[KW K]Kraft – Wärme – Kopplung

Handreichungen für Lehrerinnen und LehrerFür den fächerübergreifenden Unterricht ab der 9. Klasse

SchulpaketKraft-Wärme-Kopplung

Einleitung

„Energie“ ist nicht erst seit dem hessischen Kern-curriculum eines der Basiskonzepte für den Physik-unterricht. Die dort thematisierten Fragen vonEnergieumwandlung und Energieentwertung sindgleichzeitig grundlegend für die Entwicklung einernachhaltigen Energieversorgung. Die Stadt Frankfurt initiiert im Rahmen des Klima-konzepts verschiedene Maßnahmen zur Steigerungder Energieeffizienz und zur Nutzung erneuerbarerEnergien. Ein Baustein ist das Projekt „CHP GoesGreen“, also die Nutzung von Biogas als Brennstofffür die Erzeugung von Strom und Wärme in Block-heizkraftwerken. Mit dem Schulpaket „Kraft-Wärme-Kopplung“ hat Umweltlernen in Frankfurt e.V.Materialien entwickelt, die diese innovative Tech-nik für den Unterricht nutzbar macht und zahlrei-che Anlagen in Frankfurt für die pädagogischeArbeit erschließt. Die Materialien dienen gleichzei-tig dem Kompetenzerwerb im Inhaltsbereich derPhysik wie im Bereich „Nachhaltiger Entwicklung“.

Allgemeine Hinweise zum Schulpaket

Das Schulpaket zum Thema Kraft-Wärme-Kopplung(KWK) richtet sich an LehrerInnen der Jahrgangs-stufen 9/10 und der Oberstufe. Die Thematik eignetsich für die Einbindung in den Physikunterricht. Da-rüber hinaus gibt es vielfältige Schnittstellen zuden Bereichen Erdkunde, Chemie, Biologie, Arbeits-lehre, Politik und Wirtschaft sowie Mathematik.Das Themenfeld ist ebenso geeignet für die Ab-schlussarbeit im Realschulbereich, als Hausarbeit(Klausuren-Ersatz) oder als gestelltes Thema, umfachunabhängig Präsentationstechniken zu üben.Das Thema ist neben dem Physikunterricht auch alsPrüfungsinhalt für den mittleren Schulabschluss(MSA) geeignet. Zum Abschuss soll eine Präsentati-onsarbeit der SchülerInnen mit freier Wahl des Prä-sentationsmediums stehen. Folgende Fragestel-lungen sollen in der Präsentations- bzw. Abschlussarbeit erörtert werden:• Was ist KWK, wie funktioniert sie und wo

liegen die Vorteile zur herkömmlichen Energieerzeugung?

• Was ist „grüne“ KWK, wie funktioniert sie undwo sind die Vorteile zur herkömmlichen KWK?

• Kreativbeitrag zum Thema „Speicher“ (Energie-speicher) und „Netze“ (Versorgungsstrukturen).

Schulpaket Kraft-Wärme-Kopplung

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Dieses Schulpaket beinhaltet:

• Einführung zum Thema Kraft-Wärme-Kopplung • Didaktisch-methodischen Hinweise und Anknüpfungspunkte zum Kerncurriculum der Sekundarstufe I

in Hessen und eine Übersicht der einzelnen Modulen des Schulpaketes• PPT-Foliensatz zur Anwendung im Unterricht, als Download zu erhalten auf

www.umweltlernen-frankfurt.de/Energie/KWK• Referatsliste für Schülerinnen und Schüler• Informationssammlung zum Thema KWK als Linkliste für Lehrkräfte und SchülerInnen,

auch für den Unterricht verwendbar

Warum soll das Thema in der Schule behan-delt werden?

Der Klimawandel betrifft uns alle. Die folgendenGenerationen werden die Konsequenzen nochdeutlicher zu spüren bekommen. Es ist eine drin-gende gesamtgesellschaftliche Aufgabe, Lösungenfür den Klimaschutz und die sich abzeichnende Ver-knappung fossiler Energieträger zu finden. DieSchule ist der Ort, an dem über die ökologischenund ökonomischen Folgen des Klimaschutzes disku-tiert und zu einem verantwortlichen Umgang mitunseren Ressourcen angeregt werden kann. KWKals technisches Prinzip im Energiebereich steht imSchatten der erneuerbaren Energien (Wind- undSonnenstrom). Unter dem Aspekt des Wirkungsgra-des und dem möglichen Betrieb der Anlagen mitBio-, Öko- oder Synthesegas, hat diese Technikenorme Vorteile bei der Umstellung auf regenera-tive Energien, als weitere Alternative zur her-kömmlichen Energieversorgung. Die Abkehr vonfossilen Energieträgern macht die KWK zu einemTeil des mehrsäuligen Konzeptes zur Erreichungder Energiewende. Nicht nur als Brückentechnolo-gie, wenn alle Anlagen mittelfristig durch Umstel-lung dauerhaft mit regenerativen und weitest-gehend klimaneutralen Brennstoffen betrieben werden.

