T9 M - Antriebssysteme vergleichen

Einleitung

Wie gelangt Energie vom Energieträger bis zu den Rädern? Warum braucht ein Fahrzeug bei gleicher Strecke unterschiedlich viel Energie? Und welches Antriebssystem passt zu einer bestimmten Aufgabe?

In diesem aiMOOC vergleichst Du drei technische Antriebssysteme für Pkw:

1. Batterieelektrischer Antrieb: Strom wird in einer Batterie gespeichert und von einem Elektromotor in Bewegung umgewandelt.
2. Verbrennungsmotorischer Antrieb: Kraftstoff wird im Motor verbrannt. Die frei werdende Energie treibt über Kurbeltrieb und Getriebe die Räder an.
3. Brennstoffzellen-Elektroantrieb: Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt. Ein Elektromotor treibt die Räder an.

Wichtig: Es gibt keine pauschale Siegerwahl. Eine technische Entscheidung hängt vom Einsatzfall, von den Daten und von der Gewichtung der Kriterien ab.

Der Bildungsplan Technik für die Sekundarstufe I in Baden-Württemberg fordert im Bereich Mobilität auf M-Niveau, unterschiedliche Antriebssysteme in Aufbau und Wirkungsweise zu beschreiben und sie hinsichtlich Wirkungsgrad und Umweltbelastung zu vergleichen und zu bewerten.

Lernziele

Nach dem aiMOOC kannst Du:

1. Energieträger unterscheiden und ihren Weg im Fahrzeug verfolgen.
2. die Wirkungsgradidee erklären: Von der eingesetzten Energie wird nur ein Teil nutzbar.
3. Reichweite aus Speichermenge und Verbrauch überschlägig berechnen.
4. Lade- und Tankinfrastruktur als technisches Kriterium einordnen.
5. lokale und vorgelagerte Emissionen unterscheiden.
6. Energieflussdiagramme lesen, vervollständigen und auf Fehler prüfen.
7. Reichweiten- und Verbrauchsdaten mit gleicher Bezugsgröße vergleichen.
8. 3D-Modelle von Bauteilen beobachten und ihre Funktion aus der Form ableiten.
9. eine Kriterienmatrix auf einen konkreten Anwendungsfall anwenden.
10. eine prüfungsnahe technische Entscheidung mit Daten, Kriterien und Zielkonflikten begründen.

Sicherheitsregel für alle Praxisanteile

Praxis nur nach schulischer Unterweisung, mit Aufsicht und mit der erforderlichen Schutzausrüstung. Du nutzt keine gefährlichen Maschinen, keine Fahrzeug-Hochvoltsysteme, keine Wasserstoff-Druckbehälter und keine Netzspannung eigenständig. Elektrische Versuche erfolgen nur mit freigegebenen Schulkomponenten und sicherer Kleinspannung. An realen Fahrzeugen wird nichts geöffnet, überbrückt oder demontiert.

Fachbegriffe kurz erklärt

Fachbegriff	Kurze Erklärung	Prüffrage
Energieträger	Stoff oder Energieform, mit der Energie gespeichert und transportiert wird, zum Beispiel Benzin, Wasserstoff oder elektrische Energie in einem Akku.	Was wird im Fahrzeug mitgeführt oder gespeichert?
Wirkungsgradidee	Nutzenergie geteilt durch zugeführte Energie. Verluste entstehen zum Beispiel als Wärme, Reibung oder bei Umwandlungen.	Wie viel der eingesetzten Energie kommt für die gewünschte Wirkung an?
Reichweite	Strecke, die mit der vorhandenen Energiemenge unter bestimmten Bedingungen zurückgelegt werden kann.	Wie weit reicht eine Ladung oder Tankfüllung?
Verbrauch	Benötigte Energiemenge für eine Strecke, meist bezogen auf 100 km.	Wie viele kWh, Liter oder kg werden pro 100 km benötigt?
Lade-/Tankinfrastruktur	Technische Einrichtungen zum Nachladen oder Nachtanken sowie deren räumliche Verfügbarkeit.	Wo und wie schnell kann Energie nachgefüllt werden?
Emission	Abgabe von Stoffen oder Energie an die Umwelt. Im Fahrzeugvergleich wichtig sind besonders Treibhausgase, Luftschadstoffe, Geräusch und Abrieb.	Entsteht die Emission direkt am Fahrzeug oder in einer Vorkette?
Rekuperation	Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Verzögern. Der Elektromotor arbeitet dabei als Generator und lädt den Akku.	Kann Bremsenergie teilweise zurückgewonnen werden?
Systemgrenze	Festgelegter Ausschnitt einer Betrachtung, zum Beispiel Tank-to-Wheel oder Well-to-Wheel.	Welche Schritte sind in einem Wirkungsgradwert enthalten?

Drei Antriebssysteme im Überblick

Batterieelektrischer Antrieb

Energiefluss:

Stromnetz → Ladegerät → Batterie → Leistungselektronik → Elektromotor → Getriebe/Übersetzung → Räder

Beim Bremsen kann der Energiefluss teilweise umgekehrt werden:

Räder → Elektromotor als Generator → Leistungselektronik → Batterie

Bildlegende: Grundaufbau eines Elektroautos. Beobachte Batterie, Leistungselektronik, Motor und Energiefluss. Quelle: Wikimedia Commons.

