Mit der Unterrichtseinheit zum Thema "Sonnenenergie" soll den Schülerinnen und Schülern im Rahmen der Besprechung von erneuerbaren Energien verdeutlicht werden, warum es so wichtig ist und immer wichtiger werden wird, diese Art der Energieerzeugung massiv zu verstärken. Schülerinnen und Schüler kennen die heute schon auf einigen Hausdächern installierten Photovoltaikanlagen zur sauberen Stromgewinnung ebenso wie die Sonnenkollektoren zur Wärmegewinnung als Unterstützung von Heizung und Warmwasserbereitstellung. Im Unterricht werden den Lernenden zunächst die auf der Halbleitertechnologie beruhenden Grundlagen vermittelt, die es aufgrund des inneren Photoeffektes möglich machen, die Energie der einfallenden Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrischen Strom umzuwandeln. Einfacher zu verstehen sind die Vorgänge bei Sonnenkollektoren, wo die einfallende Wärmeenergie der infraroten Strahlung genutzt wird, um Wasser zu erwärmen.Im Jahr 2019 betrug der Energiebedarf pro Person und Tag in Deutschland 123 kWh, in den USA 232 kWh. Weltweit wurde ein täglicher Energieverbrauch von 58 kWh pro Person errechnet. Wenn die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich auf 10 Milliarden Menschen ansteigt und alle Länder einen Energieverbrauch wie die USA hätten, müsste sich die Energieerzeugung versechsfachen. Derzeit werden noch etwa 85 Prozent des globalen Energiebedarfs durch fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Gas gedeckt. Will man die gesteckten Ziele in der Klimapolitik erreichen, bleibt nichts anderes übrig, als die regenerativen Energiequellen – allen voran die praktisch unerschöpfliche Sonnenenergie – in einem bisher nicht gekannten Umfang auszubauen. Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren als Unterrichtsthemen Der Umbau der Energiesysteme wird die große Herausforderung in den kommenden Jahrzehnten werden – die Weichen hin zu einer emissionsarmen Energieversorgung sind gestellt. Erneuerbare Energien nehmen einen stetig wachsenden Anteil an der Energieversorgung ein und lassen die Hoffnung zu, dass die Versorgung mit Primärenergie bis Mitte des 21. Jahrhunderts klimaneutral erfolgen kann. Vorkenntnisse Vorkenntnisse der Lernenden können insoweit vorausgesetzt werden, dass die Thematik in den Medien permanent präsent ist und vor allem junge Menschen in Hinblick auf deren Zukunft weiter sensibilisieren wird. Das Wissen um die Abläufe bei der Umwandlung von Sonnenenergie ist mit gut nachvollziehbaren physikalischen Erklärungen und Herleitungen von Gesetzmäßigkeiten relativ leicht vermittelbar. Didaktische Analyse Allein die für jede Schülerin und jeden Schüler nachvollziehbaren klimatischen Probleme, die durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe entstehen, dürfte es für Lehrkräfte einfach machen, die Lernenden für die Energieerzeugung über die schier unerschöpfliche und saubere Sonnenenergie zu begeistern. Methodische Analyse Sobald die Abläufe bei der heute in allen Bereichen der Technik notwendigen Halbleitertechnologie von den Lernenden in ihren Grundlagen verstanden sind, sollte es für die Lehrkräfte kein Problem sein, durch beschreibende und erläuternde Übungsaufgaben die Begeisterung bei den jungen Menschen für die neuen Technologien der Zukunft zu wecken. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die klimaschädlichen Prozesse bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Energiegewinnung. kennen die weltweit vereinbarten Klimaziele und deren Bedeutung für die Umwelt. können die Wirkungsweise von Solarzellen und Sonnenkollektoren erklären. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Für die deutschen Gaskunden begann das Jahr mit einem Paukenschlag. Nachdem die Preise bereits in den letzten Jahren kräftig gestiegen waren, sorgte die Zuspitzung des so genannten Gaskonflikts zwischen Russland und der Ukraine in den ersten Januartagen des Jahres 2006 für ein kurzzeitiges Absacken der russischen Gaslieferungen.Obwohl die deutschen Energieversorger beteuerten, dass genug Reserven vorhanden seien, zeigten sich die Endverbraucher verunsichert und befürchteten eine neue Preisspirale nach oben. Glücklicherweise konnten sich die Ukraine und Russland nach wenigen Tagen einigen und die Lieferungen nach Deutschland und Westeuropa normalisierten sich. Allerdings hat dieser Konflikt Verbrauchern und Politikern deutlich vor Augen geführt, dass Deutschland - wie auch andere europäische Länder - nicht nur von den Öllieferungen aus aller Welt abhängig ist, auch andere Rohstoffe müssen die heimischen Energieversorger teuer importieren.Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit den globalen Zusammenhängen der Energieversorgung auseinandersetzen. verschiedene Daten über Energiequellen kennen lernen und den Energieverbrauch reflektieren. Unterschiede zwischen fossilen Brennstoffen und regenerativen Energiequellen herausarbeiten. Entwicklungen für die Zukunft beschreiben und alternative Energieträger vorstellen. politische Abhängigkeiten anhand von Energieimporten und -exporten weltweit und für die EU darstellen. Begrifflichkeiten definieren und statistische Erhebungen interpretieren. Informationen über das Internet recherchieren und Texte bearbeiten. Thema Energieversorgung Autor Michael Bornkessel Fach Politik, Sozialwissenschaften Zielgruppe Sek I und II, ab Klasse 9 Zeitaufwand je nach Intensität und Schwerpunktsetzung 2-6 Stunden Medien je ein Computer mit Internetnutzung für 2 Schülerinnen und Schüler Auf den folgenden Unterseiten werden globale und nationale Zusammenhänge der Energieversorgung dargestellt. Die einzelnen Energiequellen werden statistisch beleuchtet und die Entwicklungen für eine alternative Energieversorgung dargestellt. Die Unterseiten enthalten jeweils Recherchelinks zu den Themenbereichen. Globale Zusammenhänge und Abhängigkeiten Die globalen Zusammenhänge von Energieversorgung und Energiepolitik sind sehr komplex. Sie müssen für die Klasse reduziert dargestellt werden. Daten zu den Energiequellen Informationen und Zahlen zu den einzelnen Energiequellen helfen bei der Einordnung derzeitig globaler Abhängigkeiten und zukünftiger Entwicklungen. Energiezufuhr und -verbrauch in Deutschland Da Deutschland nur über wenige Ressourcen verfügt, müssen wir einen Großteil unseres Energieverbrauchs über Rohstoffimporte decken. Energiepolitische Tendenzen Der Staat steuert mit Investitionen und Gesetzen die Entwicklungen für die Energieversorgung der Zukunft. Engere Kooperation in Energiefragen Die Europäische Union reagierte auf den "Gaskonflikt" und die Energieminister diskutierten über mögliche Konsequenzen. Am Ende einigte man sich, dass die EU in Energiefragen künftig enger kooperieren will. Die Kommission will ein so genanntes Grünbuch erarbeiten, in dem sie die wichtigen Fragen identifiziert und damit auf europäischer Ebene eine Debatte über die grundlegenden politischen Ziele im Bereich der Energiepolitik in Gang setzen will. "Die EU braucht eine klare und gemeinsame Politik für die Energieversorgung", bilanzierte der für die Energiepolitik zuständige EU-Kommissar Andris Piebalgs. Energieimporte der EU am Beispiel Erdöl Denn fast alle EU-Länder sind von Energie-/Rohstoffimporten abhängig. Am Beispiel Erdöl, dem nach Angaben des "World Energy Council" (WEC) weltweit wichtigsten Energieträger, zeigt sich das besonders deutlich: lediglich Norwegen, Großbritannien, die Niederlande und Dänemark verfügen über ausreichend Erdölvorräte in der Nordsee, so dass sie das "Schwarze Gold" exportieren können - auch nach Deutschland. Die Bundesrepublik kann den eigenen Jahresbedarf an Rohöl nur zu drei Prozent, das sind rund 3,7 Mio. Tonnen Erdöl, aus eigenen Vorkommen gewinnen - den Rest müssen wir in aller Welt einkaufen. Entwicklungen der letzten Jahre Dabei hat sich der Anstieg des Weltenergieverbrauchs in den letzten Jahren verlangsamt. Er stieg nach Angaben des WEC zwischen 1970 und 1980 um 32,5 Prozent (2,9 Prozent/Jahr), zwischen 1980 und 1990 um 22,6 Prozent (2,1 Prozent/Jahr) und von 1990 bis 2004 um 25,9 Prozent (1,7 Prozent/Jahr). Allerdings muss man dabei berücksichtigen, dass nach dem Fall des Eisernen Vorhangs (1989) in den Ländern des ehemaligen Ostblocks aufgrund des wirtschaftlichen Umbruchs ein starker Rückgang des Energieverbrauchs zu verzeichnen war. Wohlstand = hoher Energieverbrauch Grundsätzlich nehme in den reichen Regionen der Energieverbrauch nur noch schwach zu. Als Gründe nennt der WEC, dass die Bevölkerung hier kaum noch wachse, Bedürfnisse mit hohem Energieaufwand, etwa Mobilität und Heizwärme, weitgehend gesättigt seien und energieintensive Industrien gegenüber der Dienstleistungsbranche an Gewicht verlieren. Ganz anders sehe es dagegen in den Schwellen- und Entwicklungsländern aus. Sie sind "energiehungrig", da sie beim Wohlstand nur durch rasch wachsenden Energieverbrauch aufholen können. Zukünftige Entwicklungen und Folgen für die EU Der Energieverbrauch werde in den kommenden Jahrzehnten weltweit weiter wachsen. Im Jahr 2030 benötigten die Menschen rund 50 Prozent mehr Energie, vor allem Öl, Gas und Kohle, prognostiziert die Internationale Energie Agentur (IEA) in ihrer Studie "Welt-Energie-Ausblick 2005". Zwar werde es keinen Mangel an fossilen Brennstoffen geben, doch die Abhängigkeit von den großen Erdöl- und Erdgas-Produzenten, das heißt den OPEC-Staaten und Russland, werde sich noch verschärfen. Die Europäische Union (EU) müsse 2030 voraussichtlich doppelt so viel Energie importieren wie heute. Regenerative Energien noch nicht bedeutsam Grundsätzlich muss man zwischen den verschiedenen Energieträgern unterscheiden. Derzeit wird der überwiegende Teil der benötigten Energie aus den so genannten fossilen Brennstoffen, also Erdöl, Kohle und Gas, gewonnen. Nach Angaben des WEC entfielen 88 Prozent der kommerziellen Weltenergieerzeugung im Jahr 2004 auf diese drei Rohstoffe. Rund sechs Prozent stellt die Kernenergie, die verschiedenen regenerativen Energieträger erreichen ebenfalls etwa sechs Prozent. Endliche Vorräte Der ständig steigende Energiebedarf wird derzeit also fast vollständig durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe gedeckt. Allerdings sind diese Ressourcen endlich, das heißt irgendwann werden wir die Vorräte verbraucht haben. Wann dies der Fall sein wird, ist unter den Experten allerdings heftig umstritten. Umgekehrte Vorzeichen Im Jahr 2004 wurden weltweit fast 3,9 Mrd. Tonnen Erdöl gefördert, bilanziert das österreichische Nationalkomitee des WEC auf seiner Internetseite. Erdöl ist der wichtigste Energieträger, allerdings sind die Vorkommen ungleich verteilt. Während der Verbrauch in Europa, Nordamerika sowie den Industrieländern Asiens um einiges höher ist als die Förderung, sieht es im Nahen Osten, in Südamerika und in Afrika genau umgekehrt aus. Verteilung auf die Kontinente Saudi Arabien ist der wichtigste Erdölförderstaat. Das Land am Persischen