7, 5 = 0, 9 6, 9 0, 95 1, 5 x 1 = (0, 9 6, 9 0, 95 1, 5)/7, 5 Oftewel: de fractie ijzer in het erts vinden we door de (geschatte) hoeveelheid F e in kwaliteitsstaal verminderd met de geschatte hoeveelheid F e in schroot te delen door de hoeveelheid gebruikt erts. x 1 = 4.8/7.5 = 64% We weten dat ijzererts F e 2 O 3 bevat. Het molgewicht van F e is 56, dat van zuurstof Het gewichtspercentage F e in F e 2 O 3 is dus = 112 = 0.7 oftewel %. Onze schatting is dus een mogelijke waarde, en laat zien dat het gebruikte erts vrij zuiver ijzererts is. (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! Er is gegeven hoeveel steenkool er wordt gebruikt. Als we aannemen dat het rendement van de zwavelverwijdering zo goed als 100 % is, en dat alle afgevangen zwavel wordt omgezet in zwavelzuur, dan wordt de hoeveelheid zwavelzuur Z gegeven door: Z = s S Mz M s Waarin s de gewichtsfractie zwavel in steenkool, S de hoeveelheid steenkool, M z het molgewicht van zwavelzuur en M s het molgewicht van zwavel. Invullen geeft: ( ) [g/mol] Z = 0, 02 4, 5[MTA] 32 [g/mol] Z = 0, 02 4, 5[MTA] Z = 0, 02 4, 5[MTA] 4 Z = 0, 36[MTA] Dat is gelijk aan ton zuiver zwavelzuur per jaar. 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, pag. 13 van 17

16 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. Voor de bonusvraag is bewust géén oplossing opgenomen. Einde van de vragen pag. 14 van 17

17 Deze pagina is bewust blanco pag. 15 van 17

18 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. 16 van 17

19 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 4: Periodiek systeem der Elementen pag. 17 van 17