Paliwa przyszłości

Biogazownie na Sri Lance
Sri Lankę charakteryzuje wysoki wskaźnik rozwoju społecznego (HDI) na poziomie porównywalnym z krajami takimi jak Brazylia czy Ukraina. Wyspa ta, jest jednak uboga w surowce energetyczne, a przez to zależna od importu ropy i węgla. Wobec stale rosnących cen paliw w niepewnej sytuacji znalazły się przede wszystkim rodziny mieszkające na terenach rolniczych, zajmujących blisko połowę powierzchni tego kraju. Gdy mają do wyboru zakup energii czy zaspokojenie innych podstawowych potrzeb - często wybierają „trzecią drogę”, czyli wycinkę okolicznych lasów, by uzyskać darmową biomasę. Lasy nie odnawiają się jednak na tyle szybko, by można było uznać to za zrównoważone rozwiązanie.
Alternatywę dla wycinki stanowią przydomowe biogazownie, które pozwalają na uzyskanie niezależnego i taniego źródła energii – metanu. Powstaje on w procesie rozkładu resztek żywności i odchodów zwierzęcych. Gnojówkę miesza się z wodą i umieszcza w szczelnie zamkniętych dołach fermentacyjnych. Tam rozkładają ją naturalne bakterie, uwalniając metan. Gaz jest przechowywany w zbiorniku, a następnie rurami doprowadzany do gospodarstw, gdzie poprzez spalanie dostarcza energii do gotowania, prania czy oświetlenia domu. W procesie produkcji metanu powstaje również naturalny, bogaty w minerały nawóz, wykorzystywany w rolnictwie. A przy okazji zostaje rozwiązany problem utylizacji odpadów organicznych.

Cele w języku ucznia
● poznam surowce naturalne wykorzystywane do pozyskiwania energii,
● poznam alternatywne źródła energii oraz możliwości ich zastosowania,
● wyjaśnię wpływ wybranych sposobów uzyskiwania energii na stan środowiska i ich znaczenie dla społeczności, która korzysta z wybranego źródła energii.

Kryteria sukcesu:
● znam klasyfikację reakcji wynikającą z efektu energetycznego,
● wiem, do czego człowiek wykorzystuje procesy egzoenergetyczne,
● znam podstawy procesu fermentacji metanowej,
● wytłumaczę działanie biogazowni,
● podam korzyści i ograniczenia związane z wykorzystaniem biogazu,
● podam przynajmniej 4 przykłady paliw,
● podam przykłady odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii,
● rozumiem znaczenie dostępu do energii,
● formułuję argumenty wyjaśniające potrzebę oszczędzania energii.

Podstawowe pojęcia
● procesy egzo- i endoenergetyczne,
● paliwo, paliwa przyszłości, kryzys energetyczny,
● metan, biogaz, plusy i minusy OZE

Pytanie kluczowe
Do czego można wykorzystywać biogaz?

Środki dydaktyczne
● sprzęt i odczynniki niezbędne do wykonania doświadczeń z modułu I (szczegóły: załącznik nr 1),
● zdjęcia przedstawiające: nieodnawialne źródła energii (w tym paliwa kopalne) oraz odnawialne źródła energii,
● karta pracy oraz teksty źródłowe dotyczące wykorzystania biogazu na wysypisku odpadów w Gdańsku oraz biogazowni na Sri Lance.

Schemat ćwiczenia
Moduł I. Procesy endo- i egzoenergetyczne
Czas trwania: 15 minut
Metody: D
● Prezentacja doświadczenia otrzymywania metanu i spalania go w bańkach mydlanych (opis doświadczenia: załącznik nr 1).Opcjonalnie: Uczniowie przeprowadzają w grupach reakcje przemiany uwodnionego siarczanu (VI) miedzi (II) w bezwodny.
● Omówienie doświadczenia, w trakcie którego uczniowie i uczennice odpowiadają na pytania:
- Co działo się podczas wykonywania doświadczenia?
- Co łączy reakcje otrzymywania metanu i spalania?
- Co różni te reakcje?
• Sformułowanie definicji procesów egzo- i endoenergetycznych.
• Dyskusja na temat praktycznego zastosowania reakcji egzo- i endoenergetycznych
- Kiedy mamy do czynienia z takimi reakcjami?
- W jakim celu można stosować reakcje egzo i endoergetyczne?? (np. spalanie paliwa, w wyniku którego powstaje energia napędzająca silnik).
• W podsumowaniu dyskusji zapisanie równań reakcji spalania metanu i przedstawienie jej jako jednego z kluczowych zastosowań reakcji egzoenergetycznych (plusy to m.in. łatwa do uzyskania energia, a minusy to m.in. dwutlenek węgla zanieczyszczający atmosferę i przyspieszający proces zmian klimatu).

