Welkom bij het EWI-domein! spm1520 (en spm1530)
Systemen in de Industrie, Energie- en de Watersector - spm1520 en spm1530 -
Docent / Module Manager: Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema kamer a.3.260;
[email protected]
Docent: Dr.ir. Emile J.L. Chappin kamer a.3.300
[email protected]
Samenleving: duurzame e-voorziening
Energie-systeem
schoon, beschikbaar, betaalbaar en betrouwbaar Spm1520: “de energievoorziening”, energie-systeemanalyse, energietechnologie
Elektriciteitsvoorziening •
Security-of-supply • •
•
Andere typen bronnen: • •
•
controversieel (nucleair, water, schaliegas) of ruimtevragend (zon, wind)
Actueel: • • • • • •
•
voorraden olie, gas, kolen zijn eindig en veelal geconcentreerd in geopolitiek instabiele regios
ontwikkeling aardgasopslag, LNG, schaliegas bouw van grote windparken (Concentrated) Solar Power; PV blauwe energie biomassa, bio-fuels “clean coal” – kolenvergassing, carbon capture
Maar ook: conventionele elektriciteitscentrales in aanbouw
Glastuinbouw
• Nodig
• licht • warmte • koeling • water, CO2
• Traditioneel • boiler warmte, CO2 • WKK idem, netgekoppeld • grondwater osmose gietwater + brijn • bodem: koeling
• Recent • CO2 infrastructuur • warmte/koude opslag • import/export van warmte? • LED’s, groene elektriciteit?
Technisch systeem
bron: Barney et al. (2010)
Modern energiesysteem (ontwerp)
© 2009 6/71
Infrastructuur – verbinding, vernetting • biedt flexibiliteit
© 2009 7/71
Systemen in Energie, Water en Industrie Dit college: • Toelichting ‘Centrale themas’ EWI-domein: >“denken in systemen”< >”chemie is overal”< > inleiding industriële inrichting van onze samenleving< • Overzicht & inrichting van de Module • Plaats spm1520/1530 in het EWI-domein onderwijs
Inrichting industriële samenleving - een (eco)systeemperspectief • the maximum power principle:
“those systems that survive competition do so by developing more power inflow and using it best to meet the needs of survival” (Peet, 1992) • 7000-5000 jaar geleden: • 200-300 jaar geleden: • 21e eeuw?
landbouw; veehouderij fossiele grondstoffen
Inrichting industriële samenleving - een (eco)systeemperspectief • parallel: ontwikkeling technologie • 1781: James Watt verbetert Newcomen’s (1712) stoommachine • 1852: uitvinding raffinage van kerosine uit aardolie • 1859: eerste “moderne” oliebron, Titusville, Pennsylvania
Inrichting industriële samenleving - een ecosysteemperspectief Economic system Industrial system - process industry - energy / water infrastructure - (information)
agrarische samenleving lokale omgeving industriële samenleving mondiale omgeving
Systeemdenken en chemie Voorbeeld
Systemen en chemie - voorbeeld In de zomer van 1999 werdt Delft opgeschrikt door de breuk van een melasse-opslagtank bij DSM-Gist; 30.000 kuub melasse was niet meer op het terrein te houden (!)
Melassetanks
Bron: www.vam.at/vamde/images/agrana_1.gif
Woordvoerder DSM-Gist, reagerend op bezorgde buurtbewoners: “melasse is een volstrekt onschadelijk biologisch
materiaal. We verwachten dat de kleine hoeveelheid die in een der Delftse Grachten is terecht gekomen geen probleem zal opleveren”
Melasse
Bron: www.nordzucker.de/084_futter/images/melasse.jpp
Systeemdenken + chemie (2) … Een dag later dreven er honderden dode vissen in de gracht! ... hadden we dit kunnen voorzien? ... met systeemdenken + chemie? Dode vissen
Bron: www.diasporamacaense.org/Dead%20Fish.jpg
Systemen en chemie – voorbeeld Melasse • • •
Melasse is een stroopachtig produkt Onstaat bij de productie van suiker (uit suikerriet of suikerbiet) Samenstelling: Stof
[gew.%]
Saccharose
50
Water
20
Organische zuren, anhydriden
6
Zouten, metalen
6
Overig
18
LHV
± 18 [MJ/kg]
Saccharose
Bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Sucrose
Melasse
Bron: www.nordzucker.de/084_futter/images/melasse.jpp
Systeemdenken + chemie (2) 1) in de grachten vinden we vissen en ander waterleven dat afhankelijk is van zuurstof (O2) 2) melasse = organisch restprodukt suiker produktie; alg. verhoudingsformule ± CH2O 3) water + melasse + micro-organismen => rotting; een natuurlijk proces dat zuurstof uit het water verbruikt; bijv. CH2O + O2 --> CO2 + H2O Dode vissen
