Duurzame ontwikkeling en kringlopen (DOK) Toets 30% Docenten: Hans Geerlings en Henk Nugteren Datum: 2 juni 2014 Tijd: 13:45 – 15:45 uur Zaal: TN 4.25 Deze toets telt voor 30% voor het eindresultaat DOK De toets bestaat uit: 1. Twaalf WAAR / NIET WAAR keuzevragen 2. Dertig meerkeuzevragen 3. Open vraag exergie 4. Open vraag kringlopen Totaal
5 10 7,5 7,5
punten punten punten punten
30
punten
Gebruik bij de onderdelen 1 en 2 de bijgevoegde tabellen en lever het geheel in. Maak onderdelen 3 en 4 elk op een afzonderlijk vel. Succes
Deel 2. Dertig meerkeuzevragen 1. De aarde als geheel is een a. geïsoleerd systeem op weg naar een evenwichtssituatie b. open systeem voor energie en een gesloten systeem voor materie c. gesloten systeem voor energie en een open systeem voor materie d. open systeem voor energie en materie 2. Exergie is a. energie die van buiten een systeem wordt ingebracht b. de energie die bij een proces verloren gaat naar de omgeving c. de maximale hoeveelheid energie die kan worden gewonnen bij het in evenwicht brengen van een systeem met zijn omgeving d. de maximale hoeveelheid energie die door een verbrandingsproces vrijkomt 3. Als we bij normale atmosferische omstandigheden een warmtebron van 1225 °C hebben, dan is de hoogst haalbare theoretische efficiëntie voor de productie van elektriciteit a. 20% b. 60% c. 80% d. 100% 4. Het is onmogelijk om een warmtestoom van 10 oC in te zetten voor het verwarmen van een gebouw, waar een temperatuur van 20 oC gewenst is. a. Dit is juist, want verboden door de eerste hoofdwet b. Dit is juist, want verboden door de tweede hoofdwet c. Dit is onjuist. De inzet van een additionele energiedrager van hoge kwaliteit is echter gewenst d. Dit is onjuist. De inzet van een additionele energiedrager van hoge kwaliteit is noodzakelijk 5. Men spreekt van positieve feedback a. als de gevolgen van een proces veranderingen te weeg brengen die het proces verzwakken b. als de gevolgen van een proces veranderingen te weeg brengen die het proces versterken c. als de gevolgen van een verandering in een systeem positief zijn voor het milieu d. als een systeem op een verandering reageert door energie efficiënter te benutten 6. Het verschijnsel van oscillerende populaties van lynxen en hazen is een voorbeeld van a. positieve feedback b. negatieve feedback c. combinatie van een positieve feedback voor de geboorten en een negatieve feedback voor de sterfte d. negatieve feedback voor de lynxen en een positieve feedback voor de hazen
7. Voor een brandstof is het verschil tussen de higher heating value (HHV) en de lower heating value (LHV) bepaald door a. de condensatie enthalpie van water b. de hoogste en laagste gemeten waarden c. de verbrandingstemperatuur in de oven d. de efficiëntie van warmteoverdracht in het systeem 8. Het smelten van het ijs aan de noordpool leidt a. tot een verlaging van de albedo van de aarde b. niet tot een verstoring van de warmtebalans van de aarde c. tot een meetbare verhoging van de albedo van de aarde d. tot een verhoging van de intensiteit van UV-straling aan het aardoppervlak 9. De zuurstof die gevormd werd door de eerste fotosynthese op aarde werd grotendeels gebruikt voor a. de ontwikkeling van dierlijk leven b. de vorming van water c. de oxidatie van gereduceerde species zoals Fe, waardoor ijzerertsen zijn ontstaan d. de vorming van aardolie 10. De drie meest voorkomende elementen in de aardkorst zijn a. O, C, N b. Si, Al, K c. H, O, C d. O, Si, Al 11. De lithosfeer is a. de buitenste gesteentelaag van de aarde bestaande uit korst en mantel b. de aardkorst c. de vloeibare mantel van de aarde d. het gedeelte van de aarde waarin al het leven zich bevindt 12. Milankovich cycli zijn a. natuurlijke cycli van bacteriële groei verantwoordelijk voor fluctuaties in het zuurstofgehalte in de oceanen b. periodieke variaties in de beweging van de aarde om de zon c. het geheel van de materiaalkringlopen op aarde d. temperatuur cycli verantwoordelijk voor het optreden van ijstijden 13. De koolstof die in de vroege aarde als CO2 in de atmosfeer zat vinden we nu voornamelijk terug in a. fossiele brandstoffen b. biomassa c. oceanen d. kalkstenen en dolomieten
