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„Grüne“ Energiegewinnung im NAWI- Unterricht in der Sekundarstufe -Mögliche Beiträge aus der Chemie- Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades eines Magisters der Naturwissenschaften an der Karl- Franzens- Universität Graz vorgelegt von Marco Alexander Tezzele am Institut für Chemie Begutachterin: Mag. Dr.rer.nat. Claudia Reidlinger Mitbetreuerin: Mag. Josefine Jaritz Graz, 2017

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„Grüne“ Energiegewinnung im NAWI- Unterricht

in der Sekundarstufe

-Mögliche Beiträge aus der Chemie-

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades

eines Magisters der Naturwissenschaften

an der Karl- Franzens- Universität Graz

vorgelegt von

Marco Alexander Tezzele

am Institut für Chemie

Begutachterin: Mag. Dr.rer.nat. Claudia Reidlinger

Mitbetreuerin: Mag. Josefine Jaritz

Graz, 2017

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Eidesstattliche Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, keine anderen als die

angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die aus fremden Quellen direkt oder indirekt

übernommenen Gedanken als solche kenntlich gemacht habe. Die Arbeit habe ich bisher kei-

nem anderen Prüfungsamt in gleicher oder vergleichbarer Form vorgelegt. Sie wurde bisher

auch nicht veröffentlicht. Ich erkläre mich damit einverstanden, dass die Arbeit mit Hilfe eines

Plagiatserkennungsdienstes auf enthaltene Plagiate überprüft wird.

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Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen Menschen bedanken, die mich stets in Studium- und

Diplomarbeitsbelangen tatkräftig unterstützt haben.

Ein herzliches Dankeschön…

… an Frau Reidlinger und Frau Jaritz für die wissenschaftliche Betreuung, das große Engage-

ment, die Zeit und Mühen und die hervorragende Zusammenarbeit.

… an Frau Doris Eibinger und Herrn Gottfried Zöhrer (Karl-Franzens-Universität Graz), Herrn

Wolfgang Schatz (Pädagogische Hochschule Vorarlberg) und Herrn Christoph Ernst (BG/ BRG

Carneri Graz) für die Hilfe und Unterstützung beim experimentellen Teil meiner Diplomarbeit.

… an Selina für den Rückhalt während meines Studiums, vieler stressiger Prüfungszeiten und

vieles mehr.

… an meine Familie. Allen voran, möchte ich mich bei meinen Eltern und Großeltern für die

jahrelange Unterstützung in jeglicher Hinsicht bedanken, die es mir ermöglichten, den Weg

durch Schule und Studium erfolgreich zu bestreiten.

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Kurzfassung

Die Ressourcenknappheit nimmt eine immer größer werdende Rolle in unserer heutigen Ge-

sellschaft ein. Aus diesem Grund sind und werden neue, nachhaltige und umweltschonende

Technologien aus verschiedenen Bereichen unserer Gesellschaft zum Mittelpunkt vieler For-

schungsgebiete. SchülerInnen sollen speziell in den naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern

auf diesen raschen Wandel in der Technik sensibilisiert werden und ein verantwortungsbewuss-

ter Umgang soll unterstützt werden. Aufgrund dessen soll in dieser Diplomarbeit einerseits der

fachliche Hintergrund zum Thema Brennstoffzellen und „Grüne Energien“ beleuchtet werden

und andererseits eine fachdidaktische Aufbereitung des „Low Cost mikrobielle Brennstoff-

zelle“- Experiments sowie eine kurze Begriffserklärung des Themas NAWI- Unterricht an ös-

terreichischen Schulen erfolgen. Diese Diplomarbeit gliedert sich demnach in vier große Be-

reiche, in die Analyse des Begriffs NAWI an österreichischen Schulen, in die Thematik und

Begriffserklärung der „Grünen Energie“, in den fachlichen Hintergrund der unterschiedlichen

Arten der Brennstoffzellen sowie dem „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“- SchülerInnen

Experiment und der fachdidaktischen Analyse und Einbettung dieses Versuches in den Unter-

richt der Sekundarstufe I und II. Neben diesen Punkten erfolgt im fachlichen Teil auch eine

genaue Betrachtung der im Experiment selbstgebauten mikrobiellen Brennstoffzelle sowie alle

darin vorkommenden Bauteile und verwendeten Chemikalien.

Abstract

Scarcity of resources is becoming increasingly important in today's society. For this reason,

new, sustainable and environmentally- friendly technologies from different sectors of our soci-

ety are and will be the focus of many research areas. Students should be made aware of this

rapid change in technology, especially by natural science teachers, and a responsible approach

should be supported. In this thesis, the technical background on fuel cells and "green energies"

is to be illuminated on the one hand and, on the other hand, a detailed analysis of the "low cost

microbial fuel cell" experiment as well as a short explanation of the subject of NAWI education

at austrian schools respectively. This diploma thesis is divided into four main areas: the analysis

of the term NAWI at austrian schools, the topic and definition of "green energy", the technical

background of the different types of fuel cells and the "low cost microbial fuel cell"- students

experiment and the specialist didactic analysis and embedding of this experiment in the educa-

tion shall of secondary level I and II. In addition to these points, a detailed examination of the

microbial fuel cell self- constructed in the experiment as well as all the components and Chem-

icals.

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Inhalt

Danksagung ................................................................................................................................ 3

Kurzfassung ................................................................................................................................ 4

Abstract ...................................................................................................................................... 4

1. Einleitung ............................................................................................................................... 8

1.1. Ziele und persönliche Motivation ................................................................................... 8

1.2. Aufbau der Arbeit ............................................................................................................ 8

2. NAWI- Unterricht an österreichischen Schulen ................................................................... 10

2.1. Begriffserklärung und Geschichte des Begriffs ............................................................ 10

2.2. Fächerübergreifender Unterricht ................................................................................... 13

2.3. Naturwissenschaftliches Kompetenzmodell ................................................................. 15

2.3.1. Sekundarstufe I ....................................................................................................... 15

2.3.2. Sekundarstufe II ..................................................................................................... 17

2.4. Lernziele ........................................................................................................................ 19

3. Grüne Technologie ............................................................................................................... 21

4. Brennstoffzellen ................................................................................................................... 23

4.1. Überblick über die elektrochemischen Zellen ............................................................... 23

4.2. Geschichte der Brennstoffzelle ..................................................................................... 23

4.3. Herkömmliche Brennstoffzellen ................................................................................... 24

4.3.1. Aufbau und Funktionsweise ................................................................................... 25

4.3.2. Arten der herkömmlichen Brennstoffzellen ........................................................... 27

4.4. Biobrennstoffzellen ....................................................................................................... 31

5. Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle -LCMB- .................................................................. 35

5.1. Bestandteile der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“ .......................................... 35

5.1.1. Chemikalien ........................................................................................................... 35

5.1.2. Gefäße und Gerätschaften ...................................................................................... 35

5.2. Bauanleitung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“ ........................................ 36

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5.3. Chemischer Hintergrund der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“ ...................... 40

5.3.1. Membran ................................................................................................................ 40

5.3.2. Elektroden .............................................................................................................. 41

5.3.3. Anodenraum ........................................................................................................... 41

5.3.4. Kathodenraum ........................................................................................................ 51

6. Experimenteller Teil -Weiterentwicklung der LCBM- ........................................................ 53

6.1. Nachbau mit neuem Elektrodenmaterial und verschiedenen Abständen ...................... 53

6.2. Optimierung der Zellenkonstruktion ............................................................................. 54

6.3. Optimierung der Messergebnisse .................................................................................. 55

6.4. Herstellung eines Lehrerexemplars der LCMB ............................................................ 56

7. Didaktische Umsetzung des Experiments ............................................................................ 58

7.1. SEK I ............................................................................................................................. 58

7.1.1. Kompetenzen ......................................................................................................... 58

7.1.2. Dauer ...................................................................................................................... 59

7.2. SEK II ............................................................................................................................ 60

7.2.1. Kompetenzen ......................................................................................................... 60

7.2.2. Dauer ...................................................................................................................... 62

8. Arbeitsblätter -SchülerInnenversion- ................................................................................... 63

8.1. Bau und Anwendung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“............................ 63

8.2. Anwendung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“ .......................................... 66

9. Weitere Informationen und Tipps für Lehrende zum Experiment ....................................... 69

9.1. Ergebnisse der Berechnungen ....................................................................................... 69

9.1.1. Traubenzuckerlösung (D- Glucoselösung) ............................................................. 69

9.1.2. Indigocarminlösung ................................................................................................ 69

9.1.3. Rote Blutlaugensalzlösung ..................................................................................... 69

9.2. Schaltungspläne ............................................................................................................. 70

9.2.1. Serienschaltung (Reihenschaltung) ........................................................................ 70

9.2.2. Parallelschaltung .................................................................................................... 70

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9.3. Messergebnisse .............................................................................................................. 71

9.4. Richtige Entsorgung ...................................................................................................... 71

9.5. Hinweise zum Versuch .................................................................................................. 71

10. Resümee ............................................................................................................................. 73

11. Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 74

12. Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................... 79

13. Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ 81

14. Anhang ............................................................................................................................... 82

14.1. Bezug und Kosten der Chemikalien und Materialien der LCMB ............................... 82

14.1.1. Chemikalien ......................................................................................................... 82

14.1.2. Gefäße und Gerätschaften .................................................................................... 83

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1. Einleitung

1.1. Ziele und persönliche Motivation

Meine Diplomarbeit verfolgt zwei große Ziele, das erste bzw. das Hauptziel ist, eine Optimie-

rung des SchülerInnen- Experiments der mikrobiellen Brennstoffzelle (Low Cost mikrobielle

Brennstoffzelle) auf der Grundlage des von Herrn Wolfgang Schatz entworfenen Experiments

aus dem Jahr 2009 zu realisieren. Die Motivation dahinter liegt vor allem in der Tatsache, dass

die Thematik Energie und Umwelt für mich persönlich einen sehr hohen Stellenwert besitzt und

ich der Meinung bin, dass bereits SchülerInnen ein Wissen über verschiedene Energiegewin-

nungsarten und deren Zusammenhang mit der Umwelt erlernen sollten. Aus diesem Grund habe

ich ein Experiment gesucht, mit dem man den SchülerInnen das Thema erneuerbare, umwelt-

schonende und „grüne“ Energie näherbringen kann. Nachdem ich durch Recherchearbeiten und

einem Gespräch mit meiner Diplombetreuerin auf das „Mikrobielle Brennstoffzellen“- Experi-

ment gestoßen bin, war klar, dass ich diesen Versuch als Thema meiner Diplomarbeit auswäh-

len werde. Das praktische Arbeiten der SchülerInnen soll dabei in den Vordergrund gerückt

werden.

Das zweite große Ziel besteht darin, eine didaktische Analyse, also Lehrplanbezug, Kompe-

tenzmodelle für Sek I und II, Arbeitsblätter, Lösungsblätter etc. sowie die Eingliederung dieses

Experiments in den Chemieunterricht zu liefern. Da für das erfolgreiche Durchführen eines

Experiments natürlich ein detailliertes Hintergrundwissen für die Lehrperson essentiell ist, wird

in der Arbeit jedes Bauteil, jede Substanz und jede verwendete Chemikalie detailliert betrachtet

und die ablaufenden Reaktionen beschrieben.

1.2. Aufbau der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich in vier große Themenblöcke, im ersten Block bzw. im ersten Kapitel

wird der Begriff NAWI- Unterricht an österreichischen Schulen näher betrachtet, sprich was

bedeutet der Ausdruck, welche (neuen) Kompetenzen sollen in der Sekundarstufe I und II den

SchülerInnen vermittelt werden, welche Vorteile bringt ein fächerübergreifender Unterricht

und zum Schluss wird die Frage behandelt, wie aus Lehrzielen Lernziele werden. Das nachfol-

gende Kapitel beschäftigt sich näher mit der Fragestellung welche Bedeutung und Definition

der Ausdruck „grüne“ Energie hat und in welchem Zusammenhang er mit dieser Diplomarbeit

steht. Anschließend folgt der dritte große Themenblock, der Theorieteil, in welchem die theo-

retischen Hintergründe über die unterschiedlichen Brennstoffzellen, die Funktionsweise und

deren Einsatzgebiet näher beschrieben werden. In diesem Kapitel wird natürlich auch die

mikrobielle Brennstoffzelle im Detail betrachtet, also der Aufbau sowie die Funktionsweise.

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Der letzte und vierte Themenblock ist in mehrere Kapitel unterteilt, im ersten Kapitel dieses

Blockes wird auf die Bestandteile der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle (LCMB)“ ein-

gegangen, wo sie erworben werden können und mit welchen Kosten pro SchülerIn gerechnet

werden muss. Das zweite Unterkapitel beinhaltet eine genaue, mit Bildern dargestellte, Bauan-

leitung dieser Brennstoffzelle. Das nachfolgende Kapitel beschäftigt sich im Detail mit den

einzelnen Bestandteilen der LCMB, es soll als Hintergrundwissen für Lehrpersonen dienen, die

diesen Versuch im Unterricht anwenden. Dabei werden die genauen Funktionen der einzelnen

Bauteile, Substanzen sowie die ablaufenden chemischen Reaktionen näher betrachtet und er-

klärt. Anschließend folgen noch vier weitere Unterkapitel, welche sich mit den Ergebnissen des

experimentellen Teils meiner Arbeit, den Arbeitsblättern, der fachdidaktischen Analyse sowie

mit den Lösungen der Arbeitsblätter beschäftigen. In der didaktischen Analyse erfolgt eine

mögliche Eingliederung des Experiments, Bau und Anwendung- bzw. reine Anwendung der

LCMB, in die Lehrpläne der Sekundarstufe I und II, eine Zeitkalkulation sowie eine Betrach-

tung der speziell für das Unterrichtsfach Chemie entworfenen Kompetenzen. Am Ende dieses

Kapitels folgen die Lösungen der Berechnungen des Experiments, eine Darstellung der Schal-

tungstypen (Serien- und Parallelschaltung der LCMB’s) sowie hilfreiche Tipps für Lehrende,

die ich durch die Ausführungen des Experiments erfahren konnte und die einen erfolgreichen

Ablauf des Experiments sicherstellen sollen.

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2. NAWI- Unterricht an österreichischen Schulen

2.1. Begriffserklärung und Geschichte des Begriffs

Der Begriff NAWI bildet einen Überbegriff für alle naturwissenschaftlichen Fächer, die an ös-

terreichischen Schulen unterrichtet werden. Zu den klassischen naturwissenschaftlichen Fä-

chern zählen Biologie, Chemie, Mathematik und Physik. Je nach Schulsparte können aber auch

andere Fächer, wie z.B. Science, Ernährungslehre, Ökologie, Umwelttechnik, Wahlpflichtfä-

cher etc., unter diese Bezeichnung fallen. Der Begriff wird jedoch auch für die Bezeichnung

eines Unterrichtsfaches verwendet, welches als fächerübergreifender Unterricht aus den Unter-

richtsfächern Biologie, Chemie und Physik an österreichischen Schulen unterrichtet wird. In

den folgenden Kapiteln wird auf die Fächer Biologie, Chemie und Physik Bezug genommen.

Im Jahr 2007 wurde das Bundesinstitut für Bildungsforschung, Innovation und Entwicklung

des österreichischen Schulwesens, kurz „bifie“, mit der Entwicklung der neuen Bildungsstan-

dards für Naturwissenschaften an österreichischen Schulen beauftragt. Zu diesem Zweck wurde

eine Arbeitsgruppe, die aus Mitgliedern der Fächer Biologie, Chemie und Physik bestand, ge-

gründet. Diese Arbeitsgruppe sollte nach internationalem Vorbild die sehr ähnlichen Anforde-

rungsniveaus und Handlungsdimensionen dieser drei Fächer zusammenzulegen. Ziel ist also

mit Hilfe eines dreidimensionalen Kompetenzmodells, die Entwicklung von Bildungsstandards

für diese Fächer zu erreichen. In diesem Modell bilden die Handlungsdimension, die inhaltliche

Dimension und das Anforderungsniveau je eine Achse. Dabei soll die Handlungsdimension für

diese drei naturwissenschaftlichen Fächer gleich sein, da sowohl die Arbeitsmethoden und so-

mit auch die Handlungskompetenzen aufgrund der Stellung der Fächer im Gebiet der Natur-

wissenschaften liegen. Diese „Gleichstellung“ erfolgt jedoch nicht auf der Ebene der inhaltli-

chen Dimension, da aufgrund der unterschiedlichen Lehrpläne, Stundenverteilung etc. eine

Vereinheitlichung der anderen Dimensionen nicht sinnvoll gewesen wäre. Somit wurden für

jedes dieser Fächer getrennt voneinander inhaltsbezogene Kompetenzen entwickelt. 1, 2

1 Vgl.: LUCYSHYN J.: Bildungsstandards in Österreich. Entwicklung und Implementierung. Pilotphase II (2004-2007), S. 89- 90, bezogen unter: https://www.bifie.at/system/files/dl/bist_entwicklung_implementie-rung_2004-2007_2007-09-26.pdf [Aufrufdatum: 10.05.2017] 2 Vgl.: STURMBAUER S.: Bewertungskompetenz im naturwissenschaftlichen Unterricht. Naturwissenschaftli-che Masterarbeit an der Karl-Franzens-Universität Graz, 2013, S. 32- 34.

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Gemäß den unterschiedlichen österreichischen Lehrplänen soll bzw. muss Naturwissenschafts-

unterricht die SchülerInnen in Anbetracht eines raschen Wandels in Wissenschaft und Technik

zu mündigen und kritischen BürgerInnen unterstützen. Dies soll durch die Aneignung von Wis-

sen, durch den Erwerb von Kompetenzen und durch einen Diskurs über Werte erreicht werden.

Auf die Diplomarbeit bezogen, könnte das Experiment „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“

folgendermaßen in den Unterricht eingegliedert werden:

❖ Sekundarstufe I 3

o Chemie am wirtschaftlichen Realgymnasium (3.Klasse)

• Grundmuster chemischer Reaktionen:

o Verstehen der Kopplung von Oxidation und Reduktion anhand einfacher

Beispiele aus den Bereichen Verbrennung, Stoffwechsel, Zersetzungen,

Elektrolyse, Energiequellen und Korrosion.

• Rohstoffquellen und ihre verantwortungsbewusste Nutzung:

o Erwerb von chemischen Grundkenntnissen in praxisrelevanten Gebieten

wie Wohnen, Verkehr und neue Technologien.

o Chemie am Gymnasium und Realgymnasium (4.Klasse)

• Grundmuster chemischer Reaktionen:

o Verstehen der Kopplung von Oxidation und Reduktion anhand einfacher

Beispiele.

3 Vgl.: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/ahs6_780.pdf?5te5g2 [Aufrufdatum: 09.06.2017]

Abb. 1: Modell NAWI- Standards (Quelle: Lucyshyn: Bildungsstandards in Österreich, Entwicklung und Implementierung, Pilotphase II (2004-2007), S.90

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• Rohstoffquellen und ihre verantwortungsbewusste Nutzung:

o Erwerb von chemischen Grundkenntnissen in praxisrelevanten Gebieten

wie Kleidung, Wohnen, Energiequellen und Energieversorgung, Ver-

kehr und neue Technologien.

