Duurzame ontwikkeling en kringlopen (DOK) 4051 DUKRIY
Tentamen
Docenten: Hans Geerlings en Henk Nugteren Datum: 3 juli 2014 Tijd: 1 4 : 0 0 - 1 7 : 0 0 uur Gebouw: 3ME: Instructiezalen G en H
Het tentamen bestaat uit: Start 1. Dertig meerkeuzevragen 2. Open vragen Vraag 1. Vraag 2. Vraag 3. Vraag 4.
1 1 V/2 V/2
1 4 5
punt punten punten
10
punten
punt punt punt punt
Totaal
Gebruik bij de meerkeuzevragen de bijgevoegde tabel en lever het geheel In. Vul altijd een antwoord in, geen antwoord is altijd fout. Bij de berekening wordt rekening gehouden met de gokkans. Beantwoord de open vragen kort en bondig en to-the-point, zonder onnodige uitweidingen en zijpaden.
Succes
Dfiei 1. Dertig meerkeuzevragen 1. Volgens de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica a. neemt de efficiëntie van omzetting van thermische energie naar arbeid toe met afnemende AT tussen het warme en koude reservoir b. neemt de efficiëntie van omzetting van thermische energie naar arbeid toe met toenemende AT tussen het warme en koude reservoir c. leidt elk reëel irreversibel cyclisch proces tot een afname van de entropie van de omgeving d. is de exergie van een systeem het hoogst bij constante entropie 2. Eukariotische organismen zijn organismen a. met een celkern waarin genetisch materiaal is opgeslagen b. zonder celkern, zoals bijvoorbeeld bacteriën c. die uitsluitend eencellig zijn d. die als allereerste levensvormen op aarde verschenen 3. De stratosfeer is a. de luchtlaag beneden 10 km b. de atmosferische laag tussen 10 en 50 km hoogte c. de buitenste laag van de atmosfeer (boven 50 km) d. het gedeelte van de aarde waarin al het leven zich bevindt 4. De energie efficiëntie van de huidige commerciële zonnecellen ligt in de orde van a. < 1 0 % b.
10-15%
c.
15-20%
d. > 2 0 % 5. De flux density van de straling van een black body, volgens de wet van StefanBoltzmann, schaalt met de temperatuur volgens: a. T b. 7^ c.
r
d. 6. SO2 aerosolen in de atmosfeer zorgen ervoor dat a. de albedo van de atmosfeer voor UVA/IS toeneemt b. de albedo van de atmosfeer voor UVA/IS afneemt c. de transmissiecoëfficiënt van de atmosfeer voor IR toeneemt d. de transport constante C in het klimaatmodel drastisch afneemt
7. Aan het broeikaseffect dat er voor zorgt dat het aardoppervlak een leefbare temperatuur heeft, wordt de grootste bijdrage geleverd door (gas in de atmosfeer) a. N2 b. CO2 c. CH4 d. H2O 8. De albedo van een grijs lichaam is a. de fractie van de opvallende straling die het absorbeert b. de fractie van de opvallende straling die het reflecteert c. de fractie van de opvallende straling die het doorlaat d. de fractie van de opvallende straling die het uitzendt 9. Fotosynthese is a. een exotherme reactie die de plant energie geeft om te leven b. een endotherme reactie waarbij de plant de energie levert c. een endotherme reactie die alleen kan plaatsvinden door zonlicht te absorberen d. een isotherme reactie waarbij arbeid wordt verricht 10. De gemiddelde verblijftijd van waterdamp in de atmosfeer is a. 10 dagen b. 100 dagen c. 1 jaar d. 32000 jaar 11. CO2 in de atmosfeer draagt bij aan een verandering van de stralingsbalans van de aarde door a. een verandering van de hoeveelheid binnenkomend zonlicht b. een verandering van de albedo van atmosfeer en/of aardoppervlak voor zonlicht c. een verandering van de hoeveelheid IR straling naar de ruimte d. een verandering van de albedo van het aardoppervlak voor IR straling 12. Het belangrijkste reservoir van fosfor is a. biomassa b. land c. sedimenten d. atmosfeer
