vetre - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/euso/uloha15_1.pdf · challenge 1 3 task sheet...

COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 TEAM:

ODPOVEĎ SA VZNÁŠA VO

VETRE

ZADANIE

Zadanie 1 28th of April 2015

Country: SLOVAKIA Team:

CHALLENGE 1 2 TASK SHEET

COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:

Úloha 1 pozostáva z piatich častí, ktoré môžte vypracovávať jednotlivo alebo ako tím.

Úloha A: 90 bodov

Úloha B: 92 bodov

Úloha C: 92 bodov

Úloha D: 06 bodov

Úloha E: 24 bodov

Na vypracovanie Úlohy 1 máte 4 hodiny.

Celý čas v laboratóriu musíte mať na sebe laboratórne plášte a bezpečnostné

okuliare.

V laboratóriu je prísne zakázané jesť a piť.

Pri práci s chemikáliami musíte mať nasadené jednorazové rukavice, ktoré

máte k dispozícii.

Hodnotiť sa budú iba finálne odpoveďové hárky (farebný papier) a

priložené grafy.

Po ukončení vašej práce musíte odovzdať všetky papiere vrátane papierov s

pomocnými výpočtami. Z laboratória nesmiete NIČ odniesť.

Grafy musíte odovzdať spolu s odpoveďovými hárkami.



Príbeh

Oblasť Klein-Virtulien sa nachádza na južnom okraji Álp, 800-1300

metrov nad úrovňou mora. 60% potreby elektrickej energie región

dodávajú hydroelektrárne a zvyšných 40% sa dováža. Aby sa pokryla

zvyšujúca sa požiadavka na energiu a redukovala závislosť na dovoze

elektriny, vybuduje sa nová elektráreň produkujúca energiu z

obnoviteľných zdrojov. Táto elektráreň nebude iba produkovať

energiu, ale bude tiež schopná energiu uchovávať.

Horský terén v regióne je ideálny na výstavbu veternej elektrárne s možnosťou dvoch

alternatív uskladnenia energie:

1. Klasická prečerpávacia

2. Moderná elektrolytická (Power-to-Gas, P2G)

Pred samotnou výstavbou v Klein-Virtulien bolo vznesených niekoľko námietok:

Rieka Virtu, ktorá bude prečerpávaciu elektráreň zásobovať, patrí medzi tečúce vody

s najväčšou biodiverzitou v Klein-Virtulien. Podľa miestnej ekologickej iniciatívy je rieka

domovom ohrozeného raka Astacus astacus subsp. Virtuliensis. Členovia tejto miestnej

ekologickej iniciatívy sa obávajú, že nová elektráreň významne zmení prírodný habitat raka

a tak bude viesť k jeho vyhynutiu. Zástancovia novej elektrárne popierajú prítomnosť

Astacus astacus subsp. virtuliensis v oblasti a trvajú na jeho podobnosti s iným,

nechráneným druhom raka.

Iná miestna ekologická iniciatíva vzniesla nasledujúci dôvod proti výstavbe prečerpávacej

hydroelektrárne: V blízkosti plánovanej zásobárne energie sa nachádza úložisko

z opustených koželužní (továrne na spracovanie kože). V prípade povodne v tejto oblasti

existujú obavy, že by sa mohol vyplaviť toxický odpad, najmä chrómové zlúčeniny. Aby sa

táto možnosť otestovala, bude sa musieť vo vzorkách z úložiska vyšetriť prípadná

kontaminácia Cr(VI).

Ďalšia miestna ekologická iniciatíva namieta proti elektrárni v Klein-Virtulien, pretože z ich

uhľa pohľadu kombinácia veternej energie a Power-to-Gas neposkytne požadovanú

účinnosť.

Aby sa zvýšila všímavosť spoločnosti, najmä mladých ľudí, voči obavám z elektrárne, v Klein-

Virtulien sa uskutoční medzinárodná súťaž.

Vy, ako súťažiaci tím, sa máte zhostiť úlohy hodnotiteľov a urobiť spoločné odporučenie pre

budúcu elektráreň. Aby ste to urobili, budete musieť vykonať niekoľko pozorovaní

a experimentov.



ÚLOHA A

Dajte pozor na poradie, v akom vypracujete úlohy.

Pred začatím častí 3.2 a 4 musíte vyriešiť 3.1 a odovzdať predlohu s rakom (crayfish handout) 3.1

asistentovi v laboratóriu. Až potom dostanete ďalší materiál na to, aby ste mohli pokračovať,

tabuľku “Funkcia”, obrázok znázorňujúci morfológiu raka a tiež raka na identifikáciu.

Materiál:

Kúsky tela raka (ľavá alebo pravá polovica raka)

Predloha s nakresleným tvarom raka

Lep

Pinzety

Polystyrénový obal

Lupa

Milimetrový papier

Pravítko

--------------------------------------------------------

1 rak

Obrázok znázorňujúci morfológiu raka

Tabuľka “Funkcie”

1. Ekológia Astacus astacus subsp. virtuliensis

Ekologické pojmy: Biotop, habitat, ekologická nika

Organizmy nie sú v prírode náhodne distribuované, preferujú určité druhovo-špecifické oblasti. Na

opísanie ich nenáhodného priestorového rozloženia sa používajú pojmy ako biotop, habitat

a ekologická nika.

Biotop: je topografická oblasť (miesto) s viac alebo menej uniformnými podmienkami prostredia

a je určená (charakterizovaná) biocenózou (spoločenstvom populácií organizmov).

