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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Infrastruktur und Verfügbarkeit kritisch betrachten

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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Infrastruktur und Verfügbarkeit kritisch betrachten

Einleitung

Ausbildung | Elektrotechnik, Mechatronik, Metall, SHK und Logistik | ca. 90 Minuten

Leitfrage: Ist Wasserstoff im Betrieb tatsächlich verfügbar, technisch geeignet und sicher nutzbar – oder steht bisher nur ein Zukunftsversprechen im Raum?

Du prüfst Elektrolyse, Brennstoffzelle, Sektorenkopplung, Wasserstoffspeicherung und reale Infrastruktur. Am Ende begründest Du eine betriebliche Entscheidung anhand von Daten, Sicherheit und Quellen.

Arbeitsregel: Erst Energiebedarf und Alternativen klären, dann Lieferweg, Kosten, Umweltwirkung und Freigaben prüfen. Stand der fachlichen und regulatorischen Quellen: Oktober 2026; vor einer praktischen Anwendung erneut kontrollieren.

Sektoren verbinden: Strom, Wärme und Mobilität. Grafik: Bartz/Stockmar, CC BY 4.0.

Lernroute: Sechs kurze Einheiten

Wasserstoff ist ein Energieträger (8 Minuten)

Wasserstoff kommt nicht als frei nutzbare Energiequelle aus der Steckdose: Er muss erzeugt werden. Die Klimawirkung hängt besonders von Stromherkunft, Herstellungsweg und Lieferkette ab. Grün ist kein Beleg ohne prüfbare Kriterien.

Schaue und entscheide: Bei welchem Weg entfallen Umwandlungsschritte – Strom direkt in einen Elektromotor oder Strom über Wasserstoff in eine Brennstoffzelle?

„Wasserstoffleiter“ als Diskussionsmodell von 2021, keine amtliche aktuelle Einsatzrangliste. Philipp Büttgenbach nach Michael Liebreich, CC BY 3.0.

Merksatz: Wasserstoff ist besonders dann zu prüfen, wenn ein Prozess Moleküle benötigt oder die direkte Elektrifizierung an Grenzen stößt. Er ist nicht automatisch für jede Heizung und jedes Fahrzeug sinnvoll.

Elektrolyse und Brennstoffzelle unterscheiden (10 Minuten)

Elektrolyseur: elektrische Energie + Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff. Brennstoffzelle: Wasserstoff + Sauerstoff → elektrische Energie + Wärme + Wasser. Eine Brennstoffzelle ist keine Verbrennung.

Animation einer PEM-Elektrolyse: Davidlfritz, CC BY-SA 3.0. Nur beobachten – keine Nachbauanleitung.

Schema einer PEM-Brennstoffzelle: Jafet, gemeinfrei.

Fachlich geprüfte Demonstration: DLR-Animation zum Funktionsprinzip, 44 Sekunden. DLR, CC BY-NC-ND 3.0; nur im Original aufrufen, nicht bearbeiten.

Digitaler Laborbesuch: Fraunhofer ISE: 360°-Rundgänge durch Elektrolyse-, Brennstoffzellenlabor und Tankstelle. Du beobachtest Komponenten auf dem Bildschirm, nicht an einer laufenden Anlage.

Sektorkopplung: Welcher Weg passt? (8 Minuten)

Sektorenkopplung verbindet Strom, Gebäude-/Prozesswärme, Verkehr und Industrie. Eine Wärmepumpe nutzt Strom direkt für Niedertemperaturwärme; ein Batteriespeicher speichert Strom ohne Wasserstoffproduktion. Power-to-Gas kann dagegen chemische Energie für andere Einsatzfelder bereitstellen.