14. Voor een populatie van individuen met grootte N in een ecosysteem E geldt als N in de buurt van de draagkracht van E komt dat a. dN/dt < 0 b. dN/dt = 0 c. dN/dt > 0 d. d2N/dt2 = 0 15. Exponentiele groei van een populatie met grootte N is volhoudbaar zolang a. N constant is b. groeibeperkende factoren geen rol spelen c. dN/dt groter dan nul is d. dN/dt evenredig met N blijft 16. Bij verhoging van de temperatuur van een zwart lichaam a. neemt de frequentie van het uitgestraalde licht af b. wordt de snelheid van het uitgestraalde licht groter c. wordt de golflengte van het uitgestraalde licht kleiner d. neemt de albedo toe 17. De aarde absorbeert meer zonne-energie dan Venus. a. Dit is onzin. Venus staat dichterbij de zon b. Dit is waar. Venus staat verder van de zon af c. Dit is waar. Venus straalt meer energie uit dan de aarde d. Dit is waar. De albedo van Venus is groter dan die van de aarde 18. Per vierkanter meter steroppervlak straalt de zon meer energie uit dan een rode reus met een effectieve temperatuur van 3000 K. Hoeveel meer? a. een factor 8 meer b. een factor 16 meer c. een factor 32 meer d. dit is een strikvraag. De rode reus straalt meer energie uit dan de zon 19. Het ozon die ons beschermt tegen schadelijke UV-straling van de zon bevindt zich in de a. mesosfeer b. troposfeer c. bovenlaag van de stratosfeer d. tropopauze onder in de stratosfeer 20. Aerosolen hebben over het algemeen a. een verkoelend effect omdat zij de albedo van de atmosfeer verhogen b. een verwarmend effect doordat zij warmte absorberen c. geen effect op het klimaat d. alleen effecten op het klimaat op de zeer lange duur
21. Ten gevolge van de toename van de CO2 concentratie in de atmosfeer verzuren de oceanen. Sinds het begin van de industriële revolutie is de pH van het zeewater a. met ongeveer 0.1 eenheid gestegen b. gelijk gebleven c. met ruwweg 0.1 eenheid gezakt d. met 0.3 eenheden gezakt 22. Het is niet mogelijk om de huidige inzet van fossiele brandstoffen te vervangen door zonne-energie a. Dat is niet waar. De zon levert hiervoor te weinig energie b. Dat is waar. De zon levert genoeg energie c. Dat is niet waar. De zon levert genoeg energie d. Dat is waar. De zon levert te weinig energie 23. In het zelfregulerende systeem van Daisy World bestaan witte en zwarte bloemen waarvoor geldt dat a. de zwarte bloemen optimaal groeien bij een hogere temperatuur dan de witte bloemen b. de zwarte bloemen optimaal groeien bij een lagere temperatuur dan de witte bloemen c. beiden soorten even goed blijven groeien binnen een bepaald temperatuur interval d. beide soorten optimaal groeien bij dezelfde temperatuur 24. Het belangrijkste reservoir van stikstof is a. biomassa b. land c. sedimenten d. atmosfeer 25. De huidige koolstofkringloop verschilt van de koolstofkringloop in de middeleeuwen doordat a. antropogene CO2 productie ervoor heeft gezorgd dat de meeste stromen zijn toegenomen en de concentratie van CO2 in de atmosfeer is gestegen b. verbranding van fossiele brandstoffen voor extra CO2 heeft gezorgd, die nu allemaal in de atmosfeer is opgeslagen c. de industrie en landgebruik hebben gezorgd voor CO2 toename in de atmosfeer, waardoor de fotosynthese/respiratie stromen zijn gereduceerd d. het fossiele koolstofreservoir vrijwel is uitgeput 26. Aardolie en waterstof zijn beiden belangrijk in de energietechnologie. De volgende bewering is juist a. aardolie en waterstof zijn beiden energiebronnen b. aardolie is een energiedrager, waterstof een energiebron c. aardolie is een energiebron, waterstof een energiebron en energiedrager d. aardolie is een energiebron en energiedrager, waterstof is een energiedrager
27. De bijdrage van hernieuwbare energiebronnen aan de wereldenergievoorziening is momenteel ongeveer a. 45% b. 35% c. 25% d. 15% 28. De metaalprijzen zijn gedurende de laatste eeuw redelijk stabiel gebleven omdat a. deze door de politiek kunstmatig constant werden gehouden b. er steeds betere exploratiemethoden werden toegepast waardoor hoger geconcentreerde ertsen werden opgespoord c. de technologie van mijnbouw en verrijking werden verbeterd waardoor schaalvergroting plaatsvond d. steeds meer metalen konden worden gerecycled 29. Onder precessie wordt verstaan a. De beweging van de draaias van de aarde, die daardoor als een soort tol draait b. Het feit dat de aardas niet loodrecht op de ecliptica staat, maar daarmee een hoek maakt c. Dat de baan van de aarde om de zon excentrisch is d. Dat een zijde van de maan altijd naar de aarde gericht is 30. Het begrip equity staat voor a. volledige gelijkheid voor iedereen b. eerlijke verdeling van welvaart, macht en kennis, enz c. het wegnemen van de verschillen in emissierechten tussen verschillende bedrijven d. vrije migratie van personen over de gehele wereld
Deel 1. Stellingen broeikaseffect en klimaatverandering 1. Het broeikaseffect is een proces dat alleen wordt veroorzaakt door de uitstoot van broeikasgassen door menselijke activiteiten. 2. Broeikasgassen in de atmosfeer absorberen het door de aarde gereflecteerde zonlicht waardoor de atmosfeer opwarmt. 3. Zonder broeikaseffect zou de temperatuur op het aardoppervlak zo laag zijn dat leven nauwelijks mogelijk zou zijn. 4. Temperatuurtoename op aarde is mede een gevolg van het gat in de ozonlaag, waardoor meer zonnestraling het aardoppervlak kan bereiken. 5. Het broeikaseffect is een gevolg van kortgolvige stralingsprocessen. 6. De relatief warme broeikasgassen worden in bepaalde atmosferische lagen vastgehouden, waardoor ze als een warme deken over de aarde liggen. 7. De aarde straalt onder condities van een stabiel klimaat even veel energie aan langgolvige straling uit als het van de zon energie ontvangt aan kortgolvige straling. 8. Broeikasgassen in de atmosfeer zenden net zo veel straling uit als ze absorberen. 9. Ozon is een broeikasgas en als gevolg daarvan zorgt afname van ozon in de stratosfeer voor een beetje afkoeling op aarde. 10. Aerosolen in de atmosfeer (kleine deeltjes zoals SOx, vulkanische as, fijnstof) dragen bij aan het broeikaseffect. 11. Door de toename van CO2 in de atmosfeer wordt de energiebalans van de aarde blijvend uit evenwicht gebracht en zal het klimaat alsmaar warmer worden. 12. Klimaatveranderingen zoals die tijdens de laatste tientallen miljoenen jaren hebben opgetreden werden op gang gebracht door astronomische factoren zoals de vorm van de baan van de aarde om de zon, de stand van de aardas ten opzichte van die baan, etc.
Kruis in de tabel aan of de stellingen volgens jou waar zijn of niet waar: Stelling 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
WAAR
NIET WAAR
Antwoordformulier voor multiple choice vragen (deel 2)
NAAM: Studentnummer:
a
b
c
d
a
1
16
2
17
3
18
4
19
5
20
6
21
7
22
8
23
9
24
10
25
11
26
12
27
13
28
14
29
15
30
b
c
d
Deel 3. Opgave ‘Concentrated Solar Power’ ‘Concentrated Solar Power’ (CSP) is een technologie om met behulp van zonne-energie elektriciteit te produceren. Door het zonlicht te focusseren wordt warmte van hoge temperatuur geproduceerd, waarmee vervolgens elektriciteit wordt opgewekt. Er bestaan verschillende CSP technologieën, die vooral verschillen in de wijze waarop het zonlicht geconcentreerd wordt. Een bekende uitvoeringsvorm is die van de parabolische trog (‘parabolic trough’, zie figuur) Het zonlicht wordt door spiegels op een buis, de ‘adsorber tube’ gefocusseerd. Door de buis stroomt een thermostabiele olie, die zo door het geconcentreerde zonlicht verwarmd wordt. De temperatuur van de olie bedraagt na verwarming 400 oC. Neem aan dat het thermisch vermogen 100 MW bedraagt. In een warmtewisselaar wordt de warmte van de olie overgedragen op stoom, waarbij stoom van 380 o C geproduceerd wordt. Aangenomen mag worden dat er geen warmte naar de omgeving verloren gaat. a) Bereken de exergiestroom van de hete olie? b) Wat is het exergieverlies per seconde in de warmtewisselaar? De hete stoom wordt in een turbine geëxpandeerd, waarbij een elektrisch vermogen van 30 MW opgewekt wordt. De turbine produceert restwarmte bij omgevingstemperatuur. c) Hoeveel exergie gaat er per seconde verloren in de turbine? d) Hoe groot is de warmtestroom, die niet beschikbaar is voor het verrichten van arbeid?
Oplossing: a. Referentietemperatuur is 298 K. De olie is op 400 + 273 = 673 K. De olie heeft een Q = 100 MW. De exergie is dat gedeelte van het vermogen dat arbeid kan verrichten tussen het reservoir van hoge temperatuur (de olie) en het reservoir van lage temperatuur (de referentietemperatuur). Dus: =
= 100
= 55.72
(55,72 MJ/s)
b. Door gebruik te maken van de warmtewisselaar wordt de temperatuur van het warme reservoir met 20 K verlaagd naar 653 K. De exergie van het water wordt dan: =
= 100
= 54.36
(54,36 MJ/s)
Er is dus 55,72 – 54,36 = 1,36 J/s verloren gegaan. c. Van de 54,36 MW aan exergie die het water bevat, wordt 30 MW elektrisch vermogen opgewekt. Dit betekent dat er 54,36 – 30 = 24,36 MW niet gebruikt wordt en dus verloren gaat. d. De totale warmtestroom is 100 MW, waarvan 54,36 MW exergie. De rest, dus 45,64 MW is niet beschikbaar voor het verrichten van arbeid. Dit wordt ook Anergie genoemd (zie sheets).
Deel 4. Opgave kringlopen Behalve koolstof, zuurstof en water zijn de elementen stikstof en fosfor essentieel voor het leven op aarde. a. Kijkende naar de stikstof- en de fosforkringloop, wat valt onmiddellijk op als groot verschil tussen deze twee kringlopen? b. Noem voor zowel stikstof als fosfor de mechanismen waardoor deze twee elementen uit hun reservoirs beschikbaar worden gemaakt voor het leven op aarde. c. Hoe worden in beide gevallen de kringlopen vervolgens weer gesloten? Om alle monden op aarde te kunnen voeden is er voor onze moderne landbouw meer N en P nodig dan het natuurlijke systeem kan leveren. Daarom wordt kunstmest gemaakt, met als de belangrijkste ingrediënten ammonia, nitraten en fosfaten. d. Verklaar waarom er technisch/economisch gezien in de nabije toekomst eerder een tekort aan fosfor dan aan stikstof zal ontstaan in de kunstmestindustrie. e. Doordat in de landbouw veelal met overmaat kunstmest wordt gewerkt, wordt stikstof en fosfor slechts zeer inefficiënt voor de voedselproductie benut. Wat zijn hiervan de gevolgen? f. Door natuurlijke productie (verwering) komt per jaar ongeveer 1 Mt fosfor vrij. Echter door industriële productie (voornamelijk kunstmest) wordt 60 Mt fosfor per jaar geproduceerd. Als men aanneemt dat het fosforgehalte in de oceaan gemiddeld 0,1 ppm is, wat zal dan de nieuwe evenwichtsconcentratie van fosfor in de oceaan worden als de huidige fosforproductie zich zal voortzetten en als mag worden aangenomen dat de aan de oceaan toegevoegde fosfor in oplossing blijft? Hoe lang zal het duren voor de huidige concentratie zich zal hebben verdubbeld? Neem aan dat de oceaan 1,35×1021 kg water bevat.
Oplossing: a. Het stikstofreservoir zit in de atmosfeer, vrijwel niets in land en bodem. Het fosforreservoir daarentegen zit in de bodem (vnl gesteenten) en vrijwel niets in de atmosfeer. Fosfor kent vrijwel geen natuurlijke gassen. Zie figuren 4.7 en 4.9 in het boek. Eventueel kan worden toegevoegd: Stikstofuitwisseling vindt voornamelijk plaats tussen lucht en land of oceaan. Fosforuitwisseling tussen bodem en land biota en tussen oceaan en marien biota. b. Stikstof wordt vrijgemaakt uit N2 uit de lucht door nitrificatie of biologische fixatie door bacteriën (ammoniak en ammonia vorming, waar organismen weer verder mee kunnen). Ook door bliksem wordt stikstof gefixeerd. Fosfor wordt vrijgemaakt door verwering van bodemmineralen en gesteenten, waardoor oplosbare fosfaten gevormd worden die door planten kunnen worden opgenomen. c. Door denitrificatie, ook weer door bacterien, wordt stikstof uiteindelijk weer omgezet naar N2, die weer naar de atmosfeer kan. Fosfor slaat uiteindelijk neer in de diepzee waardoor het weer het weer in de gesteentekringloop terechtkomt. d. Stikstof is in overvloed aanwezig in de atmosfeer en er zijn industriële processen beschikbaar om deze om te zetten in ammoniak / ammonia (Haber-Bosch proces). Dat kost natuurlijk