Senast uppdaterad 20120801 37 Naturkunskap 1a1 Energi Lärarhandledning gällande sidorna 96123 C apensis Förlag AB Energi Avsnittet behandlar följande delar av det centrala innehållet: Frågor om hållbar utveckling: energi, klimat och ekosystempåverkan. Ekosystemtjänster, resursutnyttjande och ekosystemens bärkraft. Olika aspekter på hållbar utveckling, till exempel vad gäller konsumtion, resursfördelning, mänskliga rättigheter och jämställdhet. De delar av det centrala innehållet som handlar om naturvetenskapliga arbetsmetoder och förhållningssätt tas inte upp i något speciellt avsnitt i kapitlet Energi. De naturvetenskapliga resonemangen återfinns i de beskrivningar av olika modeller och experiment som finns i läromedlet. De laborativa momenten är också viktiga för att ge elever praktisk erfarenhet av experimentellt arbete. Förslag på laborationer: Energiformer och energiomvandlingar Fördjupningsuppgifter, se bilaga
38 2.1. Energifakta och energiformer: Sid 9798 Att förstå begreppet energi och energins grundläggande egenskaper Att känna till de olika formerna av energi Termodynamik, entropi, absolut nollpunkt, elektrisk ström, elektromagnetisk strålning, foton, lägesenergi, rörelseenergi, kärnenergi Elektromagnetisk strålning Instuderingsfrågor: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Diskussionsuppgifter: 1, 2 UV 60 400 nm Synligt ljus 400 700 nm IR Infraröd 700 nm 1 mm Gamma Röntgen Mikrovågor Radiovågor 1 pm 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 1 km 1000 km Våglängd logaritmisk skala
2.2. Energiomvandlingar och energikällor: Sid 99101 Att känna till hur energiformerna kan omvandlas till varandra Att förstå begreppen verkningsgrad och energikvalitet Att förstå principen för produktion av elektricitet i kraftverk Att känna till de viktigaste energikällorna och förstå världens beroende av fossila bränslen Att förstå begreppet förnybar energi och veta vilka energikällor som räknas dit Senast uppdaterad 20120801 39 Verkningsgrad, generator, turbin, energikvalitet, förnybar energi, fjärrvärme Energiomvandlingar i en låga Principen för en generator TWh/år Energikällor under 200 år Energikällor under 200 år 120 000 Olja och transporter Instuderingsfrågor: 10, 11, 12, 13, 14 Diskussionsuppgifter: 3 100 000 80 000 60 000 40 000 20 000 7 6 5 4 3 2 1 Förnybara energikällor förutom vattenkraft och biomassa Kärnkraft Vattenkraft Naturgas Olja Kol Biomassa 7 6 5 4 3 2 1 År 1800 1850 1900 1950 2000 Energiomvandlingar i en låga Turbin Generator Elektricitet Värmeenergi Värmeenergi Strålningsenergi Kemiskt bunden energi
40 2.3. Fossila bränslen, försurning: Sid 102105 Att inse vikten av att ställa om till andra energikällor än olja Att känna till sambandet mellan fossila bränslen och försurning av sjöar och vattendrag Att känna till hur försurning av mark påverkar produktionsförmågan Peak oil, salpetersyra, försurning, surstöt Bilen, var mans egendom Oljeskadad fågel Oljepris och produktion 19992011 Peak oil i Storbritannien Nya oljekällor per decennium Marken byter joner Smältvatten är surt Olika arters känslighet för ph Instuderingsfrågor: 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 Diskussionsuppgifter: 4, 8 Vinter Vår Sommar Höst ph Surstöt Flöde m 3 /s Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Vinter, 20 C Vår, +6 C Sommar, +22 C K + Surt vatten kommer från markytan. H + Ca ² + Al ³+ Ca ²+ Ca ²+ K + Mg ²+ K + Mg²+ Ca ²+ K + Na + Na + Mg² + Mg² + Ca² + Al ³+ K + Joner förs längre ned i marken eller ut i sjöar och vattendrag. Sötvattensmärla Bäckbräsma Kräftor Snäckor Mört Öring Gädda och Abborre Ål Vitmossa ph 6 5 4 miljarder fat 500 400 300 Nya oljekällor per decennium dollar/fat 160 140 120 100 80 Oljepris och produktion 19992011 Oljepris och produktion 20052011 200 100 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 60 40 20 0 Oljepris och produktion 19992005 Produktion av råolja, miljoner fat per dag 64 66 68 62 70 72 74 76 Källa:Nature 481,433 435 (26 January 2012) miljoner fat/dag 1 Peak Oil, Egypten Oljeproduktion miljoner fat/dag 3 2 Peak Oil i Storbritannien Egen konsumtion Oljeproduktion 0,5 egen konsumtion 1 0 Export 0 Export 1970 1980 1990 2000 2010 1 2 Import 1981 2005 Import 1970 1980 1990 2000 2010