❖ Sekundarstufe II 4, 5

o Chemie am Gymnasium und Realgymnasium (7. und 8. Klasse)

• Stoffumwandlungen und Energetik:

o Donator- Akzeptor- Wechselwirkungen als grundlegendes Prinzip che-

mischer Reaktionen erkennen.

• Rohstoffe, Synthesen und Kreisläufe:

o über grundlegende Kenntnisse von Funktion und Vernetzung natürlicher

und anthropogener Stoffkreisläufe Verantwortung für den nachhaltigen

Umgang mit materiellen und energetischen Ressourcen entwickeln und

dabei regionale und europäische Besonderheiten berücksichtigen.

o Chemie an berufsbildenden Schulen (Bsp. HTL für Elektrotechnik)

• Elektrochemie:

o Spannungsreihe, galvanische Elemente, Elektrolyse, Korrosion, Korro-

sionsschutz.

• Ökologie:

o Ökosphäre und Ökosysteme (Luft, Wasser, Boden), Kreisläufe, Gleich-

gewichte, Belastungen, Umweltschutz.

Weitere Lehrpläne für das Fach Chemie an berufsbildenden Schulen können unter der

Homepage https://www.abc.berufsbildendeschulen.at/downloads/ nachgelesen werden.

4 Vgl.: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/lp/lp_neu_ahs_09_11861.pdf?5te98u [Aufrufdatum: 09.06.2017] 5 Vgl.: http://www.htl.at/fileadmin/content/Lehrplan/HTL/BGBl._Anlage_1_302-97.pdf [Aufrufdatum: 09.06.2017]

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Die Bildung im Bereich der Naturwissenschaft zählt im Wesentlichen zur Allgemeinbildung,

denn sie ermöglicht eine Teilnahme an Kommunikation und Meinungsbildung über technische

sowie naturwissenschaftliche Forschung. Vom Fach Chemie erwartet man sich in diesem Zu-

sammenhang, dass es den SchülerInnen Erkenntnisse über den Aufbau und die Herstellung von

Stoffen und deren sachgerechten Umgang liefert. Dabei wird besonders auf die chemischen

Reaktionen, Energieumwandlungen und den Umbau chemischer Bindungen geachtet, Chemie

beschreibt und untersucht also die stoffliche Welt. Den SchülerInnen soll dadurch die Möglich-

keit geboten werden, Phänomene der Lebenswelt durch ihre neu gewonnenen Kenntnisse über

Stoffe und chemischen Reaktionen zu bewerten, zu erklären, Urteile zu fällen etc. Weiters sol-

len sie die Bedeutung von Chemie für die Industrie, Berufe der Gesellschaft, Wirtschaft und

Umwelt erkennen. 6, 7

2.2. Fächerübergreifender Unterricht

Das Thema dieser Diplomarbeit, „Grüne Energiegewinnung“, kann sowohl im klassischen Che-

mieunterricht sowie in einem fächerübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterricht (in Ver-

bindung mit Biologie und Physik) eingesetzt werden. Speziell in einem solchen fächerübergrei-

fenden Unterricht kann zum Beispiel noch intensiver auf die unterschiedlichen Kern- und

Schwerpunkte dieser Thematik, wie Umwelt (Biologie), Energie (Physik) und Elektrochemie

(Chemie) eingegangen werden. Hier würde sich besonders ein Projektunterricht anbieten, der

verschiedene „klassische“ Energiegewinnungsarten wie Wasserkraft, Windkraft, Kohle usw.

und neue Arten der Energiegewinnung wie Biobrennstoffzellen, Gräzelzelle usw. miteinander

vergleicht und die Vor- und Nachteile der jeweiligen Energiegewinnung darstellt. Wie bereits oben erwähnt, zählen die Fächer Biologie, Chemie und Physik zu den klassischen

Naturwissenschaftsfächern, jedoch gibt es auch Schulsparten, die diese Gegenstände nicht in

ihren Stundentafeln vorweisen. Somit wurde für jede an der PISA- Studie teilnehmende Schule

anhand des Lehrplans genau untersucht, welche Gegenstände als naturwissenschaftliche Fächer

gelten und für welche ein möglicher fächerübergreifender Unterricht geeignet ist. 3

6 Vgl.: GRAFENDORFER A., NEUREITER H.: Unterricht in Naturwissenschaft, bezogen unter: https://www.bifie.at/buch/815/9/1 [Aufrufdatum: 10.05.2017] 7 Vgl.: Arbeitsgruppe „Bildungsstandards in der Berufsbildung – Naturwissenschaften“: Naturwissenschaftliche Bildungsstandards. Berufsbildende Höhere Schulen. Das Kompetenzmodell, bezogen unter: http://www.berufs-bildendeschulen.at/fileadmin/content/bbs/AGBroschueren/NaturwissenschaftenBHS_Vers.09.pdf [Aufrufdatum: 10.05.2017]

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Fächerübergreifend ist lediglich ein Überbegriff für unterschiedliche Arten von Unterricht, wel-

cher die Grenzen des eigenen Faches sprengt und somit darüber hinausgeht. Eine Einteilung

bzw. Unterteilung kann laut Susanne Metzger wie folgt aussehen: 8

1. Fachüberschreitend, auch fächerübergreifend oder intradisziplinär, bedeutet, dass in

einem Fach Inhalte aus anderen Fächern eingebettet sind. Diese Art von Unterricht ist

sehr einfach zu realisieren, denn er benötigt keine weitere Absprache mit anderen Fach-

lehrpersonen oder Änderungen im Stundenplan.

2. Fächerverknüpfend, auch fächerverbindend oder multidisziplinär, bedeutet, dass ein

gemeinsames Thema in mehreren Fächern zeitlich koordiniert und systematisch ver-

knüpft unterrichtet wird. Die behandelte Thematik wird also in jedem Fach aus der spe-

ziellen fachspezifischen Perspektive betrachtet, ohne, dass es für SchülerInnen zu Wi-

dersprüchen kommt. Diese Unterrichtsart bedarf einer Absprache zwischen den betei-

ligten Lehrpersonen und eventuell auch einer Anpassung im Unterricht.

3. Fächerkoordinierend, auch integriert, bedeutet, dass ein Thema aus den unterschied-

lichen Perspektiven der Fächer in einem gemeinsamen Unterricht betrachtet und gelehrt

wird. Für den Erfolg ist dabei besonders wichtig, dass die verschiedenen Perspektiven

inbegriffen sind, auch wenn nur von einer Lehrperson unterrichtet wird. Die Rahmen-

bedingungen für einen solchen Unterricht müssen bereits vorliegen, Projektwoche, The-

mentag etc., oder erst mit einem nicht zu unterschätzenden Aufwand geschaffen werden.

4. Integriert (Einteilung aus Sicht der Stundentafel), bedeutet, dass eine Lehrperson

mehrere Fachrichtungen innerhalb dieses Unterrichts unterrichtet. Bespiele für solche

Unterrichtsarten sind unter anderem Naturwissenschaften, Natur, Mensch und Mitwelt,

Sachunterricht etc.

Laut Peter Labbude lassen sich die Vorteile eines fächerübergreifenden Unterrichts, dies gilt

nicht nur für den Bereich der Naturwissenschaft, in sechs große Punkte einteilen: 9

1. Abholen der Lernenden: Das bedeutet, dass Vorwissen und Interesse der Lernenden

in den Unterricht unbedingt miteinbezogen werden sollen, denn so werden günstige Vo-

8 Vgl.: METZGER S.: Die Naturwissenschaften fächerübergreifend vernetzen. IN: Labbude P. (Hrsg.): Fachdi-daktik Naturwissenschaft. 1.- 9. Schuljahr. Haupt Verlag, Bern, 2. Auflage, 2013, S. 32. 9 Vgl.: Labbude P.: Ziele bewusst machen – Kompetenzen fördern. IN: Labbude P. (Hrsg.): Fachdidaktik Natur-wissenschaft. 1.- 9. Schuljahr. Haupt Verlag, Bern, 2. Auflage, 2013, S. 18- 19.

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raussetzungen für Lernprozesse geschaffen. Da das Interesse und Vorwissen der Schü-

lerInnen meist eher fachspezifisch unsortiert vorliegt, leitet sich daraus ein interdiszip-

linärer Unterricht ab.

2. Vernetzen: Durch das Verbinden von bereits bestehendem Wissen, auch aus anderen

Fächern, und neuem Wissen, lässt sich das neu Erlernte besonders leicht aufbauen.

3. Motivation: Viele SchülerInnen zeigen ein verstärktes Interesse und lassen sich leich-

ter motivieren, wenn sie erkennen bzw. erleben können, dass Fächer mit anderen Fä-

chern vernetzt sind.

4. Schlüsselprobleme der Menschheit und Problemlösekompetenz im Beruf: Die großen

Probleme wie Umweltverschmutzung, Umgang mit Rohstoffen, Energieversorgung etc.

lassen sich nur durch ein Zusammenspiel von Denkweisen, Methoden und Ansätzen aus

unterschiedlichen Fachrichtungen lösen. Die Bereitschaft, Probleme aus unterschiedli-

chen Perspektiven zu betrachten und anzugehen, sollen die SchülerInnen bereits in der

Schule erlernen.

5. Lernen in Projekten: Besonders der Projektunterricht zeichnet sich dadurch aus, dass

der Ort Schule als ein Erfahrungsraum genutzt werden kann.

6. Überfachliche Kompetenzen: Einige Kompetenzen lassen sich leichter in einem fä-

cherübergreifenden Unterricht erläutern und erklären als in einem gefächerten Unter-

richt. Beispiele hierfür sind unter anderem Umweltkompetenz oder differenziertes Den-

ken.

2.3. Naturwissenschaftliches Kompetenzmodell

Speziell die Umsetzung des in dieser Arbeit dargestellten Experiments (Low Cost mikrobielle

Brennstoffzelle) fördert eine Vielzahl an unterschiedlichen Kompetenzen der SchülerInnen. Ei-

nen kurzen Überblick dieser Kompetenzen sowie der Dimensionen des naturwissenschaftlichen

Kompetenzmodells der Sekundarstufe I und II wird in diesem Kapiteln dargestellt.

2.3.1. Sekundarstufe I

2.3.1.1. Naturwissenschaftliches Kompetenzmodell SEK I

Die Bildungsstandards in den Naturwissenschaften versuchen durch das entwickelte dreidimen-

sionale Kompetenzmodell (NaWI 8) unterschiedliche Fragen, wie zum Beispiel ob SchülerIn-

nen naturwissenschaftliche Phänomene beobachten, untersuchen, bewerten und anwenden kön-

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nen oder sie in der Lage sind, populärwissenschaftliche Berichte zu verstehen etc. für die Se-

kundarstufe I, 8. Schulstufe, zu beantworten. Dabei sollen die SchülerInnen verschiedene Kom-

petenzen, zum Beispiel Fähigkeiten und Fertigkeiten nutzen, zentrale Zusammenhänge, lö-

sungsorientierte Handlungsdimensionen verstehen etc., um bestimmte Situationen, Aufgaben

oder Probleme lösen zu können bzw. zu verstehen. Dieses Kompetenzmodell umfasst eine

Handlungsdimension, eine Anforderungsdimension und eine Inhaltsdimension, welche eine

Differenzierung je nach Fach aufweist. 10

2.3.1.2. Die drei Dimensionen in der SEK I

Die Handlungsdimension lässt sich in drei große Handlungskompetenz (H)- Bereiche einteilen,

in Wissen organisieren, in Erkenntnisse gewinnen und in Schlüsse ziehen. Die zweite im Kom-

petenzmodell verwendete Größe ist die Anforderungsdimension, welche erneut in drei Berei-

che, ausgehend vom Anforderungsniveau N1 bis N3 gegliedert werden kann. Die letzte im drei-

dimensionalen NaWI 8- Modell verwendete Dimension ist die Inhaltsdimension, welche immer

fünf große Themenbereiche beinhaltet, jedoch für jedes Fach unterschiedlich ist. Eine detail-

lierte und umfangreiche Beschreibung der jeweiligen Dimensionen sowie genaue Definitionen

10 Vgl.: Arbeitsgruppe „Bildungsstandards in der Berufsbildung – Naturwissenschaften“: Naturwissenschaftliche Bildungsstandards. Berufsbildende Höhere Schulen. Das Kompetenzmodell, bezogen unter: http://www.berufs-bildendeschulen.at/fileadmin/content/bbs/AGBroschueren/NaturwissenschaftenBHS_Vers.09.pdf [Aufrufdatum: 20.05.2017]

Abb. 2: Naturwissenschaftliches SEK I Kompetenzmodell (Quelle: https://www.bifie.at/system/fi-les/dl/bist_nawi_kompetenzmodell-8_2011-10-21.pdf

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17

findet man auf der bifie- Homepage. 11, 12 In der nachfolgenden Tabelle sind kurz die Bereiche der Inhaltsdimensionen der jeweiligen

Fächer aufgelistet.

Tabelle 1: Inhaltsdimensionen SEK I- Kompetenzmodell

Eine konkrete Anwendung der drei Dimensionen des Kompetenzmodells der SEK I erfolgt im

Kapitel 7 durch die genaue Betrachtung und didaktische Aufarbeitung der Versuche.

2.3.2. Sekundarstufe II

2.3.2.1. Naturwissenschaftliches Kompetenzmodell SEK II

Bei der Erarbeitung eines Kompetenzmodells für die SEK II, also AHS Oberstufe sowie be-

rufsbildende Schulen, wurde darauf geachtet, dass es auf das Modell der AHS Unterstufe auf-

baut und zugleich kompatibel in der BHS anwendbar ist. Als Grundlage wurde das entwickelte

Kompetenzmodell für die Unterstufe (NaWI 8- Modell) verwendet und um oberstufenspezifi-

sche Aspekte erweitert. Bei den Kompetenzen handelt es sich um langfristig kognitive Fähig-

keiten und Fertigkeiten, die von den SchülerInnen entwickelt werden und sie in die Lage ver-

setzt, Aufgaben in unterschiedlichen Situationen erfolgreich und verantwortungsbewusst zu lö-

11 Vgl.: BIFIE: Kompetenzmodell Naturwissenschaften 8. Schulstufe, bezogen unter: https://www.bifie.at/sys-tem/files/dl/bist_nawi_kompetenzmodell-8_2011-10-21.pdf [Aufrufdatum: 13.05.2017] 12 Vgl.: STURMBAUER S.: Bewertungskompetenz im naturwissenschaftlichen Unterricht, S. 30- 32.

Unterrichtsfach Biologie Unterrichtsfach Chemie Unterrichtsfach Physik

Planet Erde (B1) Aufbauprinzipien der Mate-

rie (C1)

Mechanik (P1)

Ökosystem (B2) Einteilung und Eigenschaf-

ten der Stoffe (C2)

Elektrizität und Magnetis-

mus (P2)

Organismen (B3) Grundmuster chemischer

Reaktionen (C3)

Wärmelehre (P3)

Organe (B4) Rohstoffquellen und ihre

verantwortungsbewusste

Nutzung (C4)

Optik (P4

Zelle (B5) Biochemie und Gesundheits-

erziehung

(C5)

Aufbau der Materie (P5)

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18

sen. Diese erforderlichen Kompetenzen sollen durch fachbezogene und/ oder fächerübergrei-

fende Modelle erlernt und gefestigt werden. Durch dieses Kompetenzmodell sollen die Schü-

lerInnen natürlich auch auf die mündliche Reifeprüfung vorbereitet werden. 13, 14, 15

2.3.2.2. Die drei Dimensionen in der SEK II

Wie man im dreidimensionalen Kompetenzmodell der Oberstufe erkennen kann, wurden die

Schlagwörter der Handlungsdimensionen vom Unterstufenmodell übernommen, sie unterschei-

den sich jedoch im Detail von denen in der SEK I und enthalten die Themen Reproduktions-

leistung, Transferleistung und Reflexions- oder Problemlöseleistung. Um eine Verwechslung

zwischen den Handlungsdimensionen zu verhindern, wird in der SEK II immer WO, EO und

KO verwendet. Bei der zweiten Dimension handelt es sich wieder um die Anforderungsniveaus,

die im Kompetenzmodell der Oberstufe im Vergleich zum Unterstufenmodell jedoch nur mehr

zwei Niveaus beinhaltet. Die letzte verwendete Dimension ist die Inhaltsdimension, welche sich

wie auch schon beim Kompetenzmodell der SEK I zwischen den Fächern unterscheidet und

auch in der Anzahl der Themengebiete unterschiedlich ist. Eine detaillierte und umfangreiche

13 Vgl.: Bundesministerium für Bildung und Frauen: Die kompetenzorientierte Reifeprüfung Chemie -Richtli-nien und Beispiele für Themenpool-, bezogen unter: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/ba/reifeprue-fung_ahs_lfch_22323.pdf [Aufrufdatum: 16.05.2017] 14 Vgl.: Bundesministerium für Bildung und Frauen: Die kompetenzorientierte Reifeprüfung Physik -Richtlinien und Beispiele für Themenpool-, bezogen unter: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/ba/reifeprue-fung_ahs_lfph.pdf?4k21fs [Aufrufdatum: 16.05.2017] 15 Vgl.: Bundesministerium für Bildung und Frauen: Die kompetenzorientierte Reifeprüfung Biologie und Um-weltkunde -Richtlinien und Beispiele für Themenpool-, bezogen unter: https://www.bmb.gv.at/schulen/unter-richt/ba/reifepruefung_ahs_lfbio_21976.pdf?5te94o [Aufrufdatum: 16.05.2017]

Abb. 3: Naturwissenschaftliches SEK II Kompetenzmodell (Quelle: https://www.bmb.gv.at/schulen/unter-richt/ba/reifepruefung_ahs_lfph.pdf?4k21fs)

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19

Beschreibung der jeweiligen Dimensionen sowie genaue Definitionen der Begriffe findet man

auf der Homepage des Bundesministeriums für Bildung, BMB, bzw. des bifie‘s. In der nachfolgenden Tabelle sind einige Bereiche der Inhaltsdimensionen der jeweiligen Fä-

cher aufgelistet: 15, 16, 17

Tabelle 2: Inhaltsdimensionen SEK II- Kompetenzmodell

Eine konkrete Anwendung der drei Dimensionen des Kompetenzmodells der SEK II erfolgt im

Kapitel 7 durch die genaue Betrachtung und didaktische Aufarbeitung der Versuche.

2.4. Lernziele

Für die Umsetzung von den unterschiedlichen Lehrplänen vorgegebenen Lehrziele, müssen die

SchülerInnen die eigene Absicht besitzen, sich ein Thema anzueignen. Erst durch diesen Schritt

wird aus einem Lehrziel ein Lernziel, die Unterrichtsplanung von LehrerInnen zielt also unter

anderem auf diese „Umwandlung“ ab. Die Lernziele spielen eine sehr bedeutende Rolle und

können in verschiedene Typen und Stufen eingeteilt werden. Die Einteilung der Ziele erfolgt in

der Didaktik meist nach dem sogenannten „Abstraktionsgrad“ oder nach dem „Allgemeinheits-

grad“ und bedeutet eine Unterscheidung in drei Stufe: 16, 17, 18

16 Vgl.: https://dbs-lin.ruhr-uni-bochum.de/lehreladen/planung-durchfuehrung-kompetenzorientierter-lehre/lehr-und-lernziele/typen-und-stufen/ [Aufrufdatum: 21.05.2017] 17 Vgl.: https://www.philso.uni-augsburg.de/lmz/download/Unterrichtsmaterial/Methoden.pdf [Aufrufdatum: 21.05.2017] 18 Vgl.: RINSCHEDE G.: Geographiedidaktik. 3. Auflage, Verlag Ferdinand Schöningh GmbH& Co. KG, Pa-derborn, 2003, S. 154- 156.

