Nach einer Internetrecherche zu verschiedenen Treibstoffen sollen die Schülerinnen und Schüler eine Vision zum Thema "Tankstelle der Zukunft" entwerfen. Die Ergebnissicherung erfolgt sowohl in Plakatform als auch in Form eines Flyers, in dem die Lernenden ihre Visionen vorstellen.Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst in Kleingruppen theoretisch mit den Eigenschaften verschiedener Treibstoffe auseinander. Sie sollen sich über Vor- und Nachteile informieren und herausfinden, welche Konsequenzen der Einsatz der Treibstoffe für die Umwelt haben kann. Innerhalb der Gruppen sollen die Lernenden im Anschluss begründet überlegen, welcher Treibstoff ihrer Meinung nach am besten für eine bevorzugte Nutzung geeignet ist. Ihre Wahl sollen sie in Form einer eigenen Vision von der "Tankstelle der Zukunft" mithilfe eines Plakats vorstellen.Der Auftrag ist so offen gestellt, dass die Schülerinnen und Schüler sich eine eigene Meinung zu der Thematik bilden können. Die Lehrperson bietet lediglich Hilfestellungen und gibt Anregungen, mischt sich aber nicht in die eigentliche Diskussion ein. Durch die Übertragung der fachchemischen Behandlung von Treibstoffen auf einen schülernahen Alltagsbezug wird die lebensnahe Relevanz des Themas verdeutlicht und eine Diskussion zur aktuellen Entwicklung von Treibstoffen angeregt. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Internetrecherche, die Arbeit in Kleingruppen, die Entwicklung und Präsentation eines Plakats sowie die Hausaufgabe zur Erstellung eines Flyers werden hier kurz skizziert. Algensprit aus der Retorte Als Alternative zu höheren Pflanzen bieten sich Algen aus Aquakulturen zur Erzeugung von (nicht nur) Biosprit an. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit dem Basiskonzept Energie am Beispiel der Verbrennung von Treibstoffen unter Nutzung der Verbrennungsenergie auseinandersetzen. wirtschaftliche Aspekte der Treibstoffnutzung hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewerten. die gesellschaftliche Relevanz von Treibstoffen erkennen. sich kritisch mit verschiedenen Energieträgern auseinandersetzen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Computer gezielt zur Informationsbeschaffung verwenden, indem sie wichtige Inhalte aus Online-Dokumenten erarbeiten und diese auf ihre Aufgabenstellung beziehen. Darstellungen in den Medien kritisch hinterfragen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Vor- und Nachteile der Nutzung unterschiedlicher Treibstoffe arbeitsteilig recherchieren und die anderen Gruppenmitglieder über ihre Rechercheergebnisse informieren. auf Basis der Recherchen die Vor- und Nachteile verschiedener Treibstoffe in Kleingruppen vergleichend diskutieren. zu ihren Diskussionsergebnissen gemeinsam ein Plakat entwerfen und präsentieren. die Vorstellungen und Ideen der anderen Gruppen aufmerksam verfolgen und miteinander vergleichen. Thema WebQuest "Tankstelle der Zukunft" Autorinnen Julia Elsen, Prof. Dr. Julia Michaelis Fach Chemie Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum 6 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetanschluss pro Arbeitsgruppe (4 Personen) Prof. Dr. Julia Michaelis von der Didaktik der Chemie der Universität Oldenburg betreute Julia Elsen bei der Bachelorarbeit "Warum WebQuest? - Erstellung von WebQuest-Materialien mit unterschiedlichen Kompetenzschwerpunkten". Gesellschaftliche und ökologische Fragen Der WebQuest thematisiert die Nutzung der Treibstoffe Benzin, Wasserstoff, Biodiesel und Autogas im Rahmen des Chemieunterrichts in der Oberstufe. Neben den fachlichen Grundlagen organischer und alternativer Treibstoffe bietet sich bei diesem Thema auch die bewertende Betrachtung der Auswahl und Nutzung einzelner Treibstoffe an, um damit die Gegenwarts- und Zukunftsbedeutung des Themas vor dem Hintergrund gesellschaftlicher und ökologischer Fragestellungen zu reflektieren. Alltagsbezug für "werdende Autofahrerinnen und -fahrer" Da der WebQuest für die Oberstufe konzipiert wurde, wird hier eine Zielgruppe angesprochen, die gerade die Fahrschule besucht oder bald besuchen wird. Die meisten Schülerinnen und Schüler in diesem Alter träumen von einem eigenen Auto und sind sich im Klaren, dass hiermit Kosten auf sie zukommen. Dabei sind sie abhängig von den Entwicklungen am Treibstoffmarkt. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in dem WebQuest in Kleingruppen mit fossilen und alternativen Brennstoffen auseinander. Dabei soll jedes Gruppenmitglied zu einem anderen Energieträger recherchieren und die Resultate der Gruppe vorstellen. Eine tabellarische Übersicht der Ergebnisse, die folgende Punkte berücksichtigt, wird dabei fixiert: Chemische Zusammensetzung Darstellung/Gewinnung Vor- und Nachteile der Verwendung (Kosten, Konsequenzen für die Umwelt) Diskussion und Entwicklung eines Plakats Auf Basis der Einzelrecherchen sind die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, die Teilergebnisse vergleichend zu diskutieren und die Zukunftsbedeutung der einzelnen Treibstoffe gegeneinander abzuwägen. Ihre Diskussionsergebnisse sollen sie nutzen, um die Vorstellung einer "Tankstelle der Zukunft" zu entwerfen. Im Rahmen der Gruppenarbeit ist ein Plakat über diese Zukunftsvision anzufertigen. Die von dem Kurs angefertigten Plakate werden im Anschluss an die Gruppenarbeiten den Mitschülerinnen und Mitschülern präsentiert und im Plenum diskutiert. Wer ist aus welchen Gründen zu welchem Ergebnis gekommen? Welche Lösung erscheint besonders schlüssig? Entwicklung eines Flyers in Einzelarbeit Als Hausaufgabe sollen die Jugendlichen einen Flyer zur "Tankstelle der Zukunft" erstellen. Dies fordert von jeder Schülerin und jedem Schüler die Reflektion der Ergebnisse der Plenumsdiskussion und der Gruppenvorstellungen, um sich abschließend eine eigene Meinung bilden und eine persönliche Zukunftsvision entwickeln zu können. Durch diese Aufgabe werden die Jugendlichen auch aufgefordert, sich erneut mit allen Treibstoffen auseinandersetzen, da sie sich während der Internetrecherche ja nur mit einem Treibstoff intensiv beschäftigt haben. Bildung der eigenen Meinung Die Möglichkeit zur eigenen Meinungsbildung wird im Rahmen von Gruppenarbeiten meist nicht ausgeschöpft. Den Schülerinnen und Schülern muss bei Vergabe der Hausaufgabe klar verdeutlicht werden, dass es keine reine Wiederholungsarbeit ist, sondern dass sie ihre eigenen Gedanken einbringen sollen. Gerade durch eine solche Arbeit wird der Kompetenzbereich "Bewerten" gefördert. Exkursionen - Unterrichtsbesuche - Informationen aus erster Hand Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bietet im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2010 eine Webseite an, die Schulen und Wissenschaft unmittelbar zusammenbringen soll. Dort können Sie Kontakt zu Personen aus der Forschung aufnehmen, um sie mit Ihren Schülerinnen und Schülern an ihren Forschungseinrichtungen zu besuchen, in Ihren Unterricht einzuladen oder einfach zu ihrem Forschungsgebiet "auszufragen". Ihre Ansprechpartnerin zum Thema Algenbiotechnologie Prof. Dr. Carola Griehl ist Themenbotschafterin des Wissenschaftsjahres 2010 - Die Zukunft der Energie und Vizepräsidentin sowie "Algenforscherin" an der Hochschule Anhalt in Köthen. Sie forscht mit ihrer Arbeitsgruppe an der Entwicklung von Biodiesel aus Mikroalgen und aus Algen gewonnenen Medikamenten. Prof. Dr. Carola Griehl Auf der Webseite der Forschungsbörse zum Wissenschaftsjahr 2010 finden Sie ein Portrait von Prof. Dr. Carola Griehl und einen Link für die Kontaktaufnahme. Algen lösen Getreide als Rohstoffquelle ab Bislang wurden Biokraftstoffe vorwiegend aus Getreide hergestellt. Für die Erzeugung sind jedoch erhebliche Mengen an Ackerland, Wasser und Energie nötig, weshalb sich die alternativen Kraftstoffe bislang noch nicht durchsetzen konnten. Algen werden in offenen Aquakulturen oder in geschlossenen Photobioreaktoren gezüchtet, verbrauchen also keine Agrarfläche, zeichnen sich durch schnelles Wachstum und die Bindung des Emissionsgases Kohlenstoffdioxid per Fotosynthese aus. Bei der Vergärung erzeugtes Methan liefert Strom Die Arbeitsgruppe von Frau Prof. Griehl an der Hochschule Anhalt hat ein viel versprechendes Kreislaufsystem entwickelt, um das Potenzial der Algen noch besser auszuschöpfen: In einem Algenreaktor vergären die Algen. Das dabei entstehende Biogas besteht zu zwei Dritteln aus dem energiereichen Methan, das zur Stromerzeugung verbrannt wird. Ein Drittel des entstehenden Gases ist das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid, das für die Produktion von Strom nicht zu gebrauchen ist. Kohlenstoffdioxid ermöglicht das Wachstum der nächsten Algengenerationen Die Anhalter Arbeitsgruppe leitet - ganz nach dem Motto "Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen" - das anfallende Kohlenstoffdioxid in ein Brutbehältnis für neue Algen um. Diese verwerten das klimaschädliche Gas für ihr Wachstum, indem sie es durch Fotosynthese in Biomasse umwandeln. Die neu entstandene Biomasse wird wieder in den ersten Reaktor gefüllt, um dort zu Biogas zu vergären. Mit Essensabfällen aus der Mensa reichert Prof. Griehl die Algenreste in dem Reaktor an: "Das ergibt eine gute Ausbeute." Jedenfalls im Labor. Treibstoff, Futter- und Nahrungsergänzungsmittel Aus der entstehenden Biomasse werden Öle für Biodiesel, Tierfutter und Nahrungsergänzungsmittel gewonnen. Der Bau einer Pilotanlage zur Optimierung der gesamten Prozesskette - von der Algenproduktion bis zum Endprodukt - ist in Planung. Auch die Luftfahrtindustrie hat bereits ihr Interesse an dem potenziellen Algentreibstoff signalisiert. Bevor diese Art von Treibstoff preislich mit Kerosin konkurrieren kann, ist allerdings noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit nötig. Wirkstoffe gegen Alzheimer, Schnupfen- und Grippeinfektionen Es gibt noch zusätzliche medizinische Anwendungsbereiche der Algenbiotechnologie, an denen geforscht wird. So fungieren die Algen auch als Antioxidantien für Medikamente. Forschungsarbeiten der Anhalter Arbeitsgruppe zeigen die