Voorspelbaar resultaat: bij onvoldoende verversing (stilstaande gracht) wordt het systeem waarin de vissen leven zuurstofloos, en de vissen zullen sterven
Bron: www.diasporamacaense.org/Dead%20Fish.jpg
Inrichting van de modules spm1520/spm1530
Systemen in Energie, Water en Industrie Inhoud (1) Overzicht van het EWI-domein: •
Kaartkennis
‘De technologische inrichting van onze industriële samenleving’ • kwalitatief: zgn. kaartkennis van het domein • Energiesystemen (spm1520) • Watersystemen (spm1530) • Industriële Systemen (spm1530) • in context; interactie met • natuurlijk milieu (spm1520, spm1530) • ‘de economie’, de samenleving: beleid • aandacht voor • infrastructuur- en netwerk-karakter
Systemen in Energie, Water en Industrie Inhoud (2) Overzicht van het EWI-domein: • Methoden voor begrip en analyse van systemen in het EWI-domein • Systeemdenken, systeembenadering • Massa- en energiebalansen Begrip & Analyse • Massa-en energieconversie • Chemie: boekhouden met atomen en moleculen
• Chemie en thermodynamica • Modellen voor chemische binding • Modellen voor chemische reactie Scherpte & Integratie
• Gebruik, overeenkomst en verschillen voor analyse ‘human’ systems, vs. 'natural' systems (milieu), en hun interactie.
Leerdoelen - spm1520/spm1530 • Elementaire ingenieurskennis en vaardigheden • • •
• •
(1) Systeemdenken
> “alles is een systeem<
(2) Chemie: >“chemie is overal”< (3) Thermodynamica > “wetten voor energieconversie”< (4) Gebruiken / Toepassen (1) + (2) + (3) voor de analyse /oplossing van ongestructureerde problemen
• toepassing systeemdenken • formulering oplossingsstrategie • gebruik basiskennis chemie & thermodynamica • Keuze & combinatie van de juiste ‘tools’
Uitwerking leerdoelen spm1520/spm1530 • “Per onderdeel wordt zowel kwalitatief als kwantitatief ingegaan op de stof. Methoden en modellen worden aangereikt ter analyse van de behandelde systemen. Daarbij ligt sterk de nadruk op het werken met oefenopgaven. “ (SIS – Digitale Studiegids) • kwalitatief: zgn. kaartkennis van het domein • kwantitatief: de gereedschappen
Afrekenen: toetsen & tentamen • kwalitatief: beheersen kaartkennis • max. 25% van het te behalen aantal punten • kwantitatief: hanteren van de gereedschappen • “begrijpen/analyseren“ • eenvoudige problemen & vraagstukken oplossen • mythes doorprikken c.q. standpunten cijfermatig onderbouwen • min. 75% van het te behalen aantal punten • Trits: ‘Kennis’ > ‘Toepassing’ > ‘Inzicht’
Uitwerking leerdoelen - spm1520/spm1530 • De context van technologie en systemen in het EWI-domein wordt gevormd door : • • • • • •
milieu-effecten en milieucompartimenten schaalniveaus: locaal, regionaal, nationaal, mondiaal beschikbare / gevestigde technologie en systemen productiesystemen en consumptiepatronen economie / concurrentiekracht regelgeving nationaal, EU, VN
• ... en de samenhang daartussen
Energie en menselijk handelen Voorbeeld Systeembenadering
WKK-Centrale / Systeem • In de jaren ‘90 vorige eeuw (!) • zijn veel zgn. Warmte/Kracht Centrales gerealiseerd • om te voldoen aan • Warmtebehoefte • industrie • stadsverwarming • Elektriciteitsbehoefte • industrie • huishoudens Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
WKK-Centrale / Systeembenadering • Technologie: • Gasturbine (GT) voor omzetting aardgas --> elektriciteit • Ketel ('boiler') voor productie stoom/warm water uit restwarmte • Systeem (?)
WKK GT
Boiler Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energie http://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm
WKK-centrale / systeemdiagram • systeem elementen
Context
• systeemgrens
Interface met Omgeving CO2 Systeemgrens
• inputs en outputs
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
• 'verbinden' systeem en (fysieke) omgeving
WKK-Centrale / Analyse • Technisch systeem • Massabalans / Eenvoudige chemie: bereken CO2 emissie • Energiebalans: Aardgas consumptie en kosten per kWh • Technologie / thermodynamica: maximaal rendement CO2
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
WKK-Centrale / Context • is de bouw van een WKK een voorbeeld van
schone of ‘groene’ technologie met positief effect voor het milieu?
