Hoofdstuk 3: energie
De wetten van thermodynamica
1. Behoud van energie:
Energie kan niet verloren gaan, kan niet uit niets ontstaan, kan wel omgezet worden
= totale energie in een gesloten systeem blijft constant
2. Restrictie op de omzetting van energie
Een systeem streeft altijd naar een minimale energie-inhoud, omdat een voorwerp
op deze manier in zijn evenwichtstoestand kan streven: hij wilt zo veel mogelijk
energie afgeven aan de omgeving
Wilt dit zeggen dat spontane processen altijd exotherm zijn? NEE! Dit komt omdat:
een systeem ook altijd streeft naar maximale entropie (=chaos, wanorde)
Perpetuum = mobile onmogelijk
Aardolie
= ontstaan uit zeeorganisme die werden bedolven onder een dikke laag oceaansidement. Uit
de organische rijke bodemlaag zijn dan oliebolletjes ontstaan, die steeds groter worden in
dieper gelegen aardlagen. Aangezien olie lichter is dan grondwater doet zich een opwaartse
beweging naar het reservoirgesteente waar het zich in ophoopt en kan uit dit gesteente worden
opgeboord
Aardgas
Waar aardolie is, is ook aardgasbelletjes, die ontstaan door de organische sedimenten ook gas
is vrijgekomen en doordat de olie gecompacteerd worden en op een gegeven moment zijn
verzadigingspunt bereikt waarbij het overgaat in gas.
Bestaat uit het grootste deel methaan:
CH4 + 202 2H2O + CO2 + energie
De interatomairebindings energie van de reagentia is groter dan die van het reactieproduct
waardoor er energie vrijkomt aan het reactieproduct
meest milieuvriendelijke fossiele energiebron + weinig roet vorming
Nucleair energiebinding
= intra atomaire bindingen worden verbroken en interne structuur van een atoomkern wordt
gewijzigd.
1) Atoomkern gebombardeerd met neutronen en de kern kan deze absorberen
Onstabiele kern
2) Instabiele kern kan spantoon wijzigen door de uitstraling van geladen alpha en betha
deeltjes
3) Kernsplijting = kernfissie
= het splijten van zware kernen
Voornamelijk 235U 239P 233U
het meeste gebruikte is 235U
Splijtbaar materiaal intrageert met een laag energetisch neutron
235
U + 10N = 23692U: dit product zal voor een deel radioactief verval ondergaan met uitstraling
van alpha deeltje, maar veel belangrijker is het deel die verder spontaan zal splijten:
236
U 310N + splijtingsproducten (Ba, Kr) + 3x 10-11 J (E)
Doordat de som van de nieuwe ontstaan atoomkernen en neutronen kleiner zijn dan de massa
van het uitgangsmateriaal komt aan de kant van de reactieproducten energie vrij.
,De energie wordt omgezet naar E = MC2 en omdat C2 zodanig groot is, komt er bij dergelijke
reactie heel veel energie vrij
Kettingreactie, maar ligt probleem bij de gevormde neutronen: hoge kinetische energie
waardoor ze niet geaccepteerd worden door de 235U kern, maar er elastisch mee gaan botsen.
Neutronen worden afgeremd door een moderator die neutronen kan afremmen zonder ze te
absorberen.
Belangrijk in verband met de neutronen is dit: er is precies 1 van het vrijgestelde neutron in
staat om een nieuwe kernsplijting te verwezenlijken, niet meer niet minder
meer: reactie neemt exponentieel toe en is niet meer controleerbaar
minder: reactie dooft uit
Probleem: in de natuur komt er voornamelijk uranium als hoofdzaak voor als 238U en maakt
deel uit van 99,283% van de uranuim voorraad. 238U heeft eveneens dezelfde eigenschap om
snelle neutronen te absorberen, maar kan ze niet afremmen, waardoor de reactie uitdooft. Om
het verlies aan neutronen te reduceren en de kettingreactie op gang te houden moet de
verhouding 235U/ 238U verrijkt worden. Niet splijtbaar materiaal kan via bredere reactoren
omgezet worden in splijtbare kernen waarbij de kernsplijting wel door kan gaan.
de halfwaardetijd bepaalt hoe het materiaal moet
opgeslagen worden en hoe lang het zal duren vooraleer
het schadelijk is voor de volksgezondheid en het milieu.
