Transcript (Her)Tentamen TB142Ea II - Analyse van Energiesystemen

TB142Ea
Tentamen
2 juli 2014
Uitwerking Tentamen TB142Ea 2 juli 2014
9-11 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.
De uitwerking van dit tentamen beslaat 18 vragen, op 14 pagina’s.
Daaronder zijn 15 meerkeuzevragen (30 punten) en twee open vragen (40 punten).
Het totaal aantal te behalen punten was 70.
Met de BONUSVRAAG kunt u 7 extra punten verdienen.
Toelichting meerkeuzevragen
• bij elke deelvraag is slechts e´ e´ n antwoord juist.
• Aanvinken van meer dan e´ e´ n vakje per vraag wordt gerekend als een foute
keuze
TB142Ea
Tentamen
2 juli 2014
– begin van de vragen –
1. (2 punten) De volgende grootheden zijn toestandsgrootheden
A. Enthalpie, warmte, druk, temperatuur
B. Enthalpie, warmte, gasconstante, temperatuur
C. Warmte, gasconstante, druk, temperatuur
D. Enthalpie, volume, druk, temperatuur
2. (2 punten) Grafiet en diamant zijn beide een vorm van zuiver koolstof C. Gegeven de
volgende reacties:
C(grafiet) + O2 → CO2 ; ∆Hreactie = −394 [kJ]
C(diamant) + O2 → CO2 ; ∆Hreactie = −396 [kJ]
Dan is de reactie-enthalpie van de conversie van diamant naar grafiet
A. 2 [kJ]
B. 0 [kJ]
C. -2 [kJ]
D. niet te bepalen, onvoldoende gegevens
3. (2 punten) de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica luidt
A. Warmte kan niet voor 100% geconverteerd worden in kracht
B. Kracht kan niet voor 100% geconverteerd worden in warmte
C. Bij Energieconversie zijn Kracht en Warmte in evenwicht
D. De entropie (wanorde) in het Universum is constant
4. (2 punten) Hieronder zijn een aantal bindingsenergie¨en [kJ/mol] gegeven.
O-H
O=O
C-O
467
495
358
C-H
H-H
C=O
413
432
745
Uitspraak (1): Met behulp van deze gegevens is een eerste schatting te berekenen voor de
reactie-enthalpie voor de vorming van ethanol, H3 C − CH2 OH uit CO2 en H2 O.
Uitspraak (2): Met behulp van deze gegevens is een eerste schatting te berekenen van de
verbrandingsenthalpie van methanol, CH3OH
A. Uitspraak (1) is juist, uitspraak (2) is juist
B. Uitspraak (1) is juist, uitspraak (2) is onjuist
C. Uitspraak (1) is onjuist, uitspraak (2) is juist
D. Uitspraak (1) is onjuist, uitspraak (2) is onjuist
5. (2 punten) Eenmaal in de atmosfeer dragen de volgende stoffen bij aan het (versterkt)
broeikaseffect:
A. methaan (CH4 ), stikstof (N2 ), CFK’s en water
B. lachgas (N2 O), methaan, CFK’s en water
C. lachgas (N2 O), methaan, CFK’s en stikstof (N2 )
D. lachgas (N2 O), methaan, stikstof (N2 ) en water.
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
6. (2 punten) Het GWP-100 van methaan is 25 (IPPC, 2007). Dat betekent met betrekking tot
de broeikaswerking dat ...