Habitat: Určitá oblasť biotopu, ktorú obýva určitý druh.

Ekologická nika: Predstavuje interakciu medzi

Priestorovým rozdelením habitatu

využívanými zdrojmi (výživa, svetlo, voda, salinita a pod.) a

reakciou druhu na environmentálne faktory.

(Prevzaté z: Sinsch, U. ( 2004). Studienbrief 1: Konzepte der Autökologie.) Universität Koblenz-

Landau.



Vedecké údaje:

Ekologické požiadavky Astacus astacus subsp. virtuliensis sa zhodujú s požiadavkami Astacus

astacus. Oba žijú výhradne v tečúcich vodách, v lete osídľujú rieky, pramene, teplé jazerá a rybníky

s prudkými brehmi. Avšak Astacus astacus subsp. virtuliensis dáva prednosť minimálnej hĺbke vody

40 cm. V lete musí byť teplota vody najmenej 11°C, optimálna teplota sa pohybuje medzi 19°C a

21°C. Horné pessimum (= protiklad optima) začína pri 24°C, pri teplote 25°C rak zomiera. Pokles

teploty na jeseň znamená začiatok obdobia párenia.

Optimálny obsah kyslíka vo vode sa pohybuje medzi 6 a 12 mg/L, 3.5 mg/L je absolútnym

minimom.

Nevyhnutným predpokladom osídlenia rakom je silné členenie bentickej oblasti (dna); musia tu byť

prítomné miesta na úkryt a oddych (veľké kamene, brehy s koreňmi stromov, jaskynnými

vyhĺbeninami na brehoch). Podobne ako mnoho druhov rakov, Astacus astacus subsp. virtuliensis je

večerný (aktívny za šera) a nočný živočích.

Počas dňa sa nachádza v pokojných oblastiach. Mladé možno vidieť v plytkých vodách, kde sa

môžu skrývať medzi rastlinami. Astacus astacus subsp. virtuliensis je všežravec. Jeho strava

obsahuje riasy, vodné rastliny, larvy hmyzu, slávky (mussels), slimáky a zdochliny. Svoju potravu

“zbiera” aktívne.

1.1. Ku každému pojmu (v ľavom stĺpci) označte v zodpovedajúcej bunke tabuľky správny

ekologický pojem (či ide o biotop, habitat alebo ekologickú niku). Odpoveďový hárok

1.2. Správanie Astacus v závislosti od teploty vody v lete

V lete (začiatok júna až do polovice septembra) je teplota vody dôležitým faktorom pre správanie

druhu a teda pre výskyt Astacus astacus subsp. virtuliensis.

1.2.1 Nakreslite graf (krivku tvarom podobnú asymetrickému zvonu) zobrazujúci závislosť

výskytu druhu od daných teplôt vody (minimum, optimum, maximum).

milimetrový papier

Poznámka: Výskyt druhu je počet živočíchov, ktoré využívajú daný biotop bez zväčšenia alebo

zmenšenia populácie. Môže sa pohybovať v rozmedzí hodnôt 0 (neprežíva žiaden jedinec) až 100

(využívanie optimálneho habitatu).

1.2.2 V grafe 1.2.1 vyznačte charakteristické teplotné rozmedzie a teplotné body/oblasti

(minimum, maximum, optimum, pessimum). Graf popíšte a pridajte legendu.

graf



2. Možné vplyvy elektrárne na Astacus astacus subsp. virtuliensis

Vedci zistili, že postavenie elektrárne môže zmeniť niektoré ekologické faktory pre Astacus astacus

subsp. virtuliensis. Overte, či postavenie elektrárne ovplyvní populáciu Astacus astacus subsp.

Virtuliensis s využitím dvoch grafov, ktoré vám poskytli v odpoveďovom hárku “Average oxygen

content in the river per month” (Priemerný obsah kyslíka v rieke na mesiac) a “Average

temperature in the river per month” (Priemerná teplota v rieke na mesiac).

2.1. Určite oblasť/oblasti na grafe, ktoré predstavujú ekologické faktory, ktoré môžu viesť

k vymiznutiu populácie raka iba počas letných mesiacov už spomenutých vyššie. Danú oblasť

na grafe vyfarbite.

2.2. V grafoch vyfarbite optimálne oblasť/oblasti pre teplotu a obsah kyslíka počas letných

mesiacov.

3. Funkčná morfológia raka

Pripomienka: Dajte pozor, v akom poradí vypracovávate úlohy.

Pred začatím častí 3.2 a 4 musíte vyriešiť 3.1 a odovzdať predlohu raka 3.1 asistentovi v

laboratóriu.

3.1 Na poskytnutej predlohe raka zoraďte v správnom poradí časti raka, ktoré máte

v sklenenej nádobe. Vyberte si správnu stranu predlohy, ľavú alebo pravú!

predloha raka

Všetky časti raka musia byť nalepené na predlohu raka!!

Nápoveda: Obrázok raka na predlohe je z brušnej strany. Niektoré časti sa ťažko rozlišujú. Ak

nemôžete odlíšiť ich presné poradie, umiestnite ich ako skupinu. Presné určenie miesta

jednotlivých častí vám prinesie iba dva body z celkového zisku. Ak ste časti zoradili, odovzdajte

predlohu asistentovi v laboratóriu, ktorý ju odfotí.



3.2 Ku každej časti priraďte jeho hlavnú funkciu (jedna časť môže mať viacero funkcií, ale

povolené sú maximálne 3 funkcie pre jednu časť).Tabuľka “Funkcia”

Odpoveďový hárok

V každom štvorčeku musí byť buď krížik alebo nula: ”X“ pre správne, ”0“ pre nesprávne!!

