Brandstoffen en energie (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introductie

Uitleg over brandstoffen en energie: C/H-verhouding en CO₂ per joule, emissies (CO₂, NOx, SO₂), olieraffinage met gefractioneerde destillatie en kraken, energie uit biomassa, koolstofkringloop, versterkt broeikaseffect en levenscyclus. Met woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag.

Een olieraffinaderij 's nachts in Mina al-Ahmadi, Koeweit

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Brandstoffen en energie

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: T2.1, T2.2, T4.1. Image credit: Grubb / Wikimedia Commons, publiek domein

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan brandstoffen vergelijken op CO₂ per joule, emissies en koolstofkringloop, olieraffinage uitleggen en energie uit biomassa beoordelen.

Welke brandstoffen ken je, en wat komt er uit de uitlaat of schoorsteen?

Verwacht: benzine, diesel, aardgas, steenkool, hout, biogas; uit de uitlaat of schoorsteen komen CO₂, waterdamp, roet, rook. Gebruik de woorden om te sorteren in fossiel en uit planten. Koppel aan de les: niet alle brandstoffen geven evenveel CO₂ per joule, en niet alle CO₂ telt even zwaar voor het klimaat. Veelgemaakte misvatting: biobrandstof geeft geen CO₂ af. Syllabus T2.1 en T2.2.

Tanker bij een olieplatform in de Noordzee: aardolie is een fossiele brandstof (foto: Jon Olav Eikenes, CC BY 2.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Brandstoffen en biomassa

• Een brandstof levert warmte door verbranding: chemische energie wordt warmte.

• Fossiele brandstoffen (steenkool, aardolie, aardgas) ontstonden in miljoenen jaren uit resten van planten en dieren.

• Biomassa is organisch materiaal van planten, dieren of afval, zoals hout, mais en mest.

• Een biobrandstof wordt uit biomassa gemaakt, zoals biogas, bio-ethanol en biodiesel.

Syllabus T2.2: fossiele brandstof en biobrandstof, T2.1: energie uit biomassa. Kijkvraag: waarom is aardolie een fossiele brandstof en hout niet? Veelgemaakte fout: denken dat een biobrandstof schoon is of geen CO₂ geeft; bij verbranding komt ook uit biobrandstof CO₂ vrij. In deze les gaat het om het verschil in effect op het klimaat. Image credit: Jon Olav Eikenes / Wikimedia Commons, CC BY 2.0

Mol CO₂ per MJ warmte bij waterstof, methaan, ethanol en koolstof (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

CO₂ per joule en C/H-verhouding

• Bij verbranding wordt koolstof CO₂ en waterstof H₂O: alleen de koolstof geeft CO₂.

• De C/H-verhouding is het aantal C-atomen gedeeld door het aantal H-atomen in de formule.

• Hoe hoger de C/H-verhouding, hoe meer CO₂ er per joule vrijkomt.

• Methaan: 1 mol CO₂ per 8,91·10⁵ J, dus 1,12 mol CO₂ per MJ. De figuur toont ook ethanol en koolstof.

Syllabus T2.2: C/H-verhouding, relatie hoeveelheid CO₂ per joule. Berekening uit de verbrandingswarmte (afgeleid van de vormingswarmtes in Binas): methaan CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, 8,91·10⁵ J per mol, 1 CO₂: 1,0·10⁶ / 8,91·10⁵ = 1,12 mol CO₂ per MJ. Ethanol C₂H₅OH: 1,37·10⁶ J per mol, 2 CO₂: 2 × 1,0·10⁶ / 1,37·10⁶ = 1,46. Koolstof: 3,94·10⁵ J per mol CO₂ (vormingswarmte CO₂), 1,0·10⁶ / 3,94·10⁵ = 2,54. Waterstof geeft geen CO₂. Ethanol bevat ook zuurstof, dat de energie per mol mee bepaalt; de trend met de C/H-verhouding is in deze reeks duidelijk. Kijkvraag: welke brandstof heeft de hoogste C/H-verhouding en de meeste CO₂ per MJ? Veelgemaakte fout: de CO₂ per kilogram vergelijken in plaats van per joule. Image credit: Eigen figuur voor deze les

Schoorstenen van een elektriciteitscentrale in Apollo Beach, Florida (VS)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Emissies bij verbranding

• Een emissie is een stof die bij een proces in lucht, water of bodem terechtkomt.

