• Indsamling af faglig viden og data
  - en hjælpeside
• www.census.gov/ipc/
  www/popclockworld.html

Hvordan måler man hvor skævt er det?

1. Hvor skævt er skævt? (matematik – lorenz diagrammer, fx sorteret personlig indkomst som funktion af befolkningsfrekvens)
   
2. Hvor skævt er Danmark?
3. Hvor skævt er Zimbabwe?

• maps.google - Zimbabwe

2. Det globale energiforbrug og energiproduktion

Begrænsede energikilder
Det meste af den energi, der produceres på globalt niveau, stammer fra fossile brændstoffer.
Planterne vokser ved at sammenbygge luftens kulstof og ilt (samt en række andre stoffer) ved hjælp af Solens energi.
Planter, som dør og kommer under de rette geologiske forhold (tryk og temperatur), omdannes efterhånden til kul.
Mikroskopiske organismer i havet udnytter ligeledes solenergien, og når de dør og daler ned på havbunden, kan de også under de rette geologiske omstændigheder (tryk og temperatur) i tilstrækkelig lang tid omdannes til olie og naturgas.
Både med hensyn til omdannelsen til kul og til olie er det interessante for os i denne sammenhæng, at kulstofindholdet pr. rumfang øges under processen.

Ved den kemiske proces i afbrændingen brydes de lange kæder i de organiske molekyler op, og kulstoffet reagerer med luftens ilt og danner CO2 under frigivelse af energi, varme (omk. 400 kJ pr. mol rent C, 12 g). Det er denne varmeenergi, vi udnytter på utallige opfindsomme måder. I den simpleste form blot ved at sætte gang i forbrændingsprocessen og holde et stykke kød ind over ilden med et stort spild til følge.
Senere lærte vi at styre forbrændingen bedre ved at benytte komfurer og også ved at omsætte den til andre energiformer, som fx damp.
Den termiske energi omsættes til mekanisk energi i dampmaskiner, så toget kører og skibet sejler. Det udnytter vi også i bilmotorer, og den mekaniske energi kan igen omsættes til fx elektrisk energi via turbiner og generatorer.
Den elektriske energi er lettere at transportere rundt og omsætte til andre energiformer.

Når vi én gang har brændt kulstoffet, kan vi ikke gøre det igen. Energien er godt nok konstant, men under forbrændingen og omdannelsen af energi til andre former, som vi ikke kan genanvende. Det er derfor en éngangsfornøjelse: de fossile brændstoffer er en ikke-fornybar ressource. Med tiden vil kulstoffet indgå i kredsløbet igen, men det varer adskillige millioner år, før det under de rette betingelser er blevet til fossilt brændstof af en acceptabel kvalitet.

/The present concentration of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere is higher than in the past 420,000 years or maybe even in the past 20 million years, and it continues to rise. Globally, the land biosphere (excluding the part subject to deforestation) takes up 30% of the fossil fuel emissions

Kan vi dække Jordens energiforbrug?

1. Hvilke begrænsede og hvilke vedvarende energikilder har vi på jorden?
2. Hvor er energikilderne placeret?
3. Hvor mange år dækker de begrænsede energikilder jordens energiforbrug med det nuværende forbrug?
4. Hvor lang tid er solen om at levere jordens energiforbrug på et år?
5. Hvor effektive er planterne til at omsætte solenergien til kemisk bundet energi?

Hvad er problemet med de begrænsede ressourcer?
Energi er en ressource, hvilket vil sige, at der er begrænset mængde af det. Det er væk, når man har brugt det. Man taler i den sammenhæng om de fossile brændsler som en fælles betegnelse for kul, olie og gas, der alle stammer fra tidligere tiders liv her på Jorden. Der dannes stadig tilsvarende fossile energikilder ved at en del af det biologiske materiale lagres i jordoverfladen (fossiler) før det nedbrydes. Problemet er bare, at vi graver det fossile brændsel op langt hurtigere end det gendannes.

