Das Projekt

„Multienergiesystem“ Entwicklung des Projekts

Im Jahr 2009 wurde Herr Friedrich Roth auf

Initiative von Frau Heike Gehrisch gebeten,

seine Idee eines Multienergiesystems für die

Vertiefung von Unterrichtsinhalten der Klasse

11 vorzustellen. Herr Roth und Frau Gehrisch

sind persönlich miteinander bekannt, so dass

die angestrebte Informationsveranstaltung

schnell zu Stande kam. Bei der anschließenden

regen Diskussion zeigten sich bereits mehrere

Schüler sehr interessiert und nach weiteren

Treffen erklärte sich Herr Roth bereit, sein

Know-how in die Georg-Büchner-Schule

einzubringen. Er arbeitet seitdem mit den

Schülern am Projekt und hat sich sehr schnell

als Vorbild dienende Persönlichkeit etabliert,

was von seiner von klaren ethischen

Grundsätzen getragenen Arbeitshaltung und

Lebensführung herrührt. Besonders geschätzt

wird von allen beteiligten sein sicheres aber

bescheidenes Auftreten bei höchster fachlicher

und pädagogischer Kompetenz. Herr Roth

brachte ein komplett entwickeltes und

getestetes Speichersystem in das Projekt mit

ein.

Am Beginn der Projektarbeit stand die Frage,

ob die Verwendung des von Herrn Roth

vorgestellten Multienergiesystems an der

Georg-Büchner-Schule (GBS) zu einer

Einsparung bei Energiekosten führen könnte

und wenn ja in welcher Höhe. Die GBS war

dabei als Modell-Objekt aufgrund ihrer

baulichen Merkmale sehr gut geeignet.

Nachdem einige begeisterte Schüler der 11.

Klasse als AG zusammengefunden hatten,

wurden zunächst alte Baupläne studiert und

die baulichen Grundgegebenheiten des

Gebäudes ermittelt wie z. B. Dachflächen,

nutz- und belegbare Dachflächen,

Belastbarkeit der Dachflächen, Ausrichtung

des Gebäudes, Anzahl der Sonnenstunden und

Ermittlung der Beschattung der Dachflächen

im Tagesverlauf. Anschließend wurden die

aktuellen Verbrauchszahlen für die

Gasheizung und für den Stromverbrauch

recherchiert.

Nun erfolgte eine Ertragsberechnung für die

erwirtschaftbaren Kilowattstunden in Form

einer möglichst realitätsnahen mathematischen

Abschätzung. Hierbei wurden die solar

nutzbaren Dachflächen, die Anzahl der

Sonnenstunden, eine mögliche Bevorratung

der solaren Wärme über 10 Tage (mit dem

bereits getesteten Speicher sowie der

Möglichkeit der permanenten

Wärmerückführung in den Speicher) mit dem

realen Bedarf der Schule abgeglichen.

Zusätzlich wurde untersucht, wo ein (oder

auch mehrere) Speicher auf dem Schulgelände

installiert werden könnten, ob es sich dabei um

mehrere kleinere oder besser einen großen

Speicher handeln sollte.

Projektinhalte aus schulischer Sicht

Wir verfolgen mit unserem Projekt mehrere

Zielsetzungen, wobei die fachliche Dimension

nur einen Teil der Vorteile widerspiegelt. Es

ergeben sich bei der Arbeit an einem solchen

Projekt zwangsläufig auch persönliche und

pädagogische Schwerpunkte, die in ihrer

Langzeitwirkung nicht zu unterschätzen sind.

Pädagogische Gesichtspunkte

Da es sich bei dem Projekt um echte

Forschertätigkeiten handelt, müssen die

Schüler mit ihren Betreuern auf der Basis der

vorangegangenen Versuchsergebnisse immer

wieder neue Arbeitsschritte entwickeln.

Vorgegebene Arbeitsanleitungen und

Ergebnisse sind nicht vorhanden. Rückschläge

und Misserfolge müssen von den Schülern

verkraftet und konstruktiv in die

Arbeitsplanung mit einbezogen werden. Zu

diesem Zweck müssen auch unterschiedliche

Auffassungen konstruktiv diskutiert werden,

ohne sich zu zerstreiten, gegenseitige

Schuldzuweisungen werden als

kontraproduktiv erkannt.

Ein wichtiger Aspekt ist außerdem, das eigene

Handeln an den betreuenden Personen

ausrichten und deren Anweisungen umgehend

Folge leisten zu müssen. Dies erfordert von

den Schülern ein hohes Maß an Disziplin,

persönlicher Reife und Frustrationstoleranz.

Durch den Umgang mit den modernen und

sehr teuren Laborgeräten werden neben

fachlicher Kompetenz auch Aufmerksamkeit,

Sorgfalt und Verantwortungsbewusstsein

geschult. Erfolge können nur dann erzielt

werden, wenn alle Beteiligten durch ihr

Verhalten zum Gelingen des

Arbeitsergebnisses und somit des Projektes

beitragen. Man kann daher seit Beginn des

Projektes eine deutliche Verbesserung der

Teamfähigkeit der Schüler beobachten.

