Undervisningsmateriale fra Varme fra solen Lærervejledning Gennemførsel Udover morgen- og eftermiddagssamlinger, består denne klasses aktiviteter af 3 forløb. Aktiviteten dækker følgende Fælles Mål i fysik/kemi Eksempler på samfundets anvendelse af energi til transport, i industrien og i boligen. Følgevirkninger af forskellige former for energiproduktion. Fysiske og kemiske arbejdsmetoder i forbindelse med praktiske og undersøgende aktiviteter. Klasseaktivitet, hvor eleverne skal læse og diskutere, hvordan vi i fremtiden sikre en bæredygtig energiforsyning. Øvelse, hvor eleverne skal lave forsøge med at fange solens energi. Klasseaktivitet, hvor eleverne skal finde ud af hvordan solens energi kan anvendes til opvarmning og udarbejdelse af præsentation af aktiviteten. Aktiviteterne er udelukkende styret af dig. Vi har lavet et forslag til dagens program, men du kan selv ændre dette så længe det ikke overlapper fællesamlingerne. Forberedelse Der skal bruges et naturfagslokale, eller et lokale hvor der er vandhane i, og 10 termometre. Eleverne skal endvidere bruge lommeregner og papir til plancher. Baggrund Klodens klima påvirkes når man afbrænder fossile brændsler. Hele verden er derfor optaget af at finde nye muligheder for at dække det stadigt stigende energiforbrug med andet end olie, kul og gas. Det er en fordel, hvis du laver kopier af elevvejledningerne til dine elever. Formålet med aktiviteten er at få en forståelse for, hvordan vi kan udnytte solen som energikilde til opvarmning af vores huse og til varmt vand. Hele klodens energiforbrug på et år svarer til en 10.000del af den solenergi, der rammer jorden i løbet af et år. Selvom der bliver udviklet nye metoder til at udvinde de fossile brændstoffer slipper de op før eller siden. Derfor er det vigtigt at udvikle vedvarende energi teknologier. Vi bruger solenergi på mange måder: • Solen leverer energi til planternes fotosyntese. • Vi kan få varmt vand fra solvarmeanlæg. • Varme fra vinduer, som kaldes 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. Aktiviteten sætter fokus på anvendelsen af solens energi ved solvarmeanlæg gennem praktiske aktiviteter samt diskussions- og beregningsopgaver. 1 Indledning og diskussion (9.15-10.15) VIGTIGT Til denne aktivitet udleveres en øvelseskasse indeholdende 5 stk. solfangere med vandbeholder og 5 poser med savsmuld. I skal selv sørge for 10 termometre. Del klassen op i 5 grupper. Disse grupper skal arbejde sammen gennem hele forløbet. I dette forløb skal eleverne udføre 2 opgaver: Kassen indeholder desuden et klassesæt (24 stk. nummereret 1-24) af klimakaravanens debatmagasin 2”, der udleveres 4 stk. laminerede elevvejledninger (nummereret 1-4) til aktiviteten og en lærervejledning. Eleverne skal læse opslag 7 ” Jagten på ren energi” i Debatmagasin 2 fra Klimakaravanen (s. 16-17), hvor de i grupper skal diskutere, hvordan vi i fremtiden sikre en bæredygtig energiforsyning. I skal sammen finde ud af hvor meget energi solen leverer samt om eleverne kan nævne nogen metoder, hvorpå vi kan udnytte solen energi. Det er vigtigt, at Klimakaravanen får det hele retur. Vi har ikke plads til at køre rundt med supplerende materiale, det er derfor nødvendigt, at materialet er komplet. Materialet bedes afleveret inden den fælles afslutning. Opgave 1: Jagten på ren energi Eleverne skal læse opslag 7 ”Jagten på ren energi” i Debatmagasin 2 fra Klimakaravanen (s. 16-17). Når eleverne har læst opslaget, skal de diskutere og finde frem til svarene på de spørgsmål der står til sidst under overskriften ”Hvis du kunne bestemme”. Dagens program 08.30-09.00 Fælles morgensamling med film og introduktion til dagen 09.00-09.15 Materialer udleveres ved klimakaravanen 09.15-10.15 Indledning