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Experimento - Medios didácticos para experimentar/Experimento 10+/Las energías renovables/Las energías renovables (Instrucción para los profesores) (editar)
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, hace 2 añosPágina creada con «{{Recurso educativo AEIF |Autor=Dieter Arnold; Burkhard Apell; |Área=Ciencias Naturales |Grado=Básico |Tipo de licencia=CC BY-SA |Formato=pdf, doc |Responsable de curaci…»
{{Recurso educativo AEIF
|Autor=Dieter Arnold; Burkhard Apell;
|Área=Ciencias Naturales
|Grado=Básico
|Tipo de licencia=CC BY-SA
|Formato=pdf, doc
|Responsable de curación= Editor
|Última actualización=2019/03/21
|Localización=https://medienportal.siemens-stiftung.org/es/experimento-10-b6-las-energias-renovables-107379}}
{{Calificación de recurso}}
==Descripción del recurso==
El experimento consta de cuatro experimentos parciales:
*La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz
*La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua
*La energía eléctrica a partir de la energía eólica
*La transformación de energía eléctrica en energía química y vice versa
La serie de experimentos parciales sobre la energía fotovoltaica, hidroeléctrica, eólica y la tecnología del hidrógeno se prestan muy bien para abordar el tema de las energías renovables. Sin embargo, su alcance en el tiempo y respecto al contenido es relativamente amplio. Por ello estos experimentos sirven, sobre todo, en forma de proyecto o en el marco de un día de proyecto dedicado al tema de la transición energética. Debido a su amplio alcance es casi imposible que los alumnos y alumnas aborden las bases científicas en los experimentos. En cambio, partiendo de que disponen de ciertos conocimientos fundamentales, estos experimentos se pueden aprovechar muy bien para verificar los conocimientos básicos de física y química. Otra posibilidad consiste en utilizar los experimentos parciales de forma individual para abordar uno de los temas científicos básicos con el ejemplo de una aplicación técnica conocida de la vida cotidiana.
'''Notas:'''
*Observe las indicaciones de seguridad incluidas en las instrucciones, así como las normas de seguridad vigentes en el colegio.
*Todos los materiales indicados en las instrucciones deberán adquirirse directamente de fuentes comerciales.
===El sol, el agua, el viento, el hidrógeno y la célula de combustible===
La serie de experimentos parciales sobre la energía fotovoltaica, hidroeléctrica, eólica y la tecnología del hidrógeno se prestan muy bien para abordar el tema de las energías renovables.
Sin embargo, su alcance en el tiempo y respecto al contenido es relativamente amplio. Por ello estos experimentos sirven, sobre todo, en forma de proyecto o en el marco de un día de proyecto dedicado al tema de la transición energética. Debido a su amplio alcance es casi imposible que los alumnos y alumnas aborden las bases científicas en los experimentos. En cambio, partiendo de que disponen de ciertos conocimientos fundamentales, estos experimentos se pueden aprovechar muy bien para verificar los conocimientos básicos de física y química. Otra posibilidad consiste en utilizar los experimentos parciales de forma individual para abordar uno de los temas científicos básicos con el ejemplo de una aplicación técnica conocida de la vida cotidiana. Dado
que en algunos casos sólo hay dos aparatos disponibles, es conveniente dividir la clase en grupos que realicen diferentes experimentos parciales.
===Pregunta central===
La escasez de recursos naturales extraíbles a un precio pagable, como la hulla, el petróleo y el gas natural (combustibles fósiles), la energía atómica y el enorme riesgo que supone su explotación, el cambio climático y la creciente toma de conciencia respecto al medio ambiente son factores que han hecho imperativo que se introduzcan rápidamente energías renovables adecuadas.
Las energías renovables o regenerativas son sostenibles, porque a diferencia de los combustibles fósiles (el carbón, el gas natural y el petróleo) y gracias al aprovechamiento de la energía solar son prácticamente fuentes de energía inagotables. Algunos ejemplos conocidos de energías renovables son la energía solar transformada directamente (la energía solar térmica y la fotovoltaica), la biomasa (p. ej., la madera, el biogás o el bioetanol), la energía eólica, la energía hidroeléctrica y la geotérmica. Con excepción de la biomasa sólo hay que pagar los costos de las instalaciones, puesto que las fuentes de energía en sí no cuestan nada.
Los alumnos y alumnas tienen en esta unidad de experimentación la posibilidad de adentrarse en la problemática del abastecimiento energético actual y de la utilización alternativa de energías renovables como una posible solución.
La idea es que comprendan la amplitud del término '''Energía''', particularmente los cuatro conceptos centrales: la transformación, el transporte, la conservación y la degradación de la energía. De manera experimental, se abordan las diferentes formas de la energía renovable en base a algunos ejemplos escogidos (de la energía solar, hidráulica y eólica).
En base al ejemplo de la transformación de energía eléctrica en energía química (hidrógeno) el objetivo es que los alumnos y alumnas conozcan un procedimiento para almacenar y transportar energía. Es probable que todavía se requiera muchísimo tiempo hasta que en las estaciones de servicio se pueda comprar hidrógeno en vez de los combustibles fósiles que hay hoy en día. Pero como almacén fijo para la energía eólica y solar el hidrógeno ya se está en la actualidad en fase de experimentación práctica.
===Integrar el experimento en el contexto educativo===
====Base científica====
El tema energía no siempre se trata en la enseñanza de ciencias naturales teniendo en cuenta toda su amplitud, a pesar de que los procesos biológicos y físicos así como las reacciones químicas siempre implican una forma de transformación energética. También en el día a día uno sólo piensa sobre la disponibilidad de las fuentes de energía (la electricidad, los combustibles, los alimentos, etc.) cuando de pronto ya no hay más reservas disponibles.