A. ...de uitstoot van 1 kilo methaan overeenkomt met 25 kilo CO2
B. ...de uitstoot van 1 mol methaan overeenkomt met 25 mol CO2
C. ...de Radiative Forcing van 1 kilo methaan 25 keer zo groot is als van 1 kilo CO2
D. ...de Radiative Forcing van 1 mol methaan 25 keer zo groot is als van 1 mol CO2
7. (2 punten) Stortgas dat vrijkomt uit oude vuilstortplaatsen bestaat voor ongeveer 50 vol.%
uit methaan, en 50 vol.% CO2 . De kleinste bijdrage aan het (versterkt) broeikaseffect ontstaat als:
A. we het stortgas gewoon laten vrijkomen
B. we het stortgas afvangen en benutten in een thermische centrale
C. we het stortgas afvangen om het te kunnen affakkelen
D. de bijdrage van stortgas is altijd hetzelfde omdat het broeikasgassen bevat
8. (2 punten) De volgende uitspraak is juist. Smog, een vorm van secundaire luchtverontreiniging ontstaat ...:
A. ... altijd uit reacties die verlopen onder invloed van zonlicht (fotochemie)
B. ... door reactie van primaire luchtverontreiniging met andere stoffen in de atmosfeer
C. ... alleen in de zomer; in de winter is de temperatuur te laag
D. ... alleen als er op grote schaal steenkool wordt verstookt
9. (2 punten) De emissie van SO2 uit bijvoorbeeld kolencentrales draagt bij aan:
A. smog, a¨erosolvorming en zure regen
B. smog, afbraak van de ozonlaag en zure regen
C. smog, afbraak van de ozonlaag en a¨erosolvorming
D. afbraak van de ozonlaag, a¨erosolvorming en zure regen
10. (2 punten) Aantasting van de ozonlaag is ernstig omdat ...
A. de ozonlaag een bron is van hydroxylradicalen, die zorgen dat de atmosfeer schoon
blijft
B. de ozonlaag het leven op aarde beschermt tegen schadelijke infrarood-straling
van de zon
C. de ozonlaag het leven op aarde beschermt tegen schadelijke UV-straling van
de zon
D. daardoor de ozonconcentratie van de lucht die wij inademen zal toenemen
pag. 2 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
11. (2 punten) Het Ozon Depletion Potential (ODP) van een stof wordt uitgedrukt als de hoeveelheid afbraak van de ozonlaag die een kilogram van een stof veroorzaakt ten opzichte
van een kilogram CFK-11, trichloor-fluormethaan. De ODP van stoffen varieert ondermeer
door verschillen in...
A. hoeveelheid - des te meer van de stof wordt uitgestoten, des te hoger de ODP
B. stabiliteit - een stof moet voldoende stabiel zijn om de ozonlaag te kunnen
bereiken
C. het aandeel zuurstof in de stof - zuurstof is nodig om ozon af te breken
D. het absorptiespectrum van de stof - des te meer UV-straling ze absorbeert, des te
hoger het ODP
12. (2 punten) In onze zomer groeit het gat in de ozonlaag boven de Noordpool omdat ...
A. ... daar het ijs-albedo effect momenteel in sterke mate optreedt
B. ... daar de opwarming van de aarde lijkt te versnellen, waardoor de aarde meer
schadelijke straling uitzendt
C. ... er daar dan altijd teveel energierijke UV-straling is, waardoor de ozonlaag daar
zomers geheel verdwijnt
D. ...in de winter de afbraakcyclus van ozon daar maar voor de helft verloopt door
gebrek aan zonlicht
13. (2 punten) Het versterkt broeikaseffect leidt niet alleen tot temperatuurstijging, maar ook
tot een intensivering van de hydrologische kringloop. De belangrijkste oorzaak daarvan
is...
A. ... dat de zeespiegel stijgt
B. ... dat gletschers en ijskappen kleiner worden
C. ... dat er grote hoeveelheden energie worden opgenomen door de oceanen
D. ... dat neerslagpatronen op aarde veranderen
14. (2 punten) In een kernreactor wordt kernsplijting van Uranium-235 beheerst uitgevoerd.
De volgende uitspraak is juist. ”De functie van de moderator is ...