Medienauftrag – beobachten und markieren:

1. Markiere im Bild gedanklich den Energiespeicher, den Energiewandler und die Stelle, an der elektrische zu mechanischer Energie wird.
2. Vergleiche Vortrieb und Rekuperation: Welche Pfeilrichtung ändert sich?
3. Finde einen möglichen Verlustort und benenne die entstehende Energieform.

<details> <summary>Hilfe</summary> Der Akku ist ein Speicher. Der Elektromotor ist ein Wandler. Verluste treten zum Beispiel in Leitungen, Leistungselektronik, Motor, Getriebe und Reifen auf. </details>

<details> <summary>Selbstkontrolle</summary> Beim Vortrieb fließt Energie von der Batterie zum Motor und zu den Rädern. Bei Rekuperation wandelt der Motor einen Teil der Bewegungsenergie zurück in elektrische Energie. Vollständig verlustfrei ist kein Schritt. </details>

Bildlegende: Schnittmodell eines Elektromotors. Untersuche Wicklungen, Rotor und Gehäuse. Quelle: Wikimedia Commons.

Medienauftrag – Bauteile aus der Form erschließen: Drehe das Bild gedanklich in eine Schnittdarstellung. Ordne Stator, Rotor, Wicklung und Welle zu. Begründe bei zwei Bauteilen, warum ihre Form zur Funktion passt.

Verbrennungsmotorischer Antrieb

Energiefluss:

Kraftstofftank → Verbrennung im Motor → Kolbenbewegung → Kurbelwelle → Getriebe → Räder

Gleichzeitig entstehen Verlustpfade:

Verbrennung → Abgaswärme / Kühlwärme / Reibung / Nebenaggregate

Bildlegende: Viertakt-Ottomotor. Beobachte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Quelle: Wikimedia Commons.

Medienauftrag – beobachten, anhalten, Fehler finden:

1. Stoppe die Animation gedanklich bei jedem Takt und ordne Kolbenbewegung sowie Ventilstellung zu.
2. Prüfe die Aussage: „In jedem Takt wird chemische Energie in mechanische Nutzenergie umgewandelt.“ Finde den Fehler.
3. Markiere den Takt, in dem der Kolben durch die Verbrennung nach unten gedrückt wird.

<details> <summary>Selbstkontrolle</summary> Nur im Arbeitstakt liefert die Verbrennung direkt Arbeit am Kolben. Ansaugen, Verdichten und Ausstoßen benötigen beziehungsweise übertragen mechanische Arbeit. </details>

Datei:Piston.stl 3D-Modell: Kolben. Drehe das Modell digital. Suche Kolbenboden, Mantelfläche und Bereich für Kolbenringe. Quelle: Wikimedia Commons.

3D-Auftrag – beobachten und messen: Nutze nur die digitale Ansicht. Falls der Viewer Maße anzeigt, notiere größte Höhe und größten Durchmesser und bilde das Verhältnis Höhe : Durchmesser. Falls keine Maße angezeigt werden, miss beide Größen in derselben Bildschirmansicht mit einem Lineal und bestimme nur das Verhältnis. Erkläre anschließend, warum ein Kolben geführt werden muss und trotzdem beweglich bleibt. Ein Ausdruck oder eine Bearbeitung an Maschinen ist für diese Aufgabe nicht nötig.

Brennstoffzellen-Elektroantrieb

Energiefluss im Fahrzeug:

Wasserstofftank → Brennstoffzelle → elektrische Energie → Leistungselektronik/Pufferakku → Elektromotor → Räder

Für eine vollständige Kette aus erneuerbarem Strom kommt vor dem Fahrzeug hinzu:

erneuerbarer Strom → Elektrolyse → Wasserstoffaufbereitung/Transport → Tank → Brennstoffzelle → Elektromotor → Räder

Bildlegende: Struktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Verfolge den Weg vom Wasserstofftank über die Brennstoffzelle bis zum Elektromotor. Quelle: U.S. Department of Energy, über Wikimedia Commons, Public Domain.

Bildlegende: Schema einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren; dabei entstehen elektrische Energie, Wärme und Wasser. Quelle: Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Medienauftrag – vergleichen und simulieren:

1. Zeige im ersten Bild mit dem Finger die Reihenfolge Tank → Brennstoffzelle → Motor.
2. Simuliere mit Karten oder Papierpfeilen die Energieformen: chemisch → elektrisch → mechanisch.
3. Finde in der Kette zwei zusätzliche Umwandlungen, die ein batterieelektrisches Fahrzeug nicht benötigt.

<details> <summary>Hilfe</summary> Bei Wasserstoff aus Elektrolyse kommen vor dem Fahrzeug die Umwandlung Strom → Wasserstoff und im Fahrzeug Wasserstoff → Strom hinzu. </details>

Interaktive Ergänzung: Planet Schule: Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Erkunde die Animation. Notiere, was an Anode, Elektrolyt und Kathode passiert. Das Lernspiel ist für schulische Nutzung ausgelegt und erklärt die Reaktionsschritte interaktiv.

Energieflussdiagramme lesen und erstellen

Ein Energieflussdiagramm zeigt Quelle, Speicher, Wandler, Übertragung und Nutzwirkung. Pfeile zeigen die Richtung des Energieflusses. Verlustenergie wird als eigener Pfad dargestellt.

