Příprava Nadpis: Zásoby zemního plynu Témata: Studenti se seznámí s tématem využití zemního plynu a v souvislosti s tím se budou věnovat různým mezipředmětovým aktivitám zaměřeným na matematiku a ostatní přírodní. Čas: 4 x 45 min Věk: 6. - 9. ročník, 12-15 let Diferenciace Nižší úroveň Studenti mají porozumět výhodám a nevýhodám využití zemního plynu jako zdroje energie a jsou schopni vypočítat spotřebu zemního plynu. Vyšší úroveň Studenti mohou připravit komplexní modely pro výpočet spotřeby zemního plynu a uzpůsobit svůj model reálnému světu. Studenti mohou přijít i s nápady/řešeními na zlepšení spotřeby zemního plynu. Instrukce, ICT podpora atd. Klíčová otázka: Jak můžeme minimalizovat nevýhody používání zemního plynu, abychom zlepšili využití zemního plynu, a kdy budou zásoby plynu vyčerpány? Studenti pracují ve skupinách a poskytnou manažerovi společnosti užitečné informace o klíčové otázce. Studenty můžeme uvést do problému následujícími instruktážními videi: https://www.youtube.com/watch?v=xb9ef6nslou https://www.youtube.com/watch?v=_pdod_fennk Studenti pracují ve skupinách po 3-4. Studenti mohou pro přípravu modelů výpočtu použít tabulkový procesor. 1
Příprava Pomůcky pracovní listy počítače s internetovým připojením počítače s požadovaným softwarem (Excel, Google Sheets nebo jakýkoliv jiný tabulkový procesor) Požadované znalosti: elementární aritmetické operace Bezpečnost: Výstupy Všichni: Všichni studenti by měli porozumět otázce spotřeby energie a současné situaci využití zemního plynu. Všichni studenti by měli být schopni vytvořit model pro výpočet doby, kdy budou vyčerpány zásoby zemního plynu. Většina: Většina studentů by měla porozumět hlavním výhodám a nevýhodám využití zemního plynu (ve srovnání s dalšími zdroji energie). Studenti by měli být schopni vytvořit komplexní modely pro výpočet doby, kdy budou zcela vyčerpány zásoby zemního plynu. Někteří: Někteří studenti by měli být schopni přijít s konkrétními návrhy, jak minimalizovat nevýhody využití zemního plynu (např. bez zápachu). Studenti by měli být schopni sestavit sofistikované modely pro výpočet doby, kdy budou zcela vyčerpány zásoby zemního plynu, měli by zvažovat i další faktory, které mohou situaci ovlivnit (např. objevení nových zásob). 2
Příprava Popis hodiny Úvodní aktivita Na úvod mohou studenti pracovat individuálně. Přečtou si úvodní text a zodpoví otázky ( 1). Účelem této aktivity je studenty uvést do problematiky a seznámit je s různými zdroji energie, myšlenkou obnovitelných i neobnovitelných zdrojů a s nárůstem spotřeby zemního plynu. Hlavní aktivita Studenti vytvoří skupiny po třech až čtyřech. Během hlavních aktivit (y 2, 3) pracují studenti na řešení zadaného úkolu ve skupinách. Nicméně každý student dostane svůj pracovní list. Každá skupina pracuje pod vedením vyučujícího matematiky či fyziky. Pokud potřebují, poskytneme jim nezbytnou zpětnou vazbu. V druhé aktivitě ( 2) studenti hledají výhody a nevýhody využití zemního plynu. Současně od studentů očekáváme (alespoň od některých), že navrhnou nějaké způsoby, jak minimalizovat nevýhody zemního plynu a zlepšit tak jeho využití. Ve třetí aktivitě ( 3) se studenti snaží vytvářet různé modely (dle třech zadání), aby zodpověděli základní otázku: Kdy dojde k vyčerpání zásob zemního plynu? V průběhu závěrečné aktivity ( 4) studenti individuálně píší dopis, kde popisují svá hlavní zjištění. Závěrečná aktivita Proběhne diskuze celé třídy. Každá skupina prezentuje své výsledky. Učitel diskuzi vede a směřuje ji k hlavním myšlenkám (např. zlepšení využití zemního plynu, modely výpočtu zásob), které studenti využívali při řešení zadání, a poskytne studentům vodítko, jak ještě zlepšit jejich řešení. 3
