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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Elektrolyse als Grundprinzip erklären

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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Elektrolyse als Grundprinzip erklären

Einleitung

Zielgruppe: Berufliche Ausbildung in Elektrotechnik, Energietechnik, Anlagenmechanik, Mechatronik und verwandten Berufen.

Kurzbeschreibung: Elektrische Energie und Stoffumwandlung.

Lernzeit: ca. 60–90 Minuten einschließlich Übungen.

Lernziel: Du erklärst, wie aus Wasser mithilfe elektrischer Energie Wasserstoff entsteht, wie eine Brennstoffzelle daraus wieder Strom erzeugt und warum diese Prozesse für die Sektorenkopplung wichtig sind.

Deine Kompetenzen:

Elektrolyse: Stoff- und Energieflüsse erklären.
Brennstoffzelle: Funktionsprinzip und Energieumwandlung darstellen.
Wirkungsgrad: Ein einfaches Energiemodell berechnen.
Sektorenkopplung: Technische Einsatzmöglichkeiten beurteilen.
Arbeitssicherheit: Gefahren erkennen und fachliche Freigaben einordnen.
Quellenkritik: Fachinformationen, Modellannahmen und Medienrechte prüfen.

Arbeitsweise: Kurze Lerneinheiten, geprüfte Fachquellen, Animationen, interaktive Modelle und ein durchgängiger Ausbildungsfall. Du arbeitest ausschließlich mit digitalen Modellen, Abbildungen, vorhandenen Messdaten und professionell produzierten Demonstrationsvideos.

Sicherheitshinweis: Dieser Kurs ist keine Betriebsanweisung oder Arbeitsfreigabe. Es werden keine eigenen Versuche mit Wasserstoff, brennbaren Gasen, Sauerstoffanreicherung, Zündquellen oder Druckbehältern durchgeführt.

Ausbildungsfall: Energie für einen kommunalen Betriebshof

Ein kommunaler Betriebshof untersucht, ob Solarstrom über einen Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt und später durch eine Brennstoffzelle wieder für elektrische Verbraucher nutzbar gemacht werden kann.

Du unterstützt das Planungsteam als Auszubildende oder Auszubildender.

Dein Auftrag: Erstelle eine digitale Entscheidungsvorlage. Erkläre den Energiefluss, berechne die elektrische Rückgewinnung und beurteile die Eignung unter Berücksichtigung von Sicherheit, Umweltwirkung und Alternativen.

Modellannahmen – keine realen Anlagendaten:

Größe	Vorgabe
Verfügbare elektrische Energie	100 kWh
Angenommener Elektrolysewirkungsgrad	70 %
Angenommener elektrischer Brennstoffzellenwirkungsgrad	50 %
Betrachteter Energieinhalt	Chemischer Energieinhalt des Wasserstoffs auf Heizwertbasis
Zusatzverluste	Speicherung, Verdichtung, Transport und Nebenaggregate werden im Grundmodell nicht gesondert berücksichtigt

Leitfrage: Wie viel elektrische Energie erhält der Betriebshof aus den ursprünglich 100 kWh zurück?

Lerneinheit 1: Elektrische Energie und chemische Energie

Lernzeit: 4 Minuten

Elektrische Energie lässt sich unmittelbar nutzen oder in andere Energieformen umwandeln. Bei der Wasserelektrolyse wird elektrische Energie benötigt, um Wasser chemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.

Der Wasserstoff trägt danach chemische Energie. Er ist in diesem Zusammenhang ein Energieträger, keine ursprüngliche Energiequelle.

Mediennachweis: BirgitLachner, Wikimedia Commons, CC0 1.0. Die Grafik zeigt die Energierichtung beider Reaktionen.

Merke:

Elektrolyse: elektrische Energie → chemische Energie.

Brennstoffzelle: chemische Energie → elektrische Energie und Wärme.

Videomodell: Die Max-Planck-Gesellschaft erklärt Redoxreaktionen in beiden Systemen.

Quelle: MaxPlanckSociety, „Brennstoffzelle und Elektrolyse“, 2015, ca. 4 Minuten. Wissenschaftliche Animation; nur ansehen, keine dargestellten Reaktionen nachstellen.

Basisaufgabe: Zeichne zwei Energiepfeile und beschrifte sie mit Elektrolyse und Brennstoffzelle.

Feedback: Richtig ist die entgegengesetzte Richtung der beiden Energieumwandlungen. Die Umkehrung der chemischen Reaktion bedeutet jedoch nicht, dass sämtliche eingesetzte Energie wieder als Strom verfügbar wird.

Lerneinheit 2: Elektrolyse als Grundprinzip

Lernzeit: 6 Minuten

Die Gesamtreaktion

Die Elektrolyse zerlegt Wasser durch zugeführte elektrische Energie in Wasserstoff und Sauerstoff:

2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Die Gleichung zeigt das Verhältnis der Moleküle: Aus zwei Wassermolekülen entstehen zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül.