Vielfalt der Möglichkeiten, die das "grüne Gold" bietet: So konnte aus den Organismen ein potenzieller Wirkstoff gegen die Alzheimer-Krankheit extrahiert werden. Diese Substanz soll die Alzheimer-Plaques auflösen. Auch andere Krankheiten können - laut dem Pharmaunternehmen Marinomed - mithilfe von Algenwirkstoffen bekämpft werden. Auf der Suche nach Wirkstoffen, die besonders effektiv vor Schnupfen- und Grippeviren schützen, stießen die Marinomed-Gründer Eva Prieschl-Grassauer und Andreas Grassauer auf die Carragelose, eine Substanz, die in Rotalgen vorkommt. Wird sie auf die Nasenschleimhäute gesprüht, kann sie dort sehr effektiv Viren abfangen, bevor sie in den Körper eindringen. Kostensenkung durch Kreisläufe und clevere Erntemethoden Die Kreislaufsysteme der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Griehl könnten die Kosten für die "Marinen Arzneien" senken. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Technologiekonzern Siemens entwickeln gerade eine Methode, die die Algenproduktion noch günstiger machen könnte: Sie wollen bei der Ernte Kosten einsparen. Die Trennung der Algen vom Medium verbraucht sehr viel Wasser und Strom. Durch einen Trick kann dies auch effizienter und kostengünstiger umgesetzt werden: Magneten in den Algenbehältern sorgen dafür, dass die Algen zum Magneten wandern und in einem Verbund an der Glaswand "kleben" bleiben. Magnetische Algen? Nicht ganz: Es werden zuvor winzige Eisenteilchen ins Wasser gemischt. Da Algen nicht wählerisch sind und sich auf jeder Fläche ansiedeln, die sich ihnen bietet, nehmen sie die Eisenteilchen sofort in Beschlag. Der Magnet zieht das Metall an und mit ihm die Algen. Wie viel Einsparung letztendlich durch diese Technik zu erwarten ist, ist noch nicht vorhersehbar.

Dieser Basisartikel zum Thema Erdöl bietet Informationen und Links zur Bedeutung des Erdöls für die Weltwirtschaft. Allgemeines Entsetzen herrscht derzeit an den Zapfsäulen. Die Fahrt zur Tankstelle ist für die Autofahrer wahrlich keine Freude: Praktisch jede Woche steigen die Treibstoff-Preise. Im August haben die Ölpreise an den internationalen Märkten neue Rekordstände erreicht: In den USA überstieg des Preis für ein Barrel Öl die bisherige Rekordgrenze von 45 Dollar. Die Gründe für den drastischen Anstieg sind vielfältig. Die wirtschaftlichen Konsequenzen gehen weit über den ärgerlichen Spritpreis hinaus. Die Schülerinnen und Schüler informieren sich über die Produktion und den Verbrauch von Erdöl in der Welt. erkennen die Bedeutung des Rohstoffs Erdöl für die globalisierte Wirtschaft. werden sich möglicher Konflikte und Gefahren durch die Bedeutung des Erdöls bewusst. informieren sich über alternative und regenerative Energien. diskutieren Lösungswege aus der Öl-Abhängigkeit. nutzen das Internet als Informations- und Recherchemedium. Saudi-Arabien ist Nummer 1 Das meiste Öl wird im Nahen Osten gefördert. Länder wie Saudi-Arabien, Kuwait oder der Iran haben ihre Wirtschaft ganz auf den Handel mit dem lukrativen Rohstoff ausgerichtet. Aufgrund ihrer gigantischen Vorräte werden sie noch auf Jahrzehnte hinaus den Ölmarkt bestimmen; Saudi-Arabien besitzt allein ein Viertel der weltweiten Erdöl-Reserven. Nach Saudi-Arabien und noch vor den USA ist Russland der zweitgrößte Öl-Förderer. Stattliche Reserven des schwarzen Goldes liegen ferner im lateinamerikanischen Venezuela, in einigen Staaten Westafrikas (zum Beispiel in Nigeria) sowie in Ostasien. Öl-Vorkommen in der Nordsee schwinden Aber auch europäische Länder gehören zu den Erdöl-Exporteuren. Norwegen und Großbritannien zählen zu den zehn größten Produzenten der Welt; sie fördern das Öl meist auf Bohrinseln im Meer. Nach Ansicht von Forschern sind die Vorräte in der Nordsee jedoch in absehbarer Zeit aufgebraucht. Einfluss der OPEC Einige Länder, die Erdöl produzieren und ins Ausland verkaufen, haben sich zu einer Art Kartell zusammengeschlossen, der "Organisation erdölexportierender Länder" (OPEC). Sie kontrollieren etwa ein Drittel des weltweiten Ölmarktes. Damit können die elf Mitgliedsstaaten (Algerien, Indonesien, Iran, Irak, Kuwait, Libyen, Nigeria, Qatar, Saudi-Arabien, die Vereinigten Arabischen Emirate und Venezuela) den Preis gezielt beeinflussen. Erdölverbrauch in Industrienationen übersteigt Produktion Vergleicht man auf einer Weltkarte die Produktion und den Verbrauch von Erdöl, stellt man fest, dass die Industrienationen deutlich mehr Öl verbrauchen als sie selbst produzieren. Allein die USA müssen fast dreimal so viel Öl importieren wie sie selbst produzieren. Damit sind die Industriestaaten von ihren Handelspartnern abhängig. Die Bedeutung des Rohstoffs Öl ist so groß, dass das Wohl der gesamten Wirtschaft von seiner Verfügbarkeit abhängt. Für die Industriestaaten ist es insgesamt überlebensnotwendig, sich auf gesicherten Nachschub verlassen zu können. Für Autos, Kunststoffe und Medikamente 60 Prozent des Ölkonsums der Industrienationen sind durch den Verkehr bedingt. Aber das Öl dient bei Weitem nicht nur zum Autofahren. In über 90 