Funkcia:

A= ústroje na lov, uchytenie/potrava a používané na obranu/útok

B= spracovanie/manipulácia („lámanie, prežúvanie, držanie“) potravy

C= Rozmnožovanie/opatera o potomstvo

D= zmyslové vnímanie

o D1 = chemoreceptory

o D2 = hmatové receptory

o D3 = rovnováha (ekvilibrium)

E= pohyb

o E1 = chôdza

o E2 = plávanie

4. Identifikácia raka

Túto úlohu môžete vypracovať až po skončení úlohy 3.1 a odovzdaní predlohy raka

asistentovi v laboratóriu. Až potom od asistenta v laboratóriu dostanete raka na

identifikáciu a Obrázok znázorňujúci morfológiu raka!

S použitím kľúča v odpoveďovom hárku overte, či rak, ktorého ste dostali, je Astacus astacus

subsp. virtuliensis.

Legenda k obrázku na identifikáciu raka.

A Hlavohruď (Cephalothorax) 7 Kĺb klepeta (Joint of the cheliped)

B Zadoček, chvost (Tail) 8 Nosec, predná časť hlavohrude (Rostrum)

1 Tykadlo (Antenna) 9 Postorbitálny (za očnou jamkou) výrastok

(Postorbital ridge)

2 Predný pancier (Anterior carapacae) 10 Ostne (Spines)

3 Zadný pancier (Posterior carapacae) 11 Krčný záhyb

4 Abdomen (bruško) 12 Areola

5 Posledný článok chvosta (Telson) 13 Priečne pruhy cez abdominálne články

6 Klepeto (Cheliped)



4.1 Označte v kľúči v sivom stĺpci tvrdenia, ktoré vedú k identifikácii raka, ktorého ste

dostali! Odpoveďový hárok

5. Teoretické otázky

5.1. Ktoré tvrdenia sú správne, ktoré sú nesprávne? Vašu voľbu označte!

Odpoveďový hárok

6. Vyhodnoťte situáciu výstavby elektrárne v Klein-Virtulien

S ohľadom na predpokladanú populáciu Astacus astacus subsp. virtuliensis population,

vyhodnoťte, či sú obavy občianskych iniciatív oprávnené.

Použite informácie z “Ekológie Astacus astacus subsp. virtuliensis“ (1), vaše postrehy z “Možné

vplyvy elektrárne na Astacus astacus subsp. virtuliensis” (2), ako aj vaše výsledky z “Identifikácie

raka” (4). Odhadnite vplyvy alternatívnych elektrární na populáciu raka.

Zaškrtnutím vhodného štvorčeka zosumarizujte vaše zistenia v tabuľke. Odpoveďový hárok



ÚLOHA B

Úvod

V blízkosti vodnej nádrže sa nachádza skládka, ktorá obsahuje zvyšné produkty

z kožiarne závodu. Ochrancovia prírody upozorňovali, že v prípade zaplavenia skládky by

mohlo dochádzať k vylúhovaniu zlúčenín chrómu(VI). V kožiarskom závode sa začali na

základe tohto podnetu zaoberať problematikou kontaminovania prostredia zlúčeninami

chrómu(VI).

Predstavte si, že ste jedným z týchto expertov a máte v zmysle platného zákona

extrahovať z inkriminovaných vzoriek zlúčeniny Cr(VI) a stanoviť v nich

spektrofotometricky koncentráciu Cr(VI). Výpočtom mate dokázať, či dochádza k

znečisťovaniu životného prostredia zlúčeninami Cr(VI) a vyvodiť z toho dôsledky.

V zlúčeninách chrómu má atóm chrómu väčšinou oxidačné číslo III a VI. Chróm sa

označuje ako stopový prvok, avšak zlúčeniny chrómu, v ktorých má atómu chrómu

oxidačné číslo VI, majú karcinogénne účinky. Chrómové zlúčeniny sú teda podstatne

nebezpečnejšie ako zlúčeniny Cr(III), pretože majú schopnosť prenikať cez bunečné

membrány. Keď takáto zlúčenina prenikne do bunky, pôsobí ako silné oxidovadlo a

spôsobuje oxidatívny rozklad ľudského organizmu.

Pri jednej z metód, ktorou možno sledovať obsah Cr(VI) vo vzorke, je

spektrofotometrické stanovenie, ktoré je založené na reakcii vzorky a 1,5-difenylkarbazidu

(DFK) v kyslom roztoku.

Obr. 1: Zápis reakcie dichrómanu s DFK v kyslom roztoku



Táto reakcia je veľmi citlivá a možno ňou stanoviť aj stopové množstvá Cr(VI) vo vzorke.

Pri reakcii vzniká komplex, ktorý má intenzívne purpurové sfarbenie (pozri obr. 1), ktorého

intenzita je priamo úmerná koncentrácii Cr(VI) vo vzorke. Toto možno využiť pre

spektrofotometrické stanovenie Cr(VI) pri vlnovej dĺžke 550 nm, keďže absorbancia je

funkciou vlnovej dĺžky svetla a koncentrácie vzorky.

Poznámka: V tejto úlohe sa bude namiesto dm3, t. j. odvodenej SI jednotky pre objem,

používať jednotka liter a budeme ju označovať L.

