spm1520 Uitwerking 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
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 ([kg/mj 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 11
11. (2 punten) de verbranding van grafiet en de conversie van grafiet naar diamant zijn respectievelijk: A. exotherm en exotherm B. exotherm en endotherm 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 0 14. (3 punten) In deze vraag zit een fout. Geannuleerd. Elke student krijgt standaard voor deze vraag 5 punten, i.v.m. compensatie tijdverlies. 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. 10 15. (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 11
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. 25 mol zuurstof (O 2 ) C. 26 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. (16 + 44) 55 50 B. (50 + 50) 55 16 C. (16 + 44) 55 pag. 4 van 11
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 17.000 [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. We nemen aan dat het gemiddeld verbruik van een personenauto in Nederland: 1 : 13 is. Elke benzine auto gebruikt dan per jaar 1300 liter; het totale verbruik van 4 miljoen autos is 5.2 miljard liter. In de opgave zijn percentages gegeven, maar niet wat voor percentages. Omdat het over vloeistoffen gaat nemen we aan dat er volume-procent wordt bedoeld. 2 vol.% van 5.2 miljard liter is 104 miljoen liter ethanol. 6 vol.% is 3x zoveel, dus 314 miljoen liter. Omdat het om een schatting gaat is er ± 100 resp. ± 300 miljoen liter bio-ethanol nodig vanaf 2005 resp. 2010. In formulevorm: Φ bio ethanol = 0.06% 17.000[km/(jaar*auto)] 1/13[L/km] 4 10 6 [auto] = 314 10 6 [liter] (b) Schrijf de (kloppende) reactievergelijking uit voor de fermentatie van druivesuiker/zetmeel. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 6 O + 2CO 2 (c) Teken een systeemdiagram voor een bio-ethanolfabriek die 100.000 ton industriële bioethanol per jaar produceert uit melasse bruikbaar voor beantwoording van de volgende twee deelvragen Deelvragen d) en e) zijn vraagstukken waar het gaat om het gebruik en opstellen van een massabalans over een stationair systeem. Uit de beschreven omschrijving en deelvragen d) en e) is te halen dat het gaat om enerzijds het berekenen van de pag. 5 van 11
Figuur 2: Antwoord deelvraag 21 c) systeemdiagram bioethanolfabriek dagelijkse hoeveelheid melasse nodig voor een fabriek die 100 [kta] bio-ethanol produceert, anderzijds hoeveel water daar voor nodig is in de fermentatie, respectievelijk wordt verwijderd in de zuivering. Weergegeven is daarom een diagram (c) voor de fabriek, die zoals uit de gegeven omschrijving blijkt, uit twee subsystemen bestaat, fermentatie en zuivering. Alle informatie uit de omschrijving is hiermee geordend en overzichtelijk opgenomen. Het is niet gegeven om welk type percentage. Er is daarom aangenomen dat het gewichtspercentages betreft. (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. Onder gebruikmaking van het systeemdiagram gegeven bij deelvraag c) en de reactievergelijking in b) zien we dat uit 1 mol suikers/zetmeel C 6 H 12 O 6 in melasse 2 molen ethanol en 2 molen CO 2 ontstaan. Dit rekenen we om naar massa. Vervolgens moeten we nog verrekenen dat melasse voor 50 gew.% uit suikers/zetmeel bestaat, en omrekenen naar het gevraagde aantal tankers: het gemiddeld molgewicht van suikers/zetmeel in melasse C 6 H 12 O 6 is 6 12 + 12 1 + 6 16 = 180 [g/mol]. get molgewicht van de ontstane alcohol is 2 (2 12 + 6 1 + 1 16) = 92 [g/mol]. We nemen aan dat de gegeven percentages gewichtspercentages zijn. Voorts nemen we aan dat alle suikers en zetmeel in melasse worden omgezet in ethanol. Voor 100.000 ton ethanol is dan nodig in de ethanolfabriek 2 100.000 180 92 = 391.000 [ton] melasse. De factor 2 staat in deze formule omdat melasse voor de helft bestaat uit water, de helft uit suikers/zetmeel. Dat vertaalt zich in 391.000/1500 = 260, 7 dus 261 tankers à 1500 [ton/tanker]. pag. 6 van 11
(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. Aan het subelement fermentatie in het systeem diagram zien we (afgeleid uit de omschrijving) dat het gewichtspercentage van ethanol in de ruwe alcohol 15 % is. De hoeveelheid alcohol is 100.000 ton, dus er zit 100.000 85 = 566.700 [ton] water 15 in deze hoeveelheid ruwe alcohol. Dit is dus ook de hoeveelheid die verwijderd moet worden in de zuivering om 100% alcohol te verkrijgen. In vraag d) hebben we uitgerekend dat de hoeveelheid toegevoerde melasse 391.000 ton is; daarin zit 391.000/2 = 195.500 [ton] water. Er moet dus 566.700 195.500 = 371.200 [ton] water toegevoerd worden aan de fabriek om de ruwe alcohol met 15 % alcohol te kunnen produceren. 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. (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. In het dictaat 8.6.3 blz. 86: worden voor CSP: Er zijn vier typen concentrators die gebruikt Parabolic Dish Parabolic Trough Solar Tower Linear Freshnel Mirror Van deze zijn de laatste drie geschikt voor een Solar Field niet de Parabolic Dish, immers deze concentreert van één grote spiegel naar één centrale unit. pag. 7 van 11
Figuur 3: Concentrated Solar Power (bron:iea) De andere typen kunnen gebruikt worden om (in serie of parallel) één medium te verwarmen, zodat deze als warmtebron voor een thermische centrale kan fungeren. Voor de omschrijving zie het dictaat. ii. Geef een correcte formulering van de Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica De totale hoeveelheid energie in Het Universum is constant. iii. Beschrijf de Rankine Cyclus kort en licht kort toe (1) Water wordt met een pomp op (hoge)druk gebracht (2) Met behulp van een warmtebron wordt water verdampt tot stoom (3) Hoge druk-stoom drijft stoomturbine aan, die een generator aandrijft (4) Geëxpandeerde stoom wordt door te koelen gecondenseerd (5) Begin weer bij (1) pag. 8 van 11
(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 Figuur 4: Antwoord deelvraag 22 b) systeemdiagram Concentrated Solar Power (c) Inputs en outputs van de centrale i. Stel een energiebalans op voor de centrale t.b.v. beantwoording onderstaande deelvragen zonnestraling in elektriciteit uit + restwarmte uit (niet altijd gelijktijdig in verband met de warmteopslag). ii. Bereken onder gebruikmaking van de gegeven informatie en de voorgaande deelantwoorden een schatting van het benodigde oppervlak voor het collectorsysteem ( Solar Field ) van de centrale. Er is gegeven dat het elektrisch vermogen van de installatie 50 [MW] zal bedragen, en het overall rendement (zonnestraling elektriciteit is gelijk aan 20%. Voorts is gegeven dat de zonneinstraling ter plaatse 2000 [kwh/(m 2 *jaar)] is, en dat door de warmteopslag de installatie een aantal uren na zonsondergang stroom kan produceren. alle stroom zal uiteindelijk afkomstig zijn van zonnestraling (dit volgt uit de 1 e Hoofdwet cq. energiebalans Om nu een eerste schatting van het aantal vierkant meters spiegels te kunnen maken is het het eenvoudigst om de gegeven zonneinstraling per jaar om te rekenen naar (gemiddelde) zonneinstraling per dag. Daarnaast moeten we een schatting berekenen van de hoeveelheid elektriciteit die de installatie per dag produceert. pag. 9 van 11
De hoeveelheid zonnestraling is gemiddeld 2000/365 = 5, 5 [kwh/(m 2 *dag)] Spanje ligt vrij zuidelijk, dus we nemen aan gemiddeld 8 uur zon per dag, en de warmteopslag geeft ons 2 uur extra produktietijd. Er wordt dus 10 uur lang een vermogen van 50 [MW] elektriciteit geproduceerd, ofwel 500 [MWh/dag] = 500.000 [kwh/dag] Het overall rendement van de installatie η = 20% Het benodigde oppervlak is dus 500.000[kWh/dag] 5, 5[kWh/(m 2 *dag)] 1 0, 2 = 450.000[m2 ] collector, dat is 0.45[km 2 ] iii. Bereken een schatting van de hoeveelheid weggekoelde restwarmte Aan figuur b zien we dat de weggekoelde restwarmte gelijk is aan de ingevangen zonnestraling minus de geproduceerde elektriciteit. Per dag is de hoeveelheid geproduceerde elektrictiteit 500 [MWh/dag]. Dat wordt gemaakt uit 2500 [MWh/dag] zonnestraling, waarvan 80% wordt ingevangen, 2000 [MWh/dag]. Er wordt dus weggegkoeld thermische centrale in nuttig uit = 2000-500 = 1500 [MWh/dag]. Opmerking: een antwoord in [MW] is minder goed, omdat gevraagd wordt naar een hoeveelheid, niet naar een vermogen. (d) Het rendement van de centrale i. Leg uit waarom het rendement (zon elektriciteit) van de CSP slechts 20% bedraagt. Dat heeft te maken met de maximale temperatuur van het medium in de thermische centrale. Deze is begrensd op 600 C. Dit leidt tot een relatief lage Carnotfactor - die het maximale rendement bepaald. Omdat een thermische centrale nooit ideaal werkt, is het werkelijke rendement nog een flink stuk lager dan het maximale Carnotrendement (in dit geval slechts 25 % of íets minder dan de helft van het Carnotrendement). ii. Met hoeveel procentpunten verschilt het rendement van het Power Block (warmte elektriciteit) tussen dag- en avondbedrijf? Dit kunnen we berekenen met de Carnotfactor. In dagbedrijf is T hoog gelijk aan 600 C, in avondbedrijf 540 C. Als we aannemen dat de omgevingstemperatuur (temperatuur koude reservoir) constant is op 20 C, dan is Carnot respectievelijk: 273 + 20 Dag: 1 = 0, 66 273 + 600 273 + 20 Avond: 1 = 0, 64 273 + 540 Als de verliezen vergelijkbaar zijn, dan geeft Carnot aan dat in avondbedrijf het rendement ongeveer 1 procentpunt lager zal zijn (Carnot rendemnt 66 resp. 64 %, werkelijk rendement 25 resp. 24 %. pag. 10 van 11
(e) Het warmteopslag subsysteem i. Bereken een schatting voor de hoeveelheid warmte die per dag moet worden opgeslagen Hierboven gingen we uit van 2 uur produktie na zonsondergang, oftewel 100[MWh/dag]. Het rendement van de thermische centrale is 24% bij avondbedrijf, dus er moet 100/0, 24 = 417 [MWh/dag] worden opgeslagen. Dat is 417[MWh] 3, 6[GJ/MWh] = 1500 [GJ] ii. Hoe veel zout is daarvoor nodig? Voor de verwarming van een stof (zonder faseverandering) geldt Q = C p m T. Q Anders geschreven m = C p T 1500 10 9 [J] Invullen geeft m = 1560 (540 160) m = 2530 [ton] zout. 23. (10 punten (bonus)) Energievoorziening 21 ste eeuw. Van de bonusvraag wordt géén uitwerking gegeven pag. 11 van 11