Spotřeba energie ve světě 1 Energetická udržitelnost je snaha nalézt rovnováhu mezi rostoucí ekonomikou, ochranou prostředí a sociální zodpovědností za kvalitu života současných a budoucích generací. Energetická udržitelnost může inspirovat ekologicky smýšlející společnosti k technickým inovacím. Obnovitelné zdroje jako sluneční záření, vítr a biomasa jsou zdrojem udržitelné energie. Patří sem i biopaliva jako etanol, který je vyráběn z plodin jako kukuřice nebo cukrová řepa. Regulace, které mají zredukovat emise z aktivit spojených např. s těžbou uhlí, mohou také pomoci energetické udržitelnosti, stejně jako to dělají ti, kteří hospodaří s energií. 4 Zdroj: EIA, Světová energie 2008 Ke splnění energetických nároků je nezbytné, abychom efektivněji zacházeli s tím, co vyrobíme. Jak snížíme spotřebu energie a přitom budeme stále schopni napájet vše od počítačů až po auta? Odpovědí na tuto otázku jsou jak nové technologie, tak nové kulturní zvyky. Více než 85% současné světové produkce elektřiny patří fosilním palivům, ropě a zemnímu plynu. Ve světě jsou zásoby fosilních paliv na několik desítek let, co se stane, až budou tyto zásoby vyčerpány? Zredukováním emisí z fosilních paliv snížíme plýtvání a současně můžeme využít stávající technologie k udržení čistého ovzduší. Je nezbytné rozšířit využití všech zdrojů: uhlí, atomové energie, biomasy, dalších obnovitelných zdrojů, ropy a zemního plynu. Tyto možnosti jsou součástí energetické udržitelnosti. Ropa a zemní plyn tvoří dohromady naftu. Výraz petroleum (anglicky nafta ) pochází z latinského výrazu zemní olej. Označujeme jím fosilní palivo, což znamená, že vzniklo přirozenou cestou rozkladem prehistorických rostlin a zvířecích pozůstatků. Jedná se o směsici stovek různých molekul obsahujících vodík a uhlík, které existují v kapalné podobě (surová nafta) a někdy v plynné (zemní plyn). Spotřeba zemního plynu roste napříč všemi ekonomickými sférami. Zemní plyn hoří čistěji než nafta nebo uhlí a právě tato výhoda podporuje jeho využití. Většina zemního plynu je rozváděna potrubím, což je limitující pro vzdálené zdroje, které nejsou blízko hlavním trhům. Nicméně v poslední době došlo k významnému
technologickému posunu v přeměně zemního plynu do kapalné podoby, což napomohlo jeho přepravě. 5
Zodpovězte následující otázky a. Vyjmenujte tři obnovitelné a tři neobnovitelné zdroje energie. b. Které kategorie zdrojů energie (obnovitelných i neobnovitelných) jsou nejčastěji využívány? c. Které faktory ovlivňují využití zemního plynu? 6
Zemní plyn: Výhody a nevýhody 2 Zemní plyn existuje v plynné podobě a je tvořen převážně metanem (CH4) a malým procentem dalších uhlovodíků. Zemní plyn je produkován v uhelných a naftových nalezištích. Zemní plyn může být využíván ve formě stlačeného zemního plynu (CNG) nebo zkapalněného ropného plynu (LPG). Některé výhody využití zemního plynu: 1. Méně škodlivý než uhlí nebo ropa, neboť způsobuje méně škod na životním prostředí. Jeho využití produkuje o 30% méně emisí než v případě ropy. 2. Snadné uchování a přeprava, neboť se snadněji uchovává než ostatní paliva. 