Kokeellisia töitä uusiutuvien energianlähteiden opetukseen

Transkriptio

1 Terhi Ahonen ja Pirkko Kärnä: Uusiutuvat energialähteet työohjeita 1 Kokeellisia töitä uusiutuvien energianlähteiden opetukseen Kokosimme tanskalaisista ohjeista työohjeita, jotka kuvaavat perusilmiöitä uusiutuvista energialähteistä: biokaasun valmistus, aurinkouuni, vesimylly ja fotosynteesi. Viimeksi mainittu luonnon perusreaktio on hyvä lähtökohtailmiö ja antaa aihetta pohdintaan. Lisäsimme ohjeisiin veden elektrolyysin, joka löytyy myös vanhoista suomalaisista oppikirjoista. Käytännön valmisteluissa esim. vesimyllyn kohdalla on hyvä tehdä yhteistyötä teknisten töiden kanssa. Oppilaat tietysti osallistuvat tutkimusten valmisteluun. Uusiutuvia energialähteitä on ollut vaikea havainnollistaa koulussa kokonaisvaltaisesti. Olimme ilahtuneita uusista näkökulmista, joita saimme ohjeista. Ilmiöt kuuluvat sekä fysiikkaan että kemiaan. Koulussamme on uusi ympäristökurssi, jossa käsittelemme asiaa. Tulokset näkyvät myöhemmin. Alkuperäiset työohjeet löytyvät osoitteesta: Kysymyksiä oppilaille energiankäytöstä Mitä uusiutuvia energialähteitä Suomessa käytetään ja miten suuressa mittakaavassa? Mitä päästöjä niistä aiheutuu? Mitä hyviä ja huonoja puolia uusiutuvien energialähteiden käytöstä on meille? Pystytäänkö niillä täyttämään kasvavan teollisuuden lisääntyvä energian tarve vai sopivatko ne paremmin pienimuotoiseen paikalliseen energian tuotantoon? Mihin ihminen tarvitsee energiaa? Voinko vähentää energiankäyttöäni? Tutkimuksia 1. Kasvit tuottavat happea Opettajalle: Tämä on yksinkertainen ja havainnollinen työ fotosynteesin opettamiseen. Työn yhteydessä kannattaa oppilaiden kanssa keskustella yhteyttämisen merkityksestä elämän ylläpitäjänä ja siitä, miten tiedemiesten suuri haave on ollut fotosynteesin keksimisestä asti keinotekoinen kemiallinen prosessi, jossa Auringon valoa energialähteenä käyttäen voitaisiin vettä hajottaa vedyksi ja hapeksi. Työssä nähdään selkeästi, miten kasvi yhteyttäessään valmistaa vedestä ja hiilidioksidista happea. Koeputki Suodatinsuppilo Akvaariokasvi Lamppu tai auringon valoa Hehkuva puutikku Rakenna laitteisto ja laita keitinlasiin vettä. Aseta lasin pohjalle vesikasvi suodatinsuppilon alle. Suppilon päälle kiinnitetään vedellä täytetty koeputki, johon kasvin tuottamaa happea alkaa muodostua. Huolehdi, että koeputki on täynnä vettä, ettei siellä on jäljellä enää ilmaa. Aseta laitteisto kirkkaaseen valoon. Reaktio saattaa kestää useita viikkoja. Veden pinta laskee koeputkesta, kun sinne muodostuu happea. Voit osoittaa muodostuneen hapen viemällä hehkuvan puutikun koeputkeen.

