Klimaschutz durch Kälte-
maschinen und Wärmepumpen
Vom Bundesumweltministerium gefördertes bundesweites IKKE-Schulprojekt
maschinen und Wärmepumpen
Die Möglichkeiten klimafreundlicher Verhaltensweisen sind Schülern und Schülerinnen mehrheitlich vor allem in bestimmten Bereichen, wie z. B. der Mobilität, bewusst. Für die Technik der „thermodynamischen“ Maschinen trifft dies nicht zu. Sie ist nicht allgemein bekannt und in der Regel auch nicht Gegenstand des schulischen Unterrichts. Am Beispiel einer transportablen Kältemaschine/Wärmepumpe zur gleichzeitigen Erzeugung von warmem und kaltem Wasser sollen die energetischen Prozesse im Physikunterricht veranschaulicht werden. Gleichzeitig ist dieses Projekt sicher auch ein guter Weg, die Branche an sich und ihre beruflichen Möglichkeiten bei jungen Leuten bekannter zu machen.
Um der globalen Erderwärmung zu begegnen, soll die Energienutzung mit immer geringeren Emissionen von Treibhausgasen – insbesondere CO₂ – einhergehen. Wie die Bewegung “Fridays for Future“ zeigt, wollen sich Schüler und Schülerinnen massiv für die Erhaltung unserer Umwelt einsetzen. Diese Motivation greift das Schulprojekt auf, indem die leistungstragenden Akteure von morgen sowohl über den beobachteten Klimawandel als auch über mögliche Problemlösungen informiert werden.
Der Gebäudebereich wird regelmäßig – so auch im nationalen Klimaschutzprogramm – als sehr wichtiges Aktionsfeld beim Erreichen der Klimaschutzziele identifiziert. Mehr als 55 % der Endenergie in Deutschland wird für die Bereitstellung von Kälte und Wärme aufgewendet. Die Wärmepumpen- bzw. Kälte-/Klimatechnik wird zukünftig einen stetig wachsenden Beitrag bei der Bereitstellung von Wärme und Kälte leisten, sowohl im privaten als auch im gewerblichen und industriellen Bereich.
Die Bereitstellung von Kälte kann durch Systeme auf dem neuesten Standes der Technik um ca. 30-50 % energieeffizienter erfolgen. Mit dem gleichen thermodynamischen Prozess kann durch Nutzung von Umgebungswärme mit Wärmepumpen Raumwärme und Warmwasser mit einer Energieeffizienz von 200-500 % bereitgestellt werden. Insgesamt kann so eine erhebliche Einsparung von Antriebsenergie und Emissionen realisiert werden.
Gegenstand des Projektes
Am Beispiel einer transportablen und steuerbaren Kälteanlage, die inzwischen als Prototyp getestet wurde, sollen die Zusammenhänge von Energieverbrauch, Temperatur und Wärme- bzw. Kälteleistung in Versuchsreihen gemessen und ausgewertet werden. Zudem sollen experimentelle Arbeiten in grundlegende theoretische Überlegungen mit Blick auf den Kohlenstoffkreislauf der Erde eingebunden werden. Ferner werden verschiedene Pfade der Energieerzeugung und der unmittelbare Beitrag dieser Technik zur Minderung der Treibhausgasemissionen herausgearbeitet. Mit diesem „erlebbaren Klimaschutz“ sollen sich Schüler und Schülerinnen ihrer Einflussmöglichkeiten bewusst werden und zugleich zusätzliche naturwissenschaftliche Erkenntnisse erlangen.
Neben der Vermittlung von Wissen bezogen auf Ursachen des globalen Klimawandels und Maßnahmen zu dessen Minderung soll auch Interesse bei Schülerinnen und Schülern für eine Berufsorientierung in Richtung Klimaschutz, Wärmepumpen- sowie Kälte- und Klimatechnik geweckt werden. Dazu hat die ArGe Kälte (s. Kasten) ein auf das Fach Physik gerichtetes Unterrichtskonzept für insgesamt 4 Unterrichtsstunden unter Mitwirkung des Robert Havemann Gymnasiums (RHG) in Berlin-Karow und des Martineums (Gymnasium) in Halberstadt (Sachsen-Anhalt) entwickelt.
Das Konzept enthält darüber hinaus Informationen zu allgemeinen gesellschaftlichen und politischen Entwicklungen und ihren Auswirkungen auf die Umwelt sowie insbesondere das globale Klima. Es kann daher grundsätzlich auch im Rahmen der Vermittlung von politischem und ökonomischem Wissen genutzt werden.
Projektstand
Das IKKE hat inzwischen einen Prototyp des Aggregates (Kältemittel Propan) entwickelt und dazu eine Betriebsanweisung erstellt. Die kleine Anlage kann in einem PKW transportiert werden und soll unter Berücksichtigung der Erkenntnisse aus einem Testlauf, der am 14. und 15.10.2021 im IKKE stattgefunden hat (s. unten), noch geringfügig modifiziert werden.
