VII/A Organische Verbindungen 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) 1 von 26 Biodiesel & Co. Kraftstoffe der Zukunft? Karin Schmidt, Netphen Angesichts immer knapper werdender fossiler Brennstoffe werden händeringend Alternativen gesucht, um unseren Bedarf an Kraftstoffen dauerhaft zu decken. Welche Alternativen gibt es? Wie werden diese produziert? Und welche Vor- und Nachteile sind mit deren Nutzung verbunden? Diesen Fragen gehen Ihre Schüler in dieser Unterrichtseinheit auf den Grund. Dabei stellen sie selbst Biodiesel, Biogas und Bioethanol her und lernen im Experteninterview und per Internetrecherche deren Herstellung und Verwendung sowie Vor- und Nachteile kennen. Mit Feedbackbogen zur Gruppenarbeit! Das Wichtigste auf einen Blick Aus Kuhmist kann man Biogas gewinnen. Könnte dies ein alternativer Kraftstoff der Zukunft sein? Foto: www.colourbox.com Klasse: 10 Dauer: 9 Stunden (Minimalplan: 6 Stunden) Kompetenzen: Die Schüler können die Erzeugung und Verwendung von Biodiesel, Biogas und Bioethanol beschreiben. können Vor- und Nachteile der Nutzung alternativer Kraftstoffe unter ökologischen, ökonomischen und ethischen Aspekten abwägen. können arbeitsteilige Gruppenarbeiten organisieren, durchführen, dokumentieren und relektieren. Versuche: Wir stellen Planzenöl zur Biodieselproduktion her (SV) Wir stellen Biogas her (SV) Wir stellen Bioethanol her (SV) Übungsmaterial: Alternative Kraftstoffe im Vergleich Biodiesel & Co. Lerntandem Jetzt weiß ich s! Alternative Kraftstoffe
VII/A Organische Verbindungen 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) 5 von 26 Die Einheit im Überblick V = Vorbereitungszeit FO = Folie AB = Arbeitsblatt D = Durchführungszeit SV = Schülerversuch VP = Versuchsprotokoll = Zusatzmaterial auf CD Stunde 1: M 1 (FO) M 2 (AB) (Karten) Einstieg, Gruppeneinteilung Die Peak-Oil-Hypothese /Alternative Kraftstoffe die Lösung für alles? Kraftstoffe der Zukunft? Forschungsauftrag Loskarten zur Gruppeneinteilung Stunden 2 4: Gruppenarbeit Alternative Kraftstoffe M 3 (AB) M 4 (SV) V: 10 min D: 35 min Biodiesel ein Alternativer Kraftstoff aus ölhaltigen Planzensamen Wir stellen Planzenöl zur Biodieselproduktion her 4 Schutzbrillen 1 Dreifuß mit Keramiknetz 1 Gasbrenner 1 Mörser mit Pistill 1 Reagenzglas 1 Glasröhrchen (10 cm) 1 Filzstift (wasserlöslich) M 5 (AB) M 6 (SV) V: 10 min D: 35 min M 7 (AB) 150 ml Wasser 1 Packung Streichhölzer 1 Becherglas (250 ml) 1 Thermometer 1 Teelöffel 1 Stopfen mit Loch 1 Porzellanschale 1 Holzspan 3 4 Teelöffel Sonnenblumenkerne Reinigungsbenzin (Lehrerpult) Biogas ein alternativer Kraftstoff aus vergorener Biomasse Wir stellen Biogas her 4 Schutzbrillen 1 Schere 1 Becherglas (400 ml) 1 Trichter 1 Plastikspritze mit Schlauchaufsatz Planzenreste abgestorbener Planzen 1 Reagenzglas 1 Reagenzglasklammer 1 Feuerzeug 1 Glasröhrchen Wasser Teichwasser mit Schlamm Bioethanol ein Alternativer Kraftstoff aus vergorenem Planzenmaterial
6 von 26 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) Organische Verbindungen VII/A M 8 (SV) V: 10 min D: 45 min M 9 (VP) Wir stellen Bioethanol her 4 Schutzbrillen 1 Erlenmeyerkolben (500 ml) 1 Becherglas 1 Gärröhrchen 1 Stopfen mit Loch 1 Stopfen mit zwei Löchern 1 Porzellanschale Kraftstoffe der Zukunft? Versuchsprotokoll 1 Thermometer 1 Heizplatte 4 Siedesteine 1 feuchtes Papiertuch Fruchtsaft (Trauben, Apfel, o. Ä.) 1 Päckchen Trockenhefe Kalkwasser 1 gewinkeltes Glasrohr Stunde 5: Wir bereiten unsere Präsentation vor 1 Plakatbogen Filzstifte 1 Computer mit Internetzugang Stunden 6 7: Wir stellen unsere Ergebnisse im Museumsgang vor M 10 (AB) (Karten) Stunde 8: M 11 (AB) M 12 (AB) Biodiesel, Biogas und Bioethanol im Vergleich Bewertungskarten zu den Posterpräsentationen Wir relektieren unsere Teamarbeit Stunde 9: M 13 (AB) M 14 (AB) Biodiesel & Co. Gruppenfeedback Einzelpersonen Biodiesel & Co. Gruppenfeedback Gesamtteam Wir überprüfen unser Wissen Biodiesel & Co. Lerntandem Jetzt weiß ich s! Alternative Kraftstoffe Minimalplan Bei Zeitmangel können Sie die Unterrichtseinheit auf sechs bis sieben Stunden verkürzen. Planen Sie die Unterrichtseinheit in diesem Fall wie folgt: 1. Stunde (M 1, M 2) 2. 