Sería de desear que los alumnos y alumnas se den cuenta de que debe aumentar la cuota de energías renovables en el abastecimiento energético mundial, a fin de compensar las reservas cada vez menores de combustibles fósiles y hacer que el creciente consumo energético sea más respetuoso con el medio ambiente.
Los alumnos y alumnas tienen conocimientos sobre la generación de energías renovables en los parques eólicos, las centrales hidroeléctricas o las centrales solares. Sin embargo, es menos conocido el hecho de que esas energías renovables se pueden transformar en una forma de energía como el hidrógeno, que tiene tantos campos de aplicación, para luego utilizarlo, p. ej., para el accionamiento de turbinas de gas o células de combustible.
Son útiles los conocimientos sobre el modelo de niveles de energía, el principio de la electrólisis y los conceptos básicos de las leyes de la electricidad (la tensión, la intensidad y la potencia), para poder realizar y evaluar los diferentes experimentos individuales.
====Relevancia en el plan de estudios====
El objetivo en el grupo de edad hasta los 15 años es dar a los alumnos y alumnas una visión general sobre los combustibles fósiles y las fuentes de energía renovables utilizadas en la vida cotidiana y en la técnica, así como las formas de energía que se obtienen a partir de ello (p. ej., las energías eléctrica, térmica, cinética o química). Han de comprender que la forma de energía primaria utilizada puede ser transformada si hace falta en otras formas de energía, aunque hay que tener en cuenta que se produce una determinada “pérdida de energía” (la degradación energética). La energía no se pierde en estas transformaciones, sino que se transforma en cierta cantidad en otra forma de energía diferente a la que se aspira (ejemplo: en un foco eléctrico sólo aprox. un 5% de la energía eléctrica se transforma en energía luminosa y un 95% en energía térmica).
En el grupo de edad a partir de los 16 años la idea es abordar aparte del aspecto cualitativo también el cuantitativo de la transformación de energía. De esta forma se puede calcular la potencia de las células solares o de combustible, así como la de los generadores.
A pesar de que el tema principal de este capítulo es del campo de la Física, en el capítulo de la “tecnología de hidrógeno” también se abordan contenidos de Química del plan de estudios.
'''Temas y terminología:''' El trabajo, la biomasa (p. ej., la madera, el biogás, el bioetanol), la definición del concepto energía (“la energía es la capacidad de un sistema para efectuar un trabajo” o “energía es un trabajo almacenado”), el modelo de niveles de energía, la transformación de la energía, el consumo energético, el abastecimiento energético, la geotermia profunda, la altura de caída del agua, las turbinas de gas, las centrales de energía maremotriz, la carga, la potencia, el metano, la sostenibilidad, la carga útil, la conexión paralela, la energía fotovoltaica, la conexión en serie, la energía solar térmica, las células solares, la tensión, los picos de demanda de electricidad, la corriente eléctrica, la energía hidroeléctrica, el molino de agua, la turbina de agua, la energía eólica, el molino de viento.
===Conocimientos a adquirir===
Los alumnos y alumnas después de realizar los experimentos han de ...
*conocer cómo se usan las células solares de silicio.
*entender cómo influyen las conexiones en serie y paralelas de las células solares sobre la tensión y la intensidad.
*entender cómo influye la intensidad del viento sobre la potencia de una turbina eólica.
*calcular la potencia de las turbinas hidroeléctricas y eólicas.
*entender cómo se obtiene hidrógeno en la electrólisis de una solución de soda.
*saber que se libera energía química en una reacción con gas oxhídrico.
*entender cómo se transforma la energía química almacenada en hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica (en la célula de combustible).
*poder desarrollar un concepto sencillo para la tecnología de hidrógeno.
*intercambiar con otros grupos los resultados obtenidos.
====El experimento en el contexto explicativo====
La Física define de la siguiente manera: “La energía es la capacidad de un sistema de efectuar un trabajo” o “la energía es el trabajo almacenado”. Una descripción comprensible para la educación escolar sería: “Un sistema tiene energía cuando puede hacer que algo se levante, se mueva, se caliente o ilumine”.
Al tratar este tema, las diferentes formas de energía, la transformación, el transporte, el almacenamiento y la degradación energéticas desempeñan un papel fundamental.
El ser humano, los animales y las plantas necesitan energía para vivir y en la técnica nada funciona sin energía.
La unidad de medida acordada a nivel internacional es el Joule (J). En los cálculos hay que tener en cuenta lo siguiente:
1 Joule = 1 J = 1 Newtonmeter = 1 Nm = 1 vatiosegundo = 1 Ws = 0,239 kilocalorías (kcal).
Un Joule equivale a la energía que se necesita para...
*levantar una masa de 100 g a una altura (aprox.) de un metro.
:<math>E_{pot} = m \cdot g \cdot \bigtriangleup h = 0.1kg \cdot 9.81 \frac{N}{kg} \cdot 1m = 0.981J</math>
*conseguir durante un segundo la potencia de un vatio (p. ej., hacer que un corazón lata una vez).
:<math> E=P \cdot t = 1W \cdot 1s = 1Ws = 1J </math>
*calentar un gramo de agua (a 15ºC) en 0,239ºC.