Mini-Modell – nur Rechenannahme, kein Anlagenkennwert:

Weg ab 100 kWh Strom	Ergebnis	Nicht enthalten
Batterie, angenommener Speicherzyklus 85 %	85 kWh Strom	Weitere Antriebsverluste
Elektrolyse 67 % und Brennstoffzelle 50 %	ca. 34 kWh Strom	Verdichtung, Transport, Lagerverluste

Rechnung: 100 × 0,67 × 0,50 = 33,5 kWh. Die Zahlen sind didaktische Annahmen; Systemgrenzen, Heizwertbezug und Betriebszustand müssen bei realen Geräten geklärt werden. Wärme aus der Brennstoffzelle kann nur bei tatsächlich nutzbarer Temperatur und passender Nachfrage angerechnet werden.

Interaktives Datenmodell: Fraunhofer ISE Energy-Charts. Wähle eine Woche, blende Solar- und Windstrom ein und diskutiere: Wann müsste ein Elektrolyseur flexibel fahren, und welche Auslastungs- und Strompreisfolgen hätte das? Diese Grafik liefert keine direkte Zusage zu verfügbarem grünem Wasserstoff.

Infrastruktur ist mehr als eine Karte (10 Minuten)

Die Bundesnetzagentur genehmigte 2024 ein Wasserstoff-Kernnetz von 9.040 km, das schrittweise bis 2032 vorgesehen war. Der zweite Entwurf von Juni 2026 betrachtet 9.241 km bis 2037. Entwurf ist nicht Genehmigung; geplante Leitung ist kein betriebsbereiter Anschluss.

Vier Prüffragen: Ist die Leitung in Betrieb? Gibt es einen vertraglich und technisch geklärten Anschluss? Sind Wasserstoffmenge, Qualität und Preis verbindlich? Wie funktionieren Lieferung und Ersatzversorgung bei Ausfall?

Prüfe Originalkarten und Status: BNetzA: Genehmigtes Kernnetz und BNetzA: Netzentwicklungsplan 2026. Das Kernnetz umfasst keine automatische Anschlussleitung zu jedem Gewerbebetrieb.

Forschungs-Tankstelle, Foto von 2017 – kein Beleg für ein heutiges öffentliches Netz. Dr. Artur Braun, CC BY-SA 4.0.

Quellenkritisches Video (2024):

DVGW-Vortrag zu Regulierung und möglichen Mengen. Prüfe Prognosen gegen den neueren Planungsstand.

Sicherheit: besonders geschützte Fachbereiche (10 Minuten)

SICHERHEITSBEREICH GAS / WASSERSTOFF / HOCHDRUCK: Wasserstoff ist entzündlich; Leckagen, Druck und mögliche Sauerstoffverdrängung erfordern eine fachkundige Gefährdungsbeurteilung. Wasserstoff ist geruchlos. Leitungen, Dichtungen, Sensorik, Lüftung, Freigaben und Qualifikationen sind standort- und anlagenbezogen zu prüfen.

GHS: entzündbar; gemeinfreies Symbol.

GHS: Gas unter Druck; gemeinfreies Symbol.

SICHERHEITSBEREICH VERBRENNUNG / ABGAS: Bei einer Wasserstoff-Verbrennung können insbesondere Stickoxide entstehen; eine PEM-Brennstoffzelle verbrennt Wasserstoff nicht. „Kein CO₂ am Auslass“ bedeutet nicht automatisch „klimaneutral entlang der Lieferkette“. Bei jeder Feuerungs- oder Motoranlage müssen Emissionen und geltende Anforderungen fachlich beurteilt werden.

Keine Eigenversuche: Du öffnest weder Armaturen noch Gasleitungen oder Tanks, erzeugst kein Wasserstoffgas, erzeugst keine Flammen und veränderst keine Abgas-, Sensor-, Druck- oder Sicherheitstechnik. Auch scheinbar kleine Eingriffe nur durch berechtigte, qualifizierte Personen nach betrieblicher Freigabe. Übungen finden ausschließlich mit Dokumenten, Bildern, Videos und Simulationen statt.

Pflichtlektüre für die Fachfreigabe: DGUV FBETEM-007 und DGUV FBHL-025 vom September 2026. Zusätzlich die aktuell geltenden BetrSichV, TRGS 720 ff. sowie einschlägige DVGW-Regeln, Herstellerdokumentation und örtliche Vorgaben durch eine Fachperson prüfen lassen.

