E-Mobilität und Energienetze in Deutschland

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis:

Tabellenverzeichnis:

Abkürzungsverzeichnis

Einleitung

Energienetze in Deutschland
Regenerative Energiequellen
Energieverbrauch in Deutschland

Elektromobilität

Entwickeltes Lehrarrangement
Rahmenbedingungen
Bauanleitung
Bau des Trägerelementes
Bau des Arbeitselementes
Verbindung des Arbeitselementes mit dem Trägersubstrat
Bau der Reihenschaltung
Konstruktion des Übertragungselementes

Zusammenfassung

Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis :

Abbildung 1: Lastprofil

Abbildung 2: Primärenergieverbrauch in Deutschland 2016

Abbildung 3: Bruttostromerzeugung in Deutschland von 2016

Abbildung 4: Personenkraftwagen in Deutschland 2017 nach Kraftstoffarten

Abbildung 5: Entwickeltes E-Mobil

Tabellenverzeichnis:

Tabelle 1: Energiequellen

Tabelle 2: Vor- und Nachteile von EE

Tabelle 3: Vor- und Nachteile vom Elektroantrieb

Tabelle 4: benötigtes Material

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einleitung

Schon im 19. Jahrhundert erfolgte die Einführung des Elektroantriebs. Auch damals schon als konkurrierendes Produkt zum Verbrennungsmotor. Im Jahr 1899 wurde sogar ein Geschwindigkeitsrekord, von über 100km/h, mit einen Elektroauto aufgestellt. Ein Werk in den USA erzielte 1912 sogar eine Jahresproduktion von 10.000 Elektrofahrzeugen. Doch die vielfach höhere Energiedichte des Rohöls im Vergleich zur Batterie sowie der neue Elektrostarter für Verbrennungsmotoren sprachen zu diesem Zeitpunkt gegen die Elektromobilität.

Seither kam der Elektromobilität für fast ein ganzes Jahrhundert im Massenmarkt für Autos nur sehr wenig Aufmerksamkeit zu. (Vgl. Billisich/Fiala/Kronberger (1994), S. 35.)

Im August 2009 hat die Bundesregierung Deutschlands den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität (NEE) (vgl. BMvi 2009) beschlossen und ein Jahr später die darauf basierende Nationale Plattform Elektromobilität (NPE, Mai 2010) gegründet (vgl. BMUB 2017). Hiermit wurde von der Regierung beschlossen, die Entwicklung von Elektrofahrzeugen zu fördern. Konkret hat sich die deutsche Regierung vorgenommen, bis zum Jahr 2020 insgesamt eine Millionen Elektrofahrzeuge in den deutschen Straßenverkehr zu bringen. (vgl. BMvi 2009, S. 2).

Ausschlaggebend für diese Maßnahmen waren hauptsächlich zwei Gründe: Einerseits und langfristig betrachtet, will die Bundesregierung unabhängiger vom kostenintensivem Rohöl aus dem Ausland sein. Andererseits soll durch die Reduktion von CO2 Emissionen ein Beitrag zum allgemeinen Umweltschutz geleistet werden. Allerdings unter der Prämisse, dass der Bedarf an Strom für die Elektrofahrzeuge durch regenerative Quellen gedeckt wird.

Das Ziel dieser Hausarbeit ist es, ein Lehrarrangement für Schüler und Schülerinnen der 7. und 8. Klassenstuufe zu entwickeln um sie für das relativ komplexe Thema zu sensibilisieren. Hierfür wird zunächst eine theoretische Grundlage geschaffen, in dem die Energienetze in Deutschland mit besonderem Fokus auf die regenerativen Energiequellen betrachtet werden. Anschließend wird, mit dem Kapitel über die Elektromobilität, mehr in die Tiefe des eigentlichen Themas gegangen. Seinen Abschluss findet die Hausarbeit im entwickelten Lehrarrangement.

