Kokeellisia ja havainnollisia menetelmiä uusiutuvien

energialähteiden opetukseenTerhi Ahonen ja Pirkko Kärnä

Peltolan koulu, Vantaa

Ympäristökurssin sisältö

• Aineiden ominaisuuksia kertaus; olomuodot, alkuaineet, seokset, vaaralliset aineet, puhtaat aineet, yhdisteet, metallit.

• Tiheys • Muuttuja, Fotosynteesi• Ilman ominaisuuksia, Ilman laatu, Otsoni,

Kasvihuoneilmiö, Palaminen• Veden ominaisuudet, veden puhdistus

happamoituminen, raskasmetallit • Tuotteiden elinkaari, kierrätys• Radioaktiivisuus• Lämpö, Energialähteet, Energiamuunnokset

Opetuksen tavoitteet

• Kokonaisvaltainen tieto

• Asenteiden ja arvojen tunnistaminen ja muokkaaminen kestävän kehityksen periaatteiden pohjalta

• Vastuu ympäristöstä

• Oma osallisuus ja vaikutusmahdollisuudet

UUSIUTUVAT ENERGIANLÄHTEET

• Uusiutuviin luonnonvaroihin lasketaan energianlähteet, jotka hyödyntävät jatkuvasti uusiutuvia luonnonvaroja kuten auringonpaistetta, tuulta, virtaavaa vettä, maalämpöä tai esimerkiksi puuta.

• Useimmat uusiutuvat luonnonvarat saavat alkuperäisen energiansa Auringosta.

Auringon energia

• Yhteyttäminen eli fotosynteesi on biokemiallinen prosessi, jossa kasvit tuottavat hiilidioksidista ja vedestä Auringon säteilyenergian avulla happea sekä glukoosia.

• Yhteyttämisessä Auringon energia muuttuu kemialliseksi energiaksi.

• Auringosta tulee säteilyenergiaa päivässä 1,5* 1022 J (15000 kertainen ihmisten vuodessa kuluttamaan energiaan verrattuna)

Uusiutuvia energialähteitä käyttävät voimalaitokset

• Aurinkovoimala– hyötysuhde 10-20%

• Tuulivoimala– hyötysuhde 30 %

• Vesivoimala– hyötysuhde 90%

Muita uusiutuvia energialähteitä

• Maalämpö

• Biomassa (puu, hakkuu ym. jäte)

- tuottaa metaania, jota voidaan polttaa

• Turve

• Vety

• Rypsi

• Biojäte

Biodiesel

• Saksalainen Christian Koch on keksinyt biodieselin valmistustavan jätteistä: mm. muoveista, kumista, jäteöljystä, bitumista, maatalousjätteistä ja eläinten jätöksistä.

• Tuotanto on 500 l/h, tuotantokustannukset ovat 0,23 e/l, myyntihinta olisi 1 e/l ( HS 18.10-06)

• Juha Solio valmistaa Elimäellä biodieseliä rypsiöljystä valmistamallaan biodiesel-laitteistolla.

• Suomessa biodieseliä valmistetaan n. 50 t/a.

Bioetanolin valmistus

• Bioetanolia valmistetaan hiivan avulla selluloosasta, kasvijätteestä, yhdyskuntajätteestä. (VTT Suomi, tutkimus)

• Etanolia valmistetaan peltokasveista, esim. ohra ja sokerijuurikas, jolloin lannoitteiden tuotannossa on jouduttu käyttämään fossiilisia polttoaineita.

• Etanolia voidaan valmistaa myös puuaineksesta, jolloin syntyy vain vähän hiilidioksidipäästöjä.

Vedyn tuotantotapoja

• Aurinkopaneelin avulla tuotetun sähkön avulla hajotetaan vettä. ( Yhdysvallat, huoltoasema)

• Vedestä tuotetaan vetyä mikrobien avulla ( Britannia, Oxfordin yliopisto, tutkimus)

• Maakaasusta tehdään vetyä reformoimalla

Miksi uusiutuvia energialähteitä tulee käyttää?

• Ilmastonmuutos: – kasvihuoneilmiö, tarkoittaa ilmaston

lämpenemistä.

• Fossiilisten polttoaineiden (öljy, kivihiili, maakaasu) käyttö lisää hiilidioksidipitoisuutta ilmassa.