Was sind die Lernziele?

Das „Lernangebot“ möchte mit dem hier vorliegen-den Schulpaket SchülerInnen über diese fortschritt-liche, umweltfreundliche Technik informieren undfür einen ökologischen Wandel in der Energiever-sorgung überzeugen. Es sind die jetzigen SchülerIn-nen, die eventuell später im Beruf und eigenenHaushalt Entscheidungsträger sind, ob diese Tech-nik zum Einsatz kommt.Neben der Vermittlung von Fachwissen zur KWK,sollen Schülerinnen und Schüler dazu angeregtwerden – durch produktives Gestalten, projektori-entiertes Lernen, gemeinsames Diskutieren, selbst-ständiges Recherchieren und Präsentieren –Kenntnisse, Fähigkeiten und einen Überblick zu er-langen, der über den schulischen Rahmen hinaus inihrem Lebensalltag Bestand hat. Methodenvielfalt,Medieneinsatz und ein hoher Anschaulickeitsgradsind wichtige Eckpunkte für die Motivation. Eineganzheitliche Betrachtungsweise wird somit erreicht.

[KW K]Kraft – Wärme – Kopplung

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Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?

In einer KWK-Anlage werden gleichzeitig Strom undNutzwärme erzeugt. Durch diese Kopplung kann dieeingesetzte Energie (z. B. Kohle, Heizöl, Erdgas, Bio-gas) effizienter genutzt werden, als bei der her-kömmlichen Erzeugung in getrennten Systemen.Große Abwärmemengen konventioneller Kraft-werke werden z.B. in Kühltürmen „vernichtet“ undsomit ungenutzt in die Umwelt entlassen. KWK hin-gegen nutzt das bestehende Wärmepotential im Zu-sammenhang mit der Stromerzeugung aus.

KWK-Anlagen gibt es in allen Größenordnungen.Große Megawatt-Leistungsbereiche decken zen-trale Heizkraftwerke ab, die Fernwärme und Stromgleichzeitig produzieren. Die Technik ist skalierbarund reicht herunter bis zu dezentralen Kleinstanla-gen, sogenannte Mikro-KWK Anlagen, die im ein-stelligen Kilowatt-Bereich für einzelne GebäudeStrom und Wärme produzieren. KWK ist eine äu-ßerst effiziente Methode, durch die Energieressour-cen geschont und die CO2-Emissionen verringertwerden. Unabhängig von Anlagengröße wirddurch das Kopplungsprinzip Umwandlungs- undVerteilverluste wesentlich reduziert. Somit ist derWirkungsgrad (Verhältnis der eingesetzten zur er-zeugten Energie) stark erhöht und der Verbrauchvon Primärenergie sehr verringert.Ein weiterer Schritt zur Senkung der CO2-Emissio-nen innerhalb der KWK-Technik ist die Nutzungvon Biomasse als Gaserzeugerin oder direkter

Brennstoff für Blockheizkraftwerke („grüne“KWK). Hierfür können sehr verschiedene organi-sche Stoffe verwendet werden, vom Altholz überBiomüll aus der Haussammlung, Klärschlämme,Gülle, Schlachtabfälle, biologische Produktionsrestebis zu „kompletten“ Energiepflanzen. Sehr interes-sant und wichtig ist die kritische Betrachtung, wel-che Biostoffe in welcher Quantität mit z.T. weit-reichenden, globalen Auswirkungen einen wirklichsinnvollen Beitrag zur Verbesserung des Klima- undRessourcenschutzes leisten können oder eben auchnicht (Stichwort „Energiemais“).Um die Anlagenvorteile voll ausschöpfen zu kön-nen, darf sich der Fokus nicht nur auf effizienteHerstellung von Energie richten, sondern auf dengesamten Energiefluss. Hierzu gehören „smarte“Energiespeicher und Verteilnetze, in welche dieAnlagen eingebunden werden. Nur auf diese Weisekönnen möglichst lange, gleichmäßige und unter-brechungsfreie Anlagenlaufzeiten erreicht werden.„Energieversorgungslöcher“ in gemeinsamer Be-trachtung aller heute möglichen „grünen“ Energie-erzeuger werden so immer kleiner.Die regenerativen Bio(rest)stoffe für die Energieer-zeugung fallen im Siedlungsgebiet der Menschenpermanent und flächendeckend an. Emissionen,Energie- und Ressourcenverbräuche für Gewinnung,Transport und Aufbereitung dieser Materialien sindwesentlich geringer im Vergleich zu kon - ventionel-len Energieträgern. Im Bereich der „grünen“ KWKsind die Versorgungstrukturen lokal bzw. regionalund nicht international.

Hintergrund Kraft-Wärme-Kopplung

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Funktions-schemaeiner motorge-triebenenBHKW-AnlageQuelle:Wikipedia

Verteilung der Energie bei Kraft-Wärme-Kopplung

Wie sind die politischen Rahmenbedingungen?