Unterrichtsfache Biologie Unterrichtsfach Chemie Unterrichtsfach Physik

Zellbiologie Chemie und Leben Astronomie, Astrophysik

und Kosmos

Zellteilung Rohstoffe, Synthesen und

Kreisläufe

Modelle und Konzepte

Pflanzenanatomie und -phy-

siologie

Stoffumwandlungen und

Energetik

Physik und Alltag

Verdauungssysteme Strukturen und Modellbil-

dung

Strahlung

Ausscheidung und Wasser-

haushalt

Vermessung des Mikro- und

Makrokosmos

Haut Wellen

…. ….

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20

Richtziele: Dabei handelt es sich um umfassende und unspezifische Formulierungen

welche sich am besten als Lernfeld beschreiben lassen. Sie grenzen somit lediglich ein

Gebiet ein, aus dem Wissen bezogen werden kann und soll.

Grobziele: In dieser Stufe werden Fertigkeiten und Kenntnisse angegeben, welche er-

lernt werden sollen. Die Lernenden sollen nach dem erfolgreichen Lernprozess diese

Fertigkeiten und Kenntnisse in unterschiedlichen Bereichen anwenden können.

Feinziele: Das sind mit dem höchstmöglichen Grad an Eindeutigkeit und Präzision be-

schriebene Kompetenzen und Tätigkeiten. Sie beziehen sich immer auf bestimmte Se-

quenzen einer Unterrichtseinheit. Die Feinziele leiten sich von den Grobzielen ab und

sollen möglichst aufeinander aufgebaut sein.

Eine weitere Möglichkeit Lernziele zu formulieren, kann durch die Betrachtung des Anforde-

rungsprofils der Lernenden erfolgen. Diese Einteilung beinhaltet den kognitiven, affektiven und

psychomotorischen Bereich. Die Lernbereiche werden in der Taxonomie der Lernziele nach

Bloom eingeteilt und beschreiben ein System, welches bestimmten Regeln folgt, näher. Dabei zielt der kognitive Bereich auf Lernziele ab, welche im Bereich des Wissens, Kennens

und Verstehens liegen. Die erste von sechs Ebenen beinhaltet dabei rein reproduzierbares Wis-

sen, welches in den weiteren Ebenen durch das Verstehen, die Anwendung, die Analyse, die

Synthese und die Bewertung vertieft wird. Die affektiven Lernziele zielen hingegen auf die

Bereiche Gefühle, Einstellungen und Werte ab. Dabei werden in der ersten von fünf Ebenen

die SchülerInnen auf einen Sachverhalt aufmerksam gemacht und in den weiteren Ebenen

kommt es durch Reflexion, Austausch und der praktischen Anwendung zu einer Wissenserwei-

terung über diesen Sachverhalt. Der psychomotorische Bereich beinhaltet Lernziele im Bereich

des Könnens, Handelns und Tuns. Die erste von fünf Ebenen beschäftigt sich damit, dass die

SchülerInnen nachahmen, was ihnen zuvor gezeigt wurde. In den weiteren Bereichen wird die-

ses Nachahmen durch die Übung im motorischen Bereich weiter verfeinert, um den erlernten

Bewegungsablauf zu üben und zu festigen. Neben diesen klassischen taxonomischen Ansätzen

kann man Lernziele aber auch durch andere Bereiche, wie den sozioemotionalen, kommunika-

tiven oder den Zivilcourage Bereich einteilen. 19, 20

19 Vgl.: BECKER G. E.: Unterricht planen. Handlungsorientierte Didaktik. Beltz Verlag, Weinheim/ Basel, 2007, S. 59- 85. 20 Vgl.: http://arbeitsblaetter.stangl-taller.at/LERNZIELE/Dimensionalisierung.shtml [Aufrufdatum: 27.05.2017]

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21

3. Grüne Technologie

Um die Frage beantworten zu können, was „Grüne“ Energiegewinnung bedeutet, ist es notwen-

dig zu verstehen, in welchem Zusammenhang und mit welcher Assoziation das Wort „Grün“ in

unserer Gesellschaft mit den Themen Entwicklung, Forschung, Energie etc. in Verbindung ge-

bracht wird.

Unser Planet ist in den letzten Jahrzehnten einer immer stärkeren ökologischen Belastung aus-

gesetzt worden. Eine Produktions- und Konsumleistung wie bisher, würde zur Folge haben,

dass die ökologische Grundlage für nachfolgende Generationen immens gefährdet ist. In die-

sem Zusammenhang stellt sich natürlich eine große Frage: Wie kann man die Bedürfnisse einer

wachsenden Weltbevölkerung abdecken und die wirtschaftliche Entwicklung steigern, ohne da-

bei die Lebensgrundlagen der Menschheit zu zerstören? Die Antwort darauf liefert die Reali-

sierung von „Grünen Technologie- Konzepten“, die eine immer größer werdende Unterstützung

aus den Bereichen Politik, Wirtschaft und Umwelt erhalten. 21

Auf der Suche nach einer Definition für „Grüne Technologie“ bzw. „Green Technology“ wird

sehr schnell bewusst, dass es diese „eine“ allgemeine Definition nicht gibt. Es lassen sich je-

doch sehr häufig Parallelen in der Literatur finden, die so eine Art von Technologie als eine

Technologie beschreibt, die einen Beitrag zum Erhalt der Umwelt leistet und zugleich den ne-

gativen, vom Menschen verursachten, Einfluss reduziert. Aus dieser Definition wird ersichtlich,

dass es sich dabei also um ein sehr breites Spektrum an unterschiedlichen Technologien, die

alle eine Steigerung der Ressourceneffizienz und gleichzeitig eine Schonung der Umwelt als

Ziel haben, handelt. Der Begriff Ressourcen beschreibt nicht nur Rohstoffe, sondern auch Ma-

terialien und Energie. Die Steigerung der Effizienz durch solche neuen „Grünen Technologien“

kann im gesamten Produktlebenszyklus, also in der Entwicklung, Herstellung, Nutzung, Re-

cycling und Entsorgung, erreicht werden. Eine mögliche Einteilung der unterschiedlichen Auf-

gabenfelder könnte wie folgt aussehen:

• Ansätze im Bereich Konstruktion und Entwicklung

• Einsatz von alternativen Werkstoffen und Materialien

• Grüne Technologien für die Fertigung und Montage

21 Vgl.: BERGER R..: GreenTech made in Germany 4.0 – Umwelttechnologie- Atlas für Deutschland. Juli 2014,

S. 6, bezogen unter: http://www.greentech-made-in-germany.de/fileadmin/user_upload/greentech_at-

las_4_0_bf.pdf [Aufrufdatum: 15.05.2017]

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22

• Grüne Antriebstechnologien

• Effizienzsteigerung in Hydraulik und Pneumatik

• Grüne Infrastruktur

All diese Konzeptbereiche tragen maßgeblich dazu bei, einige der größten Probleme unserer

Zeit, z.B. den Klimawandel und die Ressourcenknappheit, zu bewältigen. 22

Neben den „klassischen“ Konzepten in all diesen Bereichen gibt es immer wieder auch neue

und sehr spannende Konzepte, um z.B. eine ganze Stadt mit einer Art von Technologien zu

bauen und zu betreiben. Ein sehr gutes Beispiel und vor allem sehr ortsverbunden liefert hierbei

das Projekt „smart city graz“ der Stadt Graz. Dieses Projekt beinhaltet Pläne und Visionen, eine

energieeffiziente, ressourcenschonende und emissionsarme Stadt im Jahr 2050 mit höchster

Lebensqualität zu schaffen, in der die neuesten Energietechnologien zur Anwendung kommen.

Neben den Bereichen Gesellschaft, Ökologie, Mobilität, Gebäude, Ent- und Versorgung sowie

Ökologie spielt auch die Energie eine tragende Rolle. Energiegewinnung und somit eine konti-

nuierliche Versorgung der Stadt und deren Einwohner zu gewährleisten, ist eines der großen

Ziele dieses Projekts. Ein kleiner Schritt in eine nachhaltige und „grüne“ Zukunft wurde bereits

mit der Fertigstellung des „Science Towers“ erreicht. Dabei handelt es sich um ein Gebäude,

genauer um einen auf der Spitze stehenden Kegelstumpf, der eine doppelschalige Fassade be-

sitzt, welche zum Teil aus transparenten Energie- Gläsern besteht, die Licht in elektrische Ener-

gie umwandeln können. Der Hauptbestandteil dieses Energieglases ist die sogenannte „Gräzel-

zelle“, welche ähnlich der Photosynthese bei Pflanzen Sonnenlicht mithilfe eines Farbstoffes in

elektrischen Strom umwandelt. 23

Um nun die Frage beantworten zu können, wieso das Wort „Grün“ im Titel dieser Diplomarbeit

eingesetzt wurde, ist meiner Meinung nach ein möglicher Vergleich mit diesem Tower zulässig.

Auch hier wurde durch die Umsetzung einer neuen umweltschonenden Technologie eine Mög-

lichkeit gefunden bzw. gesucht, um die Problematik der Energieversorgung besser lösen zu

können. Eine Alternative zu diesem System könnte vielleicht in Zukunft auch die mikrobielle

Brennstoffzelle, welche im Laufe dieser Arbeit behandelt wird, sein.

22 Vgl.: RIST M., SCHNABEL F., KORELL M. & Bucher M.: Green Technology – kurzer Hype oder Wachs-

tumsmotor?. Februar 2013, S. 10- 11, bezogen unter: http://www.heilbronn.ihk.de/ximages/1437905_green-

techn.pdf [Aufrufdatum: 15.05.2017] 23 Vgl.: http://www.smartcitygraz.at/ [Aufrufdatum: 15.05.2017]

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23

4. Brennstoffzellen

4.1. Überblick über die elektrochemischen Zellen

Bei einer elektrochemischen Zelle, auch volta’sches oder galvanisches Element genannt, han-

delt es sich um eine Anlage, bei der eine chemische Reaktion (Redoxreaktion) abläuft, welche

zu einer elektrischen Spannung zwischen zwei räumlich voneinander getrennten Elektroden

führt. Wenn diese beiden Elektroden über einen äußeren Leiterkreis mit einer elektronischen

Last verbunden werden, kann elektrische Energie abgegeben werden. Die galvanischen Ele-

mente können in folgende drei große Gruppen eingeteilt werden: 24, 25

a. Primärzellen, auch klassische Batterien genannt, bestehen aus einer Vielzahl in Se-

rie zusammengeschalteter galvanischer Elemente, mit identischer Bauart. Diese Zel-

lenbauart kann nur einmal entladen werden.

b. Sekundärzellen, auch Akkumulatoren genannt, sind einzelne wiederaufladbare Ele-

mente. Werden solche Sekundärzellen zusammengeschaltet, dann spricht man von

einer wiederaufladbaren Batterie bzw. einem Akku.

c. Tertiärzellen, auch Brennstoffzellen genannt, sind galvanische Zellen, die im Ver-

gleich zu den beiden oben genannten, den chemischen Energieträger nicht gespei-

chert haben. Für einen Betrieb muss dieser kontinuierlich von außen zugefügt wer-

den und garantiert so einen zeitlich unbeschränkten Betrieb.

4.2. Geschichte der Brennstoffzelle

„Die Brennstoffzelle ist eine größere zivilisatorische Leistung als die Dampfmaschine und wird

schon bald den Siemens’schen Generator in das Museum verbannen.“ [Wilhelm Ostwald 1884,

Chemiker und Nobelpreisträger]

Was brachte den damaligen Chemiker Wilhelm Ostwald dazu, eine solche Aussage und eine so

verheißungsvolle Zukunftsthese für Brennstoffzellen aufzustellen? Bereits im Jahr 1838 wur-

den neben den durch die industrielle Revolution im 19. Jahrhundert erfundenen Elektromoto-

ren, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren etc. auch die ersten Brennstoffzellen zeitgleich in der

Schweiz und in England von zwei Chemikern entwickelt und untersucht. Einer der beiden war

24 Vgl.: SCHMIDT V. M.: Elektrochemische Verfahrenstechnik. Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozeßoptimie-rung. WILEY- VCH Verlag GmbH & KGaA, Weinheim, 2003, S.541- 591. 25 Vgl.: HAMANN C. H., VIELSTICH W.: Elektrochemie. 3. Auflage, WILEY- VCH Verlag GmbH, New York/ Chichester/ Brisbane/ Singapore/ Toronto, 1998, S.429- 476.

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24

der Schweizer Chemiker und Physiker Christian Friedrich Schönbein, welcher auch als Entde-

cker des Ozons und der Schießbaumwolle gilt.26 Der zweite Physikchemiker war der Engländer

Sir William Grove. Die Brennstoffzelle wurde zur damaligen Zeit noch als „Galvanische Gas-

batterie“ bezeichnet und war eine bahnbrechende Erfindung. Wenn Platinelektroden von Sau-

erstoff und Wasserstoff umspült werden, dann kommt es zu einer Reaktion. Die damaligen

Forscher erkannten sofort den Vorteil, dass durch die Wandlung der chemischen Energie des

Knallgases, direkt und ohne weitere Teilschritte elektrische Energie, also direkt Elektrizität,

ohne Umwege über Wärme gewonnen werden konnte. Doch trotz der sehr verheißungsvollen

Aussage von Wilhelm Ostwald im Jahr 1884 konnte sich die Brennstoffzelle nicht durchsetzen

und die Verbrennungsmotoren bestimmten das 19. und 20. Jahrhundert. In der langen Periode

zwischen 1838 und 1960 wurden viele verschiedene Brennstoffzellen und deren Nutzbarkeit

untersucht. Erst mehr als 100 Jahre, in den 60-iger Jahren, nach ihrer Erfindung und durch die

zunehmende Knappheit von Erdöl, Gas und Kohle sowie den globalen Umweltbelastungen

schaffte die Brennstoffzelle unter anderem durch die intensive Forschung der Autoindustrie und

Marine, die Überführung in eine zuverlässige technische Lösung mit einem hohen Wirkungs-

grad. Doch die meisten neu erfundenen Brennstoffzellen, z.B. Direkt- Kohlenstoff- Brennzelle,

welche eine direkte Verstromung aus Kohle ermöglicht, kamen über das Laborstadium nie hin-

aus. 27, 28

4.3. Herkömmliche Brennstoffzellen

Wärmekraftmaschinen arbeiten auf dem Prinzip der indirekten Energieumwandlung, sie wan-

deln die chemische Energie eines Brennstoffs in Elektrizität um. Bei dieser konventionellen

Umwandlung muss zunächst Wärme produziert werden, die anschließend mechanisch und am

Ende des Prozesses in elektrische Energie umgewandelt wird. Um so einen Ablauf realisieren

zu können, braucht es neben der Dampferzeugung auch Turbinen und Generatoren. Der (neue)

Konkurrent dieser Energieumwandlung ist die Brennstoffzelle, bei der es zu einer direkten Um-

wandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität kommt. 29

26 Vgl.: http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/schoenbein-christian-friedrich/59862 [Aufrufdatum:

20.02.2017] 27 Vgl.: LEHMANN J., LUSCHTINETZ T.: Wasserstoff und Brennstoffzellen. Unterwegs mit dem saubersten

Kraftstoff. Springer- Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2014, S. 25- 26. 28 Vgl.: KURZWEIL P.: Brennstoffzellentechnik. 2. Auflage, Springer Fachmedien, Wiesbaden, 2013, S. 2. 29 Vgl.: http://www.fuelcell-nrw.de/brennstoffzellen/grundlagen/ [Aufrufdatum: 16.05.2017]

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25

4.3.1. Aufbau und Funktionsweise

Um einen Einblick in das sehr anspruchsvolle chemisch- verfahrenstechnische Innenleben der

Brennstoffzellen zu erreichen, kann man sich die Brennstoffzelle im ersten Gedankengang als

eine Blackbox vorstellen. Diese „Box“ wird mit einem Brenn- bzw. Kraftstoff, neben reinem

Wasserstoff können auch Kohlenwasserstoffe und reiner Kohlenstoff verwendet werden, und

mit der benötigten Verbrennungsluft befüllt. Im inneren der „Box“ läuft dann eine katalytische

Verbrennung in zwei Stufen ab. Durch diese Verbrennung entstehen dann die gewünschte elekt-

rische Energie und „unerwünschte“ Produkte wie Wärme, Abluft bzw. Wasser sowie andere

Reaktionsprodukte.

Um elektrische Energie gewinnen zu können, bestehen die Brennstoffzellen im Inneren aus

zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einem Elektrolyt, der einerseits die beiden Elektro-

den sowie den Brennstoff und das Oxidationsmittel voneinander trennt und andererseits für

bestimmte Ionen durchlässig ist. Genauer betrachtet, wird im Inneren der verwendete Kraftstoff

in zwei Reaktionsschritten „verbrannt“, also oxidiert. Der Kraftstoff wird kontinuierlich der

Anode, negativen Elektrode, zugegeben und gibt zunächst Elektronen (e-) ab, welche dann zum

Verbraucher und weiter zur Kathode, positive Elektrode, gelangen. An der Kathode wird stän-

dig das Oxidationsmittel, meist Sauerstoff, zugeführt, dieses nimmt die Elektronen auf und re-

agiert dort zu Sauerstoff- Ionen (O2-). Nun müssen die Ionen des Kraftstoffes und des Oxidati-

onsmittels miteinander reagieren, um die gewünschten Endprodukte bilden zu können. Der er-

forderliche Austausch wird mit Hilfe von Elektrolyten erreicht. Diese Elektrolyten sind sozu-

sagen die „Ionenleiter“ und ermöglichen den Ionen- Austausch zwischen den beiden Elektro-

den. Saure Elektrolyten transportieren nur positive Ionen (Protonen) von der Anode zur Ka-

thode und basische Elektrolyten transportieren negative Ionen (Hydroxid- Ionen; OH-) von der

Kathode zur Anode. Durch die unterschiedlichen Potenziale zwischen den beiden Kammern

können nun die Elektronen über einen externen Stromkreis über einen externen Verbraucher

von der Anode zur Kathode fließen und leisten dabei elektrische Arbeit.