A. ... het beheersen van de hoeveelheid snelle neutronen”.
B. ... het vertragen van de juiste hoeveelheid neutronen”.
C. ... zorgen dat de reactor kan worden stilgezet”.
D. ... de kernsplijting op gang te brengen”.
15. (2 punten) PWR’s en BWR’s zijn zogenaamde licht-water reactoren. De volgende uitspraak is juist:
A. er circuleert alleen water door de reactoren bij normaal bedrijf
B. de enige functie van het water is afvoer van de geproduceerde warmte
C. als door storing het water uit de reactor loopt dreigt een kernexplosie
D. als door storing het water uit de reactor loopt dreigt een meltdown
pag. 3 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
Verbrandingswaarde (LHV)
Organische verbindingen (Cx Hy Oz )
De verhouding C:H:O
Watergehalte
Stikstofgehalte
Zwavel gehalte
Asrest
steenkool
28
90.0
2:1:0
0
0.5
2.0
7.5
2 juli 2014
biocoal
14
75
1:2:1
20
1
0.5
3.5
eenheid
[GJ/ton]
[gew.%]
[gew.%]
[gew.%]
[gew.%]
[gew.%]
Table 1: Eigenschappen steenkool en biomassa gebruikt in de Amercentrale
OPEN VRAGEN
16. (25 punten) Amercentrale In Geertruidenberg staat e´ e´ n van de grootste elektriciteitscentrales van Nederland.
Voorheen werd deze centrale hoofdzakelijk gestookt met steenkool, maar e´ e´ n van de eenheden is recent aangepast zodat biomassa kan worden bijgestookt tot 30% van de benodigde brandstofinput (GJ). Het gaat om zgn. biocoal ”‘een houtachtige biomassa die is
’getorreficeerd’(verhit tot maximaal 300 ◦ C ) zodat deze ’houtskool’ eigenschappen krijgt
die met steenkool te vergelijken zijn”’1 . De biocoal en steenkool uit de opslag worden gemengd met lucht en gevoed aan het fornuis. Onderin het fornuis worden de bodemassen
afgevoerd. Met een stoomcyclus wordt elektriciteit gemaakt. De centrale is uitgerust met
directe koeling (koelwater uit het Haringvliet) en een koeltoren.
De voor biocoal aangepaste eenheid van de Amercentrale kan een netto vermogen aan het
elektriciteitsnet leveren van 630 [MWe] bij een temperatuur van het water (de lucht) van 10
◦ C . Koelwaterpompen, luchtcompressie, steenkoolmalers en biocoal/steenkooltransport
en -menging vragen intern elektriciteitsgebruik. De centrale wordt vrijwel continu op thermische vollast bedreven. Het bruto rendement voor elektriciteitsproductie is 44%, het netto
rendement 42% betrokken op de onderste verbrandingswaarde (LHV) van de gebruikte
steenkool en biocoal. De hoogst bereikte temperatuur in de stoomcyclus van de centrale
(120 bar) is 1100 ◦ C .
(a) (1) Hoe luidt de 1e Hoofdwet van de Thermodynamica?
Antwoord:
De energie van het Universum is constant.
Energie kan noch worden gecre¨eerd, noch worden vernietigd.
De energie van een systeem + haar omgeving is constant.
(b) (2) Geef een korte beschrijving van de stoomcyclus van de Amercentrale
Antwoord:
1. pomp brengt water op hoge druk (120 bar).
2. warmte bron (fornuis) verwarmt water en laat het water verdampen tot stoom
(120 bar).
1
www.essent.nl/content/overessent/actueel/archief/2010/Amercentrale_zet_
historische_stap_richting_biomassacentrale.html accessed 19 juni 2013
pag. 4 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
3. hogedruk stoom drijft stoomturbine aan, die weer een generator aandrijft;
een deel van de interne energie van de stoom wordt zo omgezet in arbeid; in
de turbine dalen de stoomdruk en -temperatuur gedurende de expansie;
4. afgewerkte stoom die de turbine verlaat wordt verder afgekoeld en gecondenseerd tot water met koelwater (uit Haringvliet dan wel koeltoren)
5. terug naar 1 (cyclus).
(c) (5) Teken een systeemdiagram van de verbouwde Amercentrale. Maak een zinvolle
keuze t.a.v. weer te geven systeemelementen en massa- en energiestromen voor beantwoording van onderstaande deelvragen NB dit is een ’uitgebreide versie’. Een schema
Figure 1: Het gevraagde systeemdiagram Amercentrale
met all´ee´ n weergave torrefactie-eenheid en centrale-eenheid is ook voldoende. Essentieel is correcte weergave van alle stromen, systeemgrens en systeemelementen. Zie
voor verdere toelichting dictaat.