In einigen Ländern und verstärkt auch in Deutsch-land werden immer mehr KWK-Anlagen gebautund durch finanzielle Anreize gefördert. Europa istVorreiter für eine moderne Energie- und Klimapoli-tik. Um der Klimaerwärmung entgegenzuwirkenund den Ausstoß von Treibhausgasen zu vermin-dern, hat die Bundesregierung bereits im Jahr 2000in ihrem Klimaschutzprogramm die KWK als einewichtige Maßnahme festgeschrieben. BeständigeNovellierungen der Gesetze fördern die Etablie-rung der Technik im Energiemarkt.Nach einer Schätzung der Bundestags-Enquete Kom-mission „Nachhaltige Energieversorgung“ könntenbis zu 70% des Stroms in Deutschland durch KWKerzeugt werden, aktuell sind es ca. 10%. Finnland,Dänemark und Holland sind bereits bei bis zu 50%.

Gesetz zur Förderung der Kraft-Wärme-Kopp-lung (KWKG) Fassung von 2012, Kernpunkte sind:• Erhöhung des KWK-Anteils an der Energieerzeu-

gung in Deutschland bis zum Jahr 2020 auf 25 %.

• Förderung von modernisierten Bestands- undNeuanlagen, eingeteilt in verschiedene Größen-klassen, durch einen Zuschlag zum Einspeisetarifpro kWh Stromerzeugung über 10 Jahre oderZahlung eine Einmalpauschale.

Neuanlagen: bis 50 kWel: 5,41 Cent pro kWhbis 250 kWel: 4,00 Cent pro kWhbis 2 MWel: 2,40 Cent pro kWhüber 2 MWel: 1,80 Cent pro kWh

• Einmaliger Investitions-Zuschuss für „Mini“-KWK (bis 20 kWel) in Bestandsbauten. So erhal-ten zum Beispiel sehr kleine, für Ein- undZweifamilienhäuser besonders geeignete Anla-gen mit einer Leistung von 1 kWel 1.500 Euro,große Anlagen mit 19 kWel hingegen 3.450Euro.

• Förderung von Wärme- und Kältespeichernsowie von Kältenetzen zur Nutzung von Kraft-

Wärme-Kälte-Kopplung ist erstmals in das KWK-Gesetz aufgenommen.

Gemäß KWKG besteht die Vergütung für einge-speisten Strom, die dem Betreiber einer KWK-An-lage zusteht, aus drei Preisbestandteilen:1. dem üblichen Strompreis (lt. EEX Strom-Index), 2. den vermiedenen Netzkosten und 3. dem KWK Zuschlag (z.B. 5,41 Ct/kWh).

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)Dieses Gesetz legt u.a. zur Planungssicherheit vonAnlagenbetreibern langfristig Vergütungssätze fürStrom aus erneuerbaren Energien fest. Die Vergü-tung liegt höher als bei der konventionellen KWK.Die Netzbetreiber entrichten den Anlagenbetrei-bern eine leistungsabhängige Vergütung in Höhevon bis zu 23 Cent pro erzeugter Kilowattstunde.

Bundesgesetz zur Kreislaufwirtschaft (KrWG)Einen weiteren Schub erhält die Biomasse-KWKdurch diese Gesetzgebung: Nach dem ab 2012 inKraft getretenen Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG)müssen biologische Abfälle spätestens bis Anfang2015 bundesweit getrennt gesammelt werden. Derpositive Druck zur Verwertung von Stoffen jederArt ist gestiegen.

Das Land Hessen und KWKDas Land Hessen strebt eine verstärkte Nutzung desKWK-Potenzials an und hat hierfür ein Programmzur Förderung von Mikro-KWK-Anlagen-Contrac-ting ab Juni 2012 aufgelegt. Dies bietet Hauseigen-tümern einen Anreiz für den Austausch ihrer veral-teten Heizungsanlage und somit den beschleu-nigten Markteintritt von Mikro-KWK-Anlagen imBereich von Ein- und Zweifamilienhäusern. Es wirdzusätzlich zur Bundesförderung in Höhe von 1.500Euro jede Anlage bezuschusst, die im Contractingbetrieben wird. Die Förderung ist vom Energie-Dienstleister (regionaler Energieversorger) zu bean-tragen und wird über die Contracting-Vergütungan den Kunden weitergereicht.

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Die Situation von KWK in Frankfurt

Frankfurt ist einer der Vorreiter in Sachen KWK.Aktuell bestehen in Frankfurt vom Mikro-BHKW imEinfamilienhaus bis zum Großkraftwerk ca. 270KWK-Anlagen. Umgerechnet auf die Einwohneran-zahl liegt Frankfurt weit vor der „KWK-Modell-stadt“ Berlin als Landeshauptstadt mit ca. 600Anlagen, die täglich Strom und Wärme gleichzeitigproduzieren. Die elektrische Gesamtleistung be-trägt 181.200 kW (industrielle Kraft-Wärme-Kopp-lung - keine zentralen Fernwärme Heizkraftwerke).Laufen alle Anlagen zusammen eine Stunde , er-bringen sie eine Leistung, mit der 45 Familien einJahr lang mit Strom versorgt werden können. BeiJahreslaufzeiten von ca. 5000 Stunden ist somit dieVersorgung von rund 900.000 Privatpersonen mög-

lich. Der Haushaltsstrom der Frankfurter BürgerIn-nen (700.000 Personen) kann so schon heute reinrechnerisch bei Weitem mit KWK gedeckt werden. Regionale Energieversorger bieten für FrankfurtKWK-Komplettpakete an. KWK-Anlagen-Eigentü-mer werden von ihnen z.T. finanziell zusätzlich zurBundesförderung nochmals in gleicher Höhe bezu-schusst. KWK-Contracting-Nehmer werden eben-falls zusätzlich zur Bundesförderung über diebereits erwähnte Landesförderung unterstützt. Be-stimmte regionale Energieversorger, die KWK alsContracting für Mikroanlagen anbieten, sind alsPartner des Landes Hessens im Programm gelistetund bieten diesen Zuschuss an. Alle zentralen unddezentralen KWK-Einheiten, konventionell und„grün“, decken knapp 50% des Strombedarfes derStadt Frankfurt.

KWK und Biogas in Frankfurt

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KWK-Anlagen in Frankfurt. Quelle: Klimastadtplan Frankfurt

„Grüne“ KWK , „CHP*Goes Green“ in Frankfurt(*engl.= Combined Heat and Power)Herausragend sind Frankfurter KWK-Anlagen, diemit „Bio“- oder „Öko“-Gas betrieben werden. Essind Objekte im industriellen und städt- ischen Be-reich, die mit erneuerbaren Energien betriebenwerden. Die Firma InfraServ (Energieversorger In-dustriegelände Höchst) betreibt den Industrie- parkfast gänzlich „Energieautonom“. ÜberschüssigeEnergie in Form von Strom oder (Bio)Synthesegaswird mit regionalen Energieanbietern kommerziellvermarktet. Das Biomasse-Kraftwerk Fechenheim(BKF) und die Rhein-Main Biokompost GmbH (RMB)betreiben mit organischen Reststoffen (Bioabfälleaus der Hausmüllentsorgung, Altholz, Grünschnitt)ihre Anlagen und tragen so erfolgreich zur klima-entlastenden Energieversorgung bei. Die Stadt hatsich für eine Energiewende ehrgeizige Ziele ge-setzt: Die Versorgung der Stadt bis zum Jahr 2050zu 100% aus erneuerbaren Energien. Aktuell plant die Stadt Frankfurt vertraglich diekontinuierliche Abnahme von Biogas vom regiona-len Erzeugern (z.B. Infranova) über die MainovaAG. Das BHKW des Palmengartens ist bereits aufden Einkauf von Biogas umgestellt.Koordiniert und eingebettet sind diese ambitio-nierten Prozesse und Anlagen im Rahmen von Pro-jekten wie „CHP Goes Green“ und „Masterplan100% Klimaschutz“ (Energiereferat Stadt Frank-furt). „CHP Goes Green“ als EU-Projekt fördert eu-ropaweit als Lobbyarbeit den Bekanntheitsgradvon „grüner“ KWK durch Beratung, Netzwerktätig-keit und Anschubarbeit zur Errichtung und Betriebvon Anlagen.Die nach dem Kreislaufwirtschaftsgesetz gefor-derte Getrenntsammlung biologischer Abfälle ist inFrankfurt schon länger Praxis. Es ist zu vermuten,dass durch die Gesetzgebung der „Anlagenbe-standsvorsprung“ durch weitere, von außerhalbder Stadtgrenze kommende Biostoffe noch stärkerausgebaut wird.

Biogasanlage InfraServ F-Höchst

Rhein-Main-Biokompostanlage

BiomassekraftwerkF-Fechenheim

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Didaktisch-methodisch Ansätze zur Arbeit

Kraft-Wärme-Kopplung ist ein Thema, das sich auf-grund seiner vielen Überschneidungspunkte fürden fächerübergreifenden Unterricht eignet.Neben der technischen Seite werden auch ökologi-sche, ökonomische, politische und gesellschaftlicheAspekte der KWK im Sinne einer ganzheitlichen Be-trachtung berücksichtigt.

Im Folgenden werden Anknüpfungspunkte zumKerncurriculum der Sekundarstufe 1 und einzelneUnterrichtsbausteine aufgezeigt. Die Unterrichtsmo-dule lassen sich in den Fachunterricht oder in ein Un-terrichtsprojekt integrieren. Die Unterrichtsvor-schläge orientieren sich an Konzepten des projekt-

und produktorientierten Lernens. Sie sollen die kom-munikativen Kompetenzen der SchülerInnen stärkenund sie zum selbständigen Arbeiten ermutigen.Gleichzeitig können die Jugendlichen ihre Präsentati-onsfähigkeiten ausbauen, indem sie Referate erar-beiten und vortragen.Die Materialsammlung ist anschaulich gestaltet. Sie-enthält Grafiken und Fotos für den Einsatz im Unter-richt und wird ergänzt durch Film- sowie Literatur-hinweise. Integrierte Fragestellungen und Vor-schläge für Arbeitsaufträge nehmen nach Möglich-keit Bezug auf den Lebensalltag junger Menschenund sollen zum Nachdenken, Diskutieren und eigen-ständigen Handeln motivieren. Auch Vorschläge fürExkursionen zu Frankfurter KWK-Anlagen sind in dieUnterrichtskonzeption einbezogen.

