SPM1510-08_09; - Opdracht/deeltoets I Datum: 26 februari 2009, Tijd: 10.45-12.45 Deze deeltoets bestaat uit 10 meerkeuzevragen en 2 open vragen. U begint met een saldo van 30 punten. U mag gebruiken schrijfmateriaal, een rekenmachine en aangehecht formuleblad. LEVER DIT VEL IN Naam:... Studienummer:... Meerkeuze vragen (30 punten) Let op: elke juist beantwoorde vraag levert punten op; elke onjuist beantwoorde aftrek. Per vraag is dat (punten/aftrek); blanco = 0 punten. 1. Welke stof is niet een fossiele energiebron? (1.5/0.5) 0 bruinkool 0 steenkool houtskool 0 blanco 2. De eerste hoofdwet van de Thermodynamica luidt: (3/1) 0 de entropie van het Universum neemt altijd toe de energie van het Universum is constant 0 massa kan niet worden vernietigd noch gecreëerd 0 blanco 3. We maken onderscheid tussen open en gesloten systemen. (3/1) 0 open systemen hebben een systeemgrens, gesloten systemen niet 0 in open systemen vindt altijd accumulatie plaats, in gesloten systemen niet open systemen staan in verbinding met hun omgeving, gesloten systemen niet 0 blanco 4. In wereldenergiestatistieken wordt de voorraadpositie van ruwe aardolie (en andere energiebronnen) gekarakteriseerd met het kental (1.5/0.5) 0 R [ExaJoules] 0 P/R [dimensieloos] R/P [jaar] 0 blanco 5. In een mengsel van 50 gew.% water (H 2 O) en 50% alcohol (C 2 H 5 OH) (3/1) is het mol% alcohol kleiner dan het mol% water 0 is het mol% alcohol gelijk aan het mol% water 0 is het mol% alcohol groter dan het mol% water 0 blanco Toelichting: het molgewicht van water (H 2 O) is 18 [g/mol], het molgewicht van alcohol (C 2 H 5 OH) is 46 [g/mol]. In 100 gram mengsel zit dus 100 [g] * 0.50 /18 [g/mol] = 2.8 [mol] water, en 100 [g]* 0.5/46 [g/mol] = 1.1 mol alcohol. Het molpercentage water is dus 100* 2.8/(2.8+1.1) = 72%, het molpercentage alcohol is slechts 28%.
6. Als de verbrandingstemperatuur in een elektriciteitscentrale 500 graden Celsius bedraagt en de buiten temperatuur is slechts 15 graden, dan is het maximale rendement van deze centrale (3/1) 0 niet te bepalen ongeveer 63 % 0 ongeveer 97 % 0 blanco Toelichting: het maximale rendement van een thermische centrale wordt gegeven door het Carnot-rendement, η Carnot =1-(T c /T h ). = 1 (273+15)/(273+500) = 63% ZIE OOK OMMEZIJDE voor MEERKEUZEVRAGEN 7 10. 7. In een consumententest naar kookplaten (elektrisch, gas, butagas, keramisch, wok etc.) wordt in een standaardtheeketel een liter water gekookt. Men begint telkens bij standaardcondities. De tijd die het duurt tot het fluitje klinkt is (1.5/0.5) 0 altijd hetzelfde een eerste indicatie voor het vermogen [kw] van de kookplaat 0 een eerste indicatie voor het rendement [%] van de kookplaat 0 blanco De grootste diamant ter wereld, de Cullinan, is 530 karaat. Diamant bestaat uit zuiver koolstof, een karaat is 200 milligram. 8. Hoeveel mol is een karaat? (3/1) 0 200 0.017 0 0.06 0 blanco Toelichting: een karaat is 200 milligram. Het molgewicht van koolstof C is 12 [g/mol]. Dus één karaat is 200 * 10-3 /12 = 0.017 [g] 9. Hoeveel CO 2 zou ontstaan bij verbranding van de Cullinan? (4.5/1.5) 0 385 gram 389 gram 0 395 gram 0 blanco Toelichting: de Cullinan is 530 karaat of 530 [karaat] * 0.2 [g/karaat] = 106 [g] Ze bestaat uit zuiver koolstof, dus verbrandingsreactie is C + O 2 CO 2 Het molgewicht van C is 12 [g/mol], dat van CO 2 is 44 [g/mol]. Er onstaat dus 106 [g] * 44/12 = 389 gram CO 2 bij verbranding van de Cullinan. 