Energienetze in Deutschland

Im Rahmen dieser Hausarbeit soll ein Lehrarrangement für Schüler und Schülerinnen der 7. und 8. Klasse entwickelt werden. Hierfür sollen die Schüler und Schülerinnen später ein elektrobetriebenes Fahrzeug selbst entwickeln. Die Problematik hierbei und allgemein bei der Elektromobilität ist die Zuführung des Stroms.

Dieses Kapitel soll umfangreich über die Energienutzung und -gewinnung in Deutschland informieren. Speziell wird hierbei auf die Marktentwicklung der regenerativen Energiequellen eingegangen, denn nur mit erneuerbaren Energien kann ein Elektroauto auch Nachhaltig betrieben werden.

Regenerative Energiequellen

Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie nicht erzeugt oder verrichtet werden kann. Sie kann nur in andere Energieformen umgewandelt werden. Regenerative Energiequellen, oder auch erneuerbare Energiequellen genannt (kurz EE), stammen aus der menschlichen Dimension unerschöpflicher „Quellen“ (z.B. Sonne). Die daraus entstehenden Nutzenergien (z.B. Wind) werden ständig neu gebildet (Meliß 1997, S. 8). In Tabelle 1 sind exemplarisch eingesetzte Energiequellen aufgelistet.

Tabelle 1: Energiequellen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sich die EE vielschichtig zusammensetzen. Haupt-initiator ist die Sonne. Sie ist der zentrale Impulsgeber für fast alle erneuerbaren Energie-quellen. Die Sonne kann direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, wie beispielsweise in Photovoltaik- oder Solarthermie Anlagen. Aber auch indirekt unter Verwendung der Gezeiten, wie beispielsweise in Wasserkraftwerken oder Windkraftanlagen. Andere Energiequellen sind beispielsweise die Biomasse. An dieser Stelle ergibt sich folgende Fragestellung: Warum sind erneuerbare Energiequellen derzeit so interessant und worin liegen ihre Vorteile?

Die Problematiken, die sich hinter dieser Fragestellung verbergen sind einerseits die rasant ansteigenden CO2-Emissionen und damit verbunden der globale Temperaturanstieg und andererseits die Erschöpfbarkeit von fossilen Rohstoffen und der Atomausstieg. Um rechtzeitig diesen Katastrophen entgegen zu wirken verabschiedete die Bundesregierung im Laufe der Zeit einige Förderprogramme, wie beispielsweise das „1.000 Dächer“-Programm von 1991 oder das „250 MW Wind“-Programm ebenfalls von 1991. Darüber hinaus erhalten Fahrer von Kraftfahrzeugen mit Biokraftstoff und Elektroantrieben Steuervergünstigungen. Aktuell ist das „Energiekonzept 2010“ mit einem 9-Punkte-Plan für umweltfreundliche, nachhaltige und bezahlbare Energieversorgung das aktuellste Konzept zur Energiegewinnung in Deutschland (energie-m 2010). Das Ziel dieses Konzeptes ist es bis 2050 die Energieversorgung durch erneuerbare Energiequellen auf 80 % zu erhöhen.

Neben den geförderten Programmen existieren in Deutschland auch drei vorrangige Bundesgesetze:

1. Stromeinspeisungsgesetz von 1991

- Stromabnahme verpflichtend
- Mindestvergütung für Erzeuger

2. Erneuerbare-Energien-Gesetz von 2000

- Vorrangige Nutzung von regenerativen Energien
- Ausführliche Regelung zu Netzanschlussbedingungen
- Gesetzliche Festlegung von Einspeisevergütung

3. Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz von 2002

Trotz der reichhaltigen Vorteile dieser Technologie und der Gesetzmäßigkeiten liegen ihr noch viele Schwierigkeiten im Weg. Eine kleine Zusammenfassung von den Vor- und Nachteilen von regenerativen Energiequellen kann der Tabelle 2 entnommen werden.

