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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Direkte Elektrifizierung mit Wasserstoffpfaden vergleichen

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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Direkte Elektrifizierung mit Wasserstoffpfaden vergleichen

Einleitung

Wie viel Energie kommt wirklich an?

In diesem aiMOOC vergleichst Du die direkte Nutzung erneuerbaren Stroms mit der Umwandlung in Wasserstoff und seiner späteren Nutzung. Du untersuchst Elektrolyse, Brennstoffzelle, Sektorenkopplung, Energieverluste und geeignete Systemgrenzen.

Bildauftrag: Finde Strom, Wärme, Verkehr und Industrie. Welche Verbindungen funktionieren direkt elektrisch, welche benötigen zusätzliche Energieträger?

Zielgruppe: Ausbildung in Elektro-, Energie-, Anlagen-, Fahrzeug- und Versorgungstechnik.

Lernzeit: Etwa 120 Minuten, aufgeteilt in sechs kurze Einheiten und eine Lernkontrolle.

Lernziele: Nach diesem Kurs kannst Du Energiepfade darstellen, Wirkungsgrade berechnen, sinnvolle Systemgrenzen festlegen, betriebliche Entscheidungen begründen und fachliche Quellen kritisch beurteilen.

Lernprinzip: Bild oder Video ansehen – Frage bearbeiten – Rückmeldung prüfen – Erkenntnis auf den Ausbildungsfall übertragen.

Sicherheitsgrundsatz: Dieser Kurs ist ein digitaler Lern- und Planungskurs. Alle Berechnungen erfolgen mit vorgegebenen Modelldaten. Es werden keine Gase erzeugt, entzündet oder gespeichert und keine technischen Anlagen geöffnet oder verändert.

Der Ausbildungsfall: Betriebshof EnergieWerk

Du arbeitest als Auszubildende oder Auszubildender in einem fiktiven kommunalen Betriebshof.

Eine Photovoltaikanlage stellt zeitweise überschüssige elektrische Energie bereit. Für den nächsten Tag wird Strom für elektrische Arbeitsgeräte und Ladeeinrichtungen benötigt.

Die Betriebsleitung prüft zwei Speichermöglichkeiten:

Variante A: Strom → Batteriespeicher → Stromverbraucher.

Variante B: Strom → Elektrolyseur → Wasserstoffspeicher → Brennstoffzelle → Stromverbraucher.

Dein Auftrag: Vergleiche beide Varianten zunächst energetisch. Berücksichtige anschließend Speicherdauer, Infrastruktur, Sicherheit und Kosten.

Alle Zahlen des Ausbildungsfalls sind didaktische Modellannahmen, keine garantierten Messwerte realer Anlagen.

Lerneinheit 1: Sektorkopplung verstehen

Lernzeit: 10 Minuten

Was wird gekoppelt?

Sektorenkopplung verbindet den Stromsektor mit Wärmeversorgung, Mobilität und Industrie.

Es gibt zwei grundlegende Wege:

Direkte Elektrifizierung: Elektrischer Strom wird möglichst unmittelbar für eine Anwendung eingesetzt, beispielsweise in einem Elektromotor oder einer Wärmepumpe.

Indirekter Weg: Strom wird zunächst in einen anderen Energieträger wie Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann gespeichert, transportiert oder als industrieller Rohstoff verwendet werden.

Wasserstoff ist dabei ein Energieträger, keine frei verfügbare Primärenergiequelle.

Drei typische Anwendungen

Anwendung	Häufig geeigneter Weg	Begründung
Gebäudewärme	Elektrische Wärmepumpe	Nutzt zusätzlich Umweltwärme
Elektrischer Fahrzeugantrieb	Batterie und Elektromotor	Wenige Energieumwandlungen
Chemischer Rohstoff und Eisenreduktion	Wasserstoff kann erforderlich sein	Wasserstoff erfüllt auch eine stoffliche Funktion

Wichtig: Eine technisch mögliche Wasserstofflösung ist nicht automatisch die wirtschaftlich oder ökologisch beste Lösung. Auch industrielle Hochtemperaturprozesse können teilweise direkt elektrisch betrieben werden.

Basisfrage: Warum genügt ein hoher Wirkungsgrad allein noch nicht, um eine Technologie auszuwählen?

Feedback: Weil zusätzlich die benötigte Dienstleistung, zeitliche Verfügbarkeit, Infrastruktur, Kosten und Sicherheitsanforderungen entscheidend sind.

Lerneinheit 2: Elektrolyse und Brennstoffzelle

Lernzeit: 15 Minuten

Elektrolyse: Strom wird chemische Energie

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser unter Zufuhr elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Gesamtreaktion:

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Animiertes Fachschema: Beobachte die Trennung der Reaktionsprodukte an den Elektroden.

Ein Elektrolyseur besitzt Elektroden und ein geeignetes Elektrolytsystem. Bei der PEM-Elektrolyse kommt eine protonenleitende Membran zum Einsatz.