10. Gegeven volgende data: (4.5 punten, geen aftrek) 2H 2 + O 2 2H 2 O ΔH= -482[kJ/mol] (reactie 1) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O ΔH= -810[kJ/mol] (reactie 2) Wat is dan de ΔH voor de reactie? CH 4 + O 2 2H 2 + CO 2 (reactie 3) De ΔH is gelijk aan...-382 [kj/mol] Toelichting: met de Wet van Hess kunnen we dit berekenen als volgt. We construeren een pad uit reactie 1 en 2 (beschikbare gegevens!) om op reactie 3 uit te komen (overall). Dit kunnen we doen, omdat ΔH een toestandsgrootheid is (Wet van Hess). Als we eerst reactie 2 uitvoeren, en vervolgens reactie 1 in omgekeerde richting, dan is de overall reactie gelijk aan reactie 3. De enthalpieverandering ΔH van reactie 3 is dus gelijk aan de enthalpie van reactie 2 + enthalpie van omgekeerde reactie 1 = -810 + 482 = -382 [kj/mol]
Open vragen Vraagstuk 11: Elektriciteit (30 punten) Het rendement van elektriciteitscentrales gestookt met fossiele energiedragers is in Nederland ongeveer 50%. Het intern elektriciteitsverbruik van Nederland is ongeveer 800 PJ, waarvan eenderde wordt opgewekt met steenkool (rendement 45%), eenderde met aardgas (rendement 55%) en eenderde met warmte/kracht centrales op aardgas (elektrisch rendement 30%, thermisch rendement 80%). a. Teken een systeemdiagram van de Nederlandse elektriciteitsopwekking waarmee u tevens de onderstaande vragen kunt beantwoorden Steenkool Steenkool centrale Elektricitiet Restwarmte (warm water) Carbondioxide Koelwater Zuurstof Aardgas Aardgas centrale Elektricitiet Restwarmte (warm water) Carbondioxide Koelwater Zuurstof Aardgas WKK centrale Elektricitiet Restwarmte (warm water) Carbondioxide Koelwater Zuurstof b. Als de LHV van steenkool 28 MJ/Kg is en die van aardgas 50 MJ/kg is, hoeveel steenkool respectievelijk aardgas wordt dan verstookt per jaar om deze hoeveelheid elektriciteit op te wekken? Voor elke centrale kunnen we met behulp van het omzettingsrendement (brandstof elektriciteit) de jaarlijks benodigde hoeveelheid brandstof berekenen als we weten hoeveel elektriciteit jaarlijks wordt geproduceerd. Jaarlijks wordt per centrale (1/3*800)=267 PJ opgewekt. - Steenkool LHV = 28 MJ/kg Omzettingsrendement η=45%(1 e hoofdwet) De hoeveelheid steenkool is: 267*10^15 [J]/(0,45*28*10^6[J/kg]) = 2,12*10^10 kg = 2,12*10^7 ton = 21 Mton steenkool per jaar - Aardgas LHV = 50 MJ/kg Er zijn 2 typen centrales die aardgas stoken 1) Omzettingsrendement aardgas centrale = 55% 2) Omzettingsrendement WKK centrale naar elektriciteit = 30%
Hoeveelheid aardgas centrale is: 267*10^9/(0,55*50) Hoeveelheid aardgas WKK is: 267*10^9/(0,3*50) Totaal wordt dus jaarlijks verstookt 2,75*10^10 kg = 2,75*10^7 ton = 27,5 Mton aardgas per jaar c. Als de CO 2 belasting 25 euro per ton uitgestoten CO 2 bedraagt, hoeveel belasting kan Minister Bos dan jaarlijks tegemoet zien? 1) Uitstoot CO 2 door steenkool De verhoudingsformule van steenkool is CH De molverhouding CO 2 per CH is 1:1 De verhouding [g/mol] CO 2 per CH is: 44/13 De hoeveel CO 2 uitgestoten door de steenkool centrales is dus: 21[Mton]*44/13 = 71,1 Mton per jaar 2) Uitstoot CO 2 door aardgas De verhoudingsformule van aardgas, methaan is CH 4 De molverhouding CO 2 per CH 4 is: 1:1 De verhouding [g/mol] CO 2 per CH 4 is: 44/16 De hoeveelheid CO 2 uitgestoten door aardgas centrales + WKK's: 27,5[Mton]*44/16 = 75,6 Mton per jaar 3) De ontvangen hoeveelheid belasting De totale hoeveelheid CO 2 uitgestoten is 146,7 Mton per jaar De belasting per jaar is dus: 146,7*10^6*25 = 3,7*10^9 euro per jaar Nota Bene: omdat de totale CO 2 uitstoot van Nederland ongeveer 220 Miljoen Ton op jaarbasis is lijkt dit getal aan de hoge kant. De werkelijke jaarlijkse elektriciteitsproductie in Nederland is ongeveer 100 miljard kilowattuur (kwh) (www.cbs.nl). 