Energiproduktion Varme og strøm En selvfølge?
Forord Dette undervisningsmateriale er udarbejdet i forbindelse med projektet: som er et projekt, der har til formål at styrke samspillet mellem uddannelse og erhverv for derigennem at styrke kvaliteten i og interessen for de tekniske- og naturvidenskabelige fag. Projektet kan følges på hjemmesiden: http://www.projektsamspil.dk/ (Dette materiale kan findes under emne #14 FYSIK). ProjektSamspil har et total budget på 4 millioner, og er medfinansieret af Foreningen Energi Horsens med 2,1 million. Materialet skal anvendes i forbindelse med et besøg på Tørring Kraftvarmeværk og Tørring Gymnasium. Besøget på Tørring Kraftvarmeværk er opbygget i to dele. Først et besøg på selve værket, hvor der er mulighed for at se, hvordan et traditionelt kraftvarmeværk fungerer. Herefter besøges Kraftværkets solvarmeanlæg. Efter disse besøg bruges resten af dagen på Tørring Gymnasium, hvor et solcelleanlæg præsenteres. Herefter udføres illustrative forsøg omkring problemstillinger omkring energi og energiproduktion i relation til de tre rigtige el/varmeproduktionsanlæg. Der lægges vægt på fysikfagets eksperimentelle arbejdsmetoder. Materialet er udarbejdet af fysiklærerne Peter Svane Kibsgård (Tørring Gymnasium) og Jeppe Kragelund (Rosborg Gymnasium og Hf-kursus, Vejle).
Målgruppe Elever med fysik på gymnasialt niveau svarende til enten C eller B-niveau. Program for besøgsdagen Programmet for besøgsdagen vil, med mindre andet aftales, følge følgende skabelon: 9.00-11.00 Besøg på Solvarmeanlæg og derefter besøg på kraftvarmeværk (der er ca. 10 min gang mellem de to steder). 11.30-12.00 Frokost på Tørring Gymnasium 12.00-14.00 Perspektiverende elevforsøg gennemføres samt besøg ved solcelleanlæg.
Opbygning og anvendelse af undervisningsmateriale Undervisningsmaterialet skal ses i tilknytning til et besøg på Tørring Kraftvarmeværk. Materialet er inddelt i tre afsnit og indeholder opgaver og øvelser, som er beregnet til at lave før, under OG efter besøget på Tørring Kraftvarmeværk. Før Opgaverne og øvelserne i afsnittet før behandler de fysiske størrelser og begreber inden for emnet energi, som er relevante at være fortrolige med. Under I afsnittet efter findes det materiale, som skal anvendes inden selve besøget. Materialet skal være læst og (i hovedtræk) forstået inden besøget. Efter Materialet i afsnittet efter støtter en efterbehandling af besøget. I dette afsnit findes også link til en evaluering af forløbet.
FØR Opgaver Opgaverne i dette afsnit behandler de fysiske størrelser og begreber inden for emnet energi, som er relevante at være fortrolige med inden besøget på Tørring Kraftvarmeværk. Opgave 1. Uheldigt hverdagssprog 1. Hvorfor er det uheldigt, at vi i hverdagssproget bruger begrebet: Spar på energi? 2. Hvad burde vi sige i stedet? Opgave 2. Elmåleren og enheden kwh 1. Hvad måler en elmåler? 2. Elmålerne anvender enheden: kwh. Forklar denne enhed. 3. Lav en omregning mellem enhederne 1 kwh og 1 J (joule). Dvs. hvor mange joule er en 1 kwh? 4. Hvad er prisen på 1 kwh, der hvor du bor? Opgave 3. Hvor meget er 1 kwh? Umiddelbart er det svært at forholde sig til energi-enheden kwh. For bedre at forstå denne enhed ser vi i denne opgave på hvor stort et elektriske arbejde, der kan udføres for kr. 5,- 1. På baggrund af prisen på 1 kwh, der hvor du bor, skal du beregne, hvor stor en mængde elektrisk energi målt i enheden kwh, som kan omsættes for kr. 5,- 2. Omregn dit resultat fra spørgsmål 1 til enheden J (joule) En elektrisk motor med en nyttevirkning på 40 % løfter fyldte 1L s mælkekartonner fra en indkøbspose på gulvet og op på et køkkenbord med en højde på 70 cm. 3. Hvor mange liter mælk kan vi få løftet for kr. 5,-?