Die erzeugte Wasserstoffmenge hängt vom elektrischen Energieeinsatz und den Betriebsbedingungen ab. Für eine vollständige Energiebilanz zählen auch Hilfsaggregate und gegebenenfalls die Gasaufbereitung.

Fachquelle: DLR – Brennstoffzellen und Elektrolyse.

Ein historischer industrieller Elektrolyseur als Museumsobjekt: Die technische Umsetzung unterscheidet sich deutlich vom einfachen Prinzipschema.

Brennstoffzelle: Wasserstoff wird Strom

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie des zugeführten Wasserstoffs elektrochemisch in elektrische Energie um.

Gesamtreaktion:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Dabei entstehen elektrische Energie und Wärme. Die Brennstoffzelle ist selbst kein Wasserstoffspeicher.

Videoanalyse: Reise in eine Brennstoffzelle

Animationsfilm der Initiative Brennstoffzelle, nachgewiesen über den Landesbildungsserver Baden-Württemberg.

Beobachtungsauftrag: Verfolge im Film den Weg der Wasserstoffteilchen, der Elektronen und der Protonen.

Feedback: In einer PEM-Brennstoffzelle fließen Elektronen über den äußeren Stromkreis zum Verbraucher. Protonen passieren die Membran. An der Sauerstoffseite entsteht Wasser.

Industrielle Herstellung kennenlernen

Video: Wasserstofftechnologien – Fraunhofer

Fraunhofer IWS: Wasserstofftechnologien im Kontext der industriellen Fertigung und der Hannover Messe 2021.

Analyseauftrag: Trenne im Video technische Demonstrationen von Aussagen über eine bereits flächendeckend wirtschaftliche Anwendung.

Feedback: Ein funktionierender Prototyp oder industrieller Fertigungsprozess belegt die technische Machbarkeit bestimmter Komponenten, aber nicht automatisch Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Effizienz jedes Gesamtsystems.

Besondere Sicherheitsbereiche: Gas und Wasserstoff

SICHERHEITSBEREICH – WASSERSTOFF / GAS / DRUCK / EXPLOSION

Wasserstoff ist brennbar. Unter bestimmten Bedingungen kann mit Luft eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen. Zusätzlich sind Druckgefährdungen, Leckagen und mögliche Sauerstoffverdrängung zu beachten.

Verbotene Lernhandlungen: Keine selbst gebauten Elektrolyseure, keine Knallgasprobe, keine Zündversuche, keine Manipulation von Druckgasbehältern, Leitungen, Ventilen, Sensoren oder Sicherheitseinrichtungen.

Es gelten die Gefährdungsbeurteilung des Betriebs, Qualifikationsanforderungen, Herstellerangaben und die einschlägigen aktuellen Vorschriften.

Geprüfte Sicherheitsquelle: DGUV FBETEM-007 – Gefährdungen und Schutzmaßnahmen bei Wasserstoffanlagen und -leitungen.

Lerneinheit 3: Direkte Elektrifizierung

Lernzeit: 10 Minuten

Strom möglichst unmittelbar nutzen

Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Ein Akkumulator speichert Energie elektrochemisch für eine spätere elektrische Nutzung.

Ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug besitzt ebenfalls einen elektrischen Antriebsstrang. Der Unterschied liegt hauptsächlich in der vorgelagerten Energiebereitstellung.

Anwendungsbeispiel: Brennstoffzellenbus. Seine Eignung muss mit batterieelektrischen Alternativen bei vergleichbaren Betriebsbedingungen geprüft werden.

Die Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe verwendet Strom und Umweltwärme zur Bereitstellung von Nutzwärme.

Eine Leistungszahl, auch COP genannt, von 3 bedeutet unter den betrachteten Betriebsbedingungen:

100 kWh Strom + 200 kWh Umweltwärme = 300 kWh bereitgestellte Wärme.

Das verletzt nicht den Energieerhaltungssatz: Die Wärmepumpe transportiert zusätzlich Wärme aus der Umgebung.

Beachte: Die Leistungszahl hängt von Betriebsbedingungen ab. Für Jahresvergleiche ist eine Jahresarbeitszahl geeigneter.

Merksatz: Strom direkt einzusetzen ist energetisch häufig vorteilhaft. Wasserstoff erhält vor allem dort Bedeutung, wo eine stoffliche Nutzung, längere Energiespeicherung oder eine schwer direkt elektrifizierbare Anwendung hinzukommt.

Anwendungsfrage: Warum wäre eine Wasserstoffheizung für gewöhnliche Raumwärme nicht allein wegen der möglichen Wasserstoffverbrennung effizient?

Feedback: Zunächst muss Wasserstoff hergestellt und bereitgestellt werden. Eine Wärmepumpe nutzt bei geeigneten Bedingungen Umweltwärme und benötigt deshalb deutlich weniger elektrische Eingangsenergie für dieselbe Nutzwärme.

Lerneinheit 4: Energieverluste und Systemgrenzen

Lernzeit: 20 Minuten

Der Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsenergie zur zugeführten Energie.

