Lees onderstaand artikel:
Vanaf 2015 vangt die het dag- en nachtritme van Almere en Amsterdam op. Als er, bijvoorbeeld ‘s nachts, meer warmte wordt geproduceerd dan nodig is, kan deze worden opgeslagen.
In Diemen heeft Nuon twee gasgestookte elektriciteitscentrales die samen 440 MW thermisch en 700 MW elektrisch vermogen leveren. Doordat het warmtekrachtcentrales zijn, is het energetische rendement met 85 % behoorlijk hoog. Door de goedkope kolen en Duitse windenergie kunnen de centrales desondanks moeilijk concurreren.
Om het gas efficiënter te benutten moeten vraag en aanbod van zowel elektriciteit als warmte op ieder moment in evenwicht zijn. Dit is niet het geval. In de loop van een etmaal komt het vaak voor dat de gevraagde stroomproductie meer warmte genereert dan op dat moment gevraagd wordt. Door de warmte op te slaan, kan deze op een later moment geleverd worden. ‘Als er minder elektriciteit gevraagd wordt en de warmteproductie dus ook lager is, dan halen we warmte uit de warmtebuffer’, zegt Alexander van Ofwegen, die bij Nuon verantwoordelijk is voor energie-opwekking.
Voor een maximaal effect is water nodig met een temperatuur van 125 °C. Om te voorkomen dat dit gaat koken, moet het onder een druk van 2,3 bar staan. Dit leidt tot een zware constructie. De stalen wanden van het drukvat hebben een dikte van 37 mm. Hier omheen zit een 50 cm dikke isolatielaag en een buitenwand.
Bron: Technisch Weekblad, 1 september2014
a) Bereken hoeveel m³ (Gronings) aardgas de centrales per seconde verbranden.
Het drukvat wordt omringd door een 50 cm dikke isolatielaag.
b) Noem de drie vormen van warmtetransport en geef voor elke vorm aan hoe dit transport met behulp van isolatie geminimaliseerd kan worden.
Het vat bevat 22 * 103 m³ water.
c) Bereken de massa van dit water in kg.
Het water wordt opgeslagen bij een temperatuur van 125 °C en een hoge druk van 2,3 bar.
d) Bereken hoeveel extra warmte er opgeslagen is in al het water als de temperatuur 125 °C is, in plaats van 20 °C.
Bij deze hoge temperatuur en druk kan de dichtheid van water anders zijn dan onder normale omstandigheden. De dichtheid van water als functie van de temperatuur, druk en zoutgehalte kan je uitrekenen op deze website. Je kunt hier de temperatuur (in graden Celsius), de druk (in decibar!) en het zoutgehalte opgeven. De website rekent vervolgens uit wat de dichtheid van het water zal zijn. We gaan bij deze vraag uit van een zoutgehalte van 0 PSU, wat betekent dat het water geen zout bevat.
e) Bereken hoeveel kg water het vat onder de genoemde omstandigheden meer of minder kan bevatten dan onder normale omstandigheden.
De binnendiameter van het drukvat is 26 meter. Het vat wordt 50 meter hoog.
f) Bereken de massa van de stalen wand. Je hoeft de onder- en bovenkant niet mee te nemen in deze berekening. Neem aan dat de wand van roestvrij staal gemaakt is.
Uitwerking vraag (a)
Het totale nuttige vermogen is 440 + 700 = 1140 MW. Dit is 1140 miljoen joule energie per seconde. Het rendement is 85%. De hoeveelheid chemische energie per seconde is dan dus 1140 / 85 * 100 = 1341 MJ.
De verbrandingswarmte van Gronings aardgas is 32 MJ/m³. Er wordt dus 1341 / 32 = 42 m³ aardgas per seconde verbrand.
Uitwerking vraag (b)
Geleiding – De wanden zullen een materiaal bevatten dat slecht geleid, bijvoorbeeld piepschuim. Ook kan er voor gekozen worden om verschillende lagen te gebruiken, met daartussen een ruimte gevuld met lucht of een ander gas. Dit wordt bijvoorbeeld in thermosflessen en in ramen van dubbelglas gebruikt.
Stroming – De wanden zullen materialen bevatten waar lucht moeilijk in kan stromen. Een voorbeeld is piepschuim of glaswol. De lucht zit hierbij ingesloten in kleine ruimtes en kan niet vrij stromen/
Straling – Infrarood straling kan met een reflecterend materiaal tegengehouden worden. Denk bijvoorbeeld aan de binnenkant van een thermosfles.
Uitwerking vraag (c)
De dichtheid van water is volgens de BINAS 998 kg/m³. Dit geeft een totale massa van:
$m=\rho V=998 \cdot 22\cdot 10^3=2,1956\cdot 10^7=2,2\cdot 10^7~\mathrm{kg}$
Uitwerking vraag (d)
$Q=cm\Delta T=4,18\cdot 10^3\cdot 2,1956\cdot 10^7\cdot (125-20)=9,636\cdot 10^{12}=9,6\cdot 10^{12}~\mathrm{J}$
Uitwerking vraag (e)
Volgens de website is de dichtheid van water 988,021 kg/m³. Dit geeft een totale massa van:
$m=\rho V=988,021\cdot 22\cdot 10^3=2,1736\cdot 10^7~\mathrm{kg}$
Onder de gegeven omstandigheden bevat het vat 2,1956 * 107 - 2,1736 * 107 = 2,2 * 105 kg water minder dan onder normale omstandigheden.
Uitwerking vraag (f)
Het volume van een cilinder is gelijk aan het grondoppervlak keer de hoogte. De diameter van het vat inclusief de wand is 26 + 2 * 37 * 10-3 = 27,074 m.
Het volume van de buitenwand is dus:
$V=A\cdot h=(\pi\cdot 26,074^2-\pi\cdot 26^2 )\cdot 50=6,05\cdot 10^2~\mathrm{m}^3$
De dichtheid van staal is 7,8 * 103 kg/m³. De totale massa is dan:
$m=\rho \cdot V=7,8\cdot 10^3\cdot 6,05\cdot 10^2=4,7\cdot 10^6~\mathrm{kg}$
