Integreret energisystem sol Elevvejledning

Transkript

1 Undervisningsmateriale fra Integreret energisystem sol Elevvejledning Baggrund Klodens klima påvirkes af mange faktorer. For at kunne erstatte energiforsyningen fra fossile brændsler som kul, olie og naturgas, skal der bruges vedvarende energi. Problemet er bare, at der ikke altid er energi nok når den skal bruges. Solen skinner ikke om natten, og vinden blæser ikke hele tiden. Det er derfor nødvendigt at kunne lagre energien. Denne aktivitet består af: Klasseaktivitet, hvor I skal læse om, og diskutere, hvilke muligheder der er for at lave et energiforsyningssystem, der reducerer CO 2 udledninger. Klasseaktivitet, hvor I forbereder busaktiviteten (brug af multimeter) Busaktivitet, hvor I skal gennemføre forsøg med solceller, vindmøller og brændselsceller. Klasseaktivitet, hvor I skal se et eksempel fra Samsø, hvor man er ved at lave øen selvforsynende med vedvarende energi. Formålet med aktiviteten er, at finde ud af, hvilke muligheder vi har for at lave et bæredygtigt energisystem i fremtiden. I skal også finde ud af, hvordan solceller og vindmøller fungerer. Og hvordan man kan lagre den vedvarende energi, f.eks. i brint. Til dette formål bruger vi et avanceret batteri kaldet en brændselscelle. Dagens program Fælles morgensamling med film og introduktion til dagen Udlevering af materiale ved bussen Forberedelse af busaktiviteten i klassen Gennemføres øvelser ved bussen Afrunding i klassen Soundslide Samsø som energiø vises Afleveres det udleverede materiale igen ved bussen Pause Fællessamling I skal være ved Klimakaravanebussen kl Pauser aftales med jeres lærer. 1

2 KLASSEAKTIVITET ( ) I dette forløb skal gennemføres 3 opgaver: 1. Læse og diskutere opslag 8 Hvilke løsninger skal vi vælge i Debatmagasinet. 2. Træning i brug af multimeter. 3. Læse faktablade om sol, vind og brint. Til disse tre opgaver skal klassen deles i 4 mindre grupper. Klasseaktivitet 1: Hvilke løsninger skal vi vælge (45 min) I skal ved at læse debatmagasinets opslag Hvilke løsninger skal vi vælge? (opslag 8, side 20) om forskellige energiteknologier sætte jer ind i, hvilke forskellige løsninger der findes for at skaffe energi uden et CO2udslip, og derved ikke medvirke til global opvarmning. B. Måling af strøm (Ampere) Multimeterets drejeknap skal stå på 10A Sort ledning sættes på batteriets minuspol () og på minuspolen ved pæren. En rød ledning sættes i stikket på multimetret, hvor der står 10A, og den anden ende af denne ledning sættes i rød ved batteriets pluspol () En rød ledning sættes i stikket, hvor der står COM og ledningen sættes i ved pæren (rød) pluspolen. Aflæs strøm (Ampere) Resultat I gruppen skal I diskutere følgende spørgsmål: Hvordan hænger energiforbrug og klimaforandringer sammen? Hvad kan vi gøre for at undgå klimaforandringerne? Se også opslag 3 (side 10) og 4 (side 12) i debatmagasinet. I opslag 8, på side 21 i debatmagasinet, er der desuden følgende spørgsmål, som I skal tage stilling til: Hvilke alternative energiformer vil du vælge, hvis du som politiker skal beslutte landets energifremtid? Danmark har valgt ikke at satse på atomkraftværker. Hvad er din holdning til atomkraft? Mener du, at vi i Danmark skal leve op til alle klimapanelets forslag til at begrænse udledning af drivhusgasser? Forbered svarene, så I kan præsentere dem for klimakaravanens