V rámci istej koncentračnej oblasti platí, že absorbancia závisí lineárne od

koncentrácie absorbujúcej látky. Vyjadruje Lambertov-Beerov zákon:

A = a*c*d

A = absorbancia, ktorá sa nameria pomocou spektrofotometra,

a = molový absorpčný koeficient látky (niekedy sa označuje aj ɛ)

c = látková koncentrácia (mol/L)

d = hrúbka kyvety

V tejto úlohe budete merať absorbanciu A, hrúbku kyvety nájdete v zozname

pomôcok, hodnotu a vypočítate pomocou vynesenej kalibračnej krivky pomocou týchto

hodnôt potom vypočítate koncentráciu c.

Vzhľad a schéma spektrofotometra a jeho funkcia je znázornená na obr. 2 a 3.

Obr. 2: Spektrofotometer UV-1600 PC

[



Obr. 3: Schematické znázornenie spektrofotometra (s povolením Michaela De Rouw)

[1] zdroj svetla [2] vstupná štrbina [3] hranol [4] výstupná štrbina [5] kyveta s roztokom vzorky [6] vstupná štrbina [7] detektor s digitálnym výstupom

Pri spektrofotometri, ktorý budete používať, sa meranie robí pri vlnovej dĺžke 550 nm a

hrúbka kyvety je 1 cm. Vlnová dĺžka zodpovedá vlnovej dĺžke maxima (obr. 4) absorpcie

meraného roztoku.

Obr. 4: Absorpčné spektrum komplexu, ktorý sa nameralo pre komplex Cr(VI) s DFK

Analyzované roztoky treba opatrne naliať do kyviet. Svetlo prechádzajúce kyvetou s

roztokom sa čiastočne absorbuje a zvyšná časť prechádza do detektora, ktorý zaznamená

jeho intenzitu.

Zoznam pomôcok Zoznam chemikálií

Papier, mm-papier, pravítko,

guma

Kalkulačka

Periodická tabuľka

Fixka – marker, tužka, strúhadlo

Automatická pipeta 100 μL

(nastaviteľná)

Automatická pipeta 1000 μL

(nastaviteľná)

Špičky (modré a žlté)

Nádoba na použité špičky

Skúmavky 15 mL (Falcon)

Stojan na skúmavky

redestilovaná voda

zásobný roztok Cr(VI) na

kalibráciu (K2Cr2O7

s koncentráciou 28.29 mg/L),

označený ako “Cr(VI)“

roztok kyseliny sírovej s

koncentráciou 0.5 mol/L

označený “0.5 M H2SO4“

Roztok difenylkarbazidu

(120 mg 1,5-difhenylkarbazidu

v 50 mL acetónu), označený

“DPC“

5 roztokov (výluhy získané zo

vzoriek pôdy), so známou



1 cm kyvety pre spektrofotometer

Papierové utierky

1 spektrofotometer (jeden pre

3 družstvá)

koncentráciou Cr(VI). Označené

sú “E1“, “E2“, “E3“, “E4“ a “E5“

Štandardný (referenčný) roztok je

roztok so známou koncentráciou

Cr(VI) =

= 4.00 mg/L), označený ako “Ref“

Inštrukcie: Vzorky pôdy, z ktorých sa získali výluhy, sa odobrali z piatich rozdielnych miest pôvodnej

skládky odpadov. Pre nedostatok času lúhovanie za vás urobili iní a to tak, že 100 g pôdy

nechali pretrepávať 24 hodín s litrom redestilovanej vody a získanú zmes prefiltrovali. Tak

pre vás pripravili päť vzoriek, ktoré máte k dispozícii ako výluhy a sú označené E1 až E5.

V týchto výluhoch musíte stanoviť koncentráciu Cr(VI), ale najprv musíte zostrojiť

kalibračnú krivku. Na to však potrebujete roztoky so známou koncentráciou Cr(VI), ktoré si

pripravíte vhodným riedením zásobného roztoku, ktorý je označený “Cr(VI)”.

1. Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) v zásobnom roztoku a uveďte ju

v mg/L.

Odpoveďový hárok Predtým, ako budete pokračovať v experimente, musíte si dať priebežný výsledok potvrdiť

laboratórnym dozorom, ktorý to musí potvrdiť v odpoveďovom hárku.

2. Vynesenie kalibračnej krivky a spektrofotometrické meranie

Na to, aby ste vyniesli kalibračnú krivku, potrebujete päť zriedených roztokov, ktoré si

pripravíte zo zásobného roztoku. Koncentrácia Cr(VI) v týchto roztokov musí byť v

rozmedzí 25-250 µg/L. Vyžadované koncentrácie sú presne uvedené v odpoveďovom

hárku v Tab. 1.

2.1. Vypočítajte objemy zásobného roztoku, ktoré treba na prípravu 10 mL

vyžadovaných zriedených roztokov. Vypočítané hodnoty uveďte v Tab. 1. v

odpoveďovom hárku. Odpoveďový hárok

2.2. Príprava kalibračných roztokov

a. Očíslujte šesť 15 mL skúmaviek číslami 1-6

b. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 2 mL roztoku

kyseliny sírovej (označenej “0.5 M H2SO4”).

c. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 0.2 mL roztoku

difenylkarbazidu (označeného “DPC”).



d. Do skúmaviek 2 – 6 pridajte vypočítané množstvá zásobného Roztoku, ktoré

ste vypočítali a uviedli v Tab. 1.

e. Doplňte roztok v skúmavkách po značku 10 mL redestilovanou vodou

(ultrapure water).

f. Uzavrite skúmavky a dôkladne ich premiešajte.

