Exploración de las energías renovables - desde el nivel primario hasta el secundario

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Introducción al tema

La energía regenerativa o renovable alude al suministro de energía a partir de fuentes sostenibles como el sol, el viento, el agua, la geotermia o la biomasa. Estas están disponibles en cantidades casi inagotables. El sol aún tiene un tiempo de vida de aproximadamente 5000 millones de años. La radiación solar puede convertirse en electricidad o calor. La energía eólica, la energía hidráulica y la biomasa son también energía solar de forma variada. 

En cambio, la existencia de combustibles fósiles como carbón, petróleo, gas natural y combustibles nucleares convencionales disminuye a causa de su consumo constante. Estos combustibles fósiles integran el grupo de las energías no renovables. Tras su combustión en centrales eléctricas o térmicas, dejan de estar disponibles. No se regeneran, se degradan.

Sin embargo, la creciente población mundial y el avance del desarrollo tecnológico de la humanidad conllevan una enorme demanda energética, que aumenta constantemente. Además, sabemos que las emisiones del gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO2) en la combustión de petróleo, gas natural y carbón son muy altas y son, según los conocimientos científicos obtenidos hasta el momento, causantes del calentamiento global . La emisión de gas de efecto invernadero de las energías renovables es de solo 1/10 a 1/100 por unidad de energía generada en comparación con las fuentes de energía fósiles.
 
El cambio del suministro de energía de combustibles fósiles y nucleares a energías renovables está en pleno desarrollo y en Alemania se lo denomina transición energética. Además del creciente desarrollo de las energías renovables, la reducción de nuestro consumo energético y el aumento de la eficiencia energética mediante el progreso tecnológico son, a su vez, temas centrales y constituyen un desafío actual. En la vida cotidiana nos encontramos con la transición energética en la electromovilidad en el tránsito, al comprar electrodomésticos de bajo consumo o en el saneamiento energético de edificios. 

En Alemania, la Oficina Federal de Medio Ambiente (1) proporciona regularmente datos actualizados y de calidad asegurada sobre el desarrollo de las energías renovables.
 

Pero, ¿qué es la energía ahora?

Pero ¿qué es la energía? Podemos experimentar las manifestaciones de la energía a través del calor del fuego o de la fuerza del viento. No podemos verla, oírla, saborearla u olerla y, sin embargo, la utilizamos de diversas maneras. Por la física sabemos: La energía es la capacidad para realizar un trabajo. Cuando se enciende una lámpara o se mueve un auto con gasolina, experimentamos la transformación de una forma de energía en otra con la ayuda de convertidores de energía. Por lo tanto, la energía tampoco es una sustancia, sino una propiedad de los cuerpos. Tampoco la corriente eléctrica es energía. Esta transporta la energía y la libera en los aparatos eléctricos. La corriente eléctrica transporta energía. 

Visto desde una perspectiva estrictamente científica, la denominación general de energías renovables o regenerativas no es correcta. La energía no puede generarse, ni consumirse y, por lo tanto, tampoco renovarse. La energía solo puede transformarse de una forma en otra. La cantidad de energía en un sistema cerrado se mantiene constante, pero el porcentaje utilizable de la energía varía en cuanto a su intensidad en función de la transformación (2). A fin de cuentas, la cantidad de energía se mantiene igual. Más concretamente, lo que nosotros llamamos consumo de energía es degradación de energía. La utilidad de la energía disminuye con la transformación y el transporte. Así, por ejemplo, en la combustión de madera, la energía química almacenada en la madera se transforma en energía térmica y energía lumínica. Cuando el calor se libera al medio ambiente deja de ser útil, se degrada – nosotros decimos «consume».

Ya que nuestro consumo energético aumenta constantemente a la vez que los combustibles fósiles disminuyen, es fascinante experimentar con energías renovables y entender cómo a través de las energías solar, eólica e hidráulica puede transformarse y almacenarse la energía y mejorar el rendimiento en la transmisión de energía.
 

