• Fach

Ihre Perspektive zählt – Jetzt an unserer Umfrage zur Finanzkompetenz von Schülerinnen und Schülern teilnehmen!

Liebe Lehrkräfte,
wie steht es aus Ihrer Sicht um die Finanzkompetenz Ihrer Schülerinnen und Schüler? Als Lehrkraft sind Sie den Lebensrealitäten junger Menschen besonders nah. Wir freuen uns daher, wenn Sie sich wenige Minuten Zeit nehmen und an unserer Umfrage teilnehmen. Als Dankeschön laden wir Sie am Ende der Befragung dazu ein, an der Verlosung von drei 50-Euro-Wunschgutscheinen teilnehmen.

Viele Grüße
Ihre Lehrer-Online-Redaktion

  • Schulstufe
  • Klassenstufe
  • Schulform
  • Fach
  • Materialtyp
  • Quelle 2
Sortierung nach Datum / Relevanz
Kacheln     Liste

Energiespeicher in Stromversorgungssystemen

Unterrichtseinheit

Der Ausbau erneuerbarer Energien macht gleichzeitig auch die Weiterentwicklung von Speichertechnologien notwendig, da Stromproduktion und Stromnachfrage im Zeitverlauf schwanken. Gerade beim Thema Erneuerbare Energien spielen Speichertechnologien eine bedeutsame Rolle. Denn häufig ist die Menge der Stromproduktion aus Solar- oder Windkraft nicht genau vorhersehbar und entspricht nicht immer der Nachfrage. Speichertechnologien sind aus diesem wichtig, um überschüssigen Strom (beispielsweise bei starkem Wind) zwischenzuspeichern und in Zeiten höherer Nachfrage in das Netz einzuspeisen. Ohne sie erscheint ein weiterer Ausbau Erneuerbarer Energien kaum denkbar. Ziel dieser Unterrichtseinheit ist es, den Schülerinnen und Schülern zu vermitteln, dass der Ausbau erneuerbarer Energien ebenso eine parallele Weiterentwicklung von Möglichkeiten zur Energiespeicherung erfordert. Die Lernenden sollen im Internet verschiedene Speicherformen und ihre Funktionsweise recherchieren und die Ergebnisse dann im Plenum präsentieren. Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Der Text des VDE bietet zusammenfassende Informationen zu verschiedenen Formen von Energiespeichern und kann als Ausgangsbasis für die Internetrecherche dienen. Die Schülerinnen und Schüler sollen lernen, dass Stromversorgungssysteme mit einem hohen Anteil an regenerativen Energien wie Solar- oder Windkraft aufgrund des schwankenden Angebots Energiespeicher benötigen. im Internet Informationen zu Energiespeichern recherchieren und dabei verschiedene Energieformen unterscheiden (mechanisch, chemisch). in Partner- oder Gruppenarbeit das Funktionsprinzip einzelner Speichertechnologien genauer erarbeiten. ihre Ergebnisse den Mitschülerinnen und Mitschülern in geeigneter Form präsentieren. Thema Energiespeicher in Stromversorgungssystemen Autor Antje Schmidt Fach Physik, Technik Zielgruppe Klasse 8 bis 10 Zeitraum 2-3 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang (im Idealfall ein Computer für 2 Personen) In einem Stromversorgungsnetz muss die erzeugte Leistung zu jeder Zeit dem Bedarf entsprechen. Insbesondere die meisten erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Laufwasser) sind jedoch nicht gleichmäßig verfügbar. Zudem werden keine Vorräte gebildet, und sie sind in ihrer Intensität im Voraus nicht exakt planbar. Daher stellt sich die Herausforderung, wie mit Schwankungen zwischen Stromangebot und -nachfrage umzugehen ist. Erforderlich sind flexible Lösungen, die kurzfristig Ausgleich schaffen können. Geplant ist der Ausbau erneuerbarer Energien bis 2020 auf bis zu 40 % der gesamten Stromerzeugung. Dies kann bei einem Überangebot (zum Beispiel bei Starkwind) dazu führen, dass thermische Kraftwerke zum Ausgleich gedrosselt oder abgeschaltet werden müssen, da erneuerbare Energien als CO 2 -freie Energiequelle Vorrang haben. Wenn solche thermischen Kraftwerke nur im Teillastbetrieb laufen, erhöhen sich der Verschleiß und die Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung. Insgesamt sind dadurch steigende Stromerzeugungskosten zu erwarten. Ideal wäre es daher, Speichermöglichkeiten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu haben, um den Strom dann abzurufen, wenn er gebraucht wird und Angebotsschwankungen abzufedern. Solche