2 Terhi Ahonen ja Pirkko Kärnä: Uusiutuvat energialähteet työohjeita 2 Mistä kasvi saa tarvitsemansa hiilidioksidin? Mitä tapahtuisi, jos kasvi ei saisi valoa? Miksi on tärkeää, että suuria metsiä ja sademetsiä ei kaadeta? 2. Kasvit muuttavat hiilidioksidia Opettajalle: Tämä työ havainnollistaa sitä, miten kasvit käyttävät yhteyttämisreaktiossa hiilidioksidia. Työn yhteydessä kannattaa pohtia oppilaiden kanssa sitä, miksi yksi koeputki ei sisällä kasvia ja miksi yksi koeputki peitetään alumiinifoliolla. Kolme koeputkea Kolme koeputken korkkia Kaksi vesikasvia Indikaattoria (esim. bromitymolisininen) Alumiinifolio Lamppu tai auringon valoa Lisää keitinlasiin hieman vettä ja indikaattoria. Puhalla varovasti pillillä hiilidioksidia veteen niin, että indikaattorin väri muuttuu. Varo imemästä liuosta. Siirrä vesi koeputkiin. Laita kahteen koeputkeen akvaariokasvi. Peitä toinen akvaariokasvin sisältämä koeputki huolellisesti alumiinifoliolla. Laita korkki jokaisen koeputken päälle. Aseta koeputket aurinkoon tai kirkkaan lampun alle. Katso, mitä tapahtuu. Reaktio kestää n. tunnin. Kirjoita havaintosi vihkoon. Pohdi myös syitä, miksi näin tapahtui. Miten ruoho kasvaa, jos ilmassa on paljon hiilidioksidia? Mitä tapahtuisi, jos keskilämpötila Maapallolla nousisi 2 o C? Mitä kasvit valmistavat hiilidioksidista? Olisiko hyvä asia, jos ilmassa olisi 30-40% happea nykyisen 20% sijaan? 3. Biokaasu Opettajalle: Tässä työssä valmistetaan oma biovoimalaitos. Työ kestää useita viikkoja. Kokeen avulla kuitenkin nähdään selvästi, miten jätteestä voidaan valmistaa polttoainetta. Työn yhteydessä kannattaa puhua oppilaille erilaisista biopolttoaineista ja jätteiden merkityksestä niiden valmistamiseksi. Orgaanista biojätettä Kanankakkaa (lannoitetta) Suuri muovikanisteri (10-25l) Korkki kanisteriin Kumiputkea ja klipsi (jolla voit sulkea putken) Ohutta lasiputkea Suuri keitinlasi Ruisku (50-100ml) Eristemateriaalia (esim. styroksia) Tee kanisterin korkkiin reikä ja aseta siihen kumiletku. Tiivistä reikä esim. liimalla niin että se on varmasti tiivis. Laita biojäte ja kanankakka kanisteriin ja sekoita hyvin. Sulje kanisteri korkilla ja päällystä se eristemateriaalilla. Varmista, että kanisteri on suljettu tiiviisti! Sulje klipsillä (tai esim. solmulla) korkista lähtevä letku!

3 Terhi Ahonen ja Pirkko Kärnä: Uusiutuvat energialähteet työohjeita 3 Muutaman päivän kuluttua on päästettävä kanisterissa oleva ylimääräinen ilma ulos. Avaa klipsi ja anna ilman tulla ulos. Anna ilman tulla kanisterista kunnes se alkaa haista. Pilaantuneelle tuoksahtava kaasu on luonnonkaasua. Sulje klipsi, kun haistat luonnonkaasun. Anna seoksen muhia vielä muutaman viikon ajan. Kokoa muu laitteisto valmiiksi. Täytä suuri keitinlasi vedellä. Laita ruiskun päähän kumiletku, josta lähtee ohut lasiputki. Sulje letku klipsillä ja täytä sen jälkeen ruisku vedellä. Kiinnitä ruisku statiiviin siten, että ruiskun alaosa on keitinlasissa, varo, ettei vesi pääse karkaamaan ruiskusta. Aseta kanisterista tuleva kumiletku ruiskun sisään. Avaa klipsit kanisterin letkusta ja ruiskusta lähtevästä letkusta. Vie palava tulitikku ruiskusta lähtevän lasiputken suulle. Katso mitä tapahtuu! Arvioi, kuinka paljon tarvittaisiin biokaasua lämmittämään kokonainen talo. Arvioi, kuinka paljon orgaanista jätettä yksi perhe tuottaa viikossa tai vuodessa. Kuinka paljon jätettä tarvitsisit, että voisit olla omavarainen bioenergian käyttäjä? Mitä tapahtuu biojätteelle, jos se viedään kaatopaikalle? Mitä tapahtuu jätevedenpuhdistamolla olevalle orgaaniselle jätteelle? Mitä muita laitteita tarvitsisit, jos sinulla olisi oma biokaasulla toimiva energiavoimala kotonasi? 4. Veden hajottaminen sähkön avulla vedyksi ja hapeksi Opettajalle: Tämä työ on perinteinen veden elektrolyysi, jossa sähkövirran avulla hajotetaan vedestä vetyä ja happea. Oppilaille voi kertoa, miten auringon energiaa voitaisiin käyttää sähköntuotantoon aurinkopaneelien avulla, jolloin vesi voitaisiin hajottaa auringon avulla. Tasavirtalähde 2 johdinta 2 koukun muotoista elektrodia 2 koeputkea Tulitikut Suolaa Täytä keitinlasi vedellä, laita hiukan suolaa veden sekaan. Täytä myös pienet koeputket vedellä. Laita elektrodit keitinlasiin ja koeputket alassuin elektrodien päälle. Katso, että ne ovat täynnä vettä. Kytke toinen elektrodi virtalähteen miinus- napaan ja toinen plus-napaan. Kytke tasavirta päälle. Tarkkaile kaasun muodostumista elektrodeilla. Kun koeputket ovat täyttyneet kaasulla puoleen väliin saakka, ota putket pois (ja loput vedet), tutki palavan tulitikun avulla, kummassa koeputkessa on vetyä. Kummalla elektrodilla muodostuu vetyä? Miten tunnistat vedyn? Miten tunnistat hapen? Miten vetyä ja happea voidaan käyttää hyödyksi? 5. Aurinkouuni Kartonkilaatikko nostettavalla kannella (esim. tyhjä suklaarasia)

