Systeemdenken: balansen- Leerdoelen · Process systems engineering: Open the Black-box •...

54
Systeemdenken: balansen - Leerdoelen Vraagstuk analyseren m.b.v. systeemdenken Behoudswetten massa en energie Procedure voor opstellen balans Voorbeelden: de chemische industrie huisvuilverwerking in Nederland warmte-kracht koppeling etc. Stuk elektronische reader “De Systeembenadering” (volgt)

Transcript of Systeemdenken: balansen- Leerdoelen · Process systems engineering: Open the Black-box •...

Systeemdenken: balansen -Leerdoelen

• Vraagstuk analyseren m.b.v. systeemdenken

• Behoudswetten massa en energie• Procedure voor opstellen balans

• Voorbeelden: • de chemische industrie• huisvuilverwerking in Nederland• warmte-kracht koppeling• etc.

• Stuk elektronische reader “De Systeembenadering” (volgt)

Wat is een systeem?

Wat is een systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens (interface tussen systeem en omgeving)

• systeemelementen

• verbindingen tussen systeemelementen (structuur)

• inputs/outputs

Wat is een systeem?

De chemische industrie

InputsOutputs

Chemische Fabriek

Outputs Inputs

Uitwisseling

>>

Systeem Element

Systeem Grens

Flow

Categorie

Info

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Dijkema, G.P.J. (2004) , “Process System Innovation by Design”.

Wat is een systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens?

• systeemelementen?

• verbindingen?

• inputs, outputs?

De chemische industrie

InputsOutputs

Chemische Fabriek

Outputs Inputs

Uitwisseling

>>

Systeem Element

Systeem Grens

Flow

Categorie

Info

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Chemische Fabriek

Dijkema, G.P.J. (2004) , “Process System Innovation by Design”.

Systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment”(Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens?• systeemelementen?• verbindingen? (structuur)• inputs, outputs

http://aardling.com/ferrari-458-italia/

Systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment”(Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens?• systeemelementen?• verbindingen? (structuur)• inputs, outputs

http://www.mocpages.com/moc.php/11547

Wat is een systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens (interface tussen systeem en omgeving)• systeemelementen• verbindingen tussen systeemelementen (structuur)• inputs, outputs

• combinatie leidt tot prestatie, gedrag van het systeem• het systeem vervult een FUNCTIE

Systeem?

• A system may be defined as “a structured assemblage of elements and subsystems, which interact through interfaces. The interaction occurs between system elements and between the system and its environment” (Asbjørnsen 1992)

• systeemgrens (interface tussensysteem en omgeving)

• systeemelementen• verbindingen tussen

systeemelementen (structuur)• inputs, outputs

• combinatie leidt tot prestatie, gedragvan het systeem

• het systeem vervult een FUNCTIE

http://aardling.com/ferrari-458-italia/

Waarom systeemdenken (1)?

• Basisregels hoe systemen werken zijn toepasbaar voor

• natuurlijke, technologische, economische, ecologische, fysische, maatschappelijke en politiekesystemen.

• productie processes, producten, informatiesystemen

• Systeembenadering is basis voor analyse industriële installaties:

• economie: kosten/baten analyse; schatting investeringen;

• ecologie: input/outputs � “wieg-tot-graf” keten

Waarom systeemdenken (2)?

• Gedrag van een systeem is afhankelijkvan zijn structuur (interactie van systeemelementen) en relatie met zijnomgeving

• Elk systeem is meer dan de optellingvan het gedrag van zijn afzonderlijkeelementen!

• Op elk aggregatie niveau:• Systeem is te decomponeren in subsystemen

• Deze (sub)systemen zijn weer tedecomponeren in (sub)-subsystemen

• etc.

http://rummage.typepad.com/rummage/2007/11/index.html

Waarom systeemdenken (2)?

• Systeemdecompositie:• systemen bestaan uit subsystemen• subsystemen bestaan uit sub-subsystemen

• sub...systemen bestaan uitsysteemelementen

• Systeemanalyse: • wat is een geschiktesysteemdecompositie??

