創課STEAM在創課教室的實踐

 

講題: 創課STEAM在創課教室的實踐

講師: 逢甲大學 呂晃志 教授

時間:2022年4月8日

地點:忠孝國小 教研中心3F會議室

文章撰寫人:賴志忠

 紀錄內容

開場由專任輔導員蘇斐虹老師介紹呂晃志教授

呂教授提到最近因為疫情所以推動線上DIY進行綠能教育

提供材料包給學生進行實作

目前大約有十個綠能課程

現在做的溫室氣體減量，為現在國家政策，也是目前世界的趨勢

今天會進行兩個實驗活動氫氧燃料電池及鋁空氣電池

  

呂教授提供風力水力兩用發電機給老師，讓大家思考這樣的教材，可以在科學教育中如何設計課程，馬達轉動連接的LED燈會發亮。

因為許多能源有限，人類需要降低個人慾望，並控制生活方式，使地球不要超過負荷。

 20220301聯合國IPCC第6次報告提出，減少溫室氣體行動，有任何拖延，都將導致人類對生態系統和生態系的損害。但是台灣的半導體產生過程會用到一些化學物質，產生一些溫室氣體。呂教授目前需要經常到許多企業，協助減少溫室氣體，因此現在許多企業也都努力地在降低溫室氣體的產生。

COP26主要協議也提到希望2030年前減碳45%，降低甲烷排放、逐漸減煤、用綠能綠氫，才有機會在2050年前達到淨零碳排。

目前世界面臨極端氣候，溫度變化很大，要減少碳排放。製造業會排碳，必須認養大量碳匯(買森林)，來抵銷排碳。

目前世界的趨勢

終結伐木，減排甲烷

中美兩大國減碳，產業轉型

汽車廠簽署零碳車承諾

IEA 敘述2050減碳，目標要提高能源效率37%，再生能源32%

二氧化碳(化石燃料)57%和甲烷(畜牧業)14%佔溫室氣體比率很高

要提高能源使用率，先分類再利用(循環經濟)，選用在地食材，減少運輸成本(減少碳排)，建議減少減少肉食量，減少食物浪費。

政府推動智慧電表，數據可以自己取出使用，二階段(尖峰/離峰)和三階段電價(尖峰/半尖峰/離峰)電價會有不同。

電熱器改成電泵，馬達變成節能馬達，舊電器換成新電器，使用節能燈泡，使用再生能源，離岸風電、太陽能。

以上都是各種節能減碳的政策

RE100計畫(全球再生能源倡議)，加入的企業在2020-2050間100%使用綠電。2021年有300家以上國企業加入

2026年許多國家會增加碳關稅

 IEA期望2050年淨零排碳路徑

停用燃煤鍋爐/2030年電動車達60%/節能馬達/建築節能

 氫氧燃料電池實驗

 第一個DIY活動燃料電池

使用細的碳棒(模型飛機骨架)，電池進行電解水，產生氫跟氧氣，並使LED燈可以發亮。

實驗的電解液為食鹽水，教授先簡單說明電解水，及產生氫氣跟氧氣，並利用碳棒來進行發電，讓LED燈發亮。

燃料電池定義:持續提供燃料以維持電力(氣態燃料)，產生能源。沒有充放電過程，被歸為新能源。

綠氫電池，用乾淨的氫氣。

氫氧燃料電池，以氫氧為燃料，利用化學反應發電，

1.為零汙染(效率高)

2.低噪音，僅有風扇進行散熱

3.效率高

 

燃料電池應用

生活的食衣住行

1.電池燃料車

2.節能屋(家中使用)

3.可攜式能源(小型行動電源/加水產氫)

4.交通工具

介紹影片

https://www.youtube.com/watch?v=7ACmGtfQTd8

 

氫氧燃料電池實驗操作

1.配置食鹽水

2.小試管蒐集氣體(滴管)

3.在滴管搓洞(插入碳棒，碳棒材料經過許多測試才找到)

4.將滴管中先充滿食鹽水

5.碳棒接上電池電解(產生氫氧氣)

6.電解後拆除電池導線

7.將碳棒氣體接上LED燈使其發亮(負極接短引線/正極接長引線)

為何可產生反應，氫氣的共價健被拉開會產生能量，碳棒為觸媒的角色(之前用白金80度鎳，需要200度)

  

碳棒購買商家 佳廷模型(衛道路19號) https://shopee.tw/gotofly.org

 LED燈能否亮，跟碳棒表面積有關係

本實驗可以探究的變因

1.碳電擊原理

2.電解質種類

3.通電電壓

4.通電時間等

  

 

鋁空氣電池實作

鋁為負極，碳為正極，氫氧化鈉或氫氧化鉀為電解液

1.有高能量(鋰電池的六倍/相同重量)

2.重量輕(鉛蓄電池12%)

3.成本低，鋁可回收再生

4.低汙染，鋁材料地球材料蘊藏多，非汙燃物質

 

應用面

1.助聽器(體積小)

2.電動車(可和現有電池互用)

3.軍事航空用途(無人機、已在火星使用)

 

碳布可以在台碳買到(在烏日)

鋁空氣電池實作過程

在餐巾衛生紙兩側放上鋁片(負極，活性較大，失去電子)及碳布(正極)，並滴上氫氧化納，接通電路，讓LED登發亮。

反應過程的關鍵要素

空氣中的氧氣為催化劑

電解液不能使用食鹽水(無法成功)

氫氧化鈉可以讓鋁片(負極)形成氫氧化鋁，可以產成電子流動

跟伏打電池的原理相近

  

實驗結果發現，LED燈規格為3伏特，因此空氣電池串聯後燈泡會比較亮(一個空氣電池電壓約1伏特)，串聯兩個電池就可以芿LED燈發亮。

 IEA展望2040年全球電力組合

降低煤及天然氣的使用

風力跟太陽能發電提升

水力及其他綠能提升

碳捕捉與封存技術增加

 

氫氣的重要性

燃料電池的使用，通常使用氫氣，氫能利用氫鍵的分離釋放出能量

非再生能源產生的氫氣，不稱為綠氫。

日本有30萬戶家庭使用氫燃料電池

日本有氫汽車的銷售與使用，歐洲也有氫氣使用，許多燃料會逐漸使用氫氣燃料。

 

淨零排放 對溫室氣體進行管理，有七種氣體

零碳(碳中和)，可購買碳權。

目前IPCC(政府間氣候變化專門委員會)，會建議各國政府如何減少碳。

世界許多大企業都要供應商要進行減碳，所以已經變成國際間企業的趨勢。

聯合國也不斷推動世界各國立法，減少碳的排放，目前多由企業推動，再由政府立法進行。

智慧電網設置，讓電能的運用，可以有彈性的調節，更有效的運用。

建築節能，減少冷氣的消耗，利用建築設計降低耗能。

 

後記:目前減碳綠能已經是世界的趨勢，地球只有一個，世界各國透過食衣住行各方面的改變，可以持續達到這目標。此外，發電方式的改變也是相當重要的，目前台灣政府政策廢棄核能，未來綠能的持續發展來提供台灣的用電需求是必要的方式。

    電力與能源的單元在自然科中一直不是考試的重點，但卻是生活中相當重要的一個議題。透過今天的能源課程學習到許多能源政策，及世界各國面對綠能的發展狀況，還有許敦新的能源規範，透過實作燃料電池跟空氣電池，以及學習世界各國目前能源政策，一天下來收穫相當豐富。