LCA & Co. – Nachhaltigkeitsbewertungsmethoden für Nachhaltigkeitsbildung in Schule, Fachkräfteausbildung und Studium zugänglich machen
Projektdurchführung
Universität Bremen FB 2 - Biologie/Chemie Institut für Didaktik der Naturwissenschaften (IDN) ChemiedidaktikLeobener Str. 3
28359 Bremen
Zielsetzung
ZIELSETZUNG: In diesem Vorhaben wurden Lern‐Lehr‐Angebote zur Erstellung von Studien zum Life Cycle Assessment entwickelt und über eine Lernplattform bereitgestellt. Die Angebote richten sich sowohl an Lerngruppen der Jahrgänge 9‐13 als auch an Auszubildende der naturwissenschaftlich technischen Lehrberufe, Studierende der naturwissenschaftlichen Fachrichtungen, Agrarwissenschaftler, Ingenieure, Lehrkräfte in Ausbildung, Lehrkräfte der beruflichen und allgemeinbildenden Schulen sowie an eine interessierte Öffentlichkeit.
ANLASS: Eine Lebenszyklusanalyse ist eine systematische Analyse der potenziellen Umweltwirkungen und der Energiebilanz von vor allem Produkten während des gesamten Lebensweges. Ziel einer Ökobilanz ist es, die Umweltsituation quantitativ zu erfassen und anhand der Resultate Massnahmen zur Reduktion der Umweltbelastung des Produkts, des Prozesses oder des Unternehmens abzuleiten oder verschiedene Produkte miteinander vergleichen zu können.
Optimierungen waren und sind konstanter Bestandteil aller Produktionsprozesse. Zunächst zur Erhöhung der Produktionsleistung und somit des Profits forciert, gewinnen seit den 1960ger Jahren vor dem Hintergrund schwindender mineralischer, biogener und fossiler Ressourcen, steigendem Flächenverbrauchs, wachsender Weltbevölkerung neben den ökonomischen auch ökologische Aspekte zunehmend an Bedeutung. Die Methodik der Ökobilanzierung und des Life Cycle Assessment LCA hat sich im Verlauf der vergangenen 25 Jahre zu einer eigenständigen Disziplin entwickelt, die aus der Forschungscommunity ihren Weg in die Wirtschaft gefunden hat und mittlerweile in der Gesetzgebung angekommen ist. Dieses neue Berufsfeld erfordert Gründlichkeit, Beherrschung der von Fachausdrücken und besonders Abkürzungen gespickten Terminologie, Abstraktionsvermögen und Interdisziplinarität auf hohem Niveau. Die ökologische und ökonomische Tragweite von LCA mit ihrem Potenzial zur Optimierung von Syntheseverfahren selbst als auch den vor- wie nachgeschalteten Produktionsprozessen war zunächst in der pharmazeutischen und chemischen Industrie als auch den (hoch)technologischen Produktionszweigen erforderlich. Nachfolgend nutzten zunehmend auch Dienstleistungssektoren wie bspw. Logistiker, Versicherungen, Unternehmensberatungen und Banken LCA als Instrumente zur Optimierung und Leistungsbemessung der monetären und nicht monetären Performance ihrer Unternehmen. Vor dem Hintergrund gesetzlicher Reglementierungen (bspw. CO2-Besteuerung) ist die Erhebung von LCA ein prosperierender Markt. Da die Datenermittlungen schwierig, zeit- und kostenintensiv sind und in vielen Unternehmen dafür keine firmeneigenen Experten zur Verfügung stehen, ist die Auslagerung von LCA-Tätigkeiten hin zu Dienstleitern opportun. Der Bedarf an umfassend ausgebildetem Fachpersonal ist und bleibt hoch.
