Die Natur weiss wie s geht und wieviel muss ich wissen, um es im Unterricht zu behandeln?

Transkript

1 Willkommen Welcome Bienvenue Die Natur weiss wie s geht und wieviel muss ich wissen, um es im Unterricht zu behandeln? SWISE Innovationstag 25. März 2017 Gian-Luca Bona

2 Die Natur weiss wie s geht Ziel: Künstliche «Photosynthese» Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten

3 Auf dem Weg zur künstlichen Fotosynthese Die Natur weiss, wie s geht die Forschung im Prinzip auch Ziel: Künstliche «Photosynthese» Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spalten

4 Die Natur weiss, wie s geht die Forschung im Prinzip auch Künstliches Mottenauge als Lichtfänger Photoelectrolyse Photonic light trapping in self-organized all-oxide microspheroids impacts photoelectrochemical water splitting Florent Boudoire,* Rita Toth,a Jakob Heier, Artur Braun and Edwin C. Constable Energy Environ. Sci., 2014,7,

5 Nicht für alle gleich verständlich Wie funktioniert schon wieder Photosynthese? Was ist Elektrolyse? Und Fotokatalyse? War das nicht was mit dieser langen chemischen Formel? Das habe ich noch nie verstanden

6 Auch nicht für alle Lehrer und Lehrerinnen mich eingeschlossen Was tun, wenn man bei gewissen Fragestellungen ansteht? Was tun, wenn das eigene Wissen unzulänglich erscheint?

7 Motivation für Naturwissenschaft und Technik Freude an exaktem Arbeiten, Zahlen, abstraktem Denken, Konstruktionen

8 Motivation für Naturwissenschaft und Technik Neugier

9 Ein direkter Weg zur Neugier in MINT- Fächern sind ungeklärte Fragen (persönliche oder wissenschaftliche) Warum fährt das Fahrrad? Warum essen wir regelmässig? Warum wachsen wir? Was sind Treibstoffe? Was treibt ein Auto an? Woher kommt die Energie? Wieso verändert sich das Klima? Was geschieht im Schwarzen Loch? Was ist Dunkle Materie? Was geschah beim «Urknall»?

10 Ein indirekterer Weg zur Neugier: Gesellschaftliche Probleme Gesellschaftliche Herausforderungen bestehen aus vielen verschiedenen Komponenten, die sich gegenseitig beeinflussen. Sie betreffen uns definitionsgemäss alle und wecken darum Neugier. Minen Batterien Lithium Erneuerbare Energien Rebound-Effekt Überflutung Flüchtlinge Ernteausfälle messen Wasserstoff Klimawandel CO 2 speichern Bedrohte Arten Verhaltensänderung Unvorhersehbares Wetter Anreize Geld Weniger Schnee Hurrikans Verbote Einkommensausfälle Evakuationen Sichere Gebäude

11 Human Devekopment Index HDI Energieverbrauch im Vergleich zum Entwicklungsstand Energieverbrauch vs. HDI Bereich der nachhaltigen Entwicklung 1.00 Andorra Cuba ,5 Erden 5 Erden Switzerland USA Bahrain Trinidad and Tobago Iceland Qatar South Africa Liberia Human Development Index HDI: - Lebenserwartungs-Index - Schulbesuchsdauer-Index - Bildungs-Index - Einkommens-Index Energy [kwh/pers*year] Datenquelle:

12 Stromverbrauch im Vergleich zu Entwicklungsstand HDI Human Development Index HDI: - Lebenserwartungs-Index - Schulbesuchsdauer-Index - Bildungs-Index - Einkommens-Index Der Stromverbrauch wuchs in der Vergangenheit nach Erreichen eines hohen HDI überproportional an kwh el / Person * Jahr Source: gapminder.org

13 Energie und Umwelt Quelle: meteoschweiz.ch Rhonegletscher 1850 und

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15 Wärmeinseln Effekte in Zürich Flughafen Kloten Stadtzentrum (Kasernenareal)

