Aktionskarten für die Werkstatt EE Thema 3: Experimente mit EE Erneuerbare Energien in der Lehrerbildung verankern! Aktionskarten für die Werkstatt EE Thema 3: Experimente mit EE Projekt Erneuerbare Energien in der Lehrerbildung verankern! Laufzeit: November 2011 bis Dezember 2014 Projektkoordination: Unabhängiges Institut für Umweltfragen e.V. (UfU), Berlin Partner: Solare Zukunft e.V., Freiburg und Ecologic Institut, Berlin Förderung: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), im Rahmen des Forschungsprogramms „Förderung von Querschnitts- und übergreifenden Untersuchungen im Rahmen der Gesamtstrategie zum weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien“, Förderkennzeichen: 0325325 Hinweis: Die Aktionskarten müssen z.T. doppelseitig ausgedruckt werden. 1

Inhaltsverzeichnis Themen Folien-Nr. 1 Solarstrom 3-7 2 Solarwärme 8-10 3 Windenergie 11-15 4 Wasserkraft 16-19 5 Biomasse 20-22 6 Geothermie 23 7 Erneuerbare Energien 24-26

Solarstrom GS/Sek Experimente mit Solarstrom… fördern eigenständiges Arbeiten und Erforschen ermöglichen Lernen durch Spaß, Lernen durch Handeln sind ungefährlich und ungiftig sind Teil der Rahmenlehrpläne UfU Aufgabe Wählen Sie eines der Solarstrom-Experimente aus, das Sie als besonders geeignet für Ihren Unterricht halten. Begründen Sie anhand der folgenden Kriterien, warum Sie sich für das Experiment entschieden haben: Zielgruppe (Alter, Wissensstand, Fähig- und Fertigkeiten) Lernform, Methode und Medien Lernziele und Kompetenzen Rahmenlehrplanbezug Einbindung in den Unterricht 3

Solarstrom GS/Sek Verschaltung von Solarzellen Anhand von Solarzellen kann das Prinzip der Reihen- und Parallelschaltung praktisch nachvollzogen werden. Die Schülerinnen und Schüler erfahren durch ihre Messungen, welchen Einfluss die jeweilige Verschaltungsart auf Stromstärke und Spannung hat. Solare Zukunft Aufgabe Überlegen Sie, wie im Unterricht, anknüpfend an die Versuche zu Solarstrom, ein Transfer zur praktischen Nutzung der Solarenergie stattfinden kann – z.B. hinsichtlich der Installation einer Photovoltaikanlage auf dem eigenen Hausdach. 4

Solarstrom Sek Solar-Assistent „New Generation“ Der Solar-Assistent „New Generation“ ermöglicht umfassende Experimente zur Photovoltaik. UfU Aufgabe Welche Aspekte in Bezug auf die Photovoltaik-Technik können mit dem Modell praktisch erprobt werden? Welche Lernziele sind für Ihre Lerngruppe relevant und mithilfe welcher Experimente aus dem Solar-Assistent „New Generation“ können diese vermittelt werden? 5

Solarstrom Sek Gespeicherte Energie nutzen Energie, wenn die Sonne scheint – und dann? Die Energiewende erfordert die Speicherung von Solarstrom, um die Schwankungen zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen. © Erich Westendarp / PIXELIO Aufgabe Überlegen Sie sich einen problemorientierten Einstieg in das Thema Energiespeicherung. Nutzen Sie dafür die Solartankstelle oder den Versuch „Speicherung von Solarstrom“. Wie kann in der Unterrichtseinheit ein Lebensweltbezug hergestellt werden und wie können Nachhaltigkeitsaspekte dort einfließen? 6

Solarstrom GS/Sek Einflussfaktoren auf den solaren Ertrag Solarstromexperimente bieten die Möglichkeit, praktisch zu erproben, wovon die Höhe des solaren Stromertrags abhängt. Dementsprechend lernen die Schülerinnen und Schüler, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, um die Solarenergie möglichst effizient zu nutzen. Agentur für Erneuerbare Energien Aufgabe Wie können die Versuche mit Solarzellen weiterentwickelt werden, um deutlicher einen Praxis- bzw. Lebensweltbezug herzustellen? 7