• CO₂ ontstaat uit de koolstof in de brandstof.

• SO₂ ontstaat uit zwavel die in de brandstof zit, bijvoorbeeld in steenkool en stookolie.

• NOx ontstaat doordat N₂ en O₂ uit de lucht bij hoge temperatuur reageren, bijvoorbeeld in een motor.

Syllabus T2.2: optredende emissies bij verbranding: CO₂, NOx, SO₂. NOx is de verzamelnaam voor stikstofoxiden zoals NO en NO₂. Reacties: S(s) + O₂(g) → SO₂(g) en N₂(g) + O₂(g) → 2 NO(g), beide kloppend (1 S en 2 O; 2 N en 2 O). De gevolgen van SO₂ en NOx (zure depositie, smog) komen in de les Milieu en duurzaamheid aan bod, niet hier. Kijkvraag: welke emissie hangt af van wat er in de brandstof zit, en welke van de temperatuur en de lucht? Veelgemaakte fout: denken dat NOx uit de brandstof komt; de stikstof komt vooral uit de lucht. Image credit: Monkeyboy0076 / Wikimedia Commons, publiek domein

Vul in

Hoe hoger de C/H-verhouding van een brandstof, hoe meer CO₂ er per joule vrijkomt.

C/H-verhouding

meer

joule

minder

mol

Begrippen van de dia CO₂ per joule en C/H-verhouding. Syllabus T2.2.

Waar komt de stikstof in NOx bij een benzinemotor vooral vandaan?

A

Uit de stikstof (N₂) in de lucht

B

Uit stikstof in de benzine zelf

C

Uit de zuurstof (O₂) in de lucht

D

Uit het koelwater van de motor

N₂ en O₂ uit de lucht reageren bij de hoge temperatuur in de motor. Verwachte fout: de stikstof in de brandstof zoeken. Syllabus T2.2.

Een olieraffinaderij 's nachts in Mina al-Ahmadi, Koeweit

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Aardolie en de raffinaderij

• Aardolie (ruwe olie) is een mengsel van heel veel koolwaterstoffen, van kleine tot grote moleculen.

• Een raffinaderij scheidt dat mengsel en maakt er brandstoffen en grondstoffen van.

• Eerst volgt gefractioneerde destillatie; daarna wordt een deel van de olie gekraakt.

• Het resultaat: onder meer benzine, diesel, stookolie en bitumen.

Syllabus T2.2: olieraffinage, gefractioneerde destillatie en kraken. Ruwe olie is zelf niet direct bruikbaar als brandstof voor motoren. Kijkvraag: waarom moet je aardolie eerst scheiden? Veelgemaakte fout: aardolie is één stof met één kookpunt; het is een mengsel. De algemene scheidingsmethode destillatie staat in Mengsels scheiden en analyse; hier gaat het om de toepassing in de raffinaderij. Image credit: Grubb / Wikimedia Commons, publiek domein

Animatie: ruwe olie stijgt als damp op in een toren en verlaat hem per fractie

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Gefractioneerde destillatie

• De olie wordt verhit en verdampt; de damp stijgt op in een toren die boven koeler is dan onder.

• Grote moleculen hebben een hoog kookpunt en condenseren onderin; kleine stijgen hoog op.

• Elke fractie is een mengsel van moleculen met ongeveer hetzelfde kookpunt.

• In de animatie, van boven naar beneden: gas, benzine, diesel, stookolie en residu.

Syllabus T2.2: gefractioneerde destillatie. Wat te zien: de ruwe olie komt uit de oven de toren in; elke keten staat voor een molecuul, lange ketens zijn grote moleculen. Alleen benzine is in magenta. Tussen benzine en diesel zit in werkelijkheid ook kerosine (vliegtuigbrandstof), die hier is weggelaten. Kijkvraag: waarom komen de kleinste moleculen bovenin uit? Veelgemaakte fout: denken dat de fracties zuivere stoffen zijn; elke fractie is nog een mengsel. Image credit: Eigen animatie voor deze les

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Kraken: grote moleculen splitsen

• De vraag naar lichtere fracties zoals benzine is groter dan de destillatie van ruwe olie levert.

