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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Wasserstoff als Energieträger einordnen

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Wasserstoff Brennstoffzellen und Sektorkopplung – Wasserstoff als Energieträger einordnen

Einleitung

Wie lässt sich erneuerbarer Strom mit Wasserstoff speichern und in Industrie, Verkehr und Wärmeversorgung nutzen?

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Wasserstoff hergestellt wird, wie Brennstoffzellen funktionieren und welche Rolle die Sektorenkopplung in der Energiewende spielt.

Zielgruppe: Technische Ausbildung, insbesondere Elektrotechnik, Mechatronik, Fahrzeugtechnik, Anlagenmechanik und Energietechnik.

Lernziele: Du kannst Wasserstoff als Energieträger einordnen, Energieverluste berechnen, Einsatzgebiete beurteilen und sicherheitsrelevante Fragen erkennen.

Lernform: Sieben kurze Lerneinheiten, Bilder, Videos, interaktive Simulationen, ein betrieblicher Ausbildungsfall, gestufte Hilfen und Aufgaben mit Feedback.

Zeitbedarf: Etwa 100–140 Minuten einschließlich Praxisfall und Lernkontrolle.

Fachstand: 11. Oktober 2026. Technische Regeln, Quellen und Anlagenfreigaben müssen vor praktischen Einsätzen erneut geprüft werden.

Sicherheitsfreigabe für diesen Lernkurs

SICHERHEITSBEREICH GAS UND WASSERSTOFF: Wasserstoff ist extrem entzündbar. Gasfreisetzung, Drucksysteme, mögliche Sauerstoffverdrängung und explosionsfähige Atmosphären erfordern eine fachkundige Gefährdungsbeurteilung.

SICHERHEITSBEREICH VERBRENNUNG: Wasserstoffflammen können schwer erkennbar sein. Wasserstoff-Luft-Gemische können explosionsfähig sein. Zündversuche und Versuche mit Knallgas werden nicht durchgeführt.

SICHERHEITSBEREICH ABGAS: Bei Wasserstoffverbrennung mit Luft können Stickstoffoxide entstehen. Brennstoffzellen sind von Verbrennungsanlagen zu unterscheiden.

Verbindliche Lernregel: Du arbeitest ausschließlich mit Bildern, Dokumentationen, Simulationen, fiktiven Daten und freigegebenen Unterrichtsmaterialien. Keine eigenen Gasversuche, keine Arbeiten an unter Druck stehenden Anlagen, keine Änderungen an Brennstoffzellen, Tank-, Gas- oder Abgassystemen.

Die Videos zeigen gegebenenfalls professionelle Demonstrationen. Sie sind keine Nachbauanleitungen.

Eine praktische Ausbildung an realen Anlagen setzt geeignete Qualifikation, Unterweisung, aktuelle Betriebsanweisungen, Gefährdungsbeurteilung, gegebenenfalls Explosionsschutzdokument und Freigabe durch verantwortliche Fachkräfte voraus.

Fachinformationen: DGUV FBETEM-007 und DGUV FBHL-025, September 2026.

Lerneinheit 1: Wasserstoff verstehen

Dauer: 7 Minuten

Wasserstoff ist ein chemisches Element. Als gasförmiger Energieträger besitzt er eine hohe Energiemenge bezogen auf seine Masse, aber eine geringe volumetrische Energiedichte bei Umgebungsbedingungen.

Wasserstoff ist keine Primärenergiequelle wie Sonne oder Wind. Er muss zunächst bereitgestellt werden.

Merke: Wasserstoff speichert beziehungsweise transportiert Energie. Seine Herstellung und weitere Verwendung benötigen Energie und Infrastruktur.

Der untere Heizwert beträgt ungefähr 33,3 kWh je Kilogramm Wasserstoff.

Quelle: US Department of Energy, Heizwert

Bild: Einordnung möglicher Wasserstoffanwendungen, Version 2021. Die Grafik ist eine historische fachliche Einschätzung und keine zeitlos gültige Rangfolge.

