Systeemdenken: huishoudelijk afval. Massabalansen

Systeemdenken: huishoudelijk afval Massabalansen

Afvalverwerking -systeem Hoe ziet het systeem voor eindverwijdering van huishoudelijk afval er uit in Nederland? Welk produkt/dienst, welke bewerkingen, welke kosten, milieubelasting? Schattingen van bovenstaande? Afval langs de weg, Soberiana, Panama, 2014 G.P.J. Dijkema 2014

Afvalverwerking -systeem Hoe ziet het systeem voor huishoudelijk afvalverwerking er uit in Nederland? Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting? Schatting van bovenstaande? AVR Huisvuilcentrale; G.P.J. Dijkema, 2005

Afvalverwerking -systeem Systeemdiagram? AVR Huisvuilcentrale; G.P.J. Dijkema, 2005

Afvalverwerking -systeem AFVAL Inzameling Transport Verwerking Restprodukt http://www.arnbv.nl/activiteiten/re ststoffen/tabid/76/default.aspx

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) verbranding met energieterugwinning composteren (van GFT) grondstofterugwinning hergebruik en recycling AFVAL Inzameling Transport Verwerking Restprodukt

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

Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2012 Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2012. Agentschap.nl, Oktober 2013 1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]

Ontwikkeling huishoudelijk afval (prognose van vóór de crisis) bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

Afvalverwerking in Nederland. Gegevens 2011. Agentschap.nl, Augustus 2012 Capaciteit (vergund)

Afvalverbranding Systeem: Functie? Systeemgrens? Inputs & Outputs? Systeemelementen?

De verbranding van huisvuil

De grootschalige verbranding van huisvuil (grijze container), Afvalverwerking Zuid-Nederland, AZN (nu AEC Moerdijk) AZN Moerdijk verwerkte in 2008 700.000 ton afval Daarbij ontstaan 180.000 ton bodemas 12.000 ton metalen De operatie is (volgens AZN (folder): schoon en erg milieu-vriendelijk Is dat werkelijk zo? Welke informatie ontbreekt aan dit overzicht (uit PR-folder)?

De verbranding van huisvuil (1) Is de afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk?? (2) Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil? Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen? Hoe ziet het systeemdiagram eruit?

De verbranding van huisvuil (1) Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk?? (2) Wat zouden de kosten zijn voor verbranding van huisvuil? (3) Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen? 1. systeemdiagram opstellen 2. inputs & outputs uitrekenen 3. kosten en opbrengsten in beeld brengen

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

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

Verbranding met energieterugwinning Systeem-informatie: er is een gesloten stoomkringloop voor energieterugwinning (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

AZN Moerdijk -verwerking systeeminformatie AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar Daarbij ontstaan 15.000 ton vliegas 180.000 ton bodemas 3.000 ton gips 12.000 ton metalen 2.600.000 ton stoom Rookgas (CO 2 )

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

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

Stap 2: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Stoomketel (energiewinning) Warmtewisselaar (energieafnemer) Netto circulatie 2.600.000 ton rookgas??? ton Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Verbrandings- Lucht??ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) vliegas 15.000 ton gips etc. 3.000 ton Control Volume metalen 12.000 ton bodemas 180.000 ton

De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk? AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar Daarbij ontstaan 15.000 ton vliegas 180.000 ton bodemas 3.000 ton gips 12.000 ton metalen 2.600.000 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?

Oplossing: boekhouden Uw kennis van het systeem EN balansen stelt u in staat te boekhouden met de relevante Behouds wet som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie.. dit geldt voor: elektronen, atomen, moleculen*, massa, energie, kippen, mineralen, etc. *bij afwezigheid chemische reactie Bron: http://www.utrecht-boekhouder.nl/

Materie- en energietransformatie behoudswetten 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 De Wet van Behoud van Energie staat ook bekend als de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica

Oplossings-procedure (zie ook dictaat TB142Ea) (1) Kies de systeemgrens & control volume; gebruik daarvoor kennis van het systeem (2) Kies de te gebruiken grootheid / grootheden (3) Ga boekhouden met Behouds wet som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie dus inventariseer álle 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

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!