Mediennachweis: Davidlfritz, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0. Animiertes Modell der PEM-Elektrolyse.

Beobachtungsauftrag: Verfolge die Wege des Wassers, der Elektronen, der Ionen und der beiden Gase. Die Animation ist ein vereinfachtes Funktionsmodell, keine Aufbauanleitung.

Elektroden und Ladungstransport

Ein Elektrolyseur besitzt zwei Elektroden und einen ionenleitenden Elektrolyten.

Bei einem PEM-Elektrolyseur gilt:

Teil	Vorgang
Anode	Wasser wird oxidiert; Sauerstoff entsteht.
Membran	Protonen können zur Kathode transportiert werden.
Äußerer elektrischer Kreis	Die Spannungsquelle treibt den Elektronentransport an.
Kathode	Protonen nehmen Elektronen auf; Wasserstoff entsteht.

Teilreaktionen der PEM-Elektrolyse:

Anode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻

Kathode: 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂

Fachquelle: US Department of Energy – Hydrogen Production: Electrolysis.

Unterschiedliche Elektrolyseverfahren

Die Alkalische Elektrolyse, PEM-Elektrolyse und Hochtemperaturelektrolyse unterscheiden sich unter anderem im Elektrolyten, im transportierten Ion und in den Betriebsbedingungen.

Mediennachweis: Kavin Teenakul, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. Das Bild zeigt die AEM-Elektrolyse, nicht die zuvor behandelte PEM-Elektrolyse.

Vergleichsfrage: Warum darfst Du die eingezeichnete Richtung des Ionentransports nicht unbesehen auf jeden Elektrolyseur übertragen?

Feedback: Unterschiedliche Elektrolyte und Membranen transportieren unterschiedliche Ionen. Die Gesamtreaktion bleibt bei der Wasserelektrolyse gleich, aber die Teilreaktionen und Transportwege unterscheiden sich.

Ein Elektrolyseur in der Praxis

Mediennachweis: The wub, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. Historischer Elektrolyseur, ausgestellt im Science Museum London; Foto von 2024.

Demonstrationsmaterial für die Ausbildung:

Erklärvideos der MINTIES zur Elektrolyse von Wasser – Zentrum für Chemie, 2025

Verifizierte YouTube-Playlist der vier Elektrolysevideos

Die Videoreihe verknüpft das Funktionsprinzip mit Redoxreaktionen. Die beschriebenen Gasnachweise sind ausschließlich Gegenstand der Videoanalyse.

Anwendungsaufgabe: Erkläre anhand der Animation, weshalb Wasserstoff und Sauerstoff in einem technischen Elektrolyseur voneinander getrennt gehalten werden müssen.

Feedback: Die Trennung ermöglicht die Gewinnung getrennter Produktgasströme und verhindert eine gefährliche Vermischung. Die sicherheitstechnische Auslegung ist Aufgabe qualifizierter Fachleute.

Lerneinheit 3: Stromgewinnung durch Brennstoffzellen

Lernzeit: 5 Minuten

Eine Brennstoffzelle setzt die chemische Energie kontinuierlich zugeführter Reaktionspartner unmittelbar elektrochemisch in elektrische Energie um.

Für eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gilt:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Zusätzlich zu elektrischer Energie entsteht Wärme.

Mediennachweis: Albris, Wikimedia Commons, gemeinfrei. Schema einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle.

So funktioniert die PEM-Brennstoffzelle

Anode: Wasserstoff wird oxidiert und gibt Elektronen ab.
Membran: Protonen wandern durch die Membran.
Stromkreis: Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis zum Verbraucher.
Kathode: Sauerstoff reagiert mit Protonen und Elektronen zu Wasser.

Reaktionen:

Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O

Wichtig: Die Elektrolyse braucht eine äußere elektrische Energiezufuhr. Die Brennstoffzelle liefert bei kontinuierlicher Versorgung mit Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie.

Professionelle Demonstration

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Museum Industriekultur Nürnberg, „Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?“. Professionelles Funktionsmodell.

Frei lizenzierte Labor-Demonstration:

Brennstoffzelle Laborversuch – Universität Stuttgart, über HubbS

Autoren: Julian Fischer und Thomas Sottmann. Lizenz: CC BY 4.0. Geeignet für Chemielaboranten und Chemikanten. Nur Videoauswertung, kein praktischer Nachbau.

Interaktives Modell

Brennstoffzelle als interaktives Lernspiel – planet schule

Arbeitsauftrag:

Starte das virtuelle Modell.
Öffne die Informationspunkte.
Verfolge den Weg der Elektronen.
Erkläre, wodurch der Verbraucher elektrische Energie erhält.