Energiespeicher können einen Überschuss an erzeugter Energie für einige Tage oder Wochen zwischenspeichern. Prinzipiell sind solche Technologien verfügbar, jedoch sind bis zur Marktreife noch hohe Investitionen für Forschung und Entwicklung erforderlich. Im Folgenden werden einige Speichertechnologien vorgestellt. Diese Wasserkraftwerke verbinden zwei Wasserbecken unterschiedlicher Höhe. Ist das Angebot an elektrischer Energie größer als die Nachfrage (in der Regel nachts), kann der Überschuss an Energie genutzt werden, um Wasser aus dem unteren Becken in das obere Becken zu pumpen. Bei Bedarf lässt man das Wasser zurück in das untere Becken fließen und so eine Turbine antreiben. Der mit der Turbine verbundene Motor-Generator kann dann die gespeicherte Energie wieder in Elektrizität wandeln und in das Stromnetz einspeisen. Der Wirkungsgrad liegt derzeit im Bereich 70 bis 80 %, da zum Hochpumpen mehr Energie benötigt wird als beim Herunterfließen des Wassers wieder gewonnen werden kann. Im Vergleich zu anderen Speichertechnologien ist die Leistung deutlich höher und die Generatoren können etwa 4 bis 8 Stunden Strom erzeugen. Pumpspeicher sind jedoch an bestimmte topografische Voraussetzungen gebunden. Abgesehen von den Landschaftseingriffen beim Bau solcher Anlagen sind geeignete Standorte in der Regel zu weit entfernt von Gebieten mit hohem Windpotenzial wie Küstengegenden. Diese auch als CAES-Kraftwerke bezeichneten Energiespeicher (CAES = Compressed Air Energy Storage) arbeiten nach dem Prinzip, ein Luftreservoir in einer unterirdischen Kaverne (meist ein ausgehöhlter Salzstock) zu verdichten. In Spitzenzeiten wird die so gespeicherte Energie zum Antrieb von Gasturbinen genutzt, indem man die komprimierte Luft sich wieder ausdehnen lässt. Eine solche Anlage dient im Wesentlichen zur Netzregelung, da sie zur Abfederung von Spitzenlasten eingesetzt wird. Ein wichtiges Merkmal ist die Fähigkeit, das ein solches Werk schnell gestartet werden kann (innerhalb von Minuten stehen 100 % der Leistung zur Verfügung). Weltweit gibt es derzeit zwei diabate CAES-Anlagen, davon eine in den USA und eine in Deutschland. Die deutsche Anlage in norddeutschen Huntorf hat die Aufgabe, Strom in Schwachlastzeiten vom Kernkraftwerk Unterweser zwischenzuspeichern. Daneben sichert sie die Stromversorgung des Kernkraftwerks im Fall eines Netzzusammenbruchs ab. Druckluftspeicher sind an bestimmte geologische Voraussetzungen gebunden (Salzstöcke), die in Norddeutschland häufig vorkommen. Damit können sie als Speicher für den weiteren Ausbau von Windkraftanlagen in der Nordsee dienen und zukünftig eine größere Bedeutung erlangen. Um elektrische Energie über längere Zeit zu speichern (mehrere Tage bis Wochen), kommen Systeme infrage, die Wasserstoff als Energieträger nutzen. Dazu wird mithilfe von Elektrolyse überschüssige elektrische Energie in Wasserstoff gewandelt, der dann verdichtet und in unterirdischen Kavernen gespeichert werden kann. Somit bieten insbesondere Wasserstoffspeicher die technische Möglichkeit, fluktuierende erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind bei Bedarf auszugleichen. Aufgrund der höheren Energiedichte kann mit Wasserstoff in Kavernen im Vergleich zu Druckluftspeichern die 60-fache Nutz-Energiemenge gespeichert werden. Wasserstoff-Speichersysteme bieten zwei Vorteile: zum einen eignen sie sich für Szenarien, bei denen die Energie relativ selten, das heißt im Schnitt weniger als einmal pro Woche, benötigt wird. Zum anderen muss der Wasserstoff nicht zwingend in elektrische Energie zurückgewandelt werden, sondern es ist auch eine direkte Nutzung des Wasserstoffs etwa als Fahrzeugantrieb (Brennstoffzellen) oder in der industriellen Produktion denkbar. Grob lassen sich elektrochemische Speicher in zwei Gruppen einteilen: mit internem und mit externem Speicher. Zur ersten Gruppe zählen übliche Batterien für tragbare Geräte wie Laptops, Handys oder MP3-Player. In diesen Systemen wird die Energie dort gespeichert, wo auch die elektrochemische Reaktion stattfindet. Bei