Fachliche Gesichtspunkte

Da es sich bei dem Projekt um eine

fächerübergreifende Aufgabenstellung handelt,

müssen Inhalte der Fächer Physik, Chemie,

Mathematik, Technik und

materialwissenschaftliche Aspekte miteinander

in Verbindung gebracht werden. Für die

Herstellung der Funktionsmodelle ist zudem

ein gewisses Maß an handwerklichem

Geschick, Geduld und Kreativität erforderlich.

Das Verständnis des Seebeck-Effekts und des

Thermoelements setzt voraus, dass das

vorhandene Schulwissen sinnvoll verknüpft

und selbstständig erweitert wird.

Als besonders motivierend erweist sich das

Arbeiten im TU-Labor. Die Schüler lernen

dort den Umgang mit den empfindlichen

Geräten, bringen eigene Gedankengänge mit

ein und können diese im Labor umsetzen.

Besonders nützlich ist dabei die Verbindung

mit den Inhalten des Chemie-Unterrichts aus

der Einführungsphase (früher Klasse 11), wo

Elektrochemie und Redoxreaktionen im ersten

Halbjahr einen breiten Rahmen einnehmen.

Abb. Friedrich Roth, Energieanlagenbau, bei

der Arbeit

Es geht um die Entwicklung eines

Thermogenerators zur Nutzung des Seebeck-

Effekts im Rahmen eines Multi-Energie-

Systems.

Der Seebeck-Effekt ist schon seit langem

bekannt, die Verbindung der von uns

gewählten Elemente ist jedoch äußerst

schwierig. Erste Versuche, diese über eine

Ultraschall-Reibschweißung zu erreichen (in

Kooperation mit der TU Kaiserslautern) sind

fehlgeschlagen, da Silizium äußerst spröde ist

und sehr leicht bricht.

In der Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt

soll der genannte Thermogenerator entwickelt

werden. Hierfür ist jedoch zunächst

erforderlich, dass ein Verfahren zur

zuverlässigen Verbindung der beiden

Elemente Kupfer und Silizium entwickelt

wird.

Der besondere Vorzug des Thermogenerators

liegt dabei auf der kostengünstigen

Beschaffung der Materialien und der

Umweltfreundlichkeit der Elemente.

Uns ist dabei besonders wichtig, ein

umweltfreundliches und auf Nachhaltigkeit

angelegtes System zur Energiegewinnung zu

entwickeln.

Das von uns angestrebte Multienergiesystem

basiert im Kernstück auf der speziellen

Speicherung von solarer Energie (Speicher ist

bereits entwickelt und getestet). Er besteht aus

porösem Schüttgut (Schottergestein),

ummantelt mit einer hocheffizienten

Wärmedämmung. Der Speicher kann geladen

werden über Solar-Luft-Kollektoren, die sehr

schnell aufheizbar sind und einen hinreichend

guten Wirkungsgrad von ca. 65-70%

erreichen.

Ergänzend zur Beladung des Speichers kann

bei langandauernder, kalter Witterung die

Nutzung von Biomasse zur Wärmeerzeugung

in Betracht gezogen werden.

Die Abwärme bei der Stromgewinnung kann

für Heizung, Warmwasseraufbereitung oder

für Prozesswärme im gewerblichen Bereich

genutzt werden.

Die erwärmte Luft durchläuft über ein

ausgeklügeltes System der Luftführung den

Speicher in verschiedenen Schichten. Durch

das mehrmalige Durchlaufen der

Speicherebenen mit kaskadenartiger

Rückführung der Warmluft soll der hohe

Wirkungsgrad des Multienergiesystems

erreicht werden. Dies geschieht in

Kombination mit dem zu entwickelnden

Thermogenerator. Diese Komponenten können

genutzt werden, um auf der Basis solarer

Energie Strom zu produzieren zu jedem

beliebigen Zeitpunkt (auch nachts, im Winter

etc.). Der Wirkungsgrad soll durch die

Wärmerückführbarkeit mindestens 35%

erreichen.

Der Thermogenerator ist auch ohne Speicher

nutzbar, z.B. zur Umsetzung industrieller

Abwärme oder durch Nutzung von

Wärmeerzeugung aus Biomasse etc.

Was ist so besonders an diesem Projekt?

Die Entwicklung des Thermogenerators

könnte die Photovoltaik revolutionieren bzw.

sinnvoll ergänzen. Durch die nahezu beliebige

Verfügbarkeit der Stromerzeugung können

Energie-Lücken der Photovoltaik und

Windenergie, die z. B. durch ungünstige

Witterung und Tag-Nacht-Zyklen entstehen,

umweltfreundlich und nachhaltig kompensiert

werden.

Der Seebeck-Effekt ist schon lange bekannt,

die Verbindung der Elemente Kupfer und

Silizium ist jedoch äußerst schwierig. Hier ist

den Schülern nach vielen Fehlversuchen in

Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt ein

Durchbruch in der Methodik gelungen, es

kann vielversprechend weitergearbeitet

werden.

Bisherige Finanzierung:

1. private Spenden von Herrn Friedrich

Roth und der betreuenden Lehrerin, Frau

Heike Gehrisch

2. 5000,- € Fördermitteln des

Stifterverbandes für die deutsche

Wissenschaft. Unser Projekt war 2009 eines

der Siegerprojekte im Wettbewerb

"Geistesblitze".

3. Mittel der TU Darmstadt zur Förderung

des wissenschaftlichen Nachwuchses