Feedback: Die Elektronen durchlaufen den äußeren Stromkreis. Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler und nicht selbst der Wasserstoffspeicher.

Lerneinheit 4: Sektorkopplung und Power-to-Gas

Lernzeit: 5 Minuten

Sektorenkopplung verbindet verschiedene Teile des Energiesystems: Stromversorgung, Wärmeversorgung, Verkehr und Industrie.

Die Elektrolyse schafft eine Verbindung zwischen elektrischem Strom und einem stofflichen Energieträger.

Mediennachweis: Bartz/Stockmar, Wikimedia Commons, CC BY 4.0, 2018. Schematische Darstellung; keine aktuelle Wirkungsgrad- oder Wirtschaftlichkeitsprognose.

Von Power-to-Gas zu Power-to-X

Begriff	Bedeutung
Power-to-Gas	Strom wird zur Herstellung gasförmiger Energieträger verwendet.
Power-to-Hydrogen	Elektrische Energie wird durch Elektrolyse in chemische Energie von Wasserstoff überführt.
Power-to-Heat	Strom wird zur Wärmebereitstellung genutzt.
Power-to-X	Sammelbegriff für unterschiedliche strombasierte Umwandlungsprozesse.

Energiepfad im Ausbildungsfall:

Solarstrom → Elektrolyseur → Wasserstoff → Speicherung → Brennstoffzelle → elektrischer Verbraucher

Mediennachweis: Manuel Gruber, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. HELMETH-Demonstrationsanlage für Hochtemperatur-Elektrolyse und CO₂-Methanisierung; keine Abbildung des vereinfachten Ausbildungsfalls.

Interaktive Vertiefung:

Interaktive Power-to-Gas-Galerie mit elf Prozessschritten – Energie macht Schule

Anwendungsauftrag: Ordne Erzeugung, Stoffumwandlung, Speicherung und Nutzung zu. Prüfe Fachbegriffe und Aussagen der Galerie anhand einer zweiten Quelle.

Feedback: Sektorkopplung bedeutet nicht, dass jede Anwendung Wasserstoff benötigt. Direkte elektrische Nutzung ist häufig energetisch günstiger. Wasserstoff bietet insbesondere dort zusätzliche Möglichkeiten, wo Stoffbedarf, lange Speicherung oder schwer elektrifizierbare Prozesse relevant sind.

Lerneinheit 5: Wirkungsgrade und Energieverluste

Lernzeit: 5 Minuten

Bei jeder realen Umwandlung treten Verluste auf. Für mehrere hintereinandergeschaltete Umwandlungen werden die Einzelwirkungsgrade multipliziert.

Vereinfachte Energiekette:

Schritt	Energie	Erklärung
Eingang	100 kWh	Elektrischer Strom
Nach der Elektrolyse	70 kWh	Chemische Energie des Wasserstoffs
Nach der Brennstoffzelle	35 kWh	Wiedergewonnene elektrische Energie

Rechnung:

100 kWh · 0,70 = 70 kWh

70 kWh · 0,50 = 35 kWh

Gesamtwirkungsgrad = 0,70 · 0,50 = 0,35 = 35 %

Die übrigen 65 kWh stehen in diesem Modell nicht wieder als elektrische Energie zur Verfügung. Sie verschwinden nicht, sondern werden unter anderem als Wärme abgegeben oder für andere Energieaufwände benötigt. Wärme kann abhängig vom System teilweise nutzbar sein.

Achtung: Die verwendeten Wirkungsgrade sind ausdrücklich Modellannahmen und keine garantierten technischen Kennwerte. Zusätzliche Speicher-, Verdichtungs- und Nebenaggregateverluste können die elektrische Rückgewinnung weiter reduzieren.

Anwendungsaufgabe: Berechne den Gesamtwirkungsgrad erneut, wenn die Brennstoffzelle im Modell statt 50 % einen elektrischen Wirkungsgrad von 40 % hat.

Feedback: 0,70 · 0,40 = 0,28. Der elektrische Gesamtwirkungsgrad beträgt 28 %, die Rückgewinnung bei 100 kWh Eingang also 28 kWh. Der zweite Umwandlungsschritt beeinflusst das Gesamtergebnis unmittelbar.

Lerneinheit 6: Umweltwirkung und sinnvolle Einsatzfelder

Lernzeit: 5 Minuten

Wasserstoff aus Elektrolyse ist nicht automatisch klimaneutral. Entscheidend sind die Stromherkunft, die gesamte Prozesskette und die Bilanzgrenzen.

Laut IEA überschritt die weltweite Wasserstoffnachfrage 2025 die Marke von 100 Millionen Tonnen. Die Produktion emissionsarmen Wasserstoffs erreichte knapp eine Million Tonnen. Damit blieb ihr Anteil unter einem Prozent.