Systemen mit externem Speicher kann das Speichermedium getrennt der Reaktionseinheit gelagert werden, beide können unabhängig voneinander dimensioniert werden. Blei-Säure-Akkumulatoren Sie finden derzeit die größte Verwendung. Genutzt werden sie als Starterbatterien in Verbrennungsmotoren, als Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen sowie für die Notstromversorgung. Im Bereich erneuerbare Energien dienen Blei-Säure-Akkumulatoren als Zwischenspeicher für Photovoltaik- oder Windkraftanlagen. Lithium-Ionen-Batterien Schon seit einiger Zeit werden Lithium-Batterien erfolgreich in Laptops und Handys als Energiespeicher genutzt. Ihr Vorteil liegt in einer geringen Selbstentladungsrate und einer hohen Energiedichte. Sie gelten auch als vielversprechend für Elektrofahrzeuge (siehe auch Energiespeicherung im Verkehrssektor). Redox-Flow-Batterien Zur Langzeitspeicherung oder Spannungsregulierung bieten sich Redox-Flow-Batterien an. Da hier das Seichermedium getrennt von der Umwandlungseinheit ist, kann die Energiemenge flexibel dimensioniert werden. In zwei Tanks werden die Flüssigkeiten, bestehend aus in flüssigen Elektrolyten gelösten Salzen, getrennt gelagert. Bei Bedarf werden die Flüssigkeiten mittels Pumpen der zentralen Reaktionseinheit für den Lade- oder Entladeprozess zugeführt. Diese Batterien haben den Vorteil, dass sie sich praktisch nicht entladen und daher sehr lange Energie speichern können. Für die zukünftige Entwicklung des Verkehrssektors werden erneuerbare Energien eine zunehmende Bedeutung haben. Viele Autokonzerne bringen derzeit Elektrofahrzeuge auf den Markt. Man unterscheidet drei Varianten: Hybridfahrzeug (HEV) Diese Fahrzeugart besitzt einen Speicher von etwa 1 kWh und lädt diesen nur während der Fahrt auf. Mithilfe des Elektroantriebs lässt sich eine Einsparung von Kraftstoff von bis zum 20% erzielen. Plug-in Hybrid (PEHV) Hier handelt es sich um ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, dessen Elektroantrieb über eine Steckdose geladen werden kann. Der Speicher ist größer als bei einem reinen Hybridfahrzeug und enthält 5 bis 10 kWh. Die Reichweite des Elektromotors beträgt 30 bis 70 km, bei längeren Strecken erfolgt der Antrieb über Kraftstoff wie Benzin, Erdgas oder auch Biokraftstoffe. Elektrofahrzeug (EV) Ein reines Elektrofahrzeug hat derzeit eine Reichweite von 100 bis 300 km bei einem Speicher von 14 bis 40 kWh. Auch hier lässt sich die Batterie über Steckdosen gewöhnlicher Hausanschlüsse laden. Zeiten, in denen das Fahrzeug nicht benötigt wird, zum Beispiel während der Arbeitszeit oder in den Nachtstunden, können zum Aufladen genutzt werden. Als geeignete Speichertechnologie erweist sich dabei vorzugsweise die Lithium-Ionen-Batterie, da sie eine hohe Energiedichte besitzt. Viele der genannten Speichersysteme weisen ein erhebliches Entwicklungspotenzial auf. Teilweise ist noch Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig, um die erforderliche Marktreife zu erreichen. Insbesondere die Batterieentwicklung als eine Schlüsseltechnologie für Elektrofahrzeuge wird eine große Rolle spielen. Bedeutsam für die Etablierung von Speichersystemen allgemein sind zudem planbare energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen, wie sie beispielsweise Anreizsysteme bieten. Parallel zum Einsatz von Energiespeichern ist der Ausbau der Netzkapazitäten erforderlich, um die Menge an erzeugtem Strom durch regenerative Energieträger über lange Distanzen zu übertragen und lokale Netzengpässe zu entspannen. Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat im Jahr 2008 eine Studie veröffentlicht zum Thema "Energiespeicher in Stromversorgungssystemen". In ausführlicher Form behandelt die Studie die verschiedenen Energiespeicher und ihre Rolle bei der Entkoppelung von Angebot und Bedarf an elektrischer Energie. Interessierte Lehrkräfte können die Studie direkt beim VDE bestellen (250 Euro für Nichtmitglieder): VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. Stresemannallee 15 60596 Frankfurt am Main service@vde.com

