Undervisningsmateriale fra Integreret energisystem vind 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 08.3009.00 Fælles morgensamling med film og introduktion til dagen. 09.0009.15 Udlevering af materiale ved bussen 09.1511.00 Forberedelse af busaktiviteten i klassen 11.0011.45 Gennemføres øvelser ved bussen 11.4512.15 Afrunding i klassen Soundslide Samsø som energiø vises 12.1513.30 Afleveres det udleverede materiale igen ved bussen 12.3013.00 Pause 13.0013.30 Fællessamling I skal være ved Klimakaravanebussen kl. 11.0011.45 Pauser aftales med jeres lærer. 1
KLASSEAKTIVITET (9.1511.00) 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 CO 2 udslip, 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 debat magasinet. 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
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 BUSAKTIVITET (11.0011.45) Hold A skal arbejde med vindmøller og brændselsceller. Hold B med solceller og brændselsceller. HOLD A: Vindmøller, brint og brændselsceller I skal bruge: Vindmølle model Vindmølleparksimulator Små brændselsceller Brændselscellestak Radio og evt. TV Batteripakke Små pærer Pakke I havde i klassen Multimeter Div. ledninger Spørgsmål til faktablade: Hold A De vindmøller, der er i Danmark, har forskellig alder og størrelse. En moderne vindmølle er på mindst 2 MW (Mega Watt). Det betyder, at den kan levere 2 MW, når vinden blæser optimalt. En 2 MW mølle kan årligt producere ca. 6.000.000 kwh (kilowatttimer). Nogle dekadiske præfikser Da deka 10 1 10 H hekto 10 2 100 K kilo 10 3 1000 M Mega 10 6 1.000.000 G Giga 10 9 1.000.000.000 T Tera 10 12 1.000.000.000.000 Vindmølle parksimulator, med 6 hånddrevne generatorer Modelvindmølle Opgave: I skal undersøge, hvordan i kan bruge modelvindmøllen og vindmølleparksimulatoren til at levere en spænding og strøm, der passer til de apparater I skal bruge (racerbane, pære, radio, batteripakke og brændselsceller). Arbejd sammen to og to. 1. Mål spændingen på vindmøllen, og hver af generatorerne i vindmølleparken, uden apparater tilsluttet. Spænding Volt (V) 2. Tilslut nu en pære, og mål spænding og strøm på opstillingen. spænding Volt (V) strøm Ampere (A) 3. Hvad sker der med spændingen, når der er et apparat tilsluttet? Middelgrundens havmøllepark 4. Hvilken effekt leverer en mølle i vindmølleparksimulatoren? effekt Watt (W) Fortsættes på næste side 3
Fortsat fra forrige side Nu skal I til at arbejde sammen i hold. Først to hold med 56 elever på hvert hold. Hvert hold skal bruge en bane på racerbanen, og 3 generatorer/ vindmøller. Første opgave er at finde ud af, hvordan I kan få racerbilerne til at køre. 5. Hvordan skal de enkelte vindmøller i parken kobles sammen, for at I kan få begge biler til at køre. Prøv først at tilslutte en generator til én bane. Kører bilen? Hvis ikke, så prøv at tilslutte endnu en generator til racerbanen. Men skal den nu være i serie eller parallel? Se evt. på vejledningens side 3, hvordan man laver serie og parallel forbindelser. Prøv jer frem! Hvad virker? 6. Det gælder om, at være det hold, der først får sin bil til at køre 10 omgange på banen. Nu skal I arbejde sammen alle sammen. I skal have fjernsynet til at køre. Se på apparatet for at vurdere, hvilken spænding (V) og strøm (A) det skal bruge, for at det fungerer. Eller prøv jer frem! I kan evt. bruge jeres resultater fra Klasseaktivitet 2 ang. serie eller parallelforbindelse. 7. Hvordan skal de enkelte vindmøller i parken kobles sammen, for at I kan få fjernsynet til at vise et godt billede? Nu blæser vinden jo ikke hele tiden. En vindmølle i Danmark kører mellem 67.000 timer om året. Hvor mange timer er der i øvrigt på et helt år? Antal timer Hvis et energisystem skal baseres på vedvarende energi, f.eks. i form af el fra vindmøller, skal det derfor være muligt at lagre energien fra vindmøllerne i de perioder, hvor det blæser godt, så energien kan bruges i de perioder, hvor det ikke blæser. I skal nu undersøge to muligheder for lagring af vindmøllestrøm: Batterier og brint. 