Fäche -r

- und Themenb

bereiche zur (grünen)

zur (grünen) Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung

Kraft-Wärme-Kopplung

-Wirtsc

- Bewer gnut

PoWiZielkonflikte bei haftse tn scheidu gn en

g menschlicher Einflüsse in Naturkreisläufe

Physi- Energ

EnergiewanEnergieerStromerzeu

ikie u. andlung, haltu gn , eug gnu ,

- Sto ff- Ök

Biologiefwechsel, Verda gnuu dnu Gkosysteme, Nahr gnu sketten

Sto ff kreisläufe

Gärungn dnu

- Bezieh

Erdkundegnuh Umwelt dnu Gesellsc- Energiekrisen

S

a

peicherung u. - uZ kun tf ss

Energieversorgaesellschafft

ArbeitsT h is h

g u. Transportsichere sorgung - Ko

- Elektro

lehreS ste

Chemieohlenwassersto ff e dnu

Energiewirtschaft- S ffot kreisläufe

ochemie der Bre nn sto ff zell

e

- Tec nh ische- Reflektk ierte u

Tec nh ikanw

Systemee und kreative

wend gnu

KWK in den Bildungsplänen

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Abb: Umweltlernen in Frankfurt e.V.

Einordnung des Themas KWK in das hessische Kerncurriculum der Sekundarstufe I

Kraft-Wärme-Kopplung wird bis jetzt in der Schule wenig thematisiert, auch wenn darüber in einigen neue-ren Schulbüchern mittlerweile informiert wird. Im Kerncurriculum lassen sich verschiedene Anknüpfungs-punkte zur Behandlung des Themas disziplinär und interdisziplinär im Unterricht finden.

Physik

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Energie in Umwelt und Technik

Inhaltliche Schwerpunkte:• Energie als quantifizierbare Größe• Energieformen und ihre Umwandlung• Prinzip der Energieerhaltung und

dessen Anwendungen

Erkenntnisgewinnung:• Untersuchung von Maßnahmen zur Reduzierung der Energie-

entwertungKommunikation:

• Geeignete Veranschaulichung von Umwandlung, Entwertungund Transport von EnergieBewertung:

• Bewertung von Maßnahmen zur Reduzierung von Energie-entwertungNutzung fachlicher Konzepte:

• Zuordnung von Beispielen aus Umwelt, Technik und Natur zuverschiedenen Energieformen

Zukunftssichere Energieversorgung

Inhaltliche Schwerpunkte:• Umwandlung verschiedener Energiefor-

men in elektrische Energie• Großenergieanlagen• Speicherung und Transport von Energie• Energieversorgungsnetze

Erkenntnisgewinnung:• Durchführung von Experimenten zur Energieübertragung

Kommunikation:• Recherchen zum lokalen und globalen Bedarf an Energie

sowie zu verfügbaren Ressourcen• Angemessene Präsentation von Recherchen und Untersuchun-

gen• Diskussion zukünftiger Energieversorgung

Bewertung:• Beurteilung der Bedeutung der elektrischen Energie für die

Gesellschaft• Bewertung zentraler und dezentraler Versorgung mit Energie• Bewertung von Lösungsmöglichkeiten für die globale Ener-

gieproblematikNutzung fachlicher Konzepte

• Erklärung der Funktionsweise elektromagnetischer Energie-wandler

• Erläuterung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden ver-schiedener Kraftwerksarten

• Verknüpfung von individuellen und globalen Aspekten derEnergieversorgung

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Biologie

Chemie

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Stoffwechsel und Regelmechanismen

Inhaltliche Schwerpunkte:• Stoffumwandlungen bei Verdauung

und Gärung• Nahrungsketten und Stoffkreisläufe bei

Mikroorganismen

Erkenntnisgewinnung:• Planung, Durchführung und Auswertung physiologischer Ex-

perimente zu einem StoffwechselprozessKommunikation:

• Erläuterung eines Regelkreisschemas mit Bezug zu physiologi-schen oder ökologischen Prozessen Bewertung:

• Bewertung der Auswirkungen menschlichen Handelns auf dieUmwelt Nutzung fachlicher Konzepte:

• Querbezüge zum Basiskonzept Struktur und Funktion

Wechselwirkungen im Ökosystem

Inhaltliche Schwerpunkte:• Mehrfaktorielle Beziehungen in einem

Ökosystem• Die ökologische Funktion der einzelnen

Art, abiotische und biotische Faktoren,Trophieebenen

Erkenntnisgewinnung:• Kriterien geleitetes Vergleichen

Kommunikation:• Darstellung von Zusammenhängen in einfacher grafischer

Form• Beurteilung lokaler Auswirkungen menschlicher Handlungen

auf die UmweltNutzung fachlicher Konzepte

• Vernetzung zu auf- und abbauenden Stoffwechselprozessenwie Fototsynthese und Atmung