13. De huidige bijdrage van fossiele brandstoffen aan het energiegebruik wereldwijd is ongeveer a. 95% b. 85% c. 65% d. 50% 14. De verhouding H/C in verschillende brandstoffen van hoog naar laag is als volgt: a. Hout - aardgas - aardolie - steenkool b. Aardgas - hout - steenkool - aardolie c. Aardolie - steenkool - aardgas - hout d. Aardgas - aardolie - hout - steenkool 15. Het IPCC berekent voor een verhoging van de CO2 concentratie tot 1000 ppm een temperatuurstijging van 5.5 K. Als wij fa'uitrekening met het transmissiemodel en vervolgens zlTs volgens ATs=-25{A
ta'I ta) toepassen,
vinden we slechts een temperatuurstijging van 1,3 K. Dit verschil is te verklaren a. doordat wij geen rekening hebben gehouden met allerlei feedback systemen b. omdat het transmissiemodel de transmissiecoëfficiënt niet nauwkeurig uitrekent c. omdat wij in ons model een plotselinge verhoging van de CO2 concentratie veronderstellen terwijl het IPCC in ingewikkelder modellen een geleidelijke concentratieverhoging veronderstelt d. omdat het IPCC doelbewust het effect zo dramatisch mogelijk wil voorstellen 16. Afname en convergentie van schadelijke emissies (CO2) betekent dat a. alle landen terug moeten naar het niveau van 1990 b. ontwikkelingslanden zich niet mogen ontwikkelen tot het niveau van de ontwikkelde landen c. ontwikkelde landen enorm terug zullen moeten met behoud van BNP terwijl ontwikkelingslanden hun BNP een factor 100 moeten verhogen met slechts een marginale verhoging van hun emissies d. ontwikkelde landen op niveau mogen blijven maar daarbij ontwikkelingslanden moeten bijstaan (financieel en met technologie) om hun economie op het zelfde niveau te brengen
-. CCS staat voor a. Carbon Capture and Storage: de technologie waarbij CO2 wordt opgevangen, gescheiden en opgeslagen b. Calcium Carbonate Strategy: de technologie waarbij CO2 wordt gemineraliseerd c. Carbon Controled Sustainability: duurzame ontwikkeling op basis van CO2 monitoring en uitstootcontrole d. Chemical Control System: door evenwichtsreacties wordt de stabiliteit van het ecosysteem gegarandeerd 18. Voor een duurzame samenleving zal de voorziening voor energie en materialen bij voorkeur plaatsvinden door a. energie uit kernreactie te halen en materialen zo veel mogelijk uit hooggeconcentreerde voorkomens te winnen b. energie uit zonlicht gerelateerde bronnen te winnen en materialen zo veel mogelijk te recyclen zodat weinig primaire materialen moeten worden gewonnen c. het energieverbruik in de wereld te beperken tot het niveau van de ontwikkelingslanden nu en materialen zo veel mogelijk uit biomassa te produceren d. op de huidige ingeslagen weg voort te gaan en voortdurend te streven naar productievergroting 19. De exergetisch voordeligste manier voor de productie van lage temperatuur warmte, zoals voor de verwarming van woningen en kantoren is a. door gebruik te maken van centrale verwarmingssystemen op gas b. door gebruik te maken van centrale verwarmingssystemen op elektriciteit c. door direct gebruik te maken van zonne-energie verwarmingssystemen d. door bij voorkeur de open haard te gebruiken 20. Het belangrijkste voordeel voor waterstof als brandstof voor bussen in een stad (verbranding of brandstofcel) is dat a. dit energetisch veel voordeliger is dan een benzine of diesel motor b. dit veel praktischer en zuiniger is in het gebruik, waardoor veel minder vaak hoeft te worden getankt c. de vervuiling in het stadsmilieu afneemt doordat het enige bijproduct water is d. dit veel veiliger is dan benzine of diesel