Prozent aller Produkte ist der Rohstoff enthalten, besonders Kunststoffe basieren auf Öl. Die Tastatur des Computers enthält also ebenso Öl wie ein Joghurtbecher oder eine Wäscheklammer. Die Chemieindustrie verarbeitet den Rohstoff zu vielen anderen Stoffen, und auch in vielen Medikamenten ist Erdöl eine wichtige Komponente. Autofreie Sonntage in den siebziger Jahren Besonders drastisch zeigte der erste Ölpreisschock in den siebziger Jahren die allgemeine Abhängigkeit vom Erdöl. Die arabischen Länder boykottierten den Ölmarkt, um politische Zugeständnisse zu erreichen. Prompt stieg der Preis für den Rohstoff um das Dreifache, und die Industriestaaten gerieten in eine schwere Wirtschaftskrise: Allein in Deutschland sank das Wirtschaftswachstum damals zum ersten Mal seit Kriegsende in den negativen Bereich. Um Energie zu sparen, rief die Bundesregierung autofreie Sonntage aus, an denen Fahrradfahrer über gespenstisch leere Autobahnen radelten. Auch heute sind die Industriestaaten vom Wohlwollen der Ölproduzenten abhängig. Jede Steigerung des Ölpreises wirkt sich auf die Wirtschaftslage eines Landes aus. Energiepreise beeinflussen Wirtschaftswachstum Das wurde auch vor ein paar Wochen deutlich. Anfang August stieg der Preis für Rohöl an der New Yorker Börse auf über 45 Dollar pro Barrel (1 Barrel = 159 Liter), in London auf über 42 Dollar. Wirtschaftsexperten warnten angesichts dieses drastischen Anstiegs vor der Gefahr einer Wirtschaftskrise: Der steigende Energiepreis führt zu einer allgemeinen Verteuerung - so wächst die Inflation, denn die Bürger haben wegen höherer Energiepreise weniger Geld zum Kauf anderer Güter, und auch die Wirtschaft hat geringere Erträge, weil sie ebenfalls mehr Geld für Energie ausgeben muss. Anstieg der Inflationsrate in Deutschland Die hohen Benzin- und Ölpreise haben die Inflation in Deutschland im Juli nach oben getrieben. Wie das Statistische Bundesamt in Wiesbaden mitteilte, erhöhten sich die Lebenshaltungskosten um 1,8 Prozent gegenüber dem Vorjahresmonat. Im Juni hatte die Preissteigerung 1,7 Prozent betragen. Und bereits im Mai hat der Anstieg des Ölpreises die Inflationsrate in Deutschland mit zwei Prozent auf den höchsten Stand seit zwei Jahren getrieben. Eine Tankfüllung kostet derzeit über zehn Prozent mehr als 2003. Chinesischer Wirtschaftsboom schafft Bedarf Die Rekordpreise der letzten Wochen sind dabei nur das vorläufige Ende einer kontinuierlichen Entwicklung. Die weltweit stetig steigende Nachfrage sorgt automatisch für höhere Preise. In Nationen wie Indien und besonders in China sorgt die rasante Industrialisierung für eine bisher ungeahnte Nachfrage nach Erdöl. Allein in China stieg der Ölverbrauch im letzten Jahr um 13 Prozent. Nach den Vereinigten Staaten und vor Japan verbraucht die Volksrepublik China die zweitgrößte Erdölmenge in der Welt. Auch in Asien allgemein und in den USA gewinnt die Wirtschaft wieder an Kraft, und der Aufschwung macht sich in einer höheren Nachfrage nach Brennstoff bemerkbar. Instabile Lage im Nahen Osten In den traditionellen Förderländern sorgt gleichzeitig die politische Unsicherheit für Preisturbulenzen auf dem Ölmarkt. Im Nahen Osten sind die Zustände nach dem Irak-Krieg immer noch unübersichtlich. Fundamentalistische Terroristen verübten im Irak und in Saudi-Arabien gezielt Anschläge auf Beschäftigte der Ölindustrie, und sie drohen mit weiteren Attentaten. Das Land, das knapp zehn Prozent des weltweiten Erdöls fördert und in dem etwa ein Viertel der weltweiten Ölreserven vermutet werden, ist besonders bedroht: Saudi-Arabien kooperiert eng mit den USA als bestem Erdölkunden. Gleichzeitig sind fundamentalistische Extremisten dort besonders stark, und die örtlichen Behörden verfolgten sie in den letzten Jahren kaum. Ein Ziel der Terroristen ist es, die saudische Regierung zu stürzen, um anschließend auch den Ölmarkt zu kontrollieren. Auch die anhaltende Krise um den russischen Ölkonzern Yukos trägt zum Preisanstieg an den Börsen bei. Reale Ölknappheit Die Folge: Die Förderländer kommen mit der Produktion kaum nach. Während die OPEC bei früheren Gelegenheiten absichtlich die Produktion einschränkte, um Preise zu erhöhen, gibt es diesmal keine solche Absprache - im Gegenteil: Anfang Juni beschloss die OPEC, die Förderquote ab Juli zunächst um zwei Millionen Barrel auf dann täglich 25,5 Millionen Barrel zu steigern. Im August soll eine weitere Anhebung um 500.000 Barrel folgen, um den Preis nicht allzu hoch steigen zu lassen. Das Öl ist tatsächlich knapp, und es wird auch in Zukunft knapp bleiben. Die Umweltschutzorganisation Greenpeace schätzt, dass der Bedarf bis 2020 auf über 100 Millionen Barrel pro Tag ansteigen wird, während es 2000 nur 75 Millionen Barrel täglich waren. Angesichts schrumpfender Vorräte dürfte der Preis also künftig überdurchschnittlich steigen. Sparsame Autos wenig gefragt Ein wichtiger Schritt zur Lösung der erwarteten Öl-Knappheit ist das Energiesparen. Bislang tut sich die Industrie jedoch schwer damit, benzin- und ölsparende Autos