System	Speicher/Energieträger im Fahrzeug	Hauptwandler	Nutzwirkung	typische Verlustpfade
Batterieelektrisch	Batterie mit elektrischer/chemisch gespeicherter Energie	Elektromotor	Bewegung der Räder	elektrische Verluste, Wärme, Reibung, Luft- und Rollwiderstand
Verbrennung	Kraftstoff im Tank	Verbrennungsmotor	Bewegung der Räder	Abgaswärme, Kühlwärme, Reibung, Pumpverluste
Brennstoffzelle	Wasserstofftank plus kleiner Pufferakku	Brennstoffzelle und Elektromotor	Bewegung der Räder	Umwandlungswärme, elektrische Verluste, Kompression/Bereitstellung von Wasserstoff

Fehler-finden-Aufgabe: Energiefluss

Behauptung A: „Beim Elektroauto entsteht keine Verlustenergie.“

Behauptung B: „Beim Brennstoffzellenfahrzeug treibt der Wasserstoff direkt die Räder an.“

Behauptung C: „Beim Verbrennungsmotor wird im Arbeitstakt chemische Energie über Wärme und Druck in mechanische Bewegung übertragen.“

<details> <summary>Lösung und Begründung</summary> A ist falsch: Auch elektrische Antriebe haben Verluste. B ist falsch: Die Brennstoffzelle erzeugt zuerst elektrische Energie, dann treibt der Elektromotor die Räder. C beschreibt die wesentliche Umwandlung im Arbeitstakt richtig. </details>

Wirkungsgradidee und Systemgrenze

Wirkungsgrad bedeutet vereinfacht:

Wirkungsgrad = Nutzenergie / zugeführte Energie

Ein Wirkungsgrad von 80 % bedeutet: 80 % der betrachteten Eingangsenergie werden innerhalb der festgelegten Systemgrenze als Nutzenergie verfügbar. 20 % verlassen den betrachteten Pfad als Verluste.

Achtung: Wirkungsgrade sind nur vergleichbar, wenn die Systemgrenze gleich ist.

Betrachtung	Batterieelektrisch	Brennstoffzelle mit grünem Wasserstoff	Verbrennung
Motor beziehungsweise Wandler im Fahrzeug	Elektromotor häufig über 90 % Wirkungsgrad.	Brennstoffzellen-System kann etwa bis 60 % erreichen; danach folgen weitere Verluste im elektrischen Antrieb.	Konventionelle Ottomotor-Fahrzeuge nutzen je nach Fahrzyklus nur einen Teil der Kraftstoffenergie für den Vortrieb.
Kette ab erneuerbarem Strom bis Rad	Das Umweltbundesamt nennt für den batterieelektrischen Pkw rund 75 % Gesamtwirkungsgrad.	Das Umweltbundesamt nennt für den Brennstoffzellen-Pkw mit komprimiertem grünem Wasserstoff rund 28 % Gesamtwirkungsgrad.	Ein direkter Vergleich ist nur sinnvoll, wenn auch die Kraftstoffbereitstellung aus derselben Ausgangsenergie vollständig einbezogen wird.

Die Werte sind Orientierungswerte, keine festen Naturkonstanten. Fahrzeug, Fahrprofil, Temperatur, Ladeverluste, Wasserstoffbereitstellung und Systemgrenze verändern das Ergebnis.

Mini-Simulation mit 100 Energiepunkten

Stelle Dir 100 Energiepunkte als Startmenge vor.

Beispielkette	Start	nach Umwandlungen am Rad, gerundet	Verlust
Erneuerbarer Strom → Batterie → Elektromotor → Rad	100	etwa 75	etwa 25
Erneuerbarer Strom → Wasserstoff → Brennstoffzelle → Elektromotor → Rad	100	etwa 28	etwa 72

Auftrag: Zeichne für beide Ketten Balken mit 100 Kästchen. Markiere Nutzenergie und Verlustenergie. Erkläre in einem Satz, warum zusätzliche Umwandlungsschritte den Gesamtwirkungsgrad meist verkleinern.

<details> <summary>Lösungsweg</summary> Bei mehreren Umwandlungen wird jeder Teilwirkungsgrad mit den anderen verknüpft. Liegt jeder Teilwirkungsgrad unter 100 %, sinkt der Gesamtwirkungsgrad mit zusätzlichen verlustbehafteten Schritten. </details>

Verbrauch und Reichweite

Verbrauchsdaten haben unterschiedliche Einheiten:

1. Elektroauto: meist kWh/100 km
2. Verbrenner: meist l/100 km
3. Brennstoffzellenfahrzeug: meist kg H₂/100 km

Diese Einheiten dürfen nicht ohne Umrechnung direkt gleichgesetzt werden.

