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Frage der Woche
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Energie zum Leben |
Lena steht im Supermarkt vor dem Obstregal. Sie überlegt, ob sie lieber die Äpfel aus Chile oder die Birnen aus Frankreich kaufen soll. Da sie ein umweltbewusster Mensch ist, möchte sie die CO2-Bilanz der Produkte in ihre Entscheidungen mit einbeziehen. Mit ihrem Smartphone scannt sie die beiden „Bilanz-Icons“ auf den Produkten und erhält eine genaue Aufschlüsselung, welche Posten wie in die Bilanz mit eingehen. Schnell wird klar, dass der lange Transportweg aus Chile die Äpfel „disqualifiziert“, da fällt die „unnötig“ schicke Verpackung der Birnen vergleichsweise wenig ins Gewicht. In Lenas Einkaufskorb landen die Birnen.
Es gibt zwar schon eine Reihe Apps, um im Supermarkt Preise zu vergleichen oder die Herkunft von Eiern zu ermitteln; die CO2-Fußabdruck-App ist aber noch Zukunftsmusik – allerdings eine, deren Realisierung durchaus nicht unwahrscheinlich ist.
 Wikipedia sagt: „Der CO2-Fußabdruck, auch CO2-Bilanz genannt, ist ein Maß für den Gesamtbetrag von Kohlendioxid-Emissionen, der, direkt und indirekt, durch eine Aktivität verursacht wird oder über die Lebensstadien eines Produkts entsteht.“
So kann man auch einen Fußabdruck für einen Menschen oder eine ganze Familie berechnen. Nehmen wir zum Beispiel Familie Meier.
Familie Meier besteht aus 4 Personen: Herrn und Frau Meier sowie den Kindern Max und Sandra. Sie sind eine ganz normale Familie, die ähnlich lebt, wie Millionen andere in Deutschland.
Welche Energie verbraucht Familie Meier in einem Jahr und wie viel Kohlendioxid wird dadurch in die Atmosphäre abgegeben? Das wollen wir in dieser Aufgabe anhand der wesentlichen Beiträge grob abschätzen. In der Tabelle sind dazu Energieinhalte und CO2-Bilanzen von Energieträgern angegeben. (Wir werden euch in dieser Frage viel vorrechnen, weil wir euch zum Abschluss dieser Runde nicht mehr mit allzu viel Rechnerei quälen wollten, hoffen aber, dass Ihr trotzdem aufmerksam mitlest.)
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Energieinhalt und CO2-Bilanz von Energieträgern
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| Energieträger |
Menge |
Wärmewert |
CO2-Freisetzung |
CO2-Bilanz |
| Kohle |
1 kg |
8,14 kWh |
3,70 kg |
0,455 kg/kWh Wärme |
| Strom aus Kohlekraftwerk, 40% Wirkungsgrad |
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1,140 kg/kWh el. Energie |
| Strom aus Wasser, Wind, Sonnenkraft, Kenrkraft |
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0 kg/kWh el. Energie |
| Strom in Deutschland 2008 (Durchschn. aller Verfahren) |
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0,604 kg/kWh el. Energie |
| Erdgas |
1 m³ |
10,00 kWh |
1,98 kg |
0,198 kg/kWh Wärme |
| Diesel, Heizöl |
1 l |
9,80 kWh |
2,40 kg |
0,245 kg/kWh Wärme |
| Speisefett |
1 kg |
10,60 kWh |
2,80 kg |
0,264 kg/kWh Stoffwechselenergie |
| Kohlenhydrate |
1 kg |
4,35 kWh |
1,5 kg |
0,337 kg/kWh Stoffwechselenergie |
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| Frage 1 (Klassenstufe 7-11) |
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Energie kann in verschiedenen Einheiten gemessen werden. Um Energie vergleichen zu können rechnen wir hier immer in der bequemsten Einheit für elektrische Energie der Wattsekunde [Ws], die auch der Wärmeenergieeinheit Joule [J] entspricht. Die Einheit Wattsekunde ergibt sehr große Zahlen für unsere Fragestellung. Daher ist es praktischer die Einheit Kilowattstunden [kWh] zu benutzen.
“Kilo“ ist der Faktor 1.000, eine Stunde sind 60 Minuten x 60 Sekunden = 3600 Sekunden
1 kWh = 1.000 x 3.600 Ws = 3.600.000 Ws (oder Joule)
- Ein Mensch hat einen Grundstoffwechsel (d.h. dann, wenn er selbst keine körperliche Arbeit leistet) mit etwa 100 W = 0,1 kW Diese Energie wird in Form von Lebensmitteln aufgenommen. Pro Jahr ergibt dies 0,1 kW x 24 Stunden x 365 Tage = 876 kWh. für jedes Familienmitglied.