og diskussion af ”Jagten på ren energi - solenergi” 10.15-10.30 Pause 10.30-11.30 Øvelse med solfangere 11.30-12.00 Pause 12.00-13.00 Hvordan kan solenergi anvendes til opvarmning - afrunding 12.15-12.30 Aflevering af det udleverede materiale ved Klimakaravanen 13.00 – 13.30 Fælles afslutning De kan evt. også forsøge at besvare spørgsmålene i de blå bokse med overskriften ”Hvad mener du?” Til sidst skal de præsenter deres synspunkter og holdninger for resten af klassen. Måske er der nogen der ser løsninger forskellige fra andre. Du kan evt. supplere diskussionen om hvor meget olie, kul og naturgas der er tilbage rundt omkring i verden. Energiforskere er uenige, men man er enige om, at det ikke varer evigt, og at en øget efterspørgsel vil få priserne til at stige dramatisk. Det betyder også, at det kan betale sig at forske i nye teknologier, så vi kan få fat i endnu mere af den olie, kul og naturgas, der stadig er tilbage i undergrunden. Ifølge det Internationale Energi Agentur så ser prognosen for de kendte energiresserver således ud: Reserver sat i forhold til nuværende årsproduktion Brændsel Årsproduktion Energireserver tilbage Olie 1100-1300 mia. tønder 40-45 år Naturgas 180.000 mia. kbm 60 år Kul 847 mia. ton 144 år Kilde: IEA’s World Energy Outlook 2008 Det kan sammenholdes med at den årlige solindstråling i Danmark er cirka 200 gange større end vores samlede energiforbrug. Det er blot et spørgsmål om at udnytte det. 2 Opgave 2. - Solenergi I denne opgave skal eleverne finde svarene på, hvor meget energi solen leverer samt om de kan nævne nogen metoder, hvorpå vi kan udnytte solens energi. (Eleverne skal bruge lommeregner). • VIGTIGT: Først som sidst vil det være hensigtsmæssigt at afklare med eleverne forskellen på solceller og en solfanger. Solceller omdanner lys til elektrisk strøm og kendes fra blandt andet lommeregnere. Solfangere består af rør der optager solens stråler og varmer vand op. • • Se Figur 1. i elevvejledningen. Uddybende figurtekst Alle planter og alt liv på jorden afhænger af solens lys, og stort set al den energi vi bruger, stammer på en eller anden måde fra solens lys. Solen har eksisteret i milliarder af år og vil fortsat eksistere i flere milliarder år. Derfor regner man solenergi for vedvarende energi. Hvor meget solenergi rammer årligt en m2 i Danmark ved en hældning på 00: 1.000 kWh/m2/år, og ved 400: 1150 kWh/m2/år. Hvor meget solenergi rammer årligt en m2 i Sahara ved en hældning på 00:2.600 kWh/m2/år, og ved 200:2700 kWh/m2/år. En solfanger kan omdanne op til 50 % af den samlede solindstråling til varmt vand. Hvis vi regner med, at et almindeligt, ældre hus på 150 m2 bruger ca. 18.000 kWh til varme og varmt vand om året. Hvor stort skal solvarmeanlægget være for at dække forbruget ved hældningen på 0 grader? 18.000 kWh / 1.000 kWh/m2/ år x 50 % = 36 m2 Næsten alt den energi vi bruger kommer fra Solen. Træer og planter udnytter solens lys til at vokse. Dyr og mennesker spiser planterne og udnytter derved solens stråler. Træmasse kan bruges direkte som brænde, mens planterester og døde dyr efter millioner af år bliver omdannet til olie, naturgas og kul (det er disse vi betegner som fossile brændstoffer). Vindenes bevægelser og havenes strømme styres også i høj grad af varmetilførslen fra solen. Kun kernekraft, der bruger uran som brændsel, afhænger ikke af energi fra solen. Se figur og forklaringer i elevvejledningen, dette er svarene på spørgsmålene: • Hvor meget af den samlede solindstråling når jordens overflade? 50 % (Eleverne skulle gerne nå frem til at tegningen viser solindstrålingen og at det ikke er alt solindstråling der når jordoverfladen) • Hvor stor del anvendes til fotosyntese? 