In dieser Projektarbeit sollte mit Hilfe geeigneter Produkt- und Prozessbeispiele zunächst an die recht komplexe Erstellung von Lebenszyklusanalysen herangeführt werden. Die entwickelten LCA-Materialien wurden einer didaktischen Reduktion in der Art unterworfen, dass Lernende wie auch Lehrende die notwendigen Verfahrensschritte einer LCA nachvollziehen und zielgerichtet anwenden können. Die abschließende Interpretation und Bewertung der Resultate ist DIN ISO 14040-44/2006 konform und wird mittels Erklärhilfen, Hintergrundinformationen zu den Endpunkten mit den messbaren Einflußfaktoren unterfüttert. Die LCA-Angebote sind modular aufgebaut, sowohl analog als auch digital anwendbar und ermöglichen im schulischen Kontext ab Jahrgangsstufe 9 eine Binnendifferenzierung. Die informative Lehr-Lern-Plattform trägt den Titel: "LCA-meets-EfS = Life Cycle Assessment meets Education for Sustainability". International ist die Plattform unter der URL www.lca-meets-efs.net erreichbar. Eine direkte Weiterleitung auf URL https://www.uni-bremen.de/freiex/lca stellt das Hosting durch die Universität Bremen langfristig sicher. Die Lernangebote sind in deutscher und englischer Sprache verfügbar.
Arbeitsschritte
Im Zusammenspiel von Fachwissenschaften und Fachdidaktik, Schülerlabor, Ausbildungszentren und Schulen wurden Lehr‐ und Lernangebote aus den Bereichen landwirtschaftliche Produkte, Gebrauchsgüter, chemische Synthese, Recycling und Wertstoffrückgewinnung sowie der angewandten Umwelttechnik für die Verbreitung über die Lernplattform entwickelt. Rund 30 ausgewählte LCA‐Angebote in unterschiedlicher Komplexität zu den Endpunkten Energiebedarf, Wasserfußabdruck, Flächenverbrauch, CO2‐Fußabdruck und Ökobilanzierung wurden erarbeitet, mit validen Datensätzen unterfüttert und didaktisch reduziert. Somit sollen die Bewertungsverfahren zur Endpunktbestimmung und besonders von Ökobilanzierungen nachvollziehbar, einfach umsetzbar und nach übertragbaren, d.h.normierten Methoden erfolgen können. Bei den in diesem Projekt betrachteten Endpunkten handelt es sich um zwei Wirkungsanalysen (CO2-Fußabdruck, Eco-Indicator 99 für die Ökobilanz = konform zu DIN ISO 14040-44/2006) und zwei Sachbilanzen (virtuelles Wasser/ Wasserfußabdruck, kumulierter Energieaufwand). Sie sind nicht monetär und eindimensional, d.h. sie liefern ein Ergebnis.
Der AUFBAU der Lehr-Lern-Plattform "LCA-meets-EfS" ist flach und minimalistisch gehalten. Auf der Hauptseite wird der Begriff LCA erläutert und die Lehr-Lern-Angebote nach Rubriken geordnet offeriert. Ein Glossar erklärt die wichtigsten Begrifflichkeiten. Auf der zweiten Seite sind in tabellarischer Übersicht die entwickelten LCA-Materialien als frei verfügbare Downloads gelistet.
DATENERHEBUNG
-> Datenbanken - Soweit möglich, sind die prozessrelevanten Produktionszahlen & -techniken, Energie-, Wasser- und Flächenbedarfe, Emissionskennzahlen, Abfallmengen & -arten, Recyclingquoten, toxikologische Einflussgrößen, Verbrauche an Dünger & Pestiziden sowie Informationen zu Mineralien und landwirtschaftlichen Gütern freien Datenbanken und Informationsportalen unabhängiger Institutionen entnommen. Zu nennen sind u.a. FAOSTAT, US Geological Survey, BfR, Destatis, Statista, ifu Institut, RIVM (NL), UBA, iinas, Global Footprint Network, ProPlanta, USLCI; IPCC, ETH & ESU-Services, ECOSOL der CEFIC, Waternetwork, BAFU (CH), FEFCO. (Selbstverständlich erhebt diese Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit!)