Berekenen ontbrekende gegevens met massabalans: (1) Inputs: lucht: stel X ton afval: 700.000 ton totaal: 700.000 + X (2) Outputs rookgas: stel Y ton vliegas: 15.000 ton bodemas: 180.000 ton metalen: 12.000 ton gips etc.: 3.000 ton totaal: 210.000 + Y

Berekenen resultaat met balans: (3) Massabalans: stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0 dan geldt: som(inputs) - som(outputs) = 0 (4) Resultaat 700.000 + X - 210.000 - Y = 0 hoeveelheid rookgas = Y Y =490.000 + X

Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht benodigde informatie: verbrandings-reactie(s) samenstelling huisvuil samenstelling lucht massa / mol balansen Bron: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:incinerateur_de_dechets.jpg

Systeemanalyse uitvoeren: (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 G.P.J. Dijkema 2009

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

Stap 2: boekhouden inventarisatie inputs en outputs Stoomketel (energiewinning) Warmtewisselaar (energieafnemer) Netto circulatie 2.600.000 ton rookgas??? ton Aanvoer/Loshal (bunkering) 700.000 ton Roosteroven (verbranding) Rookgasreiniging (NO x, vliegas, zware metalen, chloor, SO 2 dioxines, kwik) Verbrandings- Lucht??ton Slakopwerking (verwijdering metalen tbv recycling) Control Volume tbv vraag (1) vliegas 15.000 ton gips etc. 3.000 ton metalen 12.000 ton bodemas 180.000 ton

Resultaat stap (2) Er is een additionele input, verbrandingslucht, hoeveelheid is onbekend Er is een output, rookgas, waarvan de hoeveelheid en samenstelling onbekend is NB de samenstelling van huisvuil is eveneens vooralsnog onbekend!

Berekenen resultaat met balansen: (1) Inputs: lucht: stel X ton afval: 700.000 ton totaal: 700.000 + X (2) Outputs rookgas: stel Y ton vliegas: 15.000 ton bodemas: 180.000 ton metalen: 12.000 ton gips etc.: 3.000 ton totaal: 210.000 + Y

Bereken gevraagde resultaten m.b.v. systeemanalyse en balansen Hoeveelheid rookgas: systeemanalyse + massabalans Hoeveelheid CO 2 : systeemanalyse + massabalans Additionele aannames te maken Opstellen verbrandingsreacties Rekenen met reacties, molen en massa (dictaat) Hoeveelheid uitgespaard aardgas: Systeemanalyse + energiebalans (dictaat) Opstellen verbrandingsreacties Lower Heating Value

Berekenen resultaat met balans: (3) Massabalans: stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0 som(inputs) - som(outputs) = 0 (4) Resultaat 700.000 + X - 210.000 - Y = 0 hoeveelheid rookgas = Y = 490.000 + X X = hoeveelheid verbrandingslucht Gevraagd (1): Y = hoeveelheid rookgas Gevraagd (2) : CO 2 in rookgas

Procedure voor berekenen Schatting verbrandingslucht Y Stap 1: maak geschikte aanname: bijvoorbeeld het brandbaar deel van huisvuil = gelijk aan steenkool Bereken hoeveelheid benodigde zuurstof Gegevens: afval: 700.000 [ton/jaar] stookwaarde = 10 [MJ/kg] steenkool: 30 [MJ/kg]; steenkool: verhouding C/H = 0.5 lucht: N 2 /O 2 = 4 molgewichten O=16 C=12 H= 1 N=14

Berekenen schatting van hoeveelheid verbrandingslucht Stap 2: Stel de verbrandings reactie is: (CH) n + O 2 --> CO 2 + H 2 O deze aanname impliceert: afval = 1 deel steenkool + 2 delen inert stel nu n = 0.5, en bereken hoeveel zuurstof nodig is voor 1 ton afval. Stap 3 Bereken in hoeveel ton lucht die zuurstof zit Stap 4 Bereken de hoeveelheid CO 2 die vrijkomt bij de verbranding van 1 ton afval Stap 5 Bereken de hoeveelheid rookgas

Hoeveel aardgas wordt uitgespaard? Gegevens: De AVI produceert elektriciteit Met een rendement van 22% Eveneens stoom Rendement 38% Hoe bereken je de met afvalverbranding uitgespaarde hoeveelheid aardgas? Welke gegevens heb je nodig om de hoeveelheid bespaard aardgas te berekenen?