:<math> E=c \cdot m \cdot \bigtriangleup T = 4.18 \frac {J} {g \cdot °C} \cdot 1g \cdot 0.239°C = 1J </math>
A través de su consumo diario de energía o el contenido energético de los alimentos, los alumnos y alumnas pueden ir haciéndose una idea de la demanda energética en el ámbito de la técnica. El consumo energético diario de un joven de aprox. 10.000 kilojoule (kJ) corresponde a la energía necesaria para...
*hacer que un aparato de 1.000 vatios esté prendido durante 2,8 horas.
*calentar 30 litros de agua de 20ºC a 100ºC.
'''Atención:''' Aún cuando los términos generación y consumo energéticos sean utilizados permanentemente en un contexto económico, los alumnos y alumnas han de saber que desde el punto de vista físico y técnico son incorrectos. La energía no se puede generar ni se puede consumir, sino que sólo se puede transformar de una forma a otra: En el experimento parcial 1 se transforma la energía de radiación en energía eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica (motor). En el experimento parcial 2 de energía mecánica en eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica. En el experimento parcial 3 de energía mecánica en eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica. En el experimento parcial 4 de energía eléctrica en química y luego nuevamente en energía eléctrica.
=====La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz=====
En las células solares se miden la tensión y la corriente. La potencia P se calcula a partir de los valores de medición de la tensión U y la intensidad I.
Potencia P = Tensión U Intensidad I
Los posibles valores de medición en este experimento son:
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff;"
|- valign="top"
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Cantidad de células'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Conexión'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|- valign="top"
|1
|-
|0.5
|0.2
|0.1
|- valign="top"
|2
|conexión en serie
|1.0
|0.2
|0.2
|- valign="top"
|2
|conexión en parelela
|0.5
|0.4
|0.2
|}
'''Atención:''' Si bien la potencia calculada en base a la tensión en circuito abierto y la corriente de cortocircuito constituyen parámetros típicos para la célula solar, no corresponde, sin embargo, a la potencia efectiva bajo carga, es decir, si se conecta un consumidor. También el motor solar utilizado no es adecuado para determinar la potencia máxima posible de la célula solar. Para determinarlo tendría que variar la resistencia a la carga y la medición de los valores de la corriente y tensión. Es conveniente indicárselo a los alumnos y alumnas para que no haya malentendidos. (Para determinar la potencia real de una célula solar hay un experimento parcial en el experimento A5 titulado “Las propiedades de las células solares – tensión, corriente y potencia”).
Las mediciones muestran claramente que la tensión máxima se produce en una conexión en serie; esto es comparable con la conexión en serie de pilas, para poner a disposición una mayor tensión. La intensidad máxima se consigue con una conexión paralela.
En esta medición la potencia obtenida cada vez con, p. ej., dos células, es igual, dado que el cambio de la intensidad y la tensión prácticamente se compensan entre sí.
El motor solar empieza a girar cuando se alcanza una tensión de aprox. 0,4 V y una intensidad de aprox. 0,014 A. Estos valores se pueden alcanzar en función de la intensidad luminosa entre una a tres células solares (conexión en serie).
Un consejo: Como ampliación del experimento se podría utilizar todavía un espejo ustorio para potenciar la luz o para concentrar la luz que incide en la célula solar.
=====La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua=====
En este experimento se transforma la energía potencial del agua en energía eléctrica, siendo de esperar valores de medición de, p. ej., 0,4 V y 0,025 A para una duración de 8 seg. La energía eléctrica transformada se calcula a partir de la potencia P y el tiempo t:
<center>Energía E = Potencia P⋅Tiempo t</center>
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; text-align:center;"
|- valign="top"
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tiempo [t]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Energía [Ws]'''
|- valign="top"
|0.4
|0.025
|0.01
|8
|0.08
|}
([[#La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz|¡Véase también la observación sobre la problemática al determinar la potencia que figura en el punto 2.4.1!]])
Los alumnos y alumnas han de reconocer que con una mayor altura de caída del agua aumentan la tensión y la intensidad y con ello también la potencia eléctrica.
Porque a mayor altura de caída del agua y creciente caudal aumenta la energía potencial del agua y por consiguiente también la energía eléctrica resultante.
Los alumnos y alumnas han de describir el principio de una central eléctrica de almacenamiento: Cuando hay energía excedentaria se bombea el agua hacia arriba, cuando se necesita energía se deja que fluya el agua por las turbinas, transformando la energía potencial en energía eléctrica. (Fuentes de información para ahondar en el tema de las centrales hidráulicas figuran en el punto 3 [[#Informaciones adicionales sobre el experimento|“Informaciones adicionales sobre el experimento”]]).
=====La energía eléctrica a partir de la energía eólica====
El viento hace girar la hélice de un motor eléctrico que hace las veces de generador.
Los posibles resultados de este experimento son:
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; text-align:center;"
|- valign="top"
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|- valign="top"
|3.1
|0.030
|0,093
|}
Se puede ver cómo el diodo luminoso que se utiliza aquí como consumidor se enciende a partir de una tensión de 1,8 V.
Los alumnos y alumnas han de entender que la potencia de una turbina eólica depende de la forma y la superficie de la hélice y de la intensidad del viento.
===== La transformación de energía eléctrica en energía química y viceversa=====
En base a estos experimentos, los alumnos y alumnas han de entender que el hidrógeno (en el polo negativo) y el oxígeno (en el polo positivo) se crearon en una relación de 2 a 1. Al encenderse el hidrógeno puro se desintegra, mientras que una mezcla de hidrógeno y oxígeno (con una relación de 2 a 1 respecto a su volumen) provoca un ruido explosivo (gas oxhídrico).