Wirkungsgrad = Nutzenergie / Eingangsenergie

Bei mehreren hintereinander geschalteten Umwandlungen werden die Teilwirkungsgrade multipliziert.

Entscheidend ist die Systemgrenze.

Ein fairer Vergleich beginnt und endet bei der gleichen betrachteten Energiedienstleistung.

In unserem Ausbildungsfall:

Beginn: 100 kWh überschüssiger Strom am betrieblichen Wechselstrom-Sammelpunkt.

Ende: Am Folgetag am elektrischen Verbraucheranschluss verfügbare Energie.

Nicht betrachtet werden zunächst Herstellung und Alterung der Anlagen, Investitionen und Lebenszyklusemissionen. Diese sind für eine vollständige Bewertung gesondert zu ergänzen.

Die Modellrechnung

Variante	Modellannahmen	Nutzstrom aus 100 kWh
Batteriespeicher	Gesamtwirkungsgrad einschließlich Lade-, Speicher- und Umrichterverlusten: 85 %	85 kWh
Wasserstoffpfad	Elektrolyse 70 %, Bereitstellung und Speicherung 90 %, Brennstoffzellensystem 50 %	31,5 kWh

Batterie:

100 kWh × 0,85 = 85 kWh

Wasserstoffpfad:

100 kWh × 0,70 × 0,90 × 0,50 = 31,5 kWh

Der elektrische Gesamtwirkungsgrad des betrachteten Wasserstoffpfads beträgt 31,5 %.

Die Differenz zwischen eingesetzter und zurückgewonnener elektrischer Energie verschwindet nicht. Sie erscheint unter anderem als Wärme oder als Energiebedarf zusätzlicher Prozesse.

Achtung: Die Beispielwerte sind gerundete Unterrichtsannahmen. Reale Wirkungsgrade ändern sich mit Technik, Betriebszustand, Hilfsbedarf, Systemgrenze sowie Heizwert- oder Brennwertbezug des Wasserstoffs.

Die gleiche Dienstleistung vergleichen

Der Betriebshof braucht am Folgetag 80 kWh Strom.

Mit der Batterie müssen bei einem Modellwirkungsgrad von 85 % etwa 94,1 kWh eingesetzt werden.

Über den Wasserstoffpfad wären bei einem Modellwirkungsgrad von 31,5 % etwa 254,0 kWh erforderlich.

Damit benötigt der betrachtete Wasserstoffpfad rund das 2,7-Fache der elektrischen Ausgangsenergie des Batteriepfads.

Feedback: Die Batterie erfüllt den geforderten Tagesbedarf mit den verfügbaren 100 kWh. Der betrachtete Wasserstoffpfad kann ihn mit derselben Strommenge nicht decken.

Dies ist eine Aussage über den hier modellierten kurzfristigen Stromspeicherfall, nicht über jeden möglichen Einsatz von Wasserstoff.

Gestufte Hilfen zur Berechnung

Hilfe 1 – Orientierung: Zeichne die Energie als Pfeilkette. Jeder Wirkungsgrad gehört zu einem einzelnen Abschnitt.

Hilfe 2 – Rechenweg: Beginne mit 100 kWh. Multipliziere nacheinander mit 0,70, dann mit 0,90 und zuletzt mit 0,50.

Hilfe 3 – Kontrolle: Nach der Elektrolyse verbleiben 70 kWh chemisch gespeicherte Energie, nach der Bereitstellung 63 kWh und nach der Rückverstromung 31,5 kWh elektrische Energie.

Selbstprüfung: Wird Deine Energie mit jedem zusätzlichen verlustbehafteten Umwandlungsschritt geringer, ist der Rechenweg grundsätzlich plausibel.

Eine Systemgrenze verändern

Wird der Wasserstoff nicht rückverstromt, sondern direkt als chemischer Rohstoff genutzt, entfällt der Umwandlungsschritt der Brennstoffzelle.

Dann wird jedoch eine andere Nutzleistung bewertet: chemische Stoffbereitstellung statt Stromversorgung.

Abwärme aus einem Brennstoffzellensystem kann bei passendem Temperaturniveau und zeitlich vorhandenem Wärmebedarf genutzt werden. Elektrische und thermische Nutzenergie müssen dafür getrennt ausgewiesen werden.

Transferfrage: Darf man 85 kWh elektrischen Batteriestrom unmittelbar mit 63 kWh chemischer Wasserstoffenergie gleichsetzen?

Feedback: Nein. Elektrische und chemische Energie besitzen unterschiedliche Nutzungsmöglichkeiten. Entscheidend ist, welche gewünschte Dienstleistung tatsächlich erreicht wird und welche weitere Umwandlung dafür benötigt wird.

Lerneinheit 5: Digitale Modelle und geprüfte Demonstrationen

Lernzeit: 20 Minuten

Interaktives Modell A: Energieumwandlungen

PhET – Energieformen und Energieumwandlungen

Interaktive Simulation starten

Dieses Angebot des PhET Interactive Simulations Project der University of Colorado Boulder visualisiert Energieübertragungen und Umwandlungen.