zu verkaufen. So genannte Drei-Liter-Autos, die auf 100 Kilometer nur drei Liter Benzin verbrauchen, sind zwar seit einigen Jahren bei einigen Herstellern im Handel - doch die Käufer scheinen sich kaum um den Verbrauch zu kümmern. Die Autohersteller melden eher enttäuschende Verkaufszahlen für die sparsamen Wagen, während Geländewagen und Luxuskarossen - allen Benzinpreisschocks zum Trotz - größeren Absatz finden. Tempolimit nicht in Sicht Entsprechend schwierig ist es in Deutschland, ein Tempolimit durchzusetzen, obwohl einige Politiker dies während der jüngsten Ölpreissteigerungen forderten. Die wenigsten Autofahrerinnen und Autofahrer würden eine Spitzengeschwindigkeit von 130 km/h oder gar 100 km/h begrüßen - auch wenn die niedrigeren Geschwindigkeiten nachweislich den Treibstoffkonsum deutlich senken helfen. In den Europäischen Nachbarländern sind Tempolimits dagegen schon lange eingeführt: In Frankreich, Österreich und Polen gilt beispielsweise eine Spitzengeschwindigkeit von 130 Stundenkilometern auf Autobahnen, in den Benelux-Ländern von 120, in Großbritannien von 112 Stundenkilometern (70 miles). Sparen kann aber auch deshalb nicht die einzige Lösung sein, weil die fossilen Brennstoffe nicht unendlich zur Verfügung stehen. Die Forschung sucht nach Alternativen zum bisherigen Benzin- oder Diesel-Treibstoff, um auch künftig die Mobilität der Menschen zu garantieren. Staatliche Förderung der Windkraft Ein Vorbild ist der Elektrizitätsmarkt. Bei der Stromerzeugung steigt in den letzten Jahren der Anteil erneuerbarer Energien. Immer mehr Strom wird aus der Kraft der Sonne gewonnen und immer mehr Windräder speisen Strom in die Netze ein. Zwar ist der Anteil solcher alternativer Energiequellen am gesamten Stromverbrauch noch sehr gering, doch spezielle Förderprogramme der Regierung helfen mit, die erneuerbaren Energien zu verbreiten: Die Betreiber von Windrädern erhalten Steuervorteile und einen besonders hohen, festgelegten Preis für ihren Strom. Autos mit Erdgas Auch die Autoindustrie arbeitet an Alternativen zum Erdöl. Technisch bereits ausgereift sind beispielsweise Gas-Autos. Als Treibstoff dient ihnen Erdgas, ein Rohstoff, der deutlich billiger ist als Öl, von dem riesige Vorräte verfügbar sind und der für das Klima zudem weniger schädlich ist als Benzin. Noch bieten nicht alle Tankstellen Erdgas an, doch breiten sich gasbetriebene Autos immer weiter aus: Etwa 20.000 Autos, darunter auch Busse und Lastwagen, fahren bei uns bereits mit dem Treibstoff; weltweit sind es über drei Millionen. Auch Erdgas-Reserven sind begrenzt Doch gibt es auch hier mahnende Stimmen. Erdgas müssen wir ebenfalls importieren, und die größten Vorräte lagern in der politisch unruhigen Region südlich von Russland. Die Gefahr besteht also, dass wir uns zwar aus der Öl-Abhängigkeit befreien, mit dem Umstieg auf das Gas aber gleich in die nächste Abhängigkeit begeben. Wie Erdöl ist auch Erdgas nur eine begrenzte vorhandene Ressource - irgendwann sind die Vorräte erschöpft; Experten rechnen damit in etwa 65 Jahren. Biodiesel aus Biomasse Eine zukunftsträchtigere Variante scheint daher die Entwicklung von Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu sein, zum Beispiel Treibstoff aus Biomasse. Er wird aus ölhaltigen Pflanzen wie etwa Raps hergestellt, und bereits heute fahren bei uns Autos oder ganze Eisenbahnen mit dem nachwachsenden Biodiesel. Experten bezweifeln jedoch, dass der biologische Treibstoff das herkömmliche Benzin vollständig ersetzen kann. Es sei nicht möglich, die notwendigen Mengen zu produzieren. Wasserstoff-Technik noch in Kinderschuhen Die Industrie forscht darüber hinaus noch weiter: Das Ziel ist die Entwicklung eines Wasserstoff-Autos. Wasserstoff könnte regenerativ erzeugt werden, und die mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeuge würden kaum noch klimafeindliche Stoffe ausstoßen. Doch diese Technik steckt bislang in den Kinderschuhen; erste brauchbare Fahrzeuge werden wohl erst in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf den Markt kommen. Ein Problem hierbei ist, dass die Herstellung von Wasserstoff selbst höchst energieaufwändig ist. Forschung mit Zukunft Dennoch zeigt die Entwicklung auf dem Strommarkt, dass innovative Energiequellen bei entsprechender Förderung durchaus eine Zukunft haben. Da alle Experten ein starkes Ansteigen des Ölpreises in den nächsten Jahren vorhersagen, wird die Nachfrage nach alternativen Energiequellen weiterhin ansteigen. Das dürfte auch die Forschung und die Entwicklung neuer Technologien beflügeln.