Aktuelle Orientierungsdaten

Datensatz	Verbrauch / Reichweite	Was Du daraus lernen sollst
Aktuelle batterieelektrische Pkw im ADAC-Test 2026	Die gemessene Verbrauchsspanne der gelisteten aktuellen Fahrzeuge liegt bei etwa 13,4 bis 29,7 kWh/100 km.	Fahrzeuggröße, Aerodynamik, Masse, Temperatur und Fahrprofil verändern den Verbrauch deutlich.
Pkw und Kombi in Deutschland, Durchschnitt 2024	Das Umweltbundesamt nennt einen durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von 7,4 l/100 km.	Ein Flottendurchschnitt ist kein Wert für ein bestimmtes Fahrzeug und nur eingeschränkt mit einem einzelnen Elektroauto vergleichbar.
Brennstoffzellen-Pkw, Beispiel Toyota Mirai im ADAC Ecotest	1,0 kg H₂/100 km und 555 km gemessene Reichweite; Hersteller-WLTP 0,8 kg/100 km und 650 km.	Messverfahren und Herstellerangabe können sich unterscheiden. Immer Quelle und Prüfverfahren nennen.

Quellenstand: 20.09.2026.

Reichweite überschlagen

Für eine einfache Überschlagsrechnung gilt:

Reichweite ≈ Speichermenge / Verbrauch pro 100 km × 100 km

Didaktische Rechenmodelle – keine Herstellerangaben:

System	angenommene Speichermenge	angenommener Verbrauch	Überschlagsreichweite
Batterieelektrisch	72 kWh nutzbar	18 kWh/100 km	72 / 18 × 100 km = 400 km
Verbrennung	45 l	7,4 l/100 km	45 / 7,4 × 100 km ≈ 608 km
Brennstoffzelle	5,6 kg H₂	1,0 kg/100 km	5,6 / 1,0 × 100 km = 560 km

Prüfungsfalle: Ein größerer Energiespeicher bedeutet nicht automatisch ein effizienteres Fahrzeug. Reichweite hängt von Speichermenge und Verbrauch ab.

Datenaufgabe mit unmittelbarer Selbstkontrolle

Ein Elektrofahrzeug hat 64 kWh nutzbare Batteriekapazität. Im betrachteten Fahrprofil werden 16 kWh/100 km angenommen.

Aufgabe: Berechne die theoretische Reichweite.

<details> <summary>Hilfe 1</summary> Teile die Speichermenge durch den Verbrauch pro 100 km. </details>

<details> <summary>Hilfe 2</summary> 64 kWh / 16 kWh = 4. Danach mit 100 km multiplizieren. </details>

<details> <summary>Lösung</summary> 4 × 100 km = 400 km. In der Praxis können Temperatur, Geschwindigkeit, Heizung/Kühlung, Topografie und Reserven die nutzbare Reichweite verändern. </details>

Lade- und Tankinfrastruktur

Infrastruktur ist ein technischer Teil des Systems. Ein Fahrzeug kann nur dann praktisch eingesetzt werden, wenn Energie zuverlässig bereitgestellt werden kann.

Antrieb	Energie nachfüllen	typische technische Besonderheit	Prüfpunkt im Einsatzfall
Batterieelektrisch	AC- oder DC-Laden	Ladeleistung, Steckertyp, Ladezeit, Netzanschluss	Gibt es am Ziel, zu Hause oder unterwegs passende Ladepunkte?
Verbrennung	Flüssigkraftstoff tanken	hohe Energiedichte, kurzer Tankvorgang	Ist die Tankstelle auf der Route erreichbar?
Brennstoffzelle	komprimierten Wasserstoff tanken	Hochdrucktechnik und spezielle H₂-Tankstelle	Gibt es eine geeignete und verfügbare H₂-Station auf der Route?

Die Bundesnetzagentur meldete für den 1. August 2026 156.399 öffentlich angezeigte Normalladepunkte und 55.665 Schnellladepunkte in Betrieb. Die Registerdaten sind nicht vollständig identisch mit allen tatsächlich existierenden Ladepunkten und werden fortlaufend aktualisiert.

Bei Wasserstoff ist das öffentliche Pkw-Tankstellennetz in Deutschland deutlich kleiner und verändert sich. Für eine reale Entscheidung muss deshalb immer eine aktuelle Stationskarte geprüft werden.

Transferfrage: Warum kann ein Fahrzeug mit großer Reichweite im Alltag trotzdem unpraktisch sein? Nenne zwei Infrastrukturgründe.

Emissionen richtig vergleichen

Lokale Emission bedeutet: Was entsteht unmittelbar am Fahrzeug im Betrieb?

Vorkettenemission bedeutet: Was entsteht bei Bereitstellung von Strom, Kraftstoff oder Wasserstoff?

Lebenszyklusbetrachtung bedeutet: Zusätzlich werden Herstellung, Nutzung, Wartung und Verwertung betrachtet.

Kriterium	Batterieelektrisch	Verbrennung	Brennstoffzelle
Auspuff im Fahrbetrieb	keine Abgase aus Verbrennung	CO₂ und je nach Motor/Abgasnachbehandlung Luftschadstoffe	lokal überwiegend Wasser/Wasserdampf; keine CO₂-Emission aus H₂ in der Brennstoffzelle
Brems- und Reifenabrieb	vorhanden	vorhanden	vorhanden
Vorkette	abhängig von Stromerzeugung und Batterieherstellung	abhängig von Förderung, Raffination und Kraftstoffbereitstellung	stark abhängig von Wasserstoffherstellung, Kompression und Transport
Geräusch	Antrieb bei niedriger Geschwindigkeit meist leiser	Motor- und Abgasgeräusch vorhanden	elektrischer Fahrantrieb, zusätzliche Aggregate wie Luftkompressor möglich

Merksatz: „Lokal emissionsfrei“ bedeutet nicht „über den gesamten Lebenszyklus emissionsfrei“.