Denkfrage: Weshalb sollte ein Betrieb Wasserstoff nicht automatisch überall dort einsetzen, wo elektrische Energie benötigt wird?

Lerneinheit 2: Wasserstoff herstellen

Dauer: 10 Minuten

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser durch Zufuhr elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Reaktionsgleichung:

2 H₂O + elektrische Energie → 2 H₂ + O₂

Die Verfahren unterscheiden sich unter anderem bei Elektrolyt, Temperatur, Betriebsweise und eingesetzten Materialien.

Alkalische Elektrolyse: Industriell etabliertes Verfahren mit alkalischem Elektrolyten.
PEM-Elektrolyse: Verwendet eine protonenleitende Membran.
Hochtemperaturelektrolyse: Nutzt Wasserdampf und zusätzlich Wärme.

Bild: Prinzip einer PEM-Elektrolysezelle. Beachte die voneinander getrennten Gas- und Ladungstransportwege.

Energiebedarf: Als nachvollziehbarer Referenzwert verwenden wir 50 kWh elektrischen Strom je kg Wasserstoff. Der tatsächliche Bedarf ist abhängig von Elektrolyseverfahren, Systemgrenze, Betriebsbedingungen und Verdichtung.

Wasserbedarf: Die chemische Reaktion benötigt theoretisch etwa 9 kg Wasser je kg Wasserstoff. Praktische Anlagen benötigen aufbereitetes Wasser und zusätzliches Wasser für weitere Prozesse. Das Umweltbundesamt nennt ungefähr 12–13 Liter entnommenes Süßwasser je kg grünen Wasserstoff unter den dort beschriebenen Bedingungen.

IEA: Referenzwert für Elektrolyse einschließlich Verdichtung auf 30 bar

Umweltbundesamt: Wasserstoff und Wasserbedarf

Demonstration: Elektrolyse beobachten

Fachlich betreute Videodokumentation der Bergischen Universität Wuppertal:

Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat – Universitätsvideo

Beobachtungsauftrag: Beschreibe, wie die Gase entstehen und welche Stoffumwandlung erkennbar wird.

Sicherheit: Das Video enthält eine Laborreaktion mit Gasbildung und Nachweisen. Ausschließlich ansehen und auswerten; nicht nachbauen.

Lerneinheit 3: Die Brennstoffzelle

Dauer: 10 Minuten

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt elektrochemisch in elektrische Energie um.

Gesamtreaktion:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O + elektrische Energie + Wärme

In der PEM-Brennstoffzelle werden an der Anode Elektronen abgegeben. Protonen gelangen durch die Membran. Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis und können einen elektrischen Verbraucher versorgen.

An der Kathode entstehen aus Sauerstoff, Protonen und Elektronen Wassermoleküle.

Bild: Schematische Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle.

Video: Brennstoffzelle und Elektrolyse

Quelle: MaxPlanckSociety, 2015. Wissenschaftlicher Erklärfilm über elektrochemische Reaktionen.

Videoauftrag: Erkläre, weshalb Elektrolyse und Brennstoffzelle bei vergleichbarer Wasserstoff-Sauerstoff-Chemie entgegengesetzte Energieumwandlungen ermöglichen.

Interaktives Modell: Brennstoffzelle einschalten

Interaktive Brennstoffzelle – planet schule

Öffne die Simulation, starte die Zelle und untersuche Anode, Kathode, Elektronenweg und Elektrolyt.

Beobachtungsauftrag: Zeichne zwei unterschiedliche Pfeile für die Wege von Protonen und Elektronen.

Feedback: Richtig ist eine Darstellung, in der die Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen und nicht durch die protonenleitende Membran.

Lerneinheit 4: Sektorkopplung

Dauer: 8 Minuten

Sektorenkopplung verbindet die Bereiche Strom, Wärme, Industrie und Verkehr.

Wasserstoff kann beispielsweise erneuerbaren Strom chemisch speichern und später in Industrieprozessen oder Brennstoffzellen verfügbar machen.

