Wykorzystanie wiadomości o alternatywnych źródłach energii na lekcjach fizyki w gimnazjum.

Transkrypt

1 Wykorzystanie wiadomości o alternatywnych źródłach energii na lekcjach fizyki w gimnazjum. (energia wód geotermalnych, biomasa i biogaz.) 1. Wstęp Współczesny świat potrzebuje ogromnych ilości energii. Zużywana jest ona m.in. do produkcji energii elektrycznej i w ciepłownictwie. Tradycyjne surowce energetyczne to: węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny - paliwa kopalne pochodzenia organicznego. Ich udział w światowej produkcji energii jest bardzo znaczny, np. ropa naftowa dostarcza ok. 40 % energii zużywanej na świecie, węgiel - kamienny i brunatny - ok.30 %, gaz ziemny - ok. 20 %. Do paliw kopalnych zaliczyć należy również pierwiastki promieniotwórcze - wykorzystywane w elektrowniach jądrowych. Energetyka jądrowa jednak, ze względu na koszty produkcji jak i brak społecznego przyzwolenia na budowę elektrowni jądrowych, produkuje obecnie jedynie ok.5 % światowej energii. Wykorzystanie paliw kopalnych jest natomiast ograniczone przez budowę geologiczną Ziemi - są to nieodnawialne źródła energii. Ich zasoby w przyszłości wyczerpią się -będą musiały więc zostać zastąpione w inny sposób. Niepokój budzi też ogromny, szkodliwy wpływ wykorzystania tych paliw na środowisko naturalne człowieka, bowiem zanieczyszczenia emitowane przy wykorzystywaniu konwencjonalnych paliw są bardzo groźne. Główne produkty spalania emitowane do atmosfery to dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, trójtlenek siarki, tlenki azotu oraz pyły. Powodują one zanieczyszczenia powietrza i bezpośrednio z tym związane zakwaszenie gleb, jezior i rzek, uszkodzenia lasów i tzw. efekt cieplarniany. Ilość tych zanieczyszczeń jest bardzo duża. Np. ciepłownia dostarczająca ciepło dla ludzi, spalająca węgiel, emituje do atmosfery w ciągu roku

2 około 850 ton dwutlenku węgla, 1200 ton dwutlenku siarki, 260 ton tlenków azotu i 250 ton popiołów lotnych! Szacuje się, że tylko emisja dwutlenku węgla w wyniku spalania paliw organicznych na świecie, wyniosła w roku 1989 około 22 mld ton, zczegow Polsce wemitowano 440 mln ton! Poszukiwanie innych źródeł energii jest więc niezbędne również, a może przede wszystkim, ze względu na konieczność zmniejszenia emisji zanieczyszczeń i ochrony środowiska naturalnego człowieka. Takim rozwiązaniem są alternatywne źródła energii. 2. Alternatywne źródła energii Konieczność wykorzystywania alternatywnych źródeł energii zmusza do poszukiwania nowych rozwiązań. Dziś, w coraz większym zakresie wykorzystuje się już różne sposoby produkcji energii. Należą do nich: 2.1.Elektrownie wodne. Spadająca woda wytwarza ok. 20 % światowej energii elektrycznej. Ciągle jest wykorzystywana w stopniu niedostatecznym i we właściwym wykorzystaniu wszystkich rzek do produkcji energii tkwią duże zapasy Energia słoneczna. Kolektory słoneczne są wykorzystywane do ogrzewania wody. Stosuje się też ogniwa słoneczne przetwarzające światło na energię elektryczną. Jak dotąd, duże koszty budowy takich ogniw ograniczają ich stosowanie. Z pewnością jednak z czasem wzrośnie ich zastosowanie ze względu na duże możliwości wykorzystania w bardziej nasłonecznionej części Ziemi Energia morza. Energia wody morskiej: falowania, pływów, prądów i termicznej energii oceanu jest gigantyczna, ale jak dotąd tylko niewielką jej część się wykorzystuje. 2