Golf hat 2004 rund 506 Mio. Tonnen Erdöl aus dem Boden gepumpt, das entspricht einem Anteil von 13,1 Prozent an der weltweiten Förderung. Russland folgt mit knapp 459 Mio. (11,9 Prozent). Insgesamt entfielen 2004 auf den Nahen Osten 30,7 Prozent der weltweiten Ölförderung, auf Europa (einschließlich der GUS-Staaten) 22,0 Prozent, auf Nordamerika 17,3 Prozent, auf Afrika 11,4 Prozent, auf Asien 9,8 Prozent sowie auf Mittel- und Südamerika 8,8 Prozent. Primärenergieverbrauch - was ist das? Die Weltförderung betrug 2004 rund 2,7 Mrd. Tonnen Öleinheiten (OE). Die Kohle kommt beim weltweiten Primärenergieverbrauch an zweiter Stelle. Im Jahr 2004 hatte sie einen Anteil von 27,2 Prozent. Bei der Stromerzeugung war Kohle mit einem Anteil von 38 Prozent sogar der wichtigste Rohstoff, so das WEC. Der Primärenergieverbrauch zeigt, wie viel Energie eine Volkswirtschaft in einer bestimmten Zeiteinspanne, meist ein Jahr, insgesamt verbraucht und gelagert hat. Weltweite Kohlelieferanten Die wichtigsten Kohleproduzenten waren 2004 China mit 989,8 Mio. Tonnen OE und die USA mit 567,2 Mio. Tonnen OE, gefolgt von Australien, Indien, Südafrika und Russland. Diese sechs Länder erzeugten 2004 nach Angaben des WEC etwas über 80 Prozent der Welt-Kohleförderung. Das WEC hat errechnet, dass die weltweiten Kohlereserven noch rund 164 Jahre reichen - wenn sich der Verbrauch auf dem Niveau von 2004 stabilisiert. Erdgasförderung weltweit Erdgas erfreut sich in den letzten Jahren stetig wachsender Beliebtheit und so stieg die weltweite Fördermenge im Jahr 2004 auf den historisch höchsten Wert von 2.691,6 Mrd. Kubikmeter. Auch hier spielt Russland eine wichtige Rolle. Mit 589,1 Mrd. Kubikmeter nimmt es, knapp gefolgt von den USA (542,9 Mrd. Kubikmeter), die Spitzenposition ein. Insgesamt entfielen im Jahr 2004 auf Europa und die GUS-Staaten 39,1 Prozent der weltweiten Erdgasförderung, auf Nordamerika 28,3 Prozent, auf Asien 12,0 Prozent, auf den Nahen Osten 10,4 Prozent, auf Afrika 5,4 Prozent sowie auf Mittel- und Südamerika 4,8 Prozent, fasst das WEC zusammen. Reserven bis 2019 aufgebraucht? Allerdings hat die massiv steigende Förderung zur Folge, dass bis heute insgesamt rund 70.000 Mrd. Kubikmeter Erdgas gewonnen wurden, das entspricht 30 Prozent der bisher entdeckten Reserven weltweit. Das WEC hat errechnet, dass die Gasvorräte noch rund 67 Jahre reichen. Allerdings wird im Jahr 2019 die Hälfte der bisher entdeckten Welt-Reserven vernichtet sein, setzt man eine gleichbleibende Jahresförderung, keine Entdeckung von neuen Lagerstätten und keine verbesserten Produktionsmethoden/-technologien voraus, warnt das WEC. Hohe Abbaukosten Auch für die Energiegewinnung durch Atomkraft benötigt man einen nur begrenzt vorhandenen Rohstoff: Uran. Die derzeit bekannten Reserven, bei denen die Abbaukosten bis zu 80 US-Dollar je Kilogramm Uran (80 Dollar/kg U) betragen, belaufen sich nach Angaben des WEC auf 3,54 Mio. Tonnen. Die Lagerstätten, die mit Kosten von bis zu 130 Dollar je Kilogramm Uran (130 $/kg U) abgebaut werden können, beziffert das WEC mit 4,59 Mio. Tonnen. Starke Konzentration der Reserven Die Reserven dürften rund 120 Jahre ausreichen, um die Atommeiler weltweit mit Uran zu versorgen. Insgesamt haben die Kernkraftkraftwerke eine Gesamtleistung von 362 Gigawatt (GW) produziert und dabei 56.108 Tonnen Uran verbraucht. 39.311 Tonnen stammten dabei aus der Bergwerksproduktion, so das WEC. Auch die Uranvorkommen sind nur auf wenige Ländern konzentriert. Die bis 80 Dollar/kg U abbaubaren Reserven liegen zu etwa 93 Prozent in zehn Ländern. Die Spitzengruppe bildet Australien (28 Prozent), gefolgt von Kasachstan (18 Prozent), Kanada (12 Prozent) und Südafrika (8 Prozent) - allein hier sind also etwa zwei Drittel der weltweiten Reserven konzentriert. Strom aus Wasserkraft Die Wasserkraft, so der WCE, ist die mit Abstand wichtigste regenerative Energiequelle. Das theoretische Wasserkraftpotenzial der Erde wird mit 39.608 Terawattstunden pro Jahr (TWh/a) geschätzt, davon stuft das WCE 14.356 TWh/a als "technisch nutzbares Potenzial" ein. Im Jahr 2004 wurden in Wasserkraftwerken mit einer Leistung von insgesamt 750 GW rund 2.809 TWh elektrische Energie erzeugt, mehr als 50 Prozent produzierten Anlagen in Kanada, den USA, Brasilien, China und Russland. An der Welt-Primärenergieversorgung hatte die Wasserkraft im Jahr 2004 einen Anteil von 6,2 Prozent. Bei der Erzeugung von Strom nimmt sie weltweit mit etwa 20 Prozent sogar die dritte Stelle nach Kohle und Öl/Gas ein. Wind und Sonne birgt Potenziale Windenergie spielt im Vergleich zur Wasserkraft weltweit betrachtet noch keine besonders große Rolle; allerdings ist dies ein Bereich, wo Europa in den letzten Jahren massiv investiert hat und bei der Nutzung eine Führungsposition erreichen konnte. Nach Angaben des WCE waren Ende 2004 weltweit etwa 47.317 Megawatt (MW) in Windkraftanlagen installiert. Allein etwa 34.205 MW, etwa 72 Prozent, entfielen dabei auf EU-Länder. Innerhalb der Europäischen Union waren Ende 2004 allein 16.629 MW in Deutschland installiert, gefolgt von Spanien (8.263 MW) und Dänemark (3.117 MW). Die anderen erneuerbaren Energien, etwa Solarenergie, sind derzeit noch von geringerer Bedeutung, wenngleich große Perspektiven und Entwicklungspotenziale vorausgesagt werden. Der deutsche Erdölbedarf, vor allem für Strom und Treibstoffe, wurde im Jahr 2004 nach Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) zu 33,7 Prozent (ca. 37,1 Mio. Tonnen) aus Russland gedeckt - es ist damit mit Abstand der größte Lieferant in Erdöl-Bereich. Dahinter folgt Norwegen mit 19,8 Prozent (ca. 21,8 Mio. Tonnen), Großbritannien mit 11,8 Prozent (ca. 12,9 Mio. Tonnen) und Libyen mit 11,6 Prozent (ca.12,9 Mio. Tonnen). Diese Zahlen zeigen, dass Deutschland einen Großteil seines Bedarfs am "Schwarzen Gold" aus der näheren Umgebung speist, nur 7,8 Prozent des Bedarfs (ca. 8,6 Mio. Tonnen) kam aus dem Nahen Osten. Insgesamt importierte Deutschland rund 110 Mio. Tonnen Rohöl im Jahr 2004. Der Anteil am Primarenergieverbrauch betrug damit im Jahr 2004 36,4 Prozent. Beim fossilen Brennstoff Steinkohle sah es noch bis Anfang der 1990er Jahre etwas anders aus. Im Jahr 1990 wurden in Deutschland insgesamt rund 85,7 Mio. Tonnen Steinkohle verbraucht, 66,5 Mio. Tonnen konnten im Inland gefördert und nur ein kleiner Teil musste importiert werden. Heute hat sich die Lage gewandelt. Im Jahr 2004 mussten wir fast 39,3 Mio. Tonnen Steinkohle aus anderen Ländern einkaufen, in Deutschland wurden lediglich rund 25,9 Mio. Tonnen abgebaut. Den Bedarf an Braunkohle kann Deutschland allerdings fast vollständig aus eigenen Vorkommen befriedigen. 2004 betrug die Förderung an Rohbraunkohle fast 182 Mio. Tonnen, lediglich 17.000 Tonnen wurden importiert, so das BMWi. Am Primärenergieverbrauch im Jahr 2004 hat damit die Steinkohle einen Anteil von 13,5 Prozent, die Braunkohle kommt auf 11,4 Prozent. Beim Erdgas war Deutschland, ähnlich wie beim Erdöl, schon immer von Importen abhängig, allerdings ist diese Abhängigkeit in den letzten Jahren stetig gewachsen. Während 1990 Gas für rund 573 Mrd. Kilowattstunden (k/Wh) im Ausland eingekauft wurde, stieg das Volumen im Jahr 2004 auf circa 942 Mrd. k/Wh, so das BMWi. Damit wurden rund 84 Prozent des Aufkommens nach Angaben des Bundesverbands der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft im Jahr 2004 importiert. Besonders wichtiger Lieferant ist Russland. Größere Erdgaslieferanten sind außerdem Norwegen mit 24 Prozent und die Niederlande mit 19 Prozent Anteil am deutschen Verbrauch. Auf Großbritannien, Dänemark und weitere Länder entfallen sechs Prozent. Aus dem Inland stammen 16 Prozent des Erdgases, das vor allem in Niedersachsen gefördert wird. Erdgas war zu 22,4 Prozent am Primärenergieverbrauch im Jahr 2004 beteiligt. Die verschiedenen deutschen Atomkraftwerke erzeugten im Jahr 2004 insgesamt 167,1 Mrd. Kilowattstunden (KWh). Das entspricht einem Anteil von 27,5 Prozent an der deutschen Stromerzeugung und 12,6 Prozent am Primärenergieverbrauch. Die verschiedenen regenerativen Energien können den deutschen Bedarf derzeit nur zu einem verschwindend geringen Teil decken. Im Jahr 2004 hatten alle erneuerbaren Energieträger einen Anteil von 3,6 Prozent am gesamten Primärenergieverbrauch. Allerdings betrug dieser Anteil im Jahr 1990 gerade einmal 1,9 Prozent, wie die Statistik des BMWi aufzeigt. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Die "Energiedaten" sind eine Sammlung aktueller Daten zur Energieversorgung aus zuverlässigen heimischen und internationalen Quellen. Alternatvie zu fossilen Brennstoffen In den letzten Jahren setzte sich in Politik und Wirtschaft langsam die Erkenntnis durch, dass die fossilen Brennstoffe irgendwann verbraucht sind und fossile Energieträger aufgrund der stetig steigenden Nachfrage immer teurer werden. Daher hat die neue Bundesregierung im Koalitionsvertrag unter anderem das Ziel festgeschrieben, den Anteil der erneuerbaren Energien am deutschen Primärenergieverbrauch bis zum Jahr 2010 auf 4,2 Prozent und bis 2020 auf zehn Prozent zu erhöhen. Ihr Anteil am Stromverbrauch soll bis 2010 auf 12,5 Prozent und bis 2020 auf mindestens 20 Prozent steigen. Gesetzliche Grundlagen Dazu hatte bereits die alte Regierung, neben der Vergütung von ins Netz eingespeistem Strom aus erneuerbaren Energien nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), verschiedene Förderprogramme ins Leben gerufen. Zwar will die schwarz-rote Bundesregierung das EEG in seiner Grundstruktur fortführen, zugleich aber die wirtschaftliche Effizienz der einzelnen Vergütungen bis 2007 überprüfen. Vom Stand-by-Gerät bis zur Industrieanlage In der Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, Geräten, Fahrzeugen, Kraftwerken und Industrieanlagen sieht die Bundesregierung ein "riesiges Potenzial" zur wirtschaftlichen Energieeinsparung. Sie will daher unter anderem die Energieeffizienz der Volkswirtschaft konsequent steigern, um bis 2020 eine Verdopplung der Energieproduktivität gegenüber 1990 zu erreichen. Förderprogramme und Forschungsinvestitionen Im Rahmen einer Innovationsinitiative "Energie für Deutschland" will die Regierung die Ausgaben für die Energieforschung schrittweise verstärken. Davon sollen erneuerbare Energien und Biomasse, Effizienztechnologien bei der Nachfrage, zentrale und dezentrale Effizienztechnologien bei der Energieerzeugung und ein nationales Innovationsprogramm zu Wasserstofftechnologien (einschließlich Brennstoffzellen) gefördert werden. Doch um den von Rot-Grün beschlossenen Ausstieg aus der Atomkraft scheint sich ein grundlegender Konflikt anzubahnen. Angesichts des steigenden Energiebedarfs und der immer höheren Energiekosten wurden in der Union Stimmen laut, die ein "Umdenken" der Sozialdemokraten und eine Verlängerung der Laufzeiten von Atomkraftwerken fordern.

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 .