Getriebe und mechanische Übertragung

Nicht jeder Antrieb braucht das gleiche Getriebe. Elektromotoren liefern über einen großen Drehzahlbereich nutzbares Drehmoment. Häufig genügt deshalb eine feste Untersetzung. Verbrennungsmotoren arbeiten nur in einem begrenzten Drehzahlbereich günstig und benötigen meist mehrere Übersetzungen.

Datei:3D Gears Nevit.stl 3D-Modell: Zahnräder. Drehe das Modell und beobachte Eingriff, Drehrichtung und Größenverhältnis. Quelle: Wikimedia Commons, CC0.

Bildlegende: Planetengetriebe in Bewegung. Beobachte Sonnenrad, Planetenräder und Hohlrad. Quelle: Wikimedia Commons, CC0.

3D-/Animationsauftrag – vergleichen und Fehler finden:

1. Beobachte zwei unterschiedlich große Zahnräder. Sage voraus, welches sich schneller dreht.
2. Prüfe die Behauptung: „Ein größeres Abtriebsrad dreht bei gleicher Eingangsbewegung immer schneller.“ Begründe.
3. Erkläre, warum Getriebe die Drehzahl und das Drehmoment an die Aufgabe anpassen.

<details> <summary>Selbstkontrolle</summary> Bei einem einfachen Zahnradpaar dreht sich das größere Zahnrad bei Antrieb durch ein kleineres Zahnrad langsamer. Dafür kann sich das Drehmomentverhältnis ändern. Die genaue Wirkung hängt von der Übersetzung ab. </details>

Kriterienmatrix statt pauschaler Siegerwahl

Eine Kriterienmatrix ordnet Fakten. Sie ersetzt keine Begründung. Wichtig ist zuerst der Einsatzfall.

Beispiel-Einsatzfall: Ein schulischer Technik-Kurier fährt an Werktagen 70 km, steht nachts 12 Stunden auf dem Schulgelände und soll lokal möglichst wenig Lärm verursachen. Ein zweiter Einsatzfall kann ein Fahrzeug für lange Strecken ohne feste Ladepause sein.

Kriterium	Batterieelektrisch	Verbrennung	Brennstoffzelle	Welche Daten fehlen noch?
Energiefluss/Wirkungsgradidee	wenige Umwandlungsschritte im Fahrzeug	deutliche Wärmeverluste im Verbrennungsprozess	zusätzliche Umwandlung Wasserstoff → Strom	gleiche Systemgrenze festlegen
Reichweite	stark abhängig von Akku, Wetter und Tempo	abhängig von Tankgröße und Verbrauch	abhängig von H₂-Speicher und Verbrauch	reale Fahrstrecke und Reserve
Nachfüllen	Ladezeit je nach Leistung	typischerweise kurzer Tankvorgang	kurzer Tankvorgang möglich, aber Spezialstation nötig	verfügbare Leistung/Station
Infrastruktur	öffentliches Laden plus mögliche private/depotbezogene Ladepunkte	dichtes bestehendes Tankstellennetz	deutlich dünneres Spezialnetz	lokale Karte prüfen
lokale Abgase	keine	vorhanden	kein CO₂ aus H₂-Reaktion, Wasser als Produkt	Abgrenzung lokal/Vorkette
Vorkette/Lebenszyklus	Strommix, Akkuherstellung, Fahrzeuggröße wichtig	Kraftstoffbereitstellung und Verbrennung wichtig	H₂-Herstellung und Kompression besonders wichtig	belastbare Quelle und Zeitraum

Eigene Bewertungsmatrix für eine Prüfung

Bewerte nicht „den besten Antrieb“, sondern die Eignung für den vorgegebenen Einsatzfall.

Kriterium	Gewicht 1–3	Batterieelektrisch 0–3	Verbrennung 0–3	Brennstoffzelle 0–3	Datenbeleg
Tagesreichweite
Energieeffizienz
Nachfüllzeit
Infrastruktur am Einsatzort
lokale Emission
Lebenszyklus/Vorkette
Lärm

Regel: Jede Punktzahl braucht einen Daten- oder Sachbeleg. Die Summe darf nur für den konkreten Einsatzfall interpretiert werden.

Begründungsschema für anwendungsbezogene Entscheidungen

Eine starke Prüfungsantwort hat vier Schritte:

1. Anforderung nennen: „Für den Einsatzfall ist … besonders wichtig, weil …“
2. Daten verwenden: „Der Datensatz zeigt …“
3. Zielkonflikt erklären: „Dafür entsteht der Nachteil …“
4. Entscheidung eingrenzen: „Unter diesen Bedingungen ist … passend; bei veränderten Bedingungen müsste neu bewertet werden.“

Nicht ausreichend: „Elektro ist besser.“

Besser: „Für den beschriebenen Depotbetrieb ist eine lange nächtliche Standzeit vorhanden. Dadurch kann Ladezeit weniger wichtig sein. Wenn die Tagesstrecke innerhalb der realen Reichweite liegt und am Standort ein geeigneter Ladepunkt vorhanden ist, spricht dieses Kriterium für den batterieelektrischen Antrieb. Für einen Einsatz ohne sichere Lademöglichkeit müsste die Entscheidung neu geprüft werden.“

Medienwerkstatt: aktiv untersuchen

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Video: „Fahren mit E-Bus und Wasserstoff-Hybrid-Auto“ von Die Maus / WDR. Nutze das Video nicht als Beweis für einzelne Zahlen, sondern als Beobachtungsmedium zu Infrastruktur, Speichern und Fahrzeugkonzepten.