medarbejder. Klasseaktivitet 2: Brug af multimeter (30 min) I gruppen skal I gennemgå og forstå brugen af et multimeter. A. Måling af spænding (Volt) Tilslut pæren eller anden strømbruger til energikilden (batteriet). Rød til rød, og sort til sort. Multimetret skal stå på jævnspænding V ved tallet 20. Sæt en rød ledning i stikket, hvor der står VΩmA Sæt en sort ledning i stikket, hvor der står COM Sæt den røde ledning fra multimeter til rød på pære () Sæt den sorte ledning fra multimeter til sort på pære () Aflæs spænding (Volt) Resultat Måling af strøm (Ampere), skal sidde i Serieforbindelse C. Apparatets effektforbrug (Watt) kan nu beregnes: Effekt (Watt) = Spænding (Volt) x Strøm (Ampere) Resultat D. Serieforbindelse Hvis man ønsker højere spænding, kan man forbinde batterier, eller solceller i serie. I dette tilfælde er 3 solceller sat i serie. De giver en spænding på: 0,5 0,5 0,5 = 1,5 V og 1 x Ampere E. Parallelforbindelse Hvis man ønsker flere ampere, men samme spænding, skal man forbinde batterier eller solceller i parallel. I dette tilfælde er 2 serier sat i parallel. De giver stadig en spænding på 1,5 V, men nu 2 x Ampere. En solcelle giver og 1 A. OBS! Hver elev præsenterer multimeterets brug for de andre i gruppen. Hver elev er forberedt på at præsentere brug af multimeter for klimakaravanens medarbejdere. Måling af spænding (Volt), skal sidde i Parallelforbindelse 2

3 Klasseaktivitet 3: Læsning af faktablade (30 min) I gruppen skal I nu forberede jer på de emner, I skal arbejde med ved bussen. I skal fortsætte med at arbejde i de 4 grupper, men grupperne bliver slået sammen 2 og 2, når I kommer ud til bussen. I skal nu læse de faktablade, der findes bagest i denne vejledning. Jeres lærer fortæller, hvilke grupper der læser hvad: Hold A Gruppe 1: Vindmøller samt Brint og brændselsceller Gruppe 2: Vindmøller samt Brint og brændselsceller Hold B Gruppe 3: Solceller samt Brint og brændselsceller Gruppe 4: Solceller samt Brint og brændselsceller Spørgsmål til faktablade: Hold B En solcelle på 1 m2 kan årligt producere 100 kwh (kilowatttimer). Danmarks samlede areal er km2 Danmarks elforbrug var i GWh. 1.Hvor stort et areal med solceller kræves, for at dække det danske elforbrug? 2.Kan det umiddelbart lade sig gøre i praksis, at få al strøm fra solceller? Nogle arealmål m 2 kvardratmeter 1 m 2 Ha hektar m 2 km 2 kvardratkilometer m 2 Nogle danske øers areal Sjælland km 2 Fyn km 2 Lolland km 2 Mors 363 km 2 Langeland 284 km 2 Læsø 118 km 2 Samsø 114 km 2 BUSAKTIVITET ( ) Hold A skal arbejde med vindmøller og brændselsceller. Hold B med solceller og brændselsceller. HOLD B: Solceller brint og brændselsceller I skal bruge: Solceller kuffert med solceller og ledninger Plade til montering af solceller Små brændselsceller Brændselscellestak Radio og evt. TV Batteripakke Små pærer Pakke I havde i klassen Multimeter Div. ledninger Opgave: Holdet deles i 2 grupper, der hver får en solcellekuffert. I skal undersøge, hvordan solcellerne kan forbindes, så de kan levere en spænding (V) og strøm (A), der passer til de apparater I skal bruge (pære, radio, batteripakke, brændselsceller). 1. Mål spændingen på en solcelle. Spænding Volt (V) 2. Find ud af, hvor mange solceller der skal til at få pæren til at lyse? Antal solceller Stk. 3. Mål spænding og strøm på opstillingen med pæren. Spænding Volt (V) Strøm Ampere (A) 4. I skal nu se, om I kan få en radio til at spille alene på solceller. Se på radioen om der er informationer, I kan bruge ang. spænding og strøm, eller prøv jer frem. Hvor mange solceller skal I bruge? (I kan også se i klasseaktivitet 2 ang. serie og parallelforbindelse). Antalt solceller Stk. 5. Mål spænding og strøm på opstillingen med radioen. Spænding Volt (V) Strøm Ampere (A) Nu skinner solen jo ikke hele tiden. Ifølge DMI er der mellem og solskinstimer i Danmark om året. Hvor mange timer er der i øvrigt på et helt år? Antalt timer 3

4 Hvis et energisystem skal baseres på vedvarende energi, f.eks. i form af el fra solceller, skal det være muligt at lagre energien fra solcellerne. I skal nu undersøge to muligheder for lagring af solcellestrøm: Batterier og brint. 6. Brug en af de batteripakker I brugte i klassen. Sørg for at den er afladet pæren lyser ikke. I har tidligere målt spændingen på batteripakken (klasseaktivitet 2). Brug det resultat til at finde ud af, hvor mange solceller I skal sætte til for at oplade batterierne. Sæt batterierne til opladning og gå videre til brændselscellen. 7. I skal starte med at arbejde med den lille brændselscelle. Den skal bruge 2 Volt for at lave brint. Forbind det rette antal solceller (mål inden tilslutningen) og iagttag, hvad der sker. Hvilken beholder kommer der brint i, og hvilken kommer der ilt i? Hvorfor? KLASSEAKTIVITET ( ) Som afslutning på aktiviteten skal I i klassen se soundslide 3 Samsø som energiø. På Samsø er man ved at opbygge et energisystem, som gør øen selvforsynende med vedvarende energi. Spørgsmål I kan diskutere Kan jeres kommune gøre det samme som Samsø (hvilke muligheder og problemer vil der være?) Hvor kan vindmøllerne f.eks. placeres og kan det skabe problemer i lokal området? Kan Danmark opnå at blive forsynet kun med vedvarende energi som Samsø (ja hvordan, nej hvorfor?) Hvem kan eller vil sætte en sådan proces i gang med at Danmark bliver forsynet med vedvarende energi? Lille PEM brændselscelle Samsø er mere end 100 % selvforsynende med elektricitet 8. Når man skal trække strøm ud af den lille brændselscelle, kan den kun levere ca. 0,8 Volt. I kan derfor kun få den lille blæser/motor til at køre. Links: information om solceller og solvarme, Teknologisk Institut NU SKAL DE 2 GRUPPER PÅ HOLD B ARBEJDE SAMMEN, OM AT FÅ SAT BRÆNDSELSCELLERNE SAMMEN, SÅ I KAN FÅ RADIOEN TIL AT FUNGERE. 9. Hvor mange af de små PEM brændselsceller skal sættes sammen for at radioen fungerer? Hvordan skal de forbindes? 10.Tilslut de rette antal solceller til jeres sammenkoblede brændselsceller, så I kan få produceret noget brint. 11.Når I har lavet noget brint, testes om radioen kan spille. Også disse brændselsceller leverer 0,8 Volt pr. celle. 12. Kan I lave et system, således at I kan få leveret strøm til jeres udstyr, uanset om vinden blæser eller ej. 13. Hvordan skal de forskellige ting forbindes? HUSK at aflevere alle vejledninger tilbage til bussen inden I går til fællessamlingen! 14. Virker det? 4