Context Interface met Omgeving CO2 Systeemgrens
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
WKK-Centrale / Context • is de bouw van een WKK een voorbeeld van schone of ‘groene’ technologie met positief effect voor het milieu? Context Interface met Omgeving
• milieueffect op lokaal niveau negatief;
CO2 Systeemgrens
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
Elektriciteit
• inpassing in nationale infrastructuur elektriciteit: • bijdrage aan (inter)nationale CO2 doelstelling
WKK-Centrale / Context (2) •
de energiesector levert goederen cq. dienst(en) aan elke sector van de economie
Context Interface met Omgeving
• de WKK centrale heeft minder fossiele grondstoffen nodig t.o.v. aparte productiesystemen voor warmte en kracht (elektriciteit) (hoe ziet zo’n
CO2 Systeemgrens
WKK Aardgas
Lucht
GT
Boiler
Warmte
alternatief systeem eruit?)
Elektriciteit
•
• Veronderstelling: de WKK is zo ontworpen dat ze optimaal aan twee typen vraag kan voldoen: (1) warmte (lokaal warmtenet); (2) kracht (nationaal elektriciteitsnet) milieu en economie worden bepaald door technische limieten, technologie-keuze én systeem-ontwerp
Micro WKK en netwerken •
Technische Karakteristiek
•
Netwerk verbindingen • Aardgas • Elektriciteit • ICT – Smart Meter
•
Consequenties voor inrichting gebouw
•
Consequenties voor infrastructuren & besluitvorming
• •
CO2 credits? Verbruik of netto levering aan het net Etc.
•
Micro Warmte-Kracht breekt door? Om het echt warm van te krijgen Ruud van Marion, NRC Handelsblad, 26-01-2007 “Er komt een nieuwe generatie cv-ketels aan, een generatie die meer kan dan alleen water opwarmen. De cv-ketel van de toekomst heeft namelijk een stirlingmotor. De hoogrendementsketel van uw cv-installatie, hoe modern ook, kan binnenkort op de schroothoop. Enatec, een samenwerkingsverband van Eneco en ECN in Petten, brengt een nieuwe warmtekrachtinstallatie vanaf 2008 op de Nederlandse markt. De nieuwe cv wordt met aardgas gestookt en haalt net zoals een gewone hr-ketel een rendement van 98,5 procent. Maar daarvan wordt 14 procent gebruikt om met behulp van een stirlingmotor elektriciteit op te wekken. En dit systeem genereert stroom met een ongehoord hoog rendement. 1 kWh verbrandingswarmte van het aardgas levert 1 kWh elektriciteit op, bijna twee keer zo zuinig als de stroom van een nutsbedrijf, want hierbij ligt het rendement maximaal op maar 5 procent.” ?????
Micro WKK: efficiënt in infra-netwerken?
Nodig: Integratie van energiebronnen, conversie en distributienet: infrastructuur! Centralised energy conversion
Decentralised energy systems Infrastructures / Interconnections
Apartment House Office building
Urban Area Neighbourhood Region or Country (Inter) National
Afronding Waar gaat het om in spm1520/spm1530?
Interactie milieu « menselijke activiteiten Economic system Human activities - process industry - infrastructures energy waste water
Kaartkennis: overzicht + illustraties; Systemen: leren hanteren en analyseren
spm1520/spm1530 centraal thema 1 >“denken in systemen”< • Milieu: • te decomponeren in atmosphere, hydrosphere, biosphere, lithosphere • Geografisch: • aarde, Nederland, of rivier of industriegebied als een systeem etc.; • Menselijke activiteiten: • industrie, infrastructuren energie, afval, water; • Ketens; kringlopen • bijvoorbeeld ‘de kleine koolstofkringloop’
Aarde als systeem • Aarde open systeem voor energie gesloten systeem voor materie • Aarde als milieusysteem open zwakke integratie zeer complex
Leerdoelen: systeemdenken >”alles is te zien als systeem”< • spm1520/1530: de doos open maken • Ketens en kringlopen: grondstoffen, water en energie; (On)mogelijkheden van kringloopsluiting • Modellen voor energie, water, industrie, recycling • Gebruik systeemconcept voor probleemanalyse zowel voor menselijke activiteiten als milieu-effecten
spm1510/spm1530 centraal thema 2: begrip met chemie >“chemie is overal”< • •
chemische processen in industrie, energie, water en milieu; chemie als boekhouding; tbv analyse • spm1520: verbrandingsreacties • spm1530: water, ionen, zuurgraad, evenwichten
energie en chemische reacties; tbv. begip en analyse (energie)systemen • eenvoudige warmteleer; tbv. eenvoudige energie-analyse • industriële chemie; basis voor economische resultaten •
EWI-domein: systeemdenken? •
Al geweest: • Spm1110: Inleiding TB, causaal- en systeemdiagram • Spm1120: Analyse van bedrijfssystemen, IDEF-0 diagrammen
•
Nog te komen: • spm1520/spm1530: elementair begrip/analyse van systemen in het EWI-domein • spm2951: Kwantitatieve methoden EWI-domein • • •
spm1220: Economie van infrastructuren spm2510: Processen in het EWI-domein spm2520: Infrastructuren in het EWI-domein
• • •
spm3510: Prestatie analyse in het EWI-domein spm3120: Functioneel Ontwerpen spm3530: Beleid, Economie en Recht op het EWI-domein
EWI-domein - Masters-fase: systeemdenken? • spm4110: Design and Management of Infrastructures • spm4510: Design of Innovative Energy and Industry Systems • spm9534: Technologische en Economische aspecten van Toekomstige Energieconversie systemen • Spm9537: Operations Management • spm9539: Economy, Ecology and Technology of Networked Industrial Systems • spm9550: Agent-Based Modeling of Complex Adaptive Systems
spm1520/spm1530 - overzicht Users
- chemistry - energy - systems
Designers
Energy Infrastructure Industrial systems Waste Management Water Infrastructure
Service Providers
Suppliers
Atmosphere Supervisor regulator
Consumers
Biosphere Hydrosphere
Government
EU, UN etc.