Datenquelle: IEA, Global Hydrogen Review 2026, veröffentlicht am 18. Juni 2026. Angaben zu 2026 sind teilweise Prognosen.

Mediennachweis: Philipp Büttgenbach, nach Michael Liebreich, Wikimedia Commons, CC BY 3.0. Hydrogen Ladder, Fassung von 2021. Die Rangfolge ist eine fachliche Bewertung unter bestimmten Annahmen, keine rechtlich verbindliche Priorisierung und keine aktuelle Marktprognose.

Reflexionsfrage: Warum ist Wasserstoff beispielsweise als chemischer Grundstoff häufig sinnvoller als zur Beheizung eines gut elektrisch versorgten Gebäudes?

Feedback: In chemischen Prozessen kann Wasserstoff selbst als Reaktionsstoff benötigt werden. Für Raumwärme stehen mit Wärmepumpen häufig effizientere direkte elektrische Lösungen bereit. Die endgültige Beurteilung hängt vom jeweiligen System ab.

Lerneinheit 7: Sicherheit bei Gas, Wasserstoff, Verbrennung und Abgas

Lernzeit: 5 Minuten

BESONDERER SICHERHEITSBEREICH – GAS UND WASSERSTOFF

Wasserstoff ist ein sehr leichtes, brennbares und geruchloses Gas. Gefahren entstehen insbesondere durch unbeabsichtigte Freisetzung, zündfähige Gemische, Druck und mögliche Sauerstoffverdrängung.

BESONDERER SICHERHEITSBEREICH – ELEKTROLYSE UND SAUERSTOFF

Bei der Elektrolyse entstehen getrennte Wasserstoff- und Sauerstoffströme. Sauerstoff kann Brände fördern. Zusätzlich können elektrische, chemische, thermische und druckbedingte Gefährdungen vorliegen.

BESONDERER SICHERHEITSBEREICH – VERBRENNUNG

Die elektrochemische Reaktion einer Brennstoffzelle ist nicht mit einer offenen Wasserstoffflamme gleichzusetzen. Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft können Stickoxide entstehen.

BESONDERER SICHERHEITSBEREICH – ABGAS UND FORTLUFT

Die Produkte und Gefährdungen hängen vom System ab. Eine reine Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt bei ihrer elektrochemischen Reaktion Wasser und Wärme. Verbrennungssysteme oder Brennstoffzellensysteme mit vorgeschalteter Brennstoffreformierung sind anders zu bewerten. Abgas- und Fortluftsysteme dürfen nicht ohne fachliche Qualifikation verändert werden.

Verbindliche Lernregel: Keine Eigenversuche zur Gasgewinnung, keine Flammproben oder Knallgasproben, keine Arbeiten an wasserstoffführenden Anlagen, keine Eingriffe in Gasleitungen, Druckbehälter, Brenner, Sicherheitssteuerungen oder Abgasanlagen.

Bei Verdacht auf eine Störung: Keine eigenständigen Eingriffe. Abstand halten, betriebliche Melde- und Notfallwege einhalten und ausschließlich autorisiertes Fachpersonal tätig werden lassen.

Fachliche Arbeitsschutzquellen:

DGUV Information 209-072 – Wasserstoffsicherheit in Werkstätten

DGUV FBETEM-007 – Gefährdungen und Schutzmaßnahmen bei Wasserstoffanlagen und -leitungen

BAuA – Aktuelles Verzeichnis Technischer Regeln für Gefahrstoffe, insbesondere TRGS 720 bis 725 und 727

DLR – Wasserstoffverbrennung und Stickoxidbildung

Freigabevermerk für Ausbilderinnen und Ausbilder: Vor realen Demonstrationen, Anlagenbegehungen oder Betriebsarbeiten müssen die aktuelle Gefährdungsbeurteilung, Betriebsanweisung, Qualifikation, Unterweisung, Herstellerunterlagen, Zuständigkeiten, Explosionsschutzmaßnahmen und einschlägigen Vorschriften geprüft und die erforderlichen Freigaben durch fachlich Verantwortliche erteilt werden. Dieser digitale Kurs erteilt keine solche Freigabe.

Fachquellen kritisch vergleichen

Lernzeit: 5 Minuten

Eine zuverlässige technische Aussage muss sachlich richtig, nachvollziehbar und auf den jeweiligen Anwendungsfall übertragbar sein.

Quelle	Stärke	Kritische Frage
US Department of Energy	Elektrochemisches Grundprinzip und Teilreaktionen	Auf welches Elektrolyseverfahren beziehen sich die Gleichungen?
DLR	Technische Forschungs- und Systemperspektive	Welche Aussagen sind Forschungsergebnisse, welche Ziele?
IEA 2026	Aktuelle weltweite Wasserstoffdaten	Sind Angaben Messwerte, Schätzungen oder Prognosen?
planet schule	Verständliches interaktives Modell	Welche technischen Details werden vereinfacht?
BAuA	Offizieller Zugang zu technischen Regeln	Welche Fassung und welcher Anwendungsbereich gelten?