5 Solceller Faktaark Solenergi Vi bruger solenergi på mange måder: Solen leverer energi til planternes fotosyntese. Vi kan få varmt vand fra solvarmeanlæg. Varme fra vinduer, passiv varme. Vi kan få elektricitet fra solceller. Temperaturforskelle som solen skaber på jorden er med til at skabe vind, som bruges i vindenergi. Opvarmning og fordampning af vand skaber nedbør, som siden kan bruges i udnyttelse af vandkraft. Energireserver Verdens årlige energiforbrug Gasreserver Olieserver Uranreserver Kulreserver Solen leverer enorme mængder af energi. Hele klodens energiforbrug på et år svarer til en del af den solenergi, der rammer jorden i løbet af et år. I Danmark er solindstrålingen kwh/m 2 pr år på en vandret flade. Figuren til højre viser verdens kendte energireserver sammenlignet med den årlige solindstråling på jorden. Årlig solenergi Kilde: Nye fornybare energikilder. Norge Brugbar vandkraft Fotosyntese Vindenergi Hvordan fungerer en solcelle Hvordan fungerer en solcelle En solcelle er et photovoltaisk system, der kan konvertere lys til elektricitet. En solcelle består af to lag silicium et nlag og et plag. Silicium hører til gruppe 14 (hovedgruppe 4A) i det periodiske system, hvilket betyder at der er 4 elektroner i yderste skal. Nlaget er dopet (forurenet) med et stof, som tilhører gruppe 15 (Hovedgruppe 5A)(f.eks. fosfor), med 5 elektroner i yderste skal. Plaget er dopet med et stof, der tilhører gruppe 13 (hovedgruppe 3A)(f.eks bor, gallium), som har 3 elektroner i yderste skal. Når lys (energi) rammer solcellen vil elektroner i nlaget frigøres fra silicumstrukturen, og samles i kontakterne på solcellens overside. Herved kan de ledes i gennem et elektrisk kredsløb, f.eks. en pære, tilbage til psiden. Kontaktfingre () plag nlag Antireflekslag pn overgang Bagsidekontakt () kilde: Typer af solceller Der findes forskellige typer af solceller. Dem der bruges i dag er baseret på silicium, og er hovedsagelig af typerne: Monokrystallinske Polykrystalinske Tyndfilm Monokrystalinske er de dyreste, men har også den højeste virkningsgrad. Tyndfilms solceller har lavere virkningsgrad, men er billigere. De bruges typisk i udstyr som f.eks. lommerregnere, som har et meget lille effektbehov. % 14 Virkningsgrad for solceller Monokrystallinske (13) Både de solceller, der findes på Klimakaravanebussens tag, og dem der er i øvelseskufferterne, er af den polykrystalinske type Polykrystallinske (11) Der forskes meget i at gøre solceller både billigere og mere effektive. De bedste solceller man har lavet, har i laboratorieforsøg virkningsgrader over 30%. Virkningsgraden fortæller hvor stor en del af den indstrålede energi solcellen kan udnytte. I figuren til højre ses virkningsgraden på de solceller man bruger i dag TripleJunction (7) Standard tyndfilm (6) Transparante tyndfilm (4) En solcelle giver i dag ca. 100 kwh/m 2 /år. Det betyder at en familie på fire personer, med et normalt elforbrug på mellem kwh/person/år, skal have 4060 m 2 solceller for at dække hele deres elforbrug 0 Type Kilde: 5

6 Brint og brændselsceller Faktaark Intro Brint (H2) er en gas, der kan brændes af. Men brint kan også bruges til at lave elektrisk strøm ved hjælp af en brændselscelle. Den producerede strøm kan f.eks. bruges til at få en elmotor til at køre. Hvis elmotoren sidder på en bil, har man således en brintbil. Noget af det smarte ved brint og brændselsceller er, at udstødningen fra en brændselscelle er rent vand. Brændselsceller er således en meget ren og forureningsfri energiform, forudsat at brinten er lavet ud fra vedvarende energikilder. Elektrolyse Vand H2O kan spaltes i dets grundbestanddele ved hjælp af elektrolyse. I en celle sættes en spænding, f.eks. fra en solcelle, over de to elektroder, anoden og katoden. Elektroderne er