Durch diese fachübergreifende Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die wichtigsten Entwicklungen und Herausforderungen der deutschen und weltweiten Energiewende sowie die großen Klimaschutz-Baustellen in Landwirtschaft und Verkehr kennen. Sie analysieren die damit verbundenen Interessenskonflikte und suchen gemeinsam nach sinnvollen Lösungen. Mit der Entscheidung, aus der Atomkraft auszusteigen und die Energieversorgung auf erneuerbare Energien und Energieeffizienz umzustellen, ist Deutschland international zu einem Vorbild geworden. Noch nie hat ein Industrieland eine solche Transformation vorgenommen. Schon heute wird bei uns mehr als ein Drittel des Stroms aus Sonnen- und Windenergie, Biomasse und Wasserkraft erzeugt. Auch weltweit sind die erneuerbaren Energien auf dem Vormarsch, da sie immer billiger werden und einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Oft rechnet sich der Bau eines großen Windparks für Stromproduzenten schon mehr als der eines Kraftwerks, das Strom mit fossilem Brennstoff produziert. Um einen ausufernden Klimawandel zu verhindern, reicht aber eine Stromwende nicht aus. Auch in anderen Sektoren wie Landwirtschaft und Verkehr müssen die CO 2 -Emissionen stark reduziert werden. Diese Unterrichtseinheit ermöglicht die selbstständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit der Energiewende in Deutschland und weltweit, ihrer Vorteile und Herausforderungen. Dabei haben sie auch die Auswirkungen für Wirtschaft, Infrastruktur, Landwirtschaft und Umwelt im Blick. Außerdem analysieren sie die Auswirkungen der Landwirtschaft, insbesondere der industriellen Produktion von Lebensmittel und Fleisch sowie des Verkehrs auf die Erwärmung des Planeten und beschäftigen sich mit Strategien zu nachhaltiger Transformation in diesen Sektoren. Themen der Unterrichtseinheit Die Energiewende Hier geht es um die aktuelle Entwicklung und Verbreitung von erneuerbaren Energien in Deutschland und weltweit. Deutschland will bis 2050 mindestens 80 Prozent seines Stroms aus erneuerbaren Energien erzeugen. Doch das Land ist dabei nicht alleine. Mehr und mehr Länder entscheiden sich für erneuerbare Energien. Warum brauchen wir erneuerbare Energien? Welche Auswirkungen wird und soll die Energiewende auf Wirtschaft, Umwelt und Gesellschaft haben? Vor welchen Herausforderungen steht Deutschland? Mobilität und Verkehr Wie muss sich der Verkehr verändern, wenn Deutschland das während des Klimagipfels in Paris 2015 zugesagte Ziel einer Reduzierung seiner Treibhausgas-Reduktionen auf Null bis Mitte des Jahrhunderts erreichen will? Wie sieht die Energiewende im Verkehrssektor aus? Welche Auswirkungen hat der Flugverkehr? Können Elektroautos das Problem weitgehend lösen? Sollte Deutschland sein Autobahnnetz weiter verdichten? Welche Rolle spielt der internationale Warentransport? Welche Alternativen existieren und können stärker genutzt werden? Die Landwirtschaft und ihre Bedeutung für den Klimaschutz Welche Rolle spielt die Landwirtschaft für den Klimaschutz? Welche Auswirkungen hat die industrielle Produktion von Lebensmitteln und Fleisch für tropische Regenwälder in Brasilien und auf Indonesien und was hat das mit dem Klimawandel zu tun? Warum sind Palmöl und Soja ein Problem für den Klimaschutz und was kann ich in Deutschland tun? Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… lernen die wichtigsten erneuerbaren Energieträger kennen. werden für die Herausforderungen der Energiewende in Deutschland und weltweit sensibilisiert. setzen sich mit den jüngsten Entwicklungen in der weltweiten Energieversorgung und mit dem Ausbau erneuerbarer Energien auseinander. können die Auswirkungen der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion, inklusive Fleischproduktion, auf den Klimawandel nachvollziehen. setzen sich mit den Folgen von Flug- und Landverkehr für Erderwärmung und Klimawandel auseinander. entwerfen selbstständig Ansätze und tragen Ideen zusammen für zukunftsorientierte, klimaschützende und wirtschaftlich umsetzbare Energieversorgung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler… recherchieren im Internet. analysieren und interpretieren Informationen, die sie im Internet recherchiert haben. bereiten digitale Präsentationen vor. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Teams zusammen. Fundamentale Wende in der Energieversorgung Der Energiesektor verursacht den größten Teil der weltweiten Treibhausgas-Emissionen, sein Anteil lag 2010 bei 35 Prozent. Durch das weltweite Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum steigt die Nachfrage nach Energie und Strom weiter. Der Ausstoß von Treibhausgasemissionen hat sich jedoch in den vergangenen Jahren stabilisiert. Diese für viele überraschende Entwicklung deutet darauf hin, dass inzwischen nicht nur in Deutschland eine Energiewende stattfindet. Die Energiewende steht für eine fundamentale Wende in der Energieversorgung. Das bisherige Energiesystem, das auf fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl und Gas) sowie Kernenergie beruht, wird abgelöst von einer neuen Energieversorgung durch erneuerbare Energien (Windkraft, Sonnenenergie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme) sowie einer verbesserten Energieeffizienz und Energieeinsparung. Energiewende in Deutschland Deutschland hat mit der Energiewende eine radikale Transformation seines Stromsektors beschlossen. Die übergeordneten energiepolitischen Ziele der Bundesregierung im Juni 2011 umfassen den Atomausstieg bis 31.12.2022 und den Ausbau der erneuerbaren Energien. Darüber hinaus sollen die Stromnetze zügig ausgebaut und modernisiert werden sowie die Energieeffizienz insbesondere im Gebäudesektor, bei der Mobilität und beim Stromverbrauch erhöht werden. Dabei müssen die Treibhausgasemissionen um 40 Prozent bis 2020 und um 80 bis 95 Prozent bis 2050 im Vergleich zum Basisjahr 1990 reduziert werden. Erneuerbare Energien weltweit 2015 war ein Rekordjahr für Erneuerbare Energien. Zu diesem Ergebnis kommt der Statusbericht "Renewables 2016" von REN21. (...) Die Erneuerbaren decken mittlerweile 19 Prozent der globalen Energienachfrage. Einen solchen Anstieg innerhalb eines Jahres hat es noch nie gegeben. Mit 330 Milliarden US-Dollar erreichten auch die Investitionen in erneuerbare Energien in den Bereichen Verkehr, Strom und Wärme einen neuen Rekordwert. Allein beim Strom wurde 2015 doppelt so viel in Solar-, Wind- und Wasserkraft investiert (etwa 265 Milliarden Dollar) wie in neue Kohle- und Gaskraftwerke zusammen (130 Milliarden). Auch auf dem Arbeitsmarkt zeigt sich eine positive Entwicklung. Mehr als acht Millionen Menschen arbeiten mittlerweile weltweit in der Erneuerbaren-Branche. Europa: Investitionen gesunken! Europa ist die einzige Weltregion, in der die Investitionen in Erneuerbare im vergangenen Jahr deutlich gesunken sind, bedingt durch die Wirtschaftskrise und mangelnde politische Ambition. Besonders drastisch ist der Einbruch um 46 Prozent in Deutschland, dem vormals größten Markt für erneuerbare Energien. In den USA war dafür ein kräftiges Wachstum zu verzeichnen und in Japan blieben die Investitionen immerhin stabil. Der globale Süden hingegen befindet sich auf der Überholspur. Zum ersten Mal waren die Investitionen in erneuerbare Energien dort höher als in den Industrieländern. Alleine China konnte rund 36 Prozent aller globalen Investitionen in erneuerbare Energien auf sich vereinen. Aus entwicklungspolitischer Perspektive dabei besonderes beindruckend: Finanzschwächere Länder wie Marokko, Jamaika, Honduras, Jordanien, Uruguay, Nicaragua, Mauretanien oder die Kapverden haben letztes Jahr ein Prozent oder mehr ihrer Wirtschaftsleistung in den Ausbau erneuerbarer Energien investiert. In Deutschland verursacht der Verkehrssektor rund 20 Prozent der Treibhausgasemissionen. Kein anderer Sektor hat in Deutschland so wenig zur Erreichung der gesetzten Klimaziele beigetragen, wie der Verkehr. Er ist damit das größte Problemkind der Klimapolitik. Um die deutschen Klimaschutzziele nach dem Klimaabkommen von Paris zu erreichen, muss der CO 2 -Ausstoß des Verkehrs vor 2050 auf nahezu Null gesenkt werden. Wie das passieren kann, dafür hat Deutschland noch keinen Plan. Weitgehender Konsens herrscht nur dabei, dass die Effizienz der Fahrzeuge weiter gesteigert werden muss und dass der gesamte Straßen- und Schienenverkehr langfristig auf erneuerbare Antriebe (Strom, Biosprit) umgestellt werden soll. Inwiefern auch die Vermeidung von Verkehr und die Verlagerung von der Straße auf die Schiene eine Rolle spielen muss, um die Treibhausgasreduktionsziele erreichen zu können, ist noch umstritten. Zwei Trends verantwortlich Vor allem zwei Trends sind für die problematische Entwicklung im Verkehr verantwortlich. Erster Hauptfaktor ist im Personenverkehr die Tendenz zu schweren, PS-starken Autos, wodurch die Effizienzgewinne durch sparsamere Motoren wieder aufgefressen werden. Heute werden etwa ebenso viele SUVs wie Kleinwagen verkauft, und die durchschnittliche Motorleistung der Neuwagen ist alleine zwischen 2007 und 2014 von 95 auf 140 PS gestiegen. Die aktuell niedrigen Spritpreise verstärken diese Entwicklung. Zweiter Hauptfaktor ist das hohe Wachstum im Güterverkehr. So hat der Warentransport auf der Straße seit Mitte der 1990er Jahre um mehr als 60 Prozent zugenommen, und das Bundesverkehrsministerium rechnet weiterhin mit deutlichen Zunahmen. Der kurze Einbruch der Frachtmengen während der Finanz- und Wirtschaftskrise 2008/2009 ist längst vergessen. Weitere Faktoren Viele Akteure in Politik und Wirtschaft setzen in Deutschland vor allem auf das Elektroauto, um die Emissionen des Verkehrssektors zu senken. Bis 2020 – so das Ziel der Bundesregierung – sollen eine Million E-Autos über Deutschlands Straßen rollen. Doch die Verkaufszahlen bei Elektroautos bleiben vorerst sehr niedrig und die Zahl von eine Million gilt inzwischen weithin als nicht erreichbar. Seit Sommer 2016 können Käufer eines E-Autos darum eine Prämie von mehreren tausend Euro beantragen, die sie zusätzlich mit dem Kauf des Autos erhalten. Doch auch dadurch konnte der Absatz bisher nur unwesentlich angekurbelt werden. Der Güterverkehr wächst noch schneller als der Personenverkehr. Daran hat auch die seit 2005 eingeführte Lkw-Maut nichts geändert. Die absoluten CO 2 -Emissionen im Lkw-Verkehr sind von 1995 bis 2013 um 13 Prozent gestiegen. Der Güterverkehr auf der Straße hat im gleichen Zeitraum um 31 Prozent zugenommen. Die Prognosen gehen alle von einem weiter wachsenden Straßengüterverkehr aus. Auch hier gibt es bisher keine Problemlösungsstrategie. Lösungsansätze wären ein starker Ausbau des Schienengüterverkehrs und Anreize dafür, dass Güter häufiger regional gehandelt und nicht mehr durch ganz Europa gefahren werden. Das Umweltbundesamt fordert deshalb eine Einbeziehung aller Fahrzeuge von 3,5 Tonnen in die Lkw-Maut. Außerdem schlägt das UBA vor, alle Straßen mautpflichtig zu machen. Bisher sind es nur Autobahnen und ein Teil der Bundesstraßen. Fliegen ist die mit Abstand klimaschädlichste Art der Fortbewegung. In Reiseflughöhe ist die Klimawirkung der Flugzeugemissionen nach aktuellem Stand der Wissenschaft um den Faktor 2- bis 4½-mal höher, als am Boden. Das ergibt derzeit einen Anteil von ca. 7 Prozent am gesamten menschengemachten Treibhauseffekt. Doch dieser Anteil nimmt schnell zu, denn der Flugverkehr wächst weiter, selbst in Deutschland. Das liegt auch daran, dass Fliegen vom Staat stark bezuschusst wird. Unter anderem ist Kerosin von der Energiesteuer befreit, internationale Flüge von der Mehrwertsteuer. Bis 2040, schätzt die internationale Luftverkehrsorganisation ICAO, könnten sich die weltweiten Emissionen im Flugverkehr vervierfachen. Das Überschießen der globalen 2-Grad-Erwärmungsrenze wäre damit unvermeidlich. Die Landwirtschaft ist einer der wichtigsten Verursacher des Klimawandels. 2010 trug sie 10 bis 12 Prozent zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Der Agrarsektor ist dabei die größte Quelle der Treibhausgase Methan (CH 4 ) und Lachgas (N 2 O), die zum Beispiel in der Viehhaltung entstehen. Gleichzeitig ist die Landwirtschaft das größte Opfer des Klimawandels. Dürre und Überschwemmungen, Stürme, die Versalzung des Grundwassers, Austrocknung und Landdegradierung wirken sich bereits heute negativ auf Ernteerträge und Lebensmittelproduktion aus. Obwohl in einigen nördlichen Regionen die landwirtschaftliche Produktivität auch steigen könnte, sind die negativen Folgen für die weltweite Nahrungsmittelproduktion und damit die ländliche und die ärmere städtische Bevölkerung insgesamt sehr negativ. Vor allem in Afrika und Asien ist es durch den Klimawandel mit drastischen Ernteverlusten zu rechnen.

Im Rahmen eines BlogQuests - ein WebQuest, der mit einem Blog erstellt wurde - informieren sich Schülerinnen und Schüler über verschiedene erneuerbare Energien und diskutieren über Handlungsperspektiven für die Zukunft. Als Rahmenhandlung dient eine fiktive UN-Umweltkonferenz im Jahr 2010. Die schwindenden fossilen Energieressourcen der Erde sowie die damit verbundene Umweltbelastung und der daraus resultierende Klimawandel zeigen, dass Handlungsbedarf besteht. Zum Thema "Energie und Zukunft" gibt es viele Ansätze, doch es steht außer Frage, dass der Klimawandel zumindest aufgehalten werden muss. Ein möglicher Ausweg könnte der vermehrte Einsatz erneuerbarer Energien sein, wie zum Beispiel Photovoltaik, Geothermie oder Gezeiten- und Osmosekraftwerke. Natürlich stellt sich hierbei die Frage nach der Umsetzbarkeit, Effektivität und Nachhaltigkeit derartiger Technologien. Vor dem Hintergrund einer UN-Umweltkonferenz sollen sich die Schülerinnen und Schüler in die Rolle von UN-Experten versetzen und verschiedene Möglichkeiten erneuerbarer Energien auf globaler Ebene diskutieren. Dabei sammeln sie durch Recherche auf vorgegebenen Webseiten Fachwissen, mit dem sie bei der Konferenz die eigenen Argumente begründen beziehungsweise untermauern. Geht es nicht auch ohne Energie? Energie geht alle etwas an - nicht zuletzt aus dem Grund, da jede und jeder im Alltag darauf angewiesen ist. Im 21. Jahrhundert funktioniert nahezu nichts ohne den "Stoff" aus der Steckdose oder dem Tiger im Tank. Das Problem besteht lediglich darin, dass die fossilen Energieträger, wie beispielsweise Erdöl und Braunkohle mittelfristig zu Neige gehen werden. Zudem sorgen diese für nicht unerhebliche CO2-Emissionen, welche das Erdklima nachweislich beeinflussen. Sicherlich findet man hier und da technologische Optimierungen. So werden Automotoren entwickelt, die bei geringem Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß sehr effizient arbeiten. Auch wurde die Glühbirne bereits verdrängt, und neueste, energiesparende LED-Technik setzt sich auf dem Markt durch. Doch irgendwann ist Schluss mit den Energieeinsparungen, spätestens dann, wenn im Kohlekraftwerk keine Kohle mehr bereitsteht! Auf der Suche nach Alternativen Erneuerbare und CO2-neutrale Energien sind in Zukunft mehr als gefragt. Doch welche Alternativen gibt es überhaupt? Wie ist der derzeitige Entwicklungsstand? Wo sind die Vor- und Nachteile? Der hier vorgestellte BlogQuest lässt sich gut in den Regelunterricht der Klasse 9 oder 10 einbauen. Es bieten sich hier viele Möglichkeiten (siehe dazu auch Einordnung in den Lehrplan). Der BlogQuest kann auch im Rahmen eines fächerübergreifenden Projekt- oder Methodentages zum Einsatz kommen. Einsatz des BlogQuest im Unterricht Die Unterrichtseinheit richtet sich an Schülerinnen und Schülern der Realschule und des Gymnasiums. Die Arbeit mit dem BlogQuest gestaltet sich für die Lernenden recht einfach, da sie sich von Seite zu Seite vorarbeiten. Lehrplanbezug und Voraussetzungen Die Einordnung des WebQuests in die Lehrpläne von Realschule und Gymnasium sowie in die Typologie des WebQuest-Erfinders Bernie Dodge wird dargestellt. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Zeiteinteilung und Ablauf der Unterrichtseinheit werden skizziert. Selbst gesteuertes, problemlösendes und (quellen-)kritisches Arbeiten stehen dabei im Mittelpunkt. Quellen für die Recherche Die aufgelisteten Internetseiten dienen den Arbeitsgruppen als Informationsquellen für den BlogQuest. Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss in der Lage sein unterschiedliche Internetquellen für ihre Recherchen zu nutzen und themenbezogene und aussagekräftige Informationen für eine Diskussion auszuwählen. (K1/K2) die Ergebnisse ihrer Internetrecherche im Rahmen einer fiktiven Umweltkonferenz zu präsentieren. (K7) im Rahmen einer Diskussion fachlich korrekt und folgerichtig zu argumentieren. (K8) ihre Arbeit als Team zu planen, zu strukturieren, zu reflektieren und zu präsentieren. (K10) erneuerbare Energien aus unterschiedlichen Perspektiven zu diskutieren und zu bewerten. (B5) Thema Gibt es "die" erneuerbare Energie? - Diskussion im Rahmen einer fiktiven UN-Umweltkonferenz Autor Kristina Gojkovic, Thorsten Möller, überarbeitet von Rolf Goldstein Fach Biologie/Chemie, fächerübergreifend Zielgruppe Klasse 9-10, Realschule/Gymnasium Zeitraum 6 Stunden Technische Voraussetzungen Computer mit Internetzugang in ausreichender Anzahl (idealerweise für Partnerarbeit) Chemie: 9G.3 - "Fossile Brennstoffe" Politik und Wirtschaft: 9G.5 - "Ökonomische Bildung: Internationale Wirtschaftsbeziehungen" Chemie: 10.4 - "Brennstoffe" Politik und Wirtschaft: 10.3 "Ökonomische Bildung / Internationale Wirtschaftsbeziehungen" Chemie 10.2 - "Elektrische Energie und chemische Prozesse" Chemie 10.3 - "Fossile Rohstoffe - wie lange noch?" Biologie 9.4 Globale Umweltfragen Politik und Wirtschaft: 10.5 - "Verkehr und Umwelt" Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufen 8 bis 13. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufen 7G bis 9G und gymnasiale Oberstufe.2010 Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Realschule, Jahrgangsstufen 5 bis 10. 2002 Sekretariat der Ständigen Konferenz der Länder in der Bundesrepublik Deutschland (Herausgeber): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. München/Neuwied: Luchterhand, 2005 Technische Voraussetzungen Die BlogQuest-Materialien dieser Unterrichtseinheit sind HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Pro Kleingruppe sollte mindestens ein PC mit Internetzugang vorhanden sein. Um ein erhöhtes Maß an Frustration seitens der Lernenden zu vermeiden sollten folgende Voraussetzungen gegeben sein: Die Schülerinnen und Schüler … wissen aus dem Alltag, was Strom und elektrische Energie sind. … können einschätzen, dass Energie umwandelbar ist ("Energieerhaltungssatz"). … kennen Kraftwerke zur Strom- und Energieerzeugung (zumindest aus den Medien). … sind sich der Gefahren durch Kernenergie und fossiler Energiegewinnung bewusst. … sind im Umgang mit unbekannten Texten und Inhalten geübt. … können mit dem Internet (Suchanfragen, Suchergebnissen, Wikipedia) umgehen. Aufgabentyp "Entscheidungen treffen" WebQuests können nach ihrem Erfinder Bernie Dodge unterschiedlichen Aufgabentypen zugeteilt werden (WebQuest: A Taxonomy of Tasks, 2002). Der hier vorgestellte WebQuest lässt sich dem Aufgabentyp "Entscheidungen treffen" (Judgement Tasks) zuordnen. Dieser Aufgabentyp beinhaltet Kompetenzen aus anderen Aufgabentypen wie "Informationen zusammenstellen" (Compilation Tasks) und "Sachverhalte analysieren" (Analytical Tasks). Darüber hinaus ist aber eine Entscheidung zu treffen, die nachvollziehbar begründet werden muss. Hierbei wird nicht nur reproduziert, sondern problemlösend und (quellen-)kritisch gearbeitet. Gerade dieser Aufgabentyp ist sehr praxisnah und bereitet die Schülerinnen und Schüler auf das spätere Berufsleben oder Studium vor. BlogQuests: Erstellen von WebQuest mit Blogs Der hier vorgestellte WebQuest wurde mit einem Blog erstellt (daher auch die Bezeichnung BlogQuest). Ursprünglich handelt es sich bei Blogs um internetbasierte Tagebücher, in denen man Artikel verfassen und Seiten gestalten kann. Es gibt zahlreiche Provider, wie zum Beispiel Blogger, blog.de oder overblog. Der vorliegende BlogQuest wurde mithilfe von Wordpress erstellt. Die Arbeit mit dieser Online-Plattform ist nach einer kurzen Einarbeitungsphase sehr einfach, da man hier als Autorin oder Autor viele Optionen vorfindet, die von konventioneller Bürosoftware bekannt sind. Die Arbeitsoberfläche von Wordpress ist übersichtlich strukturiert, man benötigt für die Nutzung keine Programmierkenntnisse in HTML oder PHP. Und weil man den BlogQuest ohnehin online erstellt, entfällt auch der Schritt des Hochladens. Blogs ermöglichen somit eine schnelle und komfortable Erstellung von WebQuests. Motivierend einsteigen und Transparenz schaffen In der Einführungsphase soll seitens der Lehrkraft auf das Thema eingestimmt werden. Dies kann beispielsweise in Form eines stummen Impulses geschehen (ein Zeitungsbericht zum Thema, ein kurzes Video oder ein Podcast). Mögliche Impulse sind hier aufgeführt: YouTube-Video: ERENE - Eine Europäische Gemeinschaft für Erneuerbare Energien (Abspielen bis 1:26) YouTube-Video: Energy, let's save it! (Abspielen bis 1:00) faz.net: „Das Zeitalter der erneuerbaren Energien beginnt“ Artikel über die Konferenz "Renewables 2004" Die Schülerinnen und Schüler äußern sich, wobei sich die Lehrkraft zunächst zurückhält. Es kann durchaus passieren, dass eine rege Diskussion entsteht, die man zunächst nicht unterbinden sollte. Es wird sich schnell herausstellen, dass aufgrund vieler Fehlvorstellungen und Halbwissen auf Schülerseite keine fundierte Argumentationsgrundlage vorhanden ist. Nun kann eine Verknüpfung zur Unterrichtseinheit hergestellt werden. Die Lehrkraft erklärt grob die Planung der kommenden Stunden. Ist die Arbeit mit BlogQuests nicht bekannt, sollte hier eine kurze Erläuterung zur Bedienung erfolgen. Wichtig dabei erscheint der Hinweis, dass die Schülerinnen und Schüler selbstständig und eigenverantwortlich ihr Ziel erreichen. Arbeit mit dem BlogQuest Anschließend werden die sechs Arbeitsgruppen gebildet. Die Lernenden können selbst entscheiden, ob sie innerhalb eines Teams arbeitsteilig (empfohlen) oder arbeitsgleich arbeiten. Die Zuordnung der Schülerinnen und Schüler zu den Gruppen erfolgt per Los oder durch eine andere geeignete Methode. Die Arbeit mit dem BlogQuest gestaltet sich für die Lernenden recht einfach, da sie sich von Seite zu Seite vorarbeiten, beginnend mit der Willkommensseite. Die Lernenden arbeiten zunächst innerhalb der Kleingruppen und informieren sich gemäß der von ihnen übernommenen Expertenrolle mithilfe der vorgegebenen Webseiten über Geothermie, Photovoltaik, Solarthermie, Osmosekraftwerk, Gezeitenkraft und Windenergie. Die Ergebnisse ihrer Recherchen werden zunächst in der Kleingruppe zusammengetragen und diskutiert. Dabei kann die Table-Set-Methode gute Dienste leisten, um einen regen Austausch zu fördern. Die Ergebnisse aus den Kleingruppen werden anschließend auf der UN-Umweltkonferenz vorgestellt und diskutiert. Table-Set-Methode Die Schülerinnen und Schüler sollen sich in den Kleingruppen die Quellen gleichmäßig aufteilen und erarbeiten. Im Anschluss daran erfolgt eine Synopse mit Hilfe der Table-Set-Methode. Jede Schülerin/ jeder Schüler notiert zunächst in Stichpunkten die erarbeiteten Argumente auf ihrem/ seinem Abschnitt. Danach lesen die Gruppenmitglieder die Beiträge der anderen durch mehrfaches Drehen. In der folgenden Gruppenarbeitsphase soll sich dann über Gemeinsamkeiten und Unterschiede ausgetauscht werden. Schließlich muss sich die Gruppe auf eine Form der Ergebnispräsentation einigen, welche in der Postermitte dargestellt wird. Selbst gesteuert arbeiten Die Arbeit mit dem BlogQuest erfolgt in den Schülergruppen eigenständig und überwiegend selbst gesteuert. Die Lehrkraft zieht sich weitestgehend zurück. Sie ist jederzeit als beratende Ansprechperson erreichbar und sorgt für ein angemessenes Arbeitsklima. Sie überwacht gegebenenfalls das Vorankommen der einzelnen Gruppen. Der Lehrkraft kommt somit die Rolle eines Lerncoaches zu. Ergänzende Materialien Für ihre jeweiligen Themengebiete stehen den Schülerinnen und Schülern im Quellenbereich des BlogQuests ausgewählte Links zur Verfügung. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die Lernenden selbstständig in der Schul- oder Stadtbibliothek weitere Materialien beschaffen. Die Lehrkraft eröffnet als Vorsitz die Umweltkonferenz zum Thema "Die Energie der Zukunft". Die einzelnen Experten präsentieren die ausgearbeiteten Punkte ihrer erneuerbaren Energie. Dabei übernimmt ein Gruppenmitglied die Gesamtmoderation, und alle anderen stellen jeweils einen Themenschwerpunkt vor. Anschließend wird in die Diskussionsphase übergeleitet, bei der es darum geht, die einzelnen Expertenvorschläge gegeneinander abzuwägen und eine Lösung zu finden. Schließlich werden Anträge formuliert, die anschließend zur Abstimmung gebracht werden.