Dein Auftrag: Untersuche eine elektrische Energiekette und beobachte, wie Energie in andere Formen übergeht.

Modellkritik: Die Simulation ist ein allgemeines Energiemodell. Sie bildet keine realen Elektrolyseur-, Wasserstoffspeicher- oder Brennstoffzellenkennfelder ab.

Feedback: Eine Simulation ist sinnvoll, wenn ihre Annahmen zum Untersuchungsziel passen. Sichtbare Energieflussdarstellungen sind kein Ersatz für geprüfte Leistungsdaten industrieller Systeme.

Lizenzhinweis: PhET nennt für reguläre HTML-Simulationen CC BY-NC 4.0. Die Simulation wird hier extern verlinkt; die jeweiligen Nutzungsbedingungen sind zu beachten.

Interaktives Modell B: Stromerzeugung untersuchen

Fraunhofer ISE – Energy-Charts

Interaktive Stromerzeugungsdaten öffnen

Wähle zwei unterschiedliche Wochen. Vergleiche Solar- und Windstromerzeugung sowie die verbleibende Stromnachfrage.

Anwendungsauftrag: Beschreibe, weshalb Speicher und flexible Verbraucher für ein erneuerbares Energiesystem relevant werden.

Feedback: Schwankende Einspeisung und zeitlich unterschiedliche Nachfrage schaffen Flexibilitätsbedarf. Daraus folgt nicht automatisch, dass Wasserstoff stets die beste Speichertechnik ist.

Quellenkritik: Energy-Charts zeigt Energiesystemdaten. Die Diagramme liefern ohne zusätzliche Analysen keine vollständigen Wasserstoffwirkungsgrade oder Investitionsentscheidungen.

Eigenes interaktives Rechenmodell

Erstelle in einer Tabellenkalkulation drei veränderbare Modellparameter.

Variable	Startwert	Bedeutung
Elektrolysewirkungsgrad	70 %	Elektrischer Strom zu chemischer Energie
Bereitstellungsfaktor	90 %	Speicherung, Verdichtung und zugeordnete Hilfsenergie
Brennstoffzellenwirkungsgrad	50 %	Chemische Energie zu elektrischem Nutzstrom

Verwende die Formel:

Nutzstrom = 100 × Elektrolysefaktor × Bereitstellungsfaktor × Brennstoffzellenfaktor

Verändere den Elektrolysefaktor zwischen 60 und 80 Prozent.

Erwartetes Modellresultat: Unter unveränderten weiteren Annahmen erhältst Du 27 bis 36 kWh Nutzstrom.

Feedback: Ein verbesserter Elektrolyseur erhöht die zurückgewonnene Energie. Die zusätzlichen Umwandlungsverluste bleiben jedoch relevant.

Reale Forschungs- und Demonstrationsprojekte

Demonstration 1 – DLR: Brennstoffzellenfahrzeuge als mobile Strom- und Wärmequellen

DLR-Demonstrationsprojekt untersuchen

Das DLR beschreibt die Erprobung von Energieflüssen zwischen Brennstoffzellenfahrzeugen und Gebäuden beziehungsweise Netzen.

Beobachtungsfrage: Welche zusätzlichen Nutzungen entstehen durch die Verbindung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor?

Demonstration 2 – DGUV: Wasserstoffanlage mit Elektrolyse, Speicher und Brennstoffzelle

DGUV-Praxisbericht lesen

Der dokumentierte Anlagenbetrieb zeigt, weshalb Gefährdungsbeurteilung, Explosionsschutz und Unterweisungen zur Technologie dazugehören.

Feedback zu beiden Demonstrationen: Eine fachlich dokumentierte Versuchsanlage kann eine technische Möglichkeit belegen. Für Übertragungen auf den Betriebshof müssen die tatsächlichen Systemgrenzen, Betriebsbedingungen und Sicherheitsanforderungen geprüft werden.

Keine Nachahmung: Die Dokumentationen sind Beobachtungs- und Analysemedien, keine Bau-, Wartungs- oder Versuchsanleitungen.

Lerneinheit 6: Quellenvergleich, Umwelt und Sicherheit

Lernzeit: 15 Minuten

Welche Aussagen sind belastbar?

Prüfe bei jeder Quelle den Herausgeber, die Veröffentlichung, die Systemgrenzen, die Datengrundlage und mögliche Interessen.

Quelle	Besonders geeignet für	Grenze der Aussage
IEA: Global Hydrogen Review 2025	Globale Wasserstoffproduktion, Marktentwicklung, Projekte	Globale Bestandsdaten ersetzen keine örtliche Betriebsplanung
DLR	Technologie, Forschung, Demonstration	Einzelne Demonstrationen belegen nicht jede Wirtschaftlichkeitsaussage
Agora Industry und Partner, 2025	Strategischer Vergleich geeigneter Wasserstoffanwendungen	Empfehlungen beruhen auf definierten Annahmen
Fraunhofer ISE	Zeitabhängige Stromsystemdaten	Kein vollständiges Anlagenplanungsmodell
DGUV	Berufliche Gefährdungen und Schutzmaßnahmen	Anwendungsbereich und Aktualität müssen geprüft werden

Kritischer Quellenvergleich:

Eine internationale Energieagentur dokumentiert überwiegend Bestands- und Projektdaten. Eine Forschungseinrichtung zeigt technische Möglichkeiten. Eine energiewirtschaftliche Studie bewertet alternative Entwicklungen.