16 Modellierung Klima Stadt Zürich Lufttemperatur auf 2m Höhe Temperature at 2 m [ C] Gian Luca Mussetti

17 Exzessmortalität während der Hitzewellen 2003 und 2015 A. Vicedo-Cabrera et.al.; Swiss Medical Weekly, 2015

18 NO 2 Messungen auf Zürcher Tram

19 Entwicklung der NO x Konzentration während eines Tages Thomas Leutert Google Earth implementation

20 Heat island circulation city block urban area Modellierungen und Validierungen im Windkanal Niederdorf Bahnhofstrasse Neu-Oerlikon Jan Carmeliet ETHZ/Empa

21 Kühleffekte im urbanen Raum Normalfall Hitzewelle

22 Ein indirekterer Weg zur Neugier: Gesellschaftliche Probleme Naturwissenschaftliche und Technische Grundlagen sind ein wichtiger Beitrag, um gesellschaftliche Probleme zu lösen Klimawandel Erneuerbare Energien: Solarzellen entwickeln Batterien entwickeln Nach neuen Treibstoffe suchen Schadstoffe messen und berechnen CO 2 -Quellen eruieren Lebenszyklen analysieren Gebäudeisolationen entwickeln Herausfinden, welcher Energieträger für welchen Einsatz am sinnvollsten ist

23 Beispiel Klimawandel: Energieträger Wir wollen nicht länger von Energieträgern wie Erdöl, Kohle und Atom abhängig sein. Erstere schaden dem Klima, letztere bergen hohe Risiken bei einem Unfall. Wir brauchen Energie: Welches sind sinnvolle Energieträger? Kosten Fukujima bis jetzt: 175 Mia Euro 6000 Leute bis m3 Erde Wasserlecks Leute in temp. Unterkünften

24 Es gibt einige Herausforderungen, für einen nachhaltigen Energieverbrauch Geschlossene Kreisläufe wie schaffen wir es, möglichst alle Ressourcen im Energiekreislauf zu halten? Nachfrage Shift/Speicherung kann man die Nachfrage nach Energie steuern und/oder kann man Energie zeitlich flexibel zur Verfügung stellen? Effizienz wie können wir die Wirkungsgrade erneuerbarer Energietechnologien erhöhen? Ressourcenverbrauch Wieviel CO 2 verursachen erneuerbare Energietechnologien?

25 Geschlossene Kreisläufe Sonnenenergie n CO 2 + (3n+1) H 2 CH 3 -(CH 2 ) n-2 -CH 3 + 2n H 2 O SYNTHESE H 2 C-Materialien O 2 CO 2 H 2 O -(CH 2 ) n - O 2 e - H 2 O 2 OH - H 2 H 2 O O 2 H OH - e - H 2 O H 2 O O 2 H 2 O ELECTROLYSE Electrolyte KOH/H 2 O H 2 O H 2 + ½O 2 H 2 O CO 2 H 2 O Energie Geschlossener Kohlenstoffkreislauf VERBRENNUNG

26 Geschlossene Kreisläufe in der Moblität Elektrizität Synthetische Treibstoffe Wasserstoff Die Treibstoffe der Zukunft stammen aus erneuerbaren Energiequellen

27 Wasserstoffzyklus theoretisch 39 kwh/kg geschlossener Zyklus! Speicherung Sonne Energie 25% M + ½H 2 MH 85% Elektrolyse 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 82% 50% Energie Verbrennung

28 und in der Umsetzung Wasserstofffahrzeuge wandeln den Wasserstoff in elektrische Energie und Wasserdampf um (Nutzung als CO 2 -freie Transportleistung) Laufwasserkraftwerk produziert erneuerbaren Strom Coop Wasserstoff- Tankstelle bietet ihren Kunden Wasserstoff an Elektrolyseur von H 2 Energy AG produziert aus erneuerbarem Strom Wasserstoff Wasserstofftrailer von H 2 Energy AG speichert und liefert Wasserstoff

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30 Future Mobility Demonstrator «move» PtX-Studie Schweiz 3D-Visualisierung: AtlasCopco Schweiz AG/Empa Realverbrauch / Carsharing 350 bar HCNG- Praxiserprobung 350 Bar H 2 - Kehrfahrzeug 700 Bar H 2 - Personenwagen Batteriespeicher für EVs