• Keuze van aggregatieniveaus• Bijv. locaal, regionaal, nationaal• Industriële economie / Industriegebied /

Industrieel complex / Fabriek?• Fabriek / -Sectie / Apparaat / Onderdeel?

http://rummage.typepad.com/rummage/2007/11/index.html

Waarom systeemdenken (3)

• … geeft je de mogelijkheid complexe, ongestructureerdeinformatie te ordenen, en methoden voor oplossing teoverwegen.

• … een gevonden oplossing kan vrij indirect en moeilijk tebegrijpen zijn voor niet-systeem-denkers, maar het werkt beter

• … de oplossing geeft betere resultaten geïntegreerd in plaats en tijd

• systeemdenken: krachtig hulpmiddel/denkwijze in combinatie met inhoudelijke kennis (waar gaat het over).

Voorbeeld: de Aarde als systeem

•Aarde

• open systeem voor energie

• gesloten systeem voor materie

•Aarde als milieusysteem

• open• zwakke integratie• zeer complex

de Aarde als systeem: veel gebruikte systeemdecompositie

•Aarde

•open systeem voor energie

•gesloten systeem voor materie

•Aarde als milieusysteem

•open•zwakke integratie•zeer complex

Systeemdenken: industrie en milieu

• Milieu als bron en put

Systeemdenken: industrie en milieu

• Milieu als bron en put

• “Society” als systeem � decompositie t.b.v. analyse

Food

Textile

Paper

Fertilizer

Oth. chemical

Building material

Basic metal

Oth. metal

Oth. industry

Transport

Homes

Cokes factories

Refineries

Power plants

Winning

Import

Export

The Netherlands

Import

Export

SysteemdecompositieNederlandse Economie

Winningsbedrijven Energie-bedrijven Eindgebruikers

Black-box systeem-model

• “Black-box” model:

• elk systeem wordt gekarakteriseerddoor zijn inputs en outputs.

Puri-fication

Recycle Flow

SeparationReaction

Feed Product

Purge

Feed preparation

T

Fuel

Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

Process systems engineering:Open the Black-box

• “Black-box” openen:

• elk systeem wordt gekarakteriseerddoor zijn inputs en outputs.

• we zien wat er in het systeem zitPuri-

fication

Recycle Flow

SeparationReaction

Feed Product

Purge

Feed preparation

T

Fuel

Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

Algemene systeemstructuur/decompositievan een fabriek in de procesindustrie:Een assemblage van unit operations

Puri-fication

Recycle Flow

SeparationReaction

Feed Product

Purge

Feed preparation

T

Fuel

Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

Een assemblage van unit operations

• Unit operations:

• ...Basis concept van (chemical) process systems engineering

• ...Voor modellering en ontwerp

• Aan dit systeemmodel zijn eenaantal methoden voor het (vroeg) schatten van investeringskostenopgehangen.

Puri-fication

Recycle Flow

SeparationReaction

Feed Product

Purge

Feed preparation

T

Fuel

Dijkema, G.P.J., Process System Innovation by Design, 2004

Systeemdenken: industrie en milieu

• Industriële productie:

• onttrekking van grondstoffen aan de aardkorst

• industriële bewerkingen tot gereed product

• sommige bewerkingen: emissies, afval

• producten: na gebruik � afval

• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht

Systeemdenken

• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht

• Voorbeelden?

Systeemdenken

• Voorafgaand aan gebruik milieu als put treffen we voorzieningen die we verantwoord vinden en die betrouwbaar worden geacht

• Voorbeelden?

• onttrekking: boorspoeling; mijnafval; ganggesteente

• industriële bewerking: end-of-pipe; procesgeïntegreerdemaatregelen, schone/groene grondstoffen & processen

• afgedankte produkten: recycling; afvalverwerking

Afvalverwerking- systeem

• Hoe ziet het systeem voorhuishoudelijk afvalverwijdering eruit in Nederland?

• Welk produkt, welke bewerkingen, kosten, milieubelasting?

• Schatting van bovenstaande?

Afvalverwerking- systeem

• Hoe ziet het systeem voorhuishoudelijk afvalverwerkinger uit in Nederland?

• Welk produkt, welkebewerkingen, kosten, milieubelasting?

• Schatting van bovenstaande?