• Bij kraken worden grote koolwaterstofmoleculen gesplitst in kleinere, bij hoge temperatuur en met een katalysator.

• Zo wordt zware olie omgezet in kleinere moleculen die als brandstof of grondstof bruikbaarder zijn.

• Bij kraken ontstaan ook alkenen: grondstof voor kunststoffen.

• De reactievergelijkingen en structuurformules van kraken staan in de les Organische reacties.

Syllabus T2.2: kraken (olieraffinage). Hier alleen het doel en het idee; kraken als reactietype met molecuul- en structuurformules zit in Organische reacties en wordt hier niet herhaald. Kijkvraag: wat gebeurt er met de lengte van de moleculen? Veelgemaakte fout: kraken verwarren met destillatie; destillatie scheidt moleculen, kraken verandert ze.

Zet op volgorde, van onderin naar bovenin de toren

1

Residu

2

Stookolie

3

Benzine

4

Diesel

5

Gas

Hoe groter de moleculen, hoe hoger het kookpunt en hoe lager de stof uit de toren komt. Volgorde zoals in de animatie. Syllabus T2.2.

Wat gebeurt er met de moleculen bij kraken?

A

Moleculen worden gescheiden op kookpunt

B

Kleine moleculen worden aan elkaar gekoppeld

C

Grote moleculen worden in kleinere gesplitst

D

Moleculen verbranden tot CO₂ en H₂O

Kraken splitst grote koolwaterstoffen in kleinere. Verwachte fout: kraken verwarren met destillatie (scheiden) of met polymerisatie (koppelen). Syllabus T2.2.

Veld met koolzaad: uit de olie in het zaad kan biodiesel worden gemaakt (Denemarken) (foto: Yasser Youssef, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Biomassa en biobrandstoffen

• Biomassa zit in gewassen (mais, koolzaad, suikerriet), hout, mest en gft-afval.

• Bio-ethanol wordt gemaakt uit suikers en kan aan benzine worden toegevoegd.

• Biodiesel wordt gemaakt uit plantaardige olie, bijvoorbeeld uit koolzaad.

• Biobrandstof is niet schoon: bij verbranden komt ook hieruit CO₂ vrij. Het verschil zit in de kringloop.

Syllabus T2.1 en T2.2: biomassa, biobrandstof. Kijkvraag: welke van deze drie biobrandstoffen is vloeibaar en welke is een gas? (biogas is een gas). De precieze fabricage van biodiesel hoef je niet te kennen: het gaat om het redeneren met een gegeven beschrijving. Veelgemaakte fout: denken dat biobrandstof geen CO₂ uitstoot. Image credit: Yasser Youssef / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Vergistingstank op een boerderij in Horstedt (Duitsland), met windmolen en zonnepanelen (foto: Florian Gerlach (Nawaro), CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Energie winnen uit biomassa

• Verbranden: hout of afval gaat in een ketel of centrale; de warmte maakt stoom of verwarmt.

• Fermenteren: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Gist maakt ethanol uit suiker.

• Vergisten: bacteriën breken biomassa zonder zuurstof af; het biogas is vooral CH₄ en CO₂.

• Biogas verbrandt daarna: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O.

Syllabus T2.1: redeneren over technieken voor energieproductie uit biomassa aan de hand van een beschrijving. Vergelijkingen kloppend: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ (6 C, 12 H, 6 O links; 4 + 2 = 6 C, 12 H, 2 + 4 = 6 O rechts). CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (1 C, 4 H, 4 O links en rechts). De vergisting zelf verloopt in werkelijkheid via meerdere stappen en geeft een mengsel van CH₄ en CO₂ in wisselende verhouding; in de vragen wordt de vergelijking gegeven. Methaan is zelf een broeikasgas: lekken van biogas moet je voorkomen. Kijkvraag: bij welke techniek ontstaat een gas en bij welke een vloeistof? Veelgemaakte fout: fermenteren en vergisten door elkaar halen. Image credit: Florian Gerlach (Nawaro) / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Animatie: bij biobrandstof draait de koolstof rond, bij fossiele brandstof stijgt de CO₂ in de lucht

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

De koolstofkringloop

• Planten nemen CO₂ op bij de fotosynthese en maken er biomassa van.