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Chemie in Alltag und Technik

Inhaltliche Schwerpunkte:• Stoffkreisläufe in Natur und Technik• Elektrochemische Vorgänge in der

Brennstoffzelle

Kommunikation:• Arbeiten mit Quellen• Kommunizieren, argumentieren• Dokumentieren, präsentieren• Verwenden von Fach- und Symbolsprache

Bewertung:• Beurteilen von Alltagskontexten mit naturwissenschaftlichen

Kenntnissen• Abwägen und bewerten von Handlungsfolgen auf Natur und

Gesellschaft

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Chemie Fortsetzung

Erdkunde

Politik und Wirtschaft

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Organische Verbindungen

Inhaltliche Schwerpunkte:• Auseinandersetzung mit alltagsrelevan-

ten Kohlenwasserstoffverbindungen aus der Energiewirtschaft

Bewertung:• Reflektieren und bewerten von Handlungsoptionen als

Grundlage für gesellschaftliche PartizipationNutzung fachlicher Konzepte

• Vernetzen von Sachverhalten und Konzepten• Problemorientiertes und konzeptbezogenes Erschließen von

Sachverhalten

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Umwelt-Gesellschaft-Beziehungen undglobale Probleme

Bezug zu allen Kompetenzbereichen

Geographie auf regionaler Ebene Bezug zu allen Kompetenzbereichen

Inhaltsfelder Kompetenztbereiche

Wirtschaft Analysekompetenz:• eigene Fragen zu einem gesellschaftspolitischen Problem stellen• Zielkonflikte in wirtschaftlichen Entscheidungssituationen be-

schreiben• Ansatzpunkte für fächerübergreifende Bezüge und vernetztes

Denken nutzenUrteilskompetenz:

• das Ausmaß und die Folgen menschlicher Eingriffe in die na-türlichen Kreisläufe bewerten

• eigene und begründete Lösungen für Zielkonflikte in wirt-schaftlichen Zusammenhängen entwickelnHandlungskompetenz:

• eigene Positionen zu politischen und wirtschaftlichen Lö-sungsmöglichkeiten formulieren und vor anderen begrün-dend vertreten

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Bausteine für den Unterricht

Die nachstehende Tabelle enthält Vorschläge zurEinbindung des Themas KWK in den Unterricht. DieBausteine sind entweder als fächerübergreifendeUnterrichtseinheit kombinierbar oder einzeln alsErgänzung zum Fachunterricht durchführbar.

Zur Einführung des Themas KWK im Unterrichtsteht ein Foliensatz zur Verfügung. Er enthält Gra-fiken, Fotos, Fragestellungen und Arbeitsaufträgeund ist so gestaltet, dass sich die Schülerinnen und

Schüler durch Abdecken oder Ausfüllen schritt-weise Zusammenhänge erschließen können. Die Fo-lien sind so gestaltet, dass sie in Unterrichtsphasenzur Einführung in die verschiedenen Themenberei-che benutzt werden können. Diese Folien sind alsDownload unter www.umweltlernen-frankfurt.de/Energie/ KWK erhältlich.

Als weitere Bausteine werden Referate, Exkursio-nen und eine Schulpräsentation bzw. die Beteili-gung an einem Wettbewerb vorgeschlagen.

Zeitplan / Fach Themen / Folie Methodik Material / Medien

• 45 min,Physik, Chemie

• Einführung ins Thema KWK: Vorerfahrungensammeln

• Brainstorming oder Kartenabfrage

• Brainstorming-Blankos• Tafelbild oder Cluster

• 45 minPhysik, Chemie

• Folie 1: Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?Folie 2/3: Vergleich ge-trennte Energieerzeugungmit KWK

• Klassengespräch – Folie gemeinsam Schritt fürSchritt erschließen (ggf.Teile abdecken) und Fra-gen klären

• Folie 1 + 2/3• OH-Projektor/Beamer• Arbeitsblatt

• 25 minPhysik, Mathematik

• Folie 4: Wirkungsgrad einer KWK-Anlage

• Lehrervortrag zur Einführung

• Bearbeitung der Rechen-beispiele

• Folie 4• OH-Projektor/Beamer• Arbeitsblatt• Taschenrechner

• 20 minPhysik

• Folie 5: Größenordnun-gen KWK-Anlagen

• Klassengespräch – Foliegemeinsam erschließen

• Folie 5,• OH-Projektor/Beamer

• 45 minPhysik

• Folie 6: Der Energie-verbrauch: KWK für unsere Schule?

• Rundgang mit dem Schulhausverwalter

• Vervollständigung derFolie

• Folie 6• Arbeitsblatt

• 45-90 min oder als HausarbeitPhysik und weitere Fächer

• Referate • Projektarbeit – Gruppenbildung, Themen-verteilung

• Projektplanung, Recherche

• Referatsliste• Literaturliste• Informationssammlung• Karteikarten

• 45-90 min Physik und weitere Fächer

• Präsentationder Referate

• Präsentationsrahmen schaffen

• Vorträge mit anschließen-der Auswertung

• Technik (CD-, DVD-, Video-Rekorder, OH-Pro-jektor/Beamer)

• KWK-Plakate

• 1-2 Tage • Exkursion • Gemeinsame Planung, Durchführung und

• Auswertung• 1-2 Tage • Ausstellung

Wettbewerb• Ausstellung oder Beteili-

gung an Wettbewerb• KWK-Plakate

Unterrichtsmaterialien

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Foliensatz

Folie 1: Was ist Kraft-Wärme-Kopplung?Grafik zum KWK-Prinzip (alle Fächer)Folie 2: (Arbeitsblatt): Vergleich Energieerzeugung getrennt /gekoppelt getrennte Energieerzeugung, Fragen zu Brennstoffen und Energieumwandlern (Physik/Chemie)Folie 3: Vergleich Energieerzeugung getrennt /gekoppelt Grafik getrennte Energieerzeugung, Fragen zu Brennstoffen und Energieumwandlern (Physik/Chemie)Folie 4: (Arbeitsblatt): Wirkungsgrad einer KWK-AnlageFormel zum Wirkungsgrad, Rechenbeispiele für KWK und getrennte Energieerzeugung (Physik/Mathematik)Folie 5: Größenordnungen von verschiedenen KWK-Anlagen3 Beispiele (alle Fächer)Folie 6: (Arbeitsblatt): Der Energieverbrauch: KWK für unsere Schule?Diskussionsfragen zu KWK an der Schule (Physik/Arbeitslehre/ Erdkunde)

Exkursionen, Außerschulische Lernorte

• Mini-BHKW im Umweltamt (Energiereferat Frankfurt)

• BHKW Palmengarten (Mainova Energiedienste)• BHKW Frankfurter Berg (Mainova Energiedienste)• Biomassekraftwerk Fechenheim (Mainova

Energiedienste)

• Rhein-Main-Biokompost GmbH (RMB)• Biogasanlage Industriepark Höchst (InfraServ)• BHKW Wöhlerschule (Hochbauamt Frankfurt)• BHKW Helmholtzschule (Hochbauamt Frankfurt)• Lernwerkstatt „Energie schlau nutzen“ (Umwelt-

lernen in Frankfurt e.V./ Mainova)

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Themen zur Schülerbearbeitung

Durch die Ausarbeitung von Referaten in Einzel-,Partner- oder Gruppenarbeit erschließen sich dieSchulerinnen und Schuler eigenständig fächeruber-greifendes Wissen zur KWK. Sie nehmen die Rollevon Expertinnen und Experten fur ihr Teilthema einund präsentieren dieses vor der Klasse. Hierbei sol-len sie dazu angeregt werden, ihre Präsentationanschaulich mit Fotos, Grafiken, Tafelbildern o.ä.zu gestalten.

Arbeitsauftrag könnte beispielsweise sein, zunächstEinzelthemen-Referate mit einem Handout für dieMitschülerInnen zu erstellen. Dieses erarbeiteteWissen ist die Vorarbeit für die (gemeinsame) Prä-sentations- bzw. Abschlußarbeit. Zusätzlich kannauf die gesondert angegebene Linkliste bei der Re-cherche zurückgegriffen werden. Link-und Litera-turhinweise sind aufbereitet, SchülerInnnen solltenebenfalls zu einer freien Recherche außerhalb desAngebotes animiert werden.

Themenblock: KWK Grundwissen Inhalte, Materialien

Was ist KWKund wie funktioniert sie?

• KWK-Definition und Prinzip • Zentrale und dezentrale Kraftwerke, Blockheizkraft-

werke–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung–> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> BMU-Broschüre: Energie dreifach nutzen

Was gehört zu einer KWK-Anlage

• Fossile und regenerative Brennstoffe • Überblick über Komponenten • Größenordnungen von KWK-Anlagen –> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung.–> www.kwk-infozentrum.info

Energie sinnvoll nutzen mit KWK

• Energieeffizienz, Gesamtnutzungsgrad, Wirkungsgradund Stromkennzahl

• Vergleich der KWK in Deutschland–> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung. –> ASUE-Broschüre: Die Stromerzeugende Heizung –> BMU-Broschüre: Energie dreifach nutzen

„Grüne“ KWK – Strom u. Wärme aus organischen Stoffen

• Grundlagen Bio-KWK • Bio-KWK in Frankfurt• Rhein-Main-Biokompostanlage• Informations- und Arbeitsblatt zu Biogas• Rhein-Main-Biomassekraftwerk

Alles über Blockheizkraftwerke

• BHKW mit Otto- oder Dieselmotor, Mikrogasturbine,Stirlingmotor

• BHKW Brennstoffzelle–> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung. –> ASUE-Broschüre: Die Strom erzeugende Heizung

Referate

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Themenblock: KWK Praxis Inhalte, Materialien

Mikro-BHKWstatt herkömmlicher Heizung?