2.3. Príprava vzoriek a štandardného roztoku.

a. Označte ďalších šesť skúmaviek číslami 7 – 12.

b. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 2 mL roztoku

kyseliny sírovej (označenej “0.5 M H2SO4”).

c. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 0.2 mL roztoku

difenylkarbazidu (označeného “DPC”).

d. Odpipetujte 250 µL výluhu E1 do skúmavky 7, potom 250 µL výluhu E2 do

skúmavky 8, a takto postupujte až po skúmavku 11. Do skúmavky 12

odpipetujte 250 µL štandardného roztoku. Pozrite si tabuľku 2 v

odpoveďovom hárku.

e. Doplňte každú skúmavku po značku 10 mL redestilovanou vodou.

f. Uzatvorte skúmavky a obsah dobre pomiešajte.

2.3.1. Vypočítajte zrieďovací faktor pre výluhy.

Tento výsledok výpočtu si musíte nechať potvrdiť dozorom predtým, ako budete

pokračovať v spektroskopickom meraní (dozor sa musí podpísať v odpoveďovom hárku).

Odpoveďový hárok

2.4. Spektofotometrické meranie

a. Pripravené roztoky v skúmavkách 1 – 12 prelejte do kyviet, pričom ich musíte

naplniť najmenej do ¾ ich objemu. Nezabudnite si kyvety správne označiť.

b. Informujte dozor v laboratóriu, že ste pripravený na spektrofotometrické

meranie. Keďže spektrofotometer používajú tri družstvá, je možné, že budete

musieť trochu počkať, kým príde na vás rad. Využite tento čas tak, že si

preštudujete schému funkcie spektrofotometra, alebo môžete odpovedať na

záverečné otázky v časti 7.

c. Ak mate všetko pripravené, meranie na spektrofometri by ste mali zvládnuť v

rozpätí 10 minút.

d. Inštrukcie pre meranie na spektrofometri:



Vložte kyvetu 1 s porovnávacím roztokom správne do spektrofotometra tak, aby

svetelný lúč prechádzal priezračnými stenami kyvety. Zatvorte veko prístroja a

stlačte gombík “Zero”. Potom vložte kyvetu 2 do spektrofotometra, zatvorte veko

a poznačte si hodnotu absorbancie do Tab. 2 v odpoveďovom hárku. To isté

opakujte s kyvetami 3 – 12.

2.4.1. Namerané absorbancie zapíšte do Tabuľky 2 v odpoveďovom hárku.

Odpoveďový hárok

3. Vynesenie grafu

3.1. Na základe nameraných hodnôt absorbancie vyneste na mm-papieri

kalibračnú krivku. mm- papier

Na os x vyneste koncentráciu v µg/L a na os y namerané absorbancie.

Využite celú plochu mm-papiera.

Vyneste správne kalibračnú krivku.

Pomocou grafického znázornenia na grafe ukážte, ako ste vypočítali

hodnotu smernice priamky.

Označte na vynesenej priamke hodnoty absorbancie namerané pre roztoky

výluhov a k nim priraďte na osi x odpovedajúce hodnoty koncentrácie A.

Všetky výpočty urobte na mm-papieri.

Graf odovzdajte dozoru v laboratóriu.

Po skontrolovaní dostanete od dozoru správne hodnoty smernice priamky v prípade, že

ste ich neurčili správne.

4. Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) (v µg/L) vo výluhoch 1 – 5 a

v referenčnom roztoku.

Vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky 3. Odpoveďový hárok



5. Výpočet obsahu Cr(VI) vo vzorkách pôdy.

5.1 Vypočítajte pôvodný obsah Cr(VI) (v mg Cr(VI)/kg) vo vzorkách pôdy.

Použite pritom hodnoty koncentrácie z časti 4.

Vezmite do úvahy zriedenia (pozri potvrdené výsledky v časti 2.3).

Odpoveďový hárok

6. Znečistenie pôdy a nádrže s Cr(VI)

Ak sa miesto, ktoré predtým bolo skládkou, celé zaplaví vodou, všetok chróm vo forme

Cr(VI), ktorý obsahovala znečistená pôda, sa rozpustí a bude sa preto nachádzať vo

vodnej nádrži.

Uveďte odpovede na otázky 6.1. až 6.4. Odpoveďový hárok

6.1 Vypočítajte priemerný obsah Cr(VI) v pôde a uveďte v mg Cr(VI)/kg).

6.2 Použite hodnotu priemernej koncentrácie na to, aby ste vypočítali hmotnosť Cr(VI) v

kg, ktorý sa nachádza v skládke, ktorá obsahuje 2000 t odpadu.

6.3 Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) (µg/L), ktorú možno očakávať v nádrži (mláke),

ktorá vznikla tak, že sa skládka zaplavila s 80 miliónmi m3 vody, pričom sa celé

množstvo Cr(VI) dostane do roztoku.

6.4 Mohol by sa takýto rezervoár spĺňať kritériá z ekologického hľadiska? (Povolený

limit Cr(VI) v pitnej vode je 50 µg/L).

7. Záverečné otázky

V odpoveďovom hárku označte v príslušnom stĺpci odpovede pomocou yes alebo no.

Odpoveďový hárok



ÚLOHA C

1. Meranie zdroja vetra (prúdenia vzduchu)

Vyšetrite fyzikálne vlastnosti zdroja prúdenia vzduchu.

1.1. Meranie rýchlosti prúdenia vzduchu

Určte rýchlosť prúdenia vzduchu generovaného zdrojom vetra.

Pomôcky:

Zdroj prúdenia vzduchu upevnený na podstavci (Obr. 1.1.)