8. Brændselscellestakken består af 5 serieforbundne brændselsceller. Hver celle kræver 2 Volt. Hvor mange Volt kræves for at få hele brændselscellestakken til at producere brint? 9. Når man skal trække strøm ud af brændselscellestakken, kan den kun levere ca. 0,8 Volt pr celle. Prøv med et radioapparat eller en pære at få strøm ud af brændselscellen. 10. Prøv også at lade en eller to batteripakker op ved hjælp af vindmølle park simulatoren. Hvordan skal det gøres? Brug de batteripakker I brugte i klassen. Sørg for at de er afladet pæren lyser ikke, bilen kan ikke køre. Mål spændingen på batteriet inden I starter opladningen, og igen efter opladning er færdig: Spænding før opladning: Volt (V) Spænidig efter opladning: Ampere (A) 11. Kan I lave et system, således at I kan få leveret strøm til jeres udstyr, uanset om vinden blæser eller ej. 12. Hvordan skal de forskellige ting forbindes? 13. Virker det? KLASSEAKTIVITET (11.4512.30) 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? Links: http://www.windpower.org/composite29.htm Vind med Møller, Undervisningsprogram fra vindmølleindustrien fra 5. klasse og op. HUSK at aflevere alle vejledninger tilbage til bussen inden I går til fællessamlingen! Brændselscellestakken 4
Vindmøller Faktaark Vindenergi Vinden blæser under alle omstændigheder, specielt i Danmark har vi gode forhold for vindmøller. Vindenergi udleder ingen CO2. Derfor er vindenergi en god og forureningsfri kilde til elproduktion. Der er dog også problemer med vindmøller. Først og fremmes producerer de kun når vinden blæser, og det passer ikke nødvendigvis med, hvornår vi har brug for strøm. Vindmøller er meget synlige, og ikke alle ønsker vindmøller i nærheden af deres hjem En vindmølle kører 67000 timer om året, og det skal den gøre i hvert fald 20 år. En vindmølle skal derfor være en meget solid og holdbar konstruktion. Til sammenligning har en bil, der bliver skrottet efter 300.000 km s kørsel, i alt kørt i ca. 5000 timer. En vindmølles mekaniske dele kører altså længere tid på et år, end en bil almindeligvis gør i hele sin levetid. En vindmølle laver meget energi på lidt plads. På 3 måneder producerer en vindmølle den energi, der gå til at bygge møllen, sætte den op, og pille den ned igen. Hvordan fungerer en vindmølle Vindmøllen omdanner vindens energi til elektrisk energi. En vindmølle består af: Fundament Tårn Møllehat med maskineri Rotor (vinger) Styring Tilslutning til elnet I princippet er det enkelt: Vinden driver vingerne rundt, og kraften overføres via hovedakslen til generatoren. En gearkasse sikrer den rigtige omdrejningshastighed på generatoren. Krøjekrans, motor og vindfane sikrer at rotoren har den rette placering i forhold til vinden. Bremser og styring sikrer, at vindmøllen kan stoppes, hvis det blæser for meget. 5
Vindmøller Faktaark Vindmøller i DK I Danmark findes over 5.000 vindmøller. Deres placering fremgår af kortet til venstre. På kortet til højre kan man se hvor det blæser mest i Danmark, og hvor det derfor er godt at placere vindmøller. Den røde farve viser de bedste vindforhold men den mørkeblå farve viser de dårligste vindforhold. Hvis alle danske møller blev erstattet med den største og mest moderne type, ville vi kunne dække mere end 100 % af vores elforbrug i Danmark. Planen er at 1.200 landbaserede møller, og 500 havvindmøller i år 2025 skal dække 50% af vores elforbrug i Danmark. Effekt kw/mølle <150 150450 451750 7511500 >1500 SUM Antal 411 1625 2278 619 305 5238 MW 23 359 1486 627 639 3133 %antal 8% 31% 43% 12% 6% 100% %Effekt 1% 11% 47% 20% 20% 100% 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. 7
Brint og brændselsceller Faktaark Lagring af brint Brint kan lagres på forskellige måder. Enten som gas, i flydende 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 3.107 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 160220 C 55% Natural gas, bio gas, H2 Molten Carbonate Fuel Cell MCFC Molten mixture of alkali metal carbonates to 620660 C 65% Natural gas, bio gas, coal gas H2 Solid Oxide Fuel Cell SOFO Oxid ion conducting ceramic to 8001000 C 6065% Natural gas, bio gas, coal gas H2 8