0,02 %. Se figur 2. i elevvejledning. Uddybende figurtekst. Kasserne illustrerer at verdens kendte energireserver er begrænsede og vil slippe op før eller siden. Det ligger dog et enormt potentiale i energien fra den årlige solindstråling på jorden, der er med til skabe vind til vindkraft og fordampning af vand til vandkraft i bjergrige egne. Øvelse med solfanger (10.30-11.30) Forsøget viser en simplificeret model af en solfanger. Bagved er der isolering (flamingo) og foran en plexiglasplade, som ligeledes isolerer ved at holde på de langbølgede varmestråler (drivhuseffekten). Inden i solfangeren er der en sort malet aluminiumsplade hvor der er loddet et kobberrør som vandet løber i. Plastrøret på toppen illustrerer en varmtvandsbeholder (dog uden varmeveksler) som optager varmen fra solfangeren. Se figur og forklaringer i elevvejledningen, dette er svarene på spørgsmålene. • Hvor mange gange større er den solenergi der årligt rammer jorden i forhold til jordens samlede årlige energiforbrug? Eleverne skal forsøge at finde ud af, hvor mange af de små kasse der illustrerer forbruget der kan være inde i kassen der illustrerer solindstrålingen, hvilket ca. er 21 gange på hver led, dvs. 21x21x21= 9261. Dette svarer meget godt til fakta, der siger at den energimængde der rammer jorden på et år er 10.000 gange større end jordens samlede energiforbrug på et år. Så det er blot at få det udnyttet. • Hvor mange gange større (med hvilken faktor) er den årlige solindstråling i Sahara end i Danmark ved en hældning på 00? 2,60 gange større. Eleverne skal i deres gruppe selv samle solfangeren som beskrevet i øvelsen. Sørg for at kontrollere at gummiprop og vandbeholder (plexiplasrøret) sidder forsvarligt fast så systemet er vandtæt. Når du har kontrolleret dette, kan eleverne fylde vand på så vandbeholderen er 2/3 fyldt (over det lille glasrør). Det kan være at eleverne skal vippe solfangeren lidt fra side til side for at sikre at der ikke kommer flere luftbobler ud at røret. 3 der ikke stilles samme krav til frostsikring og holdbarhed som i Danmark. De mest solgte større solfangere i Danmark er tilkoblet en varmtvandsbeholder i huset og kræver pumpe for at få vandet rundt i systemet. Husk eleverne på, at de kun skal fylde en lille smule savsmuld i røret (svarende til en ½ tsk.). Eleverne kan forsøge at røre rundt med et af termometrene så savsmuldet ikke blot ligge i overfladen men bliver blandet i vandet. Grunden til at der skal savsmuld i er, at eleverne skal se, at vandet begynder at selvcirkulere når det varmes op. Dette kan også ses ved at temperaturen i ind- og udløbsrørene er forskellige. Hvorfor er solfangeren malet sort? Farven sort absorbere flere af lysets bølgelængder end en hvid overflade gør. Derved opfanger en sort overflade mere af solens varmestråler. Der er udviklet særlige mørke såkaldte selektive overflader som påføres solfangere for at absorbere mest muligt af de infrarøde varmestråler fra solen. Hvis I laver forsøget indenfor med lamper så husk at minde eleverne om, at lamperne kan blive meget varme. Det er derfor også vigtigt at lamperne ikke står tættere end i en afstand på ca. 20 cm til solfangeren. Hvorfor er der flamingo i bunden af solfangeren og en glasplade foran solfangeren? En solfangers effektivitet afhænger af hvor god den er til at opfange solens varme. Dertil er der også vigtigt at denne varme forbliver i solfangeren. Derfor er kassen isoleret i bund og i sider og der er lagt glas på som reflektere strålerne (se figur 5 på elevarket). Vær opmærksom på at termometrene automatisk slukker, når de har været tændt i længere tid. Sørg også for at de er sat til celsius ”C” og ikke står på ”hold”, ”min” eller ”max”. Eleverne skal måle temperaturen ved indløb og udløb af vandbeholderen