• Vergleich der beiden Systeme • Elektrischer u. thermischer Wirkungsgrad• Kostenvergleich, Contracting–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung–> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> www.zukunft-haus.info/de

Wo kann KWK eingesetzt werden?Was sind die Anforderungen?

• Einsatzorte• Anlagentypen • Anforderungen, Wirtschaftlichkeit • Stromeinspeisung –> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung–> ASUE: Die stromerzeugende Heizung –> BMU: Energie dreifach nutzen

Fernwärme –Wie kommt die Wärme zum Verbraucher?

• Fernwärmeprinzip • Technische Aspekte • Heizkraftwerke in Frankfurt–> Mainova Fernwärme Broschüre–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung

Wie funktioniertKWKK – Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung?

• Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung • Kältemaschinen–> Heiz-Kälte-Werk Flughafen in Mainova Kraftwerks-

Broschüre

Themenblock: KWK im Klimaschutz Inhalte, Materialien

Staatliche Rahmenbedingungen

• KWK-Gesetz, Erneuerbare-Energien-Gesetz, Bundesver-einbarungen zur Minderung der CO2-Emissionen undFörderung von KWK

• Förderprogramm für Mini-KWK-Anlagen–> B.KWK-Broschüre: Kraft-Wärme-Kopplung

KWK in Energie- und Klimaschutzstrategien

• Klimaschutzziele• Ressourcenknappheit • CO2-Einsparmöglichkeiten • Technische Entwicklungspotenziale –> BMU: Energie dreifach nutzen –> BINE: Kraft und Wärme koppeln–> Energie-Fakten: Aufsatz zur Bedeutung der KWK

KWK in Frankfurt• Fernwärme und KWK in Frankfurt• Modellprojekt CHP Goes Green –> Energiereferat Frankfurt: Infopaket BHKW–> Hochbauamt Frankfurt: KWK in Frankfurter Schulen–> Klimaschutzstadtplan Frankfurt–> CHP Goes Green Internetseite

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Weiterführende Quellen

Internetseiten

Kommentierte Liste aller Links:• www.umweltlernen-

frankfurt.de/Energie/KWK

• www.agfw.de • www.asue.de• www.bafa.de• www.bkwk.de• www.bine.info• www.bhkw-infozentrum.de• www.bmu.de• www.das-energieportal.de• www.energiereferat.stadt-

frankfurt.de• www.hessenenergie.de• www.kwk-infozentrum.info• www.kwk-modellstadt-

berlin.de• www.mainova.de/kompakt-

kraftwerk• www.umweltbundesamt.de• www.energiebildung.uni-ol-

denburg.de • www.energiemanagement.

stadt-frankfurt.de/• www.unendlich-viel-

energie.de

Schulbücher

• Diercke spezial, Globaler Kli-mawandel, Westermann Ver-lag

• TERRA global, Klima im Wan-del, Klett Verlag

• TERRA Thema, Globaler Kli-mawandel, Themenheft undMaterialmappe, Klett Verlag

• Materialsammlung Energie,Cornelsen Verlag

• Physik-compact Sonderthe-men, Erneuerbare Energie,Österr. Bundesverlag Schul-buch

• Lernsequenzen – Unterrichts-materialien zum Thema Ener-gie (10 Hefte + 1 Ordner mitStationsarbeiten) VWEW Ener-gieverlag GmbH(www.vwew.de)

Filme/Radiobeiträge

siehe Liste unter:• www.umweltlernen-

frankfurt.de/Energie/KWK

Broschüren

Bezugsquelle und Download:• www.umweltlernen-

frankfurt.de/Energie/KWK

• Kraft-Wärme-Kopplung.Chance für Wirtschaft undUmwelt

• BINE: Kraft und Wärme kop-peln

• BMU: Energie dreifach nutzen• ASUE: Die Strom erzeugende

Heizung und BHKW-Fibel• ASUE: BHKW-Fibel• Energiereferat Frankfurt: Kli-

maschutzbericht 2007 und Infopaket Fernwärme

• Vattenfall: Kraft-Wärme-Kopplung: Ein Instrument fürEffizienz und Klimaschutz

• KWK Modellstadt Berlin • AID: Biogas – Energie aus der

Landwirtschaft (Unterrichts-einheit für die Sek I)

• Bioenergieträger der zweitenGeneration – Biogas I und II – Experimente zur Herstellungvon Biogas aus unterschiedli-chen Substraten

[KW K]Kraft – Wärme – Kopplung

Das Schulpaket „Kraft-Wärme-Kopplung“ wurde im Rahmen des EU-Projekts „CHP Goes Green“ im Auftragdes Energiereferats Frankfurt von Umweltlernen in Frankfurt e.V. erstellt. Autoren: Jürgen Blum, Florian Müller.Grundlage bildete das Schulpaket des Landes Berlin, das ebenfalls am „CHP Goes Green“ Projekt teilnimmt.Die Verantwortung für den Inhalt dieser Publikation liegt bei den Autoren. Sie gibt nicht unbedingt dieMeinung der Europäischen Union wieder.