theory
models
subject knowledge Local Government
spm1520/spm1530 Module-materiaal •
Let op: in afwijking van voorgaande jaren: GEEN boek meer • NIET KOPEN DUS (Steven S. Zumdahl, Chemistry, 7h edition, Houghton Miffin, Boston, MA, (or 6th or 5th edition, ISBN 0-395-98583-1)
•
Reader: • spm1520 2012/2013 – via Service Center
•
Collegesheets
•
Wellicht losse artikelen Blackboard
“Module Materiaal” spm1520 • Nieuw dictaat spm1520 • • • • • •
“de systeembenadering” massa- en energie balans, energie systeem analyse atomen en moleculen, periodiek systeem energievoorraden, energieconversie, elektriciteitsinfrastructuur, aardgas, steenkool duurzame energie
• aanbevolen opgaven en uitwerkingen; toetsen; tentamens
“Module Materiaal” spm1530 (voorlopig) • Nieuw dictaat spm1530 • “de systeembenadering” • klimaatsysteem, emissies en hydrodologische kringloop • industriële systemen: • aardolieraffinage, chemie, kunststoffen, • agro-industrieel complex, voedingsmiddelen industrie • Drinkwater en afvalwaterinfrastructuur • aanbevolen opgaven en uitwerkingen; toetsen; tentamens
Inhoud spm1520/spm1530 vakken •
•
•
spm1520: •
(1) systemen, berekeningen met chemische reacties, massa, energiebalansen; 1e en 2e hoofdwet
•
(2) energievoorraden, energievoorziening, afvalverwerking.
spm1530 • (3) Atmosfeer, broeikaseffect, luchtverontreiniging, ozonlaag. •
(4) Industriële systemen: procesindustrie, agro-industrie, metalen, voedsel
•
(5) Water & waterige systemen. Waterkwantiteit en kwaliteit. pH etc. Verontreinigingnen, drinkwaterproductie, afvalwaterzuivering
Details stof per toets op Blackboard en in Readers spm1520 en spm1530
Colleges spm1520 • •
Hoorcollege (maandag, 3e en 4e uur): ELKE week Week 1-7 (Gerard Dijkema) • Inleiding/Overzicht domeinstof • Systemen in Energie, Water, Industrie • Uitleg stof Reader. • Plaatsen van de stof in Context • Verklaring analyse milieuproblemen • Relatie met onze industriële samenleving / economie
• • •
Hoor/Responsiecollege (woensdag, 7e en 8e uur): ELKE week Week 1 en 2 zie boven Week 3-7 (Emile Chappin): • inleiding/instructie stof • toepassen theorie • uitwerking van voorbeelden • zelf werken aan opgaven • beantwoording vragen n.a.v. college / opgaven
•
Hoor/responsiecollege (vrijdag 3e en 4e uur): sommige weken • reserve / overloop
Module-materiaal spm1520 • Zelfstudie • lijst met behandelde / te bestuderen stof; • lijst met aanbevolen opgaven; • Dictaat: alles is nieuw / aanvulling op VWO-stof • LET OP ‘UNFREEZEN’ VWO-benadering • oude deeltoetsen, tentamens + uitwerkingen • Is uiteindelijk te halen niveau! • Kaartkennis - begrip - toepassen – inzicht
Tenslotte: de hoofddoelstellingen • Op academisch niveau analyseren van ‘Inrichting & Effecten Industriële Samenleving’ • ‘UNFREEZEN’ VWO-benadering door studie en zelfwerkzaamheid (opgaven) • U verwerft en wordt afgerekend op
Kaartkennis - begrip - toepassen - inzicht
