Tentamen spm April uur

Transcriptie

1 spm1520 Tentamen 20 April 2012 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. Antwoordvel meerkeuzevragen aan ommezijde. LEVER DIT VEL IN. Dit tentamen bevat 23 vragen, op 9 pagina s. Daaronder zijn 20 meerkeuzevragen (45 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 gescoord als een foute keuze Als u het antwoord niet weet en D blanco kiest, volgt géén puntenaftrek!

2 spm1520 Antwoordvel meerkeuzevragen tentamen spm April 2012 Naam: Studienummer: Vraagstuk A B C D punten score Totaal 45

3 spm1520 Tentamen 20 April 2012 MEERKEUZEVRAGEN 1. (1 punt) Het Wereldgebruik aan aardolie is de afgelopen jaren ongeveer A. 86 miljoen TOE B. 86 miljoen vaten per dag C. 86 miljard vaten per jaar De nog beschikbare wereldvoorraad aardgas was zowel op 1 januari 2009 als op 1 januari 2010 gelijk aan 187 triljoen [Nm 3 ]. Echter, de R/P -ratio is in het jaar 2009 gedaald van 63 op 1 januari 2009 naar 53 op 1 januari 2010 (bron: BP Statistical Review 2011). 2. (3 punten) Dit is te verklaren als in het jaar 2009: A. zowel de voorraadschatting aardgas als de hoeveelheid geproduceerd aardgas per jaar zijn verlaagd B. zowel de voorraadschatting aardgas als de hoeveelheid geproduceerd aardgas per jaar zijn verhoogd C. de voorraadschatting aardgas is verhoogd, terwijl de hoeveelheid geproduceerd aardgas per jaar is verlaagd 3. (2 punten) Een R/P -ratio voor aardgas op 1 januari 2010 van 53 betekent A. dat de op 1 januari 2010 verwachte jaarproductie voor 2010 ongeveer 3.5 triljoen [Nm 3 ] was B. dat de werkelijke jaarproductie in 2009 ongeveer 3.5 triljoen [Nm 3 ] was C. zowel a) als b) zijn onjuist 4. (1 punt) In Nederland wordt voor elektriciteitsopwekking NIET als brandstof gebruikt: A. biomassa en ruwe aardolie B. biomassa en huishoudelijke afval C. bruinkool en ruwe aardolie 5. (2 punten) Een complete decompositie van de infrastructuur voor elektriciteit heeft als systeemelementen A. thermische centrales, warmte-kracht centrales en windparken B. (warmte-kracht)centrales, hoogspanningsnet en schakelstations C. elektriciteitsproductie-eenheden, transportnet, schakelstations, distributienetten

4 6. (2 punten) Wereldwijd worden drie typen waterkrachtcentrales toegepast hydroelectric dam, pumped-storage en run-of-river. De volgende uitspraak is JUIST ten aanzien van technische realisatie van een waterkrachtcentrale in Nederland: A. Elk van deze typen kan niet technisch gerealiseerd worden in Nederland B. Voor een zuiver run-of-river systeem zijn de condities in Nederland gunstig C. Onder meer door de aanleg van een 12 m hoge dijk rond het IJsselmeer zou een pumped-storage systeem in Nederland technisch te realiseren zijn 7. (2 punten) In berekeningen voor warmteoverdracht wordt gebruik gemaakt van het Prandtl getal. Dit is een dimensieloos getal, dat gegeven wordt door P r = C p µ. Hierin is κ J kg C p de warmtecapaciteit in [ kg K ], en µ de dynamische viscositeit in [Pa s]. 1 [Pa] = 1 [ ]. m s 2 De dimensie van κ is dus A. [ W m 2 ] B. [ W m K ] C. [ W m s ] 8. (2 punten) In een mengsel van 50 gew.% water (H 2 O) en 50% alcohol (H 3 C CH 2 OH) A. is het mol% alcohol kleiner dan het mol% water B. is het mol% alcohol gelijk aan het mol% water C. is het mol% alcohol groter dan het mol% water 9. (3 punten) De LHV van methaan, CH 4, is 50 [MJ/kg], die van methanol, CH 3 OH, is 20 [MJ/kg]. We bepalen de CO 2 uitstoot [kg] bij verbranding per [MJ] vrijkomende warmte. Voor de CO 2 -uitstoot ([MJ/kg brandstof] voor methanol t.o.v. methaan geldt: A. deze is 2,5 maal zo groot B. deze is 1,25 maal zo groot C. deze is 0,8 maal zo groot 10. (3 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 enthalpieverandering H reactie van de conversie van grafiet naar diamant A. 0 [kj] B. 2 [kj] C. 2[kJ] pag. 2 van 9