Merač rýchlosti (anemometer) upevnený na držiaku

Pravítko

Pásové meradlo dĺžky

1 – vzduchovod

2 výstup vzduchu

3 vstup vzduchu

4 držiak

5 upevňovacia skrutka

6 ovládač rýchlosti

7 nastaviteľný prepínač výkonu

8 elektrická šnúra (5 A)

9 signálka napájania

10 striedavý zdroj napájania

Obr. 1.1 Wind machine

Postup

Upevnite zdroj vetra a merač rýchlosti vetra do vzájomnej vzdialenosti 0,4 m. Stred výstupu

vzduchu zo zdroja vetra a rotor anemometra musia byť v rovnakej výške a prúd vzduchu musí byť

zameraný presne do smeru k meraču rýchlosti (Obr. 1.2).

Vzdialenosť sa meria od hrany výstupu vzduchu k rotačnej osi otáčania anemometra.



Obr. 1.2: Usporiadanie zdroja a merača

Obr. 1.3: Otočný prepínač rôznych rýchlostí prúdenia vzduchu

Rýchlosť prúdenia vzduchu možno ovládať otočným (pozri Obr. 1.3).

Pozor: Rôzne hodnoty rýchlosti vzduchu nie sú na vami použitom prepínači onačené číslom!

Zapnite zdroj vetra na najnižšiu úroveň 1. Nechajte zdroj pracovať 15 sekúnd. Zapnite merač vetra

a nechajte ho bežať približne 1 minútu. Pozorujte displej a poznamenajte si priemernú hodnotu

(AV) a maximálnu hodnotu (MX), pozri Obr. 1.4.

1

2 3

4

5



Obr. 1.4 Merač rýchlosti vetra.

Údaje na displeji zhora nadol:

okamžitá hodnota, maximálna hodnota (MX), priemerná hodnota (AV)

Hodnoty sú uvedené v jednotkách m/s.

Napíšte strednú hodnotu (AV) a maximálnu hodnotu (MX) do odpoveďového hárku (Table 1.1.1).

Potom vypnite merač rýchlosti prúdenia vzduchu.

Zdroj vetra prepnite na úroveň 2 a po 15 sekundách zapnite merač rýchlosti prúdenia vzduchu.

Urobte rovnaké meranie ako v predchádzajúcom prípade a výsledok zapíšte do odpoveďového

hárku. Potom vypnite merač rýchlosti vetra.

Rovnako postupujte pri úrovniach prepínača rýchlosti 3 až 5 zdroja vetra.

1.1.1. Vyplňte tabuľku 1.1.1 príslušnými hodnotami! Odpoveďový hárok

1.1.2. Zostrojenie grafu “Závislosť rýchlosti prúdenia vzduchu od úrovne na zdroji vetra ”

Zostrojte graf s použitím hodnôt z tabuľky 1.1.1 milimetrový papier

Vyznačte vhodnú stupnicu na osi y (rýchlosť vzduchu v m/s). Pre každú úroveň zdroja (os x)

zakreslite krúžkom strednú rýchlosť. Maximálnu hodnotu použite ako horný koniec chybovej

úsečky a symetricky vzhľadom na strednú hodnotu označte dolný koniec chybovej úsečky.

Zakreslite do grafu k jednotlivým hodnotám chybové úsečky.

Použite milimetrový papier a graf pripojte k odpoveďovému hárku!

Pozn.: Chybová úsečka je grafické znázornenie

variability dát a používa sa v grafoch.

MX

AV

chybová úsečka



1.2. Meranie napätia naprázdno s rôznymi lopatkami rotora

Charakteristickým parametrom výkonu generovaného veterným mlynom (vrtuľou) je

zodpovedajúce napätie naprázdno, ktoré je definované ako výstupné napätie bez pripojenej záťaže

generátora. Zmerajte toto napätie pre rôzne typy lopatiek vrtule, aby sa zistilo, ktoré lopatky sú

najúčinnejšie.

Pomôcky:

Vrtuľa – 16 cm priemer



(pozri Obr. 1.5)

Dvojitá krížová vrtuľa – 16 cm priemer

Obrátená (invertovaná) vrtuľa – 16 cm priemer

(pozri Obr. 1.6)

Multimeter

Spojovacie vodiče

Zdroj vetra

Generátor

Držiak generátora

Obr. 1.5: Vrtule 16 cm, 18 cm, 20 cm.

(Popis na lopatkách musia smerovať k elektrickému generátoru)

Obr. 1.6: Krížová vrtuľa 16 cm (Popis na

lopatkách smeruje ku generátoru) a invertovaná

vrtuľa (popis na lopatkách smeruje ku zdroju

vetra).



Postup

Vzdialenosť medzi zdrojom vetra a vrtuľou je opäť 0,4 m počas všetkých meraní v tejto časti

(Obr. 1.7).

Obr. 1.7: Zdroj vetra (vľavo) a vrtuľa (vpravo).

Vrtuľa je pripevnená k elektrickému generátoru pomocou kúska bieleho plastu (Obr. 1.8).

Multimeter sa pripojí ku generátoru krokosvorkami.

Obr. 1.8: Vrtuľa pripevnená ku generátoru

Zmerajte napätie naprázdno U0 pre všetky vrtule a pre všetky úrovne zdroja vetra. Meranie s

každým typom vrtule začnite na úrovni zdroja 1 a na každej úrovni by mal zdroj vetra bežať

najmenej 15 sekúnd. Keďže hodnota napätia na displeji počas merania mierne kolíše, treba displej

pozorne sledovať a starostlivo odhadnúť strednú hodnotu napätia.

