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;g.p.j.dijkema@tudelft.nl

Docent:Dr.ir. Emile J.L. Chappin

kamer a.3.300e.j.l.chappin@tudelft.nl

Samenleving: duurzame e-voorziening

schoon, beschikbaar, betaalbaar en betrouwbaar

Spm1520: “de energievoorziening”, energie-systeemanalyse, energietechnologie

Energie-systeem

Elektriciteitsvoorziening• Security-of-supply

• voorraden olie, gas, kolen zijn eindig• en veelal geconcentreerd in geopolitiek instabiele regios

• Andere typen bronnen:• controversieel (nucleair, water, schaliegas)• of ruimtevragend (zon, wind)

• Actueel: • 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?

© 2009 6/71

Technisch systeem

Modern energiesysteem (ontwerp)bron: Barney et al. (2010)

Infrastructuur – verbinding, vernetting

• biedt flexibiliteit

© 2009 7/71

Systemen in Energie, Water en IndustrieDit 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: landbouw; veehouderij• 200-300 jaar geleden: fossiele grondstoffen• 21e eeuw?

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

Economic systemIndustrial system - process industry- energy / water

infrastructure- (information)

Inrichting industriële samenleving- een ecosysteemperspectief

agrarische samenleving lokale omgevingindustriële samenleving mondiale omgeving

Systeemdenken en chemieVoorbeeld

Systemen en chemie - voorbeeld

In de zomer van 1999 werdt Delft opgeschriktdoor de breuk van een melasse-opslagtankbij DSM-Gist;

30.000 kuub melasse was niet meer op het terrein te houden (!)

Woordvoerder DSM-Gist, reagerend op bezorgdebuurtbewoners:

“melasse is een volstrekt onschadelijk biologischmateriaal. We verwachten dat de kleinehoeveelheid die in een der Delftse Grachtenis terecht gekomen geen probleem zalopleveren”

MelassetanksBron: www.vam.at/vamde/images/agrana_1.gif

MelasseBron: 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 – voorbeeldMelasse

• Melasse is een stroopachtig produkt• Onstaat bij de productie van suiker (uit

suikerriet of suikerbiet)• Samenstelling:

MelasseBron: www.nordzucker.de/084_futter/images/melasse.jpp

Stof [gew.%]

Saccharose 50

Water 20

Organische zuren, anhydriden

6

Zouten, metalen 6

Overig 18

LHV ± 18 [MJ/kg]

SaccharoseBron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Sucrose

Systeemdenken + chemie (2)

1) in de grachten vinden we vissen en anderwaterleven dat afhankelijk is van zuurstof (O2)

2) melasse = organisch restprodukt suikerproduktie; alg. verhoudingsformule ± CH2O

3) water + melasse + micro-organismen => rotting; een natuurlijk proces dat zuurstof uithet water verbruikt;bijv. CH2O + O2 --> CO2 + H2O

Voorspelbaar resultaat: bij onvoldoendeverversing (stilstaande gracht) wordt het systeem waarin de vissen leven zuurstofloos, en de vissen zullen sterven

Dode vissenBron: www.diasporamacaense.org/Dead%20Fish.jpg

Inrichting van de modules spm1520/spm1530

Systemen in Energie, Water en IndustrieInhoud (1) Overzicht van het EWI-domein:

• ‘De technologische inrichting van onze industriëlesamenleving’

• 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

Kaartkennis

Systemen in Energie, Water en IndustrieInhoud (2) Overzicht van het EWI-domein:

Scherpte & Integratie

• Methoden voor begrip en analyse van systemen in het EWI-domein

• Systeemdenken, systeembenadering• Massa- en energiebalansen• Massa-en energieconversie• Chemie: boekhouden met atomen en moleculen• Chemie en thermodynamica• Modellen voor chemische binding• Modellen voor chemische reactie

• Gebruik, overeenkomst en verschillen voor analyse ‘human’ systems, vs. 'natural' systems (milieu), en huninteractie.