Vereinfachte Energiekette:

Erneuerbarer Strom → Elektrolyse → Wasserstoff → Speicherung und Verteilung → Industrie oder Brennstoffzelle.

Bild: Hybridkraftwerk Prenzlau mit Windenergie und Gasspeicherung. Historisches Praxisbeispiel, Aufnahme 2011.

Weitere Möglichkeiten der Sektorkopplung: Wärmepumpen, elektrifizierte Industrieprozesse, Batteriespeicher und Elektromobilität.

Wichtig: Die direkte Nutzung von Strom ist häufig effizienter als die Umwandlung über Wasserstoff. Besonders interessant kann Wasserstoff sein, wenn Prozesse schwer direkt elektrifizierbar sind oder langfristige chemische Energiespeicherung benötigt wird.

Fraunhofer IEE: Sektorenkopplung, 2026

Bild: Wasserstoff-Brennstoffzellenbus als Beispiel für die Verbindung von Wasserstoffversorgung und Mobilität.

Medienvertiefung: Quarks – Energie der Zukunft: Wie wir Strom neu denken, 2025.

Lerneinheit 5: Energiebedarf und Wirkungsgrad

Dauer: 10 Minuten

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen nutzbarer Energie und eingesetzter Energie.

Grundformel:

Wirkungsgrad = Nutzenergie / Eingesetzte Energie

Jede zusätzliche Umwandlung kann Verluste erzeugen.

Modellrechnung: 100 kWh erneuerbarer Strom

Für das folgende Rechenmodell werden bewusst vereinfachte Annahmen verwendet.

Prozess	Modellannahme	Verbleibende nutzbare Energie
Eingang	100 kWh	100 kWh
Elektrolyse	65 %	65 kWh Wasserstoffenergie
Bereitstellung und Speicherung	90 % Netto-Energiefaktor	58,5 kWh
Brennstoffzelle	50 %	29,25 kWh elektrischer Strom

Gesamtergebnis:

100 kWh × 0,65 × 0,90 × 0,50 = 29,25 kWh

Der Modellwirkungsgrad beträgt 29,25 %.

Der 90-%-Faktor bildet modellhaft den zusätzlichen Energieaufwand und mögliche Verluste für die Bereitstellung ab. Er ist keine Behauptung, dass bei jeder Wasserstoffspeicherung zehn Prozent des Wasserstoffs verloren gehen.

Zum Vergleich: Ein modellhafter direkter elektrischer Nutzungspfad mit angenommenen 80 % Gesamtwirkungsgrad liefert aus 100 kWh Eingangsenergie 80 kWh elektrische Nutzenergie.

Wichtig für den Vergleich: Dies sind Rechenannahmen, keine für alle Anlagen gültigen Messwerte. Ein fachgerechter Vergleich berücksichtigt gleiche Nutzaufgabe, Speicherzeitraum, Systemgrenzen und gegebenenfalls nutzbare Wärme.

DOE: Technische Kennwerte und Zielwerte der PEM-Elektrolyse

Interaktive Simulation: Energieumwandlungen

Virtuelles Energielabor – planet schule

Beobachte die Umwandlung zwischen mechanischer, elektrischer, chemisch gespeicherter und anderen Energieformen.

Anwendungsauftrag: Vergleiche die virtuelle Umwandlungskette mit dem Wasserstoffmodell. Benenne die zusätzlichen Umwandlungsstufen.

Lerneinheit 6: Sicherheit, Verbrennung und Abgas

Dauer: 9 Minuten

Sicherheitsbereich Gas und Wasserstoff

Wasserstoff ist farb- und geruchlos. Er ist leichter als Luft und besitzt einen breiten Explosionsbereich in Luft.

Besondere Gefährdungen ergeben sich durch Gasfreisetzung, Zündquellen, Druckbehälter, heiße Anlagenteile und gegebenenfalls Sauerstoffverdrängