Nachhaltige Energiegewinnung oder ökologische Katastrophe?

Biogasanlage: Modell im Unterricht selber bauen

Die Energie von lokalen Biogasanlagen nutzen – das ist wirklich nachhaltig. Oder? In diesem Unterrichtsvorschlag erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die biotechnologischen Produkte und Prozesse einer Biogasanlage.

Eine beleuchtete Biogasanlage im Dunkeln.
Eine Biogasanlage erzeugt durch die Vergärung von Biomasse das sogenannte Biogas. Foto: orensteiner/pixabay.com

Der Filmabspann läuft. Die Namen von Marvin, Cord und Lisa erscheinen. Die Klasse spendet tosenden Applaus. „Das war toll! Ich habe wirklich viel verstanden“, lautet das erste Feedback. 

Die drei jungen Filmproduzenten stehen etwas verlegen, aber auch stolz vor der Klasse. Gerade haben sie ihr Video über ihre Exkursion zu einer Biogasanlage vorgeführt. Die Idee für das Biogas-Filmprojekt hatte ein Schüler, der auf dem Dorf wohnt. Am Rande des Ortes gibt es seit ein paar Jahren eine Biogasanlage. 

Landwirtschaft versus Umweltschutz 

Wir haben gerade begonnen, über das neue Unterrichtsthema „Spannungsfeld: Landwirtschaft – Ernährung – Naturschutz“ zu sprechen. Cord berichtet, er habe in der Zeitung gelesen, der Naturschutzbund (NABU) halte Biogasanlagen für eine ökologische Katastrophe

Dabei habe er immer gedacht, diese Anlagen würden umweltfreundliche Energie liefern. „Stimmt ja auch, überall wird Mais angebaut. Da wächst überhaupt nichts anderes mehr. Wann sieht man dort mal einen Schmetterling? Und alles nur wegen dieser angeblichen Energiewende!“, meint Lisa. „Wie stellst du dir das denn ohne erneuerbare Energien vor? Weiter so mit Atomkraft und Kohle?“, hält Marvin dagegen. Diese hier kurz skizzierte Diskussion wird sehr emotional geführt. Die Jugendlichen nutzen ihr Halbwissen aus den Medien und geben wahrscheinlich auch Meinungsäußerungen wider, die sie zu Hause aufgeschnappt haben. Einigen anderen Schülerinnen und Schülern sehe ich an, dass sie dieser heftigen Diskussion zwar sehr interessiert zuhören, aber der Argumentation nicht richtig folgen können. 

Die Situation ist für mich gerade nicht ganz einfach. Ließe ich die Diskussion über Biogasanlagen laufen, würden weiter vorgefasste Meinungen geäußert und der Streit drohte zu eskalieren. Andererseits ist das gerade ein top aktuelles Thema. Eine gute Chance, das im Unterricht gewinnbringend erforschen zu lassen. 

Ich frage die Schülerinnen und Schüler, ob sie Lust haben, sich vertieft mit dem Thema „Biogasanlagen“ auseinanderzusetzen, um dann der Klasse zu berichten. Dazu eignet sich z. B. die schematische Darstellung einer Biogasanlage. Die Thematik kommt gut an. Cord schlägt vor, sie könnten doch die Biogasanlage in ihrem Dorf besuchen und ein Video darüber drehen. Das finde ich gut, denn dann wird das Thema sehr konkret und authentisch.

Doch zunächst ist es mir wichtig, dass sich die Schülerinnen und Schüler gründlich informieren. Ich schlage vor, dass wir unsere Forschungsfrage so formulieren: 

„Biogasanlagen – Nachhaltige Energiegewinnung oder ökologische Katastrophe?“ 

Dazu sammeln wir an der Tafel alle Fragen, die wir in diesem Zusammenhang klären wollen:

  • Warum sind in den letzten Jahren so viele Biogasanlagen gebaut worden?
  • Welches Gas produzieren Biogasanlagen?
  • Kann man das Gas für die Gasheizung nutzen?
  • Produzieren Biogasanlagen auch Strom?
  • Werden sie nur mit Mais „gefüttert“ oder geht das auch mit Gülle?
  • Wie funktioniert so eine Anlage?
  • Welche Auswirkungen hat der zunehmende Maisanbau?
  • Arbeiten Biogasanlagen wirtschaftlich rentabel?
  • Wie sieht die Ökobilanz aus?
  • Wird mehr Energie gewonnen als aufgewendet?
  • Können wir Biogas in einem Experiment selbst herstellen? 

Ich schlage der Klasse vor, dass sie in Partnerarbeit ein Portfolio zu unserer Forschungsfrage anlegen sollen. Darin sollen sie die Fragen so gründlich wie möglich beantworten. Darüber hinaus sollen aber auch in einem Extra-Kapitel aktuelle Zeitungsberichte gesammelt und kommentiert werden. 

Im nächsten Planungsschritt stellen wir Kriterien für die spätere Beurteilung der Mappen zusammen.


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Pflanzen für Energie

Noch wird der Energiebedarf überwiegend durch fossile Brennstoffe gedeckt. Doch deren Vorräte sind begrenzt. Deshalb werden Pflanzen speziell zum Zweck der Energiegewinnung angebaut. Welche Pflanzen das sind, wie sie verarbeitet werden und ob ihre Nutzung als Energielieferanten völlig problemlos ist, erfahren die Schülerinnen und Schüler in diesem Heft. 

Zur Ausgabe

Das Portfolio soll ...

  • fachlich fundierte und verständliche Antworten auf die Fragen liefern
  • anschaulich gestaltet sein, also Grafiken und Bilder enthalten
  • Abbildungen sollen darin analysiert werden
  • keine übernommenen Texte aus dem Internet, sondern nur eigene Formulierungen enthalten
  • aktuelle Zeitungsmeldungen mit eigenen Kommentaren enthalten
  • eigene, begründete Stellungnahmen zu strittigen Fragen enthalten
  • gut gegliedert sein
  • mit Inhalts- und Quellenverzeichnis ausgestattet sein
  • möglichst wenige Rechtschreibfehler enthalten
  • sauber mit der Hand oder am Computer geschrieben sein. 

Das Team von Cord, Marvin und Lisa bekommt von mir den Auftrag, sich ebenfalls anhand der Fragen im Internet über das Thema zu informieren. Sie brauchen jedoch kein Portfolio anzulegen. Sie sollen ein Video über den Besuch der Biogasanlage inklusive Interview mit dem Landwirt produzieren.

Experiment zur Biowasserstoff- Gewinnung 

Da ich weiß, dass Tom, Helena und Jorge keine Experten bei schriftlichen Aufgaben sind, aber sehr gern experimentieren, schlage ich ihnen vor, dass sie eine kleine Biogas-Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) aufbauen und betreiben dürfen. Ich werde ihnen einen Experimentierkoffer dafür zur Verfügung stellen. Sie können den Aufbau und den Betrieb der Anlage fotografieren und filmen (s. Info 1)

Der kleine „Bioreaktor“ wird mit entzuckerten Rübenschnitzeln und mit einem Bakterien- Kalk-Gemisch gefüllt und mit warmem Wasser versetzt. Nach etlichen Stunden soll vor allem Wasserstoff produziert werden. Also kein Methan, wie in den professionellen Biogasanlagen. Der Wasserstoff wird dann in eine Brennstoffzelle geleitet. Dort reagiert das Gas mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser. Dabei entsteht elektrische Energie, mit der ein Propellermotor betreiben wird. 

Da die drei jungen Forscher kaum etwas über die Herstellung von Wasserstoff und seine technische Nutzung wissen, bekommen sie von mir in der nächsten Na- Wi-Stunde einen Anregungsbogen, mit dessen Hilfe sie sich dieses Thema erschließen können, bevor sie mit dem Versuch starten. 

Der Start des Bioreaktors in der Schule erweist sich als schwierig. Die Raumtemperatur wird nachts abgesenkt. Der Versuch kann von der Gruppe auch nicht regelmäßig betreut werden. Also erlaube ich Tom, den Koffer mit nach Hause zu nehmen. Dort gelingt es ihnen nach etlichen Stunden Vorlaufzeit, den Motor zum Laufen zu bringen (s. Abb. 2). Helena filmt das mit ihrem Smartphone.

Abb. 2: Modellset in Betrieb
Abb. 2: Modellset in Betrieb Foto: © Karl-Martin Ricker
Abb. 3: Koffer mit Experimentierset
Abb. 3: Koffer mit Experimentierset Foto: © Karl-Martin Ricker
Info 1: Biowasserstoff-Set

Im Unterricht verwende ich das Biowasserstoff-Set der Firma Hedinger (s. Abb. 3). Die Materialien befinden sich in einem stabilen Hartschalenkoffer. Neben dem „Bioreaktor“ aus Glas mit einem festen Schraubdeckel mit vier Gasöffnungen gehören noch eine Brennstoffzelle, ein Flügelmotor, eine große Einweg-Spritze, je ein Behälter mit Rübenschnitzeln und mit Bakteriengemisch samt Schläuchen, Kabeln und Kleinteilen zum Set. Der Preis beträgt ca. 400 €. Das Set ist das Ergebnis eines Jugend-forscht-Projekts des Kreisgymnasiums Riedlingen. Normalerweise setze ich dieses Set im Rahmen einer NaWi-Unterrichtseinheit zur Brennstoffzellen-Technik ein. Je nach Rahmenthema, kann man es also im Physik-, Chemie- und auch Biologie-Unterricht der Jahrgangsstufe 9/10 verwenden. Der Aufbau ist relativ einfach und gelingt den Lernenden in diesem Alter meistens gut, auch wenn die beiliegende Anleitung sehr lang und nicht unbedingt leicht zu verstehen ist. Die Abbildung des aufgebauten Sets kann deshalb eine sehr gute Orientierungshilfe sein. Substrat I besteht aus entzuckerten und getrockneten Rübenschnitzeln. Substrat II enthält die Bakterienmischung aus saccharolytischen Clostridien, angereichert mit Mineralstoffen und Kalk zur Einstellung des pH-Wertes. 

Clostridien sind anaerobe Bakterien, die im Boden und auch im Verdauungstrag höherer Lebewesen vorkommen. Es gibt Arten, die schwere Erkrankungen, wie z. B. Wundstarrkrampf (Tetanus), verursachen. Die saccharolytischen Clostridien, die in diesem Substrat verwendet werden, sind aus bakteriologischer Sicht gesundheitlich unbedenklich. Unter den Fermentationsbedingungen können keine anderen Organismen wachsen. Deshalb dürfen auch keine anderen Substrate verwendet werden. Sie ernähren sich vom Restzucker aus den Rübenschnitzeln und betreiben eine Buttersäuregärung. Dabei entsteht zu fast 80 % Wasserstoff. Der Rest ist Kohlenstoffdioxid. In ganz geringen Mengen entsteht auch Schwefelwasserstoff (H2S) und natürlich auch etwas übelriechende Buttersäure. Deshalb sollte man das Reaktionsgefäß nach dem Betrieb nicht im Wohn- oder Klassenraum öffnen. Das restliche Substrat kann im Bio- oder Restmüll entsorgt werden. Anders also bei den großen Biogasanlagen, entsteht kein Methan. Dieses Gas würde erst entstehen, wenn man den Reaktor etliche Tage laufen lassen würde und mehr Rüben- Substrat zugäbe. 

Forscherkonferenz 

Drei Wochen später sind die Produkte der Schülerinnen und Schüler fertig. Ich sammle die Portfolios ein und wähle Gruppen aus, die ihre Erkenntnisse zu einer Frage mündlich in einer Forscherkonferenz vorstellen sollen. Einige verwendete Grafiken aus dem Internet stelle ich zu einer eigenen Powerpoint-Präsentation zusammen, sodass ich sie bei Bedarf zeigen kann. Max und Rico haben bei „Planet Schule” eine Animation über die Funktion von Biogas-Anlagen gefunden. Diese zeigen sie per Beamer. Die Erklärungen dazu liefern sie selbst. 

Während einige Schülerinnen und Schüler ihre Texte vorlesen, können andere auch frei über ihre neu gewonnenen Erkenntnisse berichten. Bei passenden Gelegenheiten frage ich auch nach ihren persönlichen Meinungen. Daraus entwickeln sich dann manchmal kurze, aber interessante Diskussionen. 

Marvin, Cord und Lisa führen uns schließlich ihren Film vor. Sie haben den Biogasanlagen- Betreiber in ihrem Dorf interviewt. Es wird eine Grafik einer Biogasanlage eingeblendet, an der uns von den Filmautoren der Aufbau und die Funktion erklärt wird. Das verschafft uns Zuschauern einen guten Überblick, sodass wir die anschließende filmische Führung durch die Anlage gut verstehen. 

An den verschiedenen Stationen interviewt Cord den Landwirt. Und dieser erklärt, womit er die Anlage betreibt, wie sie funktioniert und wie er sie am PC steuern kann. Auch auf kritische Fragen der jungen Forscher antwortet er mit deutlichen Worten. Das kommt beim Publikum besonders gut an. 

Wasserstoff-Gas herstellen 

Die letzte Gruppe berichtet uns über die Herstellung von Wasserstoff-Gas mithilfe regenerativer Energien und ihren Nutzungsmöglichkeiten. 

Sie zeigen uns das auf einem Rollwagen aufgebaute Biowasserstoffset. Inzwischen läuft der Motor nicht mehr. Umso besser, dass sie uns jetzt ihr kurzes Video vorführen können. 

Einige Schülerinnen und Schüler wundern sich, dass in dieser kleinen Anlage Wasserstoff und nicht Methan produziert wird. Sie wollen wissen, ob auch in den großen Anlagen Wasserstoff anfällt. Da ich die Gruppe schon vorher darauf hingewiesen hatte, dass sie mit dieser Frage rechnen müssten, haben sie sich gut darauf vorbereitet. 

Tatsächlich fallen auch in den großen Anlagen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid an. Mikroorganismen wandeln diese beiden Stoffe jedoch in Methan um. Das Problem besteht nur darin, dass für die recht großen Mengen an CO2 zu wenig Wasserstoff entsteht. Deshalb muss das CO2 abgeschieden werden. 

Forscher erproben seit ein paar Jahren ein neues Verfahren, bei dem zwei Elektroden – Kathode und Anode – direkt in das Gärsubstrat getaucht und unter Strom gesetzt werden. Sie zerlegen das enthaltene Wasser im Substrat. An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff. Der brandfördernde Sauerstoff muss abgeleitet werden. Den entstehenden Wasserstoff nutzen die Mikroorganismen direkt zur Methanherstellung. Die Forscher hoffen, mit dieser Power-to-Gas-Technologie (s. Info 2) künftig die Methan-Ausbeute von 50 auf 95 % steigern zu können. Der elektrische Strom für die Elektrolyse sollte dann aus Wind- oder Solarenergie stammen. Zur Abschluss-Diskussion schreibe ich unsere große Forschungsfrage noch mal an die Tafel. Jetzt ist der Austausch von Argumenten viel sachlicher. 

Die Vorteile der Biogasgewinnung werden anerkannt, aber die ökologischen Auswirkungen des Maisanbaus werden nach wie vor sehr kritisch betrachtet. Einige Jugendliche schlagen vor, mehr Gülle für die Biogasanlagen zu nutzen, auch wenn die Effektivität geringer sei also bei einer Anlage mit Mais. Gülle stünde schließlich in großen Mengen zur Verfügung. 

Auch die Forschungen zur Erhöhung der Ausbeute werden begrüßt.

Info 2: Power to gas

Es weht eine frische Brise übers Land. Doch die Hälfte der Windkraftanlagen ist nicht in Betrieb. Im Moment gibt es offenbar ein Überangebot an regenerativer Energie auf dem Strommarkt. Sonnen- und Windenergie unterliegen natürlichen Schwankungen, die sich nicht an unserem Bedarf an elektrischer Energie orientieren. Diese Energie müsste in größerem Umfang und für längere Zeit gespeichert werden können. 

Eine Initiative verschiedener Unternehmen arbeitet daran, diese Idee in die Tat umzusetzen. Elektrische Energie aus Wind- und Solaranlagen soll zur Gasgewinnung genutzt werden. Dabei kann Wasserstoff und auch Methan produziert werden. Diese Gase sind speicherbar und können sowohl für die Wärmeversorgung, für den Antrieb von Fahrzeugen und auch für die Gewinnung elektrischen Stroms genutzt werden. Sinnvollerweise werden Power-to-Gas-Anlagen dort entstehen, wo viel Ökostrom anfällt. In Biogasanlagen kann elektrische Energie für die Elektrolyse genutzt werden. Dabei wird Wasser aus dem Biogasreaktor zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Spezielle Mikroorganismen wandeln dann Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in Methan um. 

Auf diese Weise kann die Ausbeute an Methan in Biogasanlagen deutlich gesteigert werden und gleichzeitig wird die Abgabe des Klimagases CO2 verringert. So wird Ökostrom zur Primärenergie und kann flächendeckend für die Wärmeerzeugung eingesetzt oder bedarfsgerecht über die Kraft-Wärme-Kopplung in Strom zurückgewandelt werden. Diese Verknüpfung von Strom- und Erdgasnetzen ist eine wichtige Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende. 

https://www.energie-tipp.de/neue-energie/speicher/power-to-gas-so-funktionierts/

Hinweis: In Biogasanlagen übernehmen Mikroorganismen die Aufgabe des Katalysators. 

Weitere Anregungen 

Bei der Recherche zu diesem Thema bin ich auf ein interessantes Biogas-Projekt gestoßen: In Kenia und Indien gibt es Entwicklungsprojekte, bei denen aus Fäkalien Biogas gewonnen wird. Daraus ergibt sich eine interessante Rechercheaufgabe für leistungsstarke und vor allem interessierte Jugendliche. Anhand des Arbeitsblattes (s. Material-Download) können sie zu diesem Thema arbeiten und die Ergebnisse der Klasse vorstellen. 

Eine weitere Idee zur unterrichtlichen Umsetzung zeigte sich in der Parallelklasse: Dort wurde das Thema innerhalb einer Projektarbeit behandelt. Herausgekommen ist u. a. ein selbstgebasteltetes Modell (s. Tipp) und ein Versuchsaufbau zur Gasgewinnung aus Gülle (s. Material-Download)

Abb. 4: Selbstgebautes Modell einer Biogasanlage
Abb. 4: Selbstgebautes Modell einer Biogasanlage Foto: © Karl-Martin Ricker
Abb. 5a: Versuch zur Vergärung von Gülle
Abb. 5a: Versuch zur Vergärung von Gülle Foto: © Karl-Martin Ricker
Abb. 5b: Versuch zur Vergärung von Gülle
Abb. 5b: Versuch zur Vergärung von Gülle Foto: © Karl-Martin Ricker
Tipp: Projektarbeit

Zur Erlangung des Mittleren Schulabschlusses stellen Schülerinnen und Schüler in Schleswig-Holstein eine Projektarbeit vor – mit einem schriftlichen und praktischen Anteil. Tjorben Tollschnibbe von der Ida-Ehre- Schule Bad Oldesloe und ein Freund haben das Projektthema „Biogasanlagen” gewählt: „Anhand der Leitfrage: Sind Biogasanlagen als Methode der regenerativen Energiegewinnung sinnvoll?" überlegten wir Unterthemen und klärten Fragen durch Internet-Recherche. Wir besuchten eine Biogasanlage in Leezen, um den Betreiber zu interviewen, davon haben wir ein Video aufgenommen. Zur besseren Veranschaulichung haben wir ein Modell (Abb. 4) gebaut und einen Versuch durchgeführt (Abb. 5). Dabei haben wir eine Plastikflasche mit Rindergülle und Maissilage befüllt und mit einem Luftballon luftdicht verschlossen. Die Flasche wurde dann an einem warmen und dunklen Ort aufgestellt. Nach ein paar Tagen war der Ballon mit Biogas gefüllt. Unser Video, unseren Versuch und unsere Erkenntnisse haben wir mündlich mit einer Power-Point-Präsentation vorgestellt.“ 

Arbeitsblätter & Material zum Download

Alle Arbeitsblätter zur Biogasanlage finden Sie hier zum Download im PDF-Format:

Download: Material zur Biogasanlage