Solarwärme GS/Sek Experimente mit Solarwärme… fördern eigenständiges Arbeiten und Erforschen ermöglichen Lernen durch Spaß, Lernen durch Handeln sind ungefährlich und ungiftig sind Teil der Rahmenlehrpläne Aufgabe Wählen Sie eines der Solarwärme-Experimente aus, das Sie als besonders geeignet für Ihren Unterricht halten. Begründen Sie anhand der folgenden Kriterien, warum Sie sich für das Experiment entschieden haben: Zielgruppe (Alter, Wissensstand, Fähig- und Fertigkeiten) Lernform, Methode und Medien Lernziele und Kompetenzen Rahmenlehrplanbezug Einbindung in den Unterricht Solare Zukunft 8

Solarwärme GS/Sek Solarkollektor Auf dem Foto ist ein Kollektormodell zu erkennen. Wenn man den Behälter anschließt, füllt sich der gesamte Kreislauf mit Wasser. Aufgrund der dunklen Leitungen erwärmt sich das Wasser im Kreislauf besonders schnell, wenn die Sonne darauf scheint. Solare Zukunft Aufgabe Welche Solarwärme-Experimente würden Sie kombinieren, um ihrer Lerngruppe die Funktionsweise eines Solarkollektors näher zu bringen? Gehen Sie bei Ihrer Begründung auch auf die physikalischen Prinzipien ein, die mit den Experimenten praktisch erforscht werden können. 9

Solarwärme GS/Sek Kochen mit der Sonne Solarofen Solare Zukunft Kochen mit der Sonne Es gibt zwei Arten, mit der Sonne zu kochen, den Parabolspiegel- kocher oder den Solarofen. Parabolspiegelkocher Aufgabe Wie können Sie den Transfer von den Solarwärme-Experimenten zum Solarofen bzw. Parabolspiegelkocher herstellen? In welchen größeren Themenkontext betten Sie die Experimente ein, welche Fragestellungen diskutieren Sie mit Ihren Schülerinnen und Schülern? Prinzipien der Solarthermie: Parabolspiegelkocher – Reflektion Solarofen – Absorption Zuordnung zu Experimenten: Parabolspiegelkocher – Fingerwärmer (aus Experimente für Klasse 4 - 6), Parabolspiegel als Sonnenkocher (aus Experimente für 7-10) Solarofen – Absorption (aus Experimente für 4-6 und 7-10), Sonnenwärme einfangen (aus Experimente für Klasse 4 -6) 10

Windenergie GS/Sek Experimente mit Windenergie… fördern eigenständiges Arbeiten und Erforschen ermöglichen Lernen durch Spaß, Lernen durch Handeln sind ungefährlich und ungiftig sind Teil der Rahmenlehrpläne Aufgabe Wählen Sie eines der Windenergie-Experimente aus, das Sie als besonders geeignet für Ihren Unterricht halten. Begründen Sie anhand der folgenden Kriterien, warum Sie sich für das Experiment entschieden haben: Zielgruppe (Alter, Wissensstand, Fähig- und Fertigkeiten) Lernform, Methode und Medien Lernziele und Kompetenzen Rahmenlehrplanbezug Einbindung in den Unterricht © K. Brockmann / PIXELIO 11

Windenergie GS/Sek Windenergie ist sehr vielseitig… Entstehung von Wind Windstärken und Windprognosen Windenergienutzung durch den Menschen: historische und aktuell Technik, Energieübertragung, Leistung und Stromertrag von Windkraftanlagen Potenziale der Windenergienutzung Klima-, Umwelt- und Akzeptanzfragen Bundesverband Windenergie Aufgabe Überlegen Sie sich einen experimentellen Einstieg in das Thema Windenergie und skizzieren den weiteren Unterrichtsverlauf. Welche Themenschwerpunkte setzten Sie? Welche Lernziele sind für Ihre Zielgruppe relevant? 12

Windenergie GS/Sek Energieübertragung Windkraftanlagen wandeln die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um. Die Rotorblätter erfahren in der Windströmung eine Auftriebskraft (ähnlich wie Flugzeugflügel) und beginnen zu rotieren. Die Drehbewegung wird auf die Antriebswelle des Generators übertragen, der den elektrischen Strom erzeugt. Häufig ist ein Getriebe vorgeschaltet, das die langsame Bewegung des Rotors in eine schnelle Bewegung für den Generator übersetzt. Aufgabe Welchen Versuch zur Energieübertragung würden Sie für Ihre Klasse auswählen? Skizzieren Sie dazu eine Lernaufgabe bzw. Unterrichtsaktivität. Diese soll an den gewählten Versuch anknüpfen und der Auswertung sowie dem Transfer in die reale Welt dienen. Arne Nordmann / Wikipedia 13