Unterschiedliche Ergebnisse können deshalb aus unterschiedlichen Fragestellungen und Annahmen entstehen, ohne dass eine Quelle notwendigerweise falsch sein muss.

Laut IEA Global Hydrogen Review 2025 stammte der weitaus größte Teil der weltweiten Wasserstoffproduktion weiterhin aus fossilen Energieträgern. Wasserstoffnutzung ist daher nicht automatisch klimaneutral.

Verbrennung und Abgas richtig einordnen

SICHERHEITSBEREICH – VERBRENNUNG / ABGAS / LUFTSCHADSTOFFE

Eine PEM-Brennstoffzelle mit Wasserstoff erzeugt im elektrochemischen Betrieb vor allem Wasser und Wärme als Reaktionsprodukte.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft können dagegen durch hohe Temperaturen Stickoxide entstehen.

Für Verbrennungsanlagen müssen unter anderem Abgasführung, Verbrennungsluftversorgung, zulässige Emissionen und die Eignung der Anlagentechnik fachlich beurteilt werden.

Bei anderen Brennstoffen und Anlagenkonzepten können weitere gefährliche Abgasbestandteile auftreten.

Keine eigenständigen Eingriffe in Feuerungsanlagen, Gasanschlüsse, Abgassysteme, Brenner, Sicherheitsventile oder Messeinrichtungen.

Fachquelle: Umweltbundesamt – Entstehung von Stickstoffoxiden.

Sicherheitsfreigabe im Ausbildungsbetrieb

SICHERHEITSBEREICH – FACHFREIGABE ERFORDERLICH

Vor jeder realen Demonstration an Wasserstoff-, Gas-, Verbrennungs- oder Abgasanlagen sind die aktuellen betrieblichen Freigaben und geltenden Anforderungen durch verantwortliche Fachpersonen zu prüfen.

Dazu zählen, soweit anwendbar:

Gefährdungsbeurteilung: Dokumentierte Ermittlung und Bewertung von Gefährdungen.
Explosionsschutz: Geeignete technische und organisatorische Schutzmaßnahmen.
Betriebssicherheitsverordnung: Anforderungen an Arbeitsmittel und prüfpflichtige Anlagen.
Gefahrstoffverordnung: Insbesondere Brand- und Explosionsgefährdungen.
Arbeitsschutz: Fachqualifikation, Unterweisung, Herstellerangaben und gegebenenfalls DVGW-Regelwerk.
Abgasanlage: Fachgerechte Auslegung, Überprüfung und Einhaltung der einschlägigen Anforderungen.

Die DGUV FBHL-025, Ausgabe September 2026 behandelt beispielsweise Qualifizierungsanforderungen an Wasserstoffbetankungs- und Wasserstofffüllanlagen.

Stand der redaktionellen Quellenprüfung: Oktober 2026. Die Angaben ersetzen weder eine anlagenspezifische Fachfreigabe noch die Prüfung der zum Einsatzzeitpunkt aktuellen Gesetze, technischen Regeln und Herstellerunterlagen.

Medienrechte und fachliche Einordnung

Die folgenden Wikimedia-Commons-Medien wurden mit konkreten Dateiseiten und Lizenzangaben ausgewählt:

Medium	Urheber	Lizenz laut Commons
Sektorkopplung	Mwelwa Musonko	CC BY 4.0
PEM-Elektrolyse	Davidlfritz	CC BY-SA 3.0
PEM-Brennstoffzelle	Albris	Gemeinfrei
Elektrolyseur-Foto	The wub	CC BY-SA 4.0
Wärmepumpe	MikeRun	CC BY-SA 4.0
Brennstoffzellenbus	Syced	CC0 1.0

Die Lizenztexte, Namensnennungen und gegebenenfalls Bedingungen für Bearbeitungen sind zu beachten. Die Commons-Dateiseiten enthalten die entsprechenden Lizenznachweise.

Die YouTube-Videos werden lediglich über ihre nachgewiesenen Original-Links eingebettet. Eine freie OER-Lizenz wird dafür nicht behauptet. Für Weiterverbreitung, Bearbeitung oder Reupload ist eine gesonderte Rechteprüfung erforderlich.