  • Technik / Sache & Technik / Physik / Astronomie / Chemie / Natur & Umwelt
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II

Hybridmotoren – das Beste aus beiden Welten

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit für die Sekundarstufe I für den Physikunterricht setzen sich Lernende mit den Besonderheiten des Hybridantriebs auseinander. Von unterschiedlichen Antriebsarten und deren Funktionsweise über verschiedene Arten der Energieumwandlung und Energieerhaltung lernen die Schülerinnen und Schüler physikalische Konzepte mit Sachbezug zum Kfz-Gewerbe kennen. Was bedeutet es, Vorteile aus zwei Motorenarten zu kombinieren, um Vorteile für technische Entwicklungen zu erzielen? Wie kann man verschiedene physikalische Prozesse gleichzeitig nutzen, um die Effizienz zu steigern? Mit diesen und verwandten Fragen beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler anhand von drei Arbeitsblättern in dieser Unterrichtseinheit. Es geht darum, sich mit dem Hybridantrieb auseinanderzusetzen und herauszufinden, warum er das Beste aus zwei Welten vereint. Ziel der Unterrichtseinheit ist es, diese Antriebsart kennenzulernen und mit anderen Antriebsarten zu vergleichen. Es ist sinnvoll, die Unterrichtseinheiten zum Verbrennungsmotor und zum Elektromotor vorzuschalten. In der ersten Stunde nähern sich die Schülerinnen und Schüler der Frage, welche beiden Antriebsarten im Hybridauto vereint sind. Sie erarbeiten, welche Technik welche Funktion erfüllt und lernen dabei, zwischen Energiespeicher und Energiewandler zu unterscheiden. Anschließend bestimmen sie anhand vorgegebener Kriterien Merkmale von Verbrenner-, Elektro-, und Hybridautos. Die Lernenden recherchieren selbstständig ein Hybridmodell, überprüfen die erarbeiteten Merkmale des Hybridfahrzeugs und nehmen eine Einordnung und Unterteilung vor. Darauf aufbauend lernen sie den Aufbau und die Funktionsweise eines Hybridantriebs kennen. Die Lernenden setzen sich mit den Antriebskomponenten auseinander, indem sie einen Lückentext ausfüllen. Anhand von zwei Abbildungen erarbeiten sie die Unterschiede zwischen Elektro- und Hybridantrieb. Mit diesem Wissen erarbeiten die Lernenden anhand einer Animation zum Energiefluss eines Hybridautos die Vorgänge in den verschiedenen Betriebsphasen. Sie erarbeiten, welcher Motor in welcher Betriebsphase zum Einsatz kommt und warum und wie die Energieumwandlung funktioniert. Optional wird eine Zusatzaufgabe angeboten. Die Lernenden werden aufgefordert, die Infrastruktur für Elektro- und Hybridfahrzeuge aktiv wahrzunehmen. Dazu recherchieren sie in ihrem schulischen Umfeld Tankstellen, Ladesäulen und Werkstätten, die auf Elektro- und Hybridfahrzeuge spezialisiert sind und lernen verschiedene Recherchemöglichkeiten kennen. Die Lernenden vertiefen zudem ihr erworbenes Wissen über Energieumwandlung und Energieerhaltung. Dazu lesen sie einen kurzen Informationstext über die physikalischen Grundlagen, die verschiedenen Energieformen und die Energieumwandlung in einem Hybridauto. Das erworbene Wissen fassen sie zusammen, indem sie Beispiele zur Energieumwandlung sammeln. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Energierückgewinnung durch Rekuperation kennen und erarbeiten die Funktionsweise anhand eines Videos, das den Vorgang zielgruppengerecht veranschaulicht. Es folgt ein Quiz zum Hybridantrieb, das die wichtigsten Inhalte spielerisch abfragt. Das Quiz kann in Kahoot erstellt werden, um den Spaßfaktor, die Motivation und die Interaktivität zu erhöhen. Die Einheit endet mit einem Rollenspiel, in dem die Lernenden ein Beratungsgespräch simulieren. Indem die Lernenden einem fiktiven Kunden/einer fiktiven Kundin die Funktionsweise des Hybridfahrzeugs, den Unterschied zwischen den Antriebsarten und den Vergleich zum Elektroauto erklären und die Vor- und Nachteile des Hybrids erläutern, übertragen sie das erworbene Wissen auf eine konkrete Situation. Die Aufgabe verdeutlicht das vielfältige Wissen, das für ein solches Beratungsgespräch im Kfz-Gewerbe erforderlich ist. Die Reflexion des Gelernten, der Unsicherheiten und Herausforderungen während des Rollenspiels kann als Ausgangspunkt für die Wiederholung und Vertiefung der Inhalte mit der Lerngruppe dienen. Verschiedene Autos mit unterschiedlichen Antriebsarten sehen die Schülerinnen und Schüler jeden Tag, beispielsweise auf dem Weg zur Schule. Dabei nehmen sie von außen oft keine offensichtlichen Unterschiede wahr. Die Unterrichtseinheit zum Hybridantrieb ist darauf ausgelegt, dieses alltägliche Phänomen zu durchleuchten und den Lernenden ein tiefergehendes Verständnis für die Antriebsart (Hybrid) zu vermitteln. Vor dieser Unterrichtseinheit sollten die Grundlagen des Verbrennungsmotors und des Elektromotors sowie deren Funktionsweise und Aufbau behandelt worden sein. Sie richtet sich an Lernende, die ein grundlegendes Verständnis dieser Antriebsarten mitbringen. Von Vorteil ist ebenfalls