Βιοενέργεια από κελύφη ξηρών καρπών

Ο κόσμος αρχίζει να συνειδητοποιεί τη ζημιά που προκαλείται από την καύση ορυκτών καυσίμων. Ως αποτέλεσμα, πολλές χώρες στρέφονται προς εναλλακτικές λύσεις περισσότερο φιλικές προς το περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας που προέρχεται από βιομάζα^w1. Παρόλο που αυτές οι πηγές θεωρούνται γενικά καλύτερες από τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ένα από τα επιχειρήματα στο επίκεντρο των περισσότερων συζητήσεων για τη βιοενέργεια, είναι ότι οι γεωργικές εκτάσεις συχνά προσανατολίζονται στην παραγωγή βιομάζας, με κόστος την ελάττωση της παραγωγής τροφίμων. Ένας προφανής τρόπος για να αποφευχθεί το δίλημμα  «τρόφιμα έναντι καυσίμων» (και για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διαδικασία) είναι η παραγωγή βιοενέργειας από απόβλητα.

Τα τελευταία χρόνια, ένα υλικό που συνήθως θεωρούμε ως πηγή τροφής – οι ξηροί καρποί - έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Προς το παρόν, χρησιμοποιούνται ολόκληροι οι ξηροί καρποί, αλλά η καύση των κελυφών που απομένουν θα ήταν άραγε ένας πιο βιώσιμος τρόπος χρήσης αυτού του υλικού;  Και θα μπορούσαν άραγε τα κελύφη των ξηρών καρπών, που πετάμε, να βοηθήσουν στην κάλυψη μελλοντικών ενεργειακών μας αναγκών; Στις δραστηριότητες που ακολουθούν, παρακινούμε τους μαθητές να το ανακαλύψουν.

Χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο, δικής μας κατασκευής θερμιδόμετρο, μαθητές ηλικίας 14-19 ετών, υπολογίζουν την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνεται από κελύφη διαφορετικών ξηρών καρπών. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματά τους με δεδομένα από την επιστημονική βιβλιογραφία, οι μαθητές αξιολογούν κατά πόσο τα κελύφη αυτά, θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Προετοιμασία: κατασκευάζοντας ένα θερμιδόμετρο καύσης

Η κατασκευή του θερμιδόμετρου διαρκεί 1-2 ώρες. Προτείνουμε οι μαθητές να εργάζονται σε ομάδες των 2-3 ατόμων και να κατασκευάζουν ένα θερμιδόμετρο ανά ομάδα. Εάν το σχολείο σας διαθέτει ήδη θερμιδόμετρα που μπορούν να τεθούν σε επαφή με μια φλόγα, μπορείτε να παραλείψετε αυτό το μέρος της δραστηριότητας και να αρχίσετε αμέσως με το πείραμα.

Υλικά

Για ένα θερμιδόμετρο καύσης (σχήμα 1):

• Μεταλλική βάση ή τρίποδας για την στήριξη του θερμιδόμετρου
• Τρία μεγάλα κομμάτια μονωτικού πολυστυρενίου
• Ποτήρι ζέσεως 50 ml με καπάκι από πολυστυρένιο
• Θερμόμετρο
• Πυρίμαχο κεραμικό πλέγμα
• Αυτοκόλλητο φύλλο αλουμινίου
• Μαχαίρι ή κοπίδι
• Λίμα

Διαδικασία

1. Βρείτε μια κατάλληλη μεταλλική δομή που θα λειτουργεί ως η βάση του θερμιδόμετρού σας. Τα τεμάχια πολυστυρενίου θα τοποθετούνται στην κορυφή αυτής της βάσης, έτσι ώστε η δομή να δημιουργεί ένα χώρο, κάτω από τον οποίο μπορεί να τοποθετηθεί το κερί. Εμείς χρησιμοποιήσαμε μια μεταλλική δομή που είχαμε ήδη διαθέσιμη στο σχολικό μας εργαστήριο (σχήμα 2), αλλά εσείς μπορείτε να μειώσετε το μέγεθος του θερμιδόμετρου χρησιμοποιώντας ένα τρίποδα.
2. Το τμήμα πολυστυρενίου της διάταξης θα κρατήσει το ποτήρι ζέσεως. Χρησιμοποιώντας ένα μαχαίρι (ή λεπίδι), κόψτε τα τρία κομμάτια πολυστυρενίου έτσι ώστε να ταιριάξουν στις διαστάσεις της μεταλλικής βάσης ή του τρίποδά σας. Σημειώστε ότι το ένα από τα κομμάτια πολυστυρενίου (που τοποθετείται πάνω από τα άλλα δύο) θα πρέπει να έχει κατάλληλο  πάχος (π.χ. 6 cm) ώστε να εφαρμόσει το ποτήρι ζέσεως στο εσωτερικό. Τα άλλα δύο τεμάχια μπορούν να είναι λεπτότερα (π.χ. 3 cm).
3. Στο κέντρο κάθε τεμαχίου πολυστυρενίου, δημιουργήστε μια οπή όσο η διάμετρος του ποτηριού. Λειάνετε τα τοιχώματα των οπών με μία λίμα. Το ποτήρι ζέσεως πρέπει να εφαρμόζει ακριβώς στα τοιχώματα για να αποφευχθεί η διέλευση του αέρα.
4. Χρησιμοποιώντας ένα κομμάτι από το πολυστυρένιο που έχει απομείνει, κόψτε ένα καπάκι για το ποτήρι ζέσεως, το οποίο θα λειτουργήσει ως πώμα. Δημιουργήστε μια μικρή οπή στο καπάκι για να περάσει το θερμόμετρο (σχήμα 3).
   