Abb. 4: „Blackbox“ (Quelle: Lehmann, Luschtinetz: Wasserstoff und Brennstoffzel-len, S. 27)

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26

Chemisch betrachtet, funktionieren die herkömmlichen Brennstoffzellen wie eine umgekehrte

Elektrolyse von Wasser, es wird also nicht Wasser durch Strom (elektrische Energie) in Was-

serstoff und Sauerstoff zerlegt, sondern Wasser und elektrische Energie durch Wasserstoff und

Sauerstoff gewonnen. Dabei reagiert H2 und O2 wieder zu H2O und die bei der Reaktion frei-

werdende chemische Energie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Elektrolyse: 2��� → 2�� � ��

���� ������: 2�� � �� → 2���

An der Anode wird das einströmende Brenngas (Wasserstoff) katalytisch in Protonen und

Elektronen oxidiert, also getrennt. Die durch die Oxidation freigesetzten Protonen können nun

durch die für sie durchlässige Membran zur Kathode gelangen. Da diese Membran jedoch für

Elektronen undurchlässig ist, verbleiben diese in der Kammer. Aufgrund dieser speziellen Auf-

bauart der Membran, werden solche Brennstoffzellen auch PEM- Brennstoffzellen, vom Eng-

lischen Proton- Exchange- Membran, bezeichnet. An der Kathode sammeln sich die durch die Membran gelangten Protonen an und es entsteht

ein Potenzial zwischen den beiden Kammern und deren Elektroden. An der Anode liegt durch

die für Elektronen undurchlässige Membran ein Elektronenüberschuss und an der Kathode ein

Elektronenmangel vor. Wenn die beiden Elektronen durch einen externen Stromkreis miteinan-

der verbunden werden, kommt es zu einer Wanderung der Elektronen von der Anode zur Ka-

thode, wo der Sauerstoff (Oxidationsmittel) katalytisch reduziert wird. Durch diesen Transport

kann nun ein am Stromkreis angeschlossener Verbraucher mit der gewonnenen elektrischen

Energie (Strom) versorgt werden.

����: 2�� → 4�� � 4�

�� ���: 4�� � 4� � �� → 2���

Abb. 5: Prinzip der inneren Abläufe (Quelle: Lehmann, Luschtinetz: Wasserstoff und Brennstoff-zellen, S. 27)

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27

Wichtig ist, dass je nach Elektrolyttyp auch eine Wanderung in die gegengesetzte Richtung

möglich ist, also von der Kathode zur Anode (AFC, MCFC und SOFC).

Einige Vorteile der Brennstoffzellen sind unter anderem, dass als Endprodukt nur Wasser und

Wärme entsteht, die Zelle geräuschlos, geruchlos und emissionsfrei arbeitet, eine direkte Um-

wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie erfolgt und daher ein Wirkungsgrad

von ca. 60% erreicht werden kann. 30, 31, 32, 33, 34

4.3.2. Arten der herkömmlichen Brennstoffzellen

Um einen Überblick der unterschiedlichen Arten der herkömmlichen Brennstoffzellen sowie

eine kurze Beschreibung der Spezifikationen geben zu können, wird wieder auf das Prinzip der

oben verwendeten Blackbox zurückgegriffen. Nach diesem Prinzip werden die einzelnen

„Teile“, wie z.B. Brennstoff, Oxidationsmittel, elektrische Energie etc. sowie das Einsatzgebiet

der jeweiligen Brennstoffzellen beschrieben. Die Einteilung der unterschiedlichen Zelltypen

kann entweder durch ihre Prozesstemperatur oder durch die Art ihrer Elektrolyten erfolgen und

wie folgt aussehen: 35, 36, 37, 38,39, 40, 41

30 Vgl.: http://www.fuelcell-nrw.de/brennstoffzellen/grundlagen/ [Aufrufdatum: 16.05.2017] 31 Vgl.: LEHMANN J., LUSCHTINETZ T.: Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 30- 34. 32 Vgl.: https://www.tugraz.at/forschung/forschungsschwerpunkte-5-fields-of-expertise/mobility-produc-tion/brennstoffzellen-die-stromerzeuger-von-morgen/ [Aufrufdatum: 16.05.2017] 33 Vgl.: http://www4.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/44289/ [Aufrufdatum: 16.05.2017] 34 Vgl.: SCHATZ W.: Brennstoffzelle, 2009, bezogen unter: http://www.swisseduc.ch/chemie/zentral-kurs_2009_bern/w_schatz_brennstoffzelle/docs/brennstoffzelle.doc [Aufrufdatum: 16.05.2017] 35 Vgl.: HEISSENBERGER Th., SIMANDER G.: Brennstoffzelle-Systeme – Energietechnik der Zukunft?, Bun-desministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Wien, 2000, S. 20- 29. 36 Vgl.: SIMANDER G.: FTE von Brennstoffzellen für stationäre Energiesysteme und tragbare Kleingeräte, Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Wien, 2002, S. 25- 66. 37 Vgl.: LEHMANN J., LUSCHTINETZ T.: Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 26- 34. 38 Vgl.: KURZWEIL P.: Brennstoffzellentechnik, S. 3- 8. 39 Vgl.: http://www.diebrennstoffzelle.de/zelltypen/index.shtml [Aufrufdatum: 20.05.2017] 40 Vgl.: JÄCKEL N.: Nanotechnologie in der Brennstoffzelle, bezogen unter: http://www.uni-saar-land.de/fak7/hartmann/files/docs/pdf/teaching/lectures/talks/WS1011/Nanotechnologie%20in%20der%20Brenn-stoffzelle.pdf [Aufrufdatum: 20.05.2017] 41 Vgl.: http://www.energieportal24.de/cms1/wissensportale/energiespeicherung/brennstoffzellen/ [Aufrufdatum: 20.05.2017]

Abb. 6: Innere Abläufe in einer PEM Brennstoffzelle (Quelle: Lehmann, Luschtinetz: Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 31)

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28

4.2.2.1. Niedertemperatur- Brennstoffzellen

Diese Bauart der Brennstoffzellen arbeitet in einem Temperaturbereich, der zwischen 80°C und

maximal 220°C liegt.

• AFC (Alkalische Brennstoffzelle, Alkaline Fuel Cell)

Die maximale Arbeitstemperatur dieser Zelle liegt bei 100°C. Als Oxidationsmittel

dient Sauerstoff (bei neuen Zellen auch Luft, bei der CO2 entfernt werden muss) und als

Elektrolyt wird eine wässrige Kalilauge verwendet. Durch die verwendete Kalilauge ist

diese Zelle sehr empfindlich gegenüber CO2, da sich die Kalilauge dadurch zersetzt. Für

die Oxidation des Wasserstoffs und für die Reduktion des Sauerstoffes werden einer-

seits Raney- Nickel (feine Körner einer Nickel-Aluminium-Legierung) und andererseits

mit Edelmetallen aktivierter Kohlenstoff eingesetzt. Als Brennstoff für diese Zelle wird

industriell hergestellter Wasserstoff verwendet, nur bei älteren Modellen muss auf hoch-

reinen Wasserstoff zurückgegriffen werden. Aufgrund der sehr hohen Anforderungen

an den Brennstoff und das Oxidationsmittel waren die früheren Einsatzgebiete lediglich

auf die Raumfahrt und Militärtechnik beschränkt. Durch die ständige Forschung und

Weiterentwicklung der AFC wurden neue Einsatzbereiche im zivilen Bereich wie trag-

bare Versorger, Bootsantriebe etc. realisiert.

• PAFC (Phosphorsäure Brennstoffzelle, Phosphoric Acid Fuel Cell)

Es handelt sich hierbei um die am weitesten entwickelte Brennstoffzelle für den Einsatz

im stationären Bereich. Die PAFC arbeitet bei einer Temperatur von 160°C bis 205°C.

Als Brennstoff wird reformiertes Erdgas, als Elektrolyt eine 100%-ige Phosphorsäure

(H3PO4), als Oxidationsmittel Luftsauerstoff und als Elektroden werden mit Edelme-

tallpartikel, Platin oder Gold überzogene kunststoffgebundene Kohlematerialien ver-

wendet. Der Elektrolyt liegt nicht in flüssiger Form vor, sondern ist in einem porösen

Kunststoffvlies zwischen den Elektroden eingebettet. Vor allem die Verwendung einer

Säure als Elektrolyt ermöglicht den Einsatz von Gasen mit CO2 und durch die niedrige

Arbeitstemperatur ist die PAFC gegenüber CO nicht sehr anfällig. Durch die bereits

sehr gute Erforschung und Entwicklung dieser Brennstoffzelle wird sie sehr häufig für

den Einsatz bei der Kraft- Wärme- Kopplung, also der gleichzeitigen Gewinnung von

mechanischer Energie und nutzbarer Wärme in einem gemeinsamen Prozess und im

Bereich der Blockheizkraftwerke verwendet, die ebenfalls auf dem Kraft- Wärme-

Kopplung’s Prinzip beruhen.

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29

• PEFC (Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle, Polymer Electrolyte Fuel Cell)

Diese Zelle arbeitet bei einer Temperatur von 60°C bis 100°C. Als Elektrolyt wird meist

eine dünne, gasdichte, protonenleitende Kunststoffmembran verwendet, durch die Pro-

tonen diffundieren können. Auf beiden Seiten dieser Membran befinden sich Elektro-

den, die meist aus Kohlenstoff mit Platin bzw. Platinlegierungen überzogen sind. Für

den elektrischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden und der Elektrolytplatte, wird

dann als Bipolarplatte bezeichnet, werden metallische oder kohlenstoffhaltige Stromab-

leiter verwendet, die gas- und flüssigkeitsdurchlässig sind. Die maximale Arbeitstem-

peratur von 100°C wird durch den für den Betrieb erforderlichen Wassergehalt be-

grenzt. Als Oxidationsmittel wird O2 und als Brenngas wird H2 aus kohlenstoffhaltigen

Energieträgern wie z.B. Erdgas oder Methanol (zuvor externe Reformation) verwendet.

Der große Nachteil dieser Brennstoffzelle ist die sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber

CO. Der einfache Aufbau, die kompakte Bauform etc. sind hingegen ihre größten Vor-

teile. Die Einsatzgebiete der PEFC reichen von der Notstromversorgung, über die Kraft-

Wärme- Kopplung bis hin zum Einsatz in Kraftfahrzeugen sowie in portablen Geräten.

• DMFC (Direktmethanol- Brennstoffzelle, Direct Methanol Fuel Cell)

Es handelt sich dabei um die letzte Bauart, welche in den Bereich der Niedertemperatur-

Brennstoffzellen fällt. Diese Art der Brennstoffzelle hat ein Arbeitstemperaturfenster

unter 100°C und kann als eine Erweiterungsstufe der zuvor behandelten PEFC gesehen

werden. Der Elektrolyt ist auch hier eine Kunststoffmembran und als Katalysatormate-

rial kommt meist eine Mischung aus Platin und Ruthen zum Einsatz, welche sich be-

sonders gut zur Oxidation von Methanol und den Zwischenprodukten eignet. Der große

Vorteil gegenüber den anderen Zellen besteht darin, dass die DMFC sowohl mit flüssi-

gem Methanol oder mit Methanoldampf ohne externen Reformator an der Anode und

mit Luftsauerstoff an der Kathode betrieben werden kann. Weitere Vorteile sind die

einfache Betriebsweise, geringere Betriebskosten und Volumen etc. Aus diesem Grund

ist sie für den Einsatz in der Fahrzeugbranche sehr interessant. Unter anderem besteht

dennoch Handlungs- und Forschungszwang in den Bereichen der Stabilität, der Zuver-

lässigkeit etc.

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30

4.2.2.2. Hochtemperatur- Brennstoffzellen

Im Gegensatz zu den Niedertemperatur- Brennstoffzellen arbeiten diese Brennstoffzellen in ei-

nem Arbeitstemperaturfenster von 600°C bis 1000°C.

• MCFC (Karbonatschmelz- Brennstoffzelle, Molten Carbonat Fuel Cell)

Die Arbeitstemperatur der MCFC liegt in einem Bereich von 600 bis 650°C und liefert

somit einige Vorteile gegenüber den anderen bereits genannten Brennstoffzellen. Unter

anderem ist ein Vorteil, dass die Zelle gegenüber CO und CO2 unempfindlicher ist und

bei Brenngasen wie Erdgas, Biogas etc. keine externe Reformierung durchgeführt wer-

den muss. Die Reformierung erfolgt stattdessen direkt in der Anodenkammer und sorgt

für eine Zuführung an der Anode mit H2. An der Kathode wird hingegen als Oxidati-

onsmittel Luftsauerstoff und Kohlendioxid zugeführt. Weiters bewirkt die hohe Arbeits-

temperatur, dass keine Katalysatoren verwendet werden müssen und die hohe Abwärme

anderweitig genutzt werden kann. Der Elektrolyt besteht bei dieser Brennstoffzelle aus

einem geschmolzenen Karbonat, meist eine eutektische Legierung aus Lithiumkarbonat

und Kaliumkarbonat, eingebunden in eine Matrix. Als eine eutektische Legierung be-

zeichnet man eine Legierung, wenn ihre Bestandteile in einem bestimmten Verhältnis

zueinanderstehen, sodass sie als Ganzes bei einer bestimmten Temperatur flüssig oder

fest wird.42 Als Elektrodenmaterial wird Nickel und Nickeloxid verwendet. Das Ein-

satzgebiet der DMFC ist aufgrund ihrer eingeschränkten Lebensdauer, der langen Auf-

heizzeit, der hohen Betriebstemperatur etc., eher auf die Bereiche der Grundlastabde-

ckung der Energieversorgung sowie zur Bereitstellung von Wärme und Dampf geeignet.

• SOFC (Festoxid Brennstoffzelle, Solid Oxide Fuel Cell)

Diese Brennstoffzelle wird auch oxidkeramische Brennstoffzelle genannt und hat eine

Arbeitstemperatur von bis zu 1000°C. Der Elektrolyt liegt nicht in flüssiger Form vor,

sondern besteht aus einem speziell stabilisierten Zirkonoxid, welches durch die hohen

Temperaturen eine sehr hohe Leitfähigkeit erreicht. Als Oxidationsmittel wird an der

Kathode Sauerstoff verwendet. Ein weiterer Vorteil der hohen Betriebstemperatur ist,

dass dadurch CO- haltige Gemische durch (interne) Reformierung, wie z.B. Erdgas, Bi-

ogas etc., eingesetzt werden können. Die Elektroden bestehen meistens aus Nickel oder

anderen elektrisch leitfähigen Oxiden. Die Punkte einfacher Aufbau, hohe Lebensdauer

42 Vgl.: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_5/backbone/r5_4_3.html [Aufrufdatum: 20.05.2017]

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31

oder auch hohe Zellenwirkung ermöglichen den Einsatz im Bereich der Hausenergieer-

zeugung, im industriellen Bereich können die sehr hohen Abwärmetemperaturen durch

Dampfprozesse weiter genutzt werden.

4.2.2.3. Überblick der verschiedenen Brennstoffzellen

Kenndaten AFC PAFC PEFC DMFC MCFC SOFC

Brennstoff Wasser-

stoff Erdgas

Erdgas,

Methanol Methanol Erdgas Erdgas

Elektrolyt

wässrige

KOH-

Lösung

Phosphorsäure in

einer Matrix

Poly-

mermemb-

ran

Poly-

mermemb-

ran

geschmolze-

nes Karbo-

nat in Mat-

rix

Kerami-

scher Fest-

körper

Elektroden

Raney-

Nickel

bzw. mit

Edelme-

tallen ak-

tivierter

Kohlen-

stoff

mit Edelmetall-

partikel überzo-

gene kunststoff-

gebundene Koh-

lematerialien

Kohlen-

stoff mit

Platin

überzogen

Platin Nickel Nickel

Oxidations-

mittel

Sauerstoff

bzw. Luft Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff

Arbeitstemp.

[°C] 100 160 - 250 60 - 100 < 100 600 - 650 1000

Elektrischer

Wirkungs-

grad

50% 30 – 40% 32 – 40% 50% 45 – 50% 35 – 70%

Tabelle 3: Überblick der verschiedenen Arten der Brennstoffzelle

4.4. Biobrennstoffzellen

Seit der ersten Entdeckung im Jahr 1911, dass Bakterien elektrische Energie erzeugen können,

nahm das Interesse der Forschung an mikrobiellen Brennstoffzellen allerdings erst ab den 1990-

iger Jahren enorm zu. „Biobrennstoffzellen sind Systeme, in denen unter Benutzung biologi-

scher Reaktionen entweder Strahlungsenergie (Photosynthese) oder chemische Energie (aus

energiereichen organ. Substanzen) auf direktem Weg in elektrische Energie umgewandelt wer-

den kann.“ [RÖMPP: Lexikon Biotechnologie und Gentechnik, 2. Auflage, 1999, S. 106-107.]

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32

Dabei kann die Strahlungs- bzw. die chemische Energie aus verschiedensten organischen Um-

gebungen, wie z.B. dem menschlichen Körper, aquatischen Systemen oder auch Pflanzen ge-

wonnen werden. Die Biobrennstoffzellen funktionieren auf dem gleichen Prinzip wie die klas-

sischen Brennstoffzellen. Um elektrische Energie gewinnen zu können, bestehen die Biobrenn-

stoffzellen im Inneren aus zwei räumlich voneinander getrennten Kammern, welche mit einem

Elektrolyten gefüllt sein müssen und jeweils eine Elektrode, Anode bzw. Kathode, besitzen.

Diese beiden Kammern sind durch eine Membran miteinander verbunden, somit können sich

erneut bestimmte Ionen zwischen den Kammern bewegen und andere bleiben in den Kammern

zurück. In den beiden Elektrodenkammern laufen also die für die Energiegewinnung notwen-

digen chemischen Reaktionen ab und die erzeugte Energie kann von einem Verbraucher genutzt

werden. Eine Einteilung der unterschiedlichen Biobrennstoffzellentypen kann aufgrund ihres

Katalysatortyps vorgenommen werden. Man unterscheidet hierbei zwischen abiotischen Kata-

lysatoren (Edelmetalle, Aktivkohle etc.) und den biotischen Katalysatoren (isolierte Enzyme

und lebende Mikroorganismen). Im folgenden Teil der Arbeit wird die mikrobielle Brennstoff-

zelle (mit Mikroorganismen betrieben) näher beschrieben.

Das Ziel von mikrobiellen Brennstoffzellen ist die Nutzung der entstehenden freien Elektronen

(e-), bevor diese durch den vorliegenden Sauerstoff wieder mit Protonen zu Wasser verbunden

werden. Dieses Ziel erreicht die mikrobielle Brennstoffzelle wie später im Detail erklärt wird,

indem an der Anode eine Oxidation und an der Kathode eine Reduktion stattfindet. In der Ano-

denkammer werden dazu mehrere Substanzen verwendet, einerseits wird ein Mediator (trans-

portiert Elektronen) mit katalytischen Eigenschaften benötigt, welcher den vorliegenden Mik-

roorganismen die produzierten freien Elektronen und Protonen durch eine Selbstreduktion ent-

fernt und die Elektronen dann an der Anode wieder abgibt. Es gibt aber auch Varianten, die

ohne die Verwendung eines Mediators auskommen, solche mikrobiellen Brennstoffzellen wer-

den als mediatorlos bezeichnet. Bei dieser Art wird die Tatsache genutzt, dass die Mikroorga-

nismen die durch die Substratoxidation freien Elektronen wieder abgeben wollen. Die Mikro-

organismen müssen daher einen Weg finden, Elektronen an die Elektrode abzugeben. Dies kann

von bestimmten Mikroorganismen z.B. durch erzeugte Redoxmediatoren oder durch einen di-

rekten Elektronenaustausch passieren. Dazu ist jedoch ein direkter Zellkontakt zur Elektrode

notwendig, wodurch jedoch auch die Anzahl an aktiven Mikroorganismen auf eine Mono-

schicht (Schicht besteht nur aus einer Lage Mikroorganismen; engl. Monolayer) auf der Elekt-

rode beschränkt ist. Die nun im Mediator „vorliegenden“ Elektronen werden anschließend

durch eine Oxidation des Mediators an die Anode abgegeben. Die Protonen hingegen können

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Abb. 7: Mikrobielle Brennstoffzelle (Quelle: http://archiv.aktuelle-wochenschau.de/2006/wo-che45b/woche45b.html)

durch die für sie durchlässige Membran direkt zur Kathode gelangen. Aufgrund des auftreten-

den Potenzialunterschieds (Elektronenüberschuss bzw. Mangel) zwischen den beiden Kam-

mern können die Elektronen über einen externen Kreislauf nun von der Anode zur Kathode

fließen. Andererseits müssen in der Anodenkammer auch die bereits erwähnten Mikroorganis-

men (z.B. Hefe) und der Brennstoff (z.B. Glucose) vorliegen. In der zweiten Elektrodenkam-

mer, der Kathodenkammer, muss also eine Substanz vorliegen, die Elektronen, welche im Fall

der mikrobiellen Brennstoffzelle über einen externen Kreislauf transportiert werden, aufneh-

men kann, es wird also ein Oxidationsmittel benötigt. Dabei kommt es zu einem Verbinden der

Protonen mit dem vorliegenden Sauerstoff, durch die Abgabe der aufgenommenen Elektronen,

zu Wasser.