Si se realiza la electrólisis de hidrógeno no sólo con una pila de 9 V, sino también con las células solares, queda claro que: a partir de aprox. 2,2 V (cinco células solares conectadas en serie) empieza a formarse visiblemente gas en la célula electrolítica. La energía eléctrica de la pila y/o de las células solares se transformó en energía química (hidrógeno y oxígeno).
Los electrodos de grafito de la célula electrolítica, saturados con hidrógeno y oxígeno, pueden ahora convertirse ellos mismos en una fuente de corriente: Si se conecta un motor en vez de la pila y/o la célula solar a la célula electrolítica, ésta funcionará ahora como una célula de combustible, dado que por la reacción inversa del hidrógeno y oxígeno al transformarse en agua se produce corriente eléctrica.
Al aplicar esta tecnología del hidrógeno se podría transformar, usando células electrolíticas, la corriente eléctrica proveniente de fuentes renovables en hidrógeno en el mismo lugar. Esa corriente eléctrica podría alimentarse, p. ej., a la red de gas natural y ser transportada hasta el usuario. En la actualidad se probando el hidrógeno directamente en parques eólicos en el interior de Alemania. Cuando hay exceso de viento, la electricidad se utiliza para la obtención de hidrógeno que se almacena a nivel local en grandes tanques. Cuando no hay viento la energía química del hidrógeno se puede volver a transformar en corriente eléctrica mediante células de combustible.
[[Archivo:Fig 1. El principio genérico de la célula de combustible de hidrógeno.jpg|195px|thumbnail|Fig 1. El principio genérico de la célula de combustible de hidrógeno.]]
Actualmente, los investigadores están poniendo a prueba las primeras instalaciones piloto para generar metano a partir del hidrógeno de la corriente excedentaria de fuentes renovables, usando CO<sub>2</sub> como catalizador. Se trata de un procedimiento conocido desde hace 70 años. ¡Con este metano renovable se podría aprovechar la red de gas natural tanto para almacenar la energía como para distribuirla! En un futuro lejano las turbinas de gas podrían servir para generar los picos de demanda eléctrica ya no con combustibles fósiles sino con un combustible renovable o regenerativo.
Investigando con esta configuración de experimentación se descubrió la célula de combustible de hidrógeno. En cambio, en nuestro experimento no utilizamos
electrodos de platino sino de grafito y tampoco dividimos la célula de combustible en dos partes usando una membrana. Como electrolito no utilizamos agua pura sino una solución saturada de carbonato de sodio. Se puede renunciar a la membrana tratándose de una aplicación no continua y de corta duración.
Necesitamos la solución de carbonato de sodio para reducir la tensión de desintegración del agua. Esto se explica en detalle en las instrucciones para el
profesor del experimento “B7 El condensador, el hidrógeno, el flujo de reducción-oxidación o redox – almacenamos energía renovable”.
====Variantes de ejecución====
Dado que los aparatos suministrados en la caja de experimentación alcanzan únicamente para cuatro grupos de trabajo, los experimentos parciales 1 y 2 deberían ser realizados por los grupos 1 y 2 y los experimentos parciales 3 y 4 por los grupos 3 y 4.
Si hay tiempo suficiente, los grupos pueden intercambiar los aparatos y realizar los experimentos parciales del otro grupo. Lo importante es el debate y la comparación de los resultados de los grupos entre sí.
Si los alumnos y alumnas tienen problemas para realizar los cálculos, sólo debería pedirles que describan el fenómeno.
===Informaciones adicionales sobre el experimento===
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el Portal de Medios de la Siemens Stiftung: https://medienportal.siemens-stiftung.org
Por lo demás, en el Portal de Medios hay disponibles los siguientes paquetes informativos que se pueden utilizar para abordar los diferentes aspectos de las energías renovables:
*Las energías renovables – ¡el sol, la clave del futuro!
*El agua y la energía eólica – volver a descubrir fuentes de energía tradicionales
*La energía solar térmica y fotovoltaica – energías con futuro.
*El hidrógeno – ¿la fuente de energía del futuro?
===Observaciones sobre la realización del experimento ===
====Lugar en el que se realiza el experimento====
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos.
===Tiempo necesario====
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff;"
|- valign="top"
|
|style="text-align:center;"|'''Preparación y realización, evaluación, preguntas'''
|- valign="top"
|Experimentos parciales 1 y 2
|style="text-align:center;"|hasta 120min.
|- valign="top"
|Experimentos parciales 3 y 4
|style="text-align:center;"|hasta 120min.
|- valign="top"
|Todos los experimentos parciales en bloque
|style="text-align:center;"|hasta 240min.
|}
====Advertencias de seguridad====
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del profesor o de la profesora.
Hay que advertir a los alumnos y alumnas que los materiales suministrados sólo se deben utilizar siguiendo las instrucciones correspondientes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros y llame la atención de los alumnos y alumnas a este respecto:
*Hay peligro de quemaduras y de incendio al trabajar con fuego. Antes de utilizar por primera vez los encendedores, el profesor o la profesora tiene que controlar que funcionen bien, especialmente para regular la altura de la llama.
*Hay que procurar que el acumulador no tenga un cortocircuito. ¡Hay peligro de explosión y de incendio!
*Para la prueba del gas oxhídrico se tienen que utilizar tubos de ensayo de plástico (PP), ¡jamás se deben usar tubos de ensayo de cristal!