wel energie. Fosfor moet gewonnen worden uit ertsen die steeds schaarser worden, waardoor de kosten per eenheid geproduceerd fosforkunstmest ook steeds hoger zullen worden. Er is zelfs sprake van een P-piek (analoog aan de olie-piek) in de nabije toekomst. Bovendien zijn deze fosforertsen geconcentreerd in enkele (niet zo stabiele) landen in de wereld. e. De gevolgen hiervan zijn dat zowel stikstof en fosfor als afvalproducten in het milieu terechtkomen. Nitraten en fosfaten geven aanleiding tot overmatige algenbloei (eutrofiering) van rivieren, meren en kustwateren. Bovendien gaat veel verloren en neemt de schaarste van fosfor nog eens onnodig extra toe. Recycling uit deze diffuse bronnen is moeilijk. f. Er zijn hier verschillende mogelijkheden. Alle hieronder beschreven mogelijkheden of combinaties daarvan zijn goed gerekend: Indien de fosfor concentratie in zeewater wordt bepaald door een neerslagreactie en het zeewater is verzadigd of oververzadigd, dan zal de concentratie gelijk blijven en dus nooit verdubbelen. Er zal dan dus alleen maar meer neerslag worden gevormd (zoals dat met Ca min of meer het geval is). Als het zeewater nog onverzadigd was zal eerst instroom plaatsvinden tot verzadigingsniveau. Stel dat het verzadigingsniveau een stuk hoger zou liggen dan de 0,1 ppm die nu in het zeewater zit (of dat alles in oplossing kan blijven), dan zal het volgens onderstaande berekening ongeveer 2200 jaar duren voor er verdubbeling optreedt. Zolang er geen verzadiging en neerslag optreedt zal de concentratie dus alsmaar stijgen. Er zit 0,1 ppm fosfor in het zeewater. Dit geeft 1,35 × 1021 × 0,1 × 10-6 = 0,135 × 1015 kg fosfor in de oceaan. De instroom is 61 × 109 kg/j. Om nog eens zoveel toe te voeren gaat het dus 0,135 × 1015 kg/ 61 × 109 kg/j = 2213 jaar duren.
Indien de stroom naar de fosforput wordt bepaald door een evenwichtsreactie die afhankelijk is van de concentratie van fosfor in het zeewater, bijvoorbeeld als het wordt geabsorbeerd aan een kleimineraal zoals voor veel metalen geldt, zal er zich een nieuw evenwicht instellen. Analoog aan de dino-opdracht kan dan van twee steady state condities worden uitgegaan, zodat volgens de massa balansen gesteld kan worden dat (met Muit = kC) : !",$%& !","! %
− ()$%& = 0 − ()"! % = 0
waarbij Min,oud = 1 Mt/j en Min,oud = 61 Mt/j met Coud = 0,1 ppm. Door deling en de aanname dat k is constant, levert dit dat Cnieuw = 61 × 0,1 = 6,1 ppm. Om de verdubbelingstijd van de concentratie in het reservoir zeewater te berekenen kunnen we ook de verdubbelingstijd van de hoeveelheid fosfor in het reservoir Mres berekenen. We kunnen als benadering bovenstaande berekening gebruiken, aannemende dat de bestaande Muit gelijk blijft aan 1 Mt per jaar. De extra influx die voor de toename van Mres moet zorgen is dan dus 60 Mt/j. Dit levert dan 2250 jaar op. Dit is echter een benadering want het veronderstelt dat Muit constant is en dat is niet geval, Muit zal langzaam groter worden omdat die volgens kC (of k1Mres, een nieuwe k) zal toenemen als Mres toeneemt. In werkelijkheid zal het dus iets langer duren. Wie precies wil weten hoeveel de bovenstaande benadering van de verdubbelingstijd er naast zit, zal dit via een differentiaalvergelijking moeten uitrekenen: * = *+
!"
− (,
= (, -
!"
(,
−
.
Dit is een differentiaalvergelijking voor begrensde groei, waarvoor de oplossing is: =
!"
(,
+0×2
34
Waarbij a en k1 kunnen worden berekend aan de hand van de randvoorwaarden (M = 135000 Mt bij t = 0). Dit levert k = 0,135 × 10-6 en a = - 0,444 × 109. Verdubbeling van fosfor in het reservoir geeft Mres = 270000 Mt. Invullen levert als enige onbekende t op. Na enig rekenwerk blijkt t = 2251 jaar. Hieruit blijkt dat de benadering nog zo gek niet is. Dit is ook wel te verklaren, want we zitten nog in het onderste (vrijwel lineaire) gedeelte van een curve van begrensde groei.