Ausbildungsfall: Lagerbetrieb vor Investition (12 Minuten)

Fiktiver Fall „Nordlager“ – alle Betriebswerte sind Übungsdaten, keine Marktangebote.

Brennstoffzellen-Gabelstapler als technischer Demonstrator von 2015: Comyu, CC BY-SA 4.0.

Betriebsdaten	Prüfauftrag
Sechs Stapler, zwei Schichten, zusammen 180 kWh elektrische Antriebsenergie pro Arbeitstag	Ladefenster, Spitzenleistung, Reservebedarf klären
Vorhandene Ladeinfrastruktur, aber Leistung und Ladezeiten noch nicht vollständig nachgewiesen	Netzanschluss und Lastmanagement prüfen
Heizbedarf mit niedriger Vorlauftemperatur	Wärmepumpe mit H₂-Option vergleichen
H₂-Tankmöglichkeit im Umkreis auf Karte; keine bestätigte Lieferung oder Verfügbarkeit	Vertrag, Transport und Ausfallkonzept anfordern
Geschäftsführung möchte sofort H₂-Stapler bestellen	Fehlende Informationen und Freigabevorbehalte nennen

Arbeitsauftrag: Erstelle eine Entscheidungsampel auf Papier: belegt – offen – ausgeschlossen. Bewerte Batterie-Stapler, H₂-Brennstoffzellen-Stapler und Wärmepumpe nach Energiebedarf, Infrastruktur, Arbeitsablauf, Lieferzuverlässigkeit, Kosten, Umweltwirkung und Sicherheit.

Gestufte Hilfen:

Hilfe 1: Trenne betriebliche Messwerte, Übungsannahmen und Werbeaussagen.
Hilfe 2: Ein Kartenpunkt ersetzt keinen verfügbaren Kraftstoff und keinen Betriebsvertrag.
Hilfe 3: Formuliere eine bedingte Entscheidung: „Wir empfehlen ..., sofern ... nachgewiesen ist; bis dahin ...“.

Beispiel für begründetes Feedback: „Sofort H₂ bestellen“ ist nicht tragfähig, weil Belieferung, Qualifizierung und Betriebssicherheit ungeklärt sind. „Vorhandene Lader sofort erweitern“ ist ebenfalls noch nicht belegt, solange Ladezeiten und Netzleistung fehlen. Fachlich stark ist eine vorläufige, datenbasierte Präferenz mit Mess- und Prüfauftrag.

Historisches Demonstrationsvideo (2020), nicht als heutige Verfügbarkeitsgarantie lesen:

DVGW: Wuppertaler H₂-Busse. Vergleiche betrieblichen Demonstrationserfolg mit Nachweisen zur heutigen Stromherkunft und Versorgung.

Drei Aufgabenstufen mit Feedback

Basis

Aufgabe: Erkläre in zwei Sätzen, warum eine Brennstoffzelle keine Wasserstoffquelle ist.

Feedback: Richtig ist: Sie verbraucht Wasserstoff und erzeugt dabei Strom. Die Herstellung und Lieferung müssen separat bilanziert werden. Die Aussage „Die Brennstoffzelle produziert H₂“ verwechselt zwei Technologien.

Anwendung

Aufgabe: Berechne für 100 kWh Stromeinsatz bei 67 % Elektrolyse- und 50 % Brennstoffzellenwirkungsgrad den Stromertrag. Benenne eine fehlende Verlustart.

Feedback: 33,5 kWh vor weiteren Verlusten. Wer 67 + 50 addiert, hat Prozentwerte falsch verknüpft; die Wirkungsgrade werden multipliziert. Verdichtung oder Transport senkt das Ergebnis weiter.

Transfer

Aufgabe: Eine Präsentation behauptet „2026 gibt es überall Wasserstoff“. Formuliere einen fachlich prüfbaren Gegenentwurf aus Sicht von „Nordlager“.

