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
kernfusie tussen 2 deuterium kernen
- kleinere activatie energie nodig
- deuterium is zo goed als onuitputbaar
- radioactief verval
kernfusie tussen 2D en 3He
- er worden geen neutroneen geproduceerd
- geen radioactoef verval
- 3He komt niet natuurlik voor en moet dus uit Li en H worden geproduceerd
triple alfa reactie
- meest effieciënt aangezien alle vrijgekomen energie word gedragen door de α deeltjes
- geen radioactief verval
voordelen en nadelel kernfusie algemeen
zie afb
hernieuwbare energiebron
een energiebron is hernieuwbaar als de productiesnelheid in de natuur even snel is als de consumptiesnelheid door de maatschappij
zonnstraling
de energie input op aarde is bijna uitsluitend te danken aan zonnestraling
elektromagnetisch spectrum
voortplanting van elektrische en magnetische oscillaties door de ruimte dat door de zon wordt verspreid. De zon straalt licht uit in het volledig spectraal gebied.
energie-inhoud van een foton (formule)
E = h . v = h . (c/ λ)
h = constante van Planck (J.s) v = frequentie (Hz of 1/s) λ = golflengte (m) c = lichtsnelheid (m/s)
zonneconstante
net buiten de dampkring van de aarde is het energetisch vermogen van de zonnestraling 1353 W/m² op een vlak loodrecht op de zonnestraling
zonne-energie gebruiken
- als lichtbron
- als drijvende kracht bij natuurlijke ventilatie
- elektriciteitsproductie
- zonne-energie zorgt voor wind energie (2%)
- zonne-energie zorgt voor plantengroei
hoe ontstaat wind
wind ontstaat door temeratuurs verschillen (zon) en door grote druk en dichtheidsverschillen, dit samen met het ronddraaien van de aarde zorgt voor stroming in de lucht
flux (ɸ)
het aantal moleculen gas dat getransporteerd wordt doorheen een eenheidsoppervlakte per eenheid van tijd
flux (formule)
ɸ = n . v (m^-2.s^-1)
n = concentratie van molecules v = snelheid van de stroom
totale stroom (Φ) (formule)
Φ = ɸ. A (s^-1)
A = oppervlak
gemiddelde energie van een molecule als gevolg van een bulkbeweging (formule)
E = 1/2 . m . v² (J)
m = gemiddelde massa van de gasmoleculen
vermogendensiteit van de wind (Pw)
de hoeveelheid energie die per tijdseenheid doorheen een eenheidsoppervlakte wordt getransporteerd
Pw (formule)
Pw = 1/2 . m . v² . ɸ = 1/2 . m . n . v³ = 1/2 . p . v³ (W.m^-2)
p = gasdichtheid en bedraagt bij STP (standard temperature and pressure) 1,29 kg.m^-2
biomassa
alle organische en hernieuwbare grondstoffen en materialen van plantaardige of dierlijke oorsprong die bestemd zijn voor industriële toepassingen of voor energie-opwekking.
fotosynthese (reactie)
6CO2 + 6H2O -> 6O2 + C6H1206 (= glucose)
rendement bij bio-energie
slechts een fractie van 1%, toch commercieel interessant omwille van economische en ecologische aspecten
soorten bio massa
- energieteelten (suiker, zetmeel of oliehoudende gewassen)
2. organische restfracties (waste to energie, houtafvak, mestafval etc)
voordelen en nadelen bio-energie
zie afb
waterkracht
de beweging van water dat zich van hoog naar laag verplaatst waardoor gravitaionele energie wordt vrijgesteld
stromingsenergie
water wordt door een turbine of waterwiel geleid, waarbij stromingsenergie wordt omgezet in rotatieenergie voor de opwekking van elektriciteit
golfslag- en getijdenenergie
energie wordt gewonnen uit het wisselen van de waterhoogte op zee onder
invloed van de golven (geïnduceerd door eb en vloed)
energiedensiteit van water (formule)
W= g. ρ. (h/2)² (J/m²)
p = 1000kg/m³
hydro-elektrische energie²
: rivierwater wordt gecollecteerd
achter stuwdammen (meer energie bij hogere drukken en dus grotere hoogteverschillen) die
vervolgens door turbines geleid wordt om elektriciteit op te wekken (waterkrachtcentrales of
hydraulische)
geothermische energie
= aardwarmte energie, omwille van de zon die de aarde al miljoenen jaren owarmt zit er opgeslagen warmte in de grond
enkel op aanzienelijke diepte, waar de temperatuur constant is, kunnen we die warmte omzetten in elektriciteit. de warmte dichter bij het oppervlak kan uitsluitend worden gebruikt voor het verwarmen van gebouwen of water
aardwarmte winning
- boren in warmwaterreservoirs en via stoom elektriciteit opwekken, voor hergebrik wordt er koud water in teruggepompt
- petrothermale geothermie: onder enorme druk water in warme gesteentelagen te pompen, zo warmt het water op en wordt het via een andere leiding weer uitgepompt
- gebruik van een U-bocht
