Hoofdstuk 3 Flashcards
energieketen
- ontginning van primaire energie (fossiele brandstoffen, nucleare energie, wind/zonne energie)
- energieconversie en distributie (energie bronnen omzetten in elektriciteit en vervolgens verdelen via het elektriciteitsnet)
- eindconsumptie (de juiste technologie om de omgezette energie te kunnen gebruiken)
energie definitie
het vermogen om om verandring te veroorzaken of het vermogen om nuttige arbeid te leveren
eneegie inhoud
de totale hoeveelheid arbeid die moet verricht worden om vanaf een grondtoestand tot de huidige toestand te komen
arbeid
de inspanning die door een krachtbron dient geleverd worden om een voorwerp te verplaatsen
SI eenheid arbeid en energie
Joule (J)
1 J is de hoeveelhied energie nodig om een kracht van 1 Newton uitte oefenen over een afstand van een meter
1 J = 1 N.m = 1 kg.m².s²
calorie
energie nodig om 1 gram water met 1C° op te warmen
1 cal = 4,190 J
ton olie equivalent
energie die vrijkomt bij het verbranden van 1 ton aardolie
1 toe = 41,87 * 10^9 J
kilowatt-uur
Als men een machine met een vermogen van 1 kW één uur laat werken heeft men een energie van 1 kWh verbruikt
1 kWh = 3.600.000 J
wetten van thermodynamica
1e wet: behoud van energie:
de totale energie blijft in een gesloten systeem steeds constant
2e wet: restrictie op de (spontane) omzetting van energie:
een systeem streeft altijd naar een minimale energie inhoud, omdat een voorwerp op deze manier naar zijn evenwichtstoestand kan streven: hij wilt zo veel mogelijk energie afgeven aan de omgeving
een systeem streeft ook altijd naar maximale entropie (=chaos, wanorde)
Etot (totale energie)
Emech (=Ekin + Epot) + Ethermisch + Eelektrisch + Echemisch + Emagnetisch + Enucleair
microscopische energieën
= Ekin + Epot = interne energie (U)
vermogen
hoeveelheid energie die per tijdseenheid wordt omgezet
SI-eenheid: Watt (W) = J/s
paardenkracht (pk)
1pk = 736 Watt
fossiele energiebronnen
- steenkool
- aardgas
- olie
gevormd uit prehistorisch levend materiaal dat na afsterven bedolven werd onder dikke lagen zand en modder. Voor miljoenen jaren werd dit onderworpen aan druk en temperatuur. Afhankelijk van die druk en temperatuur ontstond er olie, gas of kool.
OPEC
organisatie van olie-exporterende landen waaronder - Iran - Irak - Saoedi-Arabië - UAE 30 miljoen vaten ruwe olie/dag 80% van aardolie reserves
aardolie ontstaan
ontstaat uit zee organismen die werden bedolven onder oceaansediment. Hieruit zijn dan oliebelletjes ontstaan die steeds groter werden en dieper zaten. aangezien olie lichter is dan water en het een opwaartste beweiging heeft, kan het uit het reservoirgesteente opgeboord worden.
aardveld
groote reservoirgesteente die de fysische en chemische eigenschappen van de fossiele energiebron zal bepalen
aardolie primaire winning
de aardolie wordt door natuurlijke druk van het onderliggende water (licht blauw) en door de uitzetting van de gassen (geel) boven de aardolielaag, naar omhoog
aardolie secundaire winning
de ondergrondse druk door de voortdurende ontginning is te laag geworden en dus moet men gaan pompen. Onafhankelijk van de pomp wordt het samengeperst gat in de boorput geïnjecteerd, vermengt met de olie en zal de gas door de
uitzettingskracht de olie naar boven stuwen. Dit kan op 2 manieren:
aardolie tertiaire winning
gebruik van thermische en/of chemische processen
thermisch: stoom wordt geïnjecteerd om de olie op te warmen en de viscositeit ervan te verlagen
chemisch: gebruik van detergenten om de olie uit het gesteente te wassen
aardgas ontstaan
ontstaat op dezelfde manier als aardolie en wordt vaak samen gevonden
aardgas bestaat voor het grootste deel uit methaan (CH4)
verbranding methaan reactie
CH4 + 2O2 -> 2H2O + E
er komt energie vrij vanwege de wijziging in molecuulconfiguratie = interatomaire bindingsenergie
de IABE van de reagentia (links) is groter dan van de reactieproducten waardoor er energie vrijkomt aan de reactieproducten (rechts)
aardgas eigenschappen
- makkelijker te zuiveren dan olie
- miliuevriendelijker
- schaarser dan olie en kool
aardgas vervoer
in gasleidingen gemaakt uit metaal of kunststof
aardgas opslag
als gas onder druk = CNG (compressed natural gas)
als vloeistof = LNG (liquified natural gas)
steenkool ontstaan
ontstaat uit de afzetting van plantenresten die in een verleden zijn gevormd en daarna langdurig aan hoge druk en warmte zijn blootgesteld