Opgave 4. Registrering af din husstands el- og varmeforbrug i en uge Hver morgen i en uge noteres, hvad jeres elmåler og jeres varmemåler viser. Noter også begivenheder, som kan have indvirkning på jeres strøm- og varmeforbrug fx at I har haft mange gæster i weekenden. Databehandling og spørgsmål Nedenstående spørgsmål laves både i forhold til elforbrug og til varmeforbrug. 1. Beregn din husstand el- og varmeforbrug pr. døgn. 2. Lav to diagrammer. Et som viser el-forbrug som funktion af døgnnummer, og et som viser varmeforbrug som funktion af døgnnummer. 3. Forklar eventuelle udsving i el- og varme forbruget på de enkelte dage. 4. Hvad er det gennemsnitlige el- og varmeforbrug pr. dag for din husstand (angiv resultat både i kwh, J og i kroner)? 5. Hvad er det gennemsnitlige el- og varmeforbrug pr. dag pr. person (angiv resultat både i kwh, J og i kroner)? Opgave 5. Sammenligning af el- og varmeforbrug i klassen I den tidligere opgave har du fundet et gennemsnitligt forbrug pr. dag for din husstand pr. person. Dette tal indtastes i et fælles regneark for hele klassen, således at klassens gennemsnitlige el- og varmeforbrug pr. person kan beregnes. (Brug fx Google Dokumenter, så et fællesregneark nemt kan tilgås af alle). Databehandling af klassens samlede data Nedenstående spørgsmål laves både i forhold til elforbrug og til varmeforbrug. 1. Hvad er det gennemsnitlige forbrug pr. dag pr. person (angiv resultat både i kwh, J og i kroner)? 2. Hvor stor er forskellen på det gennemsnitlige forbrug for de tre største forbrug og de tre mindste forbrug. 3. Hvorfor det er en god ide, at gruppere dataene i grupper (her i valgt en grupperingsstørrelse på 3). 4. Undersøg nærmere hvad der eventuelt kan ligge til grund for de forskellige forbrug? Opgave 6. Forbrug som funktion af tiden Nogle forsyningsselskaber indsamler løbende data om el- og varmeforbrug. Hermed er det muligt at følge sit el- og varmeforbrug time for time. På figuren herunder ses et eksempel på el-forbrug den 1 september 2011. Visningen har en opløsning på 1 time. Dvs. data er hentet fra el-måleren hver time.
Undersøg om du har den mulighed, der hvor du bor? I givet fald skal du svare på nedenstående: Nedenstående spørgsmål laves både i forhold til elforbrug og til varmeforbrug. 1. Lav en graf, som viser din husstands forbrug i løbet af et døgn. (Lav evt. et gennemsnit over de seneste 7 døgn). 2. Beskriv og forklar grafens (både graf for el-forbrug og for varmeforbrug) udseende. Er der begivenheder, som påvirker grafen udseende. 3. Hvordan er variationen af jeres el- og varmeforbrug i løbet af året. Forklar disse variationer. Opgave 7. Job på et moderne energiproduktionsanlæg Besøget på Tørring Kraftvarmeværk og Solvarmeanlæg giver en god indsigt i, hvordan fysik er en forudsætning for vores moderne energiproduktion, og dermed vores moderne livsførelse. Under besøget er der også gode mulighed for at få indsigt i, hvad et job på et kraftværkeværk indeholder, samt at høre om hvilke kvalifikationer og uddannelse jobbet kræver.