2 1 . Het Kyoto Protocol uit 1997 had tot doel a. De emissies van broeikasgassen in 2010 te verminderen tot ten minste 5% beneden het niveau van 1990 b. De emissies van broeikasgassen in 2010 te verminderen tot precies het niveau van 1990 c. De productie en uitstoot van CFKs drastisch te verlagen om zo de ozonlaag te redden d. De emissies van broeikasgassen en CFKs te verbieden 22. De kwantitatief belangrijkste vorm van hernieuwbare energie wordt momenteel geleverd door a. Waterkrachtcentrales op getijdestromen b. windmolens c. zonnecellen d. biomassa 23. Het verschil tussen fossiele brandstoffen enerzijds en hernieuwbare energiebronnen (zoals zonne-energie en windenergie) anderzijds ten aanzien van exergie is: a. fossiele brandstoffen bezitten een lage exergie vanwege hun hoge energie-inhoud en hernieuwbare energiebronnen bezitten hoge exergie vanwege hun diffuse energieverdeling b. fossiele brandstoffen bezitten een hoge exergie vanwege hun hoge energie-inhoud en hernieuwbare energiebronnen bezitten lage exergie vanwege hun diffuse energieverdeling c. fossiele brandstoffen bezitten een lage exergie vanwege hun geconcentreerde karakter en hernieuwbare energiebronnen bezitten hoge exergie vanwege hun veel grotere massa ten opzichte van de beschikbare energie d. er is geen verschil in exergie tussen fossiele brandstoffen en hernieuwbare energiebronnen 24. De meest geschikte gebieden op aarde voor de productie van elektriciteit uit zonlicht door middel van zonnecellen vinden we a. in de tropen rond de evenaar omdat daar de zonlichtintensiteit het hoogst is b. in de zones rond de keerkringen omdat daar de zon het vaakst schijnt en toch een relatief hoge intensiteit heeft c. in de gematigde klimaatzones omdat daar de productie het dichts bij de afzetmarkt ligt en er dus weinig transportverliezen optreden d. aan de polen omdat daar geprofiteerd kan worden van 24 uur zonlicht per dag gedurende de poolzomers
25. In onze huidige samenleving zijn metalen zeer belangrijk. Het qua hoeveelheden meest gebruikte metaal is a. aluminium b. koper c. Ijzer d. nikkel 26. Het metaal waaraan de rijke wereldbevolking het meeste geld uitgeeft is a. aluminium b. koper c. ijzer d. nikkel 27. Het feit dat mobiele telefoons en computers steeds kleiner worden heeft tot gevolg dat a. er steeds minder materialen nodig zijn om ze te maken b. dat het steeds gemakkelijker wordt om ze te recyclen c. dat er steeds meer materialen en hulpmaterialen nodig zijn voor het productieproces d. dat de economie steeds minder negatieve milieueffecten zal genereren 28. Door schaliegas in Nederland te winnen kan men de binnenlandse gasvoorraden mogelijk verhogen a. Met een factor 2 b. Met een factor 4 c. Met 10% d. Met 40% 29. Fracking is een technologie a. waarbij gashoudend gesteente via boorgaten door chemicaliën wordt opgelost om zo het gas te kunnen winnen b. die nog in een experimentele fase verkeert en die men wil toepassen voor het winnen van schaliegas c. die nieuw is en die men voor het eerst bij de winning van schaliegas wil toepassen; gesteenten worden in boringen gebroken d. die al tientallen jaren met succes wordt toegepast en waarbij gesteente in de ondergrond wordt gebroken 30. De Kuznetz curve laat a. de voorspellingen zien van nieuwe vondsten van olievoorraden b. zien hoe milieuschade gerelateerd is aan economische ontwikkeling c. zien hoe het energieverbruik van een land of regio in de tijd verloopt d. zien hoe de olieproductie gerelateerd is aan het BNP