MAAILMAN KASVIHUONEPÄÄSTÖT

Miljoonaa ekvivalenttia CO2-tonnia

05000

100001500020000250003000035000400004500050000

2000 2010 2020 2030

Muu maailma

Aasia

Etelä-Amerikka

USA

EU-25

Lähde: EU:n komissio

7

Uusiutuvien energialähteiden käytön haittoja

• Puun poltossa syntyy hiilidioksidin lisäksi muita epäpuhtauksia.

• Turpeen poltossa ilmaan pääsee raskasmetalleja ja myös hiilidioksidia ja turpeen korjaaminen likaa vesistöjä.

• Vesi – ja tuulivoimalan rakentaminen muuttaa maisemaa.

• Tuuli- ja aurinkovoimalan rakentamiseen tarvitaan paljon energiaa.

• Biodiesel tuottaa ilmaan enemmän typpidioksidipäästöjä. ( 3-10%), kiinteytyy pakkasella, liuottaa tiivisteitä ja letkuja.

• Biopolttoaineiden tuottaminen on 30%- 100% kalliimpaa kuin fossiilisten polttoaineiden.

Uusiutuvien energialähteiden etuja

• Vesi-tuuli ja aurinkovoimala ei tuota ilmaan epäpuhtauksia. Ne ovat kotimaisia.

• Biomassa on kotimainen energialähde. Biomassa ei lisää hiilidioksidin määrää ilmassa, koska biomassaa tuottavat kasvit sitovat saman määrän hiilidioksidia kuin biomassan palamisesta syntyy.

• Lämpöpumppu, jonka avulla omakotitalo lämpenee maalämmöllä säästää 60 % sähköä.

• Biodiesel ei tuota ilmaan rikkidioksidipäästöjä, tuottaa vähemmän hiilidioksidia, PAH-yhdisteitä, hiilivetyjä ja hiilimonoksideja.

Kansainvälisiä sopimuksia

• Kioton sopimuksessa teollisuusmaat ovat sopineet vähentävänsä päästöjä n. 5% vuosiin 2008-2012 mennessä. Mukana ovat kaikki teollisuusmaat paitsi Yhdysvallat ja Australia.

• Suomi on sitoutunut palauttamaan päästönsä vuoden 1990 tasolle vuoteen 2010 mennessä.

• VTT tutkimuksessa suomalaiset tuottavat hiilidioksidia ilmaan kaksin- tai kolminkertaisesti verrattuna suomalaisten osuuteen maailman väestöstä.

Lähde: Tilastokeskus

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 energiantarve vai sopivatko ne paremmin pienimuotoiseen paikalliseen energian tuotantoon?

• Mihin ihminen tarvitsee energiaa?• Voinko vähentää energiankäyttöäni?

Tutkimuksia

Kasvit tuottavat happea

• Mistä kasvi saa tarvitsemansa hiilidioksidin?

• Mitä tapahtuisi, jos kasvi ei saisi valoa?

• Miksi on tärkeää, että suuria metsiä ja sademetsiä ei kaadeta?

Kasvit muuttavat hiilidioksidia

• Miten ruoho kasvaa, jos ilmassa on paljon hiilidioksidia?

• Mitä tapahtuisi, jos keskilämpötila Maapallolla nousisi 2oC?

• Mitä kasvit valmistavat hiilidioksidista?

• Olisiko hyvä asia, jos ilmassa olisi 30-40% happea nykyisen 20% sijaan?

Biokaasutehdas• 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?

Veden hajottaminen sähkön avulla vedyksi ja hapeksi

• Kummalla elektrodilla muodostuu vetyä?

• Miten tunnistat vedyn?

• Miten tunnistat hapen?

• Miten vetyä ja happea voidaan käyttää hyödyksi?

Aurinkouuni

• 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?

Lämpöä Auringosta

• 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?

Sähköä Auringosta

• Mitä energiamuutoksia tapahtuu Aurinkokennossa?

• Missä Aurinkokennoa voidaan käyttää?

• Pohdi Aurinkokennon elinkaarta.

Sähköä vesimyllyn avulla

• Miten tuulivoimalassa saadaan sähköä?

• Mitä energiamuutoksia tuulivoimalassa tapahtuu?

• Miten dynamo toimii?Miten generaattori toimii?

• Mitä energiaa generaattori tarvitsee sähkön tuottamiseen?

• Miten tuulimylly toimii?