����:�� → 2�� � 2�

�� ���:�� � 4�� � 4� → 2���

In der nachfolgenden Grafik wird das Grundprinzip einer mediatorlosen mikrobiellen Bio-

brennstoffzelle näher dargestellt:

Das Gebiet der Biobrennstoffzellen befindet sich größtenteils noch im Forschungsstadium, je-

doch gibt es schon weitreichende Überlegungen und in- vivo Versuche für mögliche Einsatz-

gebiete dieser Zelltypen. Solche möglichen Einsatzgebiete könnten in Zukunft z.B. energieau-

tarke medizinische Implantate, energieautarke Umweltsensoren oder auch energieautarke Ro-

boter sein. Bei den medizinischen Implantaten sollen Glucosebrennstoffzellen zur Versorgung

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von Herzschrittmachern oder enzymatische Glucosebrennstoffzellen für kurzzeit- implantier-

bare Sensoren eingesetzt werden. Bei den Umweltsensoren sollen sie als Waldbrandsensoren

oder als Sediment- Brennstoffzelle zur Versorgung von Wetterbojen eingesetzt werden. Das

meiner Meinung nach wohl aufregendste Gebiet sind autarke Roboter, welche ihre Energie

selbständig aus der Umgebung beziehen.

Anhand der nun aufgezählten Möglichkeiten lässt sich sehr gut erkennen, dass Biobrennstoff-

zellen ein besonders vielversprechendes und breitgefächertes Konzept für die Realisierung von

energieautarken Systemen (=Energieverbraucher nutzen Energiequellen aus der Umgebung

und benötigen somit keine externe Energiezulieferung) darstellen. Die momentane Forschung

konzentriert sich vor allem auch auf die Verbesserung der Leistungsabgabe sowie der Lang-

zeitstabilität solcher Brennstoffzellen. 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50

43 Vgl.: RAHIMNEJAD M., ADHAMI A, DARVARI S., ZIREPOUR A., OH S.: Microbial fuel cell as new technology für bioelectricity generation: A review. IN: Alexandria Engineering Journal, Ausgabe 54, 2015, S. 745- 756. 44 Vgl.: KERZENMACHER S., DANZER J., KIPF E., KLOKE A., RUBENWOLF S., SANE S., ZENGERLE R., GESCHER J.: Biobrennstoffzellen zur Energieversorgung von Mikrosystemen: vom energieautarken Implan-tat hin zum dezentralen Umwelt- Monitoring. IN: Mikrosystemtechnik Kongress 2011, VDE Verlag GmbH, Ber-lin/ Offenbach, S. 375- 378. 45 Vgl.: KURZWEIL P.: Brennstoffzellentechnik, S. 12. 46 Vgl.: http://www.ncbe.reading.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/FCTeacher.pdf [Aufrufdatum: 24.05.2017] 47 Vgl.: http://archiv.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/woche45b.html [Aufrufdatum: 01.06.2017] 48 Vgl.: HALL E. A. H.: Biosensoren. Springer- Verlag, Berlin/ Heidelberg/ New York, 1990, S.142- 143. 49 BENNETTO H. P.: Electricity generation by microorganisms, bezogen unter: http://www.ncbe.rea-ding.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/bennetto.pdf [Aufrufdatum: 28.05.2017] 50 Vgl.: University of Reading: Microbial fuel cell, Teacher’s and technician’s notes, bezogen unter: http://www.ncbe.reading.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/FCTeacher.pdf [Aufrufdatum: 28.05.17]

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5. Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle -LCMB-

Um ein konkretes Beispiel für eine „grüne“, umweltschonendere Energiegewinnungsmethode

im Unterricht vermitteln zu können, bietet sich eine mikrobielle Brennstoffzelle sehr gut an. Da

die Anschaffungskosten solcher Brennstoffzellen für den Schulunterricht relativ teuer sind,

wird in dieser Arbeit eine „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“ mit einem abgeänderten

Aufbau nach der Anleitung von Wolfgang Schatz näher betrachtet. 51, 52, 53 Die Vorteile einer

solchen LCMB sind der einfache und schnelle Aufbau, die Festigkeit beziehungsweise Robust-

heit im Schuleinsatz, der Preis und vor allem, dass der Bau dieser LCMB selbstständig von

SchülerInnen im Unterricht durchgeführt werden kann.

5.1. Bestandteile der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

Eine genaue Auflistung der Kosten sowie ein möglicher Bezug können im Anhang (14.1) nach-

gelesen werden.

5.1.1. Chemikalien

• Kaliumhexacyanoferrat(III) (rotes Blutlaugensalz; K3[Fe(CN)6])

• Betaisodona (Desinfektionsmittel aus der Apotheke)

• Indigocarmin (Indigotin; C16H8N2Na2O8S2)

• Pufferlösung (pH=7; Tris- Puffer)

• Agar- Agar

• Trockenhefe (Haas)

• Traubenzucker (Dextro Energy)

5.1.2. Gefäße und Gerätschaften

• Bechergläser (2x 100ml, 150ml, 600ml)

• Messzylinder (250ml)

• Spritzen

• Glasstab

• Magnetrührer mit integrierter Heizplatte

• 1 Multimeter + Messleitungen & Krokodilklemmen

• Lötkolben

51 Vgl.: http://www.store.reading.ac.uk/product-catalogue/national-centre-for-biotechnology-education/kits-and-equipment/microbial-fuel-cell [Aufrufdatum: 17.06.2017] 52 Vgl. SCHATZ, W.: Neue Technologie in chemischen Versuchen, Brennstoffzelle und Bionik. IN: Chemie und Schule, 2007, Nr. 4, S. 23 – 25. 53 Vgl. http://www.swisseduc.ch/chemie/zentralkurs_2009_bern/w_schatz_brennstoffzelle/ [Aufrufdatum: 05.01.2017]

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• Akkuschrauber

• Holzbohrer (Größe 10)

• Laubsäge + Laubsägeblätter

• 2 rechteckige 50ml Weithals- PVC- Flaschen

• 1 PVC Schlauch (Durchmesser 10mm)

• 2 Karbonfaserelektroden (SPC- 7011)

Die Bezeichnung „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“ wurde aufgrund der geringen Bau-

und Verwendungskosten im Vergleich zu erwerblichen Brennstoffzellen (ca. 80 Euro) dieser

Art gewählt. Die Gesamtkosten der LCMB beziehen sich nur auf die tatsächlichen Kosten, die

anfallen, um dieses Experiment im Unterricht durchführen zu können. Dazu zählen nicht die

Kosten für Gefäße und Gerätschaften, da diese im Normalfall in der Bildungseinrichtung vor-

handen sind. Jedoch wurden die Weithals- PVC- Flaschen und die Karbonfaserelektroden bei

der Berechnung miteinbezogen. Die Kosten für den Bau und die Anwendung der LCMB liegen

somit bei 2,13 Euro pro SchülerIn.

5.2. Bauanleitung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

Wie bereits erwähnt ist einer der Vorteile der LCMB, dass der Bau mit Hilfe einer genauen

Anleitung von SchülerInnen selbst durchgeführt werden kann. Die folgende Bauanleitung be-

schreibt im Detail die einzelnen Schritte und zeigt am Ende, wie die fertige LCMB aussehen

soll:

(1) Brennstoffgehäuse:

• Ein 3 cm langes Stück von einem durchsichtigen PVC- Schlauch abschneiden.

• Mit Hilfe eines Lötkolbens ca. 1,5cm von der Unterseite des Gefäßes ein kleines

Loch hineinbrennen. Es dient als Mittelpunkt für den 10er Holzbohrer, mit dem nun

ein größeres Loch gebohrt wird. Das gebohrte Loch mit einem Messer entgratet.

Abb. 9: Loch mit 10er Holzbohrer bohren Abb. 8: Loch mit Lötkolben brennen (Mittelpunkt für Boh-rer)

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• Das PCV- Gefäß ca. 3,5 cm vom unterem Rand mit Hilfe einer Laubsäge oder mit

einem Messer vollständig durchsägen.

• Das Schlauchstück (sollte innen möglichst bündig mit dem Gefäß sein) wird mit

Hilfe einer Heißklebepistole an die PVC- Gefäße geklebt.

(2) Herstellung der Membran

• Um diese Protonen- Austausch- Membran herzustellen benötigt man neben Wasser

auch Agar- Agar (Pflanzenschleim verschiedener Rotalgen). 15g Agar- Agar wird

zuerst in 250ml kaltem dest. Wasser aufgelöst und anschließend solang gekocht, bis

eine zähflüssige Masse entsteht. Danach wird das Agar- Agar langsam in beide

Kammern gefüllt, sodass der Verbindungsschlauch luftblasenfrei mit Agar- Agar

befüllt ist.

Abb. 12: Verklebte Brennstoffzelle

Abb. 10: Markierung bei 3,5cm + 10er Loch Abb. 11: Entfernen des oberen Teils der PVC- Flasche

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(3) Herstellung der Lösungen für die Befüllung der Kammern

• 7g Germ (Trockenhefe) werden in 50ml dest. Wasser und 1ml Pufferlösung (pH=

7) zum Quellen gebracht.

• 9g Traubenzucker auf 50ml mit dest. Wasser auffüllen und so eine 1 molare Lösung

herstellen.

• 0,66g rotes Blutlaugensalz auf 100ml mit dest. Wasser auffüllen und so eine 0,02

molare Lösung herstellen.

• 0,46g Indigocarmin auf 100ml mit dest. Wasser auffüllen und so eine 0,01 molare

Lösung herstellen.

(4) Karbonfaserelektroden

• Aus dem Karbonfaserblatt werden für jede LCMB jeweils zwei Elektroden mit der

Abmessung 4cm* 3cm ausgeschnitten.

(5) LCMB aktivieren

• Wenn das Agar- Agar schnittfest (je nach Außentemperatur, ca. 15min bei 24°C)

ist, muss es mit einem Messer aus beiden Kammern herausgeschnitten werden. Die

Agar- Agar Membran zwischen den Kammern muss vollständig befüllt sein und

darf nicht entfernt werden. Das herausgeschnittene Agar- Agar kann wiederverwen-

det werden.

Abb. 14: Mit Agar- Agar befüllte Brennstoffzelle

Abb. 13: Agar- Agar aufkochen

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• Die beiden Karbonfaserelektroden werden nun in die Kammern gesteckt, am besten

vor die Membran, und mit Hilfe von Kabeln mit dem Multimeter verbunden.

• Mit Hilfe von Spritzen wird nun eine Kammer mit je 10ml der zuvor hergestellten

Traubenzucker-, Hefe- und Indigolösung befüllt.

• In die zweite Kammer werden 30ml rotes Blutlaugensalz (oder 30ml dest. Wasser

und 3 Tropfen Betaisodona) eingefüllt. Wichtig ist, dass der Füllstand der beiden

Kammern etwas über der Agar- Agar Verbindung liegt.

• Der fertige Aufbau sollte wie folgt aussehen:

Abb. 15: Lösen der Agar- Agar- Schicht mit einem Messer Abb. 16: Herauslösen der Agar- Agar- Schicht mit einem Löffelspatel

Abb. 17: Aktivierte Brennstoffzelle (Spannung wird in V an-gezeigt)

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5.3. Chemischer Hintergrund der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

Wie bereits oben erklärt, sind für die Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe einer mik-

robiellen Brennstoffzelle mehrere Substanzen nötig. In einer der beiden Kammern wird rotes

Blutlaugensalz bzw. Betaisodona und in der zweiten Kammer wird Glucose, Hefe und Indigo-

carmin verwendet. Als Elektroden kommen sogenannte Karbonvliese zum Einsatz. Die Aufga-

ben und Funktionen der einzelnen Bestandteile im System sowie deren chemische Abläufe wer-

den in den nachfolgenden Punkten genauer erklärt.

5.3.1. Membran

Die Agar- Agar Membran dient bei der LCMB zur Trennung der Anoden- und Kathodenkam-

mer. Im Detail handelt es sich um eine sogenannte Ionenaustauschmembran (aus dem Engli-

schen von Proton Exchange Membrane, PEM) oder auch semipermeable Membran, welche den

Fluss bestimmter Ionen zulässt und für andere Ionen undurchlässig ist. Im Fall der LCMB kön-

nen H+- Ionen die Membran durchqueren und OH- Ionen nicht. Man unterscheidet bei Ionen-

austauschmebranen zwischen Kationenaustauschmembranen (KAM), welche nur für Kationen

durchlässig sind, und Anionenaustauschmembranen (AAM), welche nur für Anionen permea-

bel sind. Bei der verwendeten Agar- Agar Membran handelt es sich um eine KAM. Agar- Agar

zählt zu den Kohlenhydraten (Polysacchariden) und ist ein Pflanzenschleim verschiedener Ro-

talgen (Florideen). Es besteht aus 70% Polygalactan, welches wiederum aus 70% Agarose und

30% aus Agarpektin besteht. Gewonnen wird Agar- Agar aus den Zellwänden von Rotalgen

durch Herauslösen mit Wasser. Anschließend wird es getrocknet und gerieben. Ein Ausschnitt

der Strukturformel von Agar- Agar wird in der nachfolgenden Grafik dargestellt: 54, 55, 56, 57

54 Vgl.: http://www.chemieunterricht.de/dc2/fc/membran.htm [Aufrufdatum: 30.05.2017] 55 Vgl.: http://www.spektrum.de/lexikon/biochemie/agar-agar/165 [Aufrufdatum: 30.05.2017] 56 Vgl.: RIPPEL- BALDES A.: Grundriß der Mikrobiologie. 2. Auflage, Springer- Verlag, Berlin/ Göttingen/ Heidelberg, 1952, S.6. 57 Vgl.: HAUSAM W.: Bakteriologie und Mykologie der Haut und des Leders. IN: Graßmann W. (Hrsg.): Hand-buch der Gerbereichemie und Lederfabrikation, Erster Band: Die Rohhaut und ihre Vorbereitung zur Gerbung, Springer- Verlag, Wien, 1944, S. 666.

Abb. 18: Strukturformel Agar- Agar (Quelle: https://at.vwr.com/store/product/2340685/agar-feines-pulver-emprove-essential-ph-eur-bp-reinst)

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5.3.2. Elektroden

Bei der LCMB werden als Elektroden sogenannte

Kohlefaservliese, sind aus kurzen und wahllos

übereinander gepressten Kohlenstofffädchen auf-

gebaut, der Firma Carbon- Werke mit der Bezeich-

nung „SPC- 7011“ verwendet. Durch die Elektro-

den wird der Stromfluss der Zelle ermöglicht.

5.3.3. Anodenraum

Im Anodenraum der LCMB wird neben den Mikroorganismen (Hefe) auch ein Brennstoff (Glu-

cose) sowie ein Mediator (Indigocarmin) verwendet.

5.3.3.1 Mikroorganismen (Enzyme)

Wie nun bereits bekannt ist, dienen die Mikroorganismen in der LCMB als Antrieb, ohne sie

würden keine Elektronen erzeugt werden und die Brennstoffzelle nicht funktionieren. Nun stellt

sich die Frage, was sind eigentlich Mikroorganismen?

Mikroorganismen haben eine durchschnittliche Größe von 1- 100 µm und sind einzellige oder

mehrzellige Organismen. Organismen mit einem echten Zellkern werden als Eukaryoten oder

als Protisten bezeichnet. Sie lassen sich in den Bereich der Tiere, Urtierchen oder Protozoen,

aber auch der Pflanzen, Algen oder Pilze, einteilen. Diese Eukaryoten entwickeln sich immer

aus zellkernhaltigen Ausgangszellen und weißen einen deutlich größeren Umfang als die Pro-

karyoten auf. In ihren Zellen befinden sich Organellen, welche, wie Organe im menschlichen

Körper, unterschiedliche Funktionen ausüben. Dabei ist der Zellkern das wichtigste Organell,

denn er trägt den Hauptanteil des genetischen Materials und in ihm liegt die DNS in Chromo-

somen organisiert vor. Die Form und Struktur der Eukaryoten wird durch das Cytoskelett, ist

ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk, bestimmt. Das Gegenstück der Eukaryoten sind die

Prokaryoten, dabei handelt es sich um einzellige Organismen ohne einen Zellkern, zu dieser

Gattung zählen Bakterien und Archaeen. Der größte Unterscheid zu den Eukaryoten liegt in der

Tatsache, dass sie nicht über einen echten, also über einen von der Membranhülle umgebenen

Zellkern, verfügen. Hingegen besitzen sie eine einzige, zirkuläre DNS, welche in einer diffusen

Kernregion vorliegt. Manche Prokaryoten verfügen über zusätzliche Plasmide, genetische Ele-

mente, die in der Gentechnik als mobile Elemente, Vektoren, eingesetzt werden. Sie übertragen

Abb. 19: Carbonfaserelektrode

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42

Abb. 20: Aufbau einer Hefezelle (Quelle: Cypionka H.: Grundlagen der Mik-robiologie, S. 57

genetische Informationen von einem Stamm auf den anderen und Prokaryoten enthalten keine

Organellen. 58, 59

5.3.3.1.1. Hefen

Da bei der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“ Backhefe (Germ) für die Oxidation des

Brennstoffes verantwortlich ist, wird im Folgenden näher auf Hefen eingegangen. Hefen sind

Mikroorganismen, welche zur Gattung der höheren Pilze, teils zu den Asco- und teils zu den

Basidiomyceten, gehören. Sie bilden jedoch im Normalfall keine Hyphen, fadenförmige Zellen,

sondern sind Einzeller.

Im Detail gehören die Hefen zur Gattung der Saccharomyces (Zuckerhefen), welche die welt-

weit am häufigsten produzierten und industriell eingesetzten Mikroorganismen sind. Die Bä-

ckerhefe, auch Saccaromyces cerevisiae, gehört zur Abteilung der Schlauchpilze (Ascomycota)

und ist durch eine asexuelle Vermehrung durch Sprossung und dem Fehlen eines Myzels, be-

deutet die Gesamtheit an Hyphen, charakterisiert. Aufgrund der kurzen Generationszeit von ca.