1 kwh = 3.6 MJ, dus de werkelijke elektriciteitsproductie is 100*10^9 * 3.6*10^6 = 360 * 10^15 = 360 PJ. Omdat de verdeling wel ongeveer klopt, is een betere schatting van de CO 2 uitstoot 147 MTA * 360/800 = 66 MTA. De bijbehorende belastingopbrengst zou zijn 66 MTA * 25 Euro/ton = 1.65 miljard Euro per jaar. d. Stel dat alle geproduceerde warmte geleverd wordt aan woningen via een warmtenet, en dat het gemiddelde warmtegebruik per woning [50 GJ/jaar] bedraagt, hoeveel woningen zijn dan aangesloten op dat warmtenet? o De rest warmte van grootschalige elektriciteitscentrales wordt weg gekoeld; alleen de warmte geproduceerd uit WKK s is te gebruiken voor een warmtenet o 1/3 van de elektriciteit komt uit WKK s o Dat is 267 PJ o Het totale rendement van de WKK is 80%. De verhouding elektriciteit (kracht) warmte (W) = 30:50 (100% input, 30% elektriciteit, 50% warmte, 20% verlies) o We nemen aan dat alle geproduceerde warmte van WKK centrales naar het warmtenet gaat.
o en dat de WKK produceert precies op de momenten dat er warmte wordt gevraagd o van de 267 PJ gaat 50% naar warmte net, dus 133,5 PJ per jaar o 133,5*10^6 (GJ/jaar)/50 (GJ/jaar/woning) = 26,7*10^5 woningen kunnen dan aangesloten zijn op het warmtenet e. In Nederland is de gemiddelde zonne-instraling 900 [W/m 2 ] gedurende 12 uur per etmaal. Stel dat PV-systemen met een rendement van 15% de elektriciteitsopwekking zullen vervangen. Hoeveel ruimte is dan nodig? - een m^2 levert per jaar: 900*60*60*12*365*0,15 = 21,3*10^9 Joules per jaar - de totale oppervlakte nodig hiervoor is: 800*10^15/21,3*10^9 = 37,5*10^6 m^2. Dat staat gelijk aan 37,5 km^2 Vraagstuk 12. Bioethanol (30 punten) Regels uit Brussel schrijven voor dat benzine vanaf 2005 voor 2 procent (vol.).uit biobrandstoffen moet bestaan, in 2010 is dat percentage op 5,75.. In benzine uit olieraffinaderijen 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 benzineauto s die gemiddeld 17.000 km/jaar rijden. a) maak een eerste-orde schatting van de hoeveelheid bio-ethanol die voor de Nederlandse benzinemarkt moet worden geproduceerd in 2005 respectievelijk 2010 volgens de Brusselse richtlijnen. - in totaal wordt er 4*10^6*17*10^3 = 68*10^9 km gereden per jaar - de hoeveelheid benzine nodig om deze afstand af te leggen is: 68*10^9/15[km/liter] = 4,53*10^9 [liter] - voor de 2005 richtlijn is de hoeveelheid bio-ethanol nodig: 4,53*10^9*0,02[vol.%!] = 90*10^6 [liter/jaar] = 90 miljoen [liter/jaar] - voor de 2010 richtlijn is de hoeveelheid bio-ethanol nodig: 4,53*10^9*0,0575 = 260*10^6 liter = 260 miljoen [liter/jaar] In Nederland zijn de laatste jaren een aantal bio-ethanol fabrieken gebouwd om aan de verwachte vraag te kunnen voldoen door Zoals bekend kunnen in water opgeloste suikers en zetmeel met behulp van micro-organismen gefermenteerd worden tot alcoholhoudende dranken zoals wijn en bier. Bij een alcohol-percentage > 15 vol.% sterven de micro-organismen die de fermentatie uitvoeren echter af. In een bio-ethanol fabriek wordt de fermentatie op industriële schaal uitgevoerd met dezelfde micro-organismen. Zo n fabriek bevat dan ook altijd een grote destillatie eenheid om uiteindelijk 99% zuivere bio-ethanol te verkrijgen. Druivesuiker en zetmeel, met de verhoudings formule C 6 H 12 O 6 reageren tijdens de fermentatie tot slechts (bio)-ethanol en CO 2. b) Schrijf de (kloppende) reactievergelijking uit voor de fermentatie van druivesuiker. C 6 H 12 O 6 2 CO 2 + 2 C 2 H 6 O c) Bereken de reactie-enthalpie onder meer met behulp van de gegevens uit de onderstaande tabel - reactie enthalpie [kj/mol] = H producten - H reactanten