5 11. (2 punten) de verbranding van grafiet en de conversie van grafiet naar diamant zijn respectievelijk: A. exotherm en endotherm B. exotherm en exotherm C. endotherm en exotherm 12. (3 punten) Het gewichtspercentage koolstof, waterstof en zuurstof in alcohol, ethanol CH 3 CH 2 OH is: A. 60 gew.% koolstof, 11 gew.%, waterstof en 29 gew.% zuurstof B. 56 gew.% koolstof, 12 gew.%, waterstof en 32 gew.% zuurstof C. 52 gew.% koolstof, 13 gew.%, waterstof en 35 gew.% zuurstof 13. (1 punt) De volgende uitspraak over de vormingsenthalpie H 0 is juist: A. de H 0 van zowel CO 2 als H 2 O is gelijk aan 0 B. de H 0 van elk zuiver element is gelijk aan 0 C. de H 0 van alléén edelgassen is gelijk aan (3 punten) Stel dat de vormingsenthalpie H 0 (in [kj/mol]), van stof A = 10, stof B = 20 en stof C = 30. Dan geldt voor de reactie A B + C dat de reactieenthalpie H r (in [kj/mol]) gelijk is aan A. 10 B. 0 C (2 punten) De volgende grootheden zijn toestandsgrootheden: A. warmte, enthalpie en druk B. enthalpie, temperatuur en arbeid C. druk, temperatuur en enthalpie 16. (2 punten) De volgende energietransformatie treedt NIET op in een steenkoolcentrale A. Potentiële energie chemische bindingen warmte B. Arbeid kinetische energie C. Warmte T laag warmte T hoog 17. (2 punten) de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica luidt A. Warmte kan niet voor 100% geconverteerd worden in kracht B. De energie van het universum is constant C. Energie kan noch worden gecreëerd, noch worden vernietigd pag. 3 van 9

6 Figuur 1: Representatie van Linolzuur (bron:wikipedia) 18. (3 punten) Een bekend meervoudigd onverzadigd vetzuur is linolzuur. Eén molecuul linolzuur bevat 18 koolstofatomen (zie ook figuur 1). De structuurformule van linolzuur is CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH. Eén kilogram linolzuur bevat A. ongeveer 2,5 mol linolzuur B. ongeveer 3,5 mol linolzuur C. ongeveer 4,5 mol linolzuur 19. (3 punten) Linolzuur zit ook in afgewerkt frituurvet dat tegenwoordig wordt verbrand met energieterugwinning. Met behulp van de gegevens in vraag 18 is de verbrandingsreactie voor linolzuur uit te schrijven. Bij volledige verbranding van linolzuur is voor 1 mol linolzuur nodig A. 18 mol zuurstof (O 2 ) B. 20 mol zuurstof (O 2 ) C. 21 mol zuurstof (O 2 ) 20. (3 punten) Ruw biogas bestaat gemiddeld uit 50 vol.% CH 4 en 50 vol.% CO 2. De LHV van CH 4 is 55 [MJ/kg]. Daaruit volgt dat de LHV van ruw biogas [MJ/kg] gegeven wordt door 44 A. ( ) B. ( ) C. ( ) 55 pag. 4 van 9

7 21. (15 punten) Biobrandstof Open vragen Regels uit Brussel schrijven voor dat benzine vanaf 2005 voor 2% uit biobrandstof moet bestaan, vanaf 2010 is dat 6%. In benzine kan bio-ethanol worden bijgemengd. Alle moderne benzine-auto s zijn geschikt om op benzine/ethanol mengsels van genoemde samenstellingen te rijden. Het omzettingsrendement van de motor blijft daarbij gelijk. In Nederland rijden +/- 4 miljoen benzine-auto s die gemiddeld [km/jaar] rijden. In Nederland zijn de laatste jaren een aantal bio-ethanolfabrieken gebouwd om aan de verwachte vraag te kunnen voldoen. Zoals bekend kunnen in water opgeloste suikers en zetmeel met behulp van micro-organismen gefermenteerd worden tot alcoholhoudende dranken zoals wijn en bier. De micro-organismen die de fermentatie uitvoeren sterven echter af als het alcohol-percentage groter dan 15% wordt. Een bio-ethanol fabriek bevat daarom altijd een grote zuiveringsinstallatie om uit het ruwe fermentatie product met 15% alcohol (bio-ethanol) zo goed als zuivere bio-ethanol te maken. Druivesuiker en zetmeel, beide met de verhoudings formule C 6 H 12 O 6, reageren tijdens de fermentatie tot slechts (bio)-ethanol, H 3 C CH 2 OH, en CO 2. In Nederland wordt veelal melasse als grondstof voor bio-ethanol gebruikt. Melasse bestaat voor 50% uit druivesuiker/zetmeel, voor 50% uit water. (a) Onderbouw en bereken een eerste-orde schatting van de hoeveelheid bio-ethanol die voor de Nederlandse benzinemarkt moet worden geproduceerd vanaf 2010 volgens de Brusselse regels. (b) Schrijf de (kloppende) reactievergelijking uit voor de fermentatie van druivesuiker/zetmeel. (c) Teken een systeemdiagram voor een bio-ethanolfabriek die ton industriële bioethanol per jaar produceert uit melasse bruikbaar voor beantwoording van de volgende twee deelvragen (d) Stel dat de melasse per binnenvaart tankers met een laadvermogen van 1500 ton wordt aangevoerd. Bereken en onderbouw uw schatting hoeveel tankers er dan jaarlijks nodig zijn. (e) Bereken en onderbouw uw schatting (i) hoeveel water jaarlijks aan de fermentatie wordt toegevoegd; en (ii) hoeveel water in de zuivering weer wordt verwijderd. pag. 5 van 9