-> Wissenschaftliche Publikationen - der Autoren Poore & Nemecek waren für die Bewertung vieler Lebensmittel hilfreich. Die Studien von Mekonnen & Hoekstra bilden die Basis für die Wasserfußabdrücke landwirtschaftlicher Produkte und Gebrauchsgüter. Für die Bewertung von technischen Energiebedarfen und Transporten ermöglichen die Daten von Frischknecht, Jungblut et al. von der ETH & ESU-Servies die Ermittlung von Primärenergiefaktoren.
->LCA-Software-Tools - Grundlage für eine valide Datenauswahl ist ene detaillierte Prozessbeschreibung. Führend ist dabei die lizensierte Datenbank und Software „ecoinvent“, die den größten und verlässlichsten Datenpool (gültig für die Schweiz & Europa) zu Materialien, landwirtschaftlichen Prozessen, Konstruktionselementen und Chemikalien zusammengetragen hat. Alle anderen Datenbanken bedienen sich daher aus ecoinvent, grenzen sich jedoch durch Spezialisierungen hinsichtlich der Auswahl ihrer Endpunkte voneinander ab.
Auf der Suche nach einer geeigneten Software/Datenbank für die Anwendung von LCA in Schule & Studienseminaren fiel die Wahl auf das anwenderfreundliche SimaPro5. Es bietet folgende Vorteile: Im Datentool sind alle wichtigen Inventory-Datenbanken inkludiert, die laufend aktualisiert werden. Die Darstellung des Prozessnetzwerkes („Baum“) mit den Stoffströmen ist als Sankey-Diagramm mit allen Subsystemen möglich. Die Auswertungsmethode ist DIN ISO 14040-14044/2006 konform und wird als „Eco-Indicator 99“ bezeichnet. Der besondere Vorteil des „Eco-Indicator 99“ ist in der zusätzlichen Normalisation und Gewichtung zu sehen, die nach DIN ISO nicht vorgeschrieben ist. Diese Generalisierung liefert Ökobilanzierungsresultate mit einer relativ geringen Unsicherheit, sind demnach noch am ehesten als verbindlich anzusehen. Die LCA-Angebote sind so konzipiert, dass sie mit der Demo-Version des LCA-Tools SimaPro5 durchgeführt werden können. Das Software-Tool „SimaPro5“ bietet in einer kostenfreien Demo-Variante einen reduzierten Datenbankzugriff für 30 Tage, mit dem Ökobilanzierungen von Produktionsprozessen nachvollzogen werden können. Auch nach Ablauf der 30 Tagefrist kann auf die Datenbank zugegriffen werden. Es besteht die Option zur Vernetzung von bis zu 40 Teilnehmern, die bis zu 15 LCA durchführen können. Erforderlich ist eine Anmeldung auf der Website von SimaPro5 und nach Freischaltung der Download der Datenbank mit Installation. Die Software ist Windows basiert und mittels virtueller Box oder via Office 365 auch für iOS nutzbar. Ab Frühsommer 2022 wird eine online-Variante angeboten, mit der Browser-unabhängig gearbeitet werden kann. Eine Lizenz der für den Bereich „Education“ offerierten Classroom-Version kostet aktuell 3.300 EURO im Jahresabonnement.
Ergebnisse
Zur STRUKTUR der bereitgestellten LCA-MATERIALIEN auf der DOWNLOAD-Seite der Lehr-Lern-Plattform "LCA-meets-EfS":
--> für Dozenten-/Lehrer-Informationen - Einstieg in das Thema mit Impuls-Präsentationen, Links zu Kurzfilmen & Videos; Umfragen; kleine Labor-praktische Ergänzungen; Vorschläge zum Unterrichtsverlauf mit Zeitangaben; Informationen zu den jeweils betrachteten Endpunkten; Bereitstellung von Kurzinformationen zu den betrachteten LCA Endpunkten als BASISWISSEN.