Driftlederen på Tørring kraftvarmeværk, og som vi står for vores besøg, hedder Michael Gregersen. Herunder har han kort skrevet lidt om sig selv: Michael Gregersen: Jeg er 36 år gammel og bor i Vejle med min kone og tre piger på 6,5 og 2 år. Jeg er uddannet elektriker og har uddannet mig videre til maskinmester. Af arbejdspladser har jeg været ude at sejle arbejdet på olieraffinaderi og boreplatforme. Jeg har været produktionsleder på en emballagefabrik med 80 timelønnede. I dag er jeg driftsleder af titel og er ansvarlig for den daglige produktion af el og varme. Jeg er personaleansvarlig. Jeg har ansvaret for det elektriske system. I den forbindelse er jeg registreret ved sikkerhedsstyrelsen. Sidst med ikke mindst er jeg ansvarlig for regnskab og budget (produktion og økonomi) over for bestyrelsen, som er min arbejdsgiver. 1. Forbered mindst to spørgsmål til Michael Gregersen spørgsmålene skal være relevante i forhold til hans erhverv og daglige arbejde. Opgave 7: Energiforsyningen i Danmark Beskriv i store træk, hvordan den danske el-energiforsyning er struktureret. I din beskrivelse skal du komme ind på følgende punkter: Hvilke el-energikilder benytter vi os af i Danmark og i hvilket omfang? Hvordan er vores energikilderne forbundet dvs. forklar hvordan vores elforsyningsnet er opbygget? Samarbejder med udlandet dvs. handler vi med el og i givet fald i hvilket omfang?
Benyttes primært centrale eller decentrale energiforsyninger (forklar de to begreber: Central energiforsyning og decental energiforsyning )? Hvordan har vores energiforbrug udviklet sig i de seneste 50 år hvad er grunden til den udvikling? Sammenlign danskernes gennemsnitlige el-forbrug med din egen klasses. Er der forskel? Hvad kan den skyldes? Opgave 8. Energiproduktion forskellige produktionsmåder På vores besøg til Tørring Kraftvarmeværk skal vi besøge tre forskellige energianlæg, nemlig et kraftvarmeværk, et solvarmeanlæg samt et solcelleanlæg Beskriv de tre forskellige anlæg. Beskriv bl.a. hvordan de er opbygget (lav meget gerne en skitse), hvad de producerer, samt hvad de har af fordele og ulemper. Opgave 9. Privat solcelleanlæg På bagrund af dine tidligere undersøgelser af eget el-forbrug skal du regne på, hvor stort et privat solcelleanlæg skal være for at kunne forsyne din husstand. 1. Hvilken effekt skal din husstands solcelleanlæg kunne levere? 2. Hvor stort et areal skal dit solcelleanlæg have for at kunne levere den nødvendige effekt (husk at angive hvilke en effekt du regner med, at solcelle anlægget kan producere pr. kvadratmeter). 3. Hvad vil Solcelleanlægget koste at indkøbe og installere? 4. Hvad bliver kwh-prisen på den elektricitet som dit anlæg kan producere (lav selv antagelser vedr. anlæggets levetid, låneoptag (dvs. renteniveau)). Gør omhyggeligt rede de antagelser og forudsætninger som du anvender i din beregning. 5. Hvordan bliver den samlede økonomi ved at investerer i et solcelleanlæg fremfor at få levereret elektricitet fra et centralt kraftvarmeværk? 6. Hvilke fordele/ulemper er der ved at investere i et privat solcelle-anlæg? Opgave 10. Energibesparelser Lav en brochure til en privat husstand. Brochuren skal hjælpe hustranden med at reducere deres energiforbrug. Brochuren skal blandt andet indeholde oplysninger om: Fordele ved at reducere el- og varmeforbruget? Konkrete forslag til handlinger som den enkelte husstand kan gøre for at opnå en besparelse. Et økonomisk overslag over besparelsen (medtag grundige beregninger som bilag til brochuren).