Hodnoty napätia vložte do odpoveďového hárku tabuľka 1.2 Odpoveďový hárok

1.3. Výstupný výkon rôznych vrtúľ

Napätia samo nie je konečnou charakteristikou veternej vrtule. Dôležitejšie je, aký výkon, ktorý

môže dodať do pripojenej záťaže generátora. Výkon sa vypočíta pomocou prúdu prechádzajúceho

cez rezistor a zodpovedajúceho napätia.



Pomôcky:

Zdroj vetra

Generátor a rôzne vrtule: 16, 18, 20, 16/16, 16 (invertovaná)

Dva spojovacie vodiče (čierny, červený) od generátora

Multimeter s vodičmi

Kalkulačka

Pásmové meradlo dĺžky

Vzdialenosť medzi zdrojom vetra a vrtuľou je opäť 0,4 m. Generátor treba pripojiť k multimetru

ako vidno dole na obrázku 1.9.

Fig. 1.9: Zdroj vetra, vrtuľa a pripojenia k multimetru

Prepnite prepínač zdroja vetra na 5. Rezistanciu (na krabičke “Laod Last”) treba postupne nastaviť

na sedem hodnôt od 1 do 200 .

Zapíšte namerané hodnoty napätia a prúdu do tabuľka 1.3. Odpoveďový hárok

Vypočítajte zodpovedajúce hodnoty výkonu a zapíšte ich do tabuľky.

Odpoveďový hárok

Pozor!: Hodnoty nemusia byť prísne konštantné – použite stredné hodnoty.



Hodnoty výkonu zaznamenajte do grafu. Odpoveďový hárok!

2. Meranie na modeli “PowertoGas” zariadenia

Na uchovávanie energie možno využiť výrobu plynu. Voda sa elektrolyticky rozloží na vodík

a kyslík a elektrická energia sa premení na chemickú. Neskôr môže prebehnúť inverzný proces,

v ktorom sa chemická energia premení naspäť na elektrickú.

2.1. Elektrolýza

Skúmajte proces elektrolýzy. Aká energia je potrebná na výrobu určitého množstva vodíka? Aká je

účinnosť tohto modelu?

Pomôcky

Zdroj vetra

Generátor

Vrtuľa – 16 cm priemer (nie invertovaná!)

Multimeter (meranie napätia a prúdu pri elektrolýze). Otočný prepínač (“Electric Load”) je

v polohe “Short Circuit” skrat

Elektrolyzér: Naplňte destilovanou vodou

Spojovacie vodiče

Stopky

Obr. 2.1: Schéma obvodu: V, A a R sú časti multimetra (1); electrolyzér (2); elektrický článok (3).

Vodiče generátora nie sú zobrazené. Tie treba pripojiť k svorkám elektrolyzéra (pozri text).

1

2

3



Postup

Zostavte model podľa Obr. 2.1.

Elektrický článok je už pripojený k elektrolyzéru (hadičky s uzatváracími ventilmi), budú použité

neskôr (2.2).

Pomôcka: Zapojte najskôr obvod „generátorelektrolyzérmultimeter (meranie prúdu)“. Potom

nastavte meranie napätia. Dajte pozor na správnu polaritu (+generátora musí byť pripojené na

+ elektrolyzéra).

Pred pokračovaním si nechajte obvod potvrdiť asistentom v odpoveďovom hárku.

2.1.1. Meranie výkonu na elektrolyzéri pri rôznych rýchlostiach vetra

Zdroj vetra nastavte pred vrtuľu do vzdialenosti 0,2 m (polovica predchádzajúcej vzdialenosti!!).

Merajte napätie a prúd pre každú z piatich úrovní zdroja vetra. Odpoveďový hárok

(Na získanie strednej hodnoty by mal zdroj bežať na každej úrovni približne 1 minútu).

Vypočítajte príkon elektrolyzéra. Hodnoty zapíšte do tabuľky 2.1.1 Odpoveďový hárok

2.1.2. Výroba vodíka

Použite to isté zariadenia ako v predchádzajúcom prípade (úroveň rýchlosti vzduchu 5) a určte, aká

energia je potrebná na výrobu 10 ml plynného vodíka.

Postup

Venujte sa iba stĺpcu “vodík”. Začnite na nulovej hodnote (ak je hodnota vysoká, časť plynu

uvoľnite). Keď sa začne vytvárať vodík nezabudnite zapnúť stopky. Stopky zastavte, keď sa vyvinie

10 ml plynu.

Zmerajte napätie a prúd (stredné hodnoty) a čas potrebný na uvoľnenie 10 ml vodíka. Hodnoty

zapíšte do odpoveďového hárku. Odpoveďový hárok

Vypočítajte z výkonu a času elektrickú energiu, ktorá sa dodá elektrolyzéru na uvoľnenie 10 ml

vodíka. Výsledky zapíšte do tabuľky 2.1.2 Odpoveďový hárok

2.1.3. Účinnosť elektrolytického postupu

Výhrevnosť vodíka je 10,7 MJ/m3 pri teplote a tlaku v laboratóriu.

Vypočítajte účinnosť postupu, ak využijete výsledok časti 2.1.2. Výsledok zapíšte do

odpoveďového hárku Odpoveďový hárok



2.2. Palivový článok

Palivový článok slúži na premenu chemickej energie vodíka a kyslíka na elektrickú.