4. Stunde (M 3 M 9) 5. 6. Stunde (M 10) 7. Stunde (M 13, M 14) siehe Hinweise 1. Stunde siehe Hinweise 2. 4. Stunde Auf die Plakatgestaltung wird verzichtet. Die Schüler stellen im Plenum ihren Versuch vor und fassen die wichtigsten Informationen zu ihrem alternativen Kraftstoff in einem Kurzvortrag zusammen. Auf die Relexion der Teamarbeit wird verzichtet. Die Ergebnisse werden anhand des Tandembogens M 13 gesichert. Zusätzlich kann Arbeitsblatt M 14 eingesetzt werden. Bei Zeitmangel kann auch diese Stunde entfallen; M 14 wird dann als Hausaufgabe eingesetzt.
VII/A Organische Verbindungen 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) 7 von 26 M1 Quelle: Energy Watch Group Die Peak-Oil-Hypothese T H C I S N A R O V Alternative Kraftstoffe die Lösung für alles? Foto links, Mitte: Thinkstock, Foto rechts: Pixelio/Viktor Mildenberger Welt-Ölförderung von 1920 2010 (1 Mb = 1 Millionen Barrel = 158.987.000 Liter). Folgt einem Ländernamen eine Jahresangabe, hat das Land im betreffenden Jahr sein Fördermaximum erreicht.
14 von 26 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) Organische Verbindungen VII/A M 8 Wir stellen Bioethanol her Bioethanol erhält man durch Gärung von Pflanzenmaterial. Durch den Gärprozess wird ein Alkoholgehalt von maximal 18 Vol.-% erreicht. Durch Destillation wird der Alkoholgehalt auf maximal 96 Vol.- % erhöht. Stellt nun selbst Bioethanol her! Vorbereitung: 10 min Durchführung: 1 x 15 min und 1 x 30 min (+ einige Tage Wartezeit) So führt ihr den Versuch durch 1. Zwei von euch holen die folgenden Geräte und Stoffe an den Platz. Geräte 4 Schutzbrillen 1 Erlenmeyerkolben (500 ml) 1 Becherglas 1 Gärröhrchen Stoffe 400 ml Fruchtsaft (Trauben, Apfel, o. Ä.) 1 Stopfen mit Loch 1 Stopfen mit zwei Löchern 1 Thermometer 1 Heizplatte 4 Siedesteine 1 Päckchen Trockenhefe 2. Gebt etwa 400 ml Fruchtsaft in den Erlenmeyerkolben. Gebt 1 Päckchen Trockenhefe hinzu und schüttelt das Gemisch vorsichtig. 3. Füllt das Gärröhrchen vorsichtig mit etwas Kalkwasser und setzt das Gärröhrchen in den Stopfen. Verschließt den Erlenmeyerkolben gut mit dem Stopfen mit Gärröhrchen. Lasst die Apparatur einige Tage stehen, sodass der Saft zu Alkohol vergären kann. 4. Nehmt das Gärröhrchen ab, gebt 4 Siedesteine in den vergorenen Saft und verschließt den Kolben mit dem Stopfen mit 2 Löchern. Gebt das Thermometer in das eine Loch, das gewinkelte Glasrohr in das andere Loch. Umwickelt das Glasrohr mit dem feuchten Papiertuch und stellt das Becherglas unter das andere Ende des Glasrohres. 1 gewinkeltes Glasrohr 1 feuchtes Papiertuch 1 Porzellanschale Kalkwasser 5. Erhitzt den Saft mithilfe der Heizplatte auf etwa 80 C, aber nicht höher als 85 C. Der Saft darf nur ganz wenig anfangen zu sieden. Schaltet die Platte aus, sobald der Saft siedet. 6. Wiederholt den Vorgang der Destillation mehrmals, sodass der Alkoholgehalt bis auf maximal 96 Vol.-% steigt. 7. Gebt das Destillat in die Porzellanschale. Überprüft die Brennbarkeit eures hergestellten Bioethanols, indem ihr einen brennenden Holzspan vorsichtig von oben der Flüssigkeit nähert. Beobachten und Dokumentieren 1. Notiert die Versuchsdurchführung und eure Beobachtungen im Versuchsprotokoll. 2. Wie beurteilt ihr das Verhältnis zwischen Aufwand und Ertrag des Produktionsverfahrens im Experiment? Notiert unter Ergebnis im Versuchsprotokoll.