3 2.4. Energia wiatru. Siłownie wiatrowe używane są do produkcji energii elektrycznej, ale również - od wieków - do wykonywania pracy mechanicznej. Ten sposób pozyskiwania energii ciągle się rozwija Energia geotermalna Energia uzyskiwana z biomasy i biogazu. Dwa ostatnie źródła energii i ich zastosowanie omówię szerzej. 3. Energia geotermalna Energia geotermalna to energia cieplna uzyskiwana ze złóż wód geotermalnych. Na Ziemi istnieje zjawisko gradientu termicznego. Oznacza to, że średnio co 30m w głąb Ziemi, temperatura jest wyższao1 0 C. W przeciętnych zatem warunkach, na głębokości 1500 m powinna panować temperatura ok C. Budowa geologiczna Ziemi jest taka, że na tej głębokości bardzo często występują pokłady wody - często słonej, z dużą zawartością soli i minerałów, ale ogrzanej. Ponadto, są obszary, gdzie gradient temperatury wykazuje anomalie - i temperatura wód geotermalnych jest dużo wyższa - opłacalne jest zatem wykorzystywanie tej energii z głębi Ziemi. Taka ogrzana woda jest wykorzystywana bezpośrednio ( w ciepłownictwie) lub do produkcji energii elektrycznej. W Polsce też występują obszary podziemnych wód geotermalnych - między innymi na Podhalu i w północno - zachodniej części kraju. Pokłady gorącej wody geotermalnej są wykorzystywane w ciepłowniach - do ogrzewania. Pierwszą - pilotażową jednostką Polskiej Akademii Nauk jest Ciepłownia Geotermalna w Bańskiej koło Zakopanego, która powstała w 3

4 1982 r. Jest to ciepłownia niewielka, doświadczalna - pobiera się z niej zaledwie ok. 8 m 3 wody w ciągu godziny. Pierwszą w Polsce ciepłownią geotermalną w pełnej skali jest ciepłownia w Pyrzycach koło Szczecina. Została zbudowana w 1996r. Region Szczeciński ma bardzo dobre warunki do wykorzystania wód geotermalnych. Na głębokości od 1600 do 2200 m zalegają tu wody geotermalne o temperaturze od 50 do 90 0 C w dużych warstwach. Miąższość warstw wynosi do 200 m. Oznacza to, że każdy kilometr kwadratowy powierzchni terenu zawiera w głębi około 4,2 mln m 3 wód geotermalnych, a ich energia może być porównywana z energią około 160 tys. ton węgla. Miasto Pyrzyce jest położone w północno - zachodniej części Polski, około 32 km na południe od Szczecina. Ciepłownia geotermalna ma moc szczytową 50 MW, co zapewnia ciepło miastu i nawet pozostawia rezerwę. Opis działania ciepłowni geotermalnej w Pyrzycach: Ciepłownia wykorzystuje cztery studnie, każda o głębokości około 1700 m. Dwie z nich pobierają wodę, dwiewtłaczają ją zpowrotem.woda geotermalna o temperaturze 64 0 C jest podnoszona na powierzchnię za pomocą pompy, następnie płynie do wymienników ciepła, pomp cieplnych i dalej do studni wtłaczającej, gdzie wprowadzana jest do tej samej warstwy geologicznej, z której była pobrana. Ze względu na odnawialny charakter energii, jak również ochronę środowiska naturalnego niewskazane jest, aby wodę po odebraniu energii cieplnej zrzucać do kanalizacji, jest ona bowiem bardzo słona. Ponadto, pobór wody ze złoża bez zatłaczania jej z powrotem mógłby naruszyć równowagę hydrauliczną warstwy geotermalnej. Dlatego opisywana ciepłownia tłoczy wodę z powrotem do złoża. Reasumując, ciepłownia geotermalna to najczystsze źródło energii. Jest to energia bardzo tania, mimo dość wysokich kosztów budowy specjalistycznych urządzeń ją obsługujących. 4

5 W Europie mamy szereg przykładów wykorzystania energii geotermalnej: takie ciepłownie działają w Niemczech - w Neubranderburgu, w rejonie Meklemburgii, w południowej Szwecji - w Lund, w północnej Danii - w Thisted. 4. Energia uzyskiwana z biomasy i biogazu Biomasa. Biomasa to materiał roślinny lub zwierzęcy, który można przetworzyć na paliwo. Obecnie pokrywa ona około 15% światowego zapotrzebowania na energię i jest głównym paliwem dla połowy populacji świata, głównie w formie drewna. Od kilku lat wzrasta zainteresowanie biomasą celem zastosowania jej jako źródła energii w większej skali. Konstruowane są specjalne piece do spalania biomasy, o dużej sprawności i mniejszej szkodliwości dla środowiska naturalnego. Na pewno jest to źródło energii, z którego ludzie będą korzystać jeszcze bardzo długo Biogaz. Biogaz powstaje w wysypiskach śmieci podczas beztlenowej fermentacji odpadów organicznych. Głównym jego składnikiem jest metan (CH 4 ), dwutlenek węgla ( CO 2 ), wodór ( H 2 ) i azot ( N 2 ). Metan, główny składnik biogazu, jest lżejszy od powietrza, łatwopalny, i bardzo szkodliwy dla atmosfery. Niszczy warstwę ozonową dwudziestokrotnie silniej, niż powszechnie o to obwiniany dwutlenek węgla. Jednak spalany w specjalnych instalacjach nie jest już szkodliwy dla środowiska. Spalanie metanu następuje według następującego równania: 5