Historia - Historia de las energías renovables

Energía hidráulica

La energía hidráulica es seguramente una de las fuentes de energía en uso más antiguas. Ya hace 3500 años, en Mesopotamia se hacía uso de las ruedas hidráulicas para el aprovechamiento de la energía del agua. De la rueda hidráulica a la turbina había un largo camino por recorrer. La ingeniería industrial durante la Ilustración condujo a mejoras de las ruedas hidráulicas y, en consecuencia, al desarrollo de nuevos tipos de máquinas como, por ejemplo, motores de columna de agua. Sobre esta base, en 1824, Claude Burdin inventó la primera turbina. Cuando en 1866 Werner von Siemens inventó el generador electrodinámico, se hizo posible la transformación de energía hidráulica en corriente eléctrica. En 1880 se puso en funcionamiento la primera central hidroeléctrica en el condado inglés de Northumberland. En 1890 se puso en marcha la primera central hidroeléctrica alemana, que a su vez también era la primera central de corriente alterna, en Bad Reichenhall y ya en 1896 se erigió en las cataratas del Niágara en Estados Unidos la primera central eléctrica de gran escala del mundo.
 

Energía eólica

Con la llegada de la electricidad, sobre la base de la tecnología de los molinos de viento, surgieron a fines del siglo XIX los primeros intentos por generar electricidad a partir de aerogeneradores. En los años 50, el ingeniero J. Juul se convirtió en pionero al desarrollar en Vester Egesborg el primer aerogenerador en el mundo para generar corriente alterna. El innovador aerogenerador de Gedser con una potencia de 200 kW fue construido por J. Juul en los años 1956/57 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 terreno del Growian en Marne. 
 

Fotovoltaica

El inicio de la fotovoltaica se remonta a 1839 con el descubrimiento del efecto fotovoltaico de Alexandre Edmond Becquerel. Sin embargo, transcurrieron más de cien años hasta ser utilizado en el suministro energético.
La primera explicación del efecto fotovoltaico la dio Albert Einstein en 1904. Hasta ese entonces, Edmond Becquerel había probado la conexión entre la luz y la generación de energía, pero, en principio, no se había podido sacar provecho del descubrimiento. En 1954, los físicos Chapin, Fuller y Pearson lograron construir la primera versión de una célula solar de silicio en el mundo. Este fue el punto de partida para la utilización de células solares cristalinas para transformar luz solar en energía eléctrica. Las primeras 108 células fotovoltaicas fueron aplicadas en 1958 en la misión del satélite estadounidense Vanguard. 
Sin embargo, pasaron otros 20 años hasta que se instalaron sistemas terrestres. En 1976, el gobierno australiano resolvió equipar la red de telecomunicación del interior del país con células solares para cargar las baterías allí instaladas. A mediados de los años 80, el ingeniero suizo Markus Real impulsó a instalar pequeños sistemas fotovoltaicos descentralizados en los tejados de los hogares para demostrar la aplicación privada. Posteriormente se pusieron en marcha numerosos proyectos solares a gran escala, como el programa de 1000 tejados en Alemania (1990) o el programa de 70 000 tejados en Japón (1994). En 2010, Alemania superó la barrera de los diez gigavatios y en 2012 alcanzó los 25 gigavatios. A fines de 2019 ya se habían instalado más de 49 gigavatios en Alemania.
 

Fundamentos

Con la firma de la industria energética y el Gobierno Federal respecto al abandono de la energía nuclear del 11 de junio de 2001, la llamada transición energética, es decir, la reforma del sistema energético en un suministro energético sostenible a través de energías renovables pasó al primer plano de la percepción social, la investigación actual y el desarrollo tecnológico.

El kit de aprendizaje fischertechnik sobre energías renovables trata las cuestiones principales sobre la transformación de energía mediante la conversión, transmisión y almacenamiento energético de las energías renovables. Los diferentes modelos de energía eólica, energía hidráulica y fotovoltaica te invitan a experimentar e investigar y abordan cuestiones temáticas actuales de las ciencias naturales y la física. 

Los siguientes componentes fischertechnik están destinados al trabajo en el ámbito de las energías renovables.
 

El micromotor solar de fischertechnik es pequeño pero eficiente Este es accionado con una tensión de 0,5 a 2 V.

2 células solares de 60x60 1,0 V 0,44 A emiten la potencia necesaria para accionar los modelos o como convertidores de energía para el almacenamiento energético

1 Goldcap solar de 10 F 2,3 V, que destaca por su altísima capacidad

 

1 pila de combustible Hydro-Cell de 0,5 V-0,9 V 0,5 A, mediante la cual se puede convertir la energía química de un combustible (por ejemplo: hidrógeno) en corriente eléctrica

1 convertidor de tensión, que transforma la tensión de salida de la pila de combustible de 0,9 V a aproximadamente 2,0 V

Desde luego, todo esto se adapta perfectamente en el sistema fischertechnik, de modo que no solo se representan las problemáticas principales de las energías renovables, sino que pueden accionarse modelos funcionales realistas.

 
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