voordelen en nadelen waterkracht en geothermische energie
zie afb
energieconversie
technologische processen om energiebronnen om te zetten in nuttige energiedragers zoals (bio) brandstofdfden of elektriciteit
aardolie tot klassieke brandstoffen
- destillatie
- conversie
- chemische nabehandeling
destillatie
Een fysisch-chemische scheidingstechniek om twee of meer stoffen in een oplossing te scheiden op basis van verschillende kookpunten. Het proces van
destillatie wordt meermaals herhaald = continudestillatie: Hier worden verschillende fracties op verschillende hoogtes uit de kolom afgetapt
LPG (liquified petroleum gas)
- brandstof voor verbrandingsmotoren
- mengsel van propaan en butaan
benzine
- brandstof voor verbrandingsmotoren
- heeft additieven nodig anders zal de motor beginnen kloppen, de klopvastheid wordt uitgedrukt in het octaangetal
- hoe hoger het octaangetal, hoe klopvaster de benzine
kerosine
- brandstof voor straalmotoren en vliegtuig
diesel en stookolie
- verschil met benzine is dat diesel moet kloppen (centaan-getal)
- licht/half-zware/zware stook olie voor (in die orde) verwarmingsinstallaties, serres en schepen
bitumen
- voor asfalt
biomassa tot biobrandstoffen
het oomzetten van plantaarig materiaal in vloeibare of gasvormige brandstoffen kan plaatsvinden via:
- thermo-chemische verwerking (vergassing)
- biologische verwerking (fermentatie)
- fysisch=chemische verwerking (extractie)
fermentatie
biochemische omzetting mbv schimmels, bacteriën en/of enzymen in een
omgeving zonder zuurstof en nitraat
productie van bio-ethanol
- natuurlijke suikers extraheren = suikerriet of bieten worden in stukjes gesneden en gekookt, waardoor een suikervloeistof ontstaat.
- gevormde glucose fermenteren tot alcohol
- baggage (=reststoffen) afscheiden
- ethanol/water mengsel destilleren tot 90% alcohol
- resterende water scheiden door middel van pervaporatie
het gevormde ethanol kan men toevoegen bij een benzine motor (5-20%)
productie van biodiesel
als grondstof wordt plantaardige olie (PPO) gebruikt de omzetting gebeurt via 2 stappen:
- verzeping:
- verestering van de vrijevetzuurketens
tot 30% biodiesel kan worden bijgemgd zonder aanpassing van de motor
productie van synthese- en biogas
via thermo-chemische vergassing en pyrolyse of anërobe vergisting
thermo-chemische vergassing
thermische behandeling (meestal hout) bij een temperatuur van 700-900 °C levert synthesegas.
synthesegas
brandbaargas bestaande uit H2 en CO dat kan worden gebruikt - na reiniging - voor warmte en elektriciteitsopwekking
pyrolyse
= droge destillatie: proces waarbij materiaal wordt ontleed door het te verhitten zonder dat zuurstof er mee in contact komt. Hierdoor ontstaat er een olie, brandbare gassen en kool die ook kunnen worden gebruikt
anaërobe vergisting
Deze afbraak of vergisting van organisch materiaal met een hoog vochtgehalte vormt biogas
Er zijn 5 stappen:
- Hydrolyse: chemische reactie waarbij met water gesplitst wordt. Het complexe biomassamateriaal worden hier enzymatisch omgezet in kleinere verbindingen, die op deze manier door bacteriën opgenomen kunnen worden
- Acidogenese (fermentatie): microbiële omzettingsreacties waarbij substraten in een
zuurstofarme omgeving omgezet worden in verbindingen met een lager moleculair gewicht - Acetogenese: alcoholen en zuren worden omgezet in azijnzuur, H2 en CO2
- Methanogenese: productie van methaan via hydrogenotrofe en/of acetotrofe microorganismen
- Het digestaat (restproduct) dat gevormd wordt kan gebruikt worden als bodemadditief
klassiek-thermische elektriciteitscentrale
verbranding brandstof -> stoom -> stoomturbine -> alternator -> elektriciteit
via condensatie (koeltoren) verandert de stoom weer in water en kan het proces opnieuw plaatsvinden
35-40% van chemische energie wordt omgezet in elektriciteit
repowering
manier om het rendement te verhogen van een klassieke centrale
combi-centrale
combinatie van een gas-turbine en klassieke stoomturbine: het gas wordt gebruikt als voorschakeling waarbij de uitlaatgassen ervan gebruikt worden als verbrandingslucht voor de stoomketel die bijgestookt wordt met de gasbranders
rendement: 45%
STEG-centrale
= stoom en gas centrale: hier wrdt er niet bijgestookt, maar gaat de stoom (na het aanwekken van de alternator) in een recuperatiestoomketel terecht. Daar verhit het een buizenstelsel gevuld met water dat ook weer in stoom wordt omgezet wat dan ook weer een alternator opwekt.