Videoauftrag:

1. Beobachte drei unterschiedliche Energiespeicher oder Energiequellen.
2. Notiere zu jedem Beispiel den Energieträger.
3. Markiere Aussagen, die technische Fakten sind, und Aussagen, die Zukunftserwartungen beschreiben.
4. Vergleiche nach dem Video zwei Antriebsketten mit Deinem Energieflussdiagramm.

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Video: Quarks Science Cops / WDR zur Umweltbilanz von Elektroautos. Medienkompetenz-Auftrag: Achte auf Quellen, Systemgrenzen und Vergleichsbedingungen.

Medienkritik-Auftrag:

1. Stoppe bei einer Zahl oder Grafik.
2. Notiere Quelle, Bezugsgröße und Zeitraum.
3. Prüfe, ob Herstellung und Nutzung gemeinsam oder getrennt betrachtet werden.
4. Formuliere eine Frage, die Du stellen musst, bevor Du eine Schlussfolgerung über „Umweltfreundlichkeit“ ziehst.

Lizenz- und Quellencheck der eingebundenen Medien

Die Wikimedia-Commons-Dateien wurden über ihre jeweiligen Beschreibungsseiten auf Herkunft und Lizenz geprüft. Je nach Datei gelten Public Domain, CC0 oder Creative-Commons-Lizenzen mit Namensnennung beziehungsweise Share-Alike. Die Dateiseite bleibt für die genaue Lizenz maßgeblich. Die YouTube-Videos stammen aus offiziellen WDR-Angeboten und werden eingebettet, nicht kopiert.

Prüfungsnahe Anwendung

Fall A: Schulischer Lieferdienst

Eine Schule plant ein kleines Fahrzeug. Es fährt pro Tag 80 km. Nachts steht es mindestens 11 Stunden auf dem Schulgelände. Dort könnte ein geeigneter Ladepunkt installiert werden. In Wohngebieten soll das Fahrzeug bei niedriger Geschwindigkeit möglichst leise sein.

Aufgabe: Begründe eine technische Auswahl zwischen den drei Antriebssystemen. Nutze mindestens vier Kriterien. Nenne zusätzlich ein Gegenargument zu Deiner eigenen Auswahl.

<details> <summary>Hilfe</summary> Prüfe Tagesreichweite, Infrastruktur am Depot, Nachfüllzeit, lokale Emissionen, Geräusch und Wirkungsgradidee. </details>

<details> <summary>Möglicher Lösungsweg</summary> Zuerst Anforderungen markieren. Dann Daten aus Tabelle und Energiefluss vergleichen. Danach Zielkonflikt nennen. Eine tragfähige Antwort kann zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, wenn Annahmen klar und Daten passend sind. </details>

Fall B: Langstrecke ohne feste Energieversorgung

Ein Wartungsteam fährt unregelmäßig 500 bis 700 km pro Tag. Die Routen wechseln. Am Ziel ist weder ein Ladepunkt noch eine H₂-Station sicher verfügbar.

Aufgabe: Erstelle eine Kriterienmatrix. Begründe, welches Kriterium hier besonders stark gewichtet werden sollte. Nenne die Information, die Du vor einer realen Beschaffung zuerst aktuell recherchieren würdest.

Fall C: Datensatz prüfen

Ein Werbeplakat behauptet: „600 km Reichweite beweisen, dass Antrieb X den höchsten Wirkungsgrad hat.“

Aufgabe: Widerlege oder bestätige die Aussage fachlich.

<details> <summary>Selbstkontrolle</summary> Die Aussage ist so nicht zulässig. Reichweite hängt mindestens von Speichermenge und Verbrauch ab. Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie innerhalb einer festgelegten Systemgrenze. Aus der Reichweite allein folgt kein Wirkungsgrad. </details>

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt ein Energieträger? (Eine Form oder ein Stoff zum Speichern und Transportieren von Energie) (!Nur den Elektromotor eines Fahrzeugs) (!Nur die Reichweite eines Fahrzeugs) (!Nur die Abgase eines Motors)

Was bedeutet die Wirkungsgradidee? (Nutzenergie wird mit der zugeführten Energie verglichen) (!Reichweite wird mit Fahrzeuglänge verglichen) (!Tankgröße wird mit Reifenbreite verglichen) (!Ladezeit wird mit Höchstgeschwindigkeit verglichen)

In welcher Einheit wird der Verbrauch eines Elektroautos häufig angegeben? (kWh pro 100 km) (!Liter pro Sekunde) (!Kilogramm pro Meter) (!Volt pro Kilometer)

Welche Aussage zur Reichweite ist richtig? (Sie hängt von Speichermenge und Verbrauch ab) (!Sie ist immer gleich dem Wirkungsgrad) (!Sie hängt nur von der Motorleistung ab) (!Sie ist unabhängig von Temperatur und Fahrweise)

Welche Reihenfolge passt zum batterieelektrischen Antrieb? (Batterie Leistungselektronik Elektromotor Räder) (!Batterie Brennstoffzelle Kolben Räder) (!Tank Zündkerze Elektromotor Räder) (!Wasserstofftank Kurbelwelle Batterie Räder)

Was geschieht bei Rekuperation? (Bewegungsenergie wird teilweise in elektrische Energie zurückgewandelt) (!Kraftstoff wird im Tank hergestellt) (!Wasserstoff wird zu Benzin) (!Das Getriebe erzeugt neue Energie)

Warum muss bei Wirkungsgradwerten die Systemgrenze genannt werden? (Weil nur Werte mit vergleichbarem betrachteten Energiepfad sinnvoll verglichen werden können) (!Weil die Fahrzeugfarbe den Wirkungsgrad bestimmt) (!Weil jeder Wirkungsgrad immer genau 100 Prozent beträgt) (!Weil die Reichweite keine Einheit besitzt)

Was ist bei einem Brennstoffzellenfahrzeug der direkte Fahrmotor? (Ein Elektromotor) (!Eine Brennstoffzelle) (!Ein Ottomotor) (!Eine Wasserstoffpumpe)

Was bedeutet lokal emissionsfrei im Zusammenhang mit Abgasen? (Am Fahrzeug entstehen im Betrieb keine Verbrennungsabgase) (!Im gesamten Lebenszyklus entstehen keinerlei Emissionen) (!Reifen erzeugen keinen Abrieb) (!Die Energieherstellung ist immer emissionsfrei)

Wie begründest Du eine technische Entscheidung prüfungsnah? (Mit Einsatzfall Daten Kriterien und Zielkonflikten) (!Mit einer pauschalen Siegerwahl ohne Daten) (!Nur mit persönlichem Geschmack) (!Nur mit der höchsten Reichweitenzahl)

Memory

Energieträger	speichert oder transportiert Energie
Wirkungsgrad	Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie
Reichweite	mögliche Strecke mit vorhandener Energiemenge
Rekuperation	Rückgewinnung von Bewegungsenergie
Brennstoffzelle	wandelt chemische in elektrische Energie
Infrastruktur	Einrichtungen zum Laden oder Tanken
Emission	Abgabe von Stoffen oder Energie an die Umwelt

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Batterie	Energiespeicher im Elektroauto
Elektromotor	elektrischer Energiewandler zum Antrieb
Kraftstofftank	Speicher beim Verbrenner
Brennstoffzelle	Wasserstoff zu elektrischer Energie
Rekuperation	Bremsenergie teilweise zurückgewinnen
Kriterienmatrix	technische Entscheidung strukturiert begründen

Kreuzworträtsel

Batterie	Welcher Energiespeicher versorgt beim Elektroauto den Fahrmotor?
Wirkungsgrad	Welcher Begriff beschreibt das Verhältnis von Nutzenergie zu zugeführter Energie?
Reichweite	Wie heißt die mögliche Strecke mit einer Ladung oder Tankfüllung?
Emission	Wie heißt die Abgabe von Stoffen oder Energie an die Umwelt?
Rekuperation	Wie heißt die Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Bremsen?
Wasserstoff	Welcher Energieträger wird im Brennstoffzellenfahrzeug mitgeführt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein speichert oder transportiert Energie. Der vergleicht Nutzenergie mit zugeführter Energie. Die mögliche Strecke mit einer Ladung oder Tankfüllung heißt . Beim Elektroauto wird der Verbrauch häufig in angegeben. Beim Bremsen kann ein Elektrofahrzeug durch einen Teil der Bewegungsenergie zurückgewinnen. Im Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt die elektrische Energie aus Wasserstoff. Für einen fairen Vergleich muss die gleiche verwendet werden. Eine technische Entscheidung wird mit einer auf den konkreten Einsatzfall bezogen.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Energieflussdiagramm: Zeichne für einen batterieelektrischen Antrieb fünf Stationen des Energieflusses und markiere einen Verlustpfad.
2. Viertaktmotor: Erstelle vier Bildkarten zu Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen und ordne Kolbenbewegung sowie Ventilstellung zu.
3. Reichweite: Erfinde einen einfachen Datensatz mit Speichermenge und Verbrauch und berechne die theoretische Reichweite.
4. Medienanalyse: Wähle ein eingebundenes Commons-Bild und beschrifte vier technisch wichtige Bauteile.

Standard

1. Kriterienmatrix: Vergleiche die drei Antriebssysteme für einen Schulkurier mit mindestens sechs Kriterien. Begründe Deine Gewichtung.
2. 3D-Modell: Untersuche digital den Kolben oder die Zahnräder. Fertige drei Ansichten als Skizzen an und erkläre die Funktion von zwei Formmerkmalen.
3. Infrastruktur: Recherchiere unter Aufsicht aktuelle Lade- und Tankmöglichkeiten für eine vorgegebene Route. Dokumentiere Quelle, Datum und Einschränkungen.
4. Verbrauch: Vergleiche drei reale Fahrzeugdaten. Achte auf Einheit, Messverfahren, Fahrzeugklasse und Datenquelle.