*En el experimento parcial 4 los alumnos y alumnas deben llevar gafas de protección. <br> Llame la atención de los alumnos y alumnas respecto a las medidas de primeros auxilios en caso de que se salpiquen con carbonato de sodio en los ojos o la piel (alcanza con enjuagarse en seguida con agua).
|Autor=Dieter Arnold; Burkhard Apell;
|Área=Ciencias Naturales
|Grado=Básico
|Tipo de licencia=CC BY-SA
|Formato=pdf, doc
|Responsable de curación= Editor
|Última actualización=2019/03/21
|Localización=https://medienportal.siemens-stiftung.org/es/experimento-10-b6-las-energias-renovables-107379}}
{{Calificación de recurso}}
==Descripción del recurso==
El experimento consta de cuatro experimentos parciales:
*La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz
*La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua
*La energía eléctrica a partir de la energía eólica
*La transformación de energía eléctrica en energía química y vice versa
La serie de experimentos parciales sobre la energía fotovoltaica, hidroeléctrica, eólica y la tecnología del hidrógeno se prestan muy bien para abordar el tema de las energías renovables. Sin embargo, su alcance en el tiempo y respecto al contenido es relativamente amplio. Por ello estos experimentos sirven, sobre todo, en forma de proyecto o en el marco de un día de proyecto dedicado al tema de la transición energética. Debido a su amplio alcance es casi imposible que los alumnos y alumnas aborden las bases científicas en los experimentos. En cambio, partiendo de que disponen de ciertos conocimientos fundamentales, estos experimentos se pueden aprovechar muy bien para verificar los conocimientos básicos de física y química. Otra posibilidad consiste en utilizar los experimentos parciales de forma individual para abordar uno de los temas científicos básicos con el ejemplo de una aplicación técnica conocida de la vida cotidiana.
'''Notas:'''
*Observe las indicaciones de seguridad incluidas en las instrucciones, así como las normas de seguridad vigentes en el colegio.
*Todos los materiales indicados en las instrucciones deberán adquirirse directamente de fuentes comerciales.
===El sol, el agua, el viento, el hidrógeno y la célula de combustible===
La serie de experimentos parciales sobre la energía fotovoltaica, hidroeléctrica, eólica y la tecnología del hidrógeno se prestan muy bien para abordar el tema de las energías renovables.
Sin embargo, su alcance en el tiempo y respecto al contenido es relativamente amplio. Por ello estos experimentos sirven, sobre todo, en forma de proyecto o en el marco de un día de proyecto dedicado al tema de la transición energética. Debido a su amplio alcance es casi imposible que los alumnos y alumnas aborden las bases científicas en los experimentos. En cambio, partiendo de que disponen de ciertos conocimientos fundamentales, estos experimentos se pueden aprovechar muy bien para verificar los conocimientos básicos de física y química. Otra posibilidad consiste en utilizar los experimentos parciales de forma individual para abordar uno de los temas científicos básicos con el ejemplo de una aplicación técnica conocida de la vida cotidiana. Dado
que en algunos casos sólo hay dos aparatos disponibles, es conveniente dividir la clase en grupos que realicen diferentes experimentos parciales.
===Pregunta central===
La escasez de recursos naturales extraíbles a un precio pagable, como la hulla, el petróleo y el gas natural (combustibles fósiles), la energía atómica y el enorme riesgo que supone su explotación, el cambio climático y la creciente toma de conciencia respecto al medio ambiente son factores que han hecho imperativo que se introduzcan rápidamente energías renovables adecuadas.
Las energías renovables o regenerativas son sostenibles, porque a diferencia de los combustibles fósiles (el carbón, el gas natural y el petróleo) y gracias al aprovechamiento de la energía solar son prácticamente fuentes de energía inagotables. Algunos ejemplos conocidos de energías renovables son la energía solar transformada directamente (la energía solar térmica y la fotovoltaica), la biomasa (p. ej., la madera, el biogás o el bioetanol), la energía eólica, la energía hidroeléctrica y la geotérmica. Con excepción de la biomasa sólo hay que pagar los costos de las instalaciones, puesto que las fuentes de energía en sí no cuestan nada.
Los alumnos y alumnas tienen en esta unidad de experimentación la posibilidad de adentrarse en la problemática del abastecimiento energético actual y de la utilización alternativa de energías renovables como una posible solución.
La idea es que comprendan la amplitud del término '''Energía''', particularmente los cuatro conceptos centrales: la transformación, el transporte, la conservación y la degradación de la energía. De manera experimental, se abordan las diferentes formas de la energía renovable en base a algunos ejemplos escogidos (de la energía solar, hidráulica y eólica).
En base al ejemplo de la transformación de energía eléctrica en energía química (hidrógeno) el objetivo es que los alumnos y alumnas conozcan un procedimiento para almacenar y transportar energía. Es probable que todavía se requiera muchísimo tiempo hasta que en las estaciones de servicio se pueda comprar hidrógeno en vez de los combustibles fósiles que hay hoy en día. Pero como almacén fijo para la energía eólica y solar el hidrógeno ya se está en la actualidad en fase de experimentación práctica.
===Integrar el experimento en el contexto educativo===
====Base científica====
El tema energía no siempre se trata en la enseñanza de ciencias naturales teniendo en cuenta toda su amplitud, a pesar de que los procesos biológicos y físicos así como las reacciones químicas siempre implican una forma de transformación energética. También en el día a día uno sólo piensa sobre la disponibilidad de las fuentes de energía (la electricidad, los combustibles, los alimentos, etc.) cuando de pronto ya no hay más reservas disponibles.
Sería de desear que los alumnos y alumnas se den cuenta de que debe aumentar la cuota de energías renovables en el abastecimiento energético mundial, a fin de compensar las reservas cada vez menores de combustibles fósiles y hacer que el creciente consumo energético sea más respetuoso con el medio ambiente.