Das Unterrichtskonzept (PowerPoint-Präsentation) ist fertiggestellt und versteht sich als „lebendes“ Dokument, d.h. neue Erkenntnisse sollen aktuell eingearbeitet werden. Es beinhaltet wesentliche Aspekte des Gegensteuerns gegen die globale Erderwärmung, z.B. die globalen Zusammenhänge hinsichtlich der Verstärkung des Treibhauseffekts (Kohlenstoffkreislauf) sowie die Folgen unterschiedlich gestalteter Energiesysteme einschließlich nationaler und internationaler Klimaschutzmaßnahmen. Die Präsentation versteht sich als Leitfaden, d.h. den Vortragenden – in der Regel Physiklehrer – steht es frei, welche Inhalte sie entsprechend ihrem pädagogischen Anliegen übernehmen.
Testlauf
Am 14. und 15.10.2021 fand im Informationszentrum für Kälte-, Klima- und Energietechnik – IKKE gGmbH Duisburg im Rahmen eines 2-tägigen Workshops ein erster Probeunterricht mit Umschülern statt, bei dem auch der Prototyp getestet wurde. Eingeladen waren beteiligte Pädagogen, BMU, co2online, DKV sowie Vertreter von Fachzeitschriften, des Bundesinnungsverbandes und von Landesbehörden (Sachsen-Anhalt und Berlin).
Generell zeigten die teilnehmenden Schüler und Schülerrinnen großes Interesse, beteiligten sich aktiv und stellten zahlreiche Fragen politischer, wirtschaftlicher und fachlicher Natur. Dabei haben sich sowohl die haptische Erfahrung als auch die „händische“ Erfassung der Daten bewährt.
Das Projekt wird auch im Rahmen einer Veranstaltung bei den Berliner Energietagen nach aktueller Planung am Nachmittag des 3. Mai vorgestellt.
Hintergrund
Das Schulprojekt „Klimaschutz durch Kältemaschinen“ ist Bestandteil des Verbundprojektes der vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderten Online-Klimaschutzberatung für Deutschland. Es soll beispielhaft an etwa 80 Schulen in mindestens acht Bundesländern umgesetzt werden und mindestens 1.500 Schüler der 9. bis 11. Klassen an allgemeinbildenden Schulen und Berufsschulen erreichen. Ursprünglich sollte das Projekt bis 31.12.2021 laufen. Pandemiebedingt wurde eine Verlängerung der Laufzeit bis Ende 2023 beantragt. Es wird von einer „ArGe Kälte“ entwickelt und umgesetzt. Bis zu 25 Aggregate sollen als Kleinserienproduktion im IKKE gefertigt werden.
Der ArGe Kälte gehören an:
– Karsten Beermann (GF IKKE – Informationszentrum für
Kälte-, Klima- und Energietechnik); Zuwendungsempfänger
– Jörn Schwarz (Ice-TeX Ingenieurbüro)
– Prof. Dr. Michael Arnemann (Hochschule Karlsruhe)
– Wolfgang Müller (ehemals BMU)
Berliner Energietage 2022, Vorstellung des Schulprojekts „Beitrag der Wärmepumpen- und Kältetechnik zur Wärmewende“
Die effiziente, mit geringen Emissionen von Treibhausgasen verbundene Erzeugung von Wärme und technischer Kälte ist zentral für den Übergang zu einer klimaneutralen Wirtschaft. Die Technik bzw. die Technologien dafür sind erprobt und verfügbar. Als Hemmnis für deren umfassendere Nutzung gelten unzureichende Informationen über mögliche Systemlösungen, ihre Wirtschaftlichkeit und Umweltvorteile, das Festhalten an traditionellen Verfahren, nicht ausreichend ausgeprägte Fähigkeiten zur Planung und Realisierung derartiger Systeme sowie insgesamt mangelnde Bereitschaft, in die „Nachhaltigkeit“ zu investieren. Auf nationaler und internationaler Ebene hat die ArGe Kälte einige Tools entwickelt. Sie sollen zu einem verbesserten Verständnis, beginnend bei den Schülern als den Handelnden von morgen, sowie einer breiteren Ansprache der relevanten Akteure beitragen. Die Palette reicht von den physikalischen Grundlagen über Umweltbeobachtungen bis hin zu politischen und fiskalischen Maßnahmen.
Ablauf
1. Einführung (Potenziale, Ideen, Aktivitäten, nationale und internationale Dimension): Wolfgang Müller
2. Effizienter Einsatz von Wärmepumpen im Bestand: Dr.-Ing. Marek Miara, Fraunhofer ISE
3. Förderung von Kälteanlagen und Wärmepumpen durch das BAFA: Jörn Schwarz
4. Erschließung von Potenzialen in Lateinamerika: Dr. Felipe Toro, IREES
5. Vom BMU gefördertes bundesweites IKKE-Schulprojekt „Klimaschutz durch Kältemaschinen und Wärmepumpen“
– Unterrichtskonzept: Prof. Dr. Michael Arnemann, HS Karlsruhe
– Demonstration der mobilen Kälteanlage: Karsten Beermann, IKKE Duisburg
6. Zusammenfassung
