BIOGENE ENERGIETRÃGER
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BIOGENE ENERGIETRÃGER
MODULGUIDE BIOGENE ENERGIETRÄGER Semester 6 Modulleitung Urs Baier Dozierende im Modul Christian Bach, John Brooker, Andreas Braun, W erner Edelmann, Philip Gassner, Marcel Gauch, Thomas Halter, Christ oph Koller, Roland Rebs amen, Alex Rudischhauser, Martin Schaub, Kandid S c h e r e r , J e a n - P a u l S c h wi t z g ü b e l , F r e d i V o g e l , R o l f W a r t hm a n n , Andreas Züttel, u.a. L e t z t e Ak t u a l i s i e r u n g April 2015 ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften Institut Umwelt und Natürliche Ressourcen Grüental, CH-8820 Wädenswil Telefon www.lsfm.zhaw.ch – +41 58 934 59 59 www.iunr.zhaw.ch INHALTSVERZEICHNIS M - 1. Überblick über das Modul .................................................................................................................................................. 1 M - 2. Modulziele ......................................................................................................................................................................... 3 M - 3. Modulinhalte ...................................................................................................................................................................... 4 M - 4. Lernen im Modul ................................................................................................................................................................ 6 M - 5. Pflichtlektüre, empfohlene und weiterführende Literatur ..................................................................................................... 7 M - 6. Leistungsnachweis ............................................................................................................................................................ 8 M - 7. Semesterprogramm ........................................................................................................................................................... 9 M - 1. ÜBERBLICK ÜBER DAS MODUL M - 1.1 FORMALE BESCHREIBUNG Code n.BA.UI.BGET Modul Biogene Energieträger Status Wahlpflichtmodul ECTS-Credits 6 Semester 6 M - 1.2 ABSTRACT Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass Energieträger auf der Basis von Biomasse den derzeitigen Energiebedarf von Industrienationen in Zukunft nicht vollständig decken können. Neue biogene Energieträger wie Pflanzenölkraftstoffe, Bioethanol, Biogas oder Biowasserstoff tragen jedoch bereits heute massgeblich zur Energieversorgung vieler Länder bei und ihre Bedeutung wird weltweit in den nächsten zwei Dekaden zunehmen. Etliche der eingesetzten Verfahren und Konzepte zur Produktion von biogenen Energieträgern sind hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen und ihrer Gesamtenergiebilanz nicht klar dokumentiert. Zur Bewertung solcher Verfahren und ihrer Auswirkungen sind Grundlagenkenntnisse der eingesetzten Technologieschritte und der entsprechenden Stoffflüsse erforderlich. Zudem müssen Ausgangsstoffe und Produkte hinsichtlich ihrer optimalen Tauglichkeit charakterisiert werden können. M - 1.3 GENERELLE ZIELE Die Studierenden sind in der Lage, Produktionsverfahren von Biotreibstoffen der 1. und 2. Generation zu erläutern und diese aus Sicht der Rohstoffe, der produzierten Energieträger und der Marktsituation zu bewerten. Die Studierenden sind in der Lage, traditionelle sowie moderne Technologien und Konzepte zur Bereitstellung und zur Nutzung biogener Energieträger zu erläutern. Sie können entsprechende Verfahren bewerten und ihre Vor- und Nachteile sowie ihre Anwendbarkeit in einen Kontext stellen. Die Studierenden kennen nach Modulabschluss Technologien und Konzepte zur Produktion, Aufarbeitung und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen, Biodiesel, Bioethanol und Biogas. sowie Biowasserstoff. Sie besitzen zudem Grundkenntnisse der Produktion von synthetischen Biotreibstoffen der 2. Generation. Sie sind in der Lage, die Technologietauglichkeit verschiedener Verfahren zu bewerten und sie können Dimensionierungsgrundlagen anwenden. Sie sind zudem fähig, für ein ausgewähltes Projekt einer Bioenergieanlage im Rahmen einer schriftlichen Expertise fachlich Stellung zu beziehen. M - 1.4 LEISTUNGSNACHWEIS Das Modul wird mit einer Erfahrungsnote bewertet. Die Erfahrungsnote setzt sich aus 3 unterschiedlich gewichteten Teilnoten zusammen (siehe M 6.). 