Tabelle 2: Vor- und Nachteile von EE

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Besonders hervorzuheben ist die fluktuierende Einspeisung des Stroms. Ein typisches Lastprofil über einen Tag kann der Fehler! Ungültiger Eigenverweis auf Textmarke. entnommen werden. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Stromverbrauch in den Vormittagsstunden rasant ansteigt. Gerade Windkraftwerke erzeugen nur Strom wenn auch Wind weht bzw. Solarkraftanlagen, wenn die Sonne scheint. Da die Industrie aber ungern Pause macht, nur weil die Verbraucher zur Mittagszeit ihre Mahlzeiten zubereiten oder morgens Duschen wollen ist dies noch ein kritischer Punkt in der Umsetzung von EE. Ebenso ist es sehr kompliziert und teuer Energie zwischen zu speichern. Lösungsansätze liefern Wasserkraftwerke, die ihre Überschüssige Energie dazu verwenden das Wasser wieder hoch zu pumpen.

Bis hierhin wurde die Fragestellung, wie regenerative Energiequellen sich zusammensetzen und welchen Nutzen sie haben erörtert. Interessant ist, ob diese Energieform in der Lage ist den Stromverbrauch in Deutschland zu decken?

Energieverbrauch in Deutschland

Allgemein kann behauptet werden, dass der Energieverbrauch in Deutschland seit Beginn der 1990er Jahre unwesentlich gesunken ist. Es wird zwar immer mehr Energie effizienter genutzt und teilweise eingespart, doch Wirtschaftswachstum und Konsumsteigerungen verhindern einen deutlichen Verbrauchsrückgang (Vgl. Umweltbundesamt 2017). Der Primärenergieverbrauch in Deutschland lag im Jahr 2016 bei 13.383 PJ. Die Zusammensetzung kann der Abbildung entnommen werden.

Es ist zu erkennen, dass 12,6 % des Gesamtbedarfes durch erneuerbare Energien gedeckt wird. Im Vergleich dazu lag die Deckung im Jahr 1990 bei 1,3 % bei einem Verbrauch von 14.905 PJ. Die regenerativen Energien setzen sich hierbei aus 6,5 % Biomasse, 0,9 % Biokraftstoffe, 1 % Abfälle und Deponiegas, 0,2 % Solarthermie, 1 % Fotovoltaik, 0,6 % Wasserkraft und 0,3 % Wärmepumpen zusammen. Durchaus positiv ist die Entwicklung, da gerade die Kraftwerke mit hohen CO2-Emissionen sich deutlich verringert haben. So sind die Anteile von Steinkohle (von 15,5 % auf 12,2 %) und der Braunkohleanteil (von 21,5 % auf 11,4 %) drastisch gesunken. Darüber hinaus hat sich der Anteil von Kernenergie fast halbiert. Hierbei ist der Anteil von 11,2 % auf 6,9 % gesunken.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Primärenergieverbrauch in Deutschland 2016

Quelle: In Anlehnung an BMWi 2017

Diese Verbraucherstatistik ist ein Hinweis für die Sensibilisierung der Bevölkerung für eine nachhaltige Energieversorgung. Die Energieunternehmen in Deutschland überlassen immer mehr ihren Kunden die Möglichkeit ihre Energiezusammensetzung selbst zu wählen.

Neben dem Energieverbrauch ist die Stromerzeugung eine wichtige Kennziffer der nachhaltigen Entwicklung. In Abbildung kann die Bruttostromerzeugung in Deutschland aus dem Jahr 2016 entnommen werden. Die im letzten Kapitel genannten Programme und Gesetze zeigen hier ihre Wirkung. 29 % der Stromerzeugung erfolgen durch erneuerbare Energien. Seit Jahren erhält dieser Wirtschaftssektor eine immer größer werdende Bedeutung. Mit einem jährlichen Wachstum von 1,5 % sind an diesem Wirtschaftszweig nicht nur Stromerzeugnisse, sondern auch Absatzmärkte und Arbeitsstellen gebunden. Hervorzuheben in dieser Statistik vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (kurz BMWi) ist die Windkraft, die mit 11,9 % führend die Energieversorgung im Bereich der erneuerbaren Energien aufrechterhält und damit auf Platz 5 der gesamten Stromerzeugung in Deutschland ist.