• Figur med opgravning og den nuværende dannelse af fossile brændsler
• Figur med kort over ressourcer

Problemet med de begrænsede energikilder er flere:

1. Når vi har brugt det, er der ikke mere til vore efterkommere. Så vores børn og børnebørn har ikke de samme muligheder som os
2. Verden er skæv, så det er de rige lande med et stort energiforbrug, der når at bruge ressourcerne inden de fattige lande når at blive udviklet så meget, at de overhovedet kan bruge af ressourcerne.
3. Er der mangel på en ressource, stiger priserne, og de fattige har ikke råd til at udnytte dem. End ikke deres egne energiressourcer, da de vil blive eksporteret til de rige lande, der har bedre råd.
4. Energi kan udnyttes fra mange forskellige kilder. Der er energi i mad, og med stigende energipriser, vil der være nogle, der begynder at brænde mad af i stedet for fx olie. Eller for den sags skyld at omdanne mad til olie, som USA blandt andre er begyndt at gøre. Det vil alt andet lige medføre et pres på fødevarepriserne, og nogle af de fattigste vil dø af sult
5. Så længe energien er lave vil vi fråse med den, og ikke være bekymret om, vi bruger energien effektivt, eller om vi sparer på dens anvendelser. Problemet er jo, at det koster at være energibevidst og at det kræver en særlig indsats at spare på den. De rige lande vil derfor have svinet med energien lige til den er ved at være sluppet op.

Relevante grafer og tabeller

Uran overfor de fossile brændsler
Uran er et grundstof, der som de øvrige findes i Jordens undergrund. Som brændsel er det dog en meget lille del af uranen, der kan bruges i øjeblikket. Det er nemlig hun den såkaldte uran-235, der kan benyttes, og ikke den langt mere almindeligt forekommende isotop uran 238. Navnet uran angiver, at det er grundstof nummer 92 med det kemiske symbol U. Tallet 235 eller 238 fortæller hvor meget kernen vejer i enheden unit. Det er det samme som at sige hvor mange partikler kernen indeholder. Uran-235 indeholder 92 protoner, da det er atom nummer 92, og dertil 143 neutroner. I alt 235 protoner + neutroner. Teknisk skrives de to forskellige isotoper af uran:

uran-235       

uran-238       

Fordelen ved uran er, at man udnytter energien ved at omdanne kernerne i uran, så det sker uden en forbrænding. Dermed undgår man helt CO2 som ved forbrændingen af de fossile brændsler.

Ulempen ved uran er:

1. at man producerer en masse radioaktivt affald, som er skadeligt for miljøet, hvis det slipper ud ved uheld. Dertil kommer, at man skal deponere affaldet sikkert, så det ikke kommer i forbindelse med vore omgivelser.
2. Et specielt problem med det radioaktive affald er, at det indeholder et radioaktivt grundstof plutonium- 240, som er let kemisk at isolere, fra det øvrige affald, og at denne isotop kan bruges til fremstilling af atomvåben.
3. Uran ligesom de fossile brændsler en begrænset ressource, så uranen når også at blive opbrugt ret hurtigt. Dog har man i et fælles fransk-italiensk m.fl. samarbejde bygget et atomkraftværk, der udnytter uran-238. Dette anlæg udnytter den tilgængelige uran op til 100 gange så effektivt. I øjeblikket er det dog noget dyrere at producere strøm på denne måde, og sikkerhedsproblemerne er også langt større end med et traditionelt atomkraftkværk.  

• Figur af uranforekomster i verden
• Tabel over uranforekomsterne i verden
• En artikel i ingeniøren om formeringsreaktorer:
  http://ing.dk/artikel/4262-verdens-stoerste-formeringsreaktor-nu-paa-fuld-kraft?highlight=reaktorer

• Animationer

Hvor kommer energien fra globalt set?

Energien fra Solen udstråles for en god dels vedkommende tilbage til universet. Energien fordeler sig efter følgende oversigt:

Jorden modtager energi fra Solen, og denne energistrøm er helt fundamental for Jordens klima og liv. Hvis det ikke var for sollyset ville Jorden lige gold hen som en kold planet uden liv. Lyset og energien fra Solen er dermed baggrunden for det meste af klimaet og aktiviteten på Jordens overflade.

Hver kvadratmeter modtager 1400 W = 1400 joule pr. sekund fra Solen, når denne kvadratmeter holdes vinkelret på solstrålerne. Dette tal benævnes solarkonstanten. Enheden W = watt er det samme som joule pr. sekund = J/s

Figur med Solen og Jorden og en enkelt kvadratmeter

Figur med varm solstråling ind og kold jordstråling ud.

• Note om geotermisk energi.
• Note om tidevandseffekt.

• Jordens energibalance - områder med enerigioverskud og områder med energiunderskud
• Figur med kloden med temperaturer i farver. Sommer vinter, forår og efterår.
  Dag og nat.

• Figur med energien til Jordoverfladen. Hvordan fordeler den sig med hensyn til planter etc.?
  Hvor meget går til deponering i form af kul og olie?
  Hvor meget omsættes til bio-energi i planterne?

