Smart Cities - Energie für morgen
Überblick
Zusammenfassung
Stichworte: Intelligente Städte, Datenerfassung, Energie, nachhaltige Entwicklung
Fächer: Mathematik, Physik, Umweltwissenschaften, Naturwissenschaften
Altersgruppe der Schüler*innen: 14-18
Zeitrahmen: 2 x 45 Minuten
Kooperation: Es ist möglich, mit Schulen in benachbarten Städten zusammenzuarbeiten. Dies ist jedoch keine Voraussetzung für das Projekt.
Forschungsfrage
Können wir durch erneuerbare Energien (Solarenergie) genug Energie erzeugen, um unsere Städte zu versorgen?
Daten, die Sie zur Beantwortung dieser Frage benötigen:
- Aktuelle Daten zum Energieverbrauch der gewählten Stadt in GWh oder kWh.
- Die m2-Fläche der Stadt.
Hintergrund
Wir verbrauchen immer mehr Energie in unserem täglichen Leben. Mit dem interaktiven H5P-Projekt Stromverbrauch in den Großstädten der Welt können Sie herausfinden, wie viel Strom die großen Städte verbrauchen.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, müssen wir einige vereinfachende Annahmen treffen. Diese tragen dazu bei, komplexe Probleme zu vereinfachen und somit besser zu beantworten.[1]
Wir könnten hier von folgenden Annahmen ausgehen:
- Die gesamte Fläche der Stadt ist für Solarzellen verfügbar.
In Wirklichkeit stimmt das nicht. Viele Bereiche sind für die Solarenergieerzeugung ungeeignet - man denke nur an die Zwischenräume zwischen den Gebäuden usw. Außerdem würden wir wahrscheinlich nicht wollen, dass die Solarpaneele die gesamte Stadtfläche beschatten. - Alle Solarmodule arbeiten mit höchster Effizienz.
Auch dies wäre in einem realistischen Szenario nicht der Fall, da einige Paneele durch Wolken, Vögel, Flugzeuge usw. beschattet würden. Außerdem könnten die Paneele im Laufe eines Jahres verschmutzt oder beschädigt werden, was ihre Leistung verringern würde. - Das gesamte Gebiet der Stadt ist flach.
Unser Modellierungswerkzeug lässt nur ebene Flächen zu. Die meisten Städte weisen aber eine gewisse Topografie auf, die die Sonneneinstrahlung besonders im Winter beeinflusst. - Es kann auch sinnvoll sein, nur einen kleinen Prozentsatz des Gebiets zu analysieren (z. B. 10 %) und dann hochzurechnen, um eine Schätzung für das gesamte Gebiet zu erstellen. Dies beschleunigt die Berechnungen, ist aber möglicherweise nicht realistisch, da sich die Gebiete innerhalb einer Stadt in ihrer Topografie stark unterscheiden können.
Diese Annahmen erleichtern den Einstieg. Denken Sie daran, dass alle vereinfachenden Annahmen, die Sie anwenden, wie oben dargestellt erläutert werden müssen. Sie können Ihre Schüler*innen zusätzlich auffordern, eigene Annahmen zu treffen.
Verfahren
1. Sammeln Sie die Daten, die Sie zur Beantwortung der obigen Frage benötigen. Verwenden Sie die Links im Abschnitt Quellen und Referenzen oder suchen Sie Ihre eigenen Datensätze.
2. Gehen Sie zu Energy3D und laden Sie die Energy3D-Software für Ihren Computer herunter.
3. Öffnen Sie die Software und erstellen Sie eine Plattform, die der Größe des zu untersuchenden Bereichs entspricht (siehe Abschnitt „Vereinfachende Annahmen“ oben). Sie können die Größe Ihrer Plattform ändern, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Plattform klicken und die Größe wählen, wie die Abbildung zeigt.