Schwer

1. Nutzwertanalyse: Entwickle zwei unterschiedliche Einsatzfälle. Zeige, wie veränderte Gewichtungen zu unterschiedlichen technischen Entscheidungen führen können.
2. Lebenszyklusanalyse: Erstelle ein Schaubild mit Fahrzeugherstellung, Energiebereitstellung, Nutzung und Verwertung. Markiere, welche Daten Du für einen belastbaren Emissionsvergleich noch benötigst.
3. Fehleranalyse: Suche in einem Werbetext oder selbst erstellten Beispiel fünf typische Vergleichsfehler zu Reichweite, Wirkungsgrad oder Emission und korrigiere sie.
4. Technische Entscheidung: Verfasse eine einseitige prüfungsnahe Entscheidungsvorlage für eine fiktive Kommune oder Schule. Verwende Daten, Kriterien, Zielkonflikte und eine klar begrenzte Empfehlung für den konkreten Einsatzfall.

Lernkontrolle

1. Energiefluss: Ein Fahrzeugkonzept enthält die Kette Strom → Elektrolyse → Wasserstoff → Brennstoffzelle → Elektromotor → Rad. Erkläre, an welchen Stellen Umwandlungsverluste auftreten und warum die Zahl der Umwandlungsschritte für die Effizienz relevant ist.
2. Reichweitenberechnung: Zwei Fahrzeuge erreichen beide 500 km. Fahrzeug A speichert 90 kWh, Fahrzeug B 60 kWh. Erkläre, warum die gleiche Reichweite keine Aussage über gleichen Verbrauch oder gleichen Wirkungsgrad erlaubt.
3. Infrastrukturentscheidung: Beurteile für einen ländlichen Pflegedienst mit festen Nachtstandzeiten, welche Infrastrukturdaten vor einer Fahrzeugwahl erhoben werden müssen. Begründe die Reihenfolge.
4. Emissionsvergleich: Erkläre den Unterschied zwischen lokaler Emission und Lebenszyklus-Emission an zwei Antriebssystemen. Nenne jeweils mindestens einen Einflussfaktor aus der Vorkette.
5. Kriteriengewichtung: Ein Einsatzfall ändert sich von 60 km Tagesstrecke mit Depot auf 650 km wechselnde Langstrecke ohne festen Standort. Erkläre, welche Kriterien dadurch stärker oder schwächer gewichtet werden und warum.
6. Datenkritik: Ein Diagramm vergleicht 18 kWh/100 km, 7 l/100 km und 1 kg/100 km und erklärt den kleinsten Zahlenwert zum effizientesten Antrieb. Analysiere den Fehler und beschreibe einen fachlich besseren Vergleich.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig:

1. Du kannst mindestens drei Antriebssysteme mit korrekt beschrifteten Energieflussdiagrammen darstellen.
2. Du verwendest die Fachbegriffe Energieträger, Wirkungsgrad, Reichweite, Lade-/Tankinfrastruktur und Emission fachlich richtig.
3. Du kannst Reichweite aus Speichermenge und Verbrauch überschlägig berechnen.
4. Du unterscheidest Messwert, Herstellerangabe, Flottendurchschnitt und didaktischen Rechenwert.
5. Du beachtest beim Wirkungsgrad die Systemgrenze.
6. Du unterscheidest lokale Emissionen von Vorketten- und Lebenszyklusbetrachtungen.
7. Du kannst technische Medien, Diagramme und 3D-Modelle gezielt auswerten.
8. Du kannst Fehler in pauschalen Vergleichen erkennen.
9. Du begründest eine Entscheidung anwendungsbezogen mit Kriterien, Daten und Zielkonflikten.
10. Du formulierst keine pauschale Siegerwahl, sondern begrenzt Deine Aussage auf den konkreten Einsatzfall.

OERs zum Thema

Weitere frei zugängliche Lernangebote:

1. Planet Schule: Brennstoffzellen-Lernspiel
2. Landesbildungsserver Baden-Württemberg: Viertakt-Ottomotor
3. Bundesnetzagentur: Ladesäulenkarte

Quellen und Datenstand

1. Bildungsplan Baden-Württemberg – Technik, Mobilität
2. Umweltbundesamt – Wasserstoff im Verkehr
3. Umweltbundesamt – Energieverbrauch und Kraftstoffe
4. Bundesnetzagentur – öffentliche Ladeinfrastruktur
5. ADAC – Elektroauto-Verbrauch im Test
6. ADAC – Brennstoffzellenfahrzeug im Test
7. Wikimedia Commons – Electric car diagram.svg
8. Wikimedia Commons – Schnittmodell Elektromotor
9. Wikimedia Commons – 4-Stroke-Engine-with-airflows numbers.gif
10. Wikimedia Commons – Structure of a HFCV.jpg
11. Wikimedia Commons – Hydrogen fuel cell schematic.jpg
12. Wikimedia Commons – Piston.stl
13. Wikimedia Commons – 3D Gears Nevit.stl
14. Wikimedia Commons – Planetary Gear Animation.gif

Datenstand der Recherche: 20.09.2026. Verbrauch, Reichweite und Infrastruktur ändern sich. Nutze für reale Entscheidungen aktuelle Quellen.

Verknüpfte Lernbereiche

Antriebssysteme Energiefluss Elektromotor Verbrennungsmotor Brennstoffzelle Wirkungsgrad Reichweite Ladeinfrastruktur Emission Nutzwertanalyse Technische Entscheidung