- In der Gasheizung ihres Einfamilienhauses verbrennen Meiers pro Jahr 4.000 m³ Erdgas zum Heizen und für die Warmwasserbereitung. Die Gasmenge entspricht 40.000 kWh (Umrechnung mit Daten aus der Tabelle)
- Herr Meier fährt täglich mit seinem sparsamen Auto in die etwa 20 km entfernte Firma, rund 10.000 km pro Jahr. Sein Auto verbraucht 5 l Diesel auf 100 km. Er braucht also 10.000 x 5/100 l = 500 l Diesel. Die Dieselmenge entspricht 4.900 kWh. (Umrechnung mit Daten aus der Tabelle)
- Frau Meier hat genauso weit zur Arbeit, kann aber einen Bus nehmen. Ein vollbesetzter Bus braucht nur 0,5 l Diesel pro Fahrgast auf 100 km. Sie verbraucht daher nur 50 l Diesel = 490 kWh für ihren Weg zur Arbeit.
- Familie Meier nutzt natürlich für alles Mögliche elektrische Energie: Beleuchtung, Herd, Waschmaschine, Fernseher, Computer, Ladegaräte für Handy und iPod...
Pro Person fallen dabei rund 2.000 kWh pro Jahr an.
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Wie viel Energie braucht Familie Meier im Jahr?
Wählt die richtige Antwort aus: |
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62.554 kWh
42.776 kWh
56.894 kWh
191.104 kWh
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| Lösung: |
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4 x 876 + 40.000 + 4900 + 490 + 4 x 2.000 = 56.894 kWh.
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 8-11) |
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Um die Abschätzung einfach zu halten, nehmen wir an, dass die Nahrung der Familie Meier zu 30% aus Fett und Öl und zu 70% aus Kohlenhydraten besteht.
(Wir vernachlässigen also ca. 15-20% Eiweiß und Ballaststoffe).
1 kg Speisefett liefert im Körper etwa 10,6 kWh Energie,
1 kg Kohlenhydrate etwa 4,35 kWh.
Wieviel dieser Nahrung muss jeder in der Familie Meier pro Tag essen, um genug Stoffwechselenergie für seinen Grundumsatz zu haben?
Energieinhalt der Nahrung = 0,3 x 10,6 + 0,7 x 4,35 kWh = 6,225 kWh/kg
Tagesbedarf = 0,1 kW x 24 h = 2,4 kWh |
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| Daraus ergibt sich ein Nahrungsbedarf für den Grundumsatz von: |
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| Lösung: |
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2,4 / 6,225 kg = 0,385 kg = 385 g.
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 9-11) |
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Wie viel Kohlendioxid wird durch den Energiebedarf der Familie Meier (Nahrung, Heizung, Diesel, Stromerzeugung) pro Jahr in die Atmosphäre gebracht?
Freigesetztes Kohlendioxid:
Wir haben für euch schon einmal gerechnet:
A) aus der Nahrung:
CO2-Bilanz (mit den Daten aus der Tabelle):
0,3 x 0,264 + 0,7 x 0,337 kg/kWh = 0,315 kg/kWh
4 x 876 kWh x 0,315 kg/kWh = 1.104 kg CO2
B) von der Gasheizung:
...
C) aus dem Diesel:
....
D) aus der Stromerzeugung:
.... |
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Macht zusammen:
Wählt die richtige Antwort aus |
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7.257 kg CO2
10.725 kg CO2
15.177 kg CO2
60.708 kg CO2
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| Lösung: |
A) aus der Nahrung:
0,3 x 0,264 + 0,7 x 0,337 kg/kWh = 0,315 kg/kWh
4 x 876 kWh x 0,315 kg/kWh = 1.104 kg CO2
B) von der Gasheizung:
40.000 kWh x 0,198 kg/kWh = 7.920 kg CO2
C) aus dem Diesel:
(4.900 + 490) kWh x 0,245 kg/kWh = 1.321 kg CO2
D) aus der Stromerzeugung:
8.000 kWh x 0,604 kg/kWh = 4.832 kg CO2
Macht zusammen
15.177 kg CO2, bzw. 3.942,75 kg pro Person
Anmerkung hierzu: Man geht in Deutschland davon aus, dass auf jede Person durch die hier aufgeführten Posten etwa 8.000 kg CO2 entfallen. Rechnet man noch allgemeine Dinge mit ein (wie z.B. Straßenbeleuchtung, öffentliche Rolltreppen,....), geht man von etwa 11.000 kg aus.
Falls Familie Meier übrigens eine Katze hat, fällt die mit ca. 2.200 kg CO2 jährlich ins Gewicht (durch die Herstellung von Futtermitteln und Verpackung sowie die Entsorgung von Katzenstreu und Dosen, jedenfalls hat das im letzten Jahr ein Internetportal ausgerechnet).