Konkreter Quellencheck: In einer Bildbeschreibung der verlinkten Handreichung „Wasserelektrolyse“ von Energie macht Schule wird fälschlich CO₂ als Produkt der Wasserspaltung genannt. Die korrekte Reaktion bildet H₂ und O₂. Vergleiche deshalb Texte und Bildbeschriftungen mit der Reaktionsgleichung und der Fachquelle des US Department of Energy.

Regelwerkscheck: Für die Einstufung von erneuerbarem strombasiertem Wasserstoff sind unter anderem die jeweils einschlägigen EU-Vorgaben zu berücksichtigen. Die konsolidierte EU-Verordnung 2023/1184 enthält Anforderungen an die Zuordnung erneuerbaren Stroms. Vor betrieblichen Entscheidungen sind aktuelle Änderungen und der konkrete Geltungsbereich zu überprüfen.

Feedback: Eine hochwertige Quelle kann trotzdem vereinfachen, veraltete Angaben enthalten oder einen Fehler aufweisen. Fachgerecht ist es, Behauptungen anhand unabhängiger Belege und gültiger Regeln zu prüfen.

Gestufte Hilfen zum Ausbildungsfall

Hilfe 1 – Orientierung

Unterscheide zwischen elektrischer Eingangsenergie, chemischer Energie im Wasserstoff und elektrischer Ausgangsenergie.

Hilfe 2 – Struktur

Stelle die Energiekette dar:

Elektrische Energie → Elektrolyse → Wasserstoff → Brennstoffzelle → elektrische Energie

Markiere jeden Wirkungsgrad an der zugehörigen Umwandlung.

Hilfe 3 – Rechenhilfe

Die allgemeine Beziehung lautet:

Ausgangsenergie = Eingangsenergie · Wirkungsgrad

Bei zwei aufeinanderfolgenden Umwandlungen werden die Wirkungsgrade miteinander multipliziert.

Hilfe 4 – Beurteilungshilfe

Prüfe Deine Aussage anhand von vier Fragen:

Ist der Energiefluss korrekt?
Sind alle Modellannahmen benannt?
Gibt es eine energetisch günstigere Alternative?
Sind Sicherheit, Umweltwirkung und erforderliche Freigaben berücksichtigt?

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Stoffumwandlung erfolgt bei der Wasserelektrolyse? (Wasser wird zu Wasserstoff und Sauerstoff) (!Wasserstoff wird zu Kohlenstoff) (!Sauerstoff wird zu Stickstoff) (!Wasser wird ohne Energiezufuhr zu Strom)

Welches Molekülverhältnis beschreibt die Wasserelektrolyse? (Zwei Wasserstoffmoleküle pro Sauerstoffmolekül) (!Ein Wasserstoffmolekül pro Sauerstoffmolekül) (!Drei Sauerstoffmoleküle pro Wasserstoffmolekül) (!Vier Wassermoleküle pro Sauerstoffmolekül)

An welcher Elektrode entsteht bei der PEM-Elektrolyse Wasserstoff? (An der Kathode) (!An der Anode) (!Am elektrischen Verbraucher) (!An der äußeren Gehäusewand)

Welche Aufgabe erfüllt die Membran eines PEM-Elektrolyseurs? (Sie ermöglicht den selektiven Protonentransport) (!Sie erzeugt elektrische Energie aus Sonnenlicht) (!Sie verbrennt den Wasserstoff) (!Sie speichert den gesamten Sauerstoff)

Was geschieht mit Wasserstoff an der Anode einer PEM-Brennstoffzelle? (Er wird oxidiert und gibt Elektronen ab) (!Er wird durch elektrischen Strom aus Wasser hergestellt) (!Er wird zu Stickstoff umgewandelt) (!Er bildet ohne Reaktionspartner Sauerstoff)

Welche Energieumwandlung kennzeichnet eine Wasserstoff-Brennstoffzelle? (Chemische Energie wird in elektrische Energie und Wärme umgewandelt) (!Elektrische Energie wird vollständig vernichtet) (!Wärme wird ausschließlich in Wasserstoff umgewandelt) (!Sonnenlicht wird direkt in Sauerstoff umgewandelt)

Was beschreibt Sektorkopplung? (Die Verknüpfung unterschiedlicher Bereiche des Energiesystems) (!Die vollständige Abschaffung elektrischer Stromnetze) (!Die ausschließlich chemische Reinigung von Wasser) (!Die Trennung von Stromversorgung und Industrie)

Wie viel Strom liefert das vereinfachte Ausbildungsmodell aus 100 kWh Eingang bei 70 Prozent Elektrolysewirkungsgrad und 50 Prozent Brennstoffzellenwirkungsgrad? (35 kWh) (!120 kWh) (!70 kWh) (!50 kWh)

Welche Aussage über die Klimawirkung von Elektrolysewasserstoff ist richtig? (Die Stromherkunft und die gesamte Prozesskette sind entscheidend) (!Jeder Elektrolysewasserstoff ist automatisch klimaneutral) (!Die Stromherkunft hat keine Bedeutung) (!Nur die Farbe des gespeicherten Gases bestimmt die Klimawirkung)

Welche Voraussetzung ist für Arbeiten an Wasserstoffanlagen wesentlich? (Fachliche Qualifikation und erforderliche betriebliche Freigaben) (!Allein das Anschauen eines Erklärvideos) (!Eine private Erlaubnis ohne Gefährdungsbeurteilung) (!Der Verzicht auf jede Sicherheitsunterweisung)

Begründetes Quizfeedback

Frage	Erklärung zur richtigen Antwort
Eins	Elektrolyse bewirkt eine Stoffumwandlung durch Energiezufuhr.
Zwei	Die ausgeglichene Reaktionsgleichung verlangt das Molekülverhältnis zwei zu eins.
Drei	Die Kathode ist der Ort der Reduktion; bei der Wasserelektrolyse entsteht dort Wasserstoff.
Vier	In der PEM-Elektrolyse werden Protonen selektiv durch die Membran transportiert.
Fünf	Oxidation bedeutet Elektronenabgabe; an der Brennstoffzellenanode wird Wasserstoff oxidiert.
Sechs	Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler.
Sieben	Sektorkopplung verbindet die Energieversorgung unterschiedlicher Anwendungen.
Acht	Beide Umwandlungswirkungsgrade wirken nacheinander und müssen multipliziert werden.
Neun	Die Emissionen der Herstellung und Versorgung gehören zur Umweltbewertung.
Zehn	Arbeiten an Gasanlagen benötigen die jeweils erforderliche Qualifikation, Gefährdungsbeurteilung und Freigabe.

Memory

Ordne die passenden Begriffe und Erklärungen zu.

Elektrolyse	Stromgetriebene Wasserspaltung
Brennstoffzelle	Elektrochemische Stromerzeugung
Kathode	Ort der Reduktion
Anode	Ort der Oxidation
Membran	Selektiver Ionentransport
Sektorkopplung	Verbindung von Energiesektoren
Wirkungsgrad	Verhältnis von Nutzenergie zur zugeführten Energie
Wasserstoff	Chemischer Energieträger

Drag and Drop

Ordne jeder Funktion den passenden Fachbegriff zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Elektrolyseur	Strombasierte Wasserstofferzeugung
Wasserstoffspeicher	Zeitliche Verschiebung der Energienutzung
Brennstoffzelle	Elektrochemische Rückverstromung
Photovoltaikanlage	Umwandlung von Sonnenlicht in Strom
Leistungselektronik	Anpassung und Regelung elektrischer Energie

Kreuzworträtsel

Elektrolyse	Wie heißt die durch elektrische Energie angetriebene chemische Zersetzung?
Wasserstoff	Welches brennbare Gas entsteht bei der Wasserelektrolyse an der Kathode?
Sauerstoff	Welches gasförmige Element entsteht bei der Wasserelektrolyse an der Anode?
Kathode	Wie heißt die Elektrode, an der eine Reduktion stattfindet?
Membran	Welches Bauteil kann Reaktionsräume voneinander trennen und bestimmte Ionen passieren lassen?
Brennstoffzelle	Welcher elektrochemische Wandler erzeugt aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom?

LearningApps

Hinweis: Dies ist eine thematische Suche. Gefundene Anwendungen sind nicht automatisch fachlich oder sicherheitstechnisch geprüft.

Lückentext

Bei der Wasserelektrolyse wird

Energie in chemische Energie umgewandelt.

Der zugeführte Ausgangsstoff ist

.

An der Kathode eines Wasserelektrolyseurs entsteht

.

An der Anode eines Wasserelektrolyseurs entsteht

.

Die Gesamtreaktion ist ein Beispiel für eine

.

Bei der PEM-Elektrolyse werden

durch die Membran transportiert.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt aus chemischer Energie wieder

.

Bei der Reaktion in der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle entsteht

.

Die Verbindung unterschiedlicher Bereiche des Energiesystems heißt

.

Das Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie bezeichnet man als

.

Für den elektrischen Gesamtwirkungsgrad einer Umwandlungskette muss man die Einzelwirkungsgrade

.

Für den Klimanutzen von Elektrolysewasserstoff ist die

entscheidend.

Vor betrieblichen Arbeiten an Wasserstoffanlagen ist eine geeignete

erforderlich.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben nach Schwierigkeitsgrad. Für sämtliche Projekte gilt: keine Gasversuche, keine Arbeiten an Anlagen und keine selbst durchgeführten Verbrennungs- oder Gasnachweise.