- 2*H(CO 2 ) + 2*H(C 2 H 6 O) H(C 6 H 12 O 6 ) [kj/mol] - De verbrandingsenthalpie van CO 2 = 0 (definitie! LHV) - H(C 2 H 6 O) = 27 [MJ/kg] - H(C 6 H 12 O 6 ) = 37.5 [MJ/kg - Uit 1 kg druivesuiker ontstaat 2*46[g/mol]/180[g/mol]=92/180. - Dus de reactie-enthalpie is 2*0 + (92/180) *27 37.5 = 23.7 [kj/mol] d) teken een principeschema voor een industriële alcoholfabriek die 100.000 ton industriële alcohol (99 vol%) per jaar produceert uit suiker/zetmeel (melasse) dat voor 50gew.% uit biomassa bestaat, voor 50% uit water. e) Stel dat de melasse per binnenvaart tankers met een laadvermogen van 1500 ton wordt aangevoerd. Hoeveel tankers zijn dan jaarlijks nodig? - 1 mol ethanol is: 46g - 1 mol suiker is: 180 g - De stoechiometrische verhouding suiker en ethanol in de reactie is: 1:2 dus per mol ethanol is 0,5 mol suiker voor nodig. - De massaverhouding tussen een mol suiker en een mol ethanol is: 46:180 1:4 - De hoeveelheid ton ethanol geproduceerd is; 100.000*0.99 = 99.000 ton - De hoeveelheid suiker nodig voor deze productie is: 99.000*4*0,5 = 198.000 ton - De hoeveelheid tankers nodig is: 198.000/1.500 = 132 tankers per jaar f) Komt bij het proces netto warmte vrij denkt u? Leg uit waarom (niet)? De reactie enthalpie is negatief, dus komt er netto energie vrij. Deze energie is in de vorm van warmte, dus komt er netto warmte vrij in het proces. Als deze warmte van voldoende temperatuur is, dan kan ze wellicht gebruikt worden voor de scheiding van ethanol en water, door destillatie. In dat geval komt restwarmte vrij uit de destillatie, in het andere geval van de reactor. Gegevens van een aantal stoffen Stof Verhoudingsformule Verbrandingsenthalpie Dichtheid (20 o C) Methanol CH 4 O (CH 3 OH) 21 [MJ/kg]
Ethanol* C 2 H 6 O (C 2 H 5 OH) 27 [MJ/kg] 0.794 Koolhydraten* C 6 H 12 O 6 37.5 [MJ/kg] Benzine C 8 H 18 42 [MJ/kg] 0.75 *dat zijn onder meer suiker, zetmeel enz.
Formuleblad en Periodiek systeem Energie: E kin = ½ m v 2 [J] Q = C p m T [J] W max = Q h (T h T c ) / T h Q c = Q h W max = Q h T c / T h 132.E = Avogadro: Straling: N = 6,022 10 23 [moleculen/mol] c λ piek = Tpiek [m] S = k T 4 (k = 5,67 * 10-8 [W/m 2 ]) E = h f = h c/λ [J] h = 6.62608 10-34 [Js] c = 3,000 10 8 [m/s] Heisenberg: Ideaal gas: ()xmv p V = n R T (R = 0,0821 [atm L K-1]) (L = liter) R = 8.31451 [J/(K*mol)] Zuurgraad: ph = -log[h + ] 1 18 1A 8A 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 1.008 2A 3A 4A 5A 6A 7A 4.003 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 6.941 9.012 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg Al Si P S Cl Ar 22.99 24.31 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.38 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Ge Sb Te I Xe 85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3 55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Sn Bi Po At Rn 132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.9 186.2 190.2 192.2 195.1 197 200.6 204.4 207.2 209 (209) (210) (222) 87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112 Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Uun Uuu Uub (223) 226 (227) 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 140.1 140.9 144.2 (145) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 232.0 (231) 238.0 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260)