6 CH 4 + 2O 2 = 2H 2 O + CO 2 W czasie spalania 1 m 3 metanu powstaje około 1,6 kg wody w postaci pary wodnej. Do spalenia tej ilości metanu potrzeba około 10 m 3 powietrza. Surowcem do produkcji biogazu mogą być również prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne są odchody zwierzęce w postaci gnojowicy lub obornika. W niektórych krajach do zasilania pieców centralnego ogrzewania wykorzystuje się małe fermentownie odpadów zwierzęcych, ludzkich i gospodarskich. Najwięcej takich instalacji jest w Chinach (ok. 6 mln), Indiach (1 mln), Korei Południowej, Brazylii, w krajach skandynawskich. W Stanach Zjednoczonych istnieją fermentownie przerabiające obornik z wielkich farm bydła. Francuzi zaś opanowali technologię wytwarzania biogazu z odpadów powstających przy przetwarzaniu warzyw i roślin przemysłowych. W Polsce małe fermentownie wytwarzające biogaz na potrzeby pojedynczych gospodarstw rolnych działają, ciągle jednak jest ich niewiele. W kraju mamy około 800 komunalnych wysypisk śmieci. Trafiają tam przeważnie śmieci nie poddawane selekcji. Jest w nich dużo związków organicznych, są więc zdolne do wytwarzania dużej ilości biogazu. Niestety, tylko 20 z nich posiada instalacje do pozyskiwania gazu energetycznego. Ocenia się, że z polskich wysypisk śmieci można uzyskać około 11 mld m 3 biogazu w ciągu roku. Stanowi to równowartość 5,2 mln ton tzw. paliwa umownego. Duża ilość biogazu pozyskiwanego z wysypisk może być wykorzystana do ogrzewania, ale też do produkcji energii elektrycznej. Przykładem takiego wykorzystania może być działająca w Grudziądzu, w województwie pomorskim, tzw. Mała Elektrownia Biogazowa. Działa ona od 1995 r., współpracuje z siecią energetyczną regionu. Miesięczny koszt eksploatacji tej elektrowni wynosi 30 % wartości wytworzonej energii. Dochód ze sprzedaży energii elektrycznej umożliwił szybką amortyzację inwestycji i jest stałym źródłem dochodów dla miasta. Najważniejszy efekt działania - ekologiczny - to zagospodarowanie tak uciążliwego dla środowiska biogazu. 6

7 5.Wykorzystanie wiadomości o alternatywnych źródłach energii w nauczaniu: Wiedza o możliwości pozyskiwania energii w inny sposób niż z paliw kopalnych ciągle jest niewystarczająca. Zadaniem nauczycieli jest propagowanie tej wiedzy z kilku powodów: Postępującego zanieczyszczenia środowiska naturalnego i konieczności zapobiegania jego dalszej degradacji. Przyczyn ekonomicznych - niektóre sposoby produkowania energii z alternatywnych źródeł są znacznie tańsze niż tradycyjne. Rozwój omawianych sposobów produkcji energii musi następować również i dlatego, aby przyszłym pokoleniom energii nie zabrakło, bowiem zasoby paliw kopalnych są ograniczone. Proponuję wykorzystanie tej wiedzy w procesie nauczania w gimnazjum w następujący sposób: 5.1. W nauczaniu fizyki: Podstawy programowe fizyki zawierają hasło: Wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej. W tym dziale, po omówieniu zjawiska indukcji elektomagnetycznej i zasady działania prądnicy, proponuję zapoznać uczniów z różnymi sposobami produkcji energii elektrycznej, w tym z niekonwencjonalnych źródeł energii Podstawy programowe fizyki zawierają hasło: Praca i energia. Chociaż nie wszystkie programy nauczania to proponują, uważam że realizacji tego hasła nie można ograniczać do energii mechanicznej. Ze 7

8 względu na istotę zagadnienia można przeznaczyć na nie co najmniej dwie godziny lekcyjne. Wiąże się to bezpośrednio, i należy te wiadomości skorelować, z nauczaniem biologii: /Dział: Zagrożenia dla przyrody i działania człowieka zmierzające do poprawy jej stanu./ i chemii /Dział: Powietrze i jego składniki./ Realizacja ścieżki edukacyjnej: Edukacja ekologiczna Ta ścieżka programowa zawiera hasło: Zagrożenia dla środowiska wynikające z produkcji i transportu energii. Zależnie od sposobu realizacji ścieżek w szkole: - treści te można włączyć do nauczania fizyki przy działach j.w. - jeżeli w szkole ścieżki są realizowane jako oddzielny moduł, można i należy na realizację tej tematyki przeznaczyć co najmniej 3 jednostki lekcyjne. 8