Ziel bis 2020 ist die Deckung mit 35 %, bis 2030 mit 50 %, 2040 mit 65 % und 2050 mit 80 %. Gerade durch das fortschreitende Umdenken der Menschen ist eine Energiewende möglich. Große Absatzmärkte erhoffen sich die Automobilbauer, die mit zunehmend wirtschaftlich rentablen Elektrofahrzeugen ihr Portfolio erweitern und die Nachhaltigkeit in Deutschland fördern wollen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Bruttostromerzeugung in Deutschland von 2016

Quelle: In Anlehnung an BMWI 2017

Elektromobilität

Elektromobilität, auch umgangssprachlich E-Mobilität bezeichnet, umfasst im Sinne der Bundesregierung alle Fahrzeuge, “die von einem Elektromotor angetrieben werden und ihre Energie überwiegend aus dem Stromnetz beziehen, demzufolge extern aufladbar sind“ (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit 2014, S.9). Derzeit sind laut Kraftfahrtbundesamt insgesamt 45.803.560 Personenkraftwagen in Deutschland zugelassen. In Abbildung 4 ist die Aufteilung nach Kraftstoffarten abgebildet. Es ist deutlich zu erkennen, dass Benzin und Dieselfahrzeuge den Hauptanteil an Personenkraftwagen in Deutschland einnehmen. Lediglich 1,58 % (724.639 Fahrzeuge) aller Fahrzeuge werden mit regenerativen Energiequellen betrieben. Dazu zählen Fahrzeuge mit Flüssiggas-, Erdgas-, Elektro- und Hybridmotoren. Der Anteil an Elektrofahrzeugen in Deutschland liegt gerade einmal bei 0,074 %, dies entspricht einer Gesamtzahl von 34.022 Fahrzeugen im Jahr 2017. Im internationalen Vergleich liegt Deutschland damit weit hinter anderen Industrienationen wie beispielsweise Japan (144.000), USA (555.000), China (609.000) und Frankreich (83.353) (Vgl. nationale-plattform 2017).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Personenkraftwagen in Deutschland 2017 nach Kraftstoffarten

Quelle: In Anlehnung an Kba 2017 a

Im Folgenden werden ausschließlich die rein batteriebetriebenen Fahrzeuge betrachtet, da sie im Zentrum dieser Hausarbeit stehen. Kombinationen von Elektromotor und Verbrennungsmotor werden nicht berücksichtigt.

Für Elektroautos gibt es insgesamt drei verschiedene Antriebsmöglichkeiten. Die erste Variante ist der Zentralmotor, dessen Position gleich der eines Verbrennungsmotors im Fahrzeug ist. Der Zentralmotor treibt dann die komplette Vorder- oder Hinterachse über ein zwischengeschaltetes Differenzial an. Die zweite Möglichkeit sind so genannte “radnahe“ Motoren. Bei dieser Variante werden zwei Motoren in der Nähe des Rades platziert und treiben jeweils ein Rad an. Hierbei wird, genauso wie bei einem Verbrennungsmotor oder einem Zentralmotor, eine Antriebswelle benötigt. Die dritte Form des Elektromotors ist der radintegrierte Antrieb. In dieser Variante sind die Elektromotoren direkt im Rad eingesetzt und es wird keine Antriebswelle benötigt. Des Weiteren ist jedes einzelne Rad einzeln ansprechbar (Vgl. Schier 2010, S. 8). Der große Vorteil von Elektromotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren liegt im Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad von elektrisch betriebenen Fahrzeugen liegt bei ca. 85%, da im Vergleich zu einem Auto mit einem Verbrennungsmotor keine Energie in Form von Wärme verloren geht (Vgl. Marx 2013, S. 1-3). Gespeist werden die Elektromotoren in der Regel von leistungsstarken Lithium-Ionen Akkumulatoren, welche beispielsweise im Nissan Leaf eine Leistung bis zu 30 kWh liefern (Vgl. Nissan 2017).

Die verwendeten Elektromotoren generieren dabei ähnliche Leistungen wie Verbrennungs-motoren. Der Nissan Leaf liefert beispielsweise nach Herstellerangaben eine Leistung von 80 kW bei einem Verbrauch von 15,0 kWh/100km. Hersteller wie Volkswagen und BMW bieten ihrerseits Elektromotoren mit 100 kW bzw. 125 kW an. Die Ladezeiten sind von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Der BMW i3 benötigt an einer herkömmlichen 230 V Steckdose 12:15 h, der Nissan Leaf 10 h und der e-Golf 17 h. Es besteht allerdings die Möglichkeit für alle Fahrzeuge eine Heimladestation zu installieren, welche die Ladezeit durch eine erhöhte Ladeleistung deutlich verringert. So bedarf der Leaf nur noch 7 h, der i3 3:30 h und der e-Golf, je nach Leistung der Ladestation zwischen 5:20 h und 10:50 h. Am schnellsten geht es jedoch an einer öffentlichen Ladestation mit einem Gleichstromladeverfahren. Dabei benötigen alle Fahrzeuge durchschnittlich 30-40 Minuten für ein Aufladen des Akkumulators auf 80 %. (Vgl. Nissan; BMW AG; Volkswagen AG 2017). Der Verbrauch bei diesen Modellen soll laut Herstellerangaben bei 12,7 kWh bzw. 12,9 Kwh pro 100 Kilometer liegen. Die Reichweite der Fahrzeuge ist trotz unterschiedlicher Leistung ähnlich. Alle drei ausgewählten Modelle werben mit einer Reichweite von ca. 200km (Volkswagen AG; BMW AG; Nissan 2017).

Hinsichtlich des Einsparpotentials eines Elektroautos ist vor allem der geringere Energieverbrauch des Fahrzeugs zu nennen. Hersteller, wie beispielsweise Volkswagen, werben mit einem durchschnittlichen Energieverbrauch von 12,7 kWh/100 km (Vgl. Volkswagen AG, S. 2). Im Realbetrieb, getestet durch den ADAC, wurde ein durchschnittlicher kombinierter Verbrauch von 18,2 kWh/100 km ermittelt (Vgl. Giuliani 2014, S. 12). Da der Heizwert von einem Liter Benzin bei 8,77 kWh liegt, ergibt der Wert 18,2 kWh/100 km einen theoretischen Kraftstoffverbrauch von 2,075 L/100km (Vgl. Stadtwerke Emmendingen, S. 1). Verglichen mit einem Golf mit ähnlicher Leistung und Verbrennungsmotor resultiert hieraus ein theoretisches Einsparpotential von 3,5 Liter Benzin auf 100 km. (Vgl. Brand 2013, S. 13). Erreicht wird dieses Potential durch den höheren Wirkungsgrad des Elektromotors gegenüber einem Verbrennungsmotor (Vgl. Marx 2013, S. 1-3).

Weiterhin ergeben sich für die Besitzer eines Elektroautos Einsparpotentiale in finanzieller Hinsicht. Dazu trägt unter anderem die Steuerbefreiung von Elektrofahrzeugen bei. Innerhalb der ersten zehn Jahre sind Fahrzeuge dieser Art von der Kraftfahrzeugsteuer befreit (Vgl. Generalzolldirektion). Zusätzlich dazu sind die Kosten für eine Betankung bzw. Beladung des Autos vergleichsweise gering. Eine Kilowattstunde Strom kostet 30 Cent, wohingegen der Preis für einen Liter Benzin 134,4 Cent beträgt. Durch den Einsatz von Elektroautos lassen sich, wie oben beschrieben, sowohl Energie als auch finanzielle Mittel einsparen. Im Folgenden wird erörtert, welche negativen Einflüsse der Rebound-Effekt auf die genannten Einsparpotentiale haben könnte, bzw. hat.

