STEM Renewable Energies

Investigación sobre energías renovables!

¿Cómo se puede generar electricidad respetuosa con el medio ambiente? ¿Cómo funciona una pila de combustible y cómo puede utilizarse para producir hidrógeno? Las energías renovables serán nuestras fuentes de energía más importantes en el futuro. La generación, el almacenamiento y la utilización de electricidad a partir de las fuentes de energía naturales del agua, el viento y el sol se explican claramente mediante nueve modelos y 28 experimentos. Los potentes módulos solares, con sus múltiples posibilidades de montaje, permiten un uso flexible en los modelos. La tapa de oro incluida sirve como almacén de energía y puede liberar la energía inyectada a la red. La pila de combustible sirve para ilustrar claramente cómo el agua se divide en los dos componentes hidrógeno y oxígeno. De este modo, se aprende el principio de las futuras formas de energía y se entrenan importantes destrezas. Con los completos planes de clase, el STEM Energías Renovables puede utilizarse de forma óptima en el aula.

Gasto de tiempo

Cada tarea contiene información detallada sobre el tiempo para estructurar la lección.

Objetivos de aprendizaje

Hacer comprensibles y sostenibles los fundamentos de las energías renovables.

Nivel de edad

Nivel secundario

Número de alumnos

2-4 por kit

Temas y objetivos de aprendizaje

Tarea 1: Generador manual / fuerza muscular

Tema: Modelo de introducción a las energías renovables. Flujo de energía y conversión de la energía.

Objetivos de aprendizaje:

Formas de energía y convertidores de energía. De la energía cinética (fuerza muscular) a la energía eléctrica. Aplicación de la tecnología de engranajes.

Aplicación práctica de una caja de cambios multietapa y cálculo de la relación de transmisión en el modo rápido.

Uso técnico de un generador.

La tensión directa. Una propiedad de los diodos semiconductores.
Tarea 2: Turbina hidráulica / energía hidroeléctrica

Tema: Analizamos la energía hidroeléctrica mediante un modelo y conocemos una forma alternativa de generación de energía en el contexto de las energías renovables.

Objetivos de aprendizaje:

Formas de energía renovable y convertidores de energía. De la energía cinética (hidroeléctrica) a la energía mecánica (generador) y a la energía eléctrica.

Tipos de centrales y almacenamiento de energía hidroeléctrica

Aspectos ecológicos de la utilización de la energía hidroeléctrica

Aplicación práctica de una transmisión por correa como medio de transmisión de movimiento o potencia entre elementos de transmisión distantes.
Tareas 3, 4 y 5: Aerogeneradores / energía eólica

Tema: Investigamos la energía eólica utilizando 3 modelos diferentes y aprendemos así sobre una forma de energía alternativa para la generación de energía en el contexto de las energías renovables.

Objetivos de aprendizaje:

Formas de energía renovable y convertidores de energía. De la energía cinética (energía eólica) a la energía mecánica (generador) y a la energía eléctrica.

Eficiencia y retos técnicos en el diseño de aerogeneradores de distintos tipos.

Calcula el potencial de la energía eólica.

Ventajas e inconvenientes de la energía eólica.
Tarea 6: Modelo funcional / energía solar

Tema: Investigamos la energía solar/energía solar utilizando un modelo funcional de fotovoltaica y, de este modo, conocemos una forma alternativa de energía para la generación de energía en el contexto de las energías renovables.

Objetivos de aprendizaje:

Formas de energía renovable y convertidores de energía. De la energía radiante (energía solar) a la energía eléctrica.

Funcionamiento, eficiencia y retos técnicos en la construcción de sistemas solares.

Circuitos eléctricos: Circuitos en paralelo, serie, antiparalelo- Manejo de instrumentos de medida.

Almacenamiento de energía solar
Tarea 7: Estación de carga de pilas de combustible / energía química

Tema: Conversión de energía química en energía eléctrica. Si el hidrógeno necesario para la reacción de combustión se obtiene utilizando electricidad procedente de fuentes renovables, la pila de combustible puede considerarse una fuente de energía renovable.

Objetivos de aprendizaje:

Formas de energía renovable y convertidores de energía. De la energía química a la energía eléctrica.

Electrólisis del agua. Funcionamiento y eficiencia de una pila de combustible de hidrógeno

La reacción electroquímica de la combustión en frío.