9 6. Propozycje metodyczne lekcji: Lekcja 1. Temat: Wytwarzanie energii elektrycznej. Czas trwania: 45 min. 1. Cele lekcji: Operacyjne: - po zakończeniu lekcji: 2. uczeń wie: - w jaki sposób można produkować energię elektryczną w skali przemysłowej, - jak produkcja energii elektrycznej wpływa na środowisko naturalne, 3. potrafi wymienić korzyści ze stosowania biogazu do produkcji energii. Kształcący kształcenie umiejętności wnioskowania na postawie obserwacji i opisów. Metoda: słowna aktywizująca uczniów: dyskusja, burza mózgów. poglądowa pokaz. 4. Środki dydaktyczne: model prądnicy, żarówka, model turbiny gazowej. Przebieg lekcji: 1. Podanie tematu lekcji: Wytwarzanie energii elektrycznej. 2. Przypomnienie wiadomości niezbędnych do omawiania tematu: budowa i działanie prądnicy. 3. Pokaz działania prądnicy napędzanej siłą mięśni. 4. Postawienie problemu: Jak można wprawić prądnicę w ruch? 5. Pokaz działania turbiny gazowej ( i koła wodnego...) 9

10 6. Postawienie problemu: Jak wytworzyć parę do napędzania prądnicy? 7. Omówienie sposobu pozyskiwania biogazu. 8. Dyskusja produkcja energii a zanieczyszczenie środowiska. 9. Podsumowanie wiadomości. 10.Zakończenie lekcji Lekcja nr 2 i 3: Temat: Zagrożenia dla środowiska wynikające z produkcji energii. Czas trwania: 2 x 45 min. Cele operacyjne: po zakończeniu lekcji: 1. uczeń wie: 1. do czego człowiek potrzebuje energii, 2. jak produkowana jest energia, 3. jakie szkodliwe dla środowiska skutki powoduje produkcja energii, 4. jakie są alternatywne źródła energii. 2. uczeń potrafi: 5. uzasadnić konieczność stosowania i poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Plan zajęć: Lekcja 1: Częś ć Czynności ucznia 1. Dyskusja odpowiedź na pytanie naucz.: Do czego człowiek potrzebuje energii? 2. Grupy (4) zapoznają się z przygotowanymi przez nauczyciela materiałami Wypisują na plakatach wiadomości Uwagi metodyczne (forma, metoda, materiały pomocnicze) burza mózgów zapisanie na tablicy Teczki z materiałami na temat: 1.zasoby energetyczne Ziemi nieodnawialne 2.sposoby Przewidyw any czas trwania (min.) 5 20 Uwagi Na podstawie obserwacji i przeżyć uczniów Nauczyciel dzieli uczniów na grupy. Materiały przygotowan e przez nauczyciela 10

11 3. Jeden uczestnik grupy przedstawia plakat z wynikami pracy grupy produkcji energii 3. wpływ sposobów wytwarzania energii na środowisko 1. alternatywne źródła energii Papier z przygotowa nym schematem notatki Ocenapracy 4x5 N-l korzysta z propozycji uczniów Lekcja 2 Częś ć Czynności ucznia 1. Przypomina, posługując się plakatami, wiadomości z poprzedniej lekcji Uwagi metodyczne (forma, metoda, materiały pomocnicze) Przewidyw any czas trwania (min.) Ocena 5-8 Uwagi 2. Dyskutuje na temat: Czy i dlaczego człowiek powinien stosować i poszukiwać alternatywnych źródeł energii? 3. Proponuje oceny dla dyskutujących uczniów Omówienie zasad dyskusji. Kierowanie dyskusją Podsumowanie i ocena uczniów j.w. 4. Proponuje w punktach notatkę na temat zagrożeń wynikających z produkcji energii i jej alternatywnych źródeł. 5. Zapisuje zadanie domowe: Jak możesz oszczędzać Kontrolowanie poprawności zapisu Praca pisemna 2 10 W zeszytach uczniów. 11

12 energię? Opracowała: Ewa Czaja nauczycielka fizyki Publiczne Gimnazjum w Turowie Turowo Literatura: 1. Meyer Z.: Ciepłownia geotermalna w Pyrzycach. [w:]inżynieria Morska i Geotechnika, nr 1/ Myers N. i in. Ziemia. Atlas zarządzania planetą. Wyd. bis Warszawa Rozenbajgier M. i in. Program nauczania fizyki w gimnazjum. Wyd. Zamiast korepetycji Kraków Kandia A. i in. Gimnazjum.Program nauczania CHEMIA. WSiP Warszawa Lewiński W., Prokop J. Biologia z higieną iochronąśrodowiska w kl. I IIIgimnazjum.Wyd.OPERON Rumia Odzysk biogazu z wysypiska odpadów komunalnych w Grudziądzu. 12