Efter Opgaver og øvelser Øvelse 1: Undersøgelse af nyttevirkninger En måde at reducere sit elforbruget i sin hustand er at vælges apparater (køkkenmaskiner, vaskemaskiner, pærer etc.) med en høj nyttevirkning. Denne øvelse indeholder to forsøg. I forsøg 1 skal du undersøge en elpæres nyttevirkning og i forsøg 2 skal du finde og sammenligne nyttevirkningen af forskellige apparater, som kan bruges til opvarmning af vand. 1. Forklar begrebet nyttevirkning Forsøg 1: Undersøgelse af en elpæres nyttevirkning I dette forsøg skal du bestemme en elpæres nyttevirkning. Apparatur: Til forsøget anvendes følgende apparatur: - 2 stk. multimeter til måling af strøm og spændingsfald - ca. 5 volt pærer - En resistor (til referenceforsøg) - Spændingsforsyning - Termometer - Et bæger til vand Udførelse af forsøget: Erstat billede med eget billed pga. copyright. 1. Fyld bægeret med vand, så pærens glasdel er dækket. 2. Bestem massen af vandet. 3. Sænk pæren ned i vandet (den må ikke være tændt endnu), og forbind den til den slukkede spændingsforsyning og til multimetre. De to multimetrene forbindes, således at både strømstyrke gennem pæren og spænding over pæren kan aflæses under forsøget. 4. Mål begyndelsestemperaturen af vandet. 5. Tænd for spændingsforsyningen og indstil spændingen til pærens driftsspænding (står på pæren), og begynd tidstagning lad pæren være tændt i fx 2 minutter. Noter præcist tiden. 6. Noter værdier for U og I. 7. Når det valgte tidsinterval er gået, slukkes spændingsforsyningen. 8. Rør roligt rundt i vandet og aflæs derefter sluttemperaturen af vandet. 9. Beregn den elektriske effekt af pæreren. 10. Beregn den elektriske energi, som er afsat i pæreren under forsøget. 11. Beregn på baggrund af vandets temperaturstigning den mængde energi, som vandet har modtaget fra pæren. 12. Forsøget gentages men denne gang erstattes pæren med en resistor sørg for at forsøgenes udførelse er næsten identiske dvs. brug ca. samme mængde vand, samme spænding, samme tidsinterval etc.
13. Beregn den elektriske effekt, som er afsat i resistoren. 14. Beregn den elektriske energi, som er afsat i resistoren. 15. Beregn på baggrund af vandets temperaturstigning den mængde energi, som vandet har modtaget fra resistoren. 16. Beregn på baggrund af ovenstående beregninger den mængde energi, som er undsluppet i form af stråling (dvs. lys fra pæren). 17. Beregn pærens nyttevirkning og kommenter resultatet. Forsøg 2: Sammenligning af nyttevirkning for en mikrobølgeovn, kaffemaskine og en elkedel Undersøg om det er billigst at bruge en mikrobølgeovn, en kaffemaskine eller en elkedel til at opvarme en kop vand til en kop kaffe. 1. Lav en beskrivelse af det forsøg, som du vil udføre. Angiv omhyggeligt hvilke værdier, som du vil måle. 2. Beregn nyttevirkningen for mikrobølgeovnen, kaffemaskinen og elkedlen. 3. Hvad koster det at opvarme 150 ml vand fra 5 C til 95 C med hvert af de tre apparater?
Øvelse 2: Isoleringsevne Undersøg eksperimentelt hvordan temperaturen ændrer sig inde i en blok af isoleringsmateriale med en indlagt energikilde. I en kube bestående af flere lag glasuld anbringes en lille elektrisk pære i kubens midtpunkt. Et termometer placeres tæt ved pæren. Da forsøget skal køre, indtil der er temperaturligevægt, er det en stor fordel at lave dataopsamling på temperaturmålingerne. Før eksperimentet udføres skal du gætte på, hvordan temperaturen vil forløbe inde i kuben af isoleringsmateriale. Forsøgsopstilling: Apparatur: Til forsøget anvendes: - Glasuldskvadrater på 20 cm x 20 cm, - Elpære f.eks. 6 V 0,1 A monteret i en løs sokkel med ledninger (eller med ledninger loddet direkte på pæren) - PC med dataopsamling med termometer, - Strømforsyning. Dataopsamlingen gøres klar med en graf til at vise temperaturforløbet. Når el-pære og termometer er anbragt i glasuldskuben tændes pæren og dataopsamlingen startes. Analyse: Forklar temperaturgrafens udseende (Hvordan ser grafen ud og hvorfor ser den sådan ud? Passer det med dine forudsigelser? )
Spørgsmål: 1. Har glasuldskubens størrelse betydning for forsøgsresultatet? 2. Har elpærens effekt betydning for forsøgsresultatet? 3. Har termometrets placering/afstand fra pæren betydning for forsøgsresultatet? 4. Kan eksperimentet forklare mekanismen bag Jordklodens høje indre temperatur? 5. Kan eksperimentet forklare, hvorfor små pattedyr har en højere energiomsætning pr. kg kropsvægt end store pattedyr? 6. Diskuter sammenhængen mellem effekt, temperatur, rumfanget og overfladearealet. Forsøget kan udvides med flere temperaturfølere placeret i forskellige afstande fra el-pæren og i forskellige retninger fra el-pæren.