Leicht – Basisaufgaben

Energieflussdiagramm: Erstelle eine digitale Grafik, die die Energieumwandlung in Elektrolyseur und Brennstoffzelle zeigt.
Wasserelektrolyse: Zeichne die Reaktionsgleichung als Teilchenmodell und erläutere das Zahlenverhältnis der Produkte.
Brennstoffzelle: Fertige anhand der Simulation von planet schule eine beschriftete Skizze mit Elektroden, Membran und Elektronenweg an.
Arbeitssicherheit: Entwirf ein digitales Lernplakat mit den vier Bereichen Gas, Wasserstoff, Verbrennung und Abgas.

Standard – Anwendungsaufgaben

Wirkungsgrad: Erstelle eine Tabelle zum Ausbildungsfall und berechne die elektrische Rückgewinnung für verschiedene angenommene Wirkungsgrade.
Redoxreaktion: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo mit Zeichnungen zur Oxidation und Reduktion ohne reale Experimente.
Sektorenkopplung: Gestalte eine Infografik, die Wasserstoff, direkte Stromnutzung und Wärmebereitstellung unterscheidet.
Quellenkritik: Vergleiche die Elektrolysebeschreibung des US Department of Energy mit der Handreichung von Energie macht Schule und dokumentiere eine überprüfbare Korrektur.

Schwer – Transferaufgaben

Energiespeicher: Entwickle eine begründete Entscheidungsvorlage für den Betriebshof. Vergleiche Wasserstoffspeicherung mit einer direkten elektrischen Speicherlösung anhand selbst kenntlich gemachter Annahmen.
Lebenszyklusanalyse: Entwirf ein Systemdiagramm mit Stromherkunft, Elektrolyse, Speicherung, Nutzung und relevanten Umweltwirkungen.
Explosionsschutz: Analysiere ausschließlich anhand einer vorgegebenen Dokumentationsmappe, welche betrieblichen Prüfungen, Qualifikationen und Verantwortlichkeiten vor einer Freigabe geklärt werden müssten.
Wasserstoffwirtschaft: Vergleiche die IEA-Daten von 2026 mit einer älteren Wasserstoffprognose und unterscheide beobachtete Entwicklung, Annahmen und nicht erreichte Erwartungen.

Lösungshilfen und begründetes Feedback

Niveau	Erwartung	Begründetes Feedback
Basis	Richtige Stoffe, Energiepfeile und Reaktionsgleichung	Stoffumwandlung und Energieumwandlung müssen getrennt dargestellt werden, weil Energie nicht als Stoffprodukt entsteht.
Anwendung	Richtige Berechnung und nachvollziehbare Systemgrenzen	Ein rechnerischer Wirkungsgrad ist nur aussagekräftig, wenn Ein- und Ausgangsgrößen sowie Annahmen zusammenpassen.
Transfer	Vergleich mehrerer Technologien mit Quellen und Einschränkungen	Eine technisch mögliche Lösung ist nicht automatisch die effizienteste, sicherste oder ökologisch sinnvollste.
Sicherheit	Erkennen von Risiken und Zuständigkeiten	Ein Ausbildungskurs ersetzt keine betrieblichen Qualifikationen, Schutzmaßnahmen oder Fachfreigaben.
Quellenbewertung	Trennung von Messdaten, Prognosen, Modellen und Meinungen	Nur überprüfbare und zeitlich eingeordnete Aussagen können belastbar miteinander verglichen werden.

Lernkontrolle

Bearbeite mindestens fünf der folgenden sechs komplexeren Aufgaben schriftlich.

Energieumwandlung: Ein Betrieb behauptet, dass aus 100 kWh Solarstrom nach Elektrolyse und Brennstoffzelle wieder 100 kWh Strom entstehen könnten. Widerlege die Aussage anhand des Energieerhaltungssatzes und realer Umwandlungsverluste.
Brennstoffzelle: Zwei technische Schaubilder zeigen unterschiedliche Richtungen des Elektronenflusses. Untersuche, ob eines den Elektrolyseur und das andere eine Brennstoffzelle darstellt. Begründe die Zuordnung anhand von Oxidation, Reduktion und Energiefluss.
Technikfolgenabschätzung: Ein Unternehmen möchte Wasserstoff zur Raumheizung einsetzen, obwohl eine Wärmepumpe technisch möglich wäre. Entwickle Vergleichskriterien und begründe, welche zusätzlichen Informationen vor einer Entscheidung nötig sind.
Sektorenkopplung: Erkläre anhand eines selbst gewählten industriellen Einsatzfalls, warum Wasserstoff sowohl als chemischer Rohstoff als auch als Energieträger betrachtet werden kann.
Gefährdungsbeurteilung: Ein Auszubildender soll eine unbekannte Wasserstoffanlage ohne Unterweisung bedienen. Erkläre, welche sicherheitsorganisatorischen Voraussetzungen fehlen und weshalb die Tätigkeit nicht eigenständig übernommen werden darf.
Quellenbewertung: Eine ältere Präsentation stellt Wasserstoff als vollständig emissionsfrei dar. Vergleiche diese Behauptung mit aktuellen IEA-Daten und unterscheide Emissionen bei der Nutzung, der Erzeugung und entlang der Versorgungskette.