Afvalverwerking- systeem

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

De verwerking van afval

• Systeemkeuze voor analyse en ontwerp

• opties:

• opties:

• opties:

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

De verwerking van afval

• Systeemkeuze en afbakening, voor analyse en ontwerp

• inzameling• opties:

• integraal of gescheiden? (GFT-bak, glasbak, papiercontainer etc.)

• halen of brengen

• transport• opties:

• vrachtauto, trein, of schip (vliegtuig)

• eindverwijdering of nuttige toepassing?• opties:

• vuilstortplaats (gecontroleerde stort)• composteren (van GFT)• verbranding met energieterugwinning• grondstofterugwinning• gergebruik en recycling

Inzameling

Transport

Verwerking

AFVAL

Restprodukt

Huishoudelijk Afval in Nederland, 1992-2007

1 [Mton] = 1 miljoen [Ton]

http://www.senternovem.nl/uitvoeringafvalbeheer/publicaties/Monitoring/ua_200805_afvalverwerking_in_nederland__gegevens_2007.asp

Ontwikkeling huishoudelijk afval

bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

De verwerking van huishoudelijkafval in Nederland - massabalans

bron: Nederland Afval in Cijfers, Uitvoering Afvalbeheer, SenterNovem, 2007

De verbranding van huisvuil

De grootschalige verbranding van huisvuil (grijze container), AfvalverwerkingZuid-Nederland, AZN

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar

• Daarbij ontstaan

• 180.000 ton bodemas

• 12.000 ton metalen

• De operatie is (volgens AZN (folder):

“schoon en erg milieu-vriendelijk”

• Is dat werkelijk zo? Welke informatie ontbreekt aan ditoverzicht (uit PR-folder)?

• 15.000 ton vliegas• 3.000 ton gips

• 2.600.000 ton stoom

De verbranding van huisvuil

• Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoon en milieuvriendelijk??

• Wat zouden de kosten zijn voorverbranding van huisvuil?

• Hoe krijgen we een antwoord op deze twee vragen?

Hoe ziet een systeemdiagram eruit?

De verbranding van huisvuil

• Afvalverbrandingsinstallatie AZN schoonen milieuvriendelijk??

• Wat zouden de kosten zijn voorverbranding van huisvuil?

• Hoe krijgen we een antwoord op dezetwee vragen?

1. systeemdiagram opstellen

2. inputs & outputs uitrekenen

3. kosten en opbrengsten in beeld brengen

De verbranding van huisvuil

1. systeemdiagram opstellen

• op basis van kennis & informatie over dit systeem – bijvoorbeeld Ullmann’sEncyclopedia of technology (via www.library.tudelft.nl), wikipedia, boeken, wetenschappelijke & technische literatuur, bedrijfsinformatie etc.

• keuze systeemgrens, systeemelementen, inventarisatie van stromen

2. inputs & outputs uitrekenen

3. kosten en opbrengsten in beeld brengen

SysteemdiagramVerbranding met energieterugwinning

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

Verbranding met energieterugwinning

• Systeem-informatie:

• er is een gesloten stoomkringloop voor energiewinning(vergelijk met centrale verwarming (cv) thuis)

• de schoorsteen is 80m hoog

• voor de verbranding van huisvuil wordt lucht gebruikt

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar

• Daarbij ontstaan

• 180.000 ton bodemas

• 12.000 ton metalen

• Rookgas (CO2)

• 15.000 ton vliegas

• 3.000 ton gips

• 2.600.000 ton stoom

Stap 1 - keuze systeemgrens & control volume

Control Volume t.b.v. vragen

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

Energieterugwinning: water-stoom in gesloten kringloop

Control Volume t.b.v. vragen

Aanvoer/Loshal(bunkering)

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energiewinning)

Opslag (open lucht)

Afvoer

Warmte-wisselaar(energie-afnemer)

Kring-proces

Stap 2: boekhoudeninventarisatie inputs en outputs

Control Volume

Aanvoer/Loshal(bunkering)700.000 ton

Rookgasreiniging(NOx, vliegas,

zware metalen, chloor, SO2

dioxines, kwik)

Slakopwerking(verwijdering metalen tbv recycling)

Roosteroven (verbranding)

Stoomketel(energie-winning)

Warmte-wisselaar(energie-afnemer)

Verbrandings-Lucht??ton

bodemas180.000 ton

metalen12.000 ton

vliegas15.000 ton

gips etc.3.000 ton

rookgas??? ton

Netto circulatie2.600.000 ton

De grootschalige verbranding van huisvuil - schoon, milieuvriendelijk?