Opgave 11. Effekt af en elkedel kan du følge med? 1. Med hvilken effekt opvarmer en elkedel vand med? 2. Hvor meget energi skal du bruge for at hoppe 20 cm op i luften. Dine muskler har en nyttevirkning på ca. 50 %? 3. Hvor mange hop skal du lave på et minut for at have samme effekt som elkedlen?
Solvarmeanlægget i Tørring Tørring Kraftvarmeværk indviede den 16. maj 2009 et 7 500 m 2 store solvarmeanlæg. Anlægget består af 525 solfangere hver med en størrelse på 14 m 2. På hjemmesiden: www.solvarmedata.dk er det muligt at læse om de forskellige solvarmeanlæg i Danmark og om solvarme generelt. Det er også muligt at finde data både historiske og aktuelle fra de forskellige solvarmeanlæg i Danmark. Figur 1: Tørring solvarmeanlæg. Billedet er stillet til rådighed af Tørring Kraftvarmeværk. Opgave 12. Solvarmeanlæg På hjemmesiden www.solvarmedata.dk findes data for anlægget i Tørring. Brug siden i forbindelse med din besvarelse af følgende opgaver. 1. Beskriv hvordan en solfanger er opbygget, og hvordan den virker. 2. Forklar hvad der menes med energienheden kw, som ofte benyttes, når et energianlægs produktion oplyses. Figur 2: Kontrolhus og trykudligningstank.
3. Lav en beskrivelse af solvarmeanlægget i Tørring både i forhold til, hvordan det er opbygget, og hvor meget det kan levere. 4. Lav din egen graf, som viser værkets solvarmeproduktion som funktion af dato. Grafen skal vise data for den seneste måned (data hentes under afsnit: Historiske data). 5. Find den uge i den forgangne år, hvor værket har produceret mest. Hvad er den gennemsnitlige nyttevirkning for denne uge? 6. Som ovenstående blot regnes nu på data for den uge i det forgangne år, hvor værket har produceret mindst. 7. Fra (blandt andet) værdierne Samlet solvarme-produktion i perioden og samlet solindstråling i perioden beregnes anlæggets nyttevirkning for hele perioden sammenlig med oplysningen på hjemmesiden vedr. værkets nyttevirkning. Anlægget indeholder ca. 150 000 liter monopropylenglykol. Indløbstemperaturen er mellem 38 C og 45 C og udløbstemperaturen bliver maksimalt 96 C. Udløbstemperaturen er meget afhængig af, hvor meget Solen skinner, men det tilstræbes at holde den så konstant som muligt ved at justere på flowet (mængde væske som sendes gennem anlægget pr. tid) af monopropylenglykol i systemet. Data: Varmekapacitet for monopropylenglykol er ca. 1 8. Hvor meget energi kræver det at opvarme anlæggets indhold af monopropylenglykol fra indløbstemperaturen til udløbstemperaturen? 9. Den 22. juni mellem kl. 12.00 13.00 var Solindstrålingen på. Hvilket flow skulle anlægget køre med i den time? (Antag at halvdelen af energien i sollyset omsættes til varme i væsken). 1 Kilde: http://www.lubadmin.com/upload/produit/fichepdf/lang_4/476.pdf