Fysik för C & D 2013/2014 Projekt Projektarbeten på kursen i Fysik för C & D Målsättning: Projekten syftar till teoretisk- och i vissa fall experimentell fördjupning inom områdena termodynamik, klimatfysik och förbränning, med en tydlig koppling till hållbar utveckling. Projekten ger övning i att söka och tillgodogöra sig information från olika källor, bl.a. vetenskapliga artiklar, samt i skriftlig och muntlig framställning. Litteratur: Varierar från projekt till projekt. Generellt: Läroboken i termodynamik (G. Jönsson, Fysik i vätskor och gaser, Teach Support, 2010), föreläsningsanteckningar, utdelat material samt vetenskapliga artiklar. Allmän information om projektens utformning, bedömningskriterier, skriv- och presentationstips finns i separat dokument som kan laddas ned från kursens hemsida (http://www.forbrf.lth.se/utbildning/delade_kurser/fysik_foer_c_d/). Fyra studenter ska ingå i varje projektgrupp. 1
Projektförslag Fysik för C & D 2013/2014 Projekt Projekt inriktade mot klimatfysik 1. Jordens energibalans Jordens energibalans belyses med hjälp av litteraturstudier och modellering. Vilka är de viktigaste faktorerna som styr jordens klimat? Hur påverkas jordens medeltemperatur vid förändring av dessa? Hur påverkar naturliga variationer och mänsklig aktivitet? Mentor: Emilie Hermansson 2. Vatten i atmosfären och påverkan på klimatet Vatten är en viktig komponent i atmosfären som bl a påverkar jodens klimat. Vilka effekter har vatten (i alla tre faser) på klimatet? Varför diskuteras inte vattenånga som växthusgas i någon större omfattning? Vilka faktorer påverkar koncentrationen av vattenånga i atmosfären? Mentor: Axel Eriksson 3. Moln och klimat Moln i atmosfären spelar en viktig roll i många sammanhang, bl a för klimatet. Hur påverkar moln klimatet? Varför är osäkerheterna stora vid kvantitativa uppskattningar av molns klimateffekt? Hur bildas moln? Hur påverkar aerosolpartiklar molnbildningen? Mentor: Moa Sporre 4. Växthusgaser källor och sänkor Växthusgaser spelar en viktig roll för jordens klimat genom att naturliga förekomster höjer jordens medeltemperatur med 33 o C. Vilka är de viktigaste växthusgaserna? Vilka är de naturliga källorna? Hur har koncentrationen av växthusgaser förändrats i ett perspektiv på hundratusentals år? Hur påverkar vi människor koncentrationen av växthusgaser? På vilka sätt försvinner växthusgaser från atmosfären? Hur länge stannar de i atmosfären? Vilka är kostnaderna för att åtgärda resp. att inte åtgärda förhöjda koncentrationer av växthusgaser? Mentor: Johan Friberg 5. Geoingenjörskonst för att möta klimathotet Ökande koncentrationer av växthusgaser förväntas ge alltmer påtagliga effekter på jordens klimat i framtiden. Kommer vi att tillräckligt snabbt kunna minska utsläppen av växthusgaser? Kan ingenjörsmässiga lösningar användas för att minska koncentrationen av växthusgaser eller blockera solstrålning på väg in mot jorden och på så sätt reglera klimatet? Vilka metoder är tänkbara? Vilka är riskerna? Mentor: Sandra Andersson Har du frågor om projekten inom klimatfysik? Mejla eller ring Bengt Martinsson: bengt.martinsson@nuclear.lu.se, 046-222 79 89. 2
Projekt inriktade mot termodynamik Fysik för C & D 2013/2014 Projekt 1-3. Värmepump för husuppvärmning Undersökning av olika typer av värmepumpsystem. Jämförelse med koldioxidutsläpp från vanlig värmepanna och direktverkande el. Jämförelse mellan olika system. Undersök och värdera produkter på marknaden 4. Växthusgaser Vilka gaser i atmosfären är växthusgaser och varför? Teori: Molekylers olika energiformer och absorption av strålning. Litteraturstudium av växthuseffekten generellt. 5. Kombination av solfångare och värmelager Teoretiskt studium av solfångare och beräkning av deras effektivitet. Kombination med värmelager. Teori: svartkroppsstrålning och selektiva filter Beräkning av värmelager Användande av väderdata 6. Elenergi från solen 1 Genom att använda solceller kan energin i solstrålning omvandlas till elektrisk energi. Teori: Hur fungerar en solcell. Ta reda på hur de anläggningar som finns fungerar. 7, 8 Elenergi från solen 2 Genom att låta solenergi värma en Stirlingmotor eller en ånggenerator och denna i sin tur driver en elgenerator kan man omvandla solenergi till elektrisk energi. Teori: Absorption med hjälp av selektiva filter. Var skulle en sådan anläggning lämpligen placeras? Beskrivning av fungerande anläggning 9. Hybridbilen Analys av energianvändning i en hybridbil. Samverkan mellan en dieselmotor, elmotor/generator, batterier och kondensatorer Teori: optimering av energiflöden Koldioxidutsläpp, jämförelse med olika framdrivningssätt 10, 11 Elbilen och elbussar Ett fordon som drivs av lagrad elenergi. Analys av hela systemet elproduktion, distribution och lagring av elenergi i bilen samt miljökonsekvenser. Teori: elmotorer och batterier Undersökning av nuvarande marknad och framtidsutsikter 3