Feedback: Gut ist die Nachfrage nach Inbetriebnahmedatum, lokalem Anschluss, vertraglicher Menge und Ersatzversorgung. Eine Kernnetzkarte allein belegt weder lokalen Zugang noch Preis oder CO₂-Intensität.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt eine PEM-Brennstoffzelle richtig? (Sie wandelt Wasserstoff in elektrische Energie um) (!Sie gewinnt Wasserstoff durch Spaltung von Wasser) (!Sie speichert Strom ohne Energieverluste) (!Sie garantiert erneuerbaren Wasserstoff)

Welche Aussage zur Elektrolyse stimmt? (Sie benötigt Energie zur Zerlegung von Wasser) (!Sie erzeugt Strom aus Wasserstoff) (!Sie benötigt grundsätzlich Erdgas als Ausgangsstoff) (!Sie liefert automatisch emissionsfreien Wasserstoff)

Was bedeutet Sektorkopplung? (Die vernetzte Nutzung von Energie in Strom Wärme Verkehr und Industrie) (!Die vollständige Trennung aller Energienetze) (!Der ausschließliche Einsatz von Wasserstoff in Wohnhäusern) (!Die Abschaltung sämtlicher Batteriespeicher)

Was beweist die Genehmigung eines Kernnetzes? (Eine genehmigte Ausbauplanung und nicht den lokalen Liefervertrag) (!Eine nutzbare Leitung an jedem Betriebsstandort) (!Einen garantierten Wasserstoffpreis) (!Eine abgeschlossene Sicherheitsabnahme aller Tankstellen)

Welche Größe entscheidet über die Herkunftsemissionen von Wasserstoff mit? (Der Strommix und die Regeln für den Strombezug) (!Die Farbe des Gasbehälters) (!Die Anzahl der Fahrzeugreifen) (!Die Form der Firmenwerbung)

Wie verknüpfst Du aufeinanderfolgende Wirkungsgrade? (Durch Multiplikation) (!Durch Addition) (!Durch bloßes Aneinanderreihen) (!Durch Wahl des höheren Einzelwertes)

Welche Gefahr ist bei Wasserstoffanlagen fachlich zu prüfen? (Brand und Explosion durch austretendes Gas) (!Nur Verschmutzung durch Ruß) (!Ausschließlich Lärmbelastung) (!Allein mechanischer Reifenverschleiß)

Welche Aussage zu Wasserstoffverbrennung ist korrekt? (Es können Stickoxide entstehen) (!Es entsteht immer nur reines Wasser ohne weitere Emissionen) (!Die Flamme kann niemals gefährlich werden) (!Die Verbrennung entspricht einer PEM-Brennstoffzelle)

Was ist für einen betrieblichen Wasserstoffanschluss erforderlich? (Eine standortbezogene technische und vertragliche Prüfung) (!Nur ein eingezeichneter Kartenpunkt) (!Nur ein Werbevideo zur Tankstelle) (!Nur ein später geplanter Trassenverlauf)

Was ist bei ungeklärter H₂-Belieferung eine belastbare Entscheidung? (Eine bedingte Empfehlung mit klaren Prüfschritten) (!Eine sofortige Bestellung ohne Risikobewertung) (!Der Verzicht auf alle Alternativtechnologien) (!Die Gleichsetzung von Planung und Betrieb)

Memory

Elektrolyseur	Elektrischer Strom wird zu Wasserstoff
PEM-Brennstoffzelle	Wasserstoff wird zu elektrischem Strom
Kernnetz	Überregionale Transportinfrastruktur
Abnahmevertrag	Vereinbarte Liefermenge und Bedingungen
Gefährdungsbeurteilung	Systematische Bewertung betrieblicher Risiken
Stickoxide	Mögliche Emissionen einer Wasserstoffflamme
Wärmepumpe	Niedertemperaturwärme durch Umgebungsenergie