Los alumnos y alumnas tienen conocimientos sobre la generación de energías renovables en los parques eólicos, las centrales hidroeléctricas o las centrales solares. Sin embargo, es menos conocido el hecho de que esas energías renovables se pueden transformar en una forma de energía como el hidrógeno, que tiene tantos campos de aplicación, para luego utilizarlo, p. ej., para el accionamiento de turbinas de gas o células de combustible.
Son útiles los conocimientos sobre el modelo de niveles de energía, el principio de la electrólisis y los conceptos básicos de las leyes de la electricidad (la tensión, la intensidad y la potencia), para poder realizar y evaluar los diferentes experimentos individuales.
====Relevancia en el plan de estudios====
El objetivo en el grupo de edad hasta los 15 años es dar a los alumnos y alumnas una visión general sobre los combustibles fósiles y las fuentes de energía renovables utilizadas en la vida cotidiana y en la técnica, así como las formas de energía que se obtienen a partir de ello (p. ej., las energías eléctrica, térmica, cinética o química). Han de comprender que la forma de energía primaria utilizada puede ser transformada si hace falta en otras formas de energía, aunque hay que tener en cuenta que se produce una determinada “pérdida de energía” (la degradación energética). La energía no se pierde en estas transformaciones, sino que se transforma en cierta cantidad en otra forma de energía diferente a la que se aspira (ejemplo: en un foco eléctrico sólo aprox. un 5% de la energía eléctrica se transforma en energía luminosa y un 95% en energía térmica).
En el grupo de edad a partir de los 16 años la idea es abordar aparte del aspecto cualitativo también el cuantitativo de la transformación de energía. De esta forma se puede calcular la potencia de las células solares o de combustible, así como la de los generadores.
A pesar de que el tema principal de este capítulo es del campo de la Física, en el capítulo de la “tecnología de hidrógeno” también se abordan contenidos de Química del plan de estudios.
'''Temas y terminología:''' El trabajo, la biomasa (p. ej., la madera, el biogás, el bioetanol), la definición del concepto energía (“la energía es la capacidad de un sistema para efectuar un trabajo” o “energía es un trabajo almacenado”), el modelo de niveles de energía, la transformación de la energía, el consumo energético, el abastecimiento energético, la geotermia profunda, la altura de caída del agua, las turbinas de gas, las centrales de energía maremotriz, la carga, la potencia, el metano, la sostenibilidad, la carga útil, la conexión paralela, la energía fotovoltaica, la conexión en serie, la energía solar térmica, las células solares, la tensión, los picos de demanda de electricidad, la corriente eléctrica, la energía hidroeléctrica, el molino de agua, la turbina de agua, la energía eólica, el molino de viento.
===Conocimientos a adquirir===
Los alumnos y alumnas después de realizar los experimentos han de ...
*conocer cómo se usan las células solares de silicio.
*entender cómo influyen las conexiones en serie y paralelas de las células solares sobre la tensión y la intensidad.
*entender cómo influye la intensidad del viento sobre la potencia de una turbina eólica.
*calcular la potencia de las turbinas hidroeléctricas y eólicas.
*entender cómo se obtiene hidrógeno en la electrólisis de una solución de soda.
*saber que se libera energía química en una reacción con gas oxhídrico.
*entender cómo se transforma la energía química almacenada en hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica (en la célula de combustible).
*poder desarrollar un concepto sencillo para la tecnología de hidrógeno.
*intercambiar con otros grupos los resultados obtenidos.
====El experimento en el contexto explicativo====
La Física define de la siguiente manera: “La energía es la capacidad de un sistema de efectuar un trabajo” o “la energía es el trabajo almacenado”. Una descripción comprensible para la educación escolar sería: “Un sistema tiene energía cuando puede hacer que algo se levante, se mueva, se caliente o ilumine”.
Al tratar este tema, las diferentes formas de energía, la transformación, el transporte, el almacenamiento y la degradación energéticas desempeñan un papel fundamental.
El ser humano, los animales y las plantas necesitan energía para vivir y en la técnica nada funciona sin energía.
La unidad de medida acordada a nivel internacional es el Joule (J). En los cálculos hay que tener en cuenta lo siguiente:
1 Joule = 1 J = 1 Newtonmeter = 1 Nm = 1 vatiosegundo = 1 Ws = 0,239 kilocalorías (kcal).
Un Joule equivale a la energía que se necesita para...
*levantar una masa de 100 g a una altura (aprox.) de un metro.
:<math>E_{pot} = m \cdot g \cdot \bigtriangleup h = 0.1kg \cdot 9.81 \frac{N}{kg} \cdot 1m = 0.981J</math>
*conseguir durante un segundo la potencia de un vatio (p. ej., hacer que un corazón lata una vez).
:<math> E=P \cdot t = 1W \cdot 1s = 1Ws = 1J </math>
*calentar un gramo de agua (a 15ºC) en 0,239ºC.
:<math> E=c \cdot m \cdot \bigtriangleup T = 4.18 \frac {J} {g \cdot °C} \cdot 1g \cdot 0.239°C = 1J </math>
A través de su consumo diario de energía o el contenido energético de los alimentos, los alumnos y alumnas pueden ir haciéndose una idea de la demanda energética en el ámbito de la técnica. El consumo energético diario de un joven de aprox. 10.000 kilojoule (kJ) corresponde a la energía necesaria para...
*hacer que un aparato de 1.000 vatios esté prendido durante 2,8 horas.