Schülerinnen und Schüler lernen den Unterschied zwischen der in der Sonne ablaufenden und der technisch kontrollierten Kernfusion sowie die damit verbundenen verschiedenen Reaktortypen kennen. Vorgänge auf der Teilchenebene werden anhand einer Flash-Animation des Max-Planck Instituts für Plasmaphysik visualisiert. Auf der Grundlage der im Physikunterricht erworbenen Kenntnisse über Atomkerne sollen sich die Schülerinnen und Schüler ein Bild von der Kernfusion machen. Sie lernen die Chancen und Risiken dieser Technologie kennen und erfahren, welche Hindernisse Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überwinden müssen, damit die verlockende Vision der Kernfusion Realität und zum "global player" im Energie-Mix der Zukunft wird. Das Thema knüpft unmittelbar an die Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler an (Ölpreissteigerungen, Störfälle in Atomkraftwerken). Die Unterrichtseinheit bietet einen ersten Einblick in eine vielversprechende und innovative Methode der Energieerzeugung und verdeutlicht die Bedeutung und Notwendigkeit der Grundlagenforschung. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie ergänzt. Er informiert über die experimentelle Fusionsforschungsanlage der großen Industrienationen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. 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. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Flash-Player (kostenfreier Download) Planung Tabellarischer Verlaufsplan Fachliche Voraussetzungen Bevor die Unterrichtseinheit durchgeführt werden kann, müssen die Schülerinnen und Schüler bereits grundlegende Kenntnisse über den Aufbau von Atomkernen erworben und die Sonne als Ort für natürlich ablaufende Kernfusionsreaktionen kennengelernt haben. Auch die dort dominierende "Proton-Proton-Reaktion 1" sollte bereits bekannt sein. Für einen schnellen Wissenszugewinn wäre es zudem hilfreich, wenn die Lernenden Vorwissen über andere Formen der Energiegewinnung - erneuerbare Energien, Kernkraft oder fossile Brennstoffe - besitzen. Einsatz (nicht nur) in der Oberstufe Die Unterrichtseinheit ist in erster Linie für den Physik- und Technikunterricht der Sekundarstufe II an Gymnasien und Gesamtschulen konzipiert. Nach einer Anpassung der Arbeitsblätter (Erklärung von Fachbegriffen, geringerer Schwierigkeitsgrad der Arbeitsaufträge) ist auch eine Nutzung in den Jahrgangsstufen 9 und 10 an Gymnasien, Realschulen oder Gesamtschulen möglich. Anbindung an Lehrpläne In (fast) allen Bundesländern bieten die Lehrpläne und Richtlinien Einsatzmöglichkeiten für die hier vorgestellte Unterrichtseinheit. Ausführliche Informationen dazu und Vorschläge für einen fächerübergreifenden Unterricht zum Thema Kernfusion finden Sie auf der Webseite max-wissen.de (siehe "Links zum Thema"). Natürliche und technisch kontrollierte Kernfusion Um das bereits erworbene Grundlagenwissen aufzufrischen und zu festigen, beginnt die Doppelstunde mit einer Sicherungsphase, in der die Schülerinnen und Schüler das Prinzip der Kernfusion in der Sonne ausführlich beschreiben und erklären. Danach zeigt die Lehrperson das Bild eines geplanten Fusionsreaktors. Die Schülerinnen und Schüler sollen möglichst selbstständig einen Zusammenhang zwischen den Motiven herstellen und die "künstliche", also technisch kontrollierte, Kernfusion als Thema der Doppelstunde benennen. Unterrichtsimpulse per Beamer oder Tageslichtprojektor Schon hier wird von den Lernenden erwartet, einfache Hypothesen zur Funktionsweise von "künstlichen" Reaktoren auf der Basis ihres Vorwissens aufzustellen. Diese Vorschläge sollen dann in der Diskussion mit anderen Lernenden gegebenenfalls präzisiert, korrigiert oder widerrufen werden. Je nach Leistungsstand des Kurses kann die Lehrerin oder der Lehrer in dieser Phase zusätzliche Unterrichtsimpulse (Folien mit Grafiken oder Bildern, Texte) bereithalten, damit ein schneller und motivierender Lernforschritt gelingt. Um die Erarbeitungsphase effektiv zu gestalten und Schülerinnen und Schüler zu motivieren, werden alt bewährte Medien (Arbeitsblätter mit Texten und Abbildungen) mit digitalen Medien kombiniert. Eine Flash-Animation vom Max-Planck Institut für Plasmaphysik verbildlicht abstrakte Inhalte wie die Deuterium-Tritium-Kernfusionsreaktion und liefert zusätzliche Informationen. Schülerinnen und Schüler können dabei auch die Zündungsbedingungen für die Fusionsreaktion experimentell erkunden. Zeiteinteilung Der Zeitbedarf der Unterrichtseinheit beträgt 90 Minuten. Bietet der Stundenplan nur kürzere Einheiten, kann der Unterricht nach der ersten Erarbeitungsphase, dem Zusammentragen der Resultate, der Ergebnissicherung sowie der zweiten Problemfindungsphase beendet werden (siehe Verlaufsplan). Das Arbeitsblatt 2 und die dazugehörigen Begleitinformationen ("Ein Käfig für das heiße Plasma") können dann im Rahmen der Hausaufgabe zum Einsatz kommen. Thema der folgenden Unterrichtsstunde wäre dann "Kernfusion und Radioaktivität" (Arbeitsblatt 3). Die Fusionsforschungsanlage ITER Nach der Doppelstunde kann das vollständige Schema eines zukünftigen Fusionskraftwerks erarbeitet werden (siehe MAX-Heft "Die Sonne im Tank"). Eine ausführliche Auseinandersetzung mit der in Planung befindlichen internationalen Fusionsforschungsanlage ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) kann das Wissen der Schülerinnen und Schüler weiter ausbauen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. Wenn alles klappt, könnten in der Mitte des 21. Jahrhunderts erste kommerzielle Fusionsanlagen mit der Produktion von Strom und Wärme beginnen. Besuch eines außerschulischen Lernorts Wenn möglich, sollte die Unterrichtsreihe durch den Besuch einer Forschungseinrichtung abgerundet werden. Als Exkursionsorte kommen folgende Ziele in Frage: Garching: ASDEX Upgrade Der Tokamak ging 1991 in Betrieb. Die Anlage untersucht Kernfragen der Fusionsforschung unter kraftwerksähnlichen Bedingungen. Greifswald: Wendelstein 7-X Der Stellarator, der gegenwärtig im IPP-Teilinstitut entsteht, wird ein optimiertes Magnetfeld testen, das die Probleme früherer Stellarator-Konzepte überwinden soll. Karlsruhe:Tritiumlabor, Institut für Technische Physik (ITEP) Der Arbeitsschwerpunkt des Labors liegt auf der Fusionsforschung für ITER und dem Karlsruher Tritium Neutrino Experiment (KATRIN). Energieversorgung der Zukunft Der globale Energieverbrauch wird sich bis zum Ende dieses Jahrhunderts verdreifachen, schätzen die Experten. Gleichzeitig schwinden unsere Vorräte an fossilen Brennstoffen und die ökologischen Folgen ihrer Nutzung belasten die Umwelt gravierend. Damit drängen sich zwei Fragen auf: Wie werden wir in Zukunft die Energieversorgung der Menschen gewährleisten? Und wie können wir dies tun, ohne dabei klimaschädliche Treibhausgase freizusetzen? Nationales Handeln ist unzureichend "Angsichts der Dimension dieser Herausforderung ist nationales Handeln allein völlig unzureichend", sagte der Generalsekretär der Vereinten Nationen, Ban Ki-Moon, im September 2007 in seiner Rede zur Klimapolitik. "Keine Nation kann diese Aufgabe alleine meistern. Keine Region kann sich von den Folgen des Klimawandels abkapseln." Mit der Unterzeichnung des ITER-Vertrages haben sich die großen Industrienationen, darunter China, Europa, Indien, Japan, Korea, Russland und die USA, zusammengeschlossen, um gemeinsam nach einer Lösung zu suchen. ITER (lateinisch "der Weg") soll demonstrieren, dass sich durch Kernfusion Energie in großem Maßstab erzeugen lässt. Russische Pionierarbeit ITER basiert auf dem Tokamak-Prinzip, das im Jahr 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow (1921-1989) und Igor Jewgenjewitsch Tamm (1895-1971) am Kurtschatow-Institut in Moskau entwickelt wurde. In einem Tokamak-Reaktor schließen zwei sich überlagernde Magnetfelder das Plasma ein: erstens ein toroidales Feld, das durch äußere Spulen erzeugt wird, und zweitens das Feld eines im Plasma fließenden Kreisstroms. In dem aus den beiden Feldern kombinierten Magnetfeld laufen die Feldlinien dann schraubenförmig um. Die größte Fusionsmaschine Zusätzlich benötigt der Tokamak noch ein drittes, vertikales Feld, das die Lage des Stroms im Plasmagefäß fixiert und den Plasmarand formt. Abb. 2 und Abb. 3 (zur Vergrößerung der Ausschnitte bitte anklicken) zeigen Schemata des Reaktors. Das heiße Plasma ist in Abb. 2 pinkfarben dargestellt. Aus den Grafiken wird durch die eingezeichneten Menschen die Dimension der Anlage deutlich. Die Bilder können Sie hier in höherer Auflösung herunterladen. Viele weitere Grafiken, Fotos und Informationen finden Sie auf der englischsprachigen ITER-Homepage . ITER ist eine experimentelle Anlage Viele Fusionsreaktoren sind seit den ersten Pioniertagen gebaut worden und haben bewiesen, dass die Kernfusion - die Reaktion, die Sonne und Sterne erstrahlen lässt - auch auf der Erde möglich ist. ITER, die bis heute größte jemals gebaute Fusionsmaschine, soll nun beweisen, dass Kernfusion eine Alternative zur Lösung des weltweiten Energie- wie des Umweltproblems ist. Auch wenn ITER selber noch keinen Strom produzieren wird, so werden doch im Rahmen dieses Projekts die Technologie und die Materialien auf ihre Serienreife hin getestet, sodass der nächste Schritt hin zu einem kommerziellen Fusionskraftwerk nicht mehr weit ist. Sommer 2010 - Baubeginn in Frankreich Standort von ITER ist Cadarache in Südfrankreich. Im Sommer 2010 beginnen der Bau der ersten Gebäude und die Aushebung des Tokamak-Fundaments. Währenddessen sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mit weiteren Vorarbeiten beschäftigt. So wird zum Beispiel in Karlsruhe an Prototypen für die Vakuumpumpen gearbeitet, während in Hefei (China) die riesigen toroidalen Magnetfeldspulen für ITER gebogen werden (Abb. 4, zur Vergrößerung bitte anklicken).

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.