ved start og hvert minut i 10 minutter. (BEMÆRK: De skal bruge deres egne ure eller mobiltelefoner som ur). Ind- og udløb er også beskrevet som bund og top, hvor bund er der hvor vandet løber ned i solfangeren i bunden og top er der hvor vandet kommer ud af solfangeren i det lille glasrør. Dataene skal eleverne løbende skrive ind i skemaet. De skal også plotte datasættene (tid/temperatur) ind i koordinatsystemet. Formålet er at de gerne skulle få en ret linje mellem plottene, og se at temperaturen vokser jævnt (proportionalt) med tiden. Hvordan kan solenergi anvendes til opvarmning (12.00-13.00) På baggrund af elevernes øvelse med en primitiv solfanger, skal eleverne i denne aktivitet komme nærmere ind på, hvordan solvarmeanlæg bliver anvendt i Danmark. Eleverne skal igennem 3 opgaver, som de skal besvare i grupperne: • Beregne besparelsen i kr. og i CO2 udledning for et typisk solvarmeanlæg • Finde ud af hvilke forhold der har betydning for solfangerens effektivitet. • Lave en præsentation i klassen, som eleverne skal fremlægge ved den fælles afslutning. Mens eleverne foretager målingerne kan de forsøge at besvare spørgsmålene sidst i øvelsen. Hvad sker der med savsmuldet og hvorfor sker det? Når vandet opvarmes begynder det at selvcirkulere, dvs. bevæge sig rundt i røret. På den sorte plade hvor vandet bliver varmet op vil vandet bevæge sig op ad og skabe en bevægelse i vandet. Savsmuldet bevægelse i vandet skulle gerne vise dette (det er dog ikke altid så tydeligt). Der er vist et billede af et simpelt selvcirkulerende anlæg (Suncatcher), som oftest bliver anvendt under varmere himmelstrøg, hvor BEMÆRK: Eleverne skal bruge lommeregner. 4 Opgave 1: Kan det svare sig at opsætte et solfangeranlæg? Regnestykkerne er lavet med simpel tilbagebetalingstid, dvs. uden renter og prisstigninger. • • • • • Hvor meget kan familien spare hvis fyringsolien koster 9 kr. pr liter.? 9 kr./liter x 400 liter/år = 3.600 kr./år. Et solvarmeanlæg til at dække varmtvandsbehovet i en familie koster 40.000 kr. at etablere. Hvor mange år tager det før besparelsen har dækket etableringsomkostningen? 40.000kr. / 3.600 kr./år = 11,1 år? Levetiden af anlægget anslås at være 20 år. Hvor mange år vil anlægget levere gratis varme efter at etableringsomkostningen er betalt? 20 år – 11,1 år = 8,9år. Hvor mange penge vil familien have sparet efter 20 år? 8,9 år x 3.600 kr./år = 32.040 kr. Der udledes ca. 2,65 kg CO2 pr. liter afbrændt fyringsolie. Hvor meget mindre CO2 vil familien udlede om året? 400 liter x 2,65 kg CO2 / liter = 1060 kg = 1 ton. Figur 6. Uddybende figurtekst. Figuren viser en forenklet illustration over solindstrålingen og behovet for opvarmning og varmt vand i et hus i løbet af et år. Det fremgår at varmtvandsbehovet ligger jævnt over hele året men behovet for rumvarme ligger i vinter- og efterårsmånederne. Solindstrålingen er illustreret som en halvcirkel for at illustrer en sol. I virkeligheden vil der stige og falde mere brat om foråret og om efteråret. Men illustrationen skulle gerne give eleverne en forståelse af, at solen skinner mest om sommeren hvor varmebehovet er mindst i husene. Dertil vil solen ikke kunne dække varmvandsbehovet i vintermånederne. Opgave 2: Hvilke forhold har betydning for solfangerens effektivitet? Som afslutning skal eleverne ud fra tegningen i figur 5. diskutere hvorfor der er forskel på hvilken retning solfangeren placeres i og hvor meget energi den leverer. De skulle gerne komme frem til, at vi på den nordlige halvkugle har solen mod syd. Selv om man mister 7 % ved at sætte solfangeren mod SV kan det stadig godt betale sig. I mindre omfang kan solenergi også bruges til rumopvarmning. Dette kræver et større anlæg og medfører et større behov