*calentar 30 litros de agua de 20ºC a 100ºC.
'''Atención:''' Aún cuando los términos generación y consumo energéticos sean utilizados permanentemente en un contexto económico, los alumnos y alumnas han de saber que desde el punto de vista físico y técnico son incorrectos. La energía no se puede generar ni se puede consumir, sino que sólo se puede transformar de una forma a otra: En el experimento parcial 1 se transforma la energía de radiación en energía eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica (motor). En el experimento parcial 2 de energía mecánica en eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica. En el experimento parcial 3 de energía mecánica en eléctrica y luego nuevamente en energía mecánica. En el experimento parcial 4 de energía eléctrica en química y luego nuevamente en energía eléctrica.
=====La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz=====
En las células solares se miden la tensión y la corriente. La potencia P se calcula a partir de los valores de medición de la tensión U y la intensidad I.
Potencia P = Tensión U Intensidad I
Los posibles valores de medición en este experimento son:
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff;"
|- valign="top"
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Cantidad de células'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Conexión'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|- valign="top"
|1
|-
|0.5
|0.2
|0.1
|- valign="top"
|2
|conexión en serie
|1.0
|0.2
|0.2
|- valign="top"
|2
|conexión en parelela
|0.5
|0.4
|0.2
|}
'''Atención:''' Si bien la potencia calculada en base a la tensión en circuito abierto y la corriente de cortocircuito constituyen parámetros típicos para la célula solar, no corresponde, sin embargo, a la potencia efectiva bajo carga, es decir, si se conecta un consumidor. También el motor solar utilizado no es adecuado para determinar la potencia máxima posible de la célula solar. Para determinarlo tendría que variar la resistencia a la carga y la medición de los valores de la corriente y tensión. Es conveniente indicárselo a los alumnos y alumnas para que no haya malentendidos. (Para determinar la potencia real de una célula solar hay un experimento parcial en el experimento A5 titulado “Las propiedades de las células solares – tensión, corriente y potencia”).
Las mediciones muestran claramente que la tensión máxima se produce en una conexión en serie; esto es comparable con la conexión en serie de pilas, para poner a disposición una mayor tensión. La intensidad máxima se consigue con una conexión paralela.
En esta medición la potencia obtenida cada vez con, p. ej., dos células, es igual, dado que el cambio de la intensidad y la tensión prácticamente se compensan entre sí.
El motor solar empieza a girar cuando se alcanza una tensión de aprox. 0,4 V y una intensidad de aprox. 0,014 A. Estos valores se pueden alcanzar en función de la intensidad luminosa entre una a tres células solares (conexión en serie).
Un consejo: Como ampliación del experimento se podría utilizar todavía un espejo ustorio para potenciar la luz o para concentrar la luz que incide en la célula solar.
=====La energía eléctrica a partir de la fuerza del agua=====
En este experimento se transforma la energía potencial del agua en energía eléctrica, siendo de esperar valores de medición de, p. ej., 0,4 V y 0,025 A para una duración de 8 seg. La energía eléctrica transformada se calcula a partir de la potencia P y el tiempo t:
<center>Energía E = Potencia P⋅Tiempo t</center>
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; text-align:center;"
|- valign="top"
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Tiempo [t]'''
|style="width:20%; text-align:center;"|'''Energía [Ws]'''
|- valign="top"
|0.4
|0.025
|0.01
|8
|0.08
|}
([[#La energía eléctrica a partir de la energía de radiación de la luz|¡Véase también la observación sobre la problemática al determinar la potencia que figura en el punto 2.4.1!]])
Los alumnos y alumnas han de reconocer que con una mayor altura de caída del agua aumentan la tensión y la intensidad y con ello también la potencia eléctrica.
Porque a mayor altura de caída del agua y creciente caudal aumenta la energía potencial del agua y por consiguiente también la energía eléctrica resultante.
Los alumnos y alumnas han de describir el principio de una central eléctrica de almacenamiento: Cuando hay energía excedentaria se bombea el agua hacia arriba, cuando se necesita energía se deja que fluya el agua por las turbinas, transformando la energía potencial en energía eléctrica. (Fuentes de información para ahondar en el tema de las centrales hidráulicas figuran en el punto 3 [[#Informaciones adicionales sobre el experimento|“Informaciones adicionales sobre el experimento”]]).
=====La energía eléctrica a partir de la energía eólica====
El viento hace girar la hélice de un motor eléctrico que hace las veces de generador.
Los posibles resultados de este experimento son:
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff; text-align:center;"
|- valign="top"
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Tensión [V]'''
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Intensidad [A]'''
|style="width:33%; text-align:center;"|'''Potencia [W]'''
|- valign="top"
|3.1
|0.030
|0,093
|}
Se puede ver cómo el diodo luminoso que se utiliza aquí como consumidor se enciende a partir de una tensión de 1,8 V.
Los alumnos y alumnas han de entender que la potencia de una turbina eólica depende de la forma y la superficie de la hélice y de la intensidad del viento.
===== La transformación de energía eléctrica en energía química y viceversa=====
En base a estos experimentos, los alumnos y alumnas han de entender que el hidrógeno (en el polo negativo) y el oxígeno (en el polo positivo) se crearon en una relación de 2 a 1. Al encenderse el hidrógeno puro se desintegra, mientras que una mezcla de hidrógeno y oxígeno (con una relación de 2 a 1 respecto a su volumen) provoca un ruido explosivo (gas oxhídrico).