(d) (6) Energie. Stel dat de inzet van biocoal in 2013 maximaal was, gelijk over het jaar
verdeeld, en dat de warmte nodig voor torreficatie in de biocoalfabriek, 35 [MW],
afkomstig is van het fornuis.
i. Stel een energiebalans op voor de centrale
ii. Bereken het intern elektriciteitsverbruik van de centrale bij vollast
iii. Hoe groot is de inzet van biocoal in [MW]?
Antwoord:
1. Energiebalans:
Som van alle energiestromen (in) = Som van alle energiestromen (uit). Voor
de Amercentrale (inclusief torrefactie-unit) wordt dit:
φm,steenkool ·LHVsteenkool +φm,biomassa ·LHVbiomassa = E+Qkoelwater +Qkoelwater +
Qrookgas + Qverlies .
Let op: bij deze keuze van de systeemgrens is de warmte naar de torrefactieunit een interne energiestroom. Indien bij deelvraag (i) de torrefactie-unit
pag. 5 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
buiten de systeemgrens is geplaatst, dan dient in deze energiebalans biomassa vervangen te worden door biocoal en een term Qtorrefactie aan de energiestromen(uit) worden toegevoegd.
2. Het nettorendement van de voor biocoal aangepaste eenheid is 42%. Voor
630
630 [MWe] is dus nodig
= 1500 [MW] aan brandstofinput. Het bruto
0, 42
rendement is 44%. Verschil bruto netto is het intern elektriciteitsverbruik.
Dat is 30 [MWe].
3. Er wordt gevraagd naar de inzet van biocoal, dus systeemgrens exclusief
torrefactie-unit gebruiken. In deelvraag (ii) is al uitgerekend dat de brandstofinput voor 630 [MWe] dan 1500 [MW] is. Het aandeel biocoal (30%) is
dan 450 [MW].
Gebruik systeemgrens inclusief torrefactie-unit is ook goed gerekend.
De elektriciteitsoutput van de aangepaste eenheid, intern gebruik, input en
totaal warmtestromen (voor elektriciteit) zijn respectievelijk 630 [MWe], 30
[MWe], 1500 en (1500 − 630 − 30 = 840 [MW]). Daarnaast moet de warmte
nodig voor torrefactie, 35 [MW], netto opgebracht worden. Stel dat dat met
een rendement van 100% gebeurd (geen verliezen), dan is de totale brandstofinput 1535 [MW]. 30% biomassa in zet is dan 460.5 [MW]
(e) (4) De CO2 afkomstig van biomassastook telt niet mee voor de CO2 -emissiehandel.
i. Bereken de dagelijkse inzet van steenkool en biocoal in de centrale [ton]. Als u
deelvraag d (iii) niet heeft kunnen berekenen, gebruik dan 100 [MW].
ii. Bereken een schatting van de jaarlijks door de inzet van biocoal voor de emissiehandel vermeden CO2 -uitstoot [ton].
Antwoord:
1. De brandstofinzet is 1500[MW]. 1 [GJ/ton] = 1 [MJ/kg]. De inzet van bio450
coal is 450 [MW], oftewel
= 32.14 [kg/s]. De inzet van steenkool is 1150
14
1050
[MW], dat is
= 37.5 [kg/s]. De centrale draait 100% van de tijd, dus
28
vermenigvuldigen met 24 · 3600 en delen door 1000 geeft het aantal tonnen
per jaar. Dat is respectievelijk 2777 ton biocoal en 3240 ton steenkool per dag
(1 miljoen ton biocoal en 1.2 miljoen ton steenkool per jaar!).
Uitgaan van 1535 [MW] is ook goed gerekend.
Als u uitgegaan was van 100 [MW] biocoal inzet, dan is er 1400 [MW] steenkool inzet nodig om de centrale te laten draaien. De hoeveelheid biocoal is
dan 617 ton per dag, de hoeveelheid steenkool 4320 ton per dag.