Almacenamiento de electricidad procedente de energías renovables (energía solar/eólica)

Por energía regenerativa o renovable se entiende el suministro de energía a partir de fuentes sostenibles como el sol, el viento, el agua, la energía geotérmica o la biomasa. Están disponibles en cantidades casi inagotables. El sol aún tiene una vida útil de unos 5.000 millones de años. La radiación solar puede convertirse en electricidad o calor. La energía eólica, la hidroeléctrica y la biomasa también son energía solar transformada.

En cambio, las reservas de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo, el gas natural y los combustibles nucleares convencionales disminuyen continuamente a medida que continúa el consumo. Estos combustibles fósiles son energías no renovables. Una vez quemados en una central eléctrica o de calefacción, dejan de estar disponibles. No se regeneran, se devalúan.

Sin embargo, el crecimiento de la población mundial y el avance del desarrollo tecnológico de la humanidad provocan una enorme demanda de energía, que no deja de aumentar. También se sabe que las emisiones del gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO2) procedentes de la combustión de petróleo, gas natural y carbón son muy elevadas y, según los conocimientos actuales, son la causa del calentamiento global. Sin embargo, las emisiones de gases de efecto invernadero de las energías renovables son sólo de 1/10 a 1/100 por unidad de energía generada en comparación con las fuentes de energía fósiles.

La transición del suministro energético de los combustibles fósiles y nucleares a las energías renovables está ya en pleno apogeo y se conoce en Alemania como la transición energética. Además de la creciente expansión de las energías renovables, la reducción de nuestro consumo de energía y el aumento de la eficiencia energética mediante el progreso tecnológico son cuestiones clave y retos actuales. En la vida cotidiana, nos encontramos con la transición energética en la electromovilidad en el transporte, en la compra de electrodomésticos energéticamente eficientes o en la rehabilitación energéticamente eficiente de edificios.

La Agencia Federal de Medio Ambiente facilita periódicamente datos actuales y de calidad garantizada sobre el desarrollo de las energías renovables en Alemania.

Pero, ¿qué es la energía?

Experimentamos las manifestaciones de la energía a través del calor del fuego o la fuerza del viento. No podemos verla, oírla, saborearla ni olerla y, sin embargo, la utilizamos de muchas maneras diferentes. Lo sabemos por la física: La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Cuando se enciende una lámpara o se mueve un coche con gasolina, experimentamos la conversión de una forma de energía en otra con la ayuda de convertidores de energía. Por tanto, la energía no es una sustancia, sino una propiedad de los cuerpos. La corriente eléctrica tampoco es energía. Transporta la energía consigo y sólo la libera en los aparatos eléctricos. La corriente eléctrica transporta energía.

Desde un punto de vista estrictamente científico, el uso generalizado de los términos energía renovable o regenerativa es, por tanto, incorrecto. La energía no puede generarse ni consumirse, es decir, no puede renovarse. La energía sólo puede convertirse de una forma a otra. Aunque la cantidad de energía en un sistema cerrado permanece constante, la proporción utilizable de energía varía en función de la conversión. En total, la cantidad de energía sigue siendo la misma. Más concretamente, lo que llamamos consumo de energía es la devaluación de la energía. El valor de uso de la energía disminuye a través de la conversión y el transporte. Por ejemplo, al quemar madera, la energía química almacenada en la madera se convierte en energía térmica y luminosa. Cuando el calor se libera al medio ambiente, deja de ser útil, se devalúa, decimos "se gasta".

Dado que nuestro consumo de energía aumenta constantemente mientras los combustibles fósiles disminuyen, resulta aún más apasionante experimentar con las energías renovables y comprender cómo pueden utilizarse la energía solar, la eólica y la hidroeléctrica para convertir y almacenar energía y mejorar la eficiencia de la transmisión energética.

Energía hidroeléctrica

La energía hidráulica es sin duda una de las fuentes de energía más antiguas. Ya hace 3.500 años se utilizaba la energía del agua en Mesopotamia con la ayuda de ruedas hidráulicas. De la rueda hidráulica a la turbina había un largo trecho. Los conocimientos de ingeniería del Siglo de las Luces permitieron mejorar las ruedas hidráulicas y, en última instancia, construir nuevos tipos de máquinas, como las de columna de agua. En 1824, Claude Burdin inventó finalmente la primera turbina sobre esta base. Cuando Werner von Siemens inventó el generador electrodinámico en 1866, se hizo posible convertir la energía hidráulica en electricidad. En 1880 se puso en funcionamiento la primera central hidroeléctrica en Northumberland (Inglaterra). En 1890 se conectó a la red la primera central hidroeléctrica alemana, que fue también la primera de corriente alterna, en Bad Reichenhall, y en 1896 se construyó en las cataratas del Niágara (Estados Unidos) la primera central eléctrica a gran escala del mundo.

Energía eólica

Con la llegada de la electricidad a finales del siglo XIX, se hicieron los primeros intentos de generar electricidad con turbinas eólicas basadas en la tecnología de los molinos de viento. En los años 50, el ingeniero J. Juul se convirtió en pionero al construir en Vester Egesborg la primera turbina eólica del mundo para generar corriente alterna. El innovador aerogenerador de Gedser, con una potencia de 200 kW, fue construido en 1956-57 por J. Juul para la compañía eléctrica SEAS en la costa de Gedser, al sur de Dinamarca. En 1987 se construyó el primer parque eólico de Alemania en el emplazamiento de Growian, cerca de Marne.

Fotovoltaica

El efecto fotovoltaico fue descubierto por Alexandre Edmond Becquerel en 1839, marcando el inicio de la historia de la energía fotovoltaica. Sin embargo, pasaron más de cien años antes de que se utilizara en el suministro de energía.
La primera explicación del efecto fotoeléctrico la dio Albert Einstein en 1904. Anteriormente, Edmond Becquerel había aportado pruebas de una conexión entre la luz y la generación de energía, pero inicialmente no se pudo obtener ningún beneficio de este descubrimiento. En 1954, los físicos Chapin, Fuller y Pearson consiguieron construir la primera versión mundial de una célula solar de silicio. Este fue el pistoletazo de salida para el uso de células solares cristalinas para convertir la luz solar en energía eléctrica. Las primeras 108 células fotovoltaicas se utilizaron en la misión del satélite estadounidense Vanguard en 1958.

Sin embargo, pasarían otros 20 años antes de que se instalaran sistemas terrestres. En 1976, el gobierno australiano decidió equipar la red de telecomunicaciones del interior del país con células solares para cargar las baterías allí instaladas. A mediados de los años 80, el ingeniero suizo Markus Real convenció a la gente para que instalara pequeños sistemas fotovoltaicos descentralizados en los tejados de las casas, con el fin de demostrar la implantación privada. Posteriormente se pusieron en marcha numerosos proyectos solares a gran escala, como el Programa de los 1.000 tejados en Alemania (1990) y el Programa de los 70.000 tejados en Japón (1994). En 2010 se superó la barrera de los diez gigavatios en Alemania y en 2012 ya se habían alcanzado los 25 gigavatios. A finales de 2019, se habían instalado más de 49 GW en Alemania.

Cuando el 11 de junio de 2001 la industria energética y el Gobierno alemán firmaron el abandono de la energía nuclear, la llamada transición energética, la conversión del sistema energético hacia un suministro de energía sostenible con ayuda de las energías renovables, pasó a primer plano de la percepción social, la investigación actual y el desarrollo tecnológico.

El juego de construcción fischertechnik learning Energías renovables trata los temas centrales de la conversión de energía mediante convertidores de potencia, la transmisión de energía y el almacenamiento de energía de fuentes de energía renovables. Los distintos modelos de energía eólica, hidroeléctrica y fotovoltaica invitan a experimentar y explorar y a abordar temas actuales de la ciencia y la física.

Para el trabajo con energías renovables se utilizan los siguientes componentes de fischertechnik:

El micromotor solar fischertechnik es pequeño pero potente. Funciona con una tensión continua de 0,5-2V.
Dos células solares 60x60 1,0V 0,44A proporcionan la potencia necesaria para accionar los modelos o como convertidor de energía para el almacenamiento de energía.
Un tapón solar de oro 10F 2,3V, que se caracteriza por su altísima capacidad.

Una pila de combustible Hydro-Cell 0,5V-0,9V 0,5A, con la que la energía química de un combustible (por ejemplo, hidrógeno) puede convertirse en electricidad.
Un convertidor de tensión, que transforma la tensión de salida de la pila de combustible de aproximadamente 0,9 V a aproximadamente 2,0 V.

Por supuesto, todo esto encaja perfectamente en el sistema fischertechnik, de modo que no sólo se representan los problemas básicos de las energías renovables, sino que también se pueden manejar modelos funcionales realistas

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