   
   
   

   
   
   

   
   
   

5. Τοποθετήστε το συρμάτινο πλέγμα μεταξύ των δύο λεπτότερων τεμαχίων από πολυστυρένιο (σχήμα 4) και τοποθετήστε το παχύτερο τεμάχιο στην κορυφή
6. Τυλίξτε το καθένα από τα τρία κομμάτια πολυστυρενίου με αλουμινόχαρτο, αναδιπλώνοντας τα άκρα του φύλλου μέσα στις οπές. Βεβαιωθείτε ότι το πολυστυρένιο καλύπτεται πλήρως από το αλουμινόχαρτο, καθώς αυτό θα διασφαλίσει ότι το πολυστυρένιο δεν θα πάρει φωτιά.
7. Τοποθετήστε το ποτήρι ζέσεως (μαζί με το καπάκι και το θερμόμετρο) στην κορυφή του θερμιδόμετρου (σχήμα 5).
    ​

   
   
   

Πείραμα: καύση βιομάζας

Στις ίδιες ομάδες, οι μαθητές καίνε κελύφη και πυρήνες διάφορων ξηρών καρπών, χρησιμοποιώντας το θερμιδόμετρό τους και υπολογίζουν την ποσότητα της θερμικής ενέργειας που μεταφέρεται από τον πυρήνα ή το αντίστοιχο κέλυφος στο νερό του ποτηριού ζέσεως. Αν και ο στόχος του πειράματος είναι ο προσδιορισμός της ποσότητας ενέργειας που απελευθερώνεται από τα κελύφη (και όχι τους πυρήνες), οι μαθητές πρέπει επίσης να καίνε τους πυρήνες, ώστε να συγκρίνουν τα αποτελέσματά τους με τις δημοσιευμένες τιμές, καθώς αυτές οι τιμές είναι ευρύτερα διαθέσιμες από εκείνες για τα κελύφη.

Για τους υπολογισμούς οι μαθητές χρησιμοποιούν την ακόλουθη εξίσωση:

Q = m x c x ΔΤ

Όπου:

Q είναι η θερμική ενέργεια που μεταφέρθηκε (J)

m η μάζα του νερού (kg)

c η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού (4200 J kg^-1 K^-1)

ΔΤ η μεταβολή της θερμοκρασίας (K)

Προτείνουμε οι μαθητές να κάψουν πυρήνες και κελύφη για τέσσερις διαφορετικούς τύπους ξηρών καρπών, οπότε όλο το πείραμα θα διαρκέσει περίπου 2 ώρες, συμπεριλαμβανομένων των υπολογισμών και των απαιτούμενων επαναλήψεων.

Υλικά

• Θερμιδόμετρο
• Ξηροί καρποί, π.χ. καρύδια, φουντούκια, αμύγδαλα, φιστίκια
• Γουδί και γουδοχέρι
• Ηλεκτρονική ζυγαριά ακριβείας (αναγνωσιμότητα του 0.1 g ή μικρότερη)
• Θερμόμετρο
• Καρυοθραύστης
• Τσιμπιδάκι
• 50 ml νερό
• Κερί, π.χ. ρεσώ (και σπίρτα)