90 Minuten und des kleinen Genoms (Erbgut) wurde die Bäckerhefe bereits sehr früh erforscht,

bereits seit 1996 liegt die Sequenz des gesamten Genoms vor. 60, 61

5.3.3.2. Brennstoff (Glucose)

So wie der Mensch, benötigen auch Mikroorganismen Energiequellen (Kohlenhydrate), die es

ihnen erlaubt durch verschiedene Umwandlungen Energie zu gewinnen. Im Fall der Hefen ist

58 Vgl.: CYPIONKA H.: Grundlagen der Mikrobiologie. 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2010, S. 4. 59 Vgl.: GROTE R., ANTRANIKIAN G.: Einführung in die Diversität, Systematik und Physiologie von Mikro-organismen. IN: Antranikian G. (Hrsg.): Angewandte Mikrobiologie, Springer- Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2006, S. 2- 4. 60 Vgl.: CYPIONKA H.: Grundlagen der Mikrobiologie, S. 57- 58. 61 Vgl.: GROTE R., ANTRANIKIAN G.: Einführung in die Diversität, Systematik und Physiologie von Mikro-organismen, S. 19- 21.

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43

dies Glucose, die durch den Abbau, der Glykolyse, und weiteren Schritten zu Energie umge-

wandelt wird und somit als Treibstoff dient. Bei der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

wird als Brennstoff Traubenzucker (D- Glucose) eingesetzt.

Die Stoffklasse der Kohlenhydrate werden in Mono-, Di- und Polysaccharide eingeteilt. Eine

weitere Einteilung kann in (Poly)hydroxyaldehyde, (Poly)hydroxyketone, die die Summenfor-

mel �� ∗ ����� besitzen, erfolgen. Der Begriff Saccharide ist vom griechischen Wort saccaros

(Zucker) abgeleitet. Monosaccharide, werden Einfachzucker genannt und sind Verbindungen,

die sich durch Hydrolyse, Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser,

nicht mehr in einfachere Zucker zerlegen lassen. Die ersten beiden Einteilungsgruppen, Mono-

und Disaccharide, werden oft allgemein als Zucker bezeichnet. Da es sich bei der Glucose um

ein Monosaccharid handelt, wird diese Gruppe noch kurz genauer betrachtet. Eine Unterteilung

der Monosaccharide erfolgt in solche, die eine Aldehydgruppe oder in solche, die eine Keto-

gruppe besitzen. Diese beiden Gruppen werden dann als Aldosen oder Ketosen bezeichnet. Eine

weitere Bezeichnung des vorliegenden Zuckers erfolgt durch die Betrachtung der Kohlenstoff-

atome in der Kette, je nach Anzahl der C- Atome in der Kette nennt man den Zucker Triose,

Tetrose, Pentose oder Hexose. Diese beiden Bezeichnungsarten können zusammengeführt wer-

den und führen somit zu einer eindeutigen Bezeichnung. Als Beispiel für diese Bezeichnung

werden im folgenden D- Glucose und D- Fructose dargestellt:

Zucker besitzen bis auf wenige Ausnahmen asymmetrische C- Atome, deren Anordnung im

Raum aus der Bezeichnung des jeweiligen Zuckers hervorgeht. Für diese Bezeichnung wird die

sogenannte D/L- Nomenklatur in Verbindung mit dem Trivialnamen verwendet. Die Konfigu-

ration am letzten asymmetrischen C- Atom, also jenes, dass am weitesten von der Aldehyd-

bzw. Ketofunktion entfernt ist, bestimmt ob es sich um einen Zucker aus der D- oder L- Reihe

handelt. Steht in der Fischer- Projektion, wie oben dargestellt, die Hydroxygruppe an diesem

Abb. 21: D- Glucose (eine Aldohexose) und D- Fructose (eine Ketohexose) (Org. Quelle:Wollrab A.: Organische Chemie, Eine Einfüh-rung für Lehramts- und Nebenfachstudenten, S.61, wurde verändert)

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C- Atom rechts, so handelt es sich um einen Zucker der D- Reihe. Steht die Hydroxygruppe

jedoch links, dann gehört der Zucker zur L- Reihe. Dem Trivialnamen des Zuckers wird je nach

Zugehörigkeit dann einfach ein D- oder L- vorgesetzt. Die Liganden, H und OH, sind bei D-

und L- Zuckern an den asymmetrischen C- Atomen immer spiegelverkehrt angeordnet. 62

Die Glucose spielt in der Welt der Pflanzen eine besondere Rolle, sie wird nämlich von Pflanzen

in der Photosynthese synthetisiert und dient als Energielieferant und als Ausgangsstoff für die

Biosynthese anderer Verbindungen. 63

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Die dargestellte Rückreaktion der Photosynthese, erfolgt beim Abbau der Glucose zu Energie,

also dem Kohlenhydratabbau. Dieser erfolgt in vielen unterschiedlichen Schritten und kann als

eine Vielzahl an Radwerken betrachtet werden, die perfekt miteinander und ineinander arbeiten.

Dieser Kohlenhydratabbau wird durch die Glykolyse (aus dem Griechischen glykys = süß

und lysis = auflösen bzw. Abbau von Zucker) gestartet und der Mikroorganismus wandelt die

Nährstoffe innerhalb dieses Abbauprozesses zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser um. Die ein-

zelnen Abbauschritte sind in der nachfolgenden Abbildung einfach dargestellt:

62 Vgl.: WOLLRAB A.: Organische Chemie. Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3. Auf-lage, Springer Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2009, S. 759- 764. 63 Vgl.: VOLKER H.: Die Photosynthese als erneuerbare Energie. Zukünftige Produktion von Biowasserstoff aus Sonnenlicht. Springer Spektrum, Bochum, 2015, S. 2.

Abb. 22: Abbauschritte der Glucose (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie und Moleku-larbiologie, S.162)

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45

Abb. 23: Glucose und Zwischenprodukte der Glykolyse (Quelle: Cypionka H.: Grundlagen der Mikrobiolo-gie, S. 144)

5.3.3.2.1. Glykolyse (Umwandlung von Glucose zu Pyruvat (=Ketopropansäure))

Die Glykolyse erfolgt im Cytosol, flüssige Bestandteile des Cytoplasmas, dem Bereich der

Zelle, der den Zellkern umfasst und von der Zellmembran umgeben wird, der eukaryotischen

und prokaryotischen Zellen und besteht aus 70% Wasser und den darin gelösten Ionen, in 10

enzymkatalysierten Reaktionen (siehe Abb. 25 grauschraffierte Kästchen). Wenn die Zellen

Glucose aufnehmen, wird sie dort phosphoryliert, das bedeutet, dass es zu einer enzymatischen

katalysierten Einführung einer oder mehrerer Phosphatgruppen in organische Moleküle kommt.

Diese entsprechenden Enzyme werden Kinasen genannt und stammen oft aus sehr energierei-

chen Phosphatgruppen, wie zum Beispiel ATP. Auch alle weiteren Zwischenprodukte die bei

der Glykolyse produziert werden weisen eine oder mehrere Phosphatgruppen auf und liegen

bei einem pH- Wert von 7 in negativ geladener Form vor. Die Zwischenprodukte bleiben in den

Zellen zurück, da Ionen nicht durch die Zellmembran diffundieren können. Bei der Glykolyse,

auch Embden- Meyerhof- Parnas- Weg oder Fructose- 1,6- Bisphosphat- Weg genannt, wird

also Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat und zu vier Reduktionsäquivalenten, also Elektronen

und Protonen, umgesetzt, dabei werden zwei ATP aus ADP und Phosphat regeneriert. In den

Abbildungen 23 und 24 sind Glucose, Pyruvat, Lactat und weitere phosphorylierte Zwischen-

produkte, die bei der Glykolyse entstehen dargestellt. 64, 65

64 Vgl.: http://www.chemgapedia.de/vsengine/glossary/de/cytoplasma.glos.html [Aufrufdatum: 08.06.2017] 65 Vgl.: http://www.chemgapedia.de/vsengine/glossary/de/phosphorylierung.glos.html [Aufrufdatum: 08.06.2017]

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Die vier Teilschritte der Glykolyse laufen kurz beschrieben wie folgt ab (siehe Abb. 25: 1- 4):

1. Zellen nehmen Glucose auf + Phosphorylierung -> Glucose-6-Phosphat (G-6-P) ent-

steht unter Verbrauch von einem ATP

2. Phosphorylierte Glucose wird zu Fructose-6-Phosphat (F-6-P) umgelagert und ein

weiteres Mal phosphoryliert -> Fructose-1,6-Bisphosphat (F-1,6-BP) entsteht unter

Verbrauch von einem ATP

3. Fructose-1,6-Bisphosphat wird im Anschluss in zwei C3- Verbindungen gespalten -

> Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehydphosphat (GAP)

4. Bildung von ATP (2x 2) durch energetische Kopplung mit der Oxidation von Gly-

cerinaldehyd-3-phosphat zu Pyruvat und Reduktion von Pyruvat zu

Lactat (zur Rückgewinnung von NAD+)

Abb. 24: Phosphorylierte C- Verbindungen sowie Pyruvat und Lactat (Quelle: Cypionka H.: Grundlagen der Mikrobiologie, S. 145)

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47

5.3.3.2.2. Pyruvat zu Acetyl- CoA

Unter aeroben Bedingungen (genügend Sauerstoff vorhanden) erfolgt die Umwandlung vom

zuvor gebildeten Pyruvat in der oxidative Decarboxylierung durch den Pyruvatdehydrogenase

(PDH-) Multienzymkomplex zu Acetyl- CoA. Dieser Multienzymkomplex setzt sich aus drei

verschiedenen Enzymen (E1, E2 & E3) zusammen, welche die Reaktionen bis zur Entstehung

des enzymgebundenen FADH2 katalysieren, das im Anschluss durch NAD� reoxidiert wird,

was zur Bildung von NADH + H+ führt.

!:;� � ��� � <�=� → �0 !���� � ��� � <�=� � ��

Abb. 25: Glykolyse (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie und Molekularbiologie, S.163)

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48

5.3.3.2.3. Acetyl- CoA Abbau im Citratzyklus

Neben Pyruvat werden unter aeroben Bedingungen auch Fettsäuren und bestimmte Aminosäu-

ren zu Acetyl- CoA abgebaut. Durch eine Übertragung einer Acetylgruppe durch Acetyl- CoA

auf Oxalacetat entsteht Citrat, welches im Citratzyklus in neuen Einzelaktionen (siehe Abb. 27)

wiederum durch sukzessive Oxidations- und Decarboxylierungsschritte zu CO2 und Oxalacetat

regeneriert wird.

Bilanz des Citratzyklus:

�0 !���� � 3<�=� � ?�= � @= � % � 2���→ 2��� � 3<�=� � 3�� � ?�=�� � @A � ���B�

Abb. 26: Pyruvat- Dehydrogenase- Komplex (Quelle: SCHÖNHEIT P.: Grundlagen des Kohlenhydratabbaus in Mikroorganismen, S. 52)

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49

5.3.3.2.4. Endoxidation in der Atmungskette

Die Atmungskette von Hefe entspricht im Wesentlichen derer höherer Organismen (Eukaryo-

ten), welche aus drei großen Multiproteinkomplexen (Komplex I, III und IV) besteht, die zu-

sammen mit kleineren Überträgern die Elektronen schrittweise von NADH und FADH2, auf

molekularen Sauerstoff (O2) transportieren und die dabei freiwerdende Energie wird zur Syn-

these von ATP genutzt. Im Gegensatz zu dieser Atmungskette ist die Hefe- Atmungskette ein-

facher und unterscheidet sich darin, dass nur zwei Protein- Komplexe vorhanden sind, die Cy-

tochrom c Reduktase und die Cytochrom c Oxidase. Sie besitzt also keine an die oxidative

Abb. 27: Citratzyklus (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie und Molekularbiologie, S.172)

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50

Phosphorylierung gekoppelte NADH- Oxidoreduktase (Komplex I) und die anderen Komplexe

sind in weniger Untereinheiten aufgeteilt.

66, 67, 68, 69

5.3.3.3. Mediatoren (Indigocarmin)

Mediatoren werden in der Literatur als Substanzen beschrieben, die Elektronen übertragen kön-

nen. Bei der LCMB wird als Mediator Indigocarmin verwendet um den Elektronenaustausch

zwischen den Mikroorganismen (Hefe) und der Elektrode zu ermöglichen. Wie bereits oben

beschrieben, wird dieser Mediator von den Hefezellen aufgenommen und dort reduziert. An-

schließend wird er an der negativen Elektrode (Anode) wieder (reversibel) reoxidiert und er-

möglicht somit die Abgabe der vorliegenden freien Elektronen. Einfach ausgedrückt, bildet er

eine „Übertragungsbrücke“ zwischen den Hefezellen und der Elektrode, indem er durch die

Umwandlung von NADH in NAD+ reduziert wird und dann die Elektronen durch eine Oxida-

tion an die Anode abgibt. In Abbildung 28 wird dieser Vorgang bildlich dargestellt, der vom

Substrat (Hefe) aufgenommene Mediator „überträgt“ die Elektronen zu Elektrode. 70, 71, 72, 73

66 Vgl.: SCHÖNHEIT P.: Grundlagen des Kohlenhydratabbaus in Mikroorganismen. IN: Antranikian G. (Hrsg.): Angewandte Mikrobiologie, Springer- Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2006, S. 37- 58. 67 Vgl.: CYPIONKA H.: Grundlagen der Mikrobiologie, S. 139- 148. 68 Vgl.: CHRISTEN P., JAUSSI R., BENOIT R.: Biochemie und Molekularbiologie. Eine Einführung in 40 Lerneinheiten. Springer- Verlag, Berlin/ Heidelberg, 2016, S. 161- 192. 69 Vgl.: http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z1999/0061/html/einleit.html [Aufrufdatum: 15.06.2017] 70 Vgl.: http://archiv.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/woche45b.html [Aufrufdatum: 01.06.2017] 71 Vgl.: HALL E. A. H.: Biosensoren, S.141- 145 & S. 239- 242. 72 Vgl.: BENNETTO H. P.: Electricity generation by microorganisms, bezogen unter: http://www.ncbe.rea-ding.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/bennetto.pdf [Aufrufdatum: 13.06.2017] 73 Vgl.: University of Reading: Microbial fuel cell, Teacher’s and technician’s notes, bezogen unter: http://www.ncbe.reading.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/FCTeacher.pdf [Aufrufdatum: 13.06.17]

Abb. 28: Atmungskette (Quelle: http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z1999/0061/html/ein-leit.html)

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51

5.3.4. Puffersystem

Bei der LCMB wird eine Pufferlösung, besteht aus einer schwachen Säure und einer schwachen

Base, verwendet um den pH- Wert in der Anodenkammer auf einem Wert von ca. 7 konstant

zu halten, und die verwendeten Mikroorganismen nicht zu schädigen. Eine Änderung des pH-

Wertes könnte dazu führen, dass die Hefezellen absterben und die Funktion des Brennstoffes

nicht mehr ausüben können. Laut Literatur kann auf unterschiedliche Puffer (z.B. Phosphatpuf-

fer) zurückgegriffen werden, in meinem Fall wurde ein selbsthergestellter pH= 7 Tris- Puffer

(Berechnungen siehe Kapitel 5.1.1) verwendet um das Absterben der Hefezellen zu verhin-

dern.74, 75

5.3.4. Kathodenraum

Bei der LCMB befindet sich in der Kathodenkammer entweder eine 0,02 molare Kaliumhexa-

cyanoferrat(III)- Lösung, auch rotes Blutlaugensalz genannt, oder dest. Wasser mit einigen

Tropfen Betaisodona. Beim Kaliumhexacyanoferrat(III) handelt es sich um einen festen, kristallinen, rubinroten, ge-

ruchlosen, nicht brennbaren und in Wasser leicht löslichen Stoff mit folgender Summenformel:

K3[Fe(CN)6]. In der LCMB übernimmt es den Part des Oxidationsmittels in der Kathodenkam-

mer, es nimmt also die von der Anode kommenden Elektronen auf und reduziert sich dabei

selbst zu Kaliumhexacyanoferrat(II) mit der Summenformel (K4 [ Fe(CN)6]). Das zuvor 3-fach

positiv geladene Eisenion wird also zu einem 2-fach positiv geladenen Eisenion reduziert. 76

74 Vgl.: BENNETTO H. P.: Electricity generation by microorganisms, bezogen unter: http://www.ncbe.rea-ding.ac.uk/MATERIALS/Microbiology/PDF/bennetto.pdf [Aufrufdatum: 13.06.2017] 75 Vgl.: LATSCHA H. P., KLEIN H. A., MUTZ M.: Allgemeine Chemie. Chemie- Basiswissen I. 10. Auflage, Springer- Verlag, Heidelberg/ Dordrecht/ London/ New York, 2011, S. 236- 238. 76 Vgl.: http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/004120.xml?f=templates&fn=default.htm [Aufrufdatum: 14.06.2017]

Abb. 29: Elektronenübertrag mit Hilfe eines Mediators (Quelle: http://archiv.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/wo-che45b.html)

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52

Bei Betaisodona handelt es sich um ein Desinfektionsmittel, dass unter anderem aus

Kaliumiodat besteht. In der LCMB übernimmt es die gleiche Aufgabe wie das Kaliumhexa-

cyanoferrat(III), es dient in der Kathodenkammer als Oxidationsmittel. Aufgrund der Tatsache,

dass Iodate starke Oxidationsmittel sind und im Betaisodona Kaliumiodat vorliegt, ist es im

Vergleich zu Kaliumhexacyanoferrat (III) ein stärkeres Oxidationsmittel. Dadurch können bei

der Verwendung in der LCMB bessere Ergebnisse bei der maximalen Spannung und Strom-

stärke als mit Kaliumhexacyanoferrat (III) erzielt werden. 77

77 Vgl.: http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/122620.xml?f=templates&fn=default.htm [Aufrufdatum: 14.06.2017]

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6. Experimenteller Teil -Weiterentwicklung der LCBM-

Um die, meiner Meinung, ideale Form der „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“ für den

Schuleinsatz zu bauen, waren verschiedene Varianten der Kammern, unterschiedliche Zusam-

mensetzungen, Schlauchlängen etc. notwendig. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden

im folgenden Kapitel näher dargestellt.

6.1. Nachbau mit neuem Elektrodenmaterial und verschiedenen Abständen

Im ersten experimentellen Teil lag mein Augenmerk auf dem Aufbau der mikrobiellen Brenn-

stoffzelle. Es wurde unter anderem die Länge des PVC Schlauches und die Position (Mitte bzw.

am unteren Rand der Dose) variiert. Weiters wurden von mir auch alternative Elektroden (Car-

bon- Werke, Wallerstein/ Deutschland) getestet, da die von Herrn Schatz verwendeten Elektro-

den (Universität Reading) mit ca. 110 Euro/ m� exkl. Versand sehr teuer sind (Bezug und Kos-

ten siehe Anhang 14.2). Dieser erste Teil brachte die Erkenntnis, dass die getestete Länge und

die Position des Schlauches sowie die neuen Elektroden keine Änderungen der maximalen

Spannung verursachen. Die Idee hinter einem längeren Schlauch lag darin, dass die Hantierung

für SchülerInnen leichter ist. Leider konnte beim ersten Versuch keine Stromstärke gemessen

werden, auch nicht durch Kombination mehrerer Zellen. Erst später stellte sich heraus, dass bei

allen von mir verwendeten Messgeräten (4 Stück) die Sicherungen defekt waren und somit

keine Stromstärke messbar war. Die Versuche mit der zweiten

neuen Folie (7010) wurden bereits nach dem zweiten Versuch

eingestellt, da diese beim Reinigen sehr leicht gerissen ist.