Deel 2. Open vragen 1. Bevolkingsgroei De omvang van de wereldbevolking is de afgelopen eeuwen gestaag gegroeid en heeft op dit moment een aantal van 7,2 miljard mensen bereikt. a. Neem aan dat de verdere groei van de wereldbevolking beschreven wordt door dN/6t= koN, waarbij A/het aantal mensen op aarde voorstelt en ko= 0,01 per jaar. Wanneer bereikt de wereldbevolking een omvang van 25 miljard mensen? b. Wat is de maximale omvang van de bevolking, zoals door het model in onderdeel a wordt voorspeld. Een realistischer beschrijving van de grootte van de wereldbevolking als functie van de tijd wordt gegeven door dN/dt=
ko (1 - N/K)N, waarbij de symbolen dezelfde
betekenis hebben als onder a). K\s het maximale aantal mensen dat onder de gegeven omstandigheden op aarde kan leven. Kwordt ook wel de draagkracht van de aarde genoemd. c. Laat zien dat als de omvang van de bevolking klein is in vergelijking met de draagkracht, de bevolking exponentieel zal groeien. Laat zien dat de omvang van de wereldbevolking stationair wordt zodra het aantal mensen in de buurt van de draagkracht komt. d. De draagkracht K\s geen universele constante en hangt af van de beschikbaarheid van relevante technologie. De groei van de wereldbevolking in de twintigste eeuw is mogelijk gemaakt door een significante vergroting van K. Noem twee ontwikkelingen, die deze groei mogelijk gemaakt hebben. e. Onder ongunstige omstandigheden kan de draagkracht KooW (veel) kleiner worden. Denk bijvoorbeeld aan ernstige milieuverontreiniging. Het is in zo'n geval voorstelbaar dat de omvang van de bevolking A/significant groter is dan de f.
draagkracht K. Wat verwacht je als A/ > K? Bonusvraag voor 0,25 punt extra. Laat zien dat het model in onderdeel c voor N »
Kóe volgende oplossing heeft: iV(t) = K+
—
2. Vortexbuls In een vortexbuls wordt door expansie een gasstroom met temperatuur Ti gesplitst in een stroom met een hogere temperatuur T2{T2> T-i) en een stroom van lagere temperatuur T3{T3< Ti). Een ideaal gas met een druk van 8 bar en een temperatuur van 20 °C wordt in zo'n apparaat gesplitst in twee gelijke stromen met temperaturen van respectievelijk +70 °C en - 3 0 °C. De druk van de productstromen is 1 bar. De soortelijke warmte Cp van het gas bedraagt 30 J-mol"''-K"\ De exergie Exvan 1 mol gas met temperatuur Ti en druk pi wordt gegeven door:
Ex = Cp(T^ - To) - ToiCp
\n^-R\n^)
Va waarbij To = 20 °C, de omgevingstemperatuur, en po=1 bar de gebruikelijke standaard druk is. f?= 8,31 J-mol'^-K'^ is de gasconstante. a. Bereken de exergie van de ingaande gasstroom per mol gas b. Bereken de exergie van de uitgaande gasstromen per mol inkomend gas c. Wat is de exergetische efficiëntie van dit proces? d. Is dit proces eigenlijk wel mogelijk? Verklaar je antwoord.
3. Afvangen van CO2 Omdat de uitstoot van CO2 verminderd dient te worden om te zorgen dat klimaatverandering binnen de perken blijft, zijn er de laatste jaren technologieën ontworpen om CO2 uit processen af te vangen zodat het vervolgens kan worden opgeslagen. Neem aan dat we een gasgestookte energiecentrale hebben. a. Wat zijn de in- en uitgaande stromen van de centrale en wat moet er na verbranding gescheiden worden om een zuivere CO2 stroom te verkrijgen? b. Welke technologie is op dit moment beschikbaar om die scheiding op industriële schaal uit te voeren. Maak een eenvoudig stroomschema hoe dit kan worden gedaan. c. Gaat de efficiëntie van de energieconversie omhoog of omlaag door deze technologie toe te passen? Verklaar je antwoord. d. Is het ook mogelijk om CO2 voor de verbranding af te scheiden? Zo ja, leg kort uit hoe dat dan zou kunnen. Welke scheiding moet dan gemaakt worden? e. Welke andere technologie is nog mogelijk om van een energiecentrale de CO2 uitstoot drastisch verlagen? Welke scheiding moet dan gemaakt worden?