Wie lange können fossile Energieträger noch genutzt werden? Was macht ökonomisch Sinn, was ist ökologisch vertretbar und was sind die sozialen Folgen? Diese Unterrichtseinheit behandelt aktuelle Forschungsfelder und fordert zur Diskussion über die strategische Ausrichtung der Energiepolitik auf. Unser materieller Wohlstand basiert zu einem sehr großen Teil auf der Nutzung fossiler Energieträger. Strom und Wärme werden traditionell durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas erzeugt – sowohl für die Industrie als auch für die private Nutzung. Die Energiewende, also der Umbau der Energieversorgung weg von fossilen Energieträgern hin zur Nutzung erneuerbarer Energien, braucht Zeit. Gründe hierfür sind vielfältig und zur Dauer des Übergangs gibt es unterschiedliche Einschätzungen. Sicher ist jedoch, dass fossile Energiequellen noch viele Jahre genutzt werden. Lohnt es sich also, die bestehenden Technologien weiterzuentwickeln? Zum Einstieg in das Thema spielen die Schülerinnen und Schüler das „KEEP COOL mobil“. Während des Spiels können gemeinsam Forschungen zu verschiedenen Energiebereichen durchgeführt werden, die einen bestimmten Einfluss auf den Spielfortgang haben. Diese Forschungstätigkeiten sollen anschließend vertieft werden, speziell die Forschungstätigkeiten für sogenannte „Schwarze Fabriken“, also aus dem Bereich der fossilen, klimabelastenden Energienutzung. Hierfür stehen vier Arbeitsblätter zur Verfügung, sodass vier Gruppen gebildet werden können. Nach einer ersten Erarbeitungsphase sollen die Schülerinnen und Schüler ihre Ergebnisse vorstellen und diskutieren. In einer zweiten Arbeitsphase beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit den fossilen Energieträgern als Teil des gesamten Energiemixes. Auch hierfür steht ein Arbeitsmaterial zur Verfügung, das am zielführendsten in Gruppenarbeit bearbeitet wird. Zum Abschluss sollten auch diese Ergebnisse präsentiert und im Plenum diskutiert werden. Forschungsprojekte im Spiel „KEEP COOL mobil“ Die Spielerinnen und Spieler haben die Möglichkeit, gemeinsame Forschungsprojekte durchzuführen und sich dadurch einen wirtschaftlichen Vorteil zu verschaffen. Forschungsfelder der fossilen Energieversorgung Früher oder später versorgen wir uns zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien. Bis dahin wird weiter zu fossilen Energieträgern geforscht. Energiemix der Zukunft Die Schülerinnen und Schüler werden Energieminister eines fiktiven Landes. Welche Rolle spielen die verschiedenen Energiequellen? Woran soll geforscht werden? Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen Forschungsthemen aus dem Bereich der fossilen Energienutzung kennen: Fracking, Tiefsee-Ölförderung, Kraftwerkstechnologie, Flugverkehr, Bauwirtschaft. analysieren Chancen und Risiken dieser Technologien. nehmen die fossile Energienutzung als Teil des Energiemix wahr. erörtern Zukunftsvisionen, wägen Handlungsoptionen ab und entwerfen einen vereinfachten Plan für die zukünftige Energieversorgung eines Landes. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kommunizieren in dem mobilen Multiplayer-Spiel „KEEP COOL mobil“ mit anderen Spielern. entwickeln gemeinsam eine Gruppenarbeit gemeinsam zur Zukunft der Energieversorgung. präsentieren ihre Ergebnisse und diskutieren im Plenum. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet. nutzen das mobile Multiplayer-Spiel „KEEP COOL mobil“. Anmeldung und Start des Spiels In "KEEP COOL mobil" übernimmt jeder Spieler die Rolle einer Metropole (zum Beispiel Sao Paolo, Berlin, Shanghai oder Mexico City). Die Metropolen sind dabei vier Ländergruppen zugeordnet: Europa USA & Partner BRIC (Schwellenländer Brasilien, Russland, Indien und China) G77 (Entwicklungsländer) Spielablauf Nachdem der Spielleiter das Spiel freigegeben beziehungsweise gestartet hat, laufen die Ticks und der Spieler kann definierte Aktionen durchführen. Aktionen sind etwa: Fabriken oder Gebäude bauen/abreißen (Anpassungsmaßnahmen) Forschungen betreiben (Forschungsfonds) in Kontakt/Verhandlung treten mit einem anderen Spieler Gelder anderen Spielern senden oder von anderen Spielern erhalten Informationen zu anderen Spielern einholen (inklusive Einsicht ins Spielerprofil) eigene Statistiken und Ergebnisse betrachten Mehr Informationen zum Spielablauf von "Keep Cool mobil" finden Sie hier. Forschungsprojekte bei Keep Cool mobil Während des Spiels haben die Spielerinnen und Spieler die Möglichkeit, „grüne“ (erneuerbare) oder „schwarze“ (fossile) Forschungsprojekte zu starten und können andere Mitspielerinnen und -spieler einladen, mit ihnen zu forschen. Da zu Forschungszwecken Geld in einen Forschungs-Fonds eingezahlt werden muss, ist es sogar sinnvoll, gemeinsam zu forschen. Forschungsprojekte zahlen sich für alle teilnehmenden Metropolen aus: Der Neubau einer grünen oder schwarzen Fabrik – je nach Forschungsart – kostet nach erfolgreichem Abschluss eines Forschungsprojektes weniger Geld. Auf diese Art und Weise können die Spielerinnen und Spieler die wirtschaftliche Entwicklung ihrer Metropolregion langfristig lenken – doch Vorsicht – massive Investitionen in fossile Energieträger beschleunigen die Gesamterwärmung der Erdatmosphäre. Klimafolgen können mit Fortschreiten der Spielrunde stärker und häufiger auftreten. Reflektion Wie in der realen Welt, können auch in "Keep Cool mobil" diejenigen Akteure Profit erzielen (im Spiel: Siegpunkte und Siegpunkte aus politischen Forderungen), die auf schwarze Fabriken und somit auf die Weiternutzung und Förderung fossiler Energieträger setzen. Wirtschaftlich gesehen macht das Sinn, denn bis die Energieversorgung das Label „100 Prozent erneuerbar“ trägt, vergehen auch in der Realität noch einige Jahre. Der Effekt der Weiternutzung fossiler Energieformen nach heutigen Standards und mit den derzeitigen CO 2 -Emissionen allerdings ist mit Blick in die Zukunft besorgniserregend – die dadurch konstant steigende Erderwärmung bildet sich auch im Spielverlauf einer Runde "Keep Cool mobil" ab. Hieran und an den Klimafolgen kann die Lehrkraft exemplarisch aufzeigen, dass die Erforschung bestehender fossiler Energieversorgungssysteme wichtig ist, um neben dem Voranbringen erneuerbarer Energien auch Optimierungspotentiale zu nutzen. Eine effizientere Technik spart nicht nur Kosten, sondern auch CO 2 -Emissionen. Die Energiewende lässt auf sich warten Die Nutzung fossiler Energieträger ist der Hauptgrund für den Klimawandel. Wir verbrennen Kohle und Gas zur Stromerzeugung. Wir verbrennen Benzin, Diesel und Kerosin als Treibstoff für unsere Mobilität. Erst allmählich werden erneuerbare Energien genutzt. Der Umstieg braucht Zeit. Das liegt einerseits an technischen Hürden. Aber auch ökonomische Interessen spielen eine Rolle. Denn je länger eine Technologie genutzt werden kann, desto eher amortisieren sich die Investitionen in Forschung und Innovation. Die großen Energieversorger sind daher träge und wollen die hohen Gewinnmargen ihrer Kraftwerke möglichst lange abschöpfen. Übergangsfrist für fossile Energieversorgung Bis wir unsere Energieversorgung mit dem Label "100 Prozent erneuerbar" versehen und komplett umgestellt haben werden, vergehen noch einige Jahre. Aber sollen die bestehenden Kraftwerke und Energieversorgungssysteme einfach so weitermachen wie bisher, ohne Optimierungspotentiale zu nutzen? Eine effizientere Technik spart nicht nur Kosten sondern auch CO 2 -Emissionen. An sich also ein lohnendes Forschungsfeld. Oder etwa nicht? Forschungsgebiete der fossilen Energieversorgung Anhand der Arbeitsblätter 1 bis 4 sollen sich die Schülerinnen und Schüler mit ausgewählten Forschungsthemen aus dem Bereich der fossilen Energieversorgung beschäftigen. Die Arbeitsblätter enthalten kurze Zusammenfassungen, weiterführende Internetadressen und Aufgaben. 1. Neue Rohstoffvorräte 2. Kraftwerkstechnik 3. Flugverkehr 4. Bauwirtschaft Hier bietet es sich an, vier kleinere Gruppen zu bilden. Nach einer Erarbeitungsphase sollen die Schülerinnen und Schüler ihre Ergebnisse vorstellen und diskutieren. Fossile Energieträger sind endlich Es dauert Jahrmillionen, um fossile Energieträger wie Kohle und Öl entstehen zu lassen. Nach menschlichen Zeitmaßstäben sind die fossilen Vorräte also endlich. Und die Lagerstätten sind unterschiedlich leicht auszubeuten. Selbstverständlich werden zunächst die Lagerstätten genutzt, die einfach auszubeuten sind. Je näher wir dem Ende der weltweiten Ressourcen kommen, desto schwieriger wird es, die Rohstoffe zu fördern. Deshalb werden neue Fördertechnologien erforscht, die bislang unwirtschaftliche Lagerstätten interessant werden lassen. Schwer zugängliche Rohstoffquellen Oberflächennahe Ölsande und Ölschiefer, Erdgas in dichten Speichergesteinen, flach und sehr tief liegende Erdgasvorkommen, Gas in Kohleflözen und Gashydrat, diese Rohstofflagerstätten waren lange Zeit nicht wirtschaftlich nutzbar. Durch Fortschritte bei der Erkundung der Lagerstätten als auch bei der Förderung, werden große Mengen fossiler Energieträger zusätzlich nutzbar. Was ist Fracking? Der Begriff Fracking leitet sich von Hydraulic Fracturing ab, also dem „hydraulischen Zerbrechen“, und zwar von Untergrund-Gestein. Dadurch sollen mehr gasförmige und lösliche Stoffe (Erdöl und Erdgas) zugänglich gemacht werden. Wissenschaftler sprechen von „Stimulierung“. Erreicht wird dieses Aufbrechen, indem man chemische Substanzen mit sehr hohem Druck (mehrere hundert Bar) in das Gestein presst. Die Chancen Im Vordergrund stehen ökonomische Interessen. Durch Fracking werden noch mehr Rohstoffe pro Lagerstätte genutzt. Oder es wird die Nutzung von bislang ökonomisch nicht nutzbaren Lagerstätten erst möglich. Abgesehen von den technischen und wirtschaftlichen Aspekten, spielen auch geopolitische Interessen eine Rolle. So setzten die USA unter anderem deshalb so stark auf Fracking, weil es dadurch unabhängiger wird von Rohstoffimporten aus dem mittleren Osten. In Deutschland überwiegen die Bedenken vor den schädlichen Auswirkungen. Dementsprechend ist Fracking bei uns (Stand Juli 2016) nur sehr eingeschränkt erlaubt. Die Risiken Die chemischen Substanzen, die mit hohem Druck in den Untergrund gepumpt werden, sind hochgiftig. Sie enthalten