Si se realiza la electrólisis de hidrógeno no sólo con una pila de 9 V, sino también con las células solares, queda claro que: a partir de aprox. 2,2 V (cinco células solares conectadas en serie) empieza a formarse visiblemente gas en la célula electrolítica. La energía eléctrica de la pila y/o de las células solares se transformó en energía química (hidrógeno y oxígeno).
Los electrodos de grafito de la célula electrolítica, saturados con hidrógeno y oxígeno, pueden ahora convertirse ellos mismos en una fuente de corriente: Si se conecta un motor en vez de la pila y/o la célula solar a la célula electrolítica, ésta funcionará ahora como una célula de combustible, dado que por la reacción inversa del hidrógeno y oxígeno al transformarse en agua se produce corriente eléctrica.
Al aplicar esta tecnología del hidrógeno se podría transformar, usando células electrolíticas, la corriente eléctrica proveniente de fuentes renovables en hidrógeno en el mismo lugar. Esa corriente eléctrica podría alimentarse, p. ej., a la red de gas natural y ser transportada hasta el usuario. En la actualidad se probando el hidrógeno directamente en parques eólicos en el interior de Alemania. Cuando hay exceso de viento, la electricidad se utiliza para la obtención de hidrógeno que se almacena a nivel local en grandes tanques. Cuando no hay viento la energía química del hidrógeno se puede volver a transformar en corriente eléctrica mediante células de combustible.
[[Archivo:Fig 1. El principio genérico de la célula de combustible de hidrógeno.jpg|195px|thumbnail|Fig 1. El principio genérico de la célula de combustible de hidrógeno.]]
Actualmente, los investigadores están poniendo a prueba las primeras instalaciones piloto para generar metano a partir del hidrógeno de la corriente excedentaria de fuentes renovables, usando CO<sub>2</sub> como catalizador. Se trata de un procedimiento conocido desde hace 70 años. ¡Con este metano renovable se podría aprovechar la red de gas natural tanto para almacenar la energía como para distribuirla! En un futuro lejano las turbinas de gas podrían servir para generar los picos de demanda eléctrica ya no con combustibles fósiles sino con un combustible renovable o regenerativo.
Investigando con esta configuración de experimentación se descubrió la célula de combustible de hidrógeno. En cambio, en nuestro experimento no utilizamos
electrodos de platino sino de grafito y tampoco dividimos la célula de combustible en dos partes usando una membrana. Como electrolito no utilizamos agua pura sino una solución saturada de carbonato de sodio. Se puede renunciar a la membrana tratándose de una aplicación no continua y de corta duración.
Necesitamos la solución de carbonato de sodio para reducir la tensión de desintegración del agua. Esto se explica en detalle en las instrucciones para el
profesor del experimento “B7 El condensador, el hidrógeno, el flujo de reducción-oxidación o redox – almacenamos energía renovable”.
====Variantes de ejecución====
Dado que los aparatos suministrados en la caja de experimentación alcanzan únicamente para cuatro grupos de trabajo, los experimentos parciales 1 y 2 deberían ser realizados por los grupos 1 y 2 y los experimentos parciales 3 y 4 por los grupos 3 y 4.
Si hay tiempo suficiente, los grupos pueden intercambiar los aparatos y realizar los experimentos parciales del otro grupo. Lo importante es el debate y la comparación de los resultados de los grupos entre sí.
Si los alumnos y alumnas tienen problemas para realizar los cálculos, sólo debería pedirles que describan el fenómeno.
===Informaciones adicionales sobre el experimento===
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el Portal de Medios de la Siemens Stiftung: https://medienportal.siemens-stiftung.org
Por lo demás, en el Portal de Medios hay disponibles los siguientes paquetes informativos que se pueden utilizar para abordar los diferentes aspectos de las energías renovables:
*Las energías renovables – ¡el sol, la clave del futuro!
*El agua y la energía eólica – volver a descubrir fuentes de energía tradicionales
*La energía solar térmica y fotovoltaica – energías con futuro.
*El hidrógeno – ¿la fuente de energía del futuro?
===Observaciones sobre la realización del experimento ===
====Lugar en el que se realiza el experimento====
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos.
===Tiempo necesario====
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff;"
|- valign="top"
|
|style="text-align:center;"|'''Preparación y realización, evaluación, preguntas'''
|- valign="top"
|Experimentos parciales 1 y 2
|style="text-align:center;"|hasta 120min.
|- valign="top"
|Experimentos parciales 3 y 4
|style="text-align:center;"|hasta 120min.
|- valign="top"
|Todos los experimentos parciales en bloque
|style="text-align:center;"|hasta 240min.
|}
====Advertencias de seguridad====
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del profesor o de la profesora.
Hay que advertir a los alumnos y alumnas que los materiales suministrados sólo se deben utilizar siguiendo las instrucciones correspondientes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros y llame la atención de los alumnos y alumnas a este respecto:
*Hay peligro de quemaduras y de incendio al trabajar con fuego. Antes de utilizar por primera vez los encendedores, el profesor o la profesora tiene que controlar que funcionen bien, especialmente para regular la altura de la llama.
*Hay que procurar que el acumulador no tenga un cortocircuito. ¡Hay peligro de explosión y de incendio!
*Para la prueba del gas oxhídrico se tienen que utilizar tubos de ensayo de plástico (PP), ¡jamás se deben usar tubos de ensayo de cristal!
*En el experimento parcial 4 los alumnos y alumnas deben llevar gafas de protección. <br> Llame la atención de los alumnos y alumnas respecto a las medidas de primeros auxilios en caso de que se salpiquen con carbonato de sodio en los ojos o la piel (alcanza con enjuagarse en seguida con agua).