3. Místní použití: Zemní plyn může být zaveden do domů potrubím a využíván k topení, vaření a napájení různých spotřebičů. Je to nejlepší palivo pro chod kuchyní vzhledem k jeho ovládání, spolehlivosti a přesnosti. Je také ekonomickým a důležitým palivem pro ohřev vody a vytápění velkých prostor, i pro vaření. 4. Palivo pro vozidla: Zemní plyn lze využít také jako palivo pro vozidla (auta, tryskové motory). Je čistším a levnějším palivem než diesel nebo benzín. 5. Průmyslové využití: Zemní plyn je využíván k produkci vodíku, amoniaku pro hnojiva a některých barev a plastů. 6. Bezpečnější: Je lehčí než vzduch a obvykle se rozptýlí, na rozdíl od propanu, který je těžší než vzduch a tak se shromažďuje a vytváří výbušné kapsy. Několik nevýhod zemního plynu: 1. Toxický a hořlavý: úniky zemního plynu jsou extrémně nebezpečné, neboť mohou způsobit explozi nebo požár. Když jej vdechneme, je plyn vysoce toxický. Největším nebezpečím je však, že je zcela bez zápachu. 2. Škody na životním prostředí: Hořením zemního plynu dochází k uvolňování oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a dalších sloučenin uhlíku, které patří mezi skleníkové plyny způsobující globální oteplování (klimatické změny). 3. Neobnovitelný: Stejně jako ostatní fosilní paliva zemní plyn patří mezi neobnovitelné zdroje a tak v určitém časovém horizontu dojde k vyčerpání zásob. Není tedy dlouhodobým řešením našich problémů. 4. Nedostatky při přepravě: Pokud je zemní plyn využíván jako palivo pro vozidla, spotřeba je vyšší než v případě benzínu. (http://www.fueleconomy.gov/feg/bifueltech.shtml) 7
Úkol 1: Přečtěte si předcházející text a zodpovězte následující otázky. Uveďte dvě (2) výhody využití zemního plynu, které považujete za nejdůležitější. Vysvětlete proč. Uveďte dvě (2) nevýhody využití zemního plynu, které považujete za nejdůležitější. Vysvětlete proč. Máte nějaké návrhy, jak zlepšit využití zemního plynu a minimalizovat nevýhody jeho použití? 8
Zásoby zemního plynu 3 Úkol 1: Celosvětové zásoby zemního plynu se na konci roku 1993 pohybovaly na 141.8 trilionech m 3. Od té doby se až do roku 2013 každoročně spotřebovalo průměrně 2.5 trilionů m 3 zemního plynu. Využijte poskytnutou informaci a odhadněte, kdy budou zásoby zemního plynu vyčerpány. Využijte různé domněnky a vysvětlete, jakým způsobem tyto domněnky ovlivní vaše řešení. 9
Úkol 2: Na konci roku 2013 byly zásoby zemního plynu 185.7 trilionů m 3. Využijte tuto informaci a přepracujte/ zlepšete svůj model, který jste vytvořili v prvním úkolu. Úkol 3: Podle BP, jedné z předních energetických společností, byly zásoby zemního plynu na konci roku 2013 dostatečné, aby uspokojily 55,1 let celosvětové produkce. Jak moc jste se svým odhadem přiblížili odhadu společnosti BP? Budeme-li předpokládat, že jejich odhad/ model je správný, jakým způsobem musíte svůj model přepracovat/ upravit, abyste dospěli ke stejnému závěru? 10
Zásoby zemního plynu 4 Ředitele BP Company zajímá vaše řešení problému se zásobami zemního plynu. Napište dopis adresovaný řediteli BP pro zásoby zemního plynu, který osvětlí, jakým způsobem lze zlepšit využití zemního plynu (minimalizací některých nevýhod) a jak váš tým postupoval při výpočtu zbývajících zásob zemního plynu. Ve svém dopise byste měli vysvětlit, jakým způsobem jste využili své znalosti z matematiky, přírodních věd a technických oborů k řešení problému! Vážený pane řediteli, Náš tým,, při svých výpočtech zbývajících zásob zemního plynu postupoval následujícím způsobem: 11