Im Bereich des direkten Rebound-Effekts ist auch bei den Nutzern eines Elektrofahrzeugs ein verändertes Nutzerverhalten festzustellen. Eine Verhaltensstudie von 2009, durchgeführt von Brigitte Halvorsen und Yngve Frøyen in Norwegen, hat ergeben, dass vor dem Erwerb eines Elektroautos ca. 65 % der Befragten den Weg zur Arbeit mit dem Auto und ca. 23 % mit öffentlichen Verkehrsmitteln zurückgelegt haben. Nach dem Kauf des Elektrofahrzeugs haben ca. 83 % der Teilnehmer für die Fahrt zur Arbeitsstelle das Auto genutzt und nur noch ca. 5% die öffentlichen Verkehrsmittel (Vgl. Halvorsen und Frøyen 2009. S. 21). Eine vergleichende Studie liefert das deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (kurz: DLR). Sie stellten 2015 fest, dass 82 % der Befragten nach dem Kauf eines Elektroautos den Weg zur Arbeit mit dem Fahrzeug antreten und nur 3 % die öffentlichen Verkehrsmittel nutzen (Vgl. Frenzel et al. 2015 S. 21). Dafür spricht weiterhin, dass sich manche Fahrzeuge erst ab einer bestimmten Fahrleistung im Jahr rechnen. Werden Versicherungskosten, kalkulatorische Abschreibungen sowie Kraftstoffkosten, steuerliche Be- und Entlastungen als auch Wartungskosten mit einberechnet, weißt beispielsweise der Kia Soul EV Plug erst bei einer Fahrleistung von 20.000 km im Jahr geringere Betriebskosten als ein vergleichbares Fahrzeug mit Verbrennungsmotor der Marke auf (Vgl. ADAC 2017b, S.4). In Verbindung mit dem wesentlich höheren Kaufpreis des Elektroautos, wird der Käufer eher animiert mehr Kilometer im Jahr zu fahren, um die vergleichsweise hohen Fixkosten auszugleichen. Sowohl das veränderte Nutzerverhalten als auch die finanziellen Aspekte sind Indikatoren dafür, dass mit einem Elektrofahrzeug mehr gefahren werden muss und so direkte Rebound-Effekte entstehen (Vgl. Teufel et al., S. 37 - 40).

Bezüglich der indirekten Rebound-Effekte hat die Studie des DLR ergeben, dass 57% aller befragten Käufer das Elektroauto als zusätzliches Fahrzeug besitzen. Es wurde also im Zuge des Erwerbs des Fahrzeugs kein bestehender PKW verkauft und somit nicht substituiert. Verursacht wird dieses Verhalten vor allem durch die bisher sehr begrenzte Reichweite der Fahrzeuge. Das Auto mit Verbrennungsmotor wird dabei in der Regel für Fahrten über größere Distanzen genutzt und es kommt nicht zu einem Umstieg vom Verbrennungsantrieb zum Elektroantrieb (Vgl. Frenzel et al. 2015, S. 38). Die parallele Nutzung von zwei Fahrzeugen statt einem, führt zu einem höheren Ressourcen und Energieverbrauch und wirkt sich somit negativ auf die beschriebenen Einsparpotentiale durch den Konsum-Akkumulations-Effekt aus. (Vgl. Santarius 2012, S. 14).

Weiterhin hat der flächendeckende Einsatz von Elektroautos infrastrukturelle Konsequenzen, welche weitere indirekte Rebound-Effekte verursacht. Bei einer gesteigerten Anzahl von Fahrzeugen dieser Art, muss auch die Zahl der Ladestationen in Deutschland vergrößert werden. Dabei werden vor allem für den Herstellungsprozess und für den Aufbau der Stationen Ressourcen benötigt, welche die theoretischen Einsparpotentiale teilweise mindern können. Zudem muss sich auch der Produktionsprozess von Automobilen selbst maßgeblich ändern. So muss die Produktion auf die Herstellung von Akkumulatoren und Elektromotoren, sowie weitere Komponenten umgestellt werden, damit schlussendlich eine höhere Anzahl an Elektrofahrzeugen produziert werden kann. Auch hier werden zusätzlich Ressourcen benötigt, um die Rahmenbedingungen für eine größere, serielle Produktion zu schaffen (Vgl. Santarius 2012, S. 13).

Wie am vorrangehend erörterten Rebound-Effekt zu erkennen ist, hat die neue Art, sich fortzubewegen, gegenüber dem klassischen Konzept von Verbrennungsmotoren nicht nur Vorteile sondern verbirgt sie auch einige erhebliche Nachteile.