Fysik för C & D 2013/2014 Projekt 12, 13 Lagring av energi För att kunna utnyttja elektrisk energi som genererats från t ex solen är det viktigt att kunna lagra energi. Mekanisk lagring, vattenmagasin eller svänghjul Tillämpningar i drift och på planeringsstadiet Har du frågor om projekten inom termodynamik? Mejla eller ring Gunnar Ohlén: gunnar.ohlen@matfys.lth.se, 046 222 90 82 4
Projekt inriktade mot förbränning Fysik för C & D 2013/2014 Projekt Bränslen Hur löser mänskligheten det globala energibehovet på ett hållbart sätt i framtiden? Det behövs intensiv forskning och utveckling inom detta område, samtidigt som nuvarande system måste effektiviseras och göras mer miljövänliga. Det moderna samhället är uppbyggt kring användning av fossilbränslen. Detta är en ändlig resurs, och med tiden kommer reserverna att bli av sämre kvalitet och dyrare att utvinna. Vilket är framtidens bränsle: etanol, metanol, vätgas, eller något annat? 1. Omställning till biobränslen Omställningen från fossilbränslen till biobränslen är viktig för mänskligheten. Vilka drivkrafter finns? På vilken tidsskala måste det ske? Vilka möjligheter och problem finns i denna omställningsprocess? Mentor: Sven-Inge Möller 2. Biobränslen Etanol har slagit igenom som miljövänligt bränsle. Är det ett miljövänligt bränsle? Vilka möjligheter och problem finns med etanol? Finns det andra biobränslen, t.ex. metanol, som är bättre alternativ? Mentor: Sven-Inge Möller 3. Vätgasförbränning Vätgas är på de flesta håll i världen inte en naturresurs och kan därför inte ses som energikälla, men väl som energibärare. På Island är vätgas en naturresurs som kan tas upp ur berggrunden på vissa ställen. Förklara skillnaden mellan begreppen energikälla och energibärare! Vilka miljöbelastningar kan tänkas uppstå som resultat av att vätgas används som energibärare? Kan förbränningsprocessen i sig leda till påverkan på lokalt och/eller globalt klimat? Finns det några aspekter i miljöpåverkan som skiljer sig då vätgasen finns som naturresurs och därmed inte behöver tillverkas? Identifiera användningsområden där vätgasförbränning (bränsleceller) kan tänkas vara en bra teknik, med avseende på både energianvändning och miljöpåverkan. Mentor: Elna Heimdal Nilsson Fordon Även om bensin- och diselmotorer i sina grundkonstruktioner har varit relativt oförändrade sen mer än 100 år, har motorutvecklingen varit intensiv de senaste decennierna, mycket tack vare förbättrade experimentella metoder och teoretiska modeller som resulterat i förbättrad kunskap om bl.a. strömning och förbränningskemi. Strängare lagstiftning gällande utsläpp har lett till både renare avgaser och effektivare motorer. 4. Dieselmotor kontra bensinmotor Är en dieselmotor eller en bensinmotor att föredra? Jämför dem ur olika aspekter såsom energieffektivitet och klimatpåverkan. Mentor: Christian Brackmann 5. Alternativa motorkoncept Det finns alternativa motorkoncept, t.ex. HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) eller PPC (Partially Premixed Combustion), som är baserade både på bensin- 5
Fysik för C & D 2013/2014 Projekt och dieselmotorn. Hur fungerar sådana motorer? Vilka för- och nackdelar har dessa motorkoncept? Mentor: Christian Brackmann Utsläpp Förbränningsprocesser står idag för minst 85% världens energibehov. Även om den procentuella andelen beräknas minska kraftigt så kommer den globala användningen av förbränningsprocesser att öka under flera decennier framöver. En dominerande produkt vid förbränning av kolväteföreningar är koldioxid (CO 2 ). Koldioxid är en växthusgas, dvs en gas som påverkar växthuseffekten. 6. Koldioxidavskiljning och lagring Ett möjligt sätt att hantera de fossila bränslenas koldioxidutsläpp är att samla in gasen och återföra den till berggrunden. Användandet av denna teknik är av intresse för producenter av fossila bränslen och det har därför lagts stora resurser de senaste åren på forskning och storskaliga försök. De tekniska utmaningarna rör bland annat att samla in och koncentrera gasen, transportera den till lagringsplatsen, samt själva processen att återföra den till berggrunden. Hur fungerar de här processerna? Kan CCS göras energieffektivt och miljövänligt? Vilka problem finns? Mentor: Elna Heimdal Nilsson Har du frågor om projekten inom förbränning? Mejla eller ring Christian Brackmann: christian.brackmann@forbrf.lth.se, 046-222 49 62. 6