• AZN Moerdijk verwerkt 700.000 ton afval per jaar

• Daarbij ontstaan

• 180.000 ton bodemas

• 12.000 ton metalen

• Rookgas (CO2)

(1) Wat is de hoeveelheid rookgas die door de

schoorsteen wordt uitgestoten?

(2) Wat is de samenstelling van het rookgas (hoeveelheid

CO2, dioxines, NOx, roet etc.)

(3) Hoeveel aardgas wordt er bespaard

• 15.000 ton vliegas

• 3.000 ton gips

• 2.600.000 ton stoom

Oplossing: gebruik kennis van het systeem EN balansen

• Stelt u in staat te “boekhouden” met

Behouds wet

som(ingaande stromen)

som(uitgaande stromen) -

netto accumulatie

• Geldt voor: elektronen, atomen, moleculen*, massa, energie, kippen, mineralen, etc.

*bij afwezigheid chemische reactie

Materie- en energietransformatiebehoudswet

• LAW OF CONSERVATION OF MATTER AND ENERGY

• matter and energy cannot be created or destroyed

• matter and energy can be transformed into other kinds of matter and energy

Oplossings-procedure(zie ook elektronische reader)

(1) Kies systeemgrens & control volume;• gebruik daarvoor kennis van het systeem

(2) Kies de te gebruiken grootheid(3) Ga boekhouden met Behouds wet

som(ingaande stromen)som(uitgaande stromen) -netto accumulatie

• dus inventariseer alle stromen(4)Maak aanvullende aannamen

• bijv. in een continu werkend systeem is bij stationaire operatiede accumulatie gelijk aan nul!

• bijv. de massa van schadelijke stoffen in rookgas is teverwaarlozen in de massabalans

Resultaat systeemanalyse stap (2)

• Er is een additionele input, verbrandingslucht, hoeveelheid is onbekend

• Er is een output waarvan de hoeveelheid en samenstellingonbekend is

• NB de samenstelling van huisvuil is eveneens vooralsnogonbekend!

• Om te bepalen of het systeem “schoon en milieuvriendelijk” is, dienen we dus ontbrekende gegevens te schatten / berekenen, c.q. informatie te verzamelen!

Berekenen ontbrekende gegevensmet massabalans:

• (1) Inputs:

• lucht: stel X ton

• afval: 700.000 ton

•totaal: 700.000 + X

• (2) Outputs

• rookgas: stel Y ton

• vliegas: 15.000 ton

• bodemas: 180.000 ton

• metalen: 12.000 ton

• gips etc.: 3.000 ton

• totaal: 210.000 + Y

Berekenen resultaat met balans:

• (3) Massabalans:

• stel netto accumulatie of voorraadvorming = 0

• som(inputs) - som(outputs) = 0

• (4) Resultaat

• 700.000 + X - 210.000 - Y = 0

• hoeveelheid rookgas = Y =490.000 + X

Berekenen schatting van hoeveelheidverbrandingslucht

• benodigde informatie:

• verbrandings-reactie(s)

• samenstelling huisvuil

• samenstelling lucht

• massa / mol balansen

Neem aan dat we dit proces voltooien:

(1) Kies systeemgrens & control volume;

(2) Kies de te gebruiken grootheid

(3) Ga boekhouden met Behouds wet

som(ingaande stromen)

som(uitgaande stromen) -

netto accumulatie

• dus inventariseer alle stromen

(4) Maak aanvullende aanname(s)

(5) Stel (voorlopig) onbekendes op “X”

Vervolg systeemanalyse

• Systeem is gekarakteriseerd, informatie verzameld, verantwoorde schatting van ontbrekende gegevensgemaakt

• Kunne we nu iets zeggen of de AZN afvalverbrander“schoon en milieuvriendelijk is”

• Hebben we aanknopingspunten om te bepalen wat de kosten van de verwerking van een ton huisvuil is?