Auch externe Simulationen und interaktive Datengrafiken sind nicht pauschal frei zur Weiterverwendung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was bedeutet Sektorkopplung? (Verknüpfung von Strom Wärme Verkehr und Industrie) (!Ausschließliche Nutzung fossiler Brennstoffe) (!Trennung aller Energieversorgungsbereiche) (!Vollständiger Verzicht auf Energiespeicher)

Welche Funktion besitzt ein Elektrolyseur? (Er erzeugt unter Energiezufuhr Wasserstoff aus Wasser) (!Er speichert elektrische Energie ohne Umwandlung) (!Er erzeugt Wasserstoff ohne Energiezufuhr) (!Er nutzt nur die Wärme der Umgebung)

Was erzeugt eine Wasserstoff-Brennstoffzelle im Betrieb? (Elektrische Energie und Wärme) (!Ausschließlich mechanische Energie) (!Wasserstoff aus elektrischer Energie) (!Elektrische Energie ohne Energieträger)

Warum muss man beim Wirkungsgradvergleich Systemgrenzen festlegen? (Damit gleiche Eingangsgrößen und Nutzleistungen verglichen werden) (!Damit alle Technologien denselben Wirkungsgrad besitzen) (!Damit Hilfsenergie grundsätzlich ignoriert werden darf) (!Damit man keine Energieeinheiten benötigt)

Wie viel elektrische Energie liefert die Modellbatterie aus 100 kWh bei 85 Prozent Wirkungsgrad? (85 kWh) (!15 kWh) (!115 kWh) (!50 kWh)

Welcher elektrische Gesamtwirkungsgrad ergibt sich aus 70 Prozent Elektrolyse 90 Prozent Speicherung und 50 Prozent Brennstoffzelle? (31,5 Prozent) (!70 Prozent) (!90 Prozent) (!50 Prozent)

Was bedeutet ein COP von 3 bei einer Wärmepumpe? (Drei Einheiten Nutzwärme pro Einheit eingesetztem Strom) (!Drei Einheiten Strom aus einer Einheit Wärme) (!Drei Prozent nutzbare Wärme) (!Dreifacher elektrischer Stromverbrauch gegenüber Direktheizung)

Wo kann Wasserstoff besonders sinnvoll sein? (Bei bestimmten stofflichen Industrieanwendungen) (!Immer beim kurzfristigen Speichern kleiner Strommengen) (!Grundsätzlich bei jeder Gebäudeheizung) (!Bei jedem Elektroantrieb unabhängig vom Einsatzprofil)

Welche Aussage über Wasserstoffverbrennung mit Luft ist richtig? (Es können Stickoxide entstehen) (!Es können grundsätzlich keine Luftschadstoffe entstehen) (!Es wird ohne Sauerstoff aus der Luft verbrannt) (!Es sind niemals Abgasanlagen erforderlich)

Was dürfen Auszubildende ohne anlagenspezifische Fachfreigabe im Rahmen dieses Kurses durchführen? (Eine freigegebene digitale Simulation auswerten) (!Eine Wasserstoffleitung öffnen) (!Eine Knallgasprobe durchführen) (!Ein Sicherheitsventil verändern)

Memory

Ordne die sechs Fachbegriffe ihren Funktionen zu.

Elektrolyseur	Stromgetriebene Wasserstofferzeugung
Brennstoffzelle	Elektrochemische Rückverstromung
Batteriespeicher	Elektrochemische Energiespeicherung
Wärmepumpe	Umweltwärmenutzung
Systemgrenze	Festgelegter Bilanzbereich
Verdichtung	Druckerhöhung eines Gases

Drag and Drop

Ordne jeder Technologie die passende Hauptanwendung zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Anwendung
Batterie	Kurzzeitspeicherung
Elektrolyseur	Wasserstoffproduktion
Brennstoffzelle	Stromrückgewinnung
Wärmepumpe	Gebäudewärme
Wasserstoffspeicher	Chemische Langzeitspeicherung

Kreuzworträtsel

ELEKTROLYSE	Wie heißt die stromgetriebene Zerlegung von Wasser?
MEMBRAN	Welches zentrale Bauteil trennt in einer PEM-Zelle die Reaktionsräume und lässt Protonen passieren?
VERDICHTUNG	Wie heißt die Druckerhöhung eines Gases?
WIRKUNGSGRAD	Wie nennt man das Verhältnis von Nutzenergie zur Eingangsenergie?
SEKTORKOPPLUNG	Wie heißt die Verbindung unterschiedlicher Energieverbrauchsbereiche?
ABWAERME	Wie heißt die bei technischen Prozessen entstehende thermische Energie außerhalb der gewünschten Hauptnutzung?

LearningApps

Weitere interaktive Aufgaben suchen:

Dies ist eine externe Suchansicht. Einzelne dort angebotene Übungen sind nicht Bestandteil der fachlichen Freigabe dieses Kurses. Insbesondere keine Anleitungen zu Gasversuchen praktisch umsetzen.

Lückentext

Die Verbindung von Strom, Wärme und Mobilität nennt man

.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie unter anderem zu

umgewandelt.

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in

und Wärme um.

Das Verhältnis von Nutzenergie zu Eingangsenergie bezeichnet man als

.

Bei mehreren aufeinanderfolgenden Umwandlungen werden die Teilwirkungsgrade

.

Für einen fairen Vergleich muss die betrachtete

festgelegt werden.

Im Ausbildungsfall liefert die Modellbatterie aus 100 kWh insgesamt

kWh Strom.