2. Bij deze deelvraag gaat het erom de hoeveelheid CO2 te berekenen die zou
zijn ontstaan als in plaats van biocoal steenkool zou zijn ingezet. Zoals
aangegeven, telt de hoeveelheid CO2 die vrijkomt uit de biocoal niet mee.
Oplossing: (1) bereken de hoeveelheid steenkool i.p.v. de biocoal; dat is 450
450
[MW] steenkool, of te wel
= 16.07[kg/s] (2) bereken de hoeveelheid
28
CO2 uit deze steenkool: deze bestaat volgens tabel voor 90 gew.% uit CH0.5 .
Het quasi-molgewicht is dus 12.5 [g/mol]. Het molgewicht van CO2 is 44
pag. 6 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
[g/mol], dus uit 12.5 [g] steenkool ontstaat 44 [g] CO2 . De hoeveelheid CO2
wordt dus
44
16.07[kg/s] · 0.9 ·
= 50.9[kg/s]
12.5
Dat staat gelijk aan 1.6 miljoen ton CO2 per jaar.
(f) (4) De adiabatische vlamtemperatuur van biocoal is flink lager (minstens enkele honderden graden) dan die van steenkool. Gebruik de gegevens uit tabel 1 en leg kort uit
met een systeemanalyse waarom dit zo is (U hoeft de berekeningen niet uit te voeren!)(
We weten dat de Cp ’s van CO2 en waterdamp niet veel verschillen (allebei zeg ±1,1
[kJ/kg/K]).
Antwoord:
1. De adiabatische vlamtemperatuur kan berekend worden door de vlam op
een brander te beschouwen als een gesloten systeem, waar de verbranding
plaatsvind
2. Daarbij stellen we ons het volgende pad voor: de brandstof wordt verbrand,
stoechiometrisch, met lucht, bij standaardcondities (1 atm, 15 ◦ C ); de vrijkomende verbrandingsenthalpie wordt gebruikt om de gasvormige reactanten
van de verbranding op te warmen.
3. Dan geldt de eenvoudige
Pn formule
LHVbrandstof = Q = i=1 xi · Cp,i · ∆T
Daarin zijn xi de massafracties van de stoffen 1...n in het ontstane rookgas
4. De te bereiken temperatuur T = T0 + ∆T hangt dan af van twee zaken: (1)
de verbrandingswaarde (LHV) (2) de samenstelling van het rookgas.
5. Uit de tabel zien we dat de LHV van biocoal maar de helft van die van steenkool bedraagt.
6. Het organisch materiaal in steenkool, 90 gew% reageert volgens
CH0.5 + 1.25O2 + 5N2 → CO2 + 0.25H2 O + 5N2
De biomassa, 75% organisch materiaal reageert als volgt:
CH2 O + O2 + 4N2 → CO2 + 1.0H2 O + 4N2
We zien dus dat er in beide gevallen min of meer dezelfde hoeveelheid rookgas ontstaat (bij biomassa iets minder, omdat het molgewicht van 0.75 H2 O
kleiner is dan van 1 N2 ).
7. Kortom, met ongeveer de helft aan warmte dient een vergelijkbare massa
rookgas te worden opgewarmd (de verschillen in Cp ’s zijn te verwaarlozen,
en we beginnen steeds bij T0 ). Daarmee zal de ∆T ook ongeveer halveren,
en er inderdaad een verschil van meerdere honderden graden bestaan tussen
de adiabatische vlamtemperatuur van biocoal en steenkool.
(g) (3) Leg uit waarom, ondanks Carnot, dat het rendement van de centrale nagenoeg
gelijk blijft als biocoal wordt bijgestookt.
pag. 7 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
Antwoord:
Aangegeven is dat de maximale temperatuur in de stoomcyclus 1100◦ C bedraagt.
De te bereiken maximale vuurhaard temperatuur bij verbranden van steenkool is
veel hoger (i.v.m. de hoge adiabatische vlamtemperatuur van steenkool). Bijstoken met biocoal kan dus waarschijnlijk zo gebeuren dat nog steeds dezelfde hoogste temperatuur in de stoomcyclus wordt bereikt (aan de stoomzijde), door de
verbrandingscondities (overmaat lucht) in het fornuis af te stemmen op het bijstoken van biocoal. Omdat de praktische inrichting van de centrale verder niet (veel)
veranderd, zal het verschil tussen werkelijk rendement en maximaal (Carnot) rendement ook niet veel veranderen, en zal het rendement van de centrale dus nagenoeg gelijk kunnen blijven.