steenkool eigenschappen
- overal in grote afzettingen te vinden
- word in veel verschillende processen gebruikt
- meest vervuilende fossiele brandstof
- goedkoopst
voor en nadelen fossiele brandstoffen
zie afb
nucleaire energiebronnen
INTRAatomaire bindingen worden verbroken
energie dat vrijkomt kan tot 1 miljoen keer groter zijn dan bij fossiele brandstoffen omdat intra atomaire bindingen vele malen groter zijn dan inter atomaire bindingen
manieren om interne structuur van een atoom te wijzigen
- atoomkern bombarderen met neutron
- straling gebruiken = radioactief verval
- kernsplijting
- kernfusie
atoomkern bombarderen
een atoomkern kan worden ‘gebombardeerd’ met een neutron en dit absorberen, waardoor een ander (instabiel) atoom ontstaat
radioactief verval
gebruik van verschillende soorten straling om de kern te desintigreren
kernsplijting/kernfissie
het splitsen van een zware kern, vooral bij 235U, 239Pu en 233U
nucleaire splijtingsreactie
wanneer een splijtbaar materiaal interageert met een laag energetisch neutron, de neutron wordt als gevolg opgenomen door de atoom kern van dit materiaal
gevolgen eerste splijtingsreactie
het gevormde 236U ondergaat eneerzijds radioactief verval met uitstraling van α deeltjes, maar veel belangrijker is ondergaat het onstabiele 236U spontane kernsplijting met vrijstelling van onder andere 3 neutronen en 3 *10^-11 J (E)
zie p47 cursus voor reactie
energie die vrijkomt tijdens kernsplijting
de som van de massa’s van de nieuwe ontstaande atoomkernen en neutronen is kleiner dan de massa van het uitgangsmateriaal. die ontbrekende massa wordt omgezet in energie volgens E = mc² en doordat c² zo ontzettend groot is komt er veel energie vrij
per kg 235U komt er ong 77 TJ vrij
ketting reactie bij kernsplijting
de vrijgestelde neutronen kunnen opnieuw interageren met 235U
probleem: de vrijgestelde neutronen hebben een hoge kinetische energie waardoor ze niet worden aanvaard door de 235U kern.
oplossing: gebruik van een moderator (vb: water of grafiet)
er mag slechts één van de vrijgestelde neutronen een nieuwe kernsmlijting aan gaan anders wordt de reactie oncontroleerbaar
moderator
materiaal dat snelle neutronen afremt zonder ze te absorberen
Uranium
99% van Uranium is in de vorm van 238U
slehts 0,7% is in de vorm van 235U
238U kan neutronen absorberen, maar niet afremmen om dus de ketting reactie op gang te houden dient men de verhouding 235U/238U te verhogen (=235U vehogen)
schaarste bij Uranium
de totale voorraac aan splijtbaar uranium kan slechts zorgen voor 2600 EJ, dit is veel kleiner dan de geschatte energie die de totale voorraad kool kan leveren. Dus probeert men kweekreactoren te gebruiken waar men fertile material omzet wordt in splijtbare kernen (238U of 232Th)
zie p47 cursus voor reactie
radioactief verval
materiaal dat radioactieve isotopen bevat of daarmee besmet is, in concentraties hoger dan wat minimaal meetbaar is en waarvoor geen praktische toepassingen bekend zijn
kernfusie
het samensmelten van kernen van verschilende atomen, waarbij een ander element wordt gevormd. Wanneer atomen van lichte elementen zoals waterstof, wordt ongeveer 0,67% van de massa omgezet in energie
eigenschappen kernfusie
- niet commercieel, rendement is nog niet hoog genoeg
- geen kettingreactie
- het proces kan slechts aan de gang worden gehouden onder extreem hoge druk en termperatuur (150.000.000 °C)
- hoe groter het atoomnummer, hoe moeilijker de reactie
- de buitenste schillen van de atomen moet ontdaan zijn, hiervoor is een zeer hoge Ekin nodig
- pas wanneer der kernen dicht genoeg bij elkaar liggen kan de aantrekkende sterke kernkracht de afstotende kracht tussen positieve kernladingen teniet doen en kan er een fusie plaatsvinden
- waarom gebruiken? kan zonder radioactief verval
plasma
een gas dat uit positief geladen atoomkernen en negatieve vrije elektronen
Kernfusie reactie 1: Tritum en deuterium
beide stoffen zijn vormen van waterstof, tritum is natuurlijk, deuterium is synthetisch
de energie die bij deze reactie vrijkomt wordt berekend aan de hand van hoeveel massa er verloren gaat. In dit geval is dit 337 TJ per kg tritum of deuterium. Deze energie wordt deels gedragen door het t α deeltje en door de neutronen
voordelen en nadelen bij kernfusie tussen deuterium en tritium
zie afb