4 Terhi Ahonen ja Pirkko Kärnä: Uusiutuvat energialähteet työohjeita 4 Alumiinifoliota Kirkasta muovikalvoa Lankaa Teippiä Lämpömittari Astia, joka mahtuu hyvin laatikkoon Päällystä laatikko ja laatikon kannen sisäpinta alumiinifoliolla. Aseta laatikkoon astia ja lämpömittari. Voit laittaa astiaan esimerkiksi kananmunaa tai vettä kokeillaksesi, miten aurinkouuni toimii. Peitä laatikko kirkkaalla kalvolla. Viritä lanka kannen ulkopuolelle teipillä siten, että kansi pysyy hieman avonaisena. Voit laittaa laatikon jonkun alustan päälle, johon teippaat pingotetun langan kiinni. Aseta systeemisi aurinkoon siten, että avonainen kansi kerää auringonsäteet laatikkoon sisälle. Katso, miten korkealle voi lämpötila laatikossa nousta. Miten paljon aurinkouuni tulisi maksamaan? Millaiset ovat uunin käyttökustannukset jos valmistaisit perheellesi aterian aurinkouunilla? Miksi laatikko suljettiin kirkkaalla muovikalvolla? Millaisia ongelmia voisi tulla, jos kotona ei olisi muuta kuin aurinkouuni? 6. Lämpöä Auringosta Kuinka aurinkovesilämmitin toimii? 2 arkkia alumiinipaperia Mustaa maalia ja pensseli 2 Lämpömittaria Kello (Teippiä 2 muovitaskua) Leikkaa alumiiniarkit esim. kokoon 20 cm x 20 cm. Maalaa toinen arkki mustaksi. Aseta arkit aurinkoon ja lämpömittarit niiden päälle. Mittaa lämpötilat puolen minuutin välein. Piirrä lämpötiloista kuvaaja. Selitä tulos. Vaihtoehto. Kiinnitä alumiinipapereiden taakse muovipussit esim. muovitaskut teipillä. Lisää muovipussiin 100 ml vettä. Aseta arkit pystyyn aurinkoon ja laita lämpömittarit veteen arkkien taakse. Kuinka tulokset muuttuisivat, jos käyttäisit sokeri- tai suolavettä tavallisen raanaveden sijasta? Miten tulokset muuttuisivat, jos käyttäisit 200 ml vettä? Mitä vaikutuksia on, jos laitat veteen 100g alumiini- tai rautapunnuksen? Kuinka Auringon lämpöä voidaan hyödyntää tässä laitteessa?

5 Terhi Ahonen ja Pirkko Kärnä: Uusiutuvat energialähteet työohjeita 5 7. Sähköä Auringosta Aurinkokenno Virtamittari Taskulamppu 2 johdinta Kytke Aurinkokenno herkkään virtamittariin. Valaise aurinkokennoa taskulampulla. Mitä huomaat? Pohdintaa: Mitä energiamuutoksia tapahtuu Aurinkokennossa? Missä Aurinkokennoa voidaan käyttää? Pohdi Aurinkokennon elinkaarta: 8. Sähköä vesimyllyn avulla Polkupyörän dynamo Roottori esim. muovista Polttimo Valmista roottori, vesimylly. Kiinnitä se polkupyörän dynamoon. Liitä polttimo dynamoon. Laita roottori pyörimään vesihanan alle. Voit liittää polttimon tai virtamittarin vesimyllyysi. Voit myös mallintaa veden liike-energiaa laittamalla polkupyörän viiri tai muu roottori juoksevan vesihanan alle. Miten tuulivoimalassa saadaan sähköä? Mitä energiamuutoksia tuulivoimalassa tapahtuu? Miten dynamo toimii? Miten generaattori toimii? Mitä energiaa generaattori tarvitsee sähkön tuottamiseen? Miten tuulimylly toimii?