Data

• Dagens temperatur
  i verdenshavene - http://virtuelgalathea3.dk/node/340

• Solceller -TJ
  

En solcelle omdanner solstrålernes energi til strøm. Det ske ved at lyset frigør elektroner fra neutrale atomer, som dermed bliver ioniseret. Ionerne ville normalt indfange elektronerne igen under energiudsendelse i form af lys, og energien ville være gået tabt. Det smarte ved solcellen er, at elektronen først skal en tur omkring det elektriske kredsløb, som er sat til solcellen for at ionen igen kan indfange elektronen.
Solceller er ret dyre at producere, og har endnu forholdsvis lav virkningsgrad. Derfor ser man pt kun solceller placeret i forholdsvis små installationer, hvor det ellers er urentabelt at brug almindelig el.

Solcellen virker ved at lyset rammer en elektron i et neutralt atom og slår til den, så den lander på den grønne plade. Fora t elektronen igen kan forenes med sin ion og danne et neutralt atom, tvinges den gennem kredsløbet med den elektriske pære. 

• Artikel om solceller
  http://www.nanovidensbank.dk/sw39469.asp

Et konventionelt kratværk udnytter energien i et brændsel og overfører denne energi til vand i en beholder, som begynder at koge. Dampen trækker en turbine, som trækker en dynamo, der leverer strøm. Strømmen sendes via el-ledninger til forbrugerne.

energi -> varmt vand -> damp -> energi til turbine -> energi til dynamo -> el -> energi til forbrugerne

Figur af kraftværk

Hvad sker der under en forbrænding?
Ved en forbrænding reagerer et stof (brændslet) ved tilsætning af oxygen (O2) til andre stoffer. Det sker ved at atomerne i brændslet går fra hinanden og går sammen i nye forbindelser under energiudvikling. Det mærkes ved, at det bliver varmt under en forbrænding. Det enkelte atom omdannes ikke. Det er kun forbindelserne mellem atomerne (bindingerne), der brydes og dannes med nye naboer. Antallet af atomer af en bestemt type (grundstof), som indgår i reaktionen) er derfor det samme som antallet af atomer, der kommer ud af reaktionen. Der kan altså ikke opstå og der kan ikke forsvinde atomer under en kemisk reaktion. Det enkelte atom kan derimod godt få nye naboer. Dette viser man ved at afstemme reaktionen, som betyder, at for hvert grundstof skal antallet af atomer være det samme på begge sider af reaktionspilen.

Forbrændingen af kul

Figur af molekyler og atomer

Forbrænding af naturgas:

Figur af molekyler og atomer

Dyr og planter indgår i et fælles oxygen og CO2 kredsløb. Planterne producerer O2 ved at optage CO2 fra luften. Omdannelsen sker under optagelse af lys fra Solen. Dette kaldes fotosyntese. Til gavn for planterne omdannes energien i lyset til brugbar energi i planterne, ligesom C fra CO2 omformes, så der produceres glukose og andre nyttige molekyler til planten.

Dyrene derimod optager luftens O2 og udånder CO2, der er restproduktet fra dyrecellens forbrænding af energi. Dette kaldes respiration.
Luften indeholder derfor naturligt såvel O2 som CO2, og der er balance mellem de to gasarter i Jordens atmosfære.
Mennesket forstyrrer denne balance ved forbrænding af fossile brændsler (kul, olie og gas), som vi henter op af jorden og afbrænder nu. Brændslerne er dannet af planter og dyr for millioner af år siden, og indgik dengang i det naturlige kredsløb mellem O2 og CO2. Problemet er ikke selve energien, der brændes af. Denne energimængde er næsten forsvindende i forhold til den energimængde, som Jorden modtager fra Solen. På kun 45 minutter modtager Jorden mere energi fra Solen, end mennesket samlet forbrænder på et helt år (2006). Nej problemet er, at CO2-gassen i atmosfæren forstyrrer selve energiindstrømningen fra Solen. CO2 har nemlig den egenskab, at det lader lysets kortbølgede stråling fra Solen passerer uhindret mod Jordens overflade, mens det absorberer den langbølgede stråling, der normalt strømmer fra Jordens overflade tilbage til verdensrummet, og som gør, at der er et stabilt klima på Jorden. Balancen sikrer, at her ikke bliver varmere og varmere, at der er koldere på polerne og at der bliver koldt om natten. Man kalder denne virkning for drivhuseffekten, da det virker som om jordkloden er placeret i et drivhus. Glasset i et drivhus har samme effekt, idet glasset lader lyset, den kortbølgede stråling fra Solen passere uhindret, mens varmestrålingen fra drivhuset bremses af glasset på vej tilbage til verdensrummet.