1 M - 1.5 AUFBAU DES MODULS Semesterwochen DI KW4 DO FR DI KW5 DO FR DI KW6 DO FR DI KW7 DO Vorlesungen, Übungen, Exkursionen Präsenzunterricht Übung Exkursion Leistungsnachweise Selbststudium LN1: Präsentation LN2: Abgabe Expertise LN3: Abgabe Lehrmittel M - 1.6 ZUGANGSVORAUSSETZUNGEN Von den Teilnehmenden des Moduls wird erwartet, dass sie die folgenden fachlichen Kompetenzen besitzen. Ebenfalls aufgeführt sind die Module des Studienganges UI, welche es erlauben, diese Kompetenzen zu erlangen. Methodenkenntnis der Umweltanalytik Umweltchemie und Analytik Kenntnis mikrobiologischer Stoffwechselreaktionen Biosynthese und –analytik, Mikrobiologie (Biologie 1) Stöchiometrisches Rechnen Chemie 1 (Modul Naturwissenschaften 1) Darüber hinaus wird auf Kenntnis von Nutzungsarten natürlicher Ressourcen aufgebaut (Modul Nachwachsende Rohstoffe) Die Teilnehmenden sollen zudem fähig sein, selbstständig komplexe technische Sachverhalte zu verstehen, darzulegen und zu erläutern. M - 1.7 EVALUATION DES MODULS Das Modul wird durch die Modulleitung einmal jährlich durch eine schriftliche Befragung der Teilnehmenden evaluiert. Die Resultate werden den Teilnehmenden sowie der Studiengangleitung zugänglich gemacht. 2 FR M - 2. MODULZIELE M - 2.1 KOMPETENZEN UND LEARNING OUTCOMES Fachliche Kompetenzen: Die Studierenden kennen mikrobiologische und chemische Verfahren zur Produktion biogener Energieträger. Sie analysieren verschiedene Verfahren aufgrund spezifischer Rahmenbedingungen und vergleichen und bewerten technologische Konzepte. Im Speziellen kennen die Teilnehmenden die Verfahren zur Produktion von Biodiesel und pflanzlichen Energieölen, von Biogas und Bioerdgas, von Bioethanol und von synthetischen flüssigen und gasförmigen Energieträgern auf der Basis von Biomasse und können Varianten dieser Verfahrensketten erläutern. Die Studierenden wenden einfache Dimensionierungsmethoden für Biogasanlagen an. Die Studierenden kennen Vorteile und Nachteile verschiedener Rohstoffe, Produktionsverfahren und Nutzungsmöglichkeiten biogener Energieträger und analysieren Bereitstellungs- und Nutzungsketten dieser Energieträger. Sie kennen Anlagenbeispiele aus der Praxis und können Entwicklungstendenzen aufzeigen. Methodische Kompetenzen Die Studierenden sind befähigt, Anlagen zur Produktion biogener Energieträger im Hinblick auf ihre Umweltauswirkungen zu beurteilen. Die Studierenden können, Fachliteratur und Konferenzberichte im Themenbereich selbstständig beschaffen, auswerten und deren Inhalte in schriftlicher und in mündlicher Form verständlich weiter geben. Die Studierenden können Englisch als primäre wissenschaftliche Fremdsprache verstehen und anwenden. Selbst- und Sozialkompetenzen Die Teilnehmenden versetzen sich basierend auf strukturierter Fremdinformation in fremde Denkweisen und sie verteidigen oder widerlegen entsprechende Standpunkte. Sie sind zudem in der Lage, eigene Wissenslücken zu erkennen und diese zu artikulieren. Die Studierenden sind in der Lage, sich in die Rolle von Fachexpertinnen und von Fachexperten hinein zu denken und entsprechend Stellung zu Verfahren und Konzepten von Bioenergieanlagen zu beziehen. Die Studierenden bilden ein persönliches Netzwerk in die Schweizerische Bioenergieszene aufgrund der Einbindung von Akteuren aus der hochschulexternen Forschung und Praxis. 