Διαδικασία

1. Χρησιμοποιώντας έναν καρυοθραύστη, σπάστε κάθε είδος ξηρού καρπού και διαχωρίστε τους πυρήνες από τα κελύφη. Κονιοποιήστε ελαφρά κάθε δείγμα (πυρήνες και κελύφη ξεχωριστά) με γουδί και γουδοχέρι.
2. Ζυγίστε 0.2 g από κάθε δείγμα χρησιμοποιώντας τον ηλεκτρονικό ζυγό ακριβείας. Αυτή η ποσότητα, όταν καίγεται,  είναι αρκετή για να προκαλέσει μια μετρήσιμη αλλαγή στη θερμοκρασία του νερού.
3. Αφαιρέστε το επάνω κομμάτι πολυστυρενίου και τοποθετήστε το πρώτο σας κονιοποιημένο δείγμα πάνω στο συρμάτινο πλέγμα.
4. Προσθέστε 50 ml νερού στο ποτήρι ζέσεως και σφραγίστε το με το κάλυμμα πολυστυρενίου. Βεβαιωθείτε ότι το θερμόμετρο έρχεται σε επαφή με το νερό. Καταγράψτε την αρχική θερμοκρασία.
5. Ανάψτε το κερί και τοποθετήστε το κάτω από το συρμάτινο πλέγμα για να αναφλέξετε το δείγμα.
6. Μόλις το δείγμα ανάψει, αφαιρέστε το κερί για να αποφύγετε τη θέρμανση του νερού από τη φλόγα του κεριού. Τοποθετήστε το ανώτερο κομμάτι πολυστυρενίου (με το ποτήρι ζέσεως) πίσω στη θέση του.
7. Παρακολουθήστε προσεκτικά το καιόμενο δείγμα κοιτώντας κάτω από το θερμιδόμετρο. Μόλις σταματήσει η καύση, διαβάστε και καταγράψτε ξανά τη θερμοκρασία του νερού.
8. Υπολογίστε την μεταβολή της  θερμοκρασίας του νερού και στη συνέχεια υπολογίστε την ποσότητα θερμότητας που μεταφέρθηκε κατά την καύση του δείγματος στο νερό, χρησιμοποιώντας την εξίσωση Q = m x c x ΔΤ. Θυμηθείτε ότι 1 ml νερού ζυγίζει 1 g. 
9. Επαναλάβετε τα βήματα για κάθε ένα από τα δείγματα ξηρών καρπών  τουλάχιστον τρεις φορές, αντικαθιστώντας το νερό στο ποτήρι ζέσεως, ανάμεσα σε κάθε δείγμα.
10. Υπολογίστε τη μέση θερμική ενέργεια ανά χιλιόγραμμο για κάθε υλικό (πίνακας 1). Σημειώστε ότι οι τιμές για τους πυρήνες, από τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία, παρουσιάζονται στον πίνακα 2.

Αξιολόγηση της αξιοπιστίας

Οι μαθητές πρέπει να συγκρίνουν τα δικά τους αποτελέσματα για τους πυρήνες των ξηρών καρπών, με τις τιμές που είναι ευρέως διαθέσιμες στην επιστημονική βιβλιογραφία. Η σύγκριση αυτή τους επιτρέπει να αξιολογούν την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους που αναφέρονται στα κελύφη. Οι μαθητές μπορούν να αναζητήσουν την ίδια τη βιβλιογραφία ή να χρησιμοποιήσουν τις τιμές που δίνονται στον πίνακα 2. Οι μαθητές μας διαπίστωσαν ότι οι δικές τους πειραματικές τιμές για τους πυρήνες των καρπών, διέφεραν κατά περίπου 50% από τις δημοσιευμένες τιμές (Brufau et al., 2006). Αυτή η μεγάλη διαφορά παρέχει την ευκαιρία να συζητήσουμε το γιατί η πειραματική διάταξη και η ακολουθούμενη διαδικασία μπορούν να προκαλέσουν μια τέτοια ασυμφωνία. Αργότερα, οι μαθητές θα υπολογίσουν έναν διορθωτικό παράγοντα με τον οποίο θα τροποποιήσουν τα δεδομένα τους. Υπάρχουν διάφορες πηγές σφαλμάτων για τις οποίες μπορείτε να συζητήσετε, για παράδειγμα:

• Στην αρχή του πειράματος, οι μαθητές ζυγίζουν 0.2 g υλικού καρπών με τη χρήση ηλεκτρονικού ζυγού ακριβείας. Αυτή η μέτρηση θα μπορούσε να προκαλέσει κάποιο σφάλμα ανάλογα με την ακρίβεια  της ζυγαριάς.
• Για να ελέγξουν αν τα δείγματα έχουν ολοκληρώσει την καύση, οι μαθητές ίσως χρειαστεί να αφαιρέσουν το ποτήρι ζέσεως και το πολυστυρένιο για να δουν το δείγμα, το οποίο θα μπορούσε να απελευθερώσει θερμότητα από το θερμιδόμετρο επηρεάζοντας την τελική θερμοκρασία του νερού.
• Όταν το υλικό σταματήσει να καίγεται, μπορούν οι μαθητές να είναι σίγουροι ότι ολόκληρο το δείγμα έχει καεί ή μήπως η καύση ήταν ατελής; Η παραμένουσα τέφρα ή τα άκαυστα κομμάτια ξηρών καρπών, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να συνεισφέρουν στο σφάλμα.