Grundlagenwissen über Energiearten, Energieumwandlung und Energiespeicherung. Diese Vorkenntnisse bilden die Basis für das Verständnis der Vorteile eines Hybridantriebs, der als Synthese der besten Eigenschaften beider Welten gilt. Um die komplexen Vorgänge des Hybridantriebs verständlich zu machen, wurden die Inhalte didaktisch reduziert aufbereitet. Beispielsweise wurden lediglich die wesentlichen Energiewandlungsprozesse eingeführt. Hierbei spielen vor allem die Begriffe "mechanische", "elektrische" und "chemische" Energie eine zentrale Rolle. Unterkategorien wie "kinetische Energie" und "potenzielle Energie" werden zwar erwähnt, aber nur oberflächlich behandelt, insbesondere die Lageenergie (potenzielle Energie) wird nicht detailliert vertieft. Komplexe Vorgänge werden stets durch eine Abbildung, eine Animation oder ein Video veranschaulicht, um das Thema auf verschiedenen Wahrnehmungsebenen zugänglich zu machen und das Verständnis zu unterstützen. Differenzierte Aufgabenstellungen mit variierenden Schwierigkeitsgraden ermöglichen es allen Schülerinnen und Schülern, die Inhalte auf ihrem individuellen Niveau zu erschließen. Hilfestellungen wie Tipp-Boxen und veranschaulichende Grafiken unterstützen dabei das Lernen und Verstehen, während Wort-Kästen das Leseverständnis fördern und bei der Erschließung unbekannter Begriffe helfen. Die Unterrichtseinheit bedient sich einer Vielfalt an Medienformaten wie Videos, interaktiven Karten und Texten mit Vorlesefunktion, um unterschiedliche Lerntypen anzusprechen. Diese multimediale Herangehensweise ermöglicht es den Lernenden, die Informationen auf vielfältige Weise aufzunehmen und zu verarbeiten. Sie fördert individuelles Lernen und eine vertiefte Auseinandersetzung mit den Lehrinhalten. Ein Schwerpunkt der Unterrichtseinheit ist das forschend-entdeckende Lernen. Neben der Vermittlung theoretischer Grundlagen bieten Erkundungsaufgaben direkte Anknüpfungspunkte an die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler. Die Erforschung der Infrastruktur für Hybridfahrzeuge in ihrer eigenen Region schafft einen konkreten Realitätsbezug. Durch den konkreten Bezug zum Kfz-Gewerbe wird ein Bewusstsein für die eigene Umwelt geschaffen. Die praxisnahen Aufgaben stärken die Selbstständigkeit und das kritische Denken der Lernenden. Die Unterrichtseinheit bietet zahlreiche gesellschaftswissenschaftliche Bezüge. Die Analyse des Schadstoffausstoßes verschiedener Fahrzeugtypen ermöglicht Diskussionen über aktuelle Gesetzgebungen, den Ausbau der Infrastruktur und Bemühungen zur Schadstoffreduktion im Kfz-Gewerbe. Eine vertiefende Einheit zur Nachhaltigkeit im Verkehrssektor kann fachübergreifende Zusammenhänge verdeutlichen. Durch Gruppen- und Paararbeit wird die Zusammenarbeit unter den Schülerinnen und Schülern gefördert. Sie können ihr Wissen austauschen, sich gegenseitig unterstützen und gemeinsam Aufgaben erarbeiten. Diese kooperativen Lernformen stärken soziale Kompetenzen und fördern die Teamarbeit der Lerngruppe. Ein abschließendes Rollenspiel stellt einen praktischen Anwendungsbezug her, indem die Lernenden als Beraterinnen und Berater in einem fiktiven Beratungsgespräch die Funktionsweise und Vorteile eines Hybridfahrzeugs erläutern. Die Reflexion über ihre Erfahrungen während des Rollenspiels dient als Ausgangspunkt für eine vertiefte Wiederholung und Festigung der erlernten Inhalte. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen Aufbau und Funktionsweise eines Hybridantriebs kennen. unterscheiden zwischen Energiespeichern und Energiewandlern. verstehen, warum Hybridmotoren effizient sind. lernen die verschiedenen Arten der Energieumwandlung mit Sachbezug zum Hybridauto kennen. beziehen die verschiedenen Energiearten (elektrische, chemische und thermische Energie) auf den Energiefluss und die Energieumwandlung im Hybridfahrzeug. lernen die Rekuperation im Zusammenhang mit dem Elektroantrieb kennen. vergleichen die verschiedenen Antriebsarten (Verbrennungsmotor, Elektroantrieb, Hybridantrieb) hinsichtlich der physikalischen Vorgänge. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler gewinnen Informationen aus verschiedenen Medien wie Text, Video, Webseiten und interaktiven Grafiken. recherchieren selbstständig im Internet nach genannten Kriterien und Informationen und lernen, die recherchierten Informationen zu selektieren. lernen, recherchierte Informationen zu präsentieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler hören zu und erkennen relevante Informationen zu einer bestimmten Fragestellung. arbeiten kooperativ in Zweiergruppen und in Kleingruppen. führen eine Pro-und-Contra-Diskussion und lernen, eigene Standpunkte zu vertreten sowie fremde Standpunkte zu akzeptieren. übertragen die gesammelten Informationen in ein Rollenspiel und lernen, Informationen zielgruppengerecht zu vermitteln. setzen sich im Zusammenhang mit dem Thema aktiv mit ihrer Umgebung auseinander.

  • Physik
  • Sekundarstufe I

Eine Bildergeschichte schreiben oder: eine Box für meinen E-Schrott

…

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit gestaltet jede Schülerin und jeder Schüler einen Karton als Sammelbox, in welchen jede Familie einer Schülerin oder eines Schülers kleinteiligen E-Schrott sammeln kann. Auch Ben aus der Bildergeschichte "Hilfe, die Mülltonne brennt" lernt das sorgsame Trennen und Sammeln von Akkus und Batterien, nachdem er anfänglich durch die unsachgemäße Entsorgung seines ferngesteuerten Polizeiautos einen Brand verursacht hat. Zunächst gestalten die Schülerinnen und Schüler mit verschiedenen Bastelmaterialien einen Karton, der zuhause als Sammelbox für kleinteiligen E-Schrott benutzt werden soll. Im weiteren Verlauf lernen sie, dass sich bestimmte Materialien bei unsachgemäßer Entsorgung entzünden und einen Brand verursachen können. Dies gilt insbesondere für den Rohstoff Lithium, der ein wichtiger Bestandteil von Batterien und Akkus ist. Eine kindgerechte Bildergeschichte, die von den Kindern zu Ende erzählt werden kann, veranschaulicht diese Gefahr. Bereits in der vorangegangenen Unterrichtseinheit waren die Schülerinnen und Schüler von ihrer Lehrkraft angeregt worden, zu überlegen, was alle Kinder der Klasse/AG tun können, um E-Schrott richtig zu entsorgen und den E-Schrott-Müllberg kleiner zu halten. Sie haben zudem einen Einblick in das Leben und Arbeiten von Kindern auf der E-Schrott-Müllhalde Agbogbloshie bei Accra (Ghana) erhalten, die an den giftigen Dämpfen erkranken. Außerdem kennen die Schülerinnen und Schüler nun aus den vorangegangenen Unterrichtseinheiten die Inhaltsstoffe und Metalle von E-Schrott. Sie wissen, wie wertvoll diese sind, aber auch wie giftig und gesundheitsschädlich. In dieser Unterrichtseinheit erfahren sie zudem anhand einer leicht verständlichen und kindgerechten Bildergeschichte, dass die unsachgemäße Entsorgung von Elektroschrott, z.B. im Hausmüll, eine Brandgefahr darstellen kann. Um vorsorgen zu können, dass solche Brände bei ihnen zuhause nicht entstehen, können die Schülerinnen und Schüler Verantwortung übernehmen, in dem sie selbst etwas tun. Sie erhalten in dieser Unterrichtseinheit deshalb den Auftrag, dass jedes Kind für seine Familie aus einem (Schuh-)Karton eine kleine Sammelstelle für unbrauchbare Batterien, Akkus, Handy und elektronische Klein-Geräte gestaltet. Durch den kreativen Auftrag und das „Tun mit den Händen“ entsteht eine emotionale Verbindung zu dem sachlichen Thema. Den Höhepunkt stellt ein Ausflug zu einer sehr großen Sammelstelle – einem Wertstoffhof/Recyclinghof – dar. Weitere Sachinformation für Lehrkräfte: Lithium und dessen Brandgefahr Lithium ist ein silberweißes, weiches Leichtmetall und ein wichtiger Bestandteil vieler Akkus. Akkus sind Batterien, die sich aufladen lassen. Es sind also Energiespeicher, die elektrische Geräte mit Strom versorgen. Weil sich Lithium entzünden kann, sind Batterien, Akkus und andere elektronische Gegenstände eine große Brandgefahr, wenn sie falsch entsorgt werden. Selbst kleine Batterien und Akkus von Spielzeug können sich in der heimischen Abfalltonne oder im Müllfahrzeug entzünden und dort einen Brand auslösen. Diese Art der Brände nimmt in Deutschland zu. Lithiumhaltige Batterien und Akkus haben im Vergleich zu Batterien und Akkus der älteren Generation viele Vorteile. Sie zeichnen sich besonders durch hohe Energiedichten (hohe Zellspannungen und Kapazitäten), eine kaum wahrnehmbare Selbstentladung bei normalen Raumtemperaturen und lange Lebensdauern aus. Nachteilig ist die Brandgefahr, die bei unsachgemäßer Entsorgung am Ende ihrer Lebensdauer von ihnen ausgehen kann. Lithiumhaltige Batterien und Akkus befinden sich regelmäßig in Laptops und Tablets, Smartphones und Handys, Kameras, in Fernsteuerungen und -bedienungen, kabellosen (in-ear-)Kopfhörern sowie oft auch deren Lade-Case, im Modellbau, in Spielzeug, in Werkzeugen, Drohnen, Haushalts- und Gartengeräten, E-Zigaretten sowie in medizinischen Geräten. Zudem sind sie in der Regel die Hauptenergiequelle der Elektromobilität bei E-Autos, E-Bikes, Pedelecs oder E-Scootern. Enthält das Produkt bereits einen integrierten Akku, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Lithium-Ionen-Akku. Lithiumhaltige Batterien und Akkus sind oftmals an der freiwilligen Kennzeichnung „Li“ oder „Li-Ion“ für Lithium zu erkennen. Brände durch Lithium lassen sich schwer löschen. So entsteht ein Brand: Lithium-Ionen-Akkus können beim Laden hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Wenn es dabei zu Schäden in der Schichtstruktur der eingesetzten Metalloxide kommt, kann es zu einer thermischen Reaktion kommen. Dabei werden hohe Energiemengen freigesetzt und es bildet sich elementarer Sauerstoff. Mit dem hohen Wärmeeintrag verdampft die Elektrolytflüs sigkeit und es bilden sich leicht brennbare Gase. Sobald sich diese Gase entzünden, brennt die Lithium-Ionen Zelle. Der Brand der ersten Zelle löst dabei einen sich selbst verstärkenden Prozess aus, der nur schwer zu stoppen ist. Da die Gehäuse der Batterien meist thermisch isoliert sind, erreicht Löschwasser den Brandherd häufig nicht. Fächerübergreifend lernen Die vorliegende Unterrichtseinheit mit der Gestaltung von Kartons als Sammelstellen für kleinteiligen Elektroschrott eignet sich auch gut, um in einer klassenübergreifenden Aktion verschiedene Unterrichtsfelder zu integrieren. Gerade in der Kooperation mit Lehrkräften für den Unterrichtsbereich Kunst gibt es kaum eine Grenze, um aus den mitgebrachten Kartons der Kinder mehrdimensionale Kunstwerke zu zaubern, die auch über das Bemalen und Bekleben der Boxen hinausgehen (können). Darüber hinaus bietet sich das inzwischen angeeignete Sachwissen über das Thema E-Schrott an, Fachgebiete wie z. B. Physik (Thema Feuer) oder Chemie (entzündliche Stoffe) sowie Heimatkunde (Wo befinden sich Wertstoffhöfe oder Rückgabestellen im Handel? Welche Geschäfte halten Sammelstellen für Batterien bereit?) einzubinden. Im Fach Philosophie/Ethik/Religion kann anhand der Bildergeschichte (Ben wirft sein kaputtes ferngesteuertes Auto in den Müll) das übergeordnete Thema „Wegwerfgesellschaft/Konsumgesellschaft“ aufgegriffen und mit den UN-Zielen/Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) verknüpft werden. Fachliche und methodische Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler • greifen auf ihr vorhandenes Wissen zurück und erweitern es. • lernen Fachworte und neue Themenwelten kennen. • entwickeln einen konkreten Ansatz für eigenes umweltgerechtes Verhalten. • handeln und denken proaktiv. • erfassen einen komplexen Sachverhalt und geben ihn mit eigenen Worten wieder. • verbinden einen komplexen Sachverhalt mit kreativem Tun. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler • reflektieren ihre Ideen und kommunizieren sie. • sind fähig, einander zuzuhören. • entwickeln Begeisterungsfähigkeit und Eigeninitiative. • üben sich in gruppenspezifischen Interaktionen. • üben sich in der Rückmeldung anhand von Feedback-Regeln.

