Fremtidens energiforsyning

Forløbet varer fra 10 -20 timer med indbygget differentiering for optimal motivation. Eleverne arbejder i grupper med et underemne inden for elproduktion/energilagring på kort, mellemlang og lang skala. De går i dybden med emnerne, designer forsøg og kommunikerer resultater. Endelig laves kommandorum på tværs af grupperne med fluktuerende produktion, forbrug og lagringsbehov. Hvem holder energiforsyningen oppe længst?

Eleverne lærer om kompleksiteten af fremtidens energiforsyning, praktiserer deres researchevner og øver sig i at designe forsøg som optakt til deres selvstændige projekt.

Planlægning/overvejelser:

Forløbet kan eventuelt tage udgangspunkt i The Solutions Projects vision om, hvordan et 100% bæredygtigt verdenskort kunne se ud med et gennemelektrificeret samfund. Der kan dykkes helt ned i det danske bidrag eller et mere europæisk helhedsbillede. Som lærer er du energiminister og har hyret en flok fysikere til at skabe fremtidens energiforsyning.

Eleverne inddeles i to hovedgrupper med underemner indenfor på den ene side produktion af bæredygtig energi og på den anden side lagringen af energi.

Overvej om eleverne selv skal vælge sig ind på deres emne. Det er klart, at hvert emne kan differentieres efter behov og evne. Det er smart, hvis der er omtrent lige mange elever i de to hovedgrupper, ligesom gruppestørrelsen med fordel kan afspejle fordelingen ved det selvstændige projekt.

Overvej ligeledes, i hvor høj grad eleverne skal serviceres ift. research og design af forsøg. Dette er træning, men det er også et komplekst emne. Det er forfatterens erfaring, at selv middelstærke elever har svært ved  at kunne gennemskue emnet uden hjælp.

Tænk gerne over, hvilke størrelser og enheder, der skal bruges alt afhængigt af elevernes faglige niveau. Forløbet kan skaleres fra basal viden om Ohms lov og batteriers indre modstand til mere avanceret viden om kapacitorer, betydningen af elnettes frekvens, impedans og så videre.

Det er klart, at valgemnet passer særdeles godt i tværfagligt samarbejde med Teknologi, men også Programmering (til digital simulering af forbrug, kontra produktion og lagring), og ikke mindst Samfundsfag og endda den teknologihistoriske del af Idéhistorie for en bredere forståelse af kompleksiteten af - og behovet for - vandringen fra få centrale energi-aktører til et uoverskueligt net af decentral produktion, lige fra hjemlige solcelleanlæg og spredte vindmøllefarme til et egentligt storeuropæisk energimarked.

Slutteligt kan det anbefales at om muligt benytte sig af universiteternes udbud af energirelevante gymnasieøvelser, f.eks. vindmølleøvelsen på Nanoteket // DTU.

Følgende underemner er oplagte, men ikke udtømmende muligheder:

Elproduktion:

1. Vindmøller
2. Solceller
3. Vandkraft (dæmninger, tidevand, bølger etc.)
4. Power to X (til en knap så gennemelektrificeret hverdag)
5. Fission (kræver fissilt materiale)
6. Fusion (svært med forsøg)

Energilagring:

1. Kapacitorer (korttidsskala)
2. Batterier (mellemtidsskala)
3. Flywheels (korttidsskala)
4. Gravitationel lagring (opstemning, betonlagring, opdrift)
5. Termisk lagring (granit, smeltet salt)
6. Smartgrid (blandt andet ved hjælp af elbiler og systematiseret forbrug, når der er overkapacitet)

Tilrettelæggelse

Valgemnet indledes typisk med en kort energiministeriel intro til forløbet, hvor selve rammen og målet sættes. Der følges op med en mere teoritung introduktion, hvor kompleksiteten og tyngden af emnet vejes. Her må læreren (desværre) tage sin overfysikerhat på. Alt afhængigt af graden af tværfaglighed kan der fokuseres direkte på fysikken eller ligeledes på de teknologiske og etiske dilemmaer, vi står overfor i vores iver efter af balancere forbrug og produktion.

Efter gruppeinddeling går eleverne ind i en researchfase på hvert af deres emner.

Eleverne vælger/sættes i grupper og udfører projektarbejde med

1. en aktiv researchfase, hvor de kan supplere deres grundbog med mere specifik viden fra nettet, fagbøger og med kilder fra Danmarks statistik, Eurostat.
2. en forsøgsdesignfase, hvor eleverne med eller uden hjælp øver sig i at designe forsøg.
3. en eksperimentel fase.
4. en kommunikativ fase. Overvej hvilket produkt, der skal laves. Det kunne være en klassisk rapport, men en video eller præsentation i roterende matrixgrupper kunne virke godt alt efter klassens interne dynamik.

Uagtet valg af produkt er det godt, hvis alle grupper får indblik i de øvrige gruppers arbejde og konklusioner. Det er en hel løsning for Danmark eller Europa, vi ønsker.

Slutteligt laves nye grupper på tværs af over- og underinddelinger, så der er én person fra hvert ekspertisefelt. Grupperne præsenteres for en simulering, enten som…

1. Et åbent regneark, hvor eleverne styrer hver deres celle ift. energi fra vindmøller, solceller etc. med eksempelvis terningkast og lagringen/afgivelsen af oplagret energi sker i differentierede tempi og portioner: kapacitorer kan afgive/lagre små mængder energi hurtigt, hvorimod hydrolagring afgiver/lagrer store mængder langsomt.
2. Fysisk jævnstrømskredsløb indeholdende flere spændingskilder som substitut for en fluktuerende produktion, dekaderesistorer som belastning og kapacitorer, batterier og f.eks. brændselsceller som lagring.
3. En egentlig elevproduceret simulering af fluktuerende produktion, forbrug og lagring (kræver Programmering som støttefag).

I alle tilfælde er det fordelagtigt, hvis læreren styrer det simulerede energiforbrug på baggrund af reelle fluktuationer på kort-, mellem- og langtidsskala.

Modulforslag i Fysik

Evaluering og refleksion

Feedback og evaluering sker gennem såvel simuleringen som klassediskussionen. Det er oplagt at evaluere på det faglige med udgangspunkt i, hvor længe det lykkedes eleverne at holde elforsyningen oppe. Selve rammen bør naturligvis også evalueres.

Et længere sigte med forløbet er at selvstændiggøre eleverne i en grad, så de er parat til at bide skeer med deres selvstændige projekt, og derfor kunne eleverne med fordel evaluere deres egen kunnen (forsøgsvis oversættelse af self efficacy) i laboratoriet, både ifm. design af eksperiment og selve forsøget.

I et større perspektiv er det meningen, at eleverne får en egen forståelse af kompleksiteten af fremtidens energiforsyning, hvor mange faktorer, der egentlig spiller ind, når befolkningen og politikere kræver en total omstilling af energiforsyningen - og i sidste ende hvor stor brug, der er for fysikere og ingeniører etc.  

Det er forfatterens håb, at forløbet kan udvikles. Især ville en programmeret simulering af energinettet med mulighed for at skrue på de forskellige håndtag for de enkelte elever være fantastisk.

Kreditering

Udarbejdet af Mikkel Max Jorn, Lektor i Fysik og Kommunikation & IT under og efter et større Erasmus+-projekt om energilagring med partnerskoler i Grækenland, UK, Polen og selvfølgelig Danmark.