Windenergie GS/Sek Einflussfaktoren auf den Windstromertrag Flügelform Material- und Technikeinsatz Höhe der Windkraftanlage und Rotorgröße Windverhältnisse und Bremswirkungen durch Infrastruktur oder geografische Bedingungen Behringer / Solare Zukunft Aufgabe Wie könnte man einzelne Experimente weiterentwickeln, um mehr über die Einflussfaktoren auf den Windstromertrag zu erfahren? Am besten suchen Sie sich eines der vorhandenen Windenergie-Experimente aus und stellen dazu konkrete Überlegungen an. 14

Sek Windenergie Riesiges Potential Windenergie könnte ganze Welt versorgen „Von wegen Energieproblem: Mit einem globalen Netz von Windkraftwerken könnte man den weltweiten Energiebedarf decken, wie Forscher nun errechnet haben. Die meiste Windenergie könnte dabei Russland abzapfen.“ (Spiegel online 23.06.2009) © BShaw / PIXELIO Aufgabe Das Zitat oben würde sich gut als Unterrichtseinstieg eignen. Überlegen Sie analog dazu, welches Experiment Sie wählen können, um Faszination für das Thema Windenergie zu wecken und die Lerngruppe zum weiteren Nachforschen anzuregen. 15

Wasserkraft GS/Sek Experimente mit Wasserkraft… fördern eigenständiges Arbeiten und Erforschen ermöglichen Lernen durch Spaß, Lernen durch Handeln sind ungefährlich und ungiftig sind Teil der Rahmenlehrpläne Aufgabe Wählen Sie eines der Wasserkraft-Experimente aus, das Sie als besonders geeignet für Ihren Unterricht halten. Begründen Sie anhand der folgenden Kriterien, warum Sie sich für das Experiment entschieden haben: Zielgruppe (Alter, Wissensstand, Fähig- und Fertigkeiten) Lernform, Methode und Medien Lernziele und Kompetenzen Rahmenlehrplanbezug Einbindung in den Unterricht © Bernd Wengenroth / PIXELIO 16

Wasserkraft GS/Sek Nutzung der Wasserkraft – gestern und heute Wasserkraft ist die älteste Form der mechanischen und elektrischen Nutzung von Energie. Sie gehört zu den erneuerbaren Energien und ist 24 Stunden am Tag verfügbar. © moorhenne / PIXELIO Aufgabe Welche Experimente können Sie kombinieren, um die historische und moderne Nutzung der Wasserkraft zu veranschaulichen. Entwickeln Sie darüber hinaus Ideen zur Weiterentwicklung und anschließenden Auswertung der Experimente mit Ihrer Lerngruppe. 17

GS/Sek Wasserkraft Einflussfaktoren auf die Leistung von Wasserkraftwerken Turbinenart, Turbinengröße und Schaufelform Material- und Technikeinsatz Fließgeschwindigkeit des Wassers bzw. Durchströmungsvolumen Fallhöhe des Wassers © Paul Meister / PIXELIO Aufgabe Wie können einzelne Experimente weiterentwickelt werden, um mehr über die Einflussfaktoren auf die Leistung von Wasserkraftwerken zu lernen? Am besten suchen Sie sich eines der vorhandenen Experimente aus und stellen dazu konkrete Überlegungen an. 18

Wasserkraft Sek Wasser als Energiespeicher Pumpspeicherkraftwerke nutzen die potentielle Energie des Wassers. Im Zuge der Energie- wende ist (neben dem Netzausbau) der Ausbau von Energiespeichern erforderlich, um die Schwankungen im Angebot von Solar- und Windstrom auszugleichen. Hinsichtlich der Wasserkraftnutzung kommen hier Pumpspeicherkraftwerke in Frage. Goudzovski / Wikipedia Aufgabe Wie können die vorhandenen Wasser-Experimente mit dem Thema Energiespeicherung verknüpft werden? Welche Überleitung müssen Sie schaffen und wie sieht diese aus? 19

Bioenergie GS/Sek Experimente mit Bioenergie… fördern eigenständiges Arbeiten und Erforschen ermöglichen Lernen durch Spaß, Lernen durch Handeln sind ungefährlich und ungiftig sind Teil der Rahmenlehrpläne © Thorben Wengert / PIXELIO Aufgabe Wählen Sie eines der Bioenergie-Experimente aus, das Sie als besonders geeignet für Ihren Unterricht halten. Begründen Sie anhand der folgenden Kriterien, warum Sie sich für das Experiment entschieden haben: Zielgruppe (Alter, Wissensstand, Fähig- und Fertigkeiten) Lernform, Methode und Medien Lernziele und Kompetenzen Rahmenlehrplanbezug Einbindung in den Unterricht 20