3 M - 3. MODULINHALTE M - 3.1 THEMATISCHE EINFÜHRUNG IN DAS MODUL „Erst wenn wir uns bewusst werden, dass wir Menschen vollständig Bioenergie – basierte Wesen sind, werden wir auch im Stande sein, eine Bioenergie – basierte Gesellschaft aufzubauen.“ Bioenergie ist zwar in aller Munde und jedes aktuelle Energiekonzept beinhaltet biogene Energieträger als wesentliche Faktoren – dennoch sind unsere Ansichten und Argumentarien oft unausgewogen oder stehen fachlich auf schwachen Beinen. Mit dem Modul „Biogene Energieträger“ werden die fachlichen Wissenslücken geschlossen und es wird einerseits aus wissenschaftlicher, andererseits auch aus Anwendersicht eine verlässliche Wissensgrundlage zur Produktion und zur Anwendung von Bioenergie gelegt. Das Modul bleibt aber nicht beim rein Fachlichen stehen. Es ermöglicht ebenso eine breite und ausgewogene Auseinandersetzung mit Unsicherheiten und mit kritischen Faktoren der Bioenergie. M - 3.2 INHALTLICHE SCHWERPUNKTE Die Inhalte des Kurses bauen auf wissenschaftlichen Grundlagen aus den Bereichen Chemie, Physik und Biochemie auf. Grundkenntnisse einfacher chemischer Reaktionen und ihrer Stöchiometrie werden an Beispielen chemischer Produktionsschritte zur Herstellung von biogenen Energieträgern vertieft. Für das Verständnis biochemischer Produktionsschritte und mikrobieller Produktionsprozesse wird das Basiswissen mikrobieller Stoffumwandlungen gezielt verbreitert. Physikalische Grundlagen der Energieumwandlung werden eingesetzt für energetische Bilanzierungen und für Effizienzberechnungen. Als Standardliteratur wird „Kaltschmitt Martin, Hartmann Hans, Hofbauer Hermann. Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. (2009). Springer. ISBN 978-3-540-85094-6 eingesetzt. Der Unterricht lehnt sich an folgende Leitfragen an: Weshalb sind „Biogene Energieträger“ nicht mit „Biotreibstoffen“ gleich zu setzen? Machen die Bezeichnungen „1. Generation“, „2. Generation“ etc. im globalen und im lokalen Kontext Sinn? Wie lassen wir Mikroorganismen am effizientesten für uns arbeiten um ihr metabolisches Potenzial zur Produktion von energiereichen Produkten auszunutzen? Welche Bereitstellungs- und Verfahrensketten stehen zur Produktion von Biogas zur Verfügung? Wie lässt sich das Produkt Biogas ökologisch sinnvoll und ökonomisch nutzbringend am markt unterbringen? Wie präsentiert sich der Schweizerische Markt für pflanzliche Energieöle und Biodiesel? Wie beeinflussen unterschiedliche Edukte die Qualität und die Nutzung der entstehenden Produkte? Weshalb basiert der Schweizerische Bioethanolmarkt vollständig auf importierten Produkten, obwohl seit über 30 Jahren inländisch nach den Prinzipien von Biotreibstoffen der 2. Generation produziert wurde. Weshalb boomen nicht-biologische Konzepte zur Produktion von Energieträgern aus Biomassen? Haben thermochemische Verfahren das Potential, holz- und abfallbasierte Treibstoffe bereit zu stellen? 4 M - 3.3 BEZUG ZUR NACHHALTIGEN ENTWICKLUNG Das Modul unterstützt den Lernprozess zur Bewertung biogener Energieträger hinsichtlich ihrer Nachhaltigkeit. Es fördert die Entscheidungsfähigkeit hinsichtlich der lokalen & der globalen Produktion sowie des kurz- & langfristigen Einsatzes von Bioenergie. Die Schwerpunkte liegen infolge der Bewertung von Umweltauswirkungen auf der ökologischen Dimension und durch den Einbezug von Akteuren aus der Wirtschaft auf der wirtschaftlichen Dimension. 