Συνολικά, ωστόσο, η μεγαλύτερη πηγή σφάλματος στην θερμιδομετρία προκύπτει ως αποτέλεσμα της απώλειας θερμότητας στο περιβάλλον. Για να αντιμετωπιστεί το γεγονός αυτό, οι μαθητές πρέπει να βαθμονομήσουν το θερμιδόμετρό τους. Στην επόμενη δραστηριότητα, το βαθμονομούν, μετρώντας την ενέργεια καύσης ενός κεριού παραφίνης  συγκεκριμένης μάζας.

Βαθμονόμηση: βελτιώνοντας την ακρίβεια 

Οι μαθητές υπολογίζουν την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απορροφά το νερό στο ποτήρι ζέσεως από τη θερμότητα του κεριού και την συγκρίνουν με την ποσότητα θερμικής ενέργειας που απελευθερώνει το κερί. Συγκρίνοντας τις δύο τιμές, οι μαθητές μπορούν να υπολογίσουν την απώλεια θερμότητας και το σφάλμα στις μετρήσεις τους. Αυτή η διαδικασία διαρκεί περίπου 1 ώρα, συμπεριλαμβανομένων των αναγκαίων επαναλήψεων.

Υλικά 

• Θερμιδόμετρο
• 50 ml νερό
• Κερί, π.χ. ρεσώ (και σπίρτα)
• Ηλεκτρονική ζυγαριά ακριβείας (ακρίβεια του 0.1 g ή μικρότερης τιμής)
• Χρονόμετρο

Διαδικασία

1. Ζυγίστε το κερί χρησιμοποιώντας την ζυγαριά ακριβείας και καταγράψτε την τιμή.
2. Αφαιρέστε το ανώτερο κομμάτι πολυστυρενίου και τοποθετήστε το κερί στο συρμάτινο πλέγμα.
3. Προσθέστε 50 ml νερού στο ποτήρι ζέσεως, σφραγίστε το με το κάλυμμα πολυστυρενίου και καταγράψτε τη θερμοκρασία του νερού όπως στην πρώτη πειραματική διαδικασία.
4. Ανάψτε το κερί με ένα σπίρτο και τοποθετήστε γρήγορα το πάνω μέρος του πολυστυρενίου (με το ποτήρι ζέσεως) πίσω στη θέση του.
5. Χρησιμοποιώντας το χρονόμετρο, αφήστε το κερί να καεί για 10 λεπτά πριν το σβήσετε. Καταγράψτε τη θερμοκρασία του νερού και υπολογίστε τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
6. Ζυγίστε και πάλι το κερί και υπολογίστε τη μεταβολή της μάζας.
7. Υπολογίστε την ποσότητα θερμικής ενέργειας που μεταφέρεται στο νερό, χρησιμοποιώντας την εξίσωση Q = m x c x ΔΤ.
8. Επαναλάβετε τη διαδικασία τουλάχιστον τρεις φορές και υπολογίστε τη μέση θερμότητα καύσης του κεριού παραφίνης διαιρώντας την θερμική ενέργεια (Q) με τη μεταβολή της μάζας του κεριού. Στην περίπτωσή μας, η πειραματικά καθορισμένη μέση θερμότητα καύσης του κεριού ήταν 2.1589 x 10⁴ kJ/kg. Η θερμότητα καύσης του κεριού παραφίνης είναι γνωστό ότι είναι 4.2 x 10⁴ kJ/kg (Seager et al., 2011). 
9. Χρησιμοποιώντας αυτές τις δύο τιμές, προσδιορίστε έναν συντελεστή διόρθωσης (D) υπολογίζοντας τον λόγο τους. Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω τιμές έχουμε:

D = 4.2 x 10⁴ / 2.1589 x 10⁴

   = 1.945

10. Πολλαπλασιάστε τις πειραματικές σας τιμές με το συντελεστή διόρθωσης, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τη θερμική ενέργεια που χάθηκε στο περιβάλλον. Τα πειραματικά  σας δεδομένα θα πρέπει πλέον να συμφωνούν περισσότερο με τις τιμές που προκύπτουν από την επιστημονική βιβλιογραφία (πίνακας 2). Παρόλα αυτά, ενδέχεται να υπάρχουν ακόμα αποκλίσεις, υπογραμμίζοντας τη σημασία της συζήτησης όλων των πηγών σφαλμάτων κατά την έρευνα.