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Elektrolyse	Strom zu Wasserstoff
Brennstoffzelle	Wasserstoff zu Strom
Batterie	Elektrochemischer Stromspeicher
Kernnetz	Geplanter überregionaler Gastransport
Liefervertrag	Zugesagte Menge und Lieferbedingungen
Fachfreigabe	Dokumentierte Eignung und Zuständigkeit

Kreuzworträtsel

Elektrolyse	Wie heißt die elektrische Spaltung von Wasser?
Membran	Welches Trennelement ist namensgebend für die PEM-Technik?
Kernnetz	Wie heißt das überregionale geplante Wasserstoffleitungsnetz?
Tankstelle	Wo tanken dafür ausgelegte Fahrzeuge Wasserstoff?
Stickoxide	Welche Schadstoffgruppe kann bei Wasserstoffverbrennung entstehen?
Batteriespeicher	Wie heißt ein elektrochemischer Speicher für Strom?

LearningApps

Die LearningApps-Suche verweist auf fremde, wechselnde Inhalte; Aufgaben vor dem Unterricht fachlich und datenschutzbezogen sichten.

Lückentext

Wasserstoff ist ein chemischer

und keine unmittelbar verfügbare Energiequelle.

Die elektrische Zerlegung von Wasser heißt

.

Eine PEM-Brennstoffzelle liefert aus Wasserstoff vor allem

.

Die Verbindung mehrerer Energieverbrauchsbereiche nennt man

.

Für Niedertemperaturwärme eignet sich häufig eine

.

Aufeinanderfolgende Wirkungsgrade werden

.

Ein genehmigtes Kernnetz ersetzt keinen lokalen

.

Bei der Wasserstoffverbrennung können

entstehen.

Vor Arbeiten an Gasanlagen ist eine

nötig.

Eine belastbare Empfehlung dokumentiert verbleibende

.

Offene Aufgaben

Nur Dokumentenarbeit, digitale Recherche, Zeichnungen und Gespräche – keine Arbeiten an Gas-, Druck-, Feuerungs- oder Abgasanlagen.

Leicht

Energieflussdiagramm: Zeichne die beiden Wege Strom–Batterie–Antrieb und Strom–Elektrolyse–H₂–Brennstoffzelle–Antrieb.
Brennstoffzelle: Erkläre das DLR-Video als 30-Sekunden-Sprachnotiz ohne Versuchsvorführung.
Sektorenkopplung: Markiere auf dem Commons-Schaubild drei Sektoren und eine direkte elektrische Verbindung.
Quellenkritik: Stelle einer Werbeaussage über Wasserstoff zwei überprüfbare Rückfragen gegenüber.

Standard

Energiebilanz: Rechne die Musterkette mit geänderten Wirkungsgraden und erkläre Deine Annahmen.
Netzentwicklungsplan: Vergleiche die Kernnetz-Genehmigung 2024 mit dem Entwurf 2026; kennzeichne Status und Jahre.
Intralogistik: Erstelle für „Nordlager“ eine Entscheidungsampel mit mindestens sechs Kriterien.
Arbeitsschutz: Formuliere eine schriftliche Checkliste, welche Unterlagen eine Fachkraft vor einer H₂-Anlage prüfen muss.

Schwer

Lebenszyklusanalyse: Entwirf ein Quellenvergleichsblatt für Stromherkunft, Verdichtung, Transport und Anlagenherstellung.
Versorgungssicherheit: Entwickle ein Ausfall- und Ersatzversorgungsszenario für „Nordlager“ auf dem Papier.
Wirtschaftlichkeitsrechnung: Beschreibe ein TCO-Modell für Lade- und H₂-Infrastruktur mit Investition, Wartung, Energiepreis und Stillstand.
Berufliche Handlungskompetenz: Produziere ein zweiminütiges Entscheidungsvideo mit einer begründeten, bedingten Empfehlung und Sicherheitsfreigabevorbehalt.