4) Kernfusie
, Geothermische energie
= aardwarmte energie
Start = buizen liggen verticaal onder de grond gevuld met H20 en
glycol dat de warmte uit de aarde opneemt
Stap 1: glycol mengsel komt in contact met een warmtewisselaar
waar koelvloeistof inzit. Koelvloeistof heeft als eigenschap dat het bij
laagtemperatuur al gaat verdampen. Energie komt uit H20-glycol
mengsel.
Stap 2: hoge temp en druk gas wordt samengeperst en temp blijft
nog stijgen
Stap 3: gast komt in contact met een tweede warmtewisselaar: gas
wordt in contact gebracht met koude vloeistof waardoor het gaat
condenseren. Deze energie wordt afgegeven aan het water dat bv.
voor sanitair wordt gebruikt
Stap 4: druk en temp dalen weer en het koude propaan kan weer
gebruikt worden om de cyclus weer te doorlopen
Bio-ethanol
Uit natuurlijke suikers d.m.v. fermentatie omgezet worden in alcohol
1. Extractie: suikers uit grondstof halen. Het raffinaat heet bagasse
2. Fermentatie: glucose fermenteren tot alcohol
= biochemische omzetting d.m.v. bacteriën, schimmels en enzymen in een omgeving
zonder zuurstof en nitraat. Geval van bio-ethanol d.m.v. sacharomyces schimmels =
gist
3. Het gevormde mengsel bevat nu 45% alcohol en 55% water en bagasse (kan gebruikt
worden in vee industrie)
4. Destillatie: de bagasse wordt uit het mengsel weggewerkt en er blijft 90% alcohol
over
5. Pervaporatie: resterende water wordt uit het mengsel gehaald doordat het mengsel
door een selectief membraan geleid wordt
Bio-ethanol is meestal als transportbrandstof, waarbij 5-20% gebruikt kan worden in
rechtstreekst benzinemotor. De bagasse kan verbrand worden of als eiwitrijk veevoer
gebruikt worden
De wetten van thermodynamica
1. Behoud van energie:
Energie kan niet verloren gaan, kan niet uit niets ontstaan, kan wel omgezet worden
= totale energie in een gesloten systeem blijft constant
2. Restrictie op de omzetting van energie
Een systeem streeft altijd naar een minimale energie-inhoud, omdat een voorwerp
op deze manier in zijn evenwichtstoestand kan streven: hij wilt zo veel mogelijk
energie afgeven aan de omgeving
Wilt dit zeggen dat spontane processen altijd exotherm zijn? NEE! Dit komt omdat:
een systeem ook altijd streeft naar maximale entropie (=chaos, wanorde)
Perpetuum = mobile onmogelijk
Aardolie
= ontstaan uit zeeorganisme die werden bedolven onder een dikke laag oceaansidement. Uit
de organische rijke bodemlaag zijn dan oliebolletjes ontstaan, die steeds groter worden in
dieper gelegen aardlagen. Aangezien olie lichter is dan grondwater doet zich een opwaartse
beweging naar het reservoirgesteente waar het zich in ophoopt en kan uit dit gesteente worden
opgeboord
Aardgas
Waar aardolie is, is ook aardgasbelletjes, die ontstaan door de organische sedimenten ook gas
is vrijgekomen en doordat de olie gecompacteerd worden en op een gegeven moment zijn
verzadigingspunt bereikt waarbij het overgaat in gas.
Bestaat uit het grootste deel methaan:
CH4 + 202 2H2O + CO2 + energie
De interatomairebindings energie van de reagentia is groter dan die van het reactieproduct
waardoor er energie vrijkomt aan het reactieproduct
meest milieuvriendelijke fossiele energiebron + weinig roet vorming
Nucleair energiebinding
= intra atomaire bindingen worden verbroken en interne structuur van een atoomkern wordt
gewijzigd.
1) Atoomkern gebombardeerd met neutronen en de kern kan deze absorberen
Onstabiele kern
2) Instabiele kern kan spantoon wijzigen door de uitstraling van geladen alpha en betha
deeltjes
3) Kernsplijting = kernfissie
= het splijten van zware kernen
Voornamelijk 235U 239P 233U
het meeste gebruikte is 235U
Splijtbaar materiaal intrageert met een laag energetisch neutron
235
U + 10N = 23692U: dit product zal voor een deel radioactief verval ondergaan met uitstraling
van alpha deeltje, maar veel belangrijker is het deel die verder spontaan zal splijten:
236
U 310N + splijtingsproducten (Ba, Kr) + 3x 10-11 J (E)
Doordat de som van de nieuwe ontstaan atoomkernen en neutronen kleiner zijn dan de massa
van het uitgangsmateriaal komt aan de kant van de reactieproducten energie vrij.
,De energie wordt omgezet naar E = MC2 en omdat C2 zodanig groot is, komt er bij dergelijke
reactie heel veel energie vrij
Kettingreactie, maar ligt probleem bij de gevormde neutronen: hoge kinetische energie
waardoor ze niet geaccepteerd worden door de 235U kern, maar er elastisch mee gaan botsen.
Neutronen worden afgeremd door een moderator die neutronen kan afremmen zonder ze te
absorberen.
Belangrijk in verband met de neutronen is dit: er is precies 1 van het vrijgestelde neutron in
staat om een nieuwe kernsplijting te verwezenlijken, niet meer niet minder
meer: reactie neemt exponentieel toe en is niet meer controleerbaar
minder: reactie dooft uit
Probleem: in de natuur komt er voornamelijk uranium als hoofdzaak voor als 238U en maakt
deel uit van 99,283% van de uranuim voorraad. 238U heeft eveneens dezelfde eigenschap om
snelle neutronen te absorberen, maar kan ze niet afremmen, waardoor de reactie uitdooft. Om
het verlies aan neutronen te reduceren en de kettingreactie op gang te houden moet de
verhouding 235U/ 238U verrijkt worden. Niet splijtbaar materiaal kan via bredere reactoren
omgezet worden in splijtbare kernen waarbij de kernsplijting wel door kan gaan.
de halfwaardetijd bepaalt hoe het materiaal moet
opgeslagen worden en hoe lang het zal duren vooraleer
het schadelijk is voor de volksgezondheid en het milieu.
4) Kernfusie
, Geothermische energie
= aardwarmte energie
Start = buizen liggen verticaal onder de grond gevuld met H20 en
glycol dat de warmte uit de aarde opneemt
Stap 1: glycol mengsel komt in contact met een warmtewisselaar
waar koelvloeistof inzit. Koelvloeistof heeft als eigenschap dat het bij
laagtemperatuur al gaat verdampen. Energie komt uit H20-glycol
mengsel.
Stap 2: hoge temp en druk gas wordt samengeperst en temp blijft
nog stijgen
Stap 3: gast komt in contact met een tweede warmtewisselaar: gas
wordt in contact gebracht met koude vloeistof waardoor het gaat
condenseren. Deze energie wordt afgegeven aan het water dat bv.
voor sanitair wordt gebruikt
Stap 4: druk en temp dalen weer en het koude propaan kan weer
gebruikt worden om de cyclus weer te doorlopen
Bio-ethanol
Uit natuurlijke suikers d.m.v. fermentatie omgezet worden in alcohol
1. Extractie: suikers uit grondstof halen. Het raffinaat heet bagasse
2. Fermentatie: glucose fermenteren tot alcohol
= biochemische omzetting d.m.v. bacteriën, schimmels en enzymen in een omgeving
zonder zuurstof en nitraat. Geval van bio-ethanol d.m.v. sacharomyces schimmels =
gist
3. Het gevormde mengsel bevat nu 45% alcohol en 55% water en bagasse (kan gebruikt
worden in vee industrie)
4. Destillatie: de bagasse wordt uit het mengsel weggewerkt en er blijft 90% alcohol
over
5. Pervaporatie: resterende water wordt uit het mengsel gehaald doordat het mengsel
door een selectief membraan geleid wordt
Bio-ethanol is meestal als transportbrandstof, waarbij 5-20% gebruikt kan worden in
rechtstreekst benzinemotor. De bagasse kan verbrand worden of als eiwitrijk veevoer
gebruikt worden