Pomôcky:

Elektrolyzér s hadičkami a uzatváracími ventilmi

Palivový článok

Multimeter

Vodiče

Postup

Máte k dispozícii 10 ml vodíka a aspoň 5 ml kyslíka v elektrolyzéri z predchádzajúceho. Ak nie,

použite sústavu zdroja vetra, vrtule s generátorom na výrobu potrebného množstva plynu.

Obr. 2.2: Schéma obvodu: V, A a R sú časti multimetra (1); electrolyzér (2); palivový článok (3).

Multimeter je teraz pripojený k palivovému článku.

Vytvorte obvod s palivovým článkom, rezistorom 3 a ampérmetrom multimetra (Obr. 2.2).

2

3

1



2.2.1. Elektrická energia uvoľnená v palivovom článku

Určte čas potrebný na premenu energie 10 ml vodíka nazad na elektrickú energiu. Vypočítajte

hodnotu elektrickej energie na základe merania napätia, prúdu a času.

Zapíšte tieto hodnoty Odpoveďový hárok

2.2.2. Účinnosť palivového článku

Určte účinnosť palivového článku porovnaním výhrevnosti 10 ml vodíka a získanej elektrickej

energie. Odpoveďový hárok

3. Porovnanie reálnych zariadení

Nasledujúce výpočty majú dať odpoveď na otázku, či je pre akumuláciu energie výhodnejší systém

prečerpávacej elektrárne alebo Power-to-Gas systém. Môže byť energia vyrobená veternou

elektrárňou akumulovaná obidvoma spôsobmi? Ktoré zo zariadení má väčšiu účinnosť?

3.1. Výkon plánovanej veternej elektrárne

Výkon, ktorý možno získať z vetra s rýchlosťou v modernou veternou turbínou možno vyjadriť

vzťahom

AvcP Betz 3

2

P je výkon vo wattoch, cBetz výkonový faktor (moderné zariadenia majú cBetz ≈ 0.5), hustota

vzduchu ( = 1,19 kg/m³ pri 20 °C), v rýchlosť vetra v m/s, A je obsah plochy, ktorú vymedzujú

lopatky rotujúceho rotora (m²).

Veterná elektráreň je tvorená 10 turbínami s rotormi s lopatkami dlhými 35 m.

3.1.1. Vypočítajte výkon takejto elektrárne za predpokladu rýchlosti vetra 40 km/h.

Výsledok vyjadrite v jednotkách MW. Odpoveďový hárok

3.1.2. Vypočítajte energiu, ktorá sa vyrobí za deň v MWh za uvedených podmienok.

Odpoveďový hárok

3.2. Výkon plánovanej prečerpávacej elektrárne

Plánované zariadenie má výškový rozdiel hladín vody 250 m. Maximálny objemový prietok z hornej

nádrže do dolnej je 50 m3/s. Rovnaký prietok (50 m³/s) sa dosahuje aj pri čerpaní vody z dolnej

nádrže do hornej vo výške 250 m. Výkon sa počíta z gravitačnej potenciálnej energie vody.

Účinnosť tohto postupu je 60 %, tzn. 60 % energie použitej na čerpanie sa vodou akumuluje.



3.2.1. Výkon zariadenia

Vypočítajte potenciálnu energiu vody vyčerpanej nahor za 2 s. Odpoveďový hárok

3.2.2. Energia v sústave

Vypočítajte, koľko vody by sa dalo vyčerpať nahor každý deň pri využití maximálneho výkonu

uvedenej veternej elektrárne. Odpoveďový hárok

3.2.3. Celková účinnosť

Ak sa pustí voda nadol a prechádza cez turbíny, je účinnosť výroby elektrickej energie 80 %..

Vypočítajte celkovú účinnosť prečerpávacej elektrárne Odpoveďový hárok

3.3. Rozmery a účinnosť plánovaného Power-to-Gas zariadenia

3.3.1. Elektrolýza

Plánované zariadenie môže vyrábať vodík z elektrickej energie s účinnosťou 70 %.

Vypočítajte množstvo vodíka, ktorý možno vyrobiť za hodinu veternou elektrárňou, ktorá beží

na plný výkon. Odpoveďový hárok

Použite výsledok 3.1.

3.3.2. Celková účinnosť Power-to-Gas zariadenia

Moderné palivové články majú účinnosť 50 %.

Vypočítajte celkovú účinnosť sústavy elektrolýzapalivové články. Odpoveďový hárok

3.4. Porovnanie obidvoch zariadení

Máte porovnať a posúdiť uvedené zariadenia.

Uvážte nasledujúce obmedzenia:

Objemová kapacita hornej nádrže prečerpávacej elektrárne je 80 miliónov m3.

Ukladanie vodíka do zásobníka má maximálny prietok 2000 m3 vodíka za hodinu.

Ktoré zo zariadení by ste odporúčali na výstavbu?

Výsledok zapíšte do tabuľky 3.4! Odpoveďový hárok



Úloha D

Odporúčania vášho vedeckého tímu pre výstavbu elektrárne v Klein Virtulien

1. Zhrňte vaše výsledky v tabuľke “Zistenia”, čo vám pomôže zodpovedať konečné stanovisko

v tabuľke “Odporúčania” Odpoveďový hárok

2. Odporúčanie vášho tímu vyznačte v tabuľke “Odporúčania”

3. Odpoveďový hárok

Úloha E Údaje o....

Posúďte správnosť vyhlásení v tabuľke ”Údaje o ….“! Odpoveďový hárok

vetre - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/euso/uloha15_1.pdf · challenge 1 3 task sheet...

Documents