Der modellierte Wasserstoffpfad liefert aus 100 kWh nur

kWh Strom.

Eine Wärmepumpe kann zusätzlich zur elektrischen Energie die

nutzen.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft können

entstehen.

Vor Arbeiten an Wasserstoffanlagen ist eine fachliche

erforderlich.

Offene Aufgaben

Bearbeite zuerst die Aufgaben ohne Hilfe. Nutze anschließend die Hinweise und die Kriterien für begründetes Feedback.

Leicht – Basisaufgaben

Energiesektoren markieren: Erstelle aus dem ersten Schaubild eine eigene beschriftete Skizze mit Strom, Wärme, Verkehr und Industrie. Kennzeichne mindestens zwei Verbindungen.
Energiefluss zeichnen: Zeichne eine Pfeilkette von erneuerbarem Strom über die Elektrolyse und Wasserstoffspeicherung bis zur Brennstoffzelle. Benenne jede Energieform.
Videoanalyse: Verfasse anhand der Animation eine Erklärung in fünf Sätzen und unterscheide Wasserstofffluss, Protonenfluss und Elektronenfluss.
Sicherheitskarte: Gestalte eine digitale Warnkarte mit den Bereichen Gas, Wasserstoff, Druck, Verbrennung und Abgas sowie der Regel, keine eigenständigen Eingriffe vorzunehmen.

Standard – Anwendungsaufgaben

Energiebilanz: Berechne für den Betriebshof die elektrische Nutzenergie beider Speicherwege aus 100 kWh Eingangsenergie und begründe die Differenz.
Sensitivitätsmodell: Entwickle eine Tabelle, in der Du die drei Wasserstoff-Teilwirkungsgrade veränderst. Dokumentiere zwei Varianten und die Veränderung des Gesamtergebnisses.
Wärmevergleich: Vergleiche eine elektrische Widerstandsheizung mit einer Wärmepumpe bei einer angenommenen Leistungszahl von 3. Stelle den Zusammenhang zwischen Strom, Umweltwärme und Nutzwärme grafisch dar.
Fachquellen vergleichen: Vergleiche Aussagen aus IEA, DLR und DGUV. Erstelle eine Übersicht zu Fragestellung, Belegen und Grenzen der jeweiligen Quelle.

Schwer – Transferaufgaben

Speicherkonzept: Entwickle eine Entscheidungsmatrix für kurzfristige Stromspeicherung und längerfristige Energiebereitstellung. Berücksichtige technische, wirtschaftliche und sicherheitsbezogene Kriterien.
Bilanzgrenzen hinterfragen: Vergleiche zwei Systemgrenzen für dieselbe Endanwendung. Untersuche, wie Transport, Hilfsenergie und Infrastruktur die Aussage verändern.
Betriebliche Entscheidung präsentieren: Simuliere eine Beratung zwischen Ausbildungsabteilung, Betriebsleitung und Sicherheitsfachkraft. Entwickle eine begründete Technologieempfehlung und benenne offene Prüfaufträge.
Erklärmedium gestalten: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo oder digitales Plakat über den Unterschied zwischen direkter Elektrifizierung und Wasserstoffpfaden. Nutze ausschließlich selbst gestaltete Elemente oder nachweislich zulässig verwendbare Medien.

Begründetes Feedback zu den offenen Aufgaben

Basis – erwartete Leistung: Die Darstellung muss zwischen Energiequelle, Energieträger und Energiewandler unterscheiden. Eine Brennstoffzelle ist beispielsweise kein eigenständiger Energiespeicher.

Anwendung – erwartete Leistung: Die Rechnung muss Eingangsenergie, Teilwirkungsgrade, Nutzenergie und Systemgrenze offenlegen. Nur so sind Ergebnisse überprüfbar.

Transfer – erwartete Leistung: Eine gute Entscheidung berücksichtigt neben der energetischen Effizienz auch Zeitbedarf, Nutzungsanforderung, Investitionen, Infrastruktur, Emissionen und Sicherheit.

Prüfkriterium	Begründetes Feedback
Fachlich richtige Energieflüsse	Richtig, wenn keine zusätzliche nutzbare Energie ohne Quelle behauptet wird.
Vergleichbare Systemgrenzen	Richtig, wenn dieselbe Energiedienstleistung am Ende beider Pfade erreicht werden soll.
Nachvollziehbare Berechnung	Richtig, wenn die Wirkungsgrade als Faktoren multipliziert und die Einheiten beachtet werden.
Kritische Quellenbewertung	Überzeugend, wenn Zweck, Datum, Geltungsbereich und fehlende Informationen offengelegt werden.
Begründete Technologieentscheidung	Überzeugend, wenn unterschiedliche Einsatzbedingungen zu unterschiedlichen Empfehlungen führen dürfen.
Sicherheit	Nur ausreichend, wenn Fachzuständigkeiten, Freigaben und der Ausschluss unqualifizierter Eingriffe klar dokumentiert sind.