Mit Unterrichtsmaterialien der Max-Planck-Gesellschaft erarbeiten Schülerinnen und Schüler, wie Brennstoffzellen funktionieren und welche technischen Herausforderungen sie an die Forschung stellen. Auch die Frage, ob Brennstoffzellen-Autos automatisch umweltfreundlich sind, wird untersucht. An Bord eines Raumschiffs ist Platz Mangelware - und so stattete die NASA schon in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts ihre Raumfahrzeuge mit kompakt gebauten und energieeffizienten Brennstoffzellen aus. Die "leise Knallgasreaktion" von Wasserstoff und Sauerstoff liefert Astronauten nicht nur Energie, sondern als einziges "Abfallprodukt" auch noch das lebenswichtige Wasser. Aber auch im Alltag wären Brennstoffzellen nützlich, da sie eine deutlich längere Lebensdauer als Batterien oder Akkus haben. In Laptops, Handys und MP3-Playern könnten sie Batterien und Akkus ersetzen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet derzeit wasserstoffbetriebene Membran-Brennstoffzellen zur Notstromversorgung in Flugzeugen. Eine positive Umweltbilanz haben Brennstoffzellen aber nur, wenn der Wasserstoff umweltfreundlich erzeugt wird, zum Beispiel durch die Elektrolyse von Wasser mit Sonnenergie. Wenn Sie Theorie und Praxis miteinander verbinden möchten: Einige Schülerlabore bieten Experimente mit Brennstoffzellen an (siehe Links zum Thema ). Die Thematik bietet viele Anknüpfungspunkte an Lehrpläne (Redox- und Elektrochemie, Fähigkeit zur Beteiligung an gesellschaftlichen Diskursen über Naturwissenschaft und Technik) und eignet sich für einen fächerübergreifenden Unterricht. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Themen der Unterrichtseinheit Laptops oder Handys, die von winzigen Brennstoffzellen gespeist werden, Kleinkraftwerke auf Wasserstoffbasis, die Wohnhäuser mit Energie und Wärme versorgen und umweltfreundliche "Wasserstoffautos" - Forscherinnen und Forscher entwickeln zurzeit immer neue Ideen, wie Brennstoffzellen im Alltag genutzt werden können. Allerdings sind die meisten Brennstoffzellen-Typen von der Serienreife noch weit entfernt. Zum einen fehlt es an den technischen Möglichkeiten zur umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoff. Das Ausweichen auf Methanol als Brennstoff könnte dabei helfen, die Technologie zu einer Alternative zu fossilen Brennstoffen werden zu lassen. Auf der Suche nach den perfekten Werkstoffen für die Brennstoffzelle von Morgen ist man zwar auf einem guten Weg - auch mithilfe der Nanochemie - aber eben noch nicht am Ziel. Bezug zur Nanotechnologie Damit die "kalte Verbrennung" von Wasserstoff funktioniert, müssen beide Elektroden der Brennstoffzelle mit einem Katalysator beschichtet sein. Am Max-Planck-Institut für Kohlenstoffforschung in Mühlheim an der Ruhr werden dafür Metall-Nanopartikel entwickelt, die für eine große katalytisch aktive Oberfläche sorgen. Die Metalloxid-Nanoteilchen werden zunächst auf einem Trägermaterial - das können feine Rußkörnchen sein - fixiert, danach zu einer porösen Elektrode zusammengepresst und anschließend zum Metall reduziert. Materialien der Max-Planck-Gesellschaft Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Unterrichtsverlauf und Materialien Der Verlauf der Doppelstunde und die Anbindung des Themas an die Lehrpläne werden kurz skizziert. Hier finden Sie auch eine Übersicht der Materialien. GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema Die hier zusammengestellten Artikel (PDF-Download) bieten weitere Details zur technischen Entwicklung und der möglichen zukünftigen Bedeutung von Brennstoffzellen. Die Schülerinnen und Schüler sollen: Brennstoffzellen als alternative Energiequellen für Fahrzeuge oder Mobilfunkgeräte kennen lernen. die Umweltfreundlichkeit von Brennstoffzellen realistisch einschätzen können. das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle erarbeiten und erklären können. erkennen, welche Probleme Forscherinnen und Forscher auf dem Weg zum serienreifen Produkt noch überwinden müssen. Fast alle Schülerinnen und Schüler besitzen einen tragbaren Computer, ein Handy oder eine Digitalkamera. Mit der Meldung "Akku fast leer - bitte laden" sind sie daher vertraut. Das unerwünschte Phänomen wird als Einstieg in die Thematik genutzt: "Damit diese ärgerliche Meldung bald seltener wird, arbeiten Forscherinnen und Forscher intensiv an der Entwicklung von Brennstoffzellen." Der Unterrichtseinstieg schafft einen konkreten Bezug zur Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler und sorgt so für (hoffentlich) großes Interesse. Er zeigt zudem, dass Forschung kein Selbstzweck ist, sondern auch einen konkreten Anwendungsbezug hat und das Leben der Menschen erleichtern kann. Selbsttätige Aneignung von Wissen Im Rahmen der ersten Erarbeitungsphase steht die selbstständige Informationsaneignung im Mittelpunkt des Unterrichts. Die Schülerinnen und Schüler sollen dabei nicht nur Text- und Bildmaterialien auswerten und Inhalte zusammenfassen, sie müssen die erarbeiteten Ergebnisse auch auf ein komplexes grafisches Schema übertragen. Um die selbsttätige Aneignung von Wissen zu forcieren, erledigen die Lernenden die Aufgaben in Kleingruppen (drei bis vier Personen). In der Diskussion mit den anderen Teammitgliedern sollen dabei mögliche Unklarheiten und Verständnisschwierigkeiten besprochen und beseitigt werden. Blick hinter die "Kulissen" der Forschung Da die Möglichkeiten des unmittelbaren Lernens beim Thema Brennstoffzellen eingeschränkt sind, sollen die Schülerinnen und Schüler im zweiten Teil der Unterrichtseinheit zumindest anhand eines Arbeitsblatts einen Blick in die spannende Welt der Brennstoffzellenforschung werfen. Anhand des Themas "Neue Membranen für bessere Brennstoffzellen" lernen sie, wie die noch vorhandenen Mängel der Brennstoffzellen beseitigt werden könnten, um zu einem besseren Produkt zu gelangen. Sie werden aber auch dafür sensibilisiert, dass noch viel Grundlagenforschung zu leisten ist, bis Brennstoffzellen zu einer wirklichen technischen Lösung im Alltag werden können. Die Lehrpläne der Bundesländer für das Fach Chemie bieten vielfältige Anknüpfungspunkte für den Einsatz der Materialien in der Sekundarstufe II. Hier einige Beispiele: Bedeutung der Chemie für die Gesellschaft und für die Bewältigung der aktuellen und zukünftigen Herausforderungen (Nordrhein-Westfalen) Von der Wasserelektrolyse über die Knallgasreaktion zur Brennstoffzelle (Nordrhein-Westfalen) Entwicklung der Fähigkeit, am gesellschaftlichen Diskurs über Naturwissenschaft und Technik teilzunehmen (Sachsen) Redoxreaktionen und deren Bedeutung für die Herstellung ortsunabhängiger Spannungsquellen (Bayern) Unter dem Leitgedanken "Erneuerbare Energien - Klimaretter oder teure Prestigeobjekte?" könnte ein fächerübergreifendes Unterrichtskonzept stehen, zu dem die hier vorgestellte Brennstoffzelleneinheit gut passen würde: Chemie Grundlegende Aspekte zu Brennstoffzellen und anderen erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Biokraftstoffe oder Biomasse, werden vorgestellt. Physik Hier steht neben Solarenergie und Strom aus Wasserkraft oder Windkraftanlagen vor allem die Kernfusion im Focus: Grundlagen und Schwierigkeiten der Umsetzung werden thematisiert. Biologie Hier werden ökologische Probleme untersucht, die sich aus der Nutzung erneuerbarer Energien ergeben, zum Beispiel die Auswirkungen von Windanlagen auf den Vogelzug oder die Folgen von Staudämmen für Flussökosysteme. Geographie, Wirtschaft Im Erdkundeunterricht nimmt das Thema Klima einen breiten Raum ein: anthropogene Ursachen für den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung werden diskutiert. Auch die Abhängigkeit der Weltwirtschaft von fossilen Brennstoffen sollte thematisiert werden. Politik Die Lernenden beschäftigen sich mit dem Streit um die Ökosteuer und den Problemen bei der Durchsetzung einer nationalen oder weltweiten Energiewende. Auch das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland und die Möglichkeiten und Grenzen internationaler Abkommen zum Schutz der Atmosphäre werden beleuchtet. 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. Einige für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Download 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. Der Übersichtsartikel fasst die Argumente von Befürwortern und Kritikern einer Wasserstoff-Wirtschaft zusammen: Zwar ermöglicht die Wasserelektrolyse eine energieeffiziente Erzeugung von Wasserstoff aus dem reichlich vorhandenen Rohstoff. Einer realisierbaren Wasserstoff-Wirtschaft stehen jedoch noch ungelöste Probleme beim Transport und bei der Lagerung des Brennstoffs im Weg. Zu den Sicherheits- und Verteilungsproblemen kommt im Vergleich zu herkömmlichen Energieträgern noch die niedrige Energiedichte pro Volumeneinheit als Nachteil hinzu. Wie der Disput bis zum Anbruch eines regenerativen Energiezeitalters verlaufen wird, ist offen. Energie aus der Brennstoff-Oxidation ohne thermisch-mechanische Umwege Was als Vorteil der Brennstoffzelle erscheint - die Erzeugung elektrischer Energie direkt aus der Oxidation eines Brenngases ohne Umweg über eine Flamme, eine Gas- oder Dampfturbine und einen Generator - entpuppt sich bei der Realisierung als große Hürde. Die aggressiven chemischen Bedingungen um den Verbrennungsvorgang herrschen nämlich in der Brennstoffzelle auch dort, wo elektrischer Strom über korrosionsanfällige Kontakte zwischen verschiedenen Materialien fließen muss. Ohne High-Tech keine Brennstoffzelle Nur High-Tech-Werkstoffe, die dementsprechend teuer sind, halten den Anforderungen des Brennstoffzellen-Betriebs stand. Die damit verbundenen Kosten sind zur Zeit mit einem wirtschaftlich konkurrenzfähigen Produkt noch nicht vereinbar. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle Neben dem allgemeinen Aufbau und der Funktionsweise von Brennstoffzellen werden die Vorteile einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle dargestellt. Sie kann ihre eigene Abwärme dazu nutzen, den Wasserstoff, den sie "verzehrt", aus Erdgas ohne zusätzlichen Energieaufwand freizusetzen und erzeugt weniger Kohlenstoffdioxid als vergleichbare konventionelle Blockheizkraftwerke. Ihre prinzipielle Funktionsfähigkeit wurde bereits gezeigt. Bis zur Entwicklung marktgerechter Lösungen müssen aber noch viele Herausforderungen bewältigt werden. Kryospeicherung und Drucktanks erscheinen nicht praktikabel Transport und Speicherung von Wasserstoff bringen bei der Nutzung von Brennstoffzellen Probleme mit sich, die bis heute nicht gelöst werden konnten. Die Verflüssigung