17. (15 punten) Klimaatsysteem. In september 2013 is het Fifth Assessment Report van het IPCC
gepubliceerd. Onderstaande figuur komt uit het Fourth Assessment (2007), en geeft een
samenvatting voor beleidsmakers van de toen beschikbare wetenschappelijke kennis en
inzichten.
Figure 2: Radiative Forcing
Uit de figuur blijkt dat het versterkt broeikaseffect heeft geleid tot een onbalans (”Radiative
Forcing”, RF) die is opgelopen tot ± 1.6 [W/m2 ]. In het 5th assessment is deze waarde
nauwelijks bijgesteld.
pag. 8 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
(a) (1,5) Waardoor is de toename van de CO2 -concentratie in de atmosfeer ontstaan?
Antwoord:
1. op grote schaal verstoken van fossiele brandstoffen (sinds de Industri¨ele revolutie)
2. verandering van landgebruik (ontbossing, gebruik als landbouwgrond)
3. cementproduktie
(b) (2) Biomassa maakt deel uit van de snelle koolstofcyclus. Desondanks is het stoken van
voor de energievoorziening geteelde biomassa niet volledig CO2 -neutraal. Leg uit.
Antwoord:
1. zowel kappen als het telen van biomassa is verandering van landgebruik
2. intensieve teelt van biomassa vereist kunstmest; dat wordt gemaakt met
aardgas
3. gemotoriseerd transport van biomassa en gerelateerde zaken vraagt fossiele
brandstoffen
(c) (6) Het broeikaseffect is op hoofdlijnen te begrijpen met een energiebalans voor ’het
systeem aarde’.
i. Teken een correct systeemdiagram voor de beantwoording vand de volgende subvragen.
ii. Gebruik uw systeemdiagram, benoem alle energiestromen en leg uit hoe de energiebalans van het systeem aarde in elkaar zit.
iii. Leg uit hoe de ’long-lived greenhouse gases’(zie figuur 2) de energiebalans be¨ınvloeden.
Betrek daarbij ten minste de Wet van Stefann-Boltzmann en gebruik eventueel uw
diagram.
Antwoord:
1. Zie figuur hieronder
2. De energiebalans van de aarde is een stralingsbalans (energie komt binnen,
verlaat het systeem als straling)
input: zonnestraling
output 1: gereflecteerde zonnestraling (door albedo)
output 2: warmtestraling (uitgezonden door aarde als zwart lichaam)
energiebalans: input = output 1 + 2; als dit zo is is de energie-accumulatie
van de aarde gelijk aan nul, en zal de temperatuur gemiddeld over een aantal
jaren op aarde stabiel zijn.
3. Volgens de Wet van Stefan-Boltzmann is output 2 evenredig met de temperatuur van het oppervlak, tot de vierde macht: φ2,uit ∼ k · T 4
Door ’long-lived greenhouse gases’ wordt de warmtestraling uitgezonden
door het aardoppervlak als het ware voor een deel tegengehouden - de aarde
houdt netto energie vast. De energiebalans herstelt doordat daarmee ook de
pag. 9 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
Figure 3: Het gevraagde systeemdiagram van de Aarde; zie ook dictaat
temperatuur van het aardoppervlak toeneemt, en daarmee, volgens StefanBoltzmann, de uitgezonden hoeveelheid straling(senergie). Er zal gelden
Sin = Suit = γ · k · T 4
Waarin γ de gemiddelde transmissie van de atmosfeer is voor de warmtestraling (γ = 0...1).
(d) (2,5) In figuur 2 is te zien dat halocarbons een relatief grote RF hebben, terwijl de
uitstoot en concentratie van deze halocarbons (CFK’s en HFK’s) veel en veel kleiner is
dan die van CO2 . Leg uit met behulp van het begrip ”atmospheric window”.