2.4. Klimatförändringar: Sid 106109 Att känna till orsakerna bakom den globala uppvärmningen Att förstå hur allvarliga konsekvenserna kan bli av att klimatet förändras snabbt Att kunna ge exempel på följder, både i Sverige och i andra delar av världen Senast uppdaterad 20120801 41 Växthuseffekt, växthusgaser, reflektion, klimatflykting, vegetationsperiod Jordens strålningsbalans Global uppvärmning Växthusgaser ökar i atmosfären CO2 (ppm) Atmosfärens koldioxidhalt ökar 390 Metanproduktion pågår 380 Skåne försvinner? 370 Fästingar ökar Instuderingsfrågor: 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 Diskussionsuppgifter: 5, 6, 7 360 350 340 330 320 310 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Avvikelse från medeltemperaturen 19511980 +0,8 +0,6 +0,4 Medeltemperatur 19511980 +0,2 Instrålning 100 % Kortvågig strålning Reflektion 31 % Långvågig värmestrålning Utstrålning 69 % Koldioxid, CO 2 Halter av växthusgaser (ppm) År 1750 2012 280 393 ±0 0,2 0,4 0,6 1900 1950 2000 Uppvärmning av atmosfären Uppvärmning av jordyta och lägre luftlager Metan, CH 4 Dikväveoxid (lustgas), N 2 O 0,7 1,75 0,27 0,315
42 2.5. Kärnkraft: Sid 110113 Att känna till principen för hur kärnkraft används som energikälla Att kunna resonera om fördelar och nackdelar med kärnkraft Att känna till allvarliga olyckor som har skett i kärnkraftverk Att förstå svårigheter med att använda fusion för energiutvinning Fission, fusion, reaktor, bränslestav, styrstav, högaktivt avfall, plasma Nedlagt kärnkraftverk Fission av uran Kokvattenreaktor Uranbrytning i Sverige Olyckor i kärnkraftverk Fusion i solen Instuderingsfrågor: Diskussionsuppgifter: 7 6 5 4 3 2 1 0 Stor olycka INESskalan Tjernobyl 1986, Fukushima 2011 Allvarlig olycka Olycka med risk för omgivningen Harrisburg 1979 Olycka utan betydande risk för omgivningen Allvarlig händelse Händelse Forsmark 25 juli 2006 Avvikelse Mindre avvikelse från normal drift International Nuclear Event Scale (INES) har utvecklats av IAEA som är FN:s internationella atomenergiorgan. 9²Kr Kokande vatten Kokvattenreaktor Ångturbin Energi ²³5U Generator Bränslestavar Styrstavar Kondensor Kylvatten ¹4¹Ba 4H He + Energi
Senast uppdaterad 20120801 2.6. Förnybara energikällor, solenergi: Sid 114115 Att känna till vilka energikällor som räknas till de förnybara Att förstå hur solens energi indirekt ger energi för bioenergi, vindkraft och vattenkraft Att känna till de sätt som finns för direkt utnyttjande av solenergi för produktion av värme eller elektricitet 43 Geotermisk energi, solfångare, solkraftverk, fotoelektrisk effekt, solceller Solvärmeanläggning Elektrisk energi från solcell Instuderingsfrågor: Diskussionsuppgifter: 9 Ljus Solcell Skydd, glas eller plast e nskikt e pskikt e
44 2.7. Vattenkraft, vindkraft, geotermisk energi och biobränslen: Sid 116118 Att känna till principerna för hur de förnybara energikällorna används Att kunna resonera om fördelar och nackdelar med olika förnybara energikällor Att förstå principen för en värmeväxlare Vattenkvarn, varma källor, värmepump, pellets Ovanför dammen i Trängslet Vindkraften ökar Varma källor, Azorerna I en värmepump koncentreras energin Torv, ett biobränsle? Vedeldning förr och nu Instuderingsfrågor: Diskussionsuppgifter: TWh 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,63 (siffror från energimyndigheten) 0,86 0,94 Vindkraftproduktion i Sverige 0,99 1,43 2,00 2,49 3,50 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 6,10 2011 Expansionsventiler 10 C 5 C 0 C 15 C 1 C 2 C Kallt vatten 1 C 3 C 4 C 5 C 5 C Kompressor 5 C Kompressor Kompressor 15 C 45 C 60 C 60 C Värmeväxlare Varmt vatten
Senast uppdaterad 20120801 2.8. Framtidens energiförsörjning: Sid 119121 Att känna till olika exempel på hur biobränslen kan användas som drivmedel för fordon Att kunna resonera om vilka av de förnybara energikällorna vi har goda möjligheter att använda i Sverige och vilka som kan öka i framtiden Att kunna resonera om fördelar och nackdelar med olika alternativ för transporter Att ha kunskap om på vilka sätt energiförsörjningen i Sverige är mindre beroende av fossila bränslen än i många andra länder Att kunna ge exempel på hur vi kan minska energiförbrukningen Biogas, fordonsgas, biodiesel, E85, bränslecell, hybridbil, elektrolys Energiskog (energibuskage) Värme för kråkor Vätgas som bilbränsle Små elbilar passar i stadstrafik Instuderingsfrågor: 30, 31, 32 Diskussionsuppgifter: 10 45 Vatten H2O Elektrolys ger vätgas och syrgas El från solceller ger vätgas för bränsleceller Vätgas H2 Vatten H2O Syrgas O2 Bil med bränslecell och elmotor Vätgas H2 Bränslecell elmotor, lampa etc. e e e e e H+ Syrgas O2 Vatten bildas när vätejoner sammanfogas med elektroner och syre. H+ Vatten PEM H2O PEM (Polymer Electrolyte Membrane) Positivt laddade vätejoner kan passera genom elektrolyten.
46