Zusammenfassend können der folgenden Tabelle 3 die wichtigsten Vor- und Nachteile von Elektroantrieben gegenüber Verbrennungsantrieben entnommen werden.

Tabelle 3: Vor- und Nachteile vom Elektroantrieb

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In den vorrangegangenen Kapiteln wurde sowohl das Energienetz in Deutschland mit Hauptaugenmerk auf die regenerativen Energiequellen als auch etwas spezifischer die Elektromobilität mit möglichen direkten und indirekten Rebound-Effekten allgemein erörtert. An dieser Stelle ergibt sich nun die Fragestellung, wie diese Thematik in einen Lehrarrangement an Schüler und Schülerinnen sinnvoll herangetragen werden kann.

Entwickeltes Lehrarrangement

Die bisher benannten Themen hatten die theoretischen Grundlagen als Substanz. In diesem Kapitel soll ein Lehrarrangement vorgestellt werden, welches für Schüler und Schülerinnen der 7. Und 8. Klasse konzipiert wurde. Das Lehrarrangement wurde in Zusammenarbeit mit dem „Schüler Labor Technik“ der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg konzipiert und dort umgesetzt. Die Schüler und Schülerinnen lernen in dieser Zeit besonders gut durch das selbstständige ausprobieren und basteln. Aus diesem Grund heißt der Titel der Veranstaltung:

Entwicklung eines E-Mobils

Und kann im Unterrichtsfach Technik unter der Rubrik „Funktion und Einsatz von Maschinen“ ausgeübt werden. Gerade mit Blick auf die aktuell diskutierten Themen, wie der Dieselabgasskandal rückt eine Sensibilisierung für Schüler/innen immer mehr in den Fokus. Denn gerade die kleinsten unter uns, haben die größten Möglichkeiten in der Zukunft. Gerade Schüler/innen in diesem Alter haben einen maßgeblichen Einfluss auf ihre Eltern und können diese somit zum Umdenken bewegen. Zukunftsperspektivisch ist das Thema der E-Mobilität ein Grundpfeiler unserer Fortbewegung. Prognosen behaupten, dass in 50 Jahren die Menschheit keine Benzin oder Dieselkraftfahrzeuge mehr verwendet, sondern auf alternative Antriebe umgestiegen sein wird. Hierzu äußerte sich bereits der österreichische Verkehrsminister Jörg Leichtfried, der ab 2030 nur noch emissionsfreie Autos zulassen will (Huffpost 2017).

Rahmenbedingungen

In dieser Unterrichtssequenz bauen die Schüler/innen unter Anleitung ein eigenes Elektro-mobil aus Alltagsgegenständen auf, welches sie im Anschluss mit nach Hause nehmen können. Zudem werden während des Aufbaus einzelne Funktionselemente näher erläutert und die Schüler haben die Aufgabe diese in ein Arbeitsblatt^[1] einzupflegen. Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung sind neben der Definition von Maschine auch die Grob-orientierung von Funktionselementen. Die zu erreichenden Lernziele sind wie folgt definiert:

- Funktionselemente einer Maschine bestimmen und definieren.
- Anwendung des Satzes von Thales.
- Erkennen von Fehlfunktionen und selbstständiges optimieren der Maschine.
- Förderung des kreativen Denkens.
- Festigung der Funktionselemente.

Die Dauer des Praktikums beschränkt sich auf 90 Minuten. Im Folgenden wird kurz und prägnant die Bauanleitung für das E-Mobil dargestellt. Die zu verwendenden Materialien können der Tabelle 4 entnommen werden. Die Materialkosten belaufen sich auf 5 € pro Teilnehmer.