4. Wählen Sie den Standort für Ihre Plattform, indem Sie aus dem Dropdown-Menü auf der rechten Seite die Stadt auswählen, die Ihrem Standort am nächsten liegt (siehe Abbildung). Es ist besser, eine Stadt zu wählen, als Breiten-/Längenkoordinaten zu verwenden, da bei Städten Wetterdaten in die Simulation einbezogen werden.
5. Beginnen Sie mit dem Hinzufügen von Solarmodulen, indem Sie das Symbol für Solarmodule aus dem Menü oben auf der Seite auswählen und die Option „Solar Panel Rack“ (Solarmodulgestell) wählen, wie in der Abbildung dargestellt. Ändern Sie vorerst nicht die Attribute des Solarmodulgestells.
Im Abschnitt „Für fortgeschrittene Benutzer“ werden einige der Attribute erörtert, die geändert werden könnten, um ein realistischeres Modell zu erstellen, aber für den Moment wollen wir es einfach halten. Sobald Sie ein Gestell installiert haben, können Sie mit der rechten Maustaste auf das Gestell klicken und es kopieren, um Zeit zu sparen.
6. Sobald Ihre Plattform mit Solarmodulen gefüllt ist, beginnen Sie mit der Analyse, indem Sie oben auf die Registerkarte „Analysis“ klicken und „Solar Panels“ – „Annual Yield Analysis of Solar Panels“ auswählen, um die jährliche Ertragsanalyse zu erhalten, wie Sie in der untenstehenden Abbildung sehen.
7. Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse anhand einer Vorlage, die Sie hier als docx und als pdf-Datei heruntergeladen können.
Nachdem die Schüler*innen die Modellierungsaufgabe gelöst haben, können sie in der Klasse oder als Hausaufgabe über Fragen zum Energieverbrauch diskutieren. Sie können die Vorlage für die Diskussionsfragen als docx oder als pdf-Datei herunterladen.
Dieses Tutorial zeigt Ihnen, wie man die Energy3D-Software im Detail benutzt. Die Untertitel sind in englischer Sprache.
Es gibt viele gute Webseiten, die zuverlässige Daten liefern. In Norwegen ist z. B. Statistisk sentralbryå ein hervorragender Ausgangspunkt.
Die folgende App zeigt Echtzeit-Energiedaten für viele Länder auf der ganzen Welt - electricityMap
Sie können sich an Ihre Gemeinde wenden oder auch eigene Berechnungen auf der Grundlage des eigenen Stromverbrauchs erstellen und diese auf die Einwohnerzahl Ihrer Stadt hochrechnen.
Für die Suche nach Daten zur Fläche kann die kommunale Webseite Informationen liefern. Oft findet man diese auch auf Wikipedia - stellen Sie nur sicher, dass Sie die Quelle überprüfen.
Man könnte versuchen, die für Solarzellen verfügbare Dachfläche in der Stadt zu schätzen. Sie können dazu ein Tool wie Google Maps und ein transparentes Raster verwenden, um die Fläche Ihrer Stadt zu schätzen, die tatsächlich für Solarpaneele zur Verfügung stehen würde. Somit wäre Ihr Modell ein realistischerer Ansatz zur Beantwortung der Forschungsfrage.
Eine andere Möglichkeit wäre, die Karte auf der Website OpenLayers zu verwenden, um ein bestimmtes Gebiet zu messen.
Sie können auch die Eigenschaften der Solarmodule anpassen, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Gestell klicken, um die in der Abbildung gezeigte Eigenschaftsliste aufzurufen. Hier gibt es eine Vielzahl möglicher Konfigurationen, die Ihr Modell möglicherweise genauer machen könnten.
Denken Sie daran, dass einige Einstellungen, wie z. B. das Hinzufügen eines Nachverfolgungssystems, die Energieausbeute verbessern, aber zusätzliche Kosten mit sich bringen.
Das Projekt weiterführen
Zusammenarbeit
Diese Aktivität kann einzeln oder in kleinen Gruppen durchgeführt werden. Es ist möglich, sowohl mit benachbarten Gemeinden als auch mit internationalen Partner*innen zusammenzuarbeiten, um die Energieanalysen verschiedener Städte und Gemeinden zu untersuchen und zu vergleichen.