rendement: 57-60%, maar economisch niet voordelig owmille van ombouwkosten
warmtekrachtkoppeling (WKK)
het tegelijk produceren van warmte (hoofdproduct) en elektriciteit (bijproduct) in eenzelfde installatie. zelfde principe enkel wordt de stoom dan gebruikt voor warmtetoepassingen
Elektriciteitsproductie uit nucleaire energiebronnen
principe is dezelfde als bij een klassieke centrale
PWR-eenheden
= pressurized water units: 3 kringlopen
1e kringloop = primaire kring: kernsplijting waarbij veel energie vrijkomt -> water warmt op (300°C) en blijft vloeibaar omdat de druk heel hoog wordt opgevoerd door het drukregelvat. In de warmtewisselaar wordt dan water omgevormd in stoom, waarna die in de 2e kringloop terecht komt.
2e kringloop: generator (hier gebeurt de warmte-uitwisseling) die bestaat uit duizenden buizen,
turbine, alternator, transformator
3e kringloop: condensor, koeltoren
fotovoltaïsche zonnecel
licht wordt rechtstreeks omgezet in elektriciteit via absorptie van fotonen door een halfgeleidermateriaal.
rendement bij zonnecelen van 10x10cm: 15%
autonome PV-systemen
niet gekoppled aan elektriciteitsnet, maar gebruikt een batterij voor energieopslag
netgekoppelde PV-systemen
verbonden met het openbaar elektricicteitsnet
PV-module
= fotovoltaïsche module: zonneceleln die in serie worden geschakeld
windturbines
drag of lift type, lift wordt veruit het meeste gebruikt
windturbine werking
gebruik van een rotorblad, windenergie wordt omgezet in draaiende beweging -> generator -> elektriciteit, hoeveerlheid energie hangt af van windsnelheid en dichtheid alsook van het rotoroppervlak
elektriciteitsproductie uit biomassa
via rechtstreekse verbranding: biomassa samen met steenkool verbranden
of verbranding van syngas of biogas: gas samen met steenkool verbranden
brandstofcellen
= elektromagnetische toestellen die chemische enrgie direct omzetten in elektrische energie die werken volgens het principe van indirecte energieconversie (eerst wordt chemische energie omgezet in thermische energie, pas daarna in mechanische energie). De meest gekende brandstofcel is de waterstof/zuurstofcel (zie p67 cursus)
eenheidsoperaties
een geheel van mechanische, thermische, fysische en/of (bio)-chemische deelprocessen die in een weldoordachte volgorde worden samengebracht omdat ze allen steunen op een beperkt aantal wetenschappelijke fundamentele principes én omdat ze inzetbaar zijn in de meeste diverse industrietakken
PID
proces and instumentation diagram
Eenheidsprocessen gaan altijd gepaard met 1 of meerdere fysische transportverschijnselen ,
onderverdeeld in 3 types:
- monentumtransfer
- warmtetransfer
- massatransfer
momentumtransfer/stroming
momentumtransfer/stroming
volledige bulkmatrix van fluida en vaste deeltjes onder invloed van een drukverschil (Δp)
2 soorten stroming
- laminaire stroming: stroombeweging is evenwijdig
- turbulente stroming: stroombeweging is willekeurig
Reynalds getal (Re)
Re = p . v . L/η
v = snelheid p = druk L = lengte van de buis η = viscositeit van de stof
Re < 2000 => laminair
Re > 4000 => turbulent
warmtetransfer
overdracht van warmte van een plaats naar een andere plaats onder invloed van een temepratuurverschil (ΔT)
massatransfer
netto beweging van een stof in een mengsel van een eerste naar een tweede locatie
maw: het verplaatsen van een stof binnen in een bulkmatrix onder invloed van een concentratieverschil (Δc)