Tabelle 4: benötigtes Material

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bauanleitung

Die Bauanleitung erstreckt sich über 5 Grundpositionen. Zuerst bauen die Schüler und Schülerinnen das Trägerelement. Im zweiten Schritt erfolgt der Bau des Arbeitselementes, ihm folgt der Abschnitt der Verbindung. Hierbei erfolgt die Verbindung des Arbeitselementes mit dem Trägerelement. Im vierten Abschnitt folgt die Elektrotechnik. Dabei erfolgt der Zusammenbau des Elektromotors als Reihenschaltung. Abgeschlossen wird dieses Praktikum mit der Konstruktion des Übertragungselementes.^[2]

Bau des Trägerelementes

Als erstes wird die Achse des E-Mobiles angefertigt. Dazu werden zwei Trinkhalme, ein Holzspieß, drei Doppelzahnräder und als Werkzeug eine Schere benötigt.

Die beiden Trinkhalme werden auf ein Maß von 15 cm gekürzt (ohne Knick). Ein Trinkhalm wird längs aufgeschnitten, dieser wird in den nicht zerschnittenen Trinkhalm eingeführt. Ein Doppelzahnrad wird, mit der planen Seite nach außen, an einem Ende des Holzspießes aufgeschoben, so dass dieser etwa 1 cm an der planen Seite des Doppelzahnrades hinaussteht. Nun wird der verstärkte Trinkhalm auf den Holzspieß geschoben. Anschließend werden zwei Doppelzahnräder mit der planen Seite nach außen auf der anderen Seite des Holzspießes befestigt. Der Abstand zwischen dem Trinkhalm und den Doppelzahnrädern darf nicht zu groß sein. Der Trinkhalm muss sich noch drehen, darf sich aber zwischen den beiden Doppelzahnrädern nur minimal hin und her bewegen. Wenn der Holzspieß auf der Seite der beiden Doppelzahnräder zu weit übersteht, kann dieser etwa 1 cm vom Doppelzahnrad gekürzt werden. Damit ist das Trägerelement fertig.^[3]

Bau des Arbeitselementes

Als nächstes wird das Arbeitselement gebaut. Folgende Materialen werden benötigt: zwei Bierfilze, zwei doppelseitige Klebepads, als Werkzeug eine Schere, als Hilfsmittel ein Bleistift und ein Geodreieck. Beim Bau des Arbeitselementes wird der Fokus weniger auf die Baufertigkeiten gelegt, sondern auf die mathematischen naturwissenschaftlichen Grundlagen zurückgegriffen.

Der Mittelpunkt der Bierfilze wird mit Hilfe des Satz des Thales ermittelt. Dazu wird eine Sekante etwa 2 cm vom Radius entfernt auf dem Bierfilz gezeichnet. An einem Punkt, in dem die Sekante dem Umfang des Kreises schneidet, wird mit Hilfe des Geodreieckes ein rechter Winkel konstruiert. Anschließend werden die beiden Katheten verbunden. Die Hypotenuse ist zugleich der Durchmesser des Kreises. Um den Kreismittelpunkt zu bestimmen, wird der Satz des Thales an einer anderen Stelle auf demselben Bierfilz erneut durchgeführt. Zur Kontrolle empfiehlt es sich die Konstruktion ein drittes Mal auszuführen. Alle drei Durchmesser sollten sich im Mittelpunkt des Kreises schneiden. Mit Hilfe eines spitzen Bleistiftes wird der Bierfilz im Mittelpunkt durchstochen.^[4]

Verbindung des Arbeitselementes mit dem Trägersubstrat

Die zwei Klebepads werden halbiert. Je eine Hälfte wird gegenüber an der planen Seite des Doppelzahnrades am Trägerelement befestigt. Der Bierfilz wird anschließend auf den Holzspießend geschoben und mit etwas Druck an dem Doppelzahnrad geklebt. Nach demselben Prinzip wird auf der anderen Seite des Trägerelements das zweite Rad befestigt.

[...]

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^[1] Das Arbeitsblatt kann dem Anhang a entnommen werden.

^[2] Die Verbildlichung kann dem Anhang b entnommen werden und wird ebenfalls den Schülern/Innen zur Verfügung gestellt.

^[3] Die Verbildlichung kann dem Anhang c entnommen werden.

^[4] Die Verbildlichung kann dem Anhang d entnommen werden.