Moduł II. Paliwa przyszłości
Czas trwania: 13 minut
Metody:
• Przypomnienie definicji paliwa i podanie przykładów paliw tradycyjnych, z zaznaczeniem, że spalanie paliw nie jest jedynym sposobem wytwarzania energii.
• Pokaz kolażu ze zdjęć / rozsypanki (załącznik nr 2) – zdjęcia przedstawiają nieodnawialne źródła energii (w tym paliwa kopalne) oraz źródła odnawialne. Zadaniem uczniów i uczennic jest znalezienie klucza pozwalającego posegregować je na dwa równoliczne podzbiory.
• W podsumowaniu tego zadania uczniowie i uczennice określają, czym różnią się dwa podzbiory zdjęć i formułują definicję odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii.
• Dyskusja dotycząca trwającej debaty publicznej na temat paliw. Pytania w trakcie dyskusji:
- Dlaczego w ostatnich latach rozgorzały dyskusje dotyczące sposobów pozyskiwania energii z nowych źródeł?
- Dlaczego ceny paliw na stacjach benzynowych wzrastają?
- Dlaczego sięga się po niekonwencjonalne paliwa kopalne (trudne w wydobyciu lub szkodliwe dla środowiska), jak np. gaz łupkowy lub ropa z piasków roponośnych?
- Co możemy robić wobec kończących się zasobów paliw kopalnych (np. uzyskiwać enegię z innych źródeł, ograniczać zużycie, zwiększać efektywność energetyczną)? Wnioski z tej części dyskusji warto zapisywać na tablicy.

Moduł III. Korzyści i ograniczenia związane z pozyskiwaniem metanu w biogazowni
Czas trwania: 15 minut
Metody:
• Przypomnienie metod pozyskiwania węgla kamiennego, ropy naftowej i gazu ziemnego. Podkreślenie, że metan (główny składnik gazu ziemnego - nieodnawialnego źródła energii) może być produktem innego procesu chemicznego, który zachodzi w warunkach naturalnych. Wprowadzenie podstaw procesu fermentacji metanowej .
• Podział grupy na pary, rozdanie kart pracy (załącznik nr 3) oraz teksów źródłowych (dotyczących wykorzystania biogazu w Gdańsku oraz biogazowi ze Sri Lanki – załączniki nr 4 i 5). Zadaniem par jest zapoznanie się z otrzymanym tekstem oraz wynotowanie zalet i wad tego rodzaju instalacji i określenie ich znaczenia dla społeczności lokalnej.
• Prezentacja na forum zestawienia plusów i minusów wykorzystania biogazu – wybór najważniejszych argumentów.
• Podsumowanie dyskusji – podkreślenie, że biogaz jak każde inne źródło energii nie jest wolny od wad, jednak jego wykorzystanie pozwala osobom żyjącym bez dostępu do trakcji elektrycznej lub gazociągu prowadzić godne życie.

Ewaluacja zajęć
Czas trwania – 3 minuty
1. Uczniowie i uczennice kończą poniższe zdania i zapisują je w zeszytach:
● Na dzisiejszej lekcji dowiedziałem/-am się…
● Na dzisiejszej lekcji najtrudniejsze dla mnie było…
● Po dzisiejszej lekcji zrozumiałem/-am…
● Pytanie, które w trakcie zajęć przyszło mi do głowy, to…
2. Chętni prezentują swoje zdania na forum klasy.

Praca domowa (1 zadanie do wyboru)
1. Rozwiąż zadania z podpunktów a, b i c, wiedząc, że z jednej tony odchodów krowich pan Ratnayake ze Sir Lanki może uzyskać ok. 170 m3 gazu zawierającego ok. 65% objętościowych CH4 (więcej informacji wprowadzających znajdziesz w karcie pracy dotyczącej wykorzystania biogazowni na Sri Lance – załącznik nr 4).
a. Oblicz, ile metrów sześciennych metanu powstaje.
b. Oblicz, ile metrów sześciennych tlenku węgla (IV) dostanie się do atmosfery po spaleniu takiej ilości metanu (przyjmij dla CH4 gęstość 0,657 g/dm3, a dla CO2 - 0,811 g/dm3 ).
c. Porównaj ilość wyemitowanego dwutlenku węgla do atmosfery w wyniku spalenia takiej ilości metanu z ilością CO2, która emitowana jest do atmosfery po spaleniu 200 kg węgla.
2. Napisz pracę na temat: „Dostęp do energii – wygoda czy poszanowanie praw człowieka?”.
3. Sformułuj swoją odpowiedź na pytanie: Co łączy obierki, zgniłą żywność i krowie odchody, a co sprawia, że wszystkie te rzeczy mogą swobodnie wylądować w zbiorniku będącym elementem instalacji biogazowej i zostać wykorzystane do produkcji paliwa/metanu.

Propozycja działania uczniowskiego rozwijającego wątki poruszone na zajęciach
Praca projektowa pod hasłem: My dla klimatu. Jak zmieniający się klimat wpływa na środowisko i życie innych? Uczniowie i uczennice szukają powiązań między wzrastającą emisją CO2 do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych a postępującymi zmianami klimatu. Dowiadują się również, w jaki sposób w różnych częściach świata te zmiany są widoczne. Następnie opracowują działania, jakie można podejmować w celu ochrony klimatu.

Kontynuacja na innych przedmiotach
● Biologia (III etap edukacyjny)
X. Globalne i lokalne problemy środowiska.
● Geografia (IV etap edukacyjny - poziom podstawowy)
2. Zróżnicowanie gospodarcze świata.
3. Relacja człowiek – środowisko przyrodnicze a zrównoważony rozwój.
● Przyroda (IV etap edukacyjny - przedmiot uzupełniający)
4. Dylematy moralne w nauce.
6. Nauka w mediach.
15. Ochrona przyrody i środowiska.

Źródła:
● schemat biogazowi: http://practicalaction.org/biogas-fuel
● zastosowanie biogazu na składowisku odpadów w Gdańsku: http://www.zut.com.pl/zut/index.php?option=com_content&view=article&id=15&Itemid=53
● podstawy procesu fermentacji metanowej: http://agroenergetyka.pl/?a=article&idd=7