Bioenergie Sek Biotreibstoffe Es gibt verschiedene Arten von Biotreibstoffen, die aus Biomasse hergestellt werden: Biodiesel, Pflanzenöl, Bioethanol etc. Aufgrund der Flächennutzungskonflikte (Stichwort „Tank oder Teller?“) und der teils negativen Klimabilanz (wenn für den Anbau von Energiepflanzen Regenwald gerodet wird) gibt es heiße Debatten. Vielfach wird gefordert, Nachhaltigkeitsstandards zu verschärfen und regelmäßig zu überprüfen. © gay / PIXELIO Aufgabe Welchen Bioenergie-Versuch würden Sie in eine Unterrichtseinheit zum Thema „Tank oder Teller“ einbetten? Auf welche Weise tun Sie das? Welche Methoden nutzen Sie im weiteren Unterrichtsverlauf, um mit Ihrer Lerngruppe die Vor- und Nachteile von Biokraftstoffen zu diskutieren? 21

Bioenergie GS/Sek Biogas Experimente zur Erzeugung von Biogas sind im Unterricht schwierig einzusetzen, weil sie lange dauern, viel Material benötigen und die Lerneffekte mitunter begrenzt sind. Aufgabe Wie gehen Sie mit den oben genannten Schwierigkeiten im Unterricht um? Auf welche Weise würden Sie einen Biogasversuch in den Unterricht einbetten? Welche konkreten Lernziele verfolgen Sie damit? Experiment Bioenergie – Vergärung  es entsteht CO2 Experiment Bioenergie – Biogas  Hauptprodukte des anaeroben Abbaus sind das energiereiche Methan(CH4) und Kohlendioxid(CO2). Da beide gasförmig sind, trennen sie sich vom Gärsubstrat und bilden die Hauptkomponenten des Biogases. CO2 ist nicht weiter oxidierbar, kann aber zusammen mit dem energiereichen CH4 in geeigneten BHKWs der Verbrennung zugeführt werden. Methan ist ein Äquivalent zum Erdgas. 22

Geothermie GS/Sek Experimente zu Geothermie Die Nutzung der Erdwärme lässt sich schwer in einfachen Experimenten nachvollziehen. Hansueli Krapf / Wikipedia Aufgabe Kennen Sie mitunter ein gutes Experiment zur Geothermie oder haben Sie eine Idee zur experimentellen Umsetzung des Themas im Unterricht? Wenn nicht, überlegen Sie alternativ, wie man das Thema anschaulich im Unterricht besprechen kann, welche Aspekte relevant sind und welche Diskussionen Sie mit den Schülerinnen und Schülern führen können. Fassen Sie Ihre Vorschläge in einer groben Unterrichtsskizze zusammen. 23

Erneuerbare Energien GS/Sek LEGO Education Energie LEGO kennen alle und mit LEGO verbinden alle Erinnerungen. Mit dem hier präsentierten Experimentierset kann das Thema Energie erfahrbar gemacht werden. UfU Aufgabe Wie bewerten Sie das LEGO-Experimentiermaterial und dessen pädagogischen Nutzen? Welches Experiment würden Sie für Ihre Zielgruppe auswählen. Begründen Sie Ihre Entscheidung inhaltlich und didaktisch. 24

Erneuerbare Energien GS/Sek LEGO Education Energie LEGO kennen alle und mit LEGO verbinden alle Erinnerungen. Mit dem hier präsentierten Experimentierset kann das Thema Energie erfahrbar gemacht werden. UfU Aufgabe Entwickeln Sie eine Schüleraufgabe zu einem Modell und erläutern Sie, welche Lernziele Sie damit verfolgen. 25

Erneuerbare Energien GS/Sek leXsolar – Smart Grid Small Das Experimentierset verspricht, den Schülerinnen und Schülern, das Thema Energie anschaulich und durch eigenes Erleben verständlich zu machen. Aufgabe Stellen Sie aus dem Experimentierset „leXsolar – Smart Grid Small“ ein Modell eines Smart Grid (einer intelligenten Stromversorgung) zusammen. Begründen Sie die Auswahl der Experimente bzw. Module sowohl inhaltlich als auch didaktisch. UfU 26