31 Erneuerbare Energietechnologien Energiesystem wird flexibler, in dem man Energie speichert, die nicht direkt in den Energiemarkt eingespiesen werden kann Hohe Effizienz Geringe Speicherdauer Stadt-/Pendlerfahrzeuge Niedrigste Effizienz Grösste Speicherdauer Mittelklasse-Fz, Lieferwagen Mittlere Effizienz Mittlere Speicherdauer Busse, grössere, lokale Fahrzeuge

32 Ansatz: Elektrische und synthetische Treibstoffe Wasserkraft im Sommer (5000 h/a) Elektrofahrzeuge Biogasanlage Erneurbare Energie Netzbatterie Elektrolyse Methanisierung Elektrizität aus PV Systemen im Sommer (>2035) Wasserstofffahrzeuge Gasfahrzeuge Das Energiesystem ist flexibler und die CO 2 Emissionen in der Mobilität nehmen ab

33 Stromproduktion in GWh Erneuerbare Energietechnologien Swissgrid-Szenario «Sun2035» Energie, die nicht direkt in den Elektrizitätsmarkt eingespiesen werden kann (ca 9.5 TWh) Photovoltaik Wind Pump und Speicher Laufwasser Geothermine Biomasse Pumpenergie Landesverbrauch Woche Source: Swissgrid (2015) Zunehmend mehr fluktuierende Energie im Sommer

34 Mögliche Lösung in der Mobilität: Wasserstoff Prinzip: 1. Wasser (H 2 O) mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spalten 2. Wasserstoff komprimieren 3. Wasserstoff tanken 4. Mit Brennstoffzelle den Wasserstoff in Strom umwandeln Fotokatalyse 5. Den Elektromotor mit dem Strom antreiben Weder Benzin noch Diesel sind nötig.

35 Zurück zum Anfangsbeispiel: Wasserstoff gewinnen mittels Fotokatalyse Fotosynthese: Sonnenlicht wandelt Kohlendioxid und Wasser in Sauerstoff und Glukose um Elektrolyse: Wasser wird mit Strom aus Solarzellen in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Fotokatalyse: Wasser wird in rein chemischem Prozess mit Hilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Elektroden sind nicht nötig.

36 Gesellschaftliche Probleme und Forschung an der Empa Forschungsschwerpunkte «Energie» und «Natürliche Ressourcen und Schadstoffe» an der Empa Wasserstoff- Kehrfahrzeug in Dübendorf

37 Gesellschaftliche Probleme und Forschung an der Empa Demonstratoren move, NEST und ehub

38 Situation Schweiz Fernwärme, KVA, Holz, ee Kernkraft 37.9% Wasserkraft 56.5% Neue ern. Energien 3.8% Konv. Therm. KW 1.9% g CO 2 /kwh g CO 2 /kwh g CO 2 /kwh g CO 2 /kwh Industrie, Landwirtschaft Mobilität und Gebäude sind die «Driver» Quelle: BfE, Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszwecken

39 Empa weckt die Neugier

40 Wo kann ich sonst noch Informationen holen? Hier und heute: In den Atelierrunden haben Sie viele neue Bücher und Ideen kennengelernt. Viele Kolleginnen und Kollegen, die auch MINT Fächer unterrichten sind anwesend

41 Wo kann ich sonst noch Informationen holen? Im Alltag Kollegen und Kolleginnen auch im privaten Umfeld, die ein Flair für Naturwissenschaft und Technik haben Filme und Artikel im Internet Minute Physics (Grundlegende Konzepte der Physik) Vi Hart (Verbindung von Musik und Mathematik) Spektrum der Wissenschaft (Dokumentarfilme zu wissenschaftlichen Fragen) Offizielle Stellen, Unis und Hochschulen, die sich für MINT Bildung einsetzen Förderprogramm der ETHZ: von Swissmem unterstützt: explore-it.org, tunschweiz.ch, tüfteln.ch, educamint.ch

42 Es soll auch Spass machen Technorama Winterthur Geschichte der Mathematik als Graphic Novel Axporama Globi und die verrückte Maschine

43 Es ist unmöglich, alles zu wissen und die Welt wird komplexer. aber war sie das nicht schon immer?

44 Nicht aufgeben! Mehrere Quellen kontaktieren Quervergleiche durchführen, neue Ansätze überprüfen Texte, Filme etc. mehrmals lesen und anschauen