4. Klimaat De verandering van de temperatuur van liet aardoppervlak, ATs, wordt door een simpel klimaatmodel gegeven als functie van verschillende stralings- en atmosferische parameters:
Ar,=83.5^ +2 3 ^ + 1 7 ^ - 2 6 ^ - 2 5 ^ - 2 . 8 ^ - 1 5 ^
In figuur 4 is een aantal spectra gegeven die met behulp van het transmissiemodelinfrarood zijn gemaakt. De instellingen voor de verschillende spectra zijn weergegeven in onderstaande tabel. Concentraties O3, CH4 en N2O zijn constant gehouden op het default niveau. Concentratie in de atmosfeer (ppm) Figuur 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
^aardoppervlak
CO2
H2O
290 290 290
350 350
5000 7500
525 350 525
5000 5000 5000
310 310
Transmissie coëfficiënt ta (bij verschillende atmosfeer temperaturen Tg) 220 K 0,684 0,651 0,673 0,715
280 K 0,557 0,532 0,546 0,602
0,705
0,592
320 K 0,495 0,481 0,485 0,546 0,536
Figuur 4.1 stelt de default waarde voor waarmee het model start. In figuur 4.2 is het H2O gehalte met 50% gestegen. In figuur 4.3 is het CO2 gehalte met 50% gestegen. a. Leg uit wat de transmissiecoëfficiënt voorstelt. b. Verklaar nu wat je ziet in de figuren 4.1, 4.2 en 4.3 en in de bijbehorende regels in de tabel. c. Bereken de effecten op de oppervlaktetemperatuur (bij verschillende Ta), die de toename van waterdamp en koolstofdioxide respectievelijk zullen hebben volgens het bovenstaande klimaatmodel. Wat kun je concluderen over de sterkte van het broeikaseffect ten aanzien van de temperatuur van de atmosfeer? d. Wat kun je zeggen over het verschil in effect van deze 50% toename van CO2 en H2O?
In figuur 4.4 zijn de default concentraties weer ingevuld maar is de temperatuur van het aardoppervlak met 20 K gestegen. In figuur 4.5 is ook het CO2 gehalte weer 50% gestegen. e. Wat heeft de stijging van de temperatuur van het aardoppervlak voor merkbaar gevolg? Observeer de tabel en de spectra hiervoor.
Het infrarode spectrum van de aarde. Flux als functie van golfgetal 1.2 1.0 0.8
/
1 .1 Figuur 4.1 o-^
)U r
/
0,2
r fl
00 1.2
1.0
/
0.8
/
/
I 0-6 Figuur 4.2 o-^
1 i
/
0.2
,/ jf 1' " / A
/
0,0
*T
1.2
1
\1
T^-—-
i,0
0.8
/
1
1
f
/
0,4
J A W f ,
/
Figuur 4.3 0,2
ff
I
^^"^
00 1,8 1,6 1,4 1.2 1.0
10.8 0.6
Figuur 4.4
04 0.2
0.0 • 1,8 1,6 14 1,2
I
/
1,0
io,8 0,6
/
Figuur 4.5 0,4 0,2 0,0
/
/
^ 100
/
r /
/' A \ i j r ll ^'
.AUf300
500
ƒ /{ \ 700
900
1100
1300
golfgelal (cm-1) . — blackbody radiation van de aarde zonder atmosfeer bij gegeven temperatuur aardoppen/lak De flux na absorptie door broeikasgassen bij een atmosfeer temperatuur van 220 K idem bij 280 K idem bij 320 K
EINDE TENTAMEN
1500