Antwoord:
De Radiative Forcing is de onbalans, gemiddeld over de aarde, uitgedrukt in [W/m2 ].
Het ’Atmospheric Window’ is het deel van het absorptiespectrum van de atmosfeer van de aarde waar de transmissie van de atmosfeer voor warmtestraling (output 2) relatief hoog is (γ = f (λ). Juist in dat gebied absorberen de al in de atmosfeer aanwezige broeikasgassen (H2 O, CO2 , CH4 etc.) juist een klein deel van
de door het aardoppervlak uitgezonden warmtestraling. CFK’s en HFK’s blijken
juist w´el straling in dit gebied te absorberen, waardoor een relatief kleine hoeveelheid toch leidt tot een behoorlijke RF.
(e) (3) Een concentratie van 450 [ppm] CO2 in de atmosfeer wordt gezien als de zogen-
pag. 10 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
aamde 2-graden grens. Volgens klimaatwetenschappers kan het klimaat ’op hol slaan’
als we hierboven komen, onder meer door destabiliserende koppelingen in het klimaatsysteem. Er zijn echter ook stabiliserende koppelingen die wellicht helpen de aarde af te
koelen. Beschrijf ten minstens twee stabiliserende en twee destabiliserende koppelingen. Beargumenteer of het waarschijnlijk is dat ze (niet) optreden.
Antwoord:
Stabiliserende koppelingen:
– woestijnkoppeling: positieve Radiative Forcing (RF) leidt (door opwarming en
verandering hydrologische kringloop) tot extra woestijnvorming (rond de evenaar
tot begin subtropen), waardoor de albedo van de aarde groter wordt, waarmee de
RF zal afnemen. Waarschijnlijk: ja, maar (beperkt) effect over zeer lange tijdschaal
– biosfeerkoppeling: als de CO2 -concentratie toeneemt, zal de groei van biomassa
toenemen. Ook zal bij gematigde temperatuurstijging de groei van biomassa versnellen. Als de biomassa opstand vergroot, zal daardoor minder CO2 in de atmosfeer achterblijven (zie snelle koolstofcyclus). Waarschijnlijk: onduidelijk; verandering van landgebruik (ontbossing enz.) lijkt vooralsnog de andere kant op te
werken.
– verwering van silicaat: met dit proces verdwijnt CO2 uit de atmosfeer. Als de
temperatuur oploopt, verloopt de verwering sneller (zie langzame koolstofcyclus
(geochemisch)). Waarschijnlijk: ja, echter zeer zeer lange tijdschaal.
Destabliliserende koppelingen:
– ijs-albedo koppeling. Door opwarming smelt zeeijs (vooral Noordelijke ijszee,
ook rond Antarctica). Daardoor neemt albedo ter plaatse sterk af, en daarmee
lokale opwarming toe, waardoor meer ijs smelt enz. Waarschijnlijk: ja. Zee-ijs
bedekking Noordpool neemt voortdurende (sterk) af.
– permafrost koppeling: door opwarming ontdooit permafrost, dat daardoor kan
gaan rotten en oxideren, met grote emissie van broeikasgassen tot gevolg (CH4
CO2 etc.). Daardoor neemt broeikaseffect verder toe en daarmee opwarming en
ontdooien permafrost enz. Waarschijnlijk: ja, proces is nu gaande, en op veel
plekken tonen meting aan dat bovenste laag permafrost inderdaad ontdooit.
18. (7) Energievoorziening 21ste eeuw. Naast klimaatverandering gerelateerd aan CO2 uitstoot
is ”‘security-of-supply”’ een belangrijkste aanleiding om in te zetten op verduurzaming
van de Nederlandse c.q. Europese energievoorziening. Analyseer kort hoe duurzaam de
elektriciteitsvoorziening in Nederland momenteel is, hoe door aanpassing van de brandstofmix de ”‘security-of-supply”’ van elektriciteit in de 21ste eeuw vergroot kan worden;
geef uw beargumenteerde visie op de mogelijkheden tot verduurzaming (kansen), de inzet
van kernenergie, en mogelijke barri´eres voor de transformatie van onze elektriciteitsvoorziening.