Begrip & Analyse

<Gereedschapskist>

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 handelenVoorbeeld 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 Energiehttp://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 Boi-ler

Warmte-Kracht Centrale Rijnmond Energiehttp://www.hoogvliet.org/00-meer2004/01-januari/19-energiecentr.htm

WKK-centrale / systeemdiagram

• systeem elementen• systeemgrens

• inputs en outputs• 'verbinden'

systeem en (fysieke) omgeving

Context

Interface met Omgeving

Systeemgrens

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO2

Lucht

GT Boi-ler

WKK-Centrale / Analyse

• Technisch systeem• Massabalans / Eenvoudige chemie: bereken CO2 emissie• Energiebalans: Aardgas consumptie en kosten per kWh• Technologie / thermodynamica: maximaal rendement

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO2

Lucht

GT Boi-ler

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

Systeemgrens

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO2

Lucht

GT Boi-ler

WKK-Centrale / Context• is de bouw van een WKK een voorbeeld

van schone of ‘groene’ technologie met positief effect voor het milieu?

• milieueffect op lokaal niveaunegatief;

• inpassing in nationaleinfrastructuur elektriciteit:

• bijdrage aan (inter)nationale CO2doelstelling

Context

Interface met Omgeving

Systeemgrens

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO2

Lucht

GT Boi-ler

WKK-Centrale / Context (2) • de energiesector levert goederen cq.

dienst(en) aan elke sector van de economie

• de WKK centrale heeft minder fossiele grondstoffen nodig t.o.v. aparteproductiesystemen voor warmte en kracht (elektriciteit) (hoe ziet zo’n alternatief systeem eruit?)

• 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

Context

Interface met Omgeving

Systeemgrens

WKK

Aardgas

Elektriciteit

Warmte

CO2

Lucht

GT Boi-ler

Micro WKK en netwerken• Technische Karakteristiek

• Netwerk verbindingen• Aardgas• Elektriciteit• ICT – Smart Meter

• Consequenties voor inrichtinggebouw

• Consequenties voorinfrastructuren & besluitvorming

• CO2 credits?• Verbruik of netto levering aan het

net• Etc.

Micro Warmte-Kracht breekt door?

Om het echt warm van te krijgenRuud 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 namelijkeen 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 eennieuwe warmtekrachtinstallatie vanaf 2008 op de Nederlandse markt. De nieuwe cv wordt met aardgas gestookt en haalt net zoals een gewonehr-ketel een rendement van 98,5 procent. Maar daarvan wordt 14 procent gebruikt om met behulp van een stirlingmotor elektriciteit op tewekken. En dit systeem genereert stroom met een ongehoord hoogrendement.

1 kWh verbrandingswarmte van het aardgas levert 1 kWh elektriciteit op, bijna twee keer zo zuinig als de stroom van een nutsbedrijf, want hierbijligt het rendement maximaal op maar 5 procent.” ?????

Micro WKK: efficiënt in infra-netwerken?

Nodig: Integratie van energiebronnen, conversie en distributienet: infrastructuur!

(Inter) National

Region or Country

Urban Area Neighbourhood

ApartmentHouse

Office building

Decentralisedenergy systems

Centralisedenergy

conversion

Infrastructures / Interconnections

AfrondingWaar gaat het om in spm1520/spm1530?

Economic systemHuman activities

- process industry- infrastructures

energy wastewater

Interactie milieu «menselijke activiteiten

Kaartkennis: overzicht + illustraties; Systemen: leren hanteren en analyseren

spm1520/spm1530centraal 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 voorenergie gesloten systeem voormaterie

• 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 zowelvoor 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 ToekomstigeEnergieconversie systemen

• Spm9537: Operations Management• spm9539: Economy, Ecology and Technology of Networked Industrial

Systems• spm9550: Agent-Based Modeling of Complex Adaptive Systems

spm1520/spm1530 - overzicht

Supervisorregulator

Service Providers

Designers

Users

Suppliers

Consumers

Government

EU, UN etc.

LocalGovernment

Atmosphere

Biosphere

Hydrosphere

- chemistry- energy- systems

Energy InfrastructureIndustrial systems

Waste ManagementWater Infrastructure

theory subject knowledgemodels

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