krebserregende Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle und teilweise auch radioaktive Substanzen. Immer wieder dringen diese Schadstoffe an die Oberfläche oder ins Grundwasser. Die Bohrschlämme müssen in speziellen Deponien entsorgt werden. Umweltverbände rechnen vor , dass bereits im Jahr 2016 bis zu 35 Millionen Tonnen Sondermüll entsorgt werden müssen. Die Chancen Ob in der Tiefsee Öl gefördert wird, hängt vorrangig davon ab, ob es sich wirtschaftlich lohnt. Durch entsprechende Forschungsaktivitäten können Verfahren entwickelt werden, die den Kostenaufwand für die Förderung reduzieren. Und wenn die Nachfrage steigt, kann das geförderte Öl auch noch teuer verkauft werden. So kann sich insgesamt das wirtschaftliche Verhältnis von Aufwand zu Nutzen dahingehend verschieben, dass sogar die Tiefseeförderung ein lohnendes Geschäft wird. Neben den rein wirtschaftlichen Interessen gibt es auch geopolitische Interessen. Die Unabhängigkeit von Staaten mit hohen Öl- und Gasvorkommen kann auch eine große Rolle spielen. Die Risiken Das Bohren in großen Wassertiefen ist mit besonderen technischen Anforderungen verbunden. Der Druck in großen Tiefen ist enorm. In 2.800 Metern Tiefe ist der Druck der Wassersäule doppelt so groß wie der einer Autopresse. Entsprechend teuer sind die eingesetzten technischen Geräte und Verfahren. Schwierigkeiten bereiten auch die Temperaturunterschiede. In diesen Tiefen ist der geförderte Rohstoff teilweise sehr heiß. Beim kilometerlangen Aufstieg zur Bohrplattform können durch das Abkühlen störende Effekte wie Wachsbildung auftreten. Wenn ein Störfall eintritt, ist er viel schwieriger zu kontrollieren. Schon allein aufgrund der Entfernung zum Bohrloch, aber auch aufgrund der extremen Bedingungen in solchen Tiefen. Trauriges Beispiel ist die Katastrophe am 20. April 2010 auf der Plattform "Deepwater Horizon", einer Bohrplattform im Golf von Mexico. Höhere Wirkungsgrade Übliche Kohlekraftwerke erreichen hinsichtlich der Stromerzeugung einen Wirkungsgrad von 30 bis 40 Prozent. Moderne Kohlekraftwerke erreichen bis zu 45 Prozent. Eine weitere Steigerung auf über 50 Prozent wird angestrebt. Möglich sein soll das durch höhere Temperaturen und höheren Druck. Bisherige Materialien der Kraftwerkstechnik würden diesen Belastungen nicht oder nur sehr kurz standhalten. Deshalb wird an neuen Materialien geforscht, die auch extremen Bedingungen lange standhalten. Eine andere Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist die Verbrennung von Kohle mit reinem Sauerstoff. Allerdings ist bislang die Herstellung von reinem Sauerstoff sehr aufwendig. Aus diesem Grund versucht man das Herstellungsverfahren zu optimieren oder andere, effizientere Verfahren zu entwickeln. Häufige Lastwechsel Kraftwerke müssen zunehmend flexibel auf unterschiedlichen Strombedarf reagieren können. Grund hierfür ist der steigende Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Sie hängt vom Wetter ab und schwankt entsprechend. Der Stromverbrauch ist aber unabhängig vom Wetter. Diese Differenz müssen Kraftwerke ausgleichen (dabei können fossile oder erneuerbare Brennstoffe eingesetzt werden). Je nach Wetterlagen können kurzfristige und häufige Lastwechsel auftreten. Entsprechend müssen Kraftwerke hoch- oder runtergefahren werden. Jeder Lastwechsel führt zu Temperatur- und Druckwechseln in der Kraftwerkstechnik. Die Folge ist, dass die Materialien stärker beansprucht werden und schneller verschleißen. Abhilfe können neue Materialien bringen. Aber auch die Wartungstechnik muss auf die höheren Belastungen reagieren, um sicherzustellen, dass Bauteile rechtzeitig ausgetauscht werden. Chancen und Risiken Höhere Wirkungsgrade haben zur Folge, dass bei gleicher erzeugter Strommenge weniger CO 2 freigesetzt wird. Das ist natürlich grundsätzlich zu begrüßen. Gleichzeitig besteht das Risiko, dass durch sogenannte Rebound-Effekte der Vorteil der modernen Technik wieder zunichte gemacht wird. Das bedeutet, dass der Stromverbrauch in gleichem Maß oder sogar mehr steigt als der Wirkungsgrad des Kraftwerks. Leider sind solche Rebound-Effekte nicht selten. Als Beispiel hierfür sei die Autobranche genannt: Motoren werden immer sparsamer, gleichzeitig werden die Autos immer leistungsstärker. Auch die Atomenergie beruht auf einem fossilen Energieträger, dem Uran. Zwar emittieren Kernkraftwerke prinzipiell kein CO 2 . Aufgrund des außerordentlichen Gefährdungspotentials und der ungelösten Entsorgungsproblematik verliert diese Art der Energieversorgung nicht nur in Deutschland an Bedeutung. Selbst nach dem Atomausstieg wird die Entsorgung von Atommüll und der Rückbau stillgelegter Atommeiler noch lange als Herausforderung beziehungsweise als Forschungsfeld relevant bleiben. Belastung für das Klima Der Flugverkehr hat bislang einen Anteil von 2 Prozent an den globalen CO 2 -Emissionen. Der Anteil am anthropogenen Klimawandel liegt allerdings bei 5 Prozent, da nicht nur CO 2 , sondern auch weitere klimarelevante Gase in großen Höhen freigesetzt werden. Zudem muss davon ausgegangen werden, dass in Zukunft noch mehr geflogen wird als heute. Kein Wunder also, dass zu umweltverträglicheren Alternativen geforscht wird. Propellerantriebe der Zukunft Bei der sogenannten Open-Rotor-Technologie kommen große, vielblättrige Rotoren zum Einsatz. Sie sollen bis zu 30 Prozent weniger Treibstoff verbrauchen. Es gibt aber auch Nachteile. So erreichen Flugzeuge mit diesem Antrieb nur geringere Fluggeschwindigkeiten als mit herkömmlichen Triebwerken. Außerdem sind die Antriebe deutlich lauter. Und der dritte große Nachteil ist die Größe der Triebwerke. Sie passen nicht unter die Flügel und müssen stattdessen im Heckbereich integriert werden. Dadurch werden neue Bauarten von Flugzeugen notwendig. Biokraftstoff Könnte man Biokraftstoffe im Flugverkehr einsetzen, wäre die CO 2 -Bilanz deutlich besser. Denn im Prinzip wird nur die Menge an CO 2 freigesetzt, die vorher eine Pflanze aus der Atmosphäre entnommen hat, um ihre Biomasse aufzubauen. Beachtet werden muss allerdings auch, ob die Quellen, aus denen die Biomasse stammt, nachhaltig bewirtschaftet wurden. Wenn nämlich Regenwald gerodet wird, um dort Soja für Biokraftstoff anzubauen, dann ist die Ökobilanz nicht mehr so rosig. Brennstoffzelle Ähnliches gilt für die Idee, Energie aus Brennstoffzellen zu nutzen. Die meisten Brennstoffzellen erzeugen Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff, und zwar mit einem beachtlichen Wirkungsgrad. Theoretisch können 80 Prozent der Energie in Strom umgewandelt werden. In der Praxis werden jedoch „nur“ 45 Prozent erreicht. In der Gesamt-Ökobilanz muss allerdings berücksichtigt werden, wie das Wasserstoff-Gas hergestellt wurde. Dafür muss nämlich zunächst eine Menge Energie investiert werden. Nur wenn diese Energie aus erneuerbaren Quellen stammt, stellen Brennstoffzellen eine Entlastung des Klimas dar. Der Gesamt-Wirkungsgrad (Wasserstoff-Herstellung – Stromerzeugung – Antriebsenergie) kann zwar theoretisch bis zu 45 Prozent betragen, in der Praxis dürfte er jedoch deutlich darunter liegen. Auch der Preis der Technologie ist für den Massenmarkt noch nicht attraktiv. Ressourcenverbrauch und CO 2 -Emissionen Die Bauwirtschaft hat einen sehr hohen Anteil an unserem Ressourcenverbrauch. Aus ökologischer Sicht ist insbesondere das Bauen mit Beton problematisch. Beton besteht aus Sand, Kies und dem Bindemittel Zement. Zement wird aus Kalkstein, Ton, Sand, Eisenerz und Gips hergestellt. Bei der Zementherstellung werden enorme Mengen an CO 2 freigesetzt. Einerseits entsteht CO 2 als chemisches Produkt beim Brennen von Kalkstein. Andererseits wird CO 2 durch Verbrennungsvorgänge frei, die für die hohen Temperaturen von über 1.400 °C benötigt werden. Laut IPCC gehen weltweit 7 Prozent der anthropogenen (vom Mensch gemachten) CO 2 -Emissionen auf das Konto der Zementherstellung. Auch Ersatzbrennstoffe machen schlechte Luft Zur Einsparung fossiler Brennstoffe werden bei der Zementherstellung zunehmend sogenannte „Ersatzbrennstoffe" verwendet. Unter anderem Altöl, Lösemittel, Haus- und Gewerbemüll, Autoreifen, Tiermehl. Auch wenn Filteranlagen einen Teil der Schadstoffe aus den Abgasen entfernen können, ein mehr oder weniger großer Rest an Schadstoffen entweicht in die Umwelt. Forschung zur Zementherstellung Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, das deutlich weniger CO 2 emittiert. Statt 1.450°C sollen weniger als 300°C ausreichen, um den alternativen Zement herzustellen. Zudem wird weniger Kalk benötigt, wodurch sich die CO 2 -Emissionen weiter senken lassen. Forschung im Bereich Betonbau An der Hochschule Bochum wurde ein Verfahren entwickelt, um bei gleicher Bauweise den Betonanteil zu verringern. Dazu werden Hohlkörper aus recyceltem Kunststoff in den Beton gemischt. Auf diese Weise werden über 20 Prozent weniger Primärenergie verbraucht. Außerdem sind die Bauteile leichter, wodurch die gesamte Gebäudekonstruktion schlanker ausfallen kann. Das spart weitere Ressourcen und dadurch auch CO 2 -Emissionen. Bislang haben sich die Schülerinnen und Schüler schwerpunktmäßig mit fossilen Energieträgern beschäftigt. Diese sind aber nur ein Teil der Energieversorgung. Zur Energieversorgung tragen auch die erneuerbaren Energien einen erheblichen Teil bei. Beim Strom ist das bereits über 25 Prozent, Tendenz stark steigend. Die Zukunft der Energieversorgung Legen Sie die Zukunft der Energieversorgung schon heute in die Hände Ihrer Schülerinnen und Schüler (später werden ohnehin sie es sein, die bestimmen werden). Arbeitsblatt 5 bietet hierfür eine einfache Vorlage, um auf einem sehr hohen Abstraktionsniveau die Planung bis ins Jahr 2100 durchzuführen. Es kommt dabei weniger auf „richtig“ oder „falsch“ an, sondern darauf, dass sich die Schülerinnen und Schüler gemeinsam in kleinen Gruppen über Ideen und Ansätze zu einer generellen Strategie und den damit verbundenen Entscheidungsfaktoren unterhalten. Welche Gewichtung haben ökonomische und ökologische Fragestellungen? Wo sind die Investitionen am sinnvollsten? Welche sozialen Konsequenzen haben die Entscheidungen (Energiepreis, Bau von Stromleitungen, Gesundheitsrisiken, Folgen des Klimawandels …), im eigenen Land, aber auch weltweit?