  • Biologie / Ernährung und Gesundheit / Natur und Umwelt / Ich und meine Welt / Deutsch / Kommunikation / Lesen & Schreiben / Fächerübergreifend
  • Primarstufe

Die Chemie der Zink-Kohle-Batterie

Unterrichtseinheit

Eine Flash-Animation veranschaulicht die chemischen Vorgänge, die in einer Zink-Kohle-Batterie bei einer Stromentnahme ablaufen. Das hier vorgestellte Flash-Programm bietet Schülerinnen und Schülern einen Einblick in den Aufbau einer Zink-Kohle-Batterie und stellt in einer Animation die chemischen Vorgänge während der Stromentnahme stark vereinfacht dar. Die Flash-Folie lässt sich im Unterricht per Beamer-Projektion einsetzen, um den Aufbau und die Funktion einer Zink-Kohle-Batterie kennenzulernen, zu verstehen und die Teilreaktionen in Reaktionsgleichungen zu fassen. Am heimischen Rechner können Schülerinnen und Schüler das frei zugängliche Angebot nutzen, um den Unterrichtsstoff zu wiederholen. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge der Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. (GDCh) ergänzt: Artikel aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema stellen den seit fast 100 Jahren in Autos eingesetzten Bleiakkumulator sowie die noch sehr junge Technologie der Lithium-Batterien und ihre Einsatzmöglichkeiten vor. Betrachtung der Teilvorgänge und Aufstellen der Teilgleichungen Das "Innenleben" einer handelsüblichen Batterie kann den Schülerinnen und Schülern an aufgesägten Batterien gezeigt werden. Welche chemischen Vorgänge laufen ab? Der Zinkbecher fungiert als Elektronendonator. Zink wird oxidiert. Das ist aus der äußeren Beschriftung mit dem Minus-Symbol ersichtlich. Doch welcher Stoff wird reduziert? Dies wird in der hier vorgestellten Animation veranschaulicht, indem zum einen die Bestandteile der Batterie mithilfe von Formeln benannt werden (Ausgangsstoffe) und zum anderen die chemischen Veränderungen vereinfacht szenisch dargestellt werden (Produkte). Dabei werden die Oxidation von Zink, die Leitung der Elektronen über einen elektrischen Leiter hin zum Verbraucher und die Reduktion von Mangandioxid zeitlich nacheinander animiert vorgestellt, um den Fokus der Schülerinnen und Schüler verstärkt auf die Teilvorgänge zu konzentrieren. Anhand dieser "zeitlichen Akzentuierung" lassen sich leicht Teilgleichungen zu den Redoxvorgängen aufstellen. Unterrichtsgespräch und selbstständige Schülerarbeit Wird die Animation im Unterrichtsgepräch als Arbeitsmittel eingesetzt, werden ein kontinuierliches und zeitgleiches Prozedere im gesamten Redoxsystem und der kontinuierliche Verbrauch der Ausgangsstoffe thematisiert. Daneben können Schülerinnen und Schüler den Aufbau und die Funktion der Zink-Kohle-Batterie in einer selbstständigen Schülerarbeit am Rechner erarbeiten. Steuerung und Inhalte der Flash-Animation Die Animation kann über den Cursor oder die Tastatur gesteuert werden. Die Teilschritte der Reaktion werden hier per Screenshot vorgestellt und kurz erläutert. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Bei der Behandlung des Themas bietet sich ein Blick auf weitere Batterietypen an: klassischer Bleiakkumulator und die junge Technologie der Lithium-Ionen-Batterie Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und die Organisation einer Zink-Kohle-Batterie beschreiben. anhand der Animation zur Zink-Kohle-Batterie erkennen, dass bei der Stromentnahme durch Anschluss eines Verbrauchers innerhalb der Batterie kontinuierlich stoffliche Veränderungen in den beiden Teilen eines Redoxsystems ablaufen. die dynamischen Teilchenmodellszenarien in Reaktionsgleichungen umsetzen. aus der Animation ableiten, dass durch die Kombination und räumlich Trennung geeigneter Reduktions- und Oxidationsmittel chemische Energie gespeichert und durch Anschluss eines Verbrauchers in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Flash-Animation kann mithilfe der Maus durch Anklicken der Buttons und des Schalters gesteuert werden. Alternativ kann dafür aber auch die Tastatur des Rechners genutzt werden. Diese Möglichkeit unterstützt insbesondere die "mausfreie" Präsentation während des Unterrichtsgesprächs durch die Lehrperson oder im Rahmen eines Schülervortrags. Hier die verschiedenen Steuerungsfunktionen im Überblick: Buttons (Animation) Für Start und Stopp der Animation können die für diese Funktionen üblichen Icons in der Flash-Folie verwendet werden. Ein-und Ausschalter (Animation) Über die Betätigung des Ein- und Ausschalters neben der Glühlampe (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) startet man die Animation oder setzt sie zurück ("Reset"). Computer-Tastatur Alternativ zu den Buttons kann auch die Space-Taste der Tastatur zum Starten oder Stoppen der Animation genutzt werden. Mit den Pfeiltasten der Tastatur können Sie die Animation schrittweise vor oder auch zurücklaufen lassen. Die Animation beginnt mit der Bewegung zweier Elektronen (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) über den elektrischen Leiter hin zum Verbraucher. Es ist sehr wichtig, dass die Lehrperson den Schülerinnen und Schülern hier klarmacht, dass diese beiden Elektronen in dem Modell nur exemplarisch