Figur med et drivhus

og en med CO2

Figur af atmosfærens CO2-indhod de sidste 100 000 år. Og figur de sidste 100 år.

Hvad er CO2-neutralt brændstof?

Alt biologisk materiale indgår i naturens kredsløb. Når en plante eller et dyr frembringes, sker det ved brug af biologisk materiale, som frigøres igen, når planten eller dyret siden dør. I levende live indgår det naturligvis i kredsløbet af CO2 og O2, og når en plante dør, frigøres CO2 svarende til den mængde CO2, som planten har optaget i levende live. Det sker hvad enten planten afbrændes eller den opløses af mikroorganismer. Så afbrændes halm i et kraftværk siges dette at være en CO2 neutral afbrænding, da den frigjorte CO2 var frigjort alligevel, hvis halmen bare var formuldet på marken.

Pointen er, at den CO2 neutrale forbrænding ikke bidrager til forøget mængde CO2 i atmosfæren.

Kornprodukter er tilsvarende CO2 neutrale brændsler.

En bedre måde at undgå CO2 i atmosfæren er fx ved at omdanne affald som plastic og papkasser til bioethanol eller biodiesel, hvor det hhv. omdannes brugbar energi.

Vindkraft er en af de mest udnyttede vedvarende energiformer i Danmark, men det er også en energiressource med problemer.
El skal forbruges i samme sekund, som den produceres. Hvordan gør man det i et elsystem som det danske, hvor vindmøllerne producerer som vinden blæser, og kraft­varmeværkerne producerer el alt efter hvor meget varme, de skal sende til fjernvarmeforbrugerne - og hvor en fodboldkampkan gøre, at alle folk pludselig tænder for fjernsynet?

Problemformulering:

• Hvilke problemer står vi overfor, når man vil prøve at dække forsyningen med vindkraft eller andre energikilder, der ikke kan styres?

I

Vindkraftanlæg omsættes kinetisk energi til elektrisk energi.
Den forskelligartede globale indstråling skaber strømninger i Jordens atmosfære, og denne soldrevne kinetiske energi udnytter vi i vindmøllerne. Det har mennesker gjort længe.
Det vides, at perserne har udnyttet vindkraft i møller for mere end 2.200 år siden, og for ca. 1.000 år siden kendes møller i Europa med stort set det samme udseende, som vi kender i dag fra gammeldags vindmøller.

Gennem første halvdel af 1900-tallet blev vindmøllerne, der fandtes på tagene af talrige danske gårde, fortrængt af elektriciteten. Der var gjort sporadiske forsøg på at fremstille elproducerende møller, men ingen var rigtigt vellykkede.

Efter oliekrisen i 1973 kom der igen fokus på vindkraft, som her i landet blev kraftigt understøttet af statslige tilskud til etablering. Mange mølletyper og detaljer har været afprøvet, men nu er stort set alle vindmøller den kendte model med tre vinger.
Statsstøtten betød et vigtigt skub til udviklingen af en helt ny industri i Danmark, og resulterede i, at vi i 1990 passerede en årlig vindbaseret elproduktion på 1 GW fordelt på omkring 1.000 møller. Elproduktionen voksede til 1,2 GW i 1997 svarende til ca. 10 % af det danske elforbrug. I 2006 er den samlede installerede kapacitet omkring 3,1 GW, hvoraf ca. 1/8 stammer fra havmøller.
De traditionelle mølleparker forventes at have udviklingsmuligheder til at kunne producere op til 22 PJ/år, og med beslutningen om opførelse af yderligere to off-shore vindmølleparker á 200 MW i henholdsvis 2008 og 2009, bringes den samlede danske vindkrafteffekt op på godt 3,7 GW.
I de senere år er tendensen gået i retning af udvikling og etablering af store parker af store (op til 2 MW) havbaserede møller. Det skyldes, at mange møller kan have en skæmmende effekt på landskabet og give anledning til støjgener i nabolaget.
Afgørende er dog, at produktionen er en funktion af vindhastigheden i tredje potens. Landskabets ruhed, dvs. gnidningsmodstand, nedsætter vindhastigheden betydeligt, hvorfor de store energimæssige fordele ved at placere møllerne ude på det glatte hav opvejer de store anlægsudgifter.

Kenya bygger Afrikas største vindfarmKenya bygger Afrikas største vindfarm

gggg

Fotosyntesen foregår i bladenes grønkorn. Det er bl.a. derfor at blade er grønne. Den grønne farve fremkommer ved, at grønkornene opfanger den øvrige del af lyset (det hvide lys) fra Solen. Derfor er det kun det grønne lys, der bliver tilbage, og som efter udsendelsen igen rammer vores nethinde.