8 22. (30 punten) Concentrating Solar Power Wereldwijd is Spanje koploper in de ontwikkeling van van Concentrating Solar Power (CSP) installaties. Hieronder staat een principeschema van de huidige generatie CSP elektriciteitscentrales die draaien op zonlicht. In een CSP wordt zonlicht geconcentreerd en omgezet in warmte, die in een Rankine-cyclus wordt omgezet in elektriciteit. Opslag van warmte maakt het mogelijk stroom te produceren tot enkele uren na zonsondergang. Het Powerblock in het bovenste schema is een eenvoudige Rankine cyclus, zoals die ook gebruikt wordt in een steenkoolcentrale. Op dit moment is een installatie in aanbouw die 50 MW elektrisch vermogen aan het net zal gaan leveren overdag én tot vier uur na zonsondergang. De zonne-instraling ter plaatse is zo n 2000 [kwh/(m 2 *jaar)]. Het overall rendement van de installatie (instraling zonneenergie per [m 2 ] elektriciteit) wordt 20%. Het gebruikte collectorsysteem zal 80% van de zonnestraling invangen voor gebruik in de installatie. De werktemperatuur van het warmtemedium wordt 600 C. De warmteopslag ( Thermal Storage ) maakt gebruik van gesmolten zout met een warmtecapaciteit C p van 1560 [J/(kg*K)]. Om te zorgen dat het zout gesmolten (vloeibaar) blijft, is in de opslag/afgifte cyclus de laagste temperatuur 160 C, de hooogste temperatuur 540 C. Figuur 2: Concentrated Solar Power (bron:iea) (a) Concentrating Solar Power (CSP) i. In een CSP kunnen verschillende typen collectorsystemen (in het diagram Solar Field genoemd) worden gebruikt. Noem er ten minste twee en beschrijf ze kort. ii. Geef een correcte formulering van de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica iii. Beschrijf de Rankine Cyclus kort en licht kort toe (b) Maak een systeemdiagram voor de beschreven Spaanse CSP-installatie. Lees eerst de onderstaande deelvragen om een zinvolle keuze te kunnen maken t.a.v. weer te geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van onderstaande deelvragen (c) Inputs en outputs van de centrale i. Stel een energiebalans op voor de centrale t.b.v. beantwoording onderstaande deelvragen pag. 6 van 9

9 ii. Bereken onder gebruikmaking van de gegeven informatie en de voorgaande deelantwoorden een schatting van het benodiged oppervlak voor het collectorsysteem ( Solar Field ) van de centrale. iii. Bereken een schatting van de hoeveelheid weggekoelde restwarmte (d) Het rendement van de centrale i. Leg uit waarom het rendement (zon elektriciteit) van de CSP slechts 20% bedraagt. ii. Met hoeveel procentpunten verschilt het rendement van het Power Block (warmte elektriciteit) tussen dag- en avondbedrijf? (e) Het warmteopslag subsysteem i. Bereken een schatting voor de hoeveelheid warmte die per dag moet worden opgeslagen ii. Hoe veel zout is daarvoor nodig? 23. (10 punten (bonus)) Energievoorziening 21 ste eeuw. Terwijl de Nederlandse energievoorziening nog voor ruim 90% op fossiele energiedragers draait, wordt in Duitsland en het Verenigd Koninkrijk sterk ingezet op wind en zon in 2050 moet 50% CO 2 -vrij worden geproduceerd, in 2080 zelfs 80%. Critici stellen dat elektriciteit uit wind en zon beschikbaar komt op de verkeerde plaats, het verkeerde tijdstip en tegen een veel te hoge prijs. Voorstanders zeggen dat het stroomnetwerk moet worden uitgebreid en dat eenmaal gebouwd, wind en zon jarenlang (bijna) gratis stroom zullen leveren. Geef kort uw analyse van en beargumenteerde visie op verduurzaming van de Nederlandse energievoorziening in relatie tot wind, zon én ons aardgas; licht kort toe of u de aanstaande doorbraak van elektrisch vervoer auto s die kunnen worden opgeladen uit het stopcontact ziet als een kans of juist bedreiging voor deze verduurzaming. pag. 7 van 9

10 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)] pag. 8 van 9

11 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 Ge Sb Te I Xe (98) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Sn 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 3: Periodiek systeem der Elementen pag. 9 van 9