--> als Informationen für Schüler/Azubis/Studenten/Interessierte:
3-4 Arbeitsblätter - bestehend aus einem Fakten-Check (AB 1), dem Datenblatt (AB 2) und dem Ergebnisblatt (AB 3 ggf.4). Bei komplexen Betrachtungen ist ein weiteres Blatt (AB 3) ergänzt, in dem Produktionsprozesse skizziert dargestellt, Fließdiagramme entwickelt oder Angaben zu globalen Handelsrouten ergänzt werden. Fragen/Aufgaben leitenden die Lernenden durch das LCA-Angebot und unterstützen die Anwendung der LCA sowie die abschließende Ergebnis- und Bewertungssicherung.
--> Ergänzungsmaterial: Weltkarte, Wertschöpfungskette (Supply Chain) zur Visualisierung der Produktionsschritte, Experimentiervorschriften, DATA-SETs.
--> Die Prozess‐Daten sind harmonisiert und via Excel/Numbers in grafischer Form auf Datenblatt (AB 2) dargestellt. Dadurch wird eine Bewertung der Endpunkte auch ohne Kenntnis numerischer Datenverarbeitung möglich. Ergänzend sind die DATA-SETS als download zur freien Verwendung verfügbar.
Die bereitgestellten Materialien sind in den Dateiformaten .pdf, .ppt, .xlsx verfügbar. Worddokumente werden aus sicherheitstechnischen Gründen vom Hosting nicht unterstützt, können aber auf Anfrage vom Projektteam zur Verfügung gestellt werden.
QUALIFIZIERUNGSARBEITEN: Ausgewählte Bestandteile der Lernplattform wurden im Rahmen von Qualifizierungsarbeiten (BSc. und MSc.) entwickelt. Neben der Umsetzung theoretischer als auch fachlicher Inhalte zu digitalen Lehr-Lern-Elementen sollten für die schulischen Adressaten auch Praxis-Angebote entstehen. Dadurch sollte besonders Schülerinnen und Schüler ab Jahrgangsstufe 9 der allgemeinbildenden Schulen der Zugang zu diesen komplexen und sehr theoretischen Themen erleichtert werden. Zum Thema LCA wurden 25 Themen mit unterschiedlichen Schwerpunkten und abgestuften Komplexitäten ausgeschrieben. 9 Themen wurden überhaupt nicht in angewählt. Von den 16 verbliebenen Themen mussten 4 wiederholt ausgegeben werden, weil es zu Arbeitsaufgaben kam. Pandemie-bedingte finanzielle Engpässe aber vor allem psychische Probleme wurden von den Qualifikanten als häufigste Begründung dafür angegeben. 14 Arbeiten wurden erfolgreich abgeschlossen, zwei befinden sich noch in der Bearbeitung.
Abgleich zu den erwarteten Erträgen
Auf Basis eines normierten Verlaufsplans gelang eine Harmonisierung des Materials. Einheitlich strukturierte und erheblich reduzierte LCA-Szenarien ermöglichen die Bearbeitung auch komplexerer Produktgruppen. Die Bearbeitung der z.T. komplexen Datenpools mit ihren erforderlichen Harmonisierungen, Normalisierungen und Gewichtungen die recht abstrakten Schadenskategorien und Endpunkte betreffend, ist abgeschlossen. Derzeit sind 33 Modulangebote verfasst worden, die sich in unterschiedlichen Stadien der Evaluierung befinden. Die normierten LCA-Angebote in ihrer digitalen Umsetzung werden nach Überarbeitung nach und nach verfügbar sein.
Bisher konnten mit reduzierten Testkohorten aus 10-15 Teilnehmern (Schüler*innen, Azubis, Studis, Lehrkräfte & PhDs, PostDocs) - mit zwischenzeitlicher Corona-bedingter Stagnation - lediglich sechs Angebote zirkular abschließend evaluiert werden. Sind diese weiteren erfolgreich abgeschlossen, werden auch die Angebote auf der Lernplattform zur Verfügung gestellt, leider ein Jahr später als prognostiziert.