dargestellt und bewegt werden. In Wirklichkeit fließen im gesamten Leiter Elektronen vom Minus- zum Pluspol. Die Elektronen entstehen bei der Oxidation von Zinkatomen des Zinkbechers. Daraus lässt sich die erste Teilgleichung (Oxidation von Zink) ableiten: Zn (s) → Zn 2+ (aq) + 2 e - Die Elektronen wandern über die Kohleelektrode in das leitfähige Gemisch aus Kohlenstoff und Braunstein (Abb. 2a). Dort wird Mangan(IV)dioxid reduziert. Unter Aufnahme eines Protons entsteht Mangan(III)oxidhydroxid (Abb. 2b): 2 MnO 2 (s) + 2 H 2 O (l) + 2e - → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH - (aq) Die Ammonium-Ionen geben jeweils ein Proton an Hydroxid-Ionen ab (Abb. 2c): 2 OH - (aq) + 2 NH 4 + (aq) → 2 H 2 O (l) + 2 NH 3 (g) Ammoniak diffundiert innerhalb in der Batterie und bildet mit den bei der Oxidation des Zinkbechers entstandenen Zink-Ionen Aminkomplexe (Abb. 2d): Zn 2+ (aq) + 2 NH 3 (g) → [Zn(NH 3 ) 2 ] 2+ (aq) Folgende Sekundärreaktionen führen zur Auflösung des Zinkbechers und somit zur Alterung der Batterie: Zn 2+ (aq) + 2 OH - → Zn(OH) 2 (s) Zn(OH) 2 (s) → ZnO (s) + H 2 O (l) Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Downloads zur Verfügung. Die Aktuelle Wochenschau der GDCh Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung. Die Karriere des Bleiakkumulators Der klassische Bleiakkumulator wird seit fast 100 Jahren als einziger elektrischer Energiespeicher für den Starter in Kraftfahrzeugen eingesetzt und ist mitverantwortlich für den Erfolg des Automobils. Der Erfolg der Bleibatterie ist in erster Linie auf den im Vergleich zu anderen Batteriesystemen konkurrenzlos niedrigen Preis zurückzuführen, der durch niedrige Rohstoffkosten, eine einfache und weitgehend automatisierte Fertigungstechnik und einen etablierten effizienten Recyclingprozess erreicht wird. Funktionsweise Die Arbeitsweise des Bleiakkumulators wird ausführlich beschrieben. Neben den Entladereaktionen werden auch die "Nebenwirkungen" erläutert. Neben der Rolle des bei der Entladungsreaktion entstehenden und auf der Elektrode ausfallenden Bleisulfats (Reduzierung der Elektroden-Porosität und dadurch Behinderung der Transportvorgänge in den Elektroden und Korrosionseffekte) werden auch die Folgen von Nebenreaktionen dargestellt (Wasserverlust und Gasbildung durch Wasserzersetzung). Zudem werden die grundsätzlichen Unterschiede zwischen zwei Batterietypen aufgezeigt: Geschlossene Batterien (Vented/flooded batteries) Diese haben einen aufschraubbaren Zellstopfen für die Wassernachfüllung und Öffnungen im Deckel für das Entweichen von Gasen. Verschlossenen Batterien (Valve Regulated Lead Acid batteries) Dieser Batterietyp ist fest verschlossen und verfügt über ein Ventil, das sich bei Überdruck öffnet um die entstandenen Gase freizusetzen. Warum Lithium? Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem und steht am negativen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe. Die daraus resultierende hohe theoretische Kapazität und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen machen es zum idealen Anodenmaterial. Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien Der Artikel beschreibt Aufbau und Funktion primärer (nicht wiederaufladbarer) und sekundärer (wiederaufladbarer) Lithium-Batterien. Zudem wird die Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In diesem System können sowohl das Kathoden- als auch das Anodenmaterial Lithium reversibel einlagern. Die negative Elektrode enthält an Stelle metallischen Lithiums nun Kohlenstoff als Speichermedium, die positive ein Lithium-Übergangsmetalloxid. Beim Ladeprozess werden Lithium-Ionen aus dem Metalloxid ausgelagert, zur negativen Elektrode transportiert und dort in das Gitter des Kohlenstoffs eingelagert. Beim Entladeprozess verläuft der Prozess umgekehrt. Lithium-Polymer-Zelle Eine Variante der Lithium-Ionen-Zelle ist die Lithium-Polymer-Zelle. Elektrodenmaterialien und Zellchemie sind identisch. Es wird aber an Stelle des flüssigen Elektrolyten eine Polymermatrix verwendet, die den Flüssigelektrolyten vollständig aufsaugt und auslaufsicher fixiert. In Lithium-Polymerzellen mit (Fest-)Polymerelektrolyt wird als Elektrolyt wird ein Polymer mit einem darin gelösten Lithiumsalz eingesetzt, das keine flüssigen Lösungsmittel mehr enthält. Der Ionentransport erfolgt komplett über die Polymermatrix. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Lithium-Batterien sind, verglichen mit den konventionellen Systemen, eine sehr junge Technologie. Trotz ihrer erst relativ kurz zurückliegenden Markteinführung zeigen sie im Bereich der Gerätebatterien bereits das größte Marktwachstum und beginnen die etablierten Systeme zu verdrängen. Sie werden in Camcordern, Mobiltelefonen und tragbaren Computern eingesetzt. Zukünftige Fahrzeugkonzepte, wie zum Beispiel das Hybridauto, benötigen leistungsfähigere Batterien. Auch hier können Lithium-Batterien in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Neue Materialien, Nanokomposite und neue Zellkonzepte bieten Entwicklungspotenzial für weitere Verbesserungen und vielfältige Anwendungen.

  • Chemie / Natur & Umwelt
  • Sekundarstufe II
ANZEIGE