for at kunne lagre solenergien, da solvarmeanlæg er mere effektive om sommeren end om vinteren, og at de store mængder varme, som produceres om sommeren, skal kunne aftages. Denne varme kan dog bruges til swimmingpool eller opvarmning af kælder, og er desuden meget velegnet i huse der har gulvvarme. I sammenhæng hermed skal de komme frem til at hældningen også har betydning for solfangerens effektivitet. I Danmark er den mest optimale hældning omkring 40 grader. De kan se af tabel og figur 4. at den optimale hældning er forskellig fra Sydspanien og Sahara. Til sidst skal de kigge på figur 6 og forsøge at komme med en forklaring på: • Hvorfor solvarmen ikke kan dække hele årets varmtvandsbehov? Der er ca. 30.000 solfangeranlæg i Danmark, hvor det mest solgte er et såkaldt brugsvandsanlæg, det vil sige et anlæg der hjælper med at varme vand op til bad, vask, opvask osv. Et typisk solvarmeanlæg vil dog kun kunne dække 60 - 70% af den energi, som bruges til opvarmning af dit brugsvand. Resten skal komme fra et oliefyr, gasfyr, brændekedel, træpillefyr eller fjernvarme. Hvad kan det gøres for at dække en større del af varmtvandsog rumvarmebehovet i løbet af året? Solenergi kan også anvendes i større anlæg til svømmebassiner og i større kollektive anlæg i forbindelse med fjernvarmesystemer. Det er vi i Danmark gode til, hvor vi har nogle af de største solfangeranlæg. På Ærø ligger 5 verdens største solvarmeanlæg. Anlægget har 18.365 m2 solfangere (svarer til næsten 3 fodboldbaner), der levere varmt vand via et fjernvarmenet til 1.500 huse i Marstal by. Det svarer til, at ca. 600 husstande udelukkende opvarmes af solenergi hele året. Solvarmeanlægget sparer hvert år et forbrug på 800.000 liter olie (det svarer til et udslip på 2.120 tons CO2). For at kunne bruge solenergien til opvarmning forskes der meget i at udvikle billige og effektive lagre som kan gemme varmen helt ind i efteråret. Arbejd videre efter Klimakaravanedagen I kan arbejde videre med en forståelse for drivhuseffekten. Man kan starte med at læse i Debatmagasinet fra Klimakaravanen (findes på www.klimakaravanen.dk) opslag 4 ”Drivhuseffekten på godt og ondt”. Samt lave forsøg fra ”Forsøg med energi” afsnit 2 ”Drivhuseffekten” som findes på www.skoleenergi.dk under materialer. På www.skoleenergi.dk findes der links under informationslinks der omhandler drivhuseffekten og klimaændringer. Læs i Debatmagasin 2 ”1 tons mindre eller 1 tons i alt?” her kan man diskutere, hvad er rimeligt at lukke ud af CO2 og om man kan leve på 1 tons CO2. Opgave 3: Lav en præsentation og en planche Der er vigtigt at eleverne til sidst i fællesskab får lavet en planche eller anden form for oplæg, hvor I samler op på det, de nu ved om solens energi og solvarmeanlæg. Planchen skal de bruge når de skal fremlægge for de andre på skolen til den fælles afslutning samt hæng planchen op et centralt sted på skolen efterfølgende. Du skal derfor sørge for at der er materialer til planchen og oplægget. Hvis I ønsker at læse mere om solvarmeanlæg til fjernvarmeproduktion, så findes der på følgende links: • 18.365 m2, Marstal Fjernvarme (1996-2003) http://www.solarmarstal.dk/ • 8.000 m2, Brædstrup Fjernvarme (2007) http://www.braedstrup-fjernvarme.dk/ • 4.900 m2, Ærøskøbing Fjernvarme (1998 -99) http://aeroe-varme.dk/ • 3.588 m2, Rise Fjernvarme (2001) ingen hjemmeside • 3.025 m2, Ry Varmeværk (1990) http://www.ryvarme.dk/ • 2.500 m2, Nordby Mårup Fjernvarme (2001-2002) http://www.nordby-maarup.dk/ • 1.025 m2, Saltum Fjernvarmeværk (1988) ingen hjemmeside Hvis I er i tidsnød til sidst efter forsøget og frokost kan I droppe opgave 1 og 2 og gå direkte til oplægget, da det er vigtigt at eleverne har noget at fremlægge til resten af skolen. 6