Leerdoelen
•Je kunt uitleggen wat de kwaliteit van energie betekent.
•Je kunt vertellen hoe aardolie wordt omgezet tot fossiele brandstoffen.
•Je kunt uitleggen wat het versterkte broeikaseffect is.
Wat zijn fossiele brandstoffen en waar komen ze vandaan?
Fossiele brandstoffen zijn energiebronnen zoals steenkool, aardgas en aardolie, die miljoenen jaren geleden zijn ontstaan uit resten van planten onder hoge druk en temperatuur die diep in de grond zijn opgeslagen. De energie in deze brandstoffen is oorspronkelijk afkomstig van zonlicht.
Er zijn drie belangrijke fossiele brandstoffen:
•Steenkool zijn 'barbecuekooltjes' die diep uit de grond worden gehaald door middel van mijnbouw. Vroeger werd steenkool verhit om stadsgas of lichtgas te produceren, dat via leidingen naar huizen werd getransporteerd om mee te koken.
•Aardgas is een fossiele brandstof in gasvorm die uit de grond wordt gewonnen en bijvoorbeeld in bollen kan worden opgeslagen voor transport naar huishoudens.
•Aardolie is een vloeibare fossiele brandstof die met een jaarknikker (een soort pomp) uit de grond wordt gehaald. Het is een mengsel van verschillende moleculen.
Fossiele brandstoffen worden gebruikt voor warmteproductie, bijvoorbeeld in een cv-ketel, en voor het opwekken van elektriciteit.
Wat is de kwaliteit van energie?
De kwaliteit van energie beschrijft hoe groot het deel nuttige energie is dat wordt gebruikt voor het beoogde doel. Hoe groter het deel nuttige energie, hoe hoger de kwaliteit van die energie. Nuttige energie is het deel van de opgewekte energie dat direct bijdraagt aan het gewenste doel.
Bij het gebruik van energie kan een deel verloren gaan als niet-nuttige energie. Een voorbeeld hiervan is een auto met een verbrandingsmotor. De benzine in de motor wordt ontstoken en omgezet in gas, waardoor een cilinder beweegt. Deze beweging wordt via een krukas omgezet in een draaiende beweging die de wielen van de auto aandrijft. Tijdens dit proces wordt de motor heet. Deze hitte is geen nuttige energie voor het aandrijven van de wielen. Het koelen van de motor met lucht kan deze overtollige warmte wel nuttig maken door de binnenkant van de auto te verwarmen.
Hoe wordt aardolie verwerkt?
Aardolie is een mengsel van verschillende moleculen en wordt in een destillatietoren, ook wel fractionerende kolom genoemd, gescheiden. Dit is een natuurkundig proces waarbij de aardolie wordt voorverwarmd en vervolgens wordt gescheiden in verschillende fracties op basis van hun kookpunt. Het is geen chemische reactie.
De scheiding van de fracties in de destillatietoren is afhankelijk van de grootte van de moleculen:
•Kleine moleculen: hebben een zwakkere van der Waals-kracht (aantrekkingskracht tussen moleculen) en een lager kookpunt. Deze moleculen zijn vluchtiger en stijgen op in de kolom, waar ze als gas of lichte vloeistof worden afgevangen. Voorbeelden zijn methaan en ethaan (gassen), en benzine en kerosine (vloeistoffen).
•Grote moleculen: hebben een sterkere van der Waals-kracht en een hoger kookpunt. Deze moleculen blijven lager in de kolom en worden als zware vloeistoffen of vaste stoffen afgevangen. Voorbeelden zijn stookolie, smeerolie, paraffine en asfalt.
De gescheiden fracties zijn nog steeds mengsels van koolwaterstoffen met kookpunten binnen bepaalde grenzen. Benzine is bijvoorbeeld een mengsel van stoffen met voornamelijk acht koolstofatomen (zoals C₈H₁₈), maar kan variëren tussen C₅ en C₁₀.
Wat is kraken?
Nafta, een fractie van aardolie met koolwaterstofmoleculen van ongeveer acht tot twaalf koolstofatomen, kan verder worden verwerkt door een proces genaamd kraken. Kraken is een chemische reactie waarbij grote koolwaterstofmoleculen door verhitting worden ontleed in kleinere moleculen. Bij het kraken van een molecuul ontstaat altijd een dubbele binding in één van de twee producten.
Voorbeeld van een kraakreactie (massabalans): Een molecuul C₆H₁₄ kan kraken in etheen (C₂H₄) en butaan (C₄H₁₀). C₆H₁₄ → C₂H₄ + C₄H₁₀
De massabalans moet kloppen:
•Links: 6 koolstofatomen, 14 waterstofatomen.