Men hvad sker der under omdannelsen? I detalje er det en kompliceret biokemisk proces.

• Luftens CO2 opfanges af cellerne i bladene
• Vand fra plantens rødder føres til bladenes celler
• Lys fra Solen rammer cellernes grønkorn
• Lyset bevirker, at CO2 molekylerne spaltes, så der dannes frit O2
• O2 frigives til atmosfæren
• C fra CO2 går sammen med andre C’er, O og H fra H2O til glukose

I bladenes overflade udveksles CO2 og O2 med luften omkring:

Kemisk kan vi skrive det:

Det skal læses således, at CO2 og H2O går sammen og giver glukose og oxygen.

Skal vi være mere præcise, vil vi afstemme reaktionen, så vi kan se, hvor mange molekyler der indgår i reaktionen.

Skal vi være mere præcise, frigøres der også vand til luften ved fotosyntesen. For hvert glukosemolekyle frigøres der 6 vandmolekyler. Tages der hensyn til dette får vi reaktionen:

Reaktionen foregår i grønkornene kaldet kloroplaster.

Kloroplasterne består af stabler, grana, af thylakoidmembraner. Det er i disse membraner, at fotosyntesen foregår.

I meget stor detalje, kan energien følges som en animation af processen:

• http://vcell.ndsu.edu/animations/photosynthesis/movie.htm

Produktion af oxygen fra CO2 og sollys kan også foregå i bakterier uden brug af grønkorn. Det er vist i følgende skitse:

8. Menneskets energi

Hvor meget får du at spise i dag? og hvor meget får nn at spise i XX?

1. Er det skævt?

Organisere faglig viden

Hvordan får du og nn mad på bordet? (kvalitativt)

1. Hvordan produceres fødevarerne?
2. Hvordan forarbejdes fødevarerne?
3. Hvordan transporteres maden helt frem til dit spisebord?
4. Hvordan tilberedes maden?

Analysere data – globalt

Verdens energiforbrug og Danmarks energiforbrug

Er det skævt? Hvor meget energi skal der bruges for at du får mad på bordet? (kvantitativt)

1. Hvor meget energi bruges der på at producere fødevarerne?
2. Hvor meget energi bruges der på at Forarbejde fødevarerne?
3. Hvor meget energi bruges der på at transportere fødevarerne?
4. Hvor meget energi bruges der på at tilberede fødevarerne?
5. Hvor meget energi er der samlet forbrugt til at producere din mad?

Hvad bruger kroppen energien fra maden til?
Hvordan måles kroppens energiforbrug?
Hvor meget energi (effekt = energi pr. sekund)

• Spiser du?
• Bruger du lige nu?
• Bruger du i gennemsnit i løbet af en dag?
• Bruger du ved at være dansker?
• Bruger du ved at være borger på jorden?
• Bruger du ved at være borger i solsystemet?

Hvor meget energi bruger jordens samlede befolkning om året?

Analysere data tematisk

9. Opgaver

• Opgaver
  
  

10. Eksperimenter

• Eksperimenter ved NV

11. nnovativ del – handlingsorienteret

I den innovative del udforskes nogle af spørgsmålene, med helt centrale problemstillinger som er vedkommende for de enkelte elevgrupper og som skal føre til en fokusering på en helt specifik udfordring og et konkret forslag til hvordan udfordringen klares, dvs. hvilken handling der skal til for at løse problemstillingen.
De naturvidenskabelige argumenter skal være centrale i handlingsforslaget.

Ideer til innovative projekter …
Skitser en model hvor jordens energibehov kan dækkes ved brug af vedvarende energi.
Skitser en model hvor jordens energibehov kan dækkes ved brug af CO2-neutral energi.
Hvordan løses verdens energiproblemer?
Hvordan koges vandet mest effektivt?
Hvordan fremstilles maden mest energieffektivt?
Sammensæt en opskrift hvor en majsgrød indgår.

• Innovative opgaver ved NW

Innovativ del – handlingsorienteret

12. Aktiviteter

Aktiviteter med de andre globale gymnasier/den globale verden

• Blogging, videokonferencer hvor projekter præsenteres
• Gruppearbejde på tværs af gymnasier (kræver koordinering af tidspunkter og emner)
• Foredrag podcastes så andre gymnasier kan få glæde af disse

Aktiviteter

13. Konkurrencer

• Webkamera og en konkurrence
• Rokonkurrence mellem gymnasierne – koblet via internettet
• Remote impact, boksekonkurrence mellem gymnasierne, via internettet

Konkurrencer

14. Links

• Links