beklædt med en katalyst, der sikrer at processen fungerer. Imellem elektroderne er en PEMmembran (Proton Exchange Membrane), hvor kun protonerne () kan passere. Ved katoden vil H samles med e og boble op som brintgas (H2). Ved anoden vil ilt samles som O2, og boble fra som gas. Ved at spalte vandet med elektricitet kan den elektriske energi gemmes på gasform. Vands kemiske formel er H2O dvs. at den består af 1 H2molekyle og ½ O2molekyle. Når man laver elektrolyse på vand, vil man kunne se, at det ene rør bliver fyldt med gas dobbelt så hurtigt som det andet. Brændselscelle I brændselscellen tilføres H2 på den ene side af PEMmembranen, og O2 tilføres på den anden side. Protonerne kan vandre igennem membranen, men det kan elektronerne ikke. De må vandre uden om, og dermed skabes en elektrisk strøm, som vi kan udnytte, f.eks. til at drive en pære eller en motor. Ved katoden reagerer protonen, elektronen og oxygen, og der dannes vand: 4H 4e O2 2H2O Men ingenting kommer af ingenting! Det kræver energi at lave brint. Brint kan laves ved hjælp af elektrolyse af vand. I elektrolysen spaltes vandet i dets grundbestanddele, brint (H2) og ilt (O2). Det kræver energi. I brændselscellen samles vandet igen. Det frigiver energi. Den frigivne energi er strøm og varme. Hvis energien til at lave brint kommer fra vedvarende energikilder, som f.eks. vindenergi eller solceller, er brint og brændselsceller en meget miljøvenlig og forureningsfri energiform. 6

7 Brint og brændselsceller Faktaark Lagring af brint Brint kan lagres på forskellige måder. Enten som gas, i fldende form eller i et materiale. Et problem ved brint er, at det fylder utrolig meget. I tabellen er energiindholdet i 1 liter benzin sammenlignet med brint lagret på forskellige måder: For at kunne udnytte mulighederne i brint bedre, forskes der meget i, hvordan man bedst kan lagre brinten. Et af problemerne ved lagring under tryk, eller i flydende form er, at der skal bruges meget energi til at komprimere eller nedkøle brinten. Derved forsvinder noget af fidusen, fordi det samlede energiregnskab bliver dårligere. Forskellige lagringsmetoder Benzin Brint tryk (atmosfærisk) Brint tryk (200 bar) Brint tryk (700 bar) Brint Flydende (253 C) Brint Metanol Brint Metalhydrider (MgH 2) Brint Metalhydrider (Mg 2 FeH 6 ) Volumen i liter 1 liter liter 13 liter 6,4 liter 3,6 liter 1,8 liter 2,3 liter 1,7 liter Typer af brændselsceller Der findes forskellige typer af brændselsceller. Dem der bruges i forbindelse med Klimakaravanen er PEMbrændselsceller. De er reversible, hvilket vil sige, at de både kan bruges til at lave elektrolyse, og som brændselsceller, dvs. til at lave strøm ud fra brint (H2) og ilt (O2). I tabellen er en oversigt over forskellige typer brændselsceller. Fuel Cell Electrolyte Operating temperature Electrical efficiency Fuel Oxydant Alkaline Fuel Cell AFC Potassium hydroxid (KOH) solution to 90 C 6070% H2 O2 Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC Proton exchange membrane to 80 C 4060% H2 Direct Methanol Fuel Cell DMFC Proton exchange membrane to 130 C 2030% CH3OH Phosphoric Acid Fuel Cell Phosphoric acid to C 55% Natural gas, bio gas, H2 Molten Carbonate Fuel Cell MCFC Molten mixture of alkali metal carbonates to C 65% Natural gas, bio gas, coal gas H2 Solid Oxide Fuel Cell SOFO Oxid ion conducting ceramic to C 6065% Natural gas, bio gas, coal gas H2 7