Jak wykorzystać energię potencjalną spadków wody do produkcji elektryczności?

Małe hydroelektrownie
Wielkie tamy tworzone w Chinach, Indiach, Egipcie czy Brazylii to inwestycje kontrowersyjne. Powstają, by zasilać duże hydroelektrownie, ale by je zbudować, przesiedla się nawet setki tysięcy ludzi. Poza tym są znaczną ingerencją w naturalne ekosystemy – np. zalanie terenów z torfowiskami czy bujną roślinnością, która pod wodą ulega rozkładowi, uwalnia do atmosfery znaczne ilości dwutlenku węgla oraz przyczynia się do wzrostu emisji metanu. Rozlewiska zmieniają warunki życia fauny i flory, rozwijają się w nich algi. Tamy zatrzymują osady użyźniające glebę w niższym biegu rzeki, a jej poziom wody z reguły się obniża, utrudniając irygację pól.
Małe hydroelektrownie nie niosą ze sobą tak negatywnych konsekwencji dla środowiska – nie wymagają tworzenia tam lub stacji magazynowania energii, za to pozwalają dostarczyć prąd do miejscowości, w których używano dotąd tylko lamp naftowych.
Niewielkie elektrownie wodne generują do 500 kilowatów mocy, zamieniając energię spływającej rzeki w energię elektryczną. Zapewniają odciętym od sieci energetycznej ubogim wiejskim społecznościom tanie, łatwe w utrzymaniu i długoterminowe źródło energii. Dzieci mogą uczyć się po zmroku, łatwiej o organizację pracy służby zdrowia, rozwija się lokalny biznes. Tego typu systemy powstają m.in. w Peru, Zimbabwe, Kenii. Należą do społeczności, które z nich korzystają i dbają o nie – dzięki temu dosłownie i w przenośni moc jest w rękach ludzi.

Cele w języku ucznia
● zapoznam się z możliwościami wykorzystania siły rzek do produkcji elektryczności w hydroelektrowniach,
● poznam zalety i wady dużych i małych hydroelektrowni,
● wyjaśnię, w jaki sposób dostęp do elektryczności zwiększa możliwości rozwoju małych społeczności.

Kryteria sukcesu
● wyjaśnię, w jaki sposób można uzyskać energię, wykorzystując wodę płynącą w rzece,
● obliczę zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie domowym,
● wyliczę, ile energii można uzyskać w prostych hydroelektrowniach,
● wyjaśnię związek pomiędzy różnymi rodzajami energii, korzystając z zasady zachowania energii.

Podstawowe pojęcia
energia potencjalna, zasada zachowania energii, hydroelektrownia

Pytanie kluczowe
Jak wykorzystać energię potencjalną spadków wody do produkcji elektryczności?

Środki dydaktyczne
film obrazujący działanie hydroelektrowni, karty pracy

Schemat zajęć
Moduł 1. Wykorzystanie energii potencjalnej w dużych hydroelektrowniach
Czas trwania: 10 minut
Metoda:
● Przypomnienie wiadomości dotyczących energii potencjalnej i zasady zachowania energii.
● Przedstawienie oddziaływania dużych hydroelektrowni, np. w Chinach, Egipcie, Polsce (we Włocławku) na środowisko, m.in. ich wpływ na zmianę warunków środowiskowych dla flory i fauny danego rejonu, przesiedlenia ludzi w związku z budową zbiorników wodnych i tam, ale jednocześnie niska emisja dwutlenku węgla do atmosfery na skutek produkcji energii (załącznik nr 1).

Moduł 2. Małe hydroelektrownie
Czas trwania: 20 minut
Metody:
● Projekcja filmu pokazującego działanie małej hydroelektrowni w Peru: http://vimeo.com/74635219.
● Wypełnienie kart pracy odnoszących się do filmu (załącznik nr 2).
● Praca w 2-4 osobowych grupach. Zadaniem uczniów i uczennic jest obliczenie energii możliwej do wygenerowania przez małą hydroelektrownię przy pomocy wzoru E = mgh, odwołując się do zasady zachowania energii (zmiany energii potencjalnej na elektryczną). Następnie obliczenie, ile żarówek może zostać zasilonych dzięki takiej hydroelektrowni.
● W podsumowaniu omówienie na podstawie kart pracy korzyści i ograniczeń wynikających z budowy małych hydroelektrowni z uwzględnieniem zmian, jakie zachodzą w społecznościach wraz z uzyskaniem stałego dostępu do energii.

Moduł 3. Energetyczne potrzeby i energetyczne „zachcianki”
Czas trwania: 12 minut
Metody: O
● Praca w 2-4 osobowych grupach z wykorzystaniem danych zawartych w karcie pracy (załącznik nr 3). Znajdują się tam również informacje dotyczące mocy urządzeń, ale można je pominąć i oprzeć lekcję na pojęciu energii. Zadaniem uczniów i uczennic jest obliczenie energii zużywanej przez urządzenia, które uznają za niezbędne w domu, a także takie, z których korzystają, ale mogliby się bez nich obejść. (6 minut).
● Po upływie czasu każda grupa krótko przedstawia ilość energii potrzebnej do zasilenia niezbędnych urządzeń oraz zapotrzebowanie na energię zasilającą wszystkie sprzęty, z których korzystamy w domu.
● W podsumowaniu: Odniesienie do wydajności małej hydroelektrowni i dyskusja wokół odpowiedzi na pytania:
- Ile naszych gospodarstw domowych byłaby w stanie zasilić mała hydroelektrownia (np. o mocy 80 kW, jak ta przedstawiona w filmie)?
- Z czego biorą się różnice w wynikach poszczególnych grup?
- Które ze sprzętów wszyscy uznaliście za niezbędne? Które sprzęty nie zostały jednogłośnie określone jako najbardziej potrzebne?
- Dlaczego mimo wszystko z nich korzystamy?
- W jaki sposób możemy zwiększyć liczbę gospodarstw domowych, które będzie w stanie obsłużyć mała hydroelektrownia?

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
Jaką moc musi mieć hydroelektrownia, aby zaspokoić potrzeby twojej rodziny? Wykorzystaj dane zawarte m.in. w tabeli Załącznika nr 3.

Propozycja działania uczniowskiego rozwijającego wątki poruszone na zajęciach
Zbadaj, jakie są możliwości zainstalowania minihydroelektrowni w twojej najbliższej okolicy.
Jakie skutki środowiskowe może wywołać budowa takiej elektrowni? Jaki wpływ na budżet gminy mogłaby mieć taka inwestycja? Komu moglibyście opowiedzieć o wnioskach ze swojego badania, by miały szanse zostać wykorzystane w praktyce?

Kontynuacja na innych przedmiotach
• chemia (IV poziom edukacyjny) – Paliwa obecnie i w przyszłości.

Źródła
- informacje o małych hydroelektrowniach http://practicalaction.org/micro-hydro-power-3 oraz http://practicalaction.org/small-scale-hydro-power-2
- Prezentacja multimedialna o tym jak działa hydroelektrownia http://www.ceo.org.pl/pl/energia/news/w-jaki-sposob-pozyskuje-sie-energie-z-wody
- Środowiskowe skutki budowy dużych hydroelektrowni: http://www.drugistopiennawisle.pl/energetyka-wodna-a-srodowisko/,http://pl.wikipedia.org/wiki/Zapora_Trzech_Przełomówhttp://levis.sggw.waw.pl/~ozw1/zgw/msos/05_06/Chiny/zaporatrzechprzelomow.html orazhttp://pl.wikipedia.org/wiki/Wysoka_Tama