Antwoord:
Voor de bonusvraag is bewust geen uitwerking opgenomen.
– Einde van de vragen –
pag. 11 van 14
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
– Deze pagina is bewust blanco –
pag. 12 van 14
2 juli 2014
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014
Formuleblad
• Energie [J]:
1
Ekin = 2 m · v 2
Q = Cp · m · ∆T
(Th − Tc )
Wmax = Qh ·
Th
Qc = Qh − Wmax = Qh ·
E = 2, 31 · 10−19 ·
Tc
Th
Q1 .Q2
r
• Avogadro [moleculen/mol]:
NAvogadro = 6, 022 ∗ 1023
• Straling:
S = k · T 4 [W/m2 ])
k = 5, 67 · 10−8 [W/m2 /K−4 ]
c
λpiek =
Tpiek
ν = c/λ[s−1 J]
c = 3, 000 · 108 [m/s]
E = h · ν[J]
h = 6, 62608 · 10−34 [J · s]
• Heisenberg:
∆x · ∆(m · v) ≥
h
4π
• Ideaal gas:
P ·V =n·R·T
R = 8, 31451[J/(K · mol)]
1[atm] = 101, 235[J]
pag. 13 van 14
5
6
7
8
9
10
11
12
pag. 14 van 14
Ra
226
Fr
(223)
La
Ba
137.3
88
Cs
Y
88.91
57
Sr
87.62
56
Rb
85.47
55
132.9
87
44.96
39
40.08
38
39.10
37
Ac
(227)
138.9
89
Unq
178.5
104
Hf
91.22
72
Zr
47.88
40
Ti
22
Sc
21
Ca
K
Figure 4: Periodiek systeem der Elementen
24
(231)
232.0
Pa
140.9
91
140.1
90
Th
59
Pr
58
Unh
183.9
106
W
95.94
74
Mo
52.00
42
Cr
Ce
Unp
180.9
105
Ta
92.91
73
Nb
50.94
41
V
23
U
238.0
144.2
92
Nd
60
Uns
186.2
107
Re
(98)
75
Tc
54.94
43
Mn
25
Np
(237)
(145)
93
Pm
61
Uno
190.2
108
Os
101.1
76
Ru
55.85
44
Fe
26
Pu
(244)
150.4
94
Sm
62
Une
192.2
109
Ir
102.9
77
Rh
58.93
45
Co
27
Am
(243)
152.0
95
Eu
63
Uun
195.1
110
Pt
106.4
78
Pd
58.69
46
Ni
28
Cm
(247)
157.3
96
Gd
64
Uuu
197
111
Au
107.9
79
Ag
63.55
47
Cu
29
Bk
(247)
158.9
97
Tb
65
Uub
200.6
112
Hg
112.4
80
Cd
65.38
48
Zn
30
Al
4
3
Mg
24.31
20
Na
10.81
13
Be
9.012
12
Li
6.941
11
22.99
19
5
4
1.008
3
Cf
(251)
162.5
98
Dy
66
204.4
Tl
114.8
81
In
69.72
49
Ga
26.98
31
B
13
3A
2
2A
H
1
1
1A
Es
(252)
164.9
99
Ho
67
207.2
Pb
118.7
82
Sn
72.59
50
Ge
28.09
32
Si
12.01
14
C
6
14
4A
Fm
(257)
167.3
100
Er
68
209
Bi
121.8
83
Sb
74.92
51
As
30.97
33
P
14.01
15
N
7
15
5A
Md
(258)
168.9
101
Tm
69
(209)
Po
127.6
84
Te
78.96
52
Se
32.07
34
S
16.00
16
O
8
16
6A
No
(259)
173.0
102
Yb
70
(210)
At
126.9
85
I
79.90
53
Br
35.45
35
Cl
19.00
17
F
9
17
7A
Lr
(260)
175.0
103
Lu
71
(222)
Rn
131.3
86
Xe
83.80
54
Kr
39.95
36
Ar
20.18
18
Ne
4.003
10
2
He
18
8A
TB142Ea
Tentamen(vervolg)
2 juli 2014