Alle Messergebnisse können in der nachfolgenden Tabelle 4

nachgelesen werden.

Abb. 32: Position der Schlauchverbindung ganz unten

Abb. 31: Position der Schlauchverbindung mittig

Abb. 30: Aktivierte "runde" LCMB

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54

Folie Schlauchlänge

[cm] / Position

Spannung [V]

am Start

Spannung [V]

nach 2min

Spannung [V]

nach 5min

Uni. Reading

(neu) 3 (Mitte) 0,48 0,54 0,56

Uni. Reading

(neu) 2 (Mitte) 0,46 0,53 0,55

Uni. Reading

(geb.) 3 (Tief) 0,35 0,40 0,43

Uni. Reading

(geb.) 3 (Tief) 0,32 0,52 0,57

Uni. Reading

(geb.) 3 (Mitte) 0,32 0,52 0,57

7011 (neu) 3 (Mitte) 0,33 0,54 0,54

7011 (geb.) 3 (Mitte) 0,22 0,49 0,53

7010 (neu) 3 (Mitte) 0,43 0,54 0,54

7010 (geb.) 3 (Mitte) Elektrode bereits beim ersten Mal Waschen gerissen!

7011 (neu) 3 (Tief) 0,35 0,49 0,56

7011 (geb.) 3 (Tief) 0,36 0,49 0,53

Uni Reading

(geb.) 3 (Tief) 0,28 0,44 0,47

Uni Reading

(neu) 3 (Mitte) 0,32 0,45 0,52

Uni. Reading

(neu) 3 (Tief) 0,27 0,38 0,48

Uni Reading

(geb.) 3 (Mitte) 0,30 0,43 0,50

7011 (neu) 3 (Mitte) 0,28 0,48 0,52

7011 (geb.) 3 (Mitte) 0,24 0,38 0,51

7011 (neu) 3 (Tief) 0,26 0,48 0,52

7011 (geb.) 3 (Tief) 0,23 0,47 0,50 Tabelle 4: Messergebnisse Teil 1

6.2. Optimierung der Zellenkonstruktion

Im zweiten Teil versuchte ich, die Bauart und Form der Brennstoffzellenkammern so zu verän-

dern, dass der Zusammenbau günstiger und vor allem für SchülerInnen vereinfacht werden

kann. Da die im ersten Teil verwendeten Kammern aus sehr hartem Kunststoff bestanden, ist

es beim Bohren der Löcher öfters dazu gekommen, dass die runden Kammern gesprungen sind

und darin ein erhebliches Verletzungsrisiko für SchülerInnen besteht. Aus diesem Grund wur-

den die harten Kammern gegen weiche rechteckige PVC- Kammern ausgetauscht. Eine weitere

Neuerung wurde im Bereich der chemischen Zusammensetzung ausprobiert, statt rotem Blut-

laugensalz wurde Betaisodona verwendet (grau schaffiert). Auch beim zweiten Versuchsteil

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55

konnte, aufgrund der defekten Sicherungen, keine Stromstärke gemessen werden. Alle Mess-

ergebnisse können in der nachfolgenden Tabelle nachgelesen werden.

Folie Schlauchlänge

[cm] / Position

Spannung [V]

am Start

Spannung [V]

nach 2min

Spannung [V]

nach 5min

7011 (neu) 3 (Tief) 0,24 0,46 0,53

7011 (geb.) 3 (Tief) 0,23 0,44 0,48

7011 (neu) 3 (Tief) 0,23 0,42 0,49

7011 (neu) 3 (Tief) 0,24 0,46 0,52

7011 (neu) 3 (Tief) 0,29 0,50 0,51

7011 (neu) 3 (Tief) 0,33 0,48 0,50

7011 (neu) 3 (Tief) 0,35 0,45 0,48

7011 (neu) 3 (Tief) 0,27 0,52 0,53

7011 (neu) 3 (Tief) 0,35 0,60 0,69

7011 (neu) 3 (Tief) 0,48 0,65 0,68

7011 (neu) 3 (Tief) 0,40 0,58 0,62

7011 (neu) 3 (Tief) 0,43 0,55 0,65 Tabelle 5: Messergebnisse Teil 2

6.3. Optimierung der Messergebnisse

Im dritten Teil lag das Hauptaugenmerk meiner Arbeit darin, herauszufinden warum bei den

Versuchen zuvor nie eine Stromstärke messbar war. Eine Idee war es, durch zwei kurze Memb-

ranen eine erhöhte Durchgängigkeit der Ionen und eine Minimierung des Widerstandes zu er-

reichen, um somit eine messbare Stromstärke zu erhalten. Eine weitere Idee war es, durch die

Verwendung von Leitungswasser statt dest. Wasser für die Herstellung der Lösungen im Ano-

den- und Kathodenraum eine messbare Stromstärke zu erreichen. Auch durch diese beiden

Ideen war keine Stromstärke messbar, erst durch die Verwendung eines neuen Multimeters

wurde eine Messung möglich, da bei den zuvor verwendeten Multimetern die Sicherungen de-

fekt waren. Der Zusatz einer zweiten Membran brachte eine Erhöhung der Stromstärke um

0,01mA, was den deutlich erschwerten Aufbau im Schulunterricht meiner Meinung nach nicht

rechtfertigt (blau markiert). Die Verwendung von Leitungswasser brachte bei der Stromstärke

eine deutliche Verschlechterung, bei der Spannung nur eine kleine. Aus diesem Grund wurden

die weiteren Versuche wieder, wie unter dem zuvor beschriebenen Kapitel 6.2, mit den weichen

PVC- Kammern, einzelnem Membranschlauch und Betaisodona, durchgeführt. Alle Messer-

gebnisse können in der nachfolgenden Tabelle 6 nachgelesen werden.

Folie Schlauchlänge

[cm] / Position

Stromstärke

[µA] am Start

Spannung [V]

nach 2min

Spannung [V]

nach 5min

7011 (neu) 3 (Tief/ doppelt) 65 0,56 0,70

7011 (geb.) 3 (Tief/ doppelt) 63 0,51 0,65

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56

7011 (neu.) 3 (Tief) 54 0,42 0,67

7011 (geb.) 3 (Tief) 52 0,44 0,64 Tabelle 6: Messergebnisse mit doppelter Membran bzw. mit Leitungswasser

6.4. Herstellung eines Lehrerexemplars der LCMB

Im letzten Praxisteil meiner Diplomarbeit versuchte ich eine große LCMB als LehrerInnen-

Exemplar zu entwerfen, um eine Leuchtdiode betreiben zu können. Zu diesem Zweck wurden

alte Chemikalienkunststoffgefäße (oberer Teil wurde abgeschnitten) mit einem Volumen von

ca. 1 Liter als Kammern verwendet und 12 Agar- Agar Membranen eingebaut. Die Menge an

Lösungen wurde in den beiden Kammern auf das Zehnfache, also auf 300ml pro Kammer, er-

höht. Auch die Elektrodengröße wurde auf ca. 10x 6 cm vergrößert. Leider konnte jedoch keine

Leuchtdiode betrieben werden, da die zur Betreibung dieser Diode notwenige Stromstärke

(2mA) und die Spannung (1,9V) nicht erreicht werden konnten.

Folie Schlauchlänge

[cm] / Position

Stromstärke

[µA] nach 1min

Spannung [V]

am Start

Spannung [V]

nach 5min

7011 (geb.) 2 (12 Stk.) 315 0,33 0,65 Tabelle 7: Messergebnisse der LehrerInnen LCMB

Abb. 33: LehrerInnen LCMB (Stromstärke wird in µA angezeigt)

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57

Da diese Idee leider nicht den gewünschten Erfolgt brachte, wurden um eine Erhöhung der

Spannung und der Stromstärke zu erreichen mehrere LCMB’s in einer Serien- bzw. Parallel-

schaltung miteinander verbunden. Die Ergebnisse der Serien- und Parallelschaltung von fünf

Zellen ist in der nachfolgenden Tabelle 8 mit gelb bzw. orange markiert. Alle weiteren Mess-

ergebnisse (Bau laut Kapitel 6.2.) können in der nachfolgenden Tabelle 8 nachgelesen werden.

Folie Schlauchlänge

[cm] / Position

Stromstärke

[µA] nach 1min

Spannung [V]

am Start

Spannung [V]

nach 5min

7011 (geb.) 3 (Tief) 52 0,33 0,62

7011 (geb.) 3 (Tief) 54 0,28 0,63

7011 (geb.) 3 (Tief) 53 0,28 0,62

7011 (geb.) 3 (Tief) 50 0,32 0,63

7011 (geb.) 3 (Tief) 53 0,33 0,62

7011 (geb.) 3 (Tief) 53 1,9 3,3

7011 (geb.) 3 (Tief) 250 0,34 0,64 Tabelle 8: Messergebnisse einzelner LCMB’s sowie Serien- und Parallelschaltung

Abb. 34: Serienschaltung von 5 LCMB's (Spannung wird in V angezeigt)

Abb. 35: Parallelschaltung von 5 LCMB's (Stromstärke wird in µA an-gezeigt)

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7. Didaktische Umsetzung des Experiments

Wie im ersten Kapitel bereits durch die Eingliederung des Experiments in den Unterricht dar-

gestellt wurde, ist die „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“ sowohl in der Sekundarstufe I

wie auch in der Sekundarstufe II einsetzbar.

7.1. SEK I

7.1.1. Kompetenzen 78

� Handlungsdimension:

o Wissen organisieren: Aneignen, Darstellen und Kommunizieren

� Ich kann einzeln oder im Team …

W 1: Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik beschrei-

ben und benennen

W 3: Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und Technik in ver-

schiedenen Formen (Grafik, Tabelle, Bild, Diagramm …) darstellen, er-

klären und adressatengerecht kommunizieren

o Erkenntnisse gewinnen: Fragen, Untersuchen, Interpretieren

� Ich kann einzeln oder im Team …

E 1: zu Vorgängen und Phänomenen in Natur, Umwelt und Technik Be-

obachtungen machen oder Messungen durchführen und diese beschrei-

ben

E 3: zu Fragestellungen eine passende Untersuchung oder ein Experi-

ment planen, durchführen und protokollieren

o Schlüsse ziehen: Bewerten, Entscheiden, Handeln

� Ich kann einzeln oder im Team …

S 2: Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von naturwis-

senschaftlichen Erkenntnissen für mich persönlich und für die Gesell-

schaft erkennen, um verantwortungsbewusst zu handeln

� Anforderungsdimension:

N 1: Ausgehend von stark angeleitetem, geführtem Arbeiten Sachverhalte aus Natur,

Umwelt und Technik mit einfacher Sprache beschreiben, mit einfachen Mitteln unter-

suchen und alltagsweltlich bewerten; reproduzierendes Handeln.

78 Vgl.: https://www.bifie.at/system/files/dl/bist_nawi_kompetenzmodell-8_2011-10-21.pdf [Aufrufdatum: 08.06.2017]

Page 59: „Grüne“ Energiegewinnung im NAWI- Unterricht in der ... · „Grüne“ Energiegewinnung im NAWI- Unterricht in der Sekundarstufe -Mögliche Beiträge aus der Chemie- Diplomarbeit

59

N 2: Sachverhalte und einfache Verbindungen zwischen Sachverhalten aus Natur, Um-

welt und Technik unter Verwendung einzelner Elemente der Fachsprache (inkl. Be-

griffe, Formeln) und der im Unterricht behandelten Gesetze, Größen und Einheiten be-

schreiben, untersuchen und bewerten; Kombination aus reproduzierendem und selbst-

ständigem Handeln.

� Inhaltsdimension:

C 3: Grundmuster chemischer Reaktionen

C 4: Rohstoffquellen und ihre verantwortungsbewusste Nutzung

7.1.2. Dauer

7.1.2.1. Bau und Anwendung LCMB

� Bau: Die SchülerInnen müssen den gesamten Versuch selbstständig aufbauen.

� ca. 35min

� Durchführung: Die SchülerInnen arbeiten nach der Arbeitsvorschrift und lösen selbst-

ständig die Aufgabenstellungen.

� ca. 10min

� Nachbereitung: Die SchülerInnen müssen ihren Versuch abbauen und die Chemikalien

richtig entsorgen. Im Anschluss werden die Aufgabenstellungen in einem Lehrer- Schü-

lerInnen Gespräch gemeinsam „kontrolliert“.

� ca. 10min

Abb. 36: Kompetenzspinne SEK I (Grundmuster: http://www.idn.uni-bremen.de/komdif/wp-con-tent/uploads/2014/02/Modell-zur-experimentellen-Kompetenz.png)

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60

7.1.2.2. Anwendung LCMB

� Aufbau: Der Bau und das Befüllen der LCMB’s werden vom Lehrkörper durchgeführt.

Die SchülerInnen müssen selbstständig die Lösungen herstellen.

� ca. 15min

� Durchführung: Die SchülerInnen arbeiten nach der Arbeitsvorschrift und lösen selbst-

ständig die Aufgabenstellungen.

� ca. 10min

� Nachbereitung: Die SchülerInnen müssen ihren Versuch abbauen und die Chemikalien

richtig entsorgen. Im Anschluss werden die Aufgabenstellungen in einem Lehrer- Schü-

lerInnen Gespräch gemeinsam „kontrolliert“.

� ca. 10min

7.2. SEK II

7.2.1. Kompetenzen 79

� Handlungsdimension:

o Wissen organisieren: recherchieren, darstellen, kommunizieren

� Ich kann einzeln oder im Team …

WO 2: Daten sowie Vorgänge und Phänomene in Natur, Umwelt und

Technik in verschiedenen Formen (Text, Grafik, Tabelle, Bild, Dia-

gramm, Modell, …) adressatengerecht darstellen, erläutern und diskutie-

ren

WO 5: die Bedeutung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse für die Ent-

wicklung von Zivilisation und Kultur darstellen, erläutern und diskutie-

ren

o Erkenntnisse gewinnen: fragen, untersuchen, interpretieren

� Ich kann einzeln oder im Team …

EO 1: zu naturwissenschaftlichen Fragen, Vermutungen und Problem-

stellungen eine passende Untersuchung (Beobachtung, Messung, Expe-

riment, …) durchführen und protokollieren

EO 2: Daten und Ergebnisse von Untersuchungen analysieren

79 Vgl.: Bundesministerium für Bildung und Frauen: Die kompetenzorientierte Reifeprüfung Chemie -Richtli-nien und Beispiele für Themenpool-, bezogen unter: https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/ba/reifeprue-fung_ahs_lfch_22323.pdf [Aufrufdatum: 08.06.2017]

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EO 3: zu naturwissenschaftlichen Fragen, Vermutungen und Problem-

stellungen eine passende Untersuchung (Beobachtung, Messung, Expe-

riment, …) planen. Schlüsse ziehen: bewerten, entscheiden, handeln

EO 7 … die Relevanz von Untersuchungsergebnissen im Hinblick auf

eine konkrete Frage, Vermutung oder Problemstellung einschätzen

o Konsequenzen ziehen: bewerten, entscheiden, handeln

� Ich kann einzeln oder im Team …

KO 4: Daten, Fakten und Ergebnisse aus verschiedenen Quellen sowie

Schlussfolgerungen kritisch hinterfragen und Gründe für deren An-

nahme oder Verwerfung angeben

KO 6: Bedeutung, Chancen und Risiken der Anwendungen von natur-

wissenschaftlichen Erkenntnissen für mich persönlich und für die Ge-

sellschaft einschätzen

KO 7: Entscheidungen in gesellschaftlich relevanten Fragen aus natur-

wissenschaftlicher Sicht begründen und bewerten

� Anforderungsdimension:

N 1: SchülerInnen werden angeleitet durch die Aufgabe(n) geführt.

N 2: SchülerInnen bearbeiten die Aufgabe(n) selbständig.

� Inhaltsdimension:

C 2: Stoffumwandlung und Energetik

C 3: Rohstoffe, Synthesen und Kreisläufe

Abb. 37: Kompetenzspinne SEK II (Grundmuster: http://www.idn.uni-bremen.de/komdif/wp-con-tent/uploads/2014/02/Modell-zur-experimentellen-Kompetenz.png)

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7.2.2. Dauer

7.2.2.1. Bau und Anwendung LCMB

� Bau: Die SchülerInnen müssen den gesamten Versuch selbstständig aufbauen.

� ca. 25min

� Durchführung: Die SchülerInnen arbeiten nach der Arbeitsvorschrift und lösen selbst-

ständig die Aufgabenstellungen.

� ca. 10min

� Nachbereitung: Die SchülerInnen müssen ihren Versuch abbauen und die Chemikalien

richtig entsorgen. Im Anschluss werden die Aufgabenstellungen in einem Lehrer- Schü-

lerInnen Gespräch gemeinsam „kontrolliert“.

� ca. 10min

7.2.2.2. Anwendung LCMB

� Aufbau: Der Bau und das Befüllen der LCMB’s werden vom Lehrkörper durchgeführt.

Die SchülerInnen müssen selbstständig die Lösungen herstellen.

� ca. 10min

� Durchführung: Die SchülerInnen arbeiten nach der Arbeitsvorschrift und lösen selbst-

ständig die Aufgabenstellungen.

� ca. 10min

� Nachbereitung: Die SchülerInnen müssen ihren Versuch abbauen und die Chemikalien

richtig entsorgen. Im Anschluss werden die Aufgabenstellungen in einem Lehrer- Schü-

lerInnen Gespräch gemeinsam „kontrolliert“.

� ca. 10min

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8. Arbeitsblätter -SchülerInnenversion-

8.1. Bau und Anwendung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

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8.2. Anwendung der „Low Cost mikrobiellen Brennstoffzelle“

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9. Weitere Informationen und Tipps für Lehrende zum Experiment

9.1. Ergebnisse der Berechnungen

9.1.1. Traubenzuckerlösung (D- Glucoselösung)

0 = 1E��� F = 50E� = 0,05�J = 180,16 LE��

E = J ∗ 0 ∗ F = 180,16 LE�� ∗ 1E��� ∗ 0,05� = 9L

→ �ü2�1E���@�:0���ö�:�LEü���9L@�:0���:�50E�E2 �� .P����:L�ü�� Q��

9.1.2. Indigocarminlösung

0 = 0,01E��� F = 50E� = 0,05�J = 466,36 L

E��

E = J ∗ 0 ∗ F = 466,36 LE�� ∗ 0,01

E��� ∗ 0,05� = 0,23L

→ �ü2�0,01E���R��2L�1�E2��ö�:�LEü���0,23LR��2L�1�E2��:�50E�E2 �� .P����:L�ü�� Q��

9.1.3. Rote Blutlaugensalzlösung

0 = 0,02E��� F = 100E� = 0,05�J = 329,24 L

E��

E = J ∗ 0 ∗ F = 329,24 LE�� ∗ 0,02

E��� ∗ 0,1� = 0,66L

→ �ü2�0,02E���� ��: ��:L������ö�:�LEü���0,66L� ���: ��:L������:�100E�E2 �� .P����:L�ü�� Q��

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70

9.2. Schaltungspläne

9.2.1. Serienschaltung (Reihenschaltung)

Bei einer Serienschaltung müssen die verwendeten Elemente immer in einer Reihe miteinander

verbunden werden. Zu beachten ist, dass durch das Zusammenschließen der Elemente die Span-

nung (STUV�erhöht und die Stromstärke (RTUV�gleich bleibt.