•Rechts: (2 + 4 =) 6 koolstofatomen, (4 + 10 =) 14 waterstofatomen. Deze reactie klopt. Als er C₂H₆ (ethaan) en C₄H₁₀ (butaan) zouden ontstaan, dan zouden er rechts 16 waterstofatomen zijn, wat niet klopt met de massabalans van 14 waterstofatomen links. Daarom ontstaat bij kraken altijd een dubbele binding.
Etheen is een belangrijke grondstof, omdat het kan polymeriseren en wordt gebruikt voor het maken van allerlei kunststoffen, zoals tuinmeubelen of regenpijpen.
Hoe wordt energie opgewekt met fossiele brandstoffen?
Fossiele brandstoffen zoals aardgas en kolen worden verbrand om warmte en elektriciteit op te wekken.
1.Warmte opwekken: Thuis wordt aardgas in een cv-ketel verbrand om water te verwarmen, wat zorgt voor warmte in huis.
2.Elektriciteit opwekken: In een energiecentrale (bijvoorbeeld een kolencentrale) worden kolen verbrand. Bij deze verbranding (C + O₂ → CO₂ + warmte) komt veel warmte vrij.
1.De warmte verhit water tot waterdamp.
2.De waterdamp stroomt met hoge druk langs een turbine, een groot rad, en zet deze in beweging.
3.De turbine is verbonden met een dynamo, die de draaiende beweging omzet in elektriciteit. Dit proces kan ook met aardgas (gasturbine) of door afvalverbranding. Hoewel veel gebruikt, is deze manier van energieopwekking niet duurzaam.
Welke milieuproblemen veroorzaken fossiele brandstoffen?
De verbranding van fossiele brandstoffen leidt tot de uitstoot van gassen die verschillende milieuproblemen veroorzaken.
Wat is het versterkte broeikaseffect?
Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komt veel koolstofdioxide (CO₂) vrij. Koolstofdioxide houdt warmte vast in de atmosfeer en draagt daardoor bij aan het versterkte broeikaseffect. Dit effect zorgt voor een toename van de opwarming van de aarde. De CO₂ uit fossiele brandstoffen komt vrij uit miljoenen jaren oude opslag, waardoor extra CO₂ aan de atmosfeer wordt toegevoegd. Bij biobrandstoffen is dit anders, omdat de CO₂ relatief recent door fotosynthese uit de atmosfeer is opgenomen.
Hoe ontstaat zure regen?
De verbranding van fossiele brandstoffen kan ook leiden tot de uitstoot van zwaveldioxide en stikstofoxiden, die bijdragen aan zure regen.
•Zwaveldioxide (SO₂): Dit gas wordt in de atmosfeer omgezet tot zwavelzuur.
•Stikstofoxiden (NOx): In hete verbrandingsmotoren wordt stikstof (N₂) uit de lucht omgezet in stikstofoxiden (NO en NO₂). Deze komen vrij uit de uitlaat. In de atmosfeer wordt NOx samen met water omgezet tot salpeterzuur.
Zowel zwavelzuur als salpeterzuur veroorzaken zure regen. Zure regen verstoort de biodiversiteit, waardoor het aantal planten en dieren in een ecosysteem afneemt en alleen bepaalde planten nog kunnen groeien.
De grote 'rookwolken' die uit koeltorens van energiecentrales komen, bestaan voornamelijk uit waterdamp en zijn op zichzelf niet schadelijk voor het milieu.
Wat heeft tanken met zonlicht van lang geleden te maken?
Wanneer je benzine (bijvoorbeeld euro 95) tankt voor een auto of scooter, gebruik je een product dat afkomstig is van aardolie. Aardolie is gevormd uit oude plantenresten die miljoenen jaren geleden in de grond terechtkwamen. Deze plantenresten zijn ontstaan door fotosynthese, een proces waarbij planten met behulp van zonlicht, koolstofdioxide en water glucose en uiteindelijk cellulose aanmaken. De energie van het zonlicht werd opgeslagen in deze planten. Door druk en tijd is deze opgeslagen energie in de vorm van fossiele brandstoffen zoals aardolie naar boven gekomen. Wanneer je deze fossiele brandstoffen verbrandt, komt de energie die oorspronkelijk afkomstig was van de zon weer vrij (waarbij CO₂ en H₂O ontstaan), waardoor je auto of scooter kan rijden.