Die Resonanz ist durchgehend (sehr) positiv. Einzig der Zeitaufwand wurde kritisiert. Gewünscht sind aktuelle und zugleich kurze LCA-Angebote, die in 1 max. 2 Doppelstunde/n bewältigt werden können. Das wurde - wenn irgend möglich - umgesetzt.
Öffentlichkeitsarbeit
Die AUSSENDARSTELLUNG des PROJEKTS "LCA-meets-EfS = Life Cycle Assessment meets Education for Sustainability" erfolgt über eine Internet‐Seite unter der URL www.LCA‐meets‐EfS.net. Dadurch wird auch die internationale Erreichbarkeit unseres Angebotes sichergestellt. Eine direkte Weiterleitung auf URL https://www.uni-bremen.de/freiex/lca stellt das Hosting durch die Universität Bremen langfristig sicher. Die Lernangebote sind in deutscher und englischer Sprache verfügbar.
PANDEMIEBEDINGTE EINSCHRÄNKUNGEN: Die Corona-Pandemie stellte in 2019-2021 einige Hürden für Universitäten und Schulen bundesweit auf, die einen Besuch von Schülerlaboren stark erschwerte bzw. unmöglich machte. Die Situation der Bremer Schulen war vor allem ab Herbst 2020 unstet, so dass die Lehrkräfte kaum bzw. keinen Spielraum zur Implementierung nicht curricularer Angebote Dritter sahen. Ein Zutritt Externe in die Schulen war nicht möglich. Erst im Frühjahr 2022 entspannte sich die Lage. Nach und nach wurde die Arbeit mit den kooperierenden Schulen reaktiviert.
Im Laufe des Vorhabens sollten zwei internationale dreitägige Workshops in Bremen zum Thema „GCE meets LCA“ stattfinden. Leider wurden die Präsenzveranstaltungen pandemiebedingt nicht realisiert, jedoch konnten in digitalen kleineren Arbeitsrunden die ausgewählten Ergebnisse diskutiert und weiterentwickelt werden. Gleichwohl bestand und besteht ein kontinuierlicher Austausch zwischen den Partnern.
LEHRERFORTBILDUNGEN: Bisher konnten in sechs Veranstaltungen mit 88 Lehrkräften aus Bremen, Dortmung und Würzburg sowie auf einer MNU-Tagung in Blankenburg/Thüringen ausgewählte Themenangebote des Projekts (MONOBLOC, Kuhmilch, Metalle, Palmöl versus Kokosöl) vorgestellt, diskutiert und bearbeitet werden. Die Teilnahmer hatten großes Interesse am Thema LCA, lobten die methodische Vielfalt und die interdisziplinären Ausrichtung, waren jedoch skeptisch ob der Anwendung der Thematik in Schule. Lehrermangel, Zeitdruck, mangelnde Kenntnisse der Schülerschaft im Umgang mit Excel/Numbers und Aufmerksamkeitsdefizite stünden einer Implementierung entgegen. Ferner gelang es nicht, die über das Lehrerfortbildungszentrum Osnabrück (LFBZ OS) offerierten Veranstaltungen zum Thema LCA am im Sommer/Herbst d.J. mit Leben zu füllen. Trotz intensiver Bewerbung fanden sich keine Interessenten. Die Verbreitung dieses komplexen und daher erläuterungsdürftigen Themas ist noch unzureichend umgesetzt.