Lernkontrolle

Bearbeite mindestens fünf Aufgaben schriftlich. Bewertet werden die Begründungen, nicht nur richtige Stichwörter.

Systemvergleich: Eine Brennstoffzelle besitzt im Modell einen Wirkungsgrad von 50 Prozent. Erkläre, warum daraus nicht folgt, dass der gesamte Wasserstoffpfad 50 Prozent Wirkungsgrad besitzt.
Zeitdimension: Die Betriebsleitung möchte statt einer Nacht eine längere Zeit ohne Stromerzeugung überbrücken. Erkläre, welche zusätzlichen Faktoren die Speicherentscheidung verändern könnten.
Energieerhaltung: Begründe anhand einer Wärmepumpe mit COP 3, warum eine höhere Nutzwärmemenge als eingesetzte elektrische Energie kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz ist.
Industrieller Einsatz: Ein Betrieb benötigt Wasserstoff als Reaktionsstoff. Erkläre, warum ein bloßer Strom-zu-Strom-Wirkungsgradvergleich hier zu einer falschen Entscheidung führen könnte.
Quellenkonflikt: Ein Hersteller bezeichnet Wasserstoff als emissionsfrei. Vergleiche diese Aussage mit den Perspektiven von IEA und Umweltbundesamt und formuliere eine fachlich präzisere Aussage.
Sicherheitsentscheidung: Ein Auszubildender schlägt vor, im Betrieb eine Wasserstoffleitung zu öffnen, um die Technik zu demonstrieren. Begründe die Ablehnung und entwickle eine sichere digitale Lernalternative.

Bewertungsvorschlag: Fachlichkeit 30 %, nachvollziehbare Energie- und Systembilanz 25 %, Transfer und Quellenkritik 25 %, Sicherheitsbewusstsein 20 %.

Lernnachweis

Für einen vollständigen Lernnachweis erstellst Du ein digitales Ausbildungsportfolio.

Es enthält:

Systemskizze: Direkte Elektrifizierung und Wasserstoffpfad mit eindeutigen Energieflüssen.
Energiebilanz: Rechenweg für den Beispielbetriebshof mit 100 kWh Eingangsenergie.
Systemgrenzen: Begründung, welche Prozesse enthalten und welche ausgeschlossen sind.
Technologiebewertung: Vergleich von Batterie, Wasserstoff und einer zusätzlichen Anwendung wie Wärmepumpe oder industrieller Rohstoffnutzung.
Quellenprüfung: Mindestens drei fachliche Quellen mit Herausgeber, Datum, Fragestellung und Einschränkungen.
Sicherheitsbewertung: Kennzeichnung der besonderen Bereiche Gas, Wasserstoff, Druck, Verbrennung und Abgas sowie der notwendigen Fachfreigaben.
Mediennachweis: Herkunft und Nutzungslizenzen der verwendeten Abbildungen und Videos.
Reflexion: Eigene begründete Empfehlung für den Betriebshof einschließlich einer noch offenen fachlichen Frage.

Nachweiskriterium: Ein erfolgreicher Lernnachweis zeigt, dass Du nicht pauschal eine Technologie bevorzugst, sondern abhängig von Nutzungsziel, Systemgrenze und überprüfbaren Annahmen entscheiden kannst.

OERs zum Thema

Wikipedia: Sektorenkopplung

Weitere Hintergrundartikel:

Wasserstoff: Eigenschaften und Nutzung.
Wasserelektrolyse: Grundlagen der Wasserstoffherstellung.
Brennstoffzelle: Elektrochemische Stromgewinnung.
Power-to-Gas: Umwandlung elektrischer Energie in gasförmige Energieträger.
Energiespeicher: Technische Speicherprinzipien.
Wirkungsgrad: Berechnung und technische Interpretation.
Sektorenkopplung: Integration von Strom, Wärme, Mobilität und Industrie.

Ergänzende fachliche und multimediale Angebote:

IEA – Global Hydrogen Review 2025: Bericht mit internationaler Einordnung.
DLR – Wasserstoff: Forschung und Anwendungsgebiete.
Agora Industry – Wasserstoffanwendungen priorisieren: Kritischer Systemvergleich.
Fraunhofer Energy-Charts: Interaktive Stromsystemdaten.
PhET – Energieformen und Energieumwandlungen: Interaktive Lernsimulation.
Zentrum für Chemie – Elektrolysevideos: Fachlich begleitete Erklärvideos, ausschließlich zur Betrachtung.
BAM – Wasserstoff? Aber sicher!: Sicherheitsbezogenes Informationsvideo.
Umweltbundesamt – Stickoxide: Hintergrund zu Luftschadstoffen.
Gefahrstoffverordnung § 12: Staatliche Rechtsquelle zu Brand- und Explosionsgefährdungen.

Hinweis zu OER: Die Sammlung enthält frei lizenzierte Commons-Bilder und weitere öffentlich zugängliche Quellen. Nicht jedes öffentlich zugängliche Video, jede Simulation und jeder Fachbericht ist automatisch ein Open Educational Resource mit freier Bearbeitungslizenz.