Wollten wir „klimaverträglich“ leben, stünden im Schnitt jedem Menschen auf der Welt etwa 2.000 kg zu!
Wenn ihr übrigens wissen wollt, wie gut eure eigene CO2-Bilanz bzw. die eurer Familie ist, könnt ihr einen CO2-Rechner bemühen. Davon gibt es einige im Internet, z.B. den vom Umweltbundesamt
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 9-11) |
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Setze die folgenden Begriffe, zum Teil auch mehrfach in den Lückentext ein. (Evtl müssen die Begriffe grammatikalisch angepasst werden.)
Begriffe:
Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf, Lachgas, Methan, Ozon, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Sauerstoff
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| Lösung: |
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Kohlenstoffdioxid
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| ist der bekannteste „Klimakiller“, aber nicht der einzige. Auch andere Gase tragen zum Treibhauseffekt nicht unwesentlich bei. |
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| Lösung: |
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Methan
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| ist 21 mal klimawirksamer als CO2. Es entsteht bei der Zersetzung organischer Stoffe unter Abschluss von |
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| Lösung: |
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Sauerstoff
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| und fällt vor allem bei der Verdauung von Rindern oder bei den Zerfallsprozessen in Sümpfen an. Es wird auch beim Abbau von Steinkohle freigesetzt. Eine ebenfalls nicht unerhebliche |
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| Lösung: |
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Methan
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| -Quelle ist der Reisanbau. |
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| Lösung: |
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Lachgas
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entsteht natürlich durch bakterielle Prozesse in Böden und Ozeanen, aber auch durch menschliches Zutun, zum Beispiel durch Einsatz von Kunstdüngern in der Landwirtschaft.
Auch |
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| Lösung: |
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Ozon
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| ist ein klimarelevantes Gas. Der Mensch fördert seine Bildung in Bodennähe, vor allem durch die Abgase (Stickoxide) aus dem Autoverkehr. Gleichzeitig zerstört er es in der Stratosphäre durch den Einsatz von |
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| Lösung: |
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Fluorchlorkohlenwasserstoffe
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die als Kühlmittel oder als Treibgase in Spraydosen verwendet werden (bzw. wurden. In der EU ist ihre Verwendung inzwischen verboten). Diese selbst wirken auch wieder am Treibhauseffekt mit.
Um all diese Gase und ihre Wirkung auf das Klima / den Treibhauseffekt vergleichbar zu machen und eine Gesamtgröße zu erhalten, mit der man gut rechnen kann, verwendet man die CO2-Äquivalente. Danach sind dann zehn ppm |
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| Lösung: |
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Methan
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umgerechnet 210 ppm CO2eq.
Übrigens ist der größte Verursacher des natürlichen Treibhauseffektes mit einem Anteil von zirka 60% keiner der vorgenannten Stoffe, sondern
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| Lösung: |
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Wasserdampf
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| Zusatzfrage (Klassenstufe 10-11) |
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Fette und Kohlenhydrate werden im Körper letztlich zu Wasser und CO2 verbrannt. So tragen wir mit unserem Grundumsatz zur CO2-Emission bei.
Wer Sport macht, um abzunehmen, möchte gerne wissen, ob er nur die Kohlenhydrate aus dem Frühstücksmüsli verbrennt oder tatsächlich an den Fettpölsterchen arbeitet. Mit Hilfe des Verhältnisses aus eingeatmetem Sauerstoff und ausgeatmetem CO2 kann man erkennen, welche Energiequelle der Körper gerade nutzt. Die dafür benötigte Zahl heißt |
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| Wähle die richtige Antwort aus: |
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1) Respiratorischer Quotient
2) Regenerativer Quotient
3) Respiratorischer Quark
4) Inspiratorischer Quotient
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| Lösung: |
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Respiratorischer Quotient
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| Sie beträgt bei Kohlenhydraten ungefähr 1, bei Fetten ist sie deutlich niedriger (d.h., viel mehr CO2 wird ausgeatmet), weil |
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Der menschliche Körper Kohlenhydrate bevorzugt
Kohlenhydrate einen Teil des Sauerstoffs schon „mitbringen“
Fette leichter verdaulich sind.
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| Lösung: |
Kohlenhydrate einen Teil des Sauerstoffs schon „mitbringen“
Das macht ein Blick auf die Moleküle deutlich In Kohlenhydraten ist pro Kohlenstoffatom schon ein Sauerstoffatom enthalten, nur ein weiteres kommt aus der Luft dazu. Fette enthalten viel weniger Sauerstoff. Entsprechend mehr kommt dann aus der Luft dazu und sorgt so für eine größere CO2-Menge. (Alternativ kann man natürlich auch argumentieren, dass der Kohlenstoffgehalt von Fett viel höher ist als von Kohlenhydraten)
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