22 von 26 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) Organische Verbindungen VII/A M 11 Biodiesel & Co. Gruppenfeedback Einzelpersonen So geht ihr vor 1. Ihr bewertet nun gegenseitig eure Mitarbeit und euer Verhalten während der Gruppenarbeit. Schreibt dazu die Namen eurer Gruppenmitglieder in die erste Zeile. Jeder für sich teilt dann jedem Gruppenmitglied auch euch selbst Punkte zwischen 10 (sehr gut) und 0 (ungenügend) zu. 2. Berechnet die Durchschnittsnote von jedem Gruppenmitglied. Schreibt sie in die dritte Zeile. Gruppenmitglied Punkte M 12 Tipp Seid ihr euch bei einem Gruppenmitglied unsicher, kreuzt der Reihe nach die folgenden Kriterien an. Berechnet daraus die Durchschnittspunktzahl. Punktzahl 10 8 6 4 2 0 hat mit anderen gut zusammengearbeitet hat sich in Diskussionen eingebracht hat vereinbarte Regeln eingehalten immer fast immer Durchschnittspunktzahl meistens ab und zu selten hat alle Aufgaben erfüllt hat Gruppenmitglieder ermutigt und ihnen Hilfe und Unterstützung angeboten Biodiesel & Co. Gruppenfeedback Gesamtteam nie 1. Nachdem ihr die Punktevergabe zunächst individuell vorgenommen habt, geht es jetzt um die Einigung zur Punktevergabe im Team. Tragt dazu die Namen aller Gruppenmitglieder in die obere Zeile der Tabelle ein. Jedes Teammitglied nennt dann die Punktzahl, die es der Gruppe geben würde. Gruppenmitglied Punkte (Team) Durchschnittspunktzahl (Team) 2. Vergleicht eure Durchschnittspunktzahl mit der der anderen Gruppen und überlegt im Unterrichtsgespräch, wie es zu den Unterschieden kommen konnte.
VII/A Organische Verbindungen 2. Biodiesel & Co. (Kl. 10) 23 von 26 Biodiesel & Co. Lerntandem M 13 Aufgabe Arbeitet zu zweit. Faltet das Blatt entlang der gestrichelten Linien und stellt es zwischen euch. Schüler 1 liest nun Frage 1 vor und versucht, eine Antwort darauf zu inden, ehe Schüler 2 die dazugehörige Antwort 2 vorliest. Anschließend liest Schüler 2 Frage 2 vor und versucht eine Antwort zu inden, die Schüler 1 mit Antwort 2 überprüft usw. Frage 3 : Welche Alternativen könnten zum Antrieb von Fahrzeugen genutzt werden? Frage 5 : Welches Gas ist hauptsächlich in Biogas enthalten? Wie lautet seine Molekülformel? Frage 7 : Wie nennt man das Verfahren, durch das eine höhere Konzentration des Alkoholgehalts erreicht wird? Antwort 2 : Da die fossilen Ressourcen in näher rückender Zukunft erschöpft sind, sollten Alternativen entwickelt werden, durch die der Energiebedarf gedeckt werden kann. Antwort 4 : Biodiesel, ein Ester aus planzlichen Ölen (hauptsächlich Rapsöl) und Methanol, Bioethanol (hauptsächlich aus Getreidearten, Kartoffen und Zuckerrohr) oder Biogas als Produkt von Fäulnisprozessen (z. B. aus Tierdung, Kompostierabfällen) Antwort 6 : C2 H 5 OH Antwort 8 : Als Umesterung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der ein Ester in einen anderen überführt wird (hier: Das Glycerin in den Molekülen des Planzenöls wird durch Methanol ersetzt). Frage 1 : Was besagt die Peak-Oil-Hypothese? Antwort 1 : Laut Peak-Oil-Hypothese ist bereits heute ein weltweites Ölfördermaximum erreicht, auf das in den nächsten 25 30 Jahren ein permanentes Sinken und letztliches Einstellen der Ölförderung folgen wird. Antwort 3 : Zum Antrieb von Fahrzeugen sind z. B. Elektrizität, Solarenergie oder auch Energie aus nachwachsenden Rohstoffen denkbar. Antwort 5 : Methan (Formel: CH 4 ) Frage 7 : Destillation Frage 2 : Welche Notwendigkeit hinsichtlich unserer Energiebedarfsdeckung folgt daraus? Frage 4 : Welche Kraftstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen produziert werden? Frage 6 : Wie lautet die Formel für Ethanol? Frage 8 : Was ist eine Umesterung?