5 M - 4. LERNEN IM MODUL M - 4.1 DIDAKTISCHE GRUNDSÄTZE Kompetent sein heisst, fähig und bereit zu sein, konkrete Probleme zu lösen. Das Modul „Biogene Energieträger“ basiert auf einem prozessorientierten Lernverständnis. Lernen wird verstanden als schrittweises Vernetzen von neuen Inhalten innerhalb einer bekannten und beherrschbaren Struktur. Aufbauend auf einer soliden und strukturierten Fachsystematik werden anhand von fachspezifischen Inhalten, welche exemplarisch durch interne und durch externe Referenten abgehandelt werden, komplexe Problemfelder erarbeitet. Die Verschränkung der theoretischen Inhalte mit der Praxis erfolgt dabei stark praxisreflektierend, indem zu den meisten fachsystematischen Inhalten praxisbezogene Anwendungen erarbeitet oder entdeckt werden. Im Rahmen von eigenverantwortlich oder in Kleingruppen zu erarbeitenden fachlichen Lösungsansätzen wird aktives Handeln und die selbstständige Erarbeitung und Erschliessung von wissenschaftlichen Grundlagen mit begleiteter Reflexion gefordert und gefördert. M - 4.2 LERNARRANGEMENTS Das methodische Setting ist geprägt durch den ständigen Wechsel zwischen Informationssuche, Informationsaufnahme und -Verarbeitung sowie deren Anwendung und Reflexion. In fachlichen Inputs durch interne und externe Referenten wird bestehendes Grundlagenwissen erweitert und fachlich vernetzt (10-20%). Die Bereitstellung von englischer Information (Literaturquellen) und der Einsatz Englisch sprechender Referenten ermöglicht die Erweiterung der sprachlichen Kompetenz (5-10%). Zu exemplarischen Aufgabestellungen, welche im Rahmen von Workshops durch externe Experten präsentiert werden, erarbeiten die Studierenden fachliche Lösungsansätze (5-10%). Die Verknüpfung von Exkursionen mit den entsprechenden fachlichen Inputs erlaubt ein unmittelbares und vernetztes Erfassen komplexer Zusammenhänge (10-20%). In individuellen Kurzpräsentationen werden selbstständig erarbeitete Inhalte erläutert und reflektiert (510%). Tandemgespräche mit gegenseitiger Rückfrage ermöglichen es, Stellung zu beziehen und eigene Meinungen zu hinterfragen (5-10%). In einer Kleingruppenarbeit wird die Bereitschaft zur Konsensfindung gefordert (5-10%). Im Rahmen einer individuellen Literaturarbeit wird die Fähigkeit gefördert, Fachinformation zu beschaffen und aufbereitet darzubieten (10-20%). Durch eine Einzelarbeit werden eigene Wissenslücken erfahrbar gemacht und wird die Möglichkeit geboten, zu eigenen Ansichten Stellung zu nehmen und eigenes Wissen problemorientiert anzuwenden (10-20%). 6 M - 4.3 ART DER DOKUMENTATION Es wird kein Skript abgegeben. Es wird erwartet, dass thematische Inputs durch eigene Notizen dokumentiert werden. Im Modul werden mehrheitlich Handouts der einzelnen Referenten und auszugsweise Kopien der verwendeten Präsentationen abgegeben. Es wird zudem erwartet, dass thematische Inputs durch eigene Notizen dokumentiert werden. Sämtliche im Rahmen der Übungsarbeiten eingesetzten und erarbeiteten Dokumente werden in elektronischer Form zur Verfügung gestellt. Im Rahmen des Moduls wird durch die Teilnehmenden zusätzlich kapitelweise ein Lehrmittel erarbeitet. Die Struktur des Lehrmittels ist vorgegeben und steht als Vorlage zur Verfügung. Die Studierenden können vom Recht Gebrauch machen, sowohl den aktuellen Stand (inkl. Vorarbeiten der vergangenen Jahrgänge) als auch die Neuerungen der folgenden 3 Jahrgänge im Nachhinein in elektronischer Form zu erhalten. Die Unterlagen zum Modul werden mehrheitlich auf der E-Learning-Plattform Moodle zum Download zur Verfügung gestellt. M - 5. PFLICHTLEKTÜRE, EMPFOHLENE UND WEITERFÜHRENDE LITERATUR Lehrbuch: Kaltschmitt M, Hartmann H, Hofbauer H. (2009). Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer. ISBN 978-3-540-85094-6 Weitere benutzte Informationsquellen: FNR. (2010). Leitfaden Biogas. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow FNR. (2009). Biokraftstoffe – Eine vergleichende Analyse. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow FNR. (2006). Marktanalyse Nachwachsende Rohstoffe. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow 7 M - 6. LEISTUNGSNACHWEIS M - 6.1 QUALIFIKATIONSSCHRITTE Qualifikationsschritt Art Beurteilung Gewichtung Lehrmittel erstellen Individuell, schriftlich Note 35 % Erstellen einer Expertise Individuell oder 2er Team, schriftlich Note 35 % Präsentieren 2er oder 3er Team, mündlich Note 30 % Biotreibstoffe Lehrmittel erstellen Die Individualarbeit „Lehrmittel“ umfasst das Erstellen eines 2-seitigen Kapitels eines umfassenden studentischen Lehrmittels (Skript). Der formale Rahmen wird als elektronische Vorlage abgegeben. Die Themenwahl erfolgt frei aus einer umfassenden Liste möglicher Themen (Inhaltsverzeichnis). Die Themenwahl und die Abgabe der Formatvorlage erfolgt zu Kursbeginn. Die Einreichung des Lehrmittelkapitels erfolgt elektronisch über die E-Learning Plattform vor Modulende. Der Einreichungstermin wird bei Modulbeginn bekannt gegeben. Das Lehrmittelkapitel wird nach den Kriterien „Thematische Abgeschlossenheit“, „Wissenschaftliche Verständlichkeit“, „Darstellung“ und „Präzision“ beurteilt. Die Teilnote bestimmt zu 35% die Erfahrungsnote. Erstellen einer Expertise Die Individualarbeit „Expertise“ umfasst das Erstellen einer mehrseitigen schriftlichen Fachreplik zu einem Konzeptpapier, einem Businessplan oder einem Anlagenbeschrieb einer Bioenergieanlage aus der Sicht eines Experten oder einer Expertin. Der formale Rahmen der Expertise ist nicht vorgegeben. Es werden nicht bindende inhaltliche Leitfragen zur Verfügung gestellt. Sämtliche benötigten Unterlagen werden zu Beginn des entsprechenden Themenblocks elektronisch zur Verfügung gestellt. Die Einreichung der Expertise erfolgt elektronisch über die E-Learning Plattform vor Modulende. Der Einreichungstermin wird bei Modulbeginn bekannt gegeben. Die Expertise wird nach den Kriterien „Breite der Expertensicht“, „Verständlichkeit und Darstellung“ und „Eindeutigkeit der Aussagen“ beurteilt. Die Teilnote bestimmt zu 35% die Erfahrungsnote. Präsentieren des Wissensstandes Biotreibstoffe Die Gruppenarbeit (2er oder 3er Gruppen) „Biotreibstoffe“ umfasst das Erstellen einer Präsentation und das Präsentieren derselben im Rahmen des Unterrichts. Der zeitliche Rahmen der Präsentation beträgt 10 Minuten. Der formale Rahmen ist nicht vorgegeben. Die Einreichung der Präsentation erfolgt elektronisch über die E-Learning Plattform vor Modulende. Der Einreichungstermin wird bei Modulbeginn bekannt gegeben. Die Präsentation wird inhaltlich und formal beurteilt. Die Teilnote bestimmt zu 30% die Erfahrungsnote. M - 6.2 RAHMENBEDINGUNGEN Die Leistungsnachweise werden am Modulende im Klassenverbund durch den Modulleiter kommentiert. Die Rahmenbedingungen für den Leistungsnachweis bildet das gültige Prüfungsreglement. Nachweislich infolge Krankheit, Unfall oder höherer Gewalt verspätet oder unvollständig eingereichte Leistungsnachweise können auf schriftlichen Antrag nachgereicht werden. Die Leistungsnachweise werden am Modulende im Klassenverbund durch den Modulleiter kommentiert. 8 M - 7. SEMESTERPROGRAMM Kalenderwoche 4 Thema Inhalte Einführung Modulübersicht Mikrobiologie: Stoffwechsel & Energieerzeugung Biogene Ressourcen und ihre Nutzungspotentiale Pflanzenöle Chemie & Physik der Fette & Öle Globaler Anbau & Handel mit Ölsaaten Fallbeispiel Jatropha Biodiesel Produktionsverfahren von Biodiesel Exkursion Biodieselproduktion 5 Bioethanol Pflanzenzucht für Biotreibstoffe Marktsituation Biotreibstoffe Schweiz / Europa Produktionsverfahren von Bioethanol / Biobutanol Algen Produktion & Aufarbeitung von Algenbiomasse Stoffliche & energetische Verwertungskonzepte Treibstoffe Wasserstoff als Energieträger Treibstoffeigenschaften & Motorentechnik für Biotreibstoffe 6 Biogas Anaerobe Mikrobiologie & Stoffumsätze Produktionsverfahren von Biogas Dimensionierung Biogasanlagen Modellierung anaerober Systeme Biogasnutzung, Aufbereitung und Netzeinspeisung Marktsituation Bioerdgas Schweiz Exkursion Biogasproduktion & Aufbereitung 7 Synthetische Karbonisierungstechnologien, Pflanzenkohle Biotreibstoffe Pyrolyse- und Vergasungstechnologien, BtL, BtG Exkursion HTC / Pyrolyse / Holzvergasung Bewertung Umweltauswirkungen von Biotreibstoffen Das detaillierte Semesterprogramm des Moduls wird zu Beginn der Veranstaltung abgegeben. 9