von Wasserstoff in Vorratstanks an Tankstellen und in Tanklastwagen ist mit einem erheblichen Verlust an nutzbarer Energie verbunden. Eine kryogene Speicherung in den kleinen Tanks der Endverbraucher ist nicht praktikabel: Trotz extrem aufwendiger Isolierungen käme es bereits nach einigen Tagen zu Abdampfverlusten. Eine physikalische Speicheralternative sind Drucktanks. Aber auch hier geht Energie verloren. Zudem steigen mit dem Druck in den Tanks auch die Sicherheitsanforderungen. Chemische Alternativen Eine kurze Übersicht zeigt, dass es einerseits eine Vielzahl von Ansätzen zur Entwicklung von Wasserstoff-Speichermaterialien gibt, dass andererseits aber noch kein System gefunden werden konnte, bei dem sich ein realistisches Potential für den Einsatz in Autos abzeichnet. Auf diesem Gebiet werden noch enorme Anstrengungen erforderlich sein, wenn man in der Zukunft nicht von Kryo- oder Hochdruckspeichersystemen abhängig sein will. Der Beitrag skizziert folgende Speichermöglichkeiten: Benzin und Diesel Die Wasserstoffspeicherung mit Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Diesel hätte den großen Vorteil, dass es keinerlei Infrastrukturprobleme gäbe, ist jedoch für den Antrieb von Autos aus technischen Gründen nicht praktikabel (hohe Temperaturen, aufwendige Gasreinigung). Methanol Trotz ähnlicher Probleme (Gasreinigung) wurden mit Methanol betankte Prototypen erfolgreich getestet. Allerdings ist die Einrichtung einer Methanol-Infrastruktur parallel zur existierenden Infrastruktur für Diesel und Benzin wirtschaftlich unattraktiv. Hydride und Imide Wesentlich attraktiver erscheinen Hydride, die reversibel Wasserstoff aufnehmen oder abgeben können. Trotz vielversprechender Ansätze ist ein großer Teil der komplexen Hydride bisher wenig oder kaum untersucht. Es besteht daher durchaus Hoffnung, dass auf diesem Gebiet noch technisch relevante Systeme entdeckt werden könnten. Metal-Organic-Frameworks (MOFs) Die hochporösen metallorganischen Gerüstverbindungen zeigen in einigen Versuchen sehr hohe Speicherkapazitäten. Inwieweit diese Systeme die geweckten Erwartungen einlösen können, wird die Zukunft zeigen. Dreidimensionale Netzwerke lagern kleine Moleküle ein In den letzten Jahren fanden bemerkenswerte Entwicklungen im Bereich der porösen Materialien statt. Durch den modularen Aufbau metallorganischer Gerüstverbindungen lässt sich die Porengröße sogar maßgeschneidert an die Größe kleiner Moleküle wie Wasserstoff oder Methan anpassen. Damit gelten MOFs als aussichtsreiche Kandidaten für die Speicherung von gasförmigen Energieträgern. Hohe Methandichten bei Raumtemperatur Während Wasserstoff in MOFs nur bei niedrigen Temperaturen gespeichert werden kann, ist die Lage im Fall von Erdgas wesentlich günstiger. Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) wird von MOFs bereits bei Raumtemperatur aufgenommen und auch wieder reversibel abgegeben. Es erreicht in den MOF-Poren nahezu die Dichte einer Flüssigkeit. Durch diese Technologie kann man den zur Speicherung einer bestimmten Methanmenge notwendigen Druck deutlich senken, was die Sicherheit erhöht. Die Verwendung von porösen Materialien als Speichermedien befindet sich jedoch noch in der Erprobungsphase. Der Beitrag skizziert verschiedene Wege zur Herstellung von Wasserstoff. Elektrolysetechnologien und deren Betriebsbedingungen werden vorgestellt. Am Beispiel der Niedertemperatur-Elektrolyse bei Standardbedingungen werden Wirkungsgrade und Zellspannungen betrachtet. Zudem wird über eine Versuchsanlage in Saudi Arabien zur Erzeugung "Solaren Wasserstoffs" mit Strom aus einem Solarfeld berichtet, an dessen Bau das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt war. Mit der Anlage konnte gezeigt werden, dass Wasserstoff per Elektrolyse mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent regenerativ hergestellt werden kann. Als Brennstoffzelle für den kleinen Leistungsbereich wird in der Regel die Membranbrennstoffzelle verwendet, da ein Systemstart bei Raumtemperatur möglich ist. In Kombination mit einem Speicher für die Energieträger Wasserstoff oder Methanol sind kleine Brennstoffzellen eine Konkurrenz für Batterien und Notstromaggregate. Während Batterien - insbesondere die Lithium-Batterie - aber richtige "Kraftpakete" sind, sind Brennstoffzellensysteme eher "Energiepakete". Der Artikel stellt ihre Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile der Brennstoffe Wasserstoff und Methanol vor. So lange die regenerative Wasserstoffgewinnung, zum Beispiel über riesige Solaranlagen, noch nicht serienreif realisiert ist, schlägt Erdgas die Brücke zur Wasserstoffwirtschaft. Ein Vorteil von Erdgas ist seine heute schon nahezu flächendeckende Verfügbarkeit in den Haushalten. Somit können Brennstoffzellen-Heizgeräte nahtlos in bestehende Heizsysteme integriert werden. Feldtests sollen den Markt für die neue Technologie sondieren und vorbereiten. Dieter Lohmann ist ausgebildet für das Lehramt an Gymnasien und arbeit als Redakteur beim Online-Magazin Scinexx .