LERNGRUPPEN: Über den ganzen Projektzeitraum sollten punktuelle Implementationen und Erprobungen einzelner Elemente zu Zwecken der Evaluierung und Optimierung stattfinden. Pandemiebedingt fielen diese jedoch erheblich weniger umfangreich statt, als zu Beginn des Projekts prognostiziert. Die Evaluation gelang nur marginal mit Einzelpersonen bzw. Kleinstgruppen von Schülern, Auszubildenden und Studierenden. Insgesamt haben 465 Teilnehmende LCA-Angebote zu den Themen "Kuhmilch und planzliche Alternativen, Kartoffeln aus der Wüste, MONOBLOC, Energie in Tablets und Aluminium" kennengelernt.
PUBLIKATIONEN: Es wurden zwei Aufsätze und ein Poster im Verlaufe der Förderzeit veröffentlicht.
Christian Zowada, Michael Linkwitz, Antje Siol und Ingo Eilks: Nachhaltigkeit bewerten im Chemieunterricht CHEMKON, 27,8; 365-372, 2020; DOI: 10.1002/ckon.201900051
Antje Siol, Nicole Voss & Ingo Eilks: Lernen über Lebenszyklusanalysen am Beispiel Kuhmilch und pflanzliche Alternativen NIU 2023, angenommen
Antje Siol, Nicole Voss & Ingo Eilks: LCA meets EfS - Lernen über Lebenzyklusanalysen am Beispiel “Monobloc”, Präsentation im Rahmen der GDCh-Tagung im Sept. 2022 in Osnabrück
VERSTETIGUNG: Wichtige Portale zur Verbreitung unserer Vorhabeninhalte sind die der GDCh und GDPh sowie des VDI, um Zugang zur Fachwissenschaft zu erhalten. Ferner erfolgt die Dokumentation der Projektinhalte und ‐ergebnisse in einschlägigen Fachmedien für Fachdidaktik und naturwissenschaftlichen Unterricht. 2 Publikationen konnten veröffenlicht werden, weitere sind in Bearbeitung, sobald valide Evaluationsdaten in ausreichender Anzahl generiert werden konnten. Stetige Neu‐ und Weiterentwicklung sowie Ergebnisse aus dem Projekt werden auch über die Projektlaufzeit hinaus Gegenstand von Lehrerfortbildungen an den beteiligten Chemielehrerfortbildungszentren und auf Tagungen für Lehrkräfte der Naturwissenschaften sein.
Fazit
Zum Projektabschluss haben in 6 Lehrerfortbildungsveranstaltungen mit 88 Teilnehmern und in 16 Studienseminaren angehender Produktionstechniker, Exkursen der Auszubildenden der chemisch-technischen Lehrberufe und in Schul-Veranstaltungen mit 300 Teilnehmern eines der LCA-Angebote angewendet. Ferner konnten etwa 40 Lehramts-Studierende im Rahmen von Auflagenkursen in Bremen das LCA-Projekt in Theorie und Praxisanteilen kennenlernen. Die Resonanz ist durchgehend (sehr) positiv.
14 Bachelor- und Masterarbeiten wurden im Verlauf dieser 3,5 Jahre zu Teilthemen dieses LCA-Projekts erfolgreich abgeschlossen. Zwei Publikationen wurden in erziehungswissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Ein Poster zum Projekt konnte auf einer GDCh-Fachtagung präsentiert werden.
Derzeit sind 33 Modulangebote verfasst worden, die sich in unterschiedlichen Stadien der Evaluierung befinden. Sie werden sukzessive auf der Lernplattform zur Verfügung gestellt, sobald die Evaluationsrunden abgeschlossen worden sind.
Des Projektkonsortiums sieht Verstetigungsbedarf und weiteres Verwertungspotenzial der in diesem Vorhaben entwickelten LCA-Angebote.
Es könnten zwei Teilziele, die in der dreijährigen Laufzeit des Projektes nicht bzw. nur unbefriedigend erreicht wurden, erneut in den Fokus genommen werden: zum einen die Einbindung beruflicher Bildungsträger und Institutionen in dieses Projekt und zum anderen die Promotion der LCA-Angebote in den Lehrerfortbildungszentren und Schülerlaboren an anderen Standorten.