Εξάγοντας συμπεράσματα

Για το τελικό μέρος της δραστηριότητας, οι μαθητές αξιολογούν εάν τα κελύφη θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Για να γίνει αυτό, οι μαθητές μπορούν να αποκτήσουν στοιχεία από την επιστημονική βιβλιογραφία σχετικά με την ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση των υφιστάμενων πηγών βιομάζας, όπως σκληρό ξύλο, πέλλετ από ξύλο ή πυρήνες  από ελιές και να τα συγκρίνουν με τα δικά τους πειραματικά αποτελέσματα για τα κελύφη. Εναλλακτικά, οι μαθητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τις τιμές του πίνακα 3, οι οποίες προέρχονται από τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία. Μπορούν τότε να σχεδιάσουν αυτές τις πληροφορίες σε ένα γράφημα (σχήμα 6).

Συνολικά, τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται από την καύση των κελυφών είναι κατά 46% χαμηλότερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται από αυτές τις τρεις άλλες ανανεώσιμες πηγές. Ωστόσο, σημειώστε ότι η τιμή της ενέργειας που υπολογίσαμε για τα κελύφη αμυγδάλου ήταν στην πραγματικότητα συγκρίσιμη με αυτή για τα πέλλετ ξύλου και ακόμη καλύτερη από τις τιμές του σκληρού ξύλου ή των πυρήνων  ελιάς.

Εάν ο χρόνος το επέτρεπε, οι μαθητές θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν τα πειράματα θερμιδομετρίας για αυτές τις άλλες πηγές βιομάζας και να συγκρίνουν τις δικές τους τιμές για το σκληρό ξύλο, για παράδειγμα, με τις τιμές τους για τα κελύφη.

Για να αξιολογηθεί πλήρως το κατά πόσο τα κελύφη θα μπορούσαν να είναι μια κατάλληλη εναλλακτική λύση, οι μαθητές θα πρέπει επίσης να εξετάσουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της χρήσης κελυφών για βιοενέργεια. Για παράδειγμα, το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι τα κελύφη είναι ένα υλικό που πετιέται, συνεπώς το κόστος παραγωγής είναι πολύ χαμηλό. Τα κελύφη επίσης, περιέχουν πολύ λίγη υγρασία, επομένως δεν απαιτούν περαιτέρω ξήρανση - σε αντίθεση με (για παράδειγμα) τα πέλλετ ξύλου – γεγονός το οποίο μειώνει το κόστος επεξεργασίας. Ωστόσο, η ποσότητα ενέργειας που παράγεται από ορισμένους ξηρούς καρπούς είναι πολύ χαμηλότερη από άλλες πιθανές πηγές, όπως δείχνουν τα αποτελέσματα. Επιπλέον, η χρήση κελυφών ως πηγής βιοενέργειας είναι εφικτή μόνο σε χώρες όπου η παραγωγή καρπών με κέλυφος - και ιδιαίτερα οι καρποί αμυγδάλου - είναι υψηλή, όπως οι ΗΠΑ, η Ισπανία, το Ιράν, η Ιταλία και η Συρία^w2. 

Συνολικά, οι μαθητές μας εκτίμησαν τη σημασία της χρήσης κελυφών ως πηγής ενέργειας και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η χρήση κελυφών - που διαφορετικά θα πήγαιναν στα σκουπίδια - για παραγωγή βιοενέργειας είναι μια πολύτιμη και καινοτόμος πρακτική. Σε ποια  συμπεράσματα θα κατέληγαν οι δικοί σας μαθητές;

Ευχαριστίες

Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν θερμά τους μαθητές τους Γιάννη Χαραλαμπίδη, Αλέξη Νίκα και Γιάννη Μαντζαρίδη για τη συνδρομή τους στα πειράματα που περιγράφονται σε αυτό το άρθρο, το οποίο γράφτηκε στη μνήμη του Γιάννη Μαντζαρίδη, (†2017).

Οι ευχαριστίες τους επίσης απευθύνονται στον Δρα Γεώργιο Μεμετζίδη για τις γόνιμες συζητήσεις που έγιναν σχετικά με την κατασκευή και βαθμονόμηση του θερμιδόμετρου. Θα ήθελαν επίσης να εκφράσουν την ευγνωμοσύνη τους προς τον σημερινό Διευθυντή του σχολείου, Δρα Κωνσταντίνο Κεραμιδά, για το ενδιαφέρον και τη συνεχή υποστήριξή του.