Nach einer allgemeinen Internetrecherche zum Thema Biodiesel sollen die Schülerinnen und Schüler sich mit dem neuen Karlsruher bioliq®-Verfahren auseinandersetzen. Die Schülerinnen und Schüler beschäftigen sich in dem hier vorgestellten WebQuest zunächst in Kleingruppen theoretisch mit den Eigenschaften von Biosprit. Sie sollen sich über Vor- und Nachteile informieren und herausfinden, welche Konsequenzen der Einsatz dieses Treibstoffs für die Umwelt haben kann. Im Anschluss befassen sie sich gezielt mit dem Karlsruher bioliq®-Verfahren und erarbeiten Vor- und Nachteile. Innerhalb der Gruppen sollen die Lernenden im Anschluss überlegen, ob sie den Einsatz dieses Treibstoffs befürworten oder ablehnen. Die Unterrichtseinheit mündet in einer "Talkshow", in der die einzelnen Gruppen ihre Positionen zum Einsatz des Treibstoffs begründen. Technische und fachliche Voraussetzungen Die WebQuest-Materialien sind als Wordpress- Blog erstellt worden. Die so entwickelten Internet-Seiten können mit jedem gängigen Browser dargestellt werden. Der WebQuest zum Themenkomplex "Die Zukunft von Biosprit" ist für den Einsatz im späten Sekundarbereich I und in der Sekundarstufe II konzipiert und soll insbesondere den Kompetenzbereich "Bewerten" fördern. Thematische Einbettung Vor der Bearbeitung des WebQuests sollten im Unterricht bereits fossile Brennstoffe sowie ihre Entstehung thematisiert worden sein. Auch die Förderung, der Transport und die Aufarbeitung von Erdöl und Erdgas können im Unterricht vermittelt werden. Im Anschluss sollte auf die Endlichkeit von Ressourcen eingegangen werden, um die Schülerinnen und Schüler für diese Thematik zu sensibilisieren. Danach werden mögliche alternative Treibstoffe behandelt. In diesem Zusammenhang kann dann der WebQuest eingesetzt werden. Im Anschluss an die Durchführung des WebQuests bietet sich an, die Treibstoffnutzung unter energetischen Gesichtspunkten zu betrachten. In diesem Rahmen können kalorimetrische Bestimmungen und Enthalpieberechnung eingebunden werden. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Netz zum Treibstoff Biodiesel und setzen sich mit dessen Vor- und Nachteilen auseinander. Übergeordnetes Ziel der Einheit Die Unterrichtseinheit soll eine kritische Auseinandersetzung mit einem Teilbereich des Basiskonzepts "Energie" fördern. Im weiteren Verlauf wird den Schülerinnen und Schülern durch das Karlsruher bioliq®-Verfahren eine alternative Herstellungsmöglichkeit aufgezeigt, die sie ebenfalls kritisch hinterfragen sollen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit dem Basiskonzept Energie auseinandersetzen. die gesellschaftliche Relevanz von Biosprit erkennen. sich kritisch mit dem Energieträger Biosprit auseinandersetzen. wirtschaftliche Aspekte der Treibstoffnutzung hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit bewerten. 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 von Biosprit in Kleingruppen diskutieren. die Diskussionsergebnisse gemeinsam in einem Plenum (Talkshow) präsentieren, diskutieren und reflektieren. die Vorstellungen und Meinungen der anderen Gruppen aufmerksam verfolgen und mit den eigenen vergleichen. Thema WebQuest "Die Zukunft des Biosprits" Autorin Julia Elsen Fach Chemie; Zusammenarbeit mit Politik/SoWi bietet sich an Zielgruppe späte Sekundarstufe I und Sekundarstufe II Zeitraum 6 Stunden Technische Voraussetzungen Ein Computer mit Internetanschluss pro Arbeitsgruppe von vier Personen Internetrecherche Die Schülerinnen und Schüler setzen sich in Kleingruppen mit dem Treibstoff Biodiesel auseinander. Dabei soll jedes Gruppenmitglied zu bestimmten Themenbereichen recherchieren und die Resultate in der Gruppe vorstellen. Eine tabellarische Übersicht der Ergebnisse, die folgende Punkte berücksichtigt, wird dabei fixiert: Darstellung und Gewinnung Vorteile von Biosprit Nachteile von Biosprit Im Anschluss wird eine entsprechende Tabelle zum bioliq®-Verfahren erstellt. Präsentation Auf Basis der Einzelrecherchen sind die Schülerinnen und Schüler aufgefordert, die Teilergebnisse vergleichend zu diskutieren. Auch die Zukunftsbedeutung des Treibstoffes wird hier thematisiert. Das Karlsruher bioliq®-Verfahren wird in der "Talkshow" debattiert, um eine Alternative aufzuzeigen. Entwicklung eines Ergebnisprotokolls in Einzelarbeit Als Hausaufgabe sollen die Jugendlichen eine Art Ergebnisprotokoll verfassen, in dem sie die wichtigsten Erkenntnisse der "Talkshow" festhalten. Zudem sollen sie hier auch ihren eigenen Standpunkt vertreten. Dies fordert von jeder Schülerin und jedem Schüler die Reflexion der Ergebnisse der Plenumsdiskussion und der Gruppenvorstellungen, um sich abschließend eine eigene Meinung zu bilden. Durch diese Aufgabe werden die Jugendlichen auch aufgefordert, sich erneut mit dem Thema Biodiesel auseinandersetzen. Eine eigene Meinung bilden Die Möglichkeiten zur eigenen Meinungsbildung werden im Rahmen von Gruppenarbeiten meist nicht ausgeschöpft. Den Schülerinnen und Schülern muss bei Vergabe der Hausaufgabe klar verdeutlicht werden, dass es sich nicht um eine reine Wiederholungsarbeit handelt, sondern dass ihre eigenen Gedanken gefragt sind. Gerade durch eine solche Arbeit wird der Kompetenzbereich "Bewerten" gefördert.

Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen für die Erzeugung von Biokraftstoffen, Biogas und Festbrennstoffen ist vor dem Hintergrund der internationalen Klimaschutzbemühungen ein aktuelles Thema. Dies besonders, weil der Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch steigen muss, wenn der noch große Anteil der fossilen Energieträger zurückgehen soll.Es ist zwar nicht kurz vor zwölf, dennoch müssen wir uns intensiv damit auseinandersetzen, welche Energien außer den fossilen als Alternativen für eine sichere Zukunft zur Verfügung stehen. Bei diesen Überlegungen darf natürlich auch nicht die globale Klimaproblematik außer Acht gelassen werden. Ein Lösungsvorschlag ist Bioethanol. Bereits heute ist in Deutschland gesetzlich geregelt, dass dieser aus Pflanzen hergestellte Kraftstoff dem herkömmlichen Benzin beigemischt werden muss. Doch wer ist eigentlich auf die Idee gekommen, ausgerechnet Alkohol als Kraftstoff zu verwenden? Woraus und wie erfolgt die Herstellung in Deutschland? Ist das Ganze ökonomisch sowie ökologisch tragbar? Welches Potenzial steckt in Bioethanol? In dieser Unterrichtsreihe erarbeiten die Schülerinnen und Schüler in einem Lernzirkel viel Interessantes rund um das Thema Bioethanol. Relevanz des Themas im Unterricht Nachhaltiges Handeln wird in Bezug auf die uns zur Verfügung stehenden Energieressourcen immer wichtiger. Fossile Lagerstätten von Energieträgern sind nicht unbegrenzt vorhanden, zudem erwächst aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe eine zunehmende Klimaproblematik. Daher bedarf es neuer Wege, Kraftstoffe bereitzustellen, und das möglichst umweltfreundlich. Eine Möglichkeit kann hier das Bioethanol sein. Was in den USA und Brasilien begonnen hat, wird seit Beginn des 21. Jahrhunderts im großen Stil betrieben: die Herstellung des klimaneutralen Kraftstoffs aus nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Getreide und Zuckerrüben. Bei der Herstellung von Bioethanol entstehen in großem Umfang zahlreiche Nebenprodukte (auch Kuppel- oder Koppelprodukte genannt), wie Futter- und Düngemittel. Wirtschaftlich und politisch aktuell und lebensnah Mehrere wissenschaftliche Arbeitsgruppen arbeiten zudem an Optimierungsmöglichkeiten im Herstellungsprozess sowie an der Nutzung anderer Ausgangsstoffe, wie zum Beispiel Lebensmittelabfälle. Dies zeigt, dass "Biosprit" in den Augen vieler Wissenschaftler eine Zukunft hat. Auch politisch ist das Thema Bioethanol aktuell, da zum Beispiel die obligatorische Beimischung zu fossilem Ottokraftstoff gesetzlich geregelt ist. Die wirtschaftliche und politische Aktualität wie auch die Verknüpfung zum Alltag der Schülerinnen und Schüler (die eigene Mobilität) können die Motivation steigern. Lehrplanbezug und Voraussetzungen Die Einordnung des Themas in die Lehrpläne der verschiedenen Schulformen wird dargestellt. Außerdem erhalten Sie wertvolle Tipps zur technischen Umsetzung. Hinweise zum Unterrichtsverlauf Die Unterrichtseinheit ist in Form eines Lernzirkels aufgebaut, den die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen durchlaufen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen wichtige Stationen in der Geschichte des Bioethanols in einem Zeitstrahl einordnen. die Herstellung von Bioethanol erklären. Haupt- und Nebenprodukte der Bioethanolproduktion nennen. experimentelle Untersuchungen zur Fermentation durchführen. in selbst erhobenen oder recherchierten Daten Trends, Strukturen und Beziehungen erklären und geeignete Schlussfolgerungen ziehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen unterschiedliche Textquellen für die Recherchen zum Thema Bioethanol nutzen. fachlich korrekt und folgerichtig argumentieren. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen die Arbeit im Team strukturieren und planen. Thema Bioethanol - Herstellung und Anwendungen Autor Rolf Goldstein Fächer Biologie, Chemie, Geographie, Politik/SoWi Zielgruppe Klasse 9 oder 10 Schulformen Hauptschule, Realschule, Gymnasium Zeitraum 4 Schulstunden Technische Voraussetzungen ein Computer mit Internetzugang pro Kleingruppe Ansatzpunkte Eine direkte Einordnung in die Lehrpläne gestaltet sich schwierig. Jedoch lassen sich für die verschiedenen Unterrichtsfächer Ansatzpunkte finden: Biologie Stoffkreisläufe, Treibhauseffekt, globale Umweltfragen, nachwachsende Rohstoffe Chemie Alkoholische Gärung, Green Chemistry, nachwachsende Rohstoffe Geographie Raumprägung durch die Wirtschaft, Politik und Gesellschaft Politik/SoWi Ökonomie und Arbeitswelt Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Hauptschule, Jahrgangsstufen 5 bis 9/10. 2002. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Bildungsgang Realschule, Jahrgangsstufen 5 bis 10. 2002. Hessisches Kultusministerium (Herausgeber): Lehrplan Chemie. Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufen 8 bis 13. Sekretariat der Ständigen Konferenz der Länder in der Bundesrepublik Deutschland (Herausgeber): Beschlüsse der Kultusministerkonferenz. Bildungsstandards im Fach Chemie für den Mittleren Schulabschluss. München/Neuwied: Luchterhand, 2005. Technische Voraussetzungen Die zur Erfüllung der Arbeitsaufträge relevanten Links führen zu HTML-Seiten, die mit jedem gängigen Browser betrachtet werden können. Pro Kleingruppe sollte mindestens ein Computer mit Internetzugang vorhanden sein. Sollte ein Programm zur Erstellung von MindMaps genutzt werden, kann beispielsweise das Programm XMind Verwendung finden (zum Beispiel kostenlos zu beziehen unter www.xmind.net/downloads ). Es lässt sich intuitiv bedienen und liefert anschauliche Ergebnisse. Fachliche Voraussetzungen Die Schülerinnen und Schüler sollten im Unterricht bereits Stoffkreisläufe kennengelernt haben. Auch der Umgang mit Infografiken und anderen Schaubildern sollte bekannt sein. Kenntnisse über die chemischen Grundlagen von Ethanol sind von Vorteil, aber nicht zwingend notwendig. Die Medienkompetenz der Schülerinnen und Schüler sollte bereits soweit ausgebildet sein, dass sie in der Lage sind, eigenständig und zielorientiert im Internet zu recherchieren sowie ein Tabellenkalkulationsprogramm mit seinen Grundfunktionen zu bedienen. Blitzlicht, stummer Impuls oder Video Zunächst werden in einem kurzen Blitzlicht Schüleräußerungen zum Thema "Bioethanol" an der Tafel festgehalten. Alternativ ist auch ein stummer Impuls durch ein Bild möglich, um den Schülerinnen und Schülern direkt einen Kontext aus dem eigenen Alltag anzubieten. Kurzer Überblick Im Anschluss daran wird den Schülerinnen und Schülern kurz ein Überblick über die Unterrichtseinheit gegeben. Diese Einstiegsphase sollte nicht länger als zehn Minuten dauern. Versuch zur alkoholischen Gärung Anschließend teilen sich die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen auf und führen das Schülerexperiment zur Fermentation durch (siehe Material 1). Ob Bioethanol entstanden ist, werden die Schülerinnen und Schüler in der abschließenden Stunde der Unterrichtseinheit überprüfen. Das Experiment kann auch als gemeinsame Hausaufgabe in die häusliche Küche verlegt werden, um in der Schule Zeit zu sparen. Die Schülerinnen und Schüler müssen dann lediglich zur folgenden Stunde ihre Ansätze mitbringen. Vorbereitungen Kopieren Sie alle Arbeitsblätter bitte in Klassenstärke. Gehen Sie mit den Schülerinnen und Schülern zu Beginn der Stunde den Laufzettel durch und erinnern Sie sie auch an allgemeine Verhaltensregeln bei einem Lernzirkel. Vergessen Sie auch nicht, den zeitlichen Rahmen abzustecken, damit alle Gruppen die Pflichtstationen erledigen können. Bei der Gruppenorganisation können Rollenkarten helfen, um die Teamorganisation zu erleichtern. An einem gesonderten Tisch im Raum werden die Arbeitsblätter zu den Stationen deponiert und bei Bedarf geholt. Natürlich steht es Ihnen frei, die Arbeitsblätter auch digital zu verwenden. Selbstgesteuertes Arbeiten Die Arbeit im Lernzirkel erfolgt in den Schülergruppen eigenständig und überwiegend selbstgesteuert. Die Schülerinnen und Schüler überprüfen ihre Ergebnisse selbsttätig am Lehrertisch nach Ihrer Freigabe. Der Lehrkraft kommt in dieser Phase die Rolle eines Lerncoaches zu. Nachweis von Alkohol im Gäransatz Im ersten Teil dieser Stunde überprüfen die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen mit einem sehr empfindlichen Nachweis, ob bei der Fermentation Alkohol entstanden ist. Abschließend tragen die Schülerinnen und Schüler in einem Blitzlicht ihren Lernzuwachs zusammen. Mögliche Fragen können sein: Was wusste ich schon? Was war mir neu? Ist Bioethanol ein möglicher Energieträger für die Zukunft? Anfertigung einer MindMap Alternativ oder auch zusätzlich können die Schülerinnen und Schüler nach Durchlauf des Lernzirkels eine MindMap anfertigen.