Bewertung: Entscheidend sind richtige Zusammenhänge, begründete Entscheidungen, offengelegte Annahmen, nachvollziehbare Quellen und ein fachgerechter Umgang mit Sicherheitsfragen.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis erstellst Du eine digitale Projektmappe zum Ausbildungsfall.

Sie enthält:

Ein korrektes Stoff- und Energieflussdiagramm.
Die ausgeglichene Reaktionsgleichung der Wasserelektrolyse.
Eine Erklärung der PEM-Elektrolyse und der Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Eine nachvollziehbare Wirkungsgradberechnung.
Einen begründeten Vergleich mit mindestens einer alternativen Energienutzung.
Eine Übersicht zu Gas-, Wasserstoff-, Verbrennungs- und Abgasrisiken.
Mindestens drei überprüfbare Fachquellen mit Erscheinungsstand.
Einen begründeten Quellen- und Medienrechtevergleich.
Eine abschließende technische Empfehlung mit benannten Grenzen.

Beispielhafte Abschlussbewertung zum Modellfall:

Aus 100 kWh elektrischer Eingangsenergie werden unter den angenommenen Wirkungsgraden 70 kWh chemische Energie im Wasserstoff und anschließend 35 kWh elektrische Energie. Wasserstoffspeicherung kann zusätzliche Systemfunktionen erfüllen, verursacht jedoch Umwandlungsverluste. Über den realen Einsatz entscheiden unter anderem Nutzungszweck, Alternativen, Kosten, Systemgrenzen und erforderliche Sicherheitsnachweise.

Fachliche Abschlussfreigabe: Ein Lernnachweis bestätigt fachliches Verständnis, aber keine Berechtigung zur selbstständigen Durchführung sicherheitsrelevanter Arbeiten.

OERs zum Thema

Wikipedia – Wasserelektrolyse

Frei zugängliche Fach- und Lernmedien:

Ergänzendes Video zur technischen Entwicklung von Brennstoffzellen:

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft, „Tuning für Brennstoffzelle“, ca. 9 Minuten. Vertiefungsmedium zur technischen Optimierung.

Medienrechte und Qualitätsprüfung

Prüfstand der verlinkten Fachquellen: 11. Oktober 2026.

Die eingesetzten Commons-Dateien wurden anhand ihrer Dateibeschreibungsseiten auf Urheberschaft und Lizenzhinweise geprüft.

Medium	Urheber und Lizenz
Verbrennung von Wasserstoff und Elektrolyse im Energiediagramm.svg	BirgitLachner – CC0 1.0
PEM Elektrolyse 5.gif	Davidlfritz – CC BY-SA 3.0
AEM water electrolysis working principle.svg	Kavin Teenakul – CC BY-SA 4.0
Hydrogen electrolyser - Science Museum, London.jpg	The wub – CC BY-SA 4.0
PEM fuel cell.svg	Albris – gemeinfrei
Sektorkopplung mit Power-to-X.jpg	Bartz/Stockmar – CC BY 4.0
Helmeth PtG Anlage.jpg	Manuel Gruber – CC BY-SA 4.0
Einsatzbereiche sauberen Wasserstoffs.svg	Philipp Büttgenbach – CC BY 3.0

Lizenzbedingungen: Bei der Weiterverwendung sind insbesondere Namensnennung, Lizenzverlinkung und gegebenenfalls Weitergabe unter gleichen Bedingungen zu berücksichtigen. Die Originaldateien und Lizenzinformationen sind auf Wikimedia Commons dokumentiert.

Externe Plattformen: YouTube-Videos werden verlinkt beziehungsweise über den Videodienst eingebettet. Daraus folgt keine allgemeine Erlaubnis zum Herunterladen oder zur eigenen Weiterverbreitung. Für Materialien von planet schule und weiteren Anbietern gelten deren jeweilige Nutzungsbedingungen. Die freie Lizenz des Stuttgarter Laborvideos ist gesondert ausgewiesen.

Fachliche Grenzen: Wissenschaftliche Modelle vereinfachen reale Prozesse. Die genannten Wirkungsgrade sind keine Produktdaten. Sicherheitsvorschriften, Herstellerangaben und rechtliche Anforderungen müssen für konkrete Betriebe jeweils aktuell geprüft werden.