Angesichts der für die Analyse erforderlichen Mathematik ist dieses Projekt auch eine interessante fächerübergreifende Unterrichtseinheit für den Mathematikunterricht.
Verbreitung der Ergebnisse
Es gibt viele Möglichkeiten, die Ergebnisse dieser Aktivität zu vermitteln, z. B. durch eine Posterpräsentation, eine Präsentation im Klassenzimmer oder ein Video. Ebenso können Sie die Ergebnisse in einer gemeinsamen Veranstaltung mit der Schule präsentieren, mit der Sie kooperieren.
Aktiv werden – Einbeziehung des Umfeldes
Nachdem Sie die Machbarkeit der Nutzung von Solarenergie für die Stromversorgung Ihrer Stadt untersucht haben, stellt sich die Frage, was Sie nun tun können.
Beginnen Sie vor Ort - nutzen Sie die Software, um das Potenzial Ihres Schulgebäudes für Solarenergie zu analysieren. Sie können sich anschließend an die Schulverwaltung wenden und darum bitten, dass Ihre Schule mit Solarpanelen ausgestattet wird. Schreiben Sie an Ihre Kommunalverwaltung und fragen Sie nach, welche Anreize es gibt, um die in Ihrer Stadt erzeugte Solarenergie zu erhöhen.
Sie können sich auch an die politischen Parteien in Ihrer Gemeinde, Ihrer Stadt oder Ihrem Land wenden und darum bitten, dass sie dies in ihr politisches Programm aufnehmen.
Abschluss und Ausblick
Angesichts der momentanen globalen Lage ist das Projekt aktueller denn je. Es beinhaltet Dinge, die heute wichtig sind, z. B. der Umgang mit Online-Recherchen. Zudem behandelt es ein Thema, das für die nachhaltige Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist: Energienutzung und -produktion.
Für einen Einstieg in die Thematik eignet sich auch, die Berechnung des eigenen ökologischen Fußabdrucks zu zeigen. So bietet sich genug Gesprächsstoff darüber, wie wir nachhaltiger auf unserem Planeten leben können. Wenn Sie Zugang zu Solarzellen haben, könnten Sie auch einen Versuch durchführen, um diese Ergebnisse mit der Simulation zu vergleichen.
Lehrkräften, die dieses Projekt zum ersten Mal ausprobieren, raten die Autor*innen, mit kleinen Analysebereichen zu beginnen. In ihrer Erfahrung war die Rechenzeit für große Bereiche selbst bei Schüler*innen, die mit neuen Computern arbeiteten, sehr lang.
Dieses Projekt lässt sich sehr gut skalieren und könnte z. B. dazu verwendet werden, zunächst den Energieverbrauch und die Machbarkeit anhand der Wohnhäuser der Schüler*innen zu untersuchen, bevor dies auf die ganze Stadt ausgeweitet wird. Wir empfehlen auch, sich im Voraus eine Webseite herauszusuchen, um im Vorfeld nach Daten zu suchen. Besonders bei der Arbeit mit jüngeren Schüler*innen ist dies wichtig.
Autor*innen von Smart Cities: Gerald Decelles III (NO), Corina Toma (RO), Panagiota Argyri (GR)
Links zum Weiterleiten an Ihre Schüler*innen
Facciotti, M. (2019, March 29). Models, Simplifying Assumptions, and Bounding. Biology LibreTexts.
Xie, C., Schimpf, J. C., Nourian, S., & Massicotte, J. (2018). Learning and teaching engineering design through modeling and simulation on a CAD platform. Computer Applications in Engineering Education, 26(4), 824–840.
Energy3D software https://energy.concord.org/energy3d/
Statistisk sentralbryå https://www.ssb.no/
electricityMap: https://app.electricitymap.org/map
OpenLayers https://openlayers.org/en/latest/examples/measure.html
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