Lernkontrolle

Transferaufgabe: Ein Geschäftsführer verweist auf die Netzkarte. Begründe, warum Du trotzdem Liefer- und Anschlussnachweise anforderst.
Energieeffizienz: Vergleiche zwei Umwandlungsketten unter identischer Systemgrenze; erkläre mögliche Abweichungen.
Sicherheitstechnik: Unterscheide Folgen für die Gefährdungsbeurteilung bei Brennstoffzelle und Wasserstoffverbrennung.
Technikfolgenabschätzung: Erkläre, welche betrieblichen Randbedingungen trotz schlechterer Stromausbeute für H₂ sprechen könnten.
Quellenkompetenz: Setze eine Verbandsprognose, eine BNetzA-Planung und eine DGUV-Sicherheitsregel in Beziehung und leite drei offene Fragen ab.
Entscheidungsfindung: Verfasse für „Nordlager“ einen Beschlussvorschlag mit Datenlage, offenen Risiken, Alternativen und Fachfreigaben.

Lernnachweis

Einreichung als digitale Projektmappe, ohne Experimente oder Eingriffe:

Verständliches Energieflussbild mit korrekten Umwandlungsschritten.
Nachvollziehbare Rechnung mit Einheiten, Wirkungsgraden und Systemgrenzen.
Infrastrukturstatus mit Quelle, Abrufdatum und Unterscheidung von Planung und Betrieb.
Vergleichsmatrix für mindestens zwei technische Alternativen.
Sicherheitsübersicht für Gas, Wasserstoff, Verbrennung und Abgas sowie Liste erforderlicher Fachfreigaben.
Bedingte Entscheidung zu „Nordlager“, einschließlich Unsicherheiten und nächstem Prüfauftrag.

Bewertungsmaßstab: Fachrichtigkeit, belegte Quellen, klare Unsicherheiten, sicherheitsbewusstes Handeln und begründeter Transfer; eine unbegründet positive oder negative Wasserstoffmeinung allein ist kein Lernnachweis.

OERs zum Thema

Grundlagen (Wikipedia):

Fachquellen, Demonstrationen und kritischer Vergleich:

DLR: Brennstoffzellen und Elektrolyse – Technik und Demonstratoren.
Fraunhofer ISE: virtueller Laborrundgang – Bauteile beobachten, keine praktische Freigabe.
EU-JRC: Effizienz von Elektrolyseuren, 2024 – Achtung auf Bezugsgrößen.
Bundesnetzagentur: Gas-/Wasserstoff-Netzentwicklungsplan – Planung und Umsetzung auseinanderhalten.
IEA: Projektdatenbank, Stand Juni 2026 – Projektstatus statt Ankündigungen prüfen.
DGUV: Qualifizierung an H₂-Betankungsanlagen, September 2026 – sicherheitsbezogene Qualifikation.
DVGW: H₂-Marktindex 2025 – Verbands-/Marktperspektive, mit Behörden- und Projektdaten abgleichen.

Videovortrag zur Marktentwicklung (DVGW, 2025):

Prüfe beim Anschauen: Was ist Messung, was Prognose, was Interessenperspektive?

Medienrechte: Die oben verwendeten Commons-Bilder sind einzeln mit Urheber und Lizenz verlinkt; Änderungen an CC-BY-SA-Material erfordern die Lizenzbedingungen. Die GHS-Zeichen und die PEM-Zeichnung sind gemeinfrei. DLR-Animation: CC BY-NC-ND 3.0, daher hier nur verlinkt. YouTube-Videos werden eingebettet, nicht als frei nachnutzbare Dateien ausgegeben. Originale, Lizenzen, Einbettbarkeit und schulische Datenschutzregeln vor dem Einsatz erneut kontrollieren.

Quellenvergleich: BNetzA = behördlicher Netz-/Planungsstatus; DGUV/BAuA = Arbeitsschutz; DLR/Fraunhofer/JRC = technische Einordnung; DVGW = fachlicher Verband mit Interessenperspektive; IEA = internationale Projektübersicht. Keine Quelle ersetzt die standortbezogene Prüfung und aktuelle betriebliche Fachfreigabe.