• Verbranden van biomassa geeft die CO₂ terug aan de lucht: een kringloop.

• Fossiele brandstof lag miljoenen jaren vast onder de grond; verbranden voegt extra CO₂ toe.

• Meer CO₂ in de lucht houdt meer warmte vast: het versterkte broeikaseffect.

Syllabus T2.2: koolstofkringloop en (versterkt) broeikaseffect. Wat te zien: elk magenta bolletje is koolstof als CO₂. Boven draait het rond via de planten en verbranden en blijft de CO₂-meter gelijk. Onder komt het uit de ondergrond: de meter stijgt. Het broeikaseffect zelf bestaat al van nature; het versterkte broeikaseffect is de extra opwarming door de CO₂ die wij toevoegen. Kijkvraag: waarom stijgt de meter onder wel en boven niet? Veelgemaakte fout: stellen dat biobrandstof helemaal CO₂-vrij is; het is bijna neutraal als er evenveel nieuwe biomassa groeit, en ketenemissies zie je op de volgende dia. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Houtpellets in een opslagtank: een brandstof uit biomassa (foto: Ralph Oesker, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Levenscyclus en duurzaamheid

• De levenscyclus loopt van grondstof winnen of telen tot gebruik en afval.

• Elke stap kan energie en CO₂ kosten: machines, kunstmest, transport en fabrieken.

• Een biobrandstof is dus nooit helemaal CO₂-neutraal: tel de hele keten mee.

• Weeg ook andere argumenten: land voor brandstof is geen land voor voedsel.

Syllabus T4.1: rol van levenscycli van stoffen, materialen en producten in termen van duurzaamheid; T4.2: duurzame energievoorziening en wereldvoedselvoorziening als maatschappelijke context. Houd het neutraal: er zijn voor- en nadelen. Kijkvraag: welke stappen in de levenscyclus van houtpellets kosten energie? Veelgemaakte fout: alleen de verbranding bekijken. Image credit: Ralph Oesker / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Waardoor leggen planten CO₂ uit de lucht vast in biomassa?

A

Verbranding

B

Fotosynthese

C

Vergisting

D

Gefractioneerde destillatie

Planten maken bij de fotosynthese uit CO₂ en water glucose en daarmee biomassa. Verwachte fout: vergisting, dat is het afbreken van biomassa. Syllabus T2.2.

Zet op volgorde: de levenscyclus van een brandstof

1

Brandstof gebruiken door verbranden

2

Grondstof winnen of telen

3

Afval en CO₂ vrijgeven

4

Brandstof maken in een fabriek

Transport komt in de praktijk tussen vrijwel alle stappen voor; het schema volgt de hoofdstappen. Syllabus T4.1.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

CO₂ per joule en C/H-verhouding

2

Olieraffinage

3

Technieken met biomassa

4

Koolstofkringloop en levenscyclus

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je nog eens met een voorbeeld doorneemt. Syllabus T2 en T4.1.

Welke brandstof kies jij voor een centrale?

Persoonlijke reflectie, geen goed of fout. Waardeer antwoorden die CO₂ per joule, kringloop en levenscyclus gebruiken, en aanvullende argumenten zoals voedsel en landgebruik.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Begrippen (1/2)

• fossiele brandstof: brandstof uit resten van planten en dieren van miljoenen jaren geleden

• biomassa: organisch materiaal van planten, dieren of afval

• biobrandstof: brandstof die uit biomassa wordt gemaakt

• C/H-verhouding: aantal C-atomen gedeeld door aantal H-atomen

• emissie: stof die bij een proces in het milieu terechtkomt

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · BRANDSTOFFEN

Begrippen (2/2)

• gefractioneerde destillatie: aardolie scheiden in fracties op kookpunt

• kraken: grote koolwaterstofmoleculen splitsen in kleinere

• koolstofkringloop: koolstof gaat tussen lucht, planten en brandstof rond

• versterkt broeikaseffect: extra opwarming door extra CO₂ in de lucht

• levenscyclus: alle stappen van grondstof tot afval