STUV = WS� = S- � S� �⋯�SYY

�Z-

RTUV = R- = R� = ⋯ = R�

9.2.2. Parallelschaltung

Das Gegenstück einer Serienschaltung ist die Parallelschaltung, bei der die verwendeten Ele-

mente parallel zueinander geschalten werden müssen. Dabei ist die Spannung (STUV�gleich-

bleibend und die Stromstärke (RTUV�wird erhöht.

RTUV =WR� = R- � R� �⋯�RYY

�Z-

STUV = S- = S� = ⋯ =S�

Abb. 38: Serienschaltung von 5 Brennstoffzellen (Gezeichnet mit https://www.digikey.at/schemeit/project/)

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9.3. Messergebnisse

Bei der Verwendung von rotem Blutlaugensalz ist eine maximale Spannung von ca. 0,5V (nach

ca. 5min) messbar. Wenn hingegen Betaisodona anstelle von rotem Blutlaugensalz verwendet

wird, kann eine maximale Spannung von ca. 0,7V (nach ca. 5min) und eine Stromstärke von

ca. 54 µA (nach ca. 1min) erreicht werden. Durch die unterschiedlichen Schaltungsvarianten ist es möglich, mit 5 LCMB’s eine maximale

Spannung von ca. 3,3V (Serienschaltung) und eine maximale Stromstärke von ca. 250µA (Pa-

rallelschaltung) zu erreichen.

9.4. Richtige Entsorgung

Die in den Kammern zurückbleibenden Lösungen dürfen

in den Abfluss entsorgt werden, da sie keine Gefahr für die Umwelt darstellen.

Ausnahme bildet das rote Blutlaugensalz, es muss im Behälter für anorganische Abfälle ent-

sorgt werden!

9.5. Hinweise zum Versuch

Um einschätzen zu können, ob die von mir erstellten Arbeitsblätter für SchülerInnen umsetzbar

sind, habe ich meine Arbeitsblätter im Zuge des „Anorganisch- chemische Schulversuche“ La-

bors auf der Uni mit Studierenden ausprobiert und den Bau sowie die Anwendung der LCMB

Abb. 39: Parallelschaltung von 5 Brennstoffzellen (Gezeichnet mit https://www.digikey.at/schemeit/project/)

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durchgeführt. Durch die Durchführung der Studierenden, habe ich wertvolle Infos die Arbeits-

blätter optimieren können.

Eine wichtige Information die sich aus den Versuchsreihen ergeben hat, ist die Tatsache, dass

das Agar- Agar sorgfältig aufgekocht werden muss und beim Einfüllen in die Kammern eine

zähe Konsistenz (sollte beim Umrühren an den Wänden „kleben“ bleiben) darstellen muss, da

sonst der Druck, der beim Einfüllen der Flüssigkeiten entsteht, die Agar- Agar Verbindung aus

der Schlauchverbindung drückt. Wichtig ist, dass das Einfüllen der Lösungen am besten gleich-

zeitig passieren sollten, damit in den beiden Kammern das gleiche Druckverhältnis vorliegt.

Weiters sollten bereits vor dem Einfüllen die Elektroden vor der Membran befestigt werden,

um ein herauslösen der Agar- Agar- Membran zu verhindern. Wichtig bei der Anschaffung des

Agar- Agar ist, dass es keine Nähr- Ionen enthalten darf, da der Versuch sonst nicht funktioniert

(wurde mir von Herrn Schatz mitgeteilt). Wenn der Versuch als reiner Anwendungsversuch

durchgeführt werden soll und die Agar- Agar- Membran vom Lehrenden hergestellt wird, ist

zu beachten, dass das Agar- Agar nicht zu lange aushärten darf, da es sich sonst sehr stark an

den Ecken zusammenzieht und die Membranverbindung im Schlauch dabei gelöst und heraus-

gezogen wird. Bei meiner Versuchsreihe ist dies bei einer Aushärtung über Nacht (ca. 12 Stun-

den) passiert. Das aus den Kammern geschnittene Agar- Agar kann z.B. in Marmeladengläsern

„luftdicht“ im Kühlschrank über mehrere Wochen, bei meinen Versuchen waren es 4 Wochen,

gelagert werden. Die Carbonfaserelektroden sollten vor der Wiederverwendung trocken sein und zuvor sorgfäl-

tig mit dest. Wasser gereinigt werden (Achtung: reißen beim unvorsichtigen Waschen ein). Die PCV Schlauchverbindung kann zur Vereinfachung für die SchülerInnen auch eine Länge

von ca. 4 cm haben und jeweils einen 0,5 cm Überstand in beiden Kammern haben. Den Über-

stand in den Kammern kann man nach dem Aushärten des Heißklebers mit Hilfe eines scharfen

Messers oder einer „heißen Klinge“ entfernen, damit die Elektroden später wirklich bündig

anliegen können. Beim Bau der LCMB kann in der Oberstufe z.B. auch mit einem Messer anstelle einer Laubsäge

gearbeitet werden. Um in der Unterstufe das mögliche Verletzungsrisiko zu minimieren, kann

anstelle eines Akkuschraubers ein Handbohrer verwendet werden. Der Lötkolben kann durch

einen anderen scharfen und spitzen Gegenstand ersetzt werden, oder auch ganz weggelassen

werden, jedoch erleichtert das kleine Loch, das Bohren mit dem Bohrer, da man bereits einen

Mittelpunkt für die Bohrspitze hat.

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10. Resümee

Im Rahmen der Diplomarbeit „Grüne Energiegewinnung im NAWI- Unterricht in der Sekun-

darstufe -Mögliche Beiträge aus der Chemie-“ wurde, wie der Titel schon vorwegnimmt, ver-

sucht, die Thematik von erneuerbaren, umweltschonenden und „grünen“ Energiegewinnungs-

systemen im klassischen Chemieunterricht wie auch in einem fächerübergreifenden Unterricht

mit Biologie und Physik der Sekundarstufe I und II zu erreichen. Die Umsetzung dieses Ziels wurde durch das Experiment „Low Cost mikrobielle Brennstoff-

zelle“ kurz „LCMB“ erreicht. Beim Bau und bei der Anwendung der LCMB wird SchülerInnen

im kleinen Maßstab gezeigt, dass es umweltschonende Alternativen zu den klassischen Ener-

giegewinnungssystemen gibt. Die großen Vorteile der LCMB liegen vor allem darin, dass durch

die detaillierte Bauanleitung der Bau von SchülerInnen jeder Schulstufe ohne Probleme durch-

geführt werden kann und die Kosten pro SchülerIn bei ca. 2,13 Euro liegen und somit im Ver-

gleich zu handelsüblichen mikrobiellen Brennstoffzellen (ca. 80 Euro) sehr gering sind. Weiters

kann das Experiment bei Zeitmangel auch als Anwendungsexperiment, also ohne den Bau der

LCMB, durch kleine Vorbereitungen der Lehrpersonen durchgeführt werden und bietet sich

somit auch ideal für einen Unterricht ohne ein mögliches Labor an. Die Messergebnisse einer

einzelnen LCMB liegen bei ca. 0,7 V (=Spannung) und bei ca. 52µA (=Stromstärke), bei einer

Serienschaltung aus fünf Zellen nimmt die Spannung auf ca. 3,3 V zu und bei einer Parallel-

schaltung aus fünf Zellen nimmt die Stromstärke auf ca. 250µA zu. Besonders das Zusammen-

schalten von einzelnen Zellen ermöglicht es, den SchülerInnen zu zeigen, dass bereits durch

wenige in Verbindung gebrachte Zellen eine deutliche Steigerung der Spannung bzw. der

Stromstärke erreicht werden kann. Dadurch sollen sie erkennen, welche Möglichkeit und Po-

tenzial hinter dieser Energiegewinnungsart liegt. In diesem Zusammenhang würde sich im Un-

terricht auch eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung anbieten, um gleichzeitig eine

Erhöhung der beiden Einheiten Spannung und Stromstärke zu erreichen. Dafür müssen immer

zwei Zellen parallelgeschaltet werden und diese beiden wiederum mit den nächsten parallel

geschalteten Zellen in Serie geschalten werden. Ein Hintergrundwissen für Lehrpersonen und Wissensinteressierte dieser Thematik wird im

Theorieteil dieser Arbeit, Brennstoffzellen (Art, Funktion und Aufbau), angeboten. Für die Um-

setzung des Experiments „Low Cost mikrobielle Brennstoffzelle“ können die erstellten Arbeits-

blätter herangezogen werden und ich wünsche in diesem Zusammenhang ein erfolgreiches Ex-

perimentieren.

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12. Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Modell NAWI- Standards (Quelle: Lucyshyn: Bildungsstandards in Österreich,

Entwicklung und Implementierung, Pilotphase II (2004-2007), S.90 ..................................... 11

Abb. 2: Naturwissenschaftliches SEK I Kompetenzmodell (Quelle:

https://www.bifie.at/system/files/dl/bist_nawi_kompetenzmodell-8_2011-10-21.pdf ............ 16

Abb. 3: Naturwissenschaftliches SEK II Kompetenzmodell (Quelle:

https://www.bmb.gv.at/schulen/unterricht/ba/reifepruefung_ahs_lfph.pdf?4k21fs) ............... 18

Abb. 4: „Blackbox“ (Quelle: Lehmann, Luschtinetz: Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 27)

.................................................................................................................................................. 25

Abb. 5: Prinzip der inneren Abläufe (Quelle: Lehmann, Luschtinetz: Wasserstoff und

Brennstoffzellen, S. 27) ............................................................................................................ 26

Abb. 6: Innere Abläufe in einer PEM Brennstoffzelle (Quelle: Lehmann, Luschtinetz:

Wasserstoff und Brennstoffzellen, S. 31) ................................................................................. 27

Abb. 7: Mikrobielle Brennstoffzelle (Quelle: http://archiv.aktuelle-

wochenschau.de/2006/woche45b/woche45b.html) .................................................................. 33

Abb. 8: Loch mit Lötkolben brennen (Mittelpunkt für Bohrer) ............................................... 36

Abb. 9: Loch mit 10er Holzbohrer bohren ............................................................................... 36

Abb. 10: Markierung bei 3,5cm + 10er Loch ........................................................................... 37

Abb. 11: Entfernen des oberen Teils der PVC- Flasche .......................................................... 37

Abb. 12: Verklebte Brennstoffzelle ......................................................................................... 37

Abb. 13: Agar- Agar aufkochen ............................................................................................... 38

Abb. 14: Mit Agar- Agar befüllte Brennstoffzelle .................................................................. 38

Abb. 15: Lösen der Agar- Agar- Schicht mit einem Messer .................................................... 39

Abb. 16: Herauslösen der Agar- Agar- Schicht mit einem Löffelspatel .................................. 39

Abb. 17: Aktivierte Brennstoffzelle (Spannung wird in V angezeigt) ..................................... 39

Abb. 18: Strukturformel Agar- Agar (Quelle: https://at.vwr.com/store/product/2340685/agar-

feines-pulver-emprove-essential-ph-eur-bp-reinst) .................................................................. 40

Abb. 19: Carbonfaserelektrode................................................................................................. 41

Abb. 20: Aufbau einer Hefezelle (Quelle: Cypionka H.: Grundlagen der Mikrobiologie, S. 57

.................................................................................................................................................. 42

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Abb. 21: D- Glucose (eine Aldohexose) und D- Fructose (eine Ketohexose) (Org. Quelle:

Wollrab A.: Organische Chemie, Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten,

S.61, wurde verändert) ............................................................................................................. 43

Abb. 22: Abbauschritte der Glucose (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie

und Molekularbiologie, S.162) ................................................................................................. 44

Abb. 23: Glucose und Zwischenprodukte der Glykolyse (Quelle: Cypionka H.: Grundlagen

der Mikrobiologie, S. 144) ....................................................................................................... 45

Abb. 24: Phosphorylierte C- Verbindungen sowie Pyruvat und Lactat (Quelle: Cypionka H.:

Grundlagen der Mikrobiologie, S. 145) ................................................................................... 46

Abb. 25: Glykolyse (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie und

Molekularbiologie, S.163) ........................................................................................................ 47

Abb. 26: Pyruvat- Dehydrogenase- Komplex (Quelle: SCHÖNHEIT P.: Grundlagen des

Kohlenhydratabbaus in Mikroorganismen, S. 52) ................................................................... 48

Abb. 27: Citratzyklus (Quelle: Christen Ph., Jaussi R., Benoit R.: Biochemie und

Molekularbiologie, S.172) ........................................................................................................ 49

Abb. 28: Atmungskette (Quelle: http://archiv.ub.uni-

marburg.de/diss/z1999/0061/html/einleit.html) ....................................................................... 50

Abb. 29: Elektronenübertrag mit Hilfe eines Mediators (Quelle: http://archiv.aktuelle-

wochenschau.de/2006/woche45b/woche45b.html) .................................................................. 51

Abb. 30: Aktivierte "runde" LCMB ......................................................................................... 53

Abb. 31: Position der Schlauchverbindung mittig ................................................................... 53

Abb. 32: Position der Schlauchverbindung ganz unten ........................................................... 53

Abb. 33: LehrerInnen LCMB (Stromstärke wird in µA angezeigt) ......................................... 56

Abb. 34: Serienschaltung von 5 LCMB's (Spannung wird in V angezeigt) ............................ 57

Abb. 35: Parallelschaltung von 5 LCMB's (Stromstärke wird in µA angezeigt) ..................... 57

Abb. 36: Kompetenzspinne SEK I (Grundmuster: http://www.idn.uni-bremen.de/komdif/wp-

content/uploads/2014/02/Modell-zur-experimentellen-Kompetenz.png) ................................ 59

Abb. 37: Kompetenzspinne SEK II (Grundmuster: http://www.idn.uni-bremen.de/komdif/wp-

content/uploads/2014/02/Modell-zur-experimentellen-Kompetenz.png) ................................ 61

Abb. 38: Serienschaltung von 5 Brennstoffzellen (Gezeichnet mit

https://www.digikey.at/schemeit/project/) ............................................................................... 70

Abb. 39: Parallelschaltung von 5 Brennstoffzellen (Gezeichnet mit

https://www.digikey.at/schemeit/project/) ............................................................................... 71

Abb. 40: Verwendete Stoffe ..................................................................................................... 82

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81

Abb. 41: 50ml Weithals- PVC- Flasche ................................................................................... 84

13. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Inhaltsdimensionen SEK I- Kompetenzmodell ....................................................... 17

Tabelle 2: Inhaltsdimensionen SEK II- Kompetenzmodell ..................................................... 19

Tabelle 3: Überblick der verschiedenen Arten der Brennstoffzelle ......................................... 31

Tabelle 4: Messergebnisse Teil 1 ............................................................................................. 54

Tabelle 5: Messergebnisse Teil 2 ............................................................................................. 55

Tabelle 6: Messergebnisse mit doppelter Membran bzw. mit Leitungswasser ........................ 56

Tabelle 7: Messergebnisse der LehrerInnen LCMB ................................................................ 56

Tabelle 8: Messergebnisse einzelner LCMB’s sowie Serien- und Parallelschaltung .............. 57

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14. Anhang

14.1. Bezug und Kosten der Chemikalien und Materialien der LCMB

14.1.1. Chemikalien 80, 81, 82, 83, 84, 85

• Kaliumhexacyanoferrat(III) (rotes Blutlaugensalz; K3[Fe(CN)6])

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: 22,90 € / 500g

• Betaisodona (Desinfektionsmittel aus der Apotheke)

o möglicher Bezug: www.shop-apotheke.at

o Kosten: 4,12 €/ 100ml

• Indigocarmin (Indigotin; C16H8N2Na2O8S2)

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: 21,50 € / 25g

• Pufferlösung (pH=7; Tris- Puffer)

o Herstellung: 100ml 0,1M Trometamol + 93,2 ml 0,1M HCL

o Anmerkung: laut Lit. auch andere Puffer möglich (z.B. Phosphatpuffer)

• Agar- Agar

o möglicher Bezug: Reformhaus bzw. www.prokopp.co.at

o Kosten: 5,99 € / 50g;

o oder https://at.vwr.com/store/

o Kosten: 509,648 € / 1kg

• Trockenhefe (Haas)

o möglicher Bezug: Interspar

o Kosten: 0,69 € / 3 Pkg.

• Traubenzucker (Dextro Energy)

o möglicher Bezug: Interspar

o Kosten: 1,69 € / Pkg.

80 www.carlroth.com 81 www.shop-apotheke.at 82 https://eshop.semadeni.com/ 83 www.interspar.at 84 www.prokopp.co.at 85 www.esska.de

Abb. 40: Verwendete Stoffe

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14.1.2. Gefäße und Gerätschaften

Die verwendeten Gefäße und Gerätschaften können natürlich auch bei anderen Firmen erwor-

ben werden. 86, 87, 88, 89

• Bechergläser (2x 100ml, 150ml, 600ml)

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: 100ml: 42,70 € / 10 Stk.; 150ml: 45,30 € / 10 Stk.; 600ml: 69,50 € /

10 Stk.

• Messzylinder (250ml)

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: 31,80 € / 2 Stk.

• Spritzen

o möglicher Bezug: http://www.mercateo.at

o Kosten: 0,256 € / 50 Stk.

• Glasstab

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: 12,30 € / 10 Stk.

• Magnetrührer mit integrierter Heizplatte

o möglicher Bezug: www.carlroth.com

o Kosten: ab ca. 200 € / Stk.

• 1 Multimeter + Messleitungen & Krokodilklemmen

o möglicher Bezug: www.conrad.at

o Kosten: Multimeter: 25,99 € / Stk.; Messleitungen mit Krokodilstecker: 6,39

€ / 10 Stk.; Krokodilklemme: 0,80 € / Stk.; Messleitung mit Bananenstecker:

2,69 € / Stk.

• Lötkolben

o möglicher Bezug: www.conrad.at

o Kosten: 8,99 € / Stk.

• Akkuschrauber

o möglicher Bezug: www.obi.at

o Kosten: 29,99 € / Stk.

86 www.carlroth.com 87 http://www.mercateo.at 88 www.conrad.at 89 www.obi.at

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• Holzbohrer (Größe 10)

o möglicher Bezug: www.obi.at

o Kosten: 9,99 € / Stk.

• Laubsäge + Laubsägeblätter

o möglicher Bezug: www.obi.at

o Kosten: 6,79 € / Stk.; 4,09 € / 12 Stk.

• 2 rechteckige 50ml Weithals- PVC- Flaschen

o möglicher Bezug: https://eshop.semadeni.com/

o Maße: 38x38 mm

o Kosten: 0,60 € / 100 Stk.

• 1 PVC Schlauch (Durchmesser 10mm)

o möglicher Bezug: www.esska.de

o Kosten: 2,28 € / Meter

• 2 Karbonfaserelektroden (SPC- 7011)

o möglicher Bezug: http://www.carbon-werke.de/

(persönliche Kontaktaufnahme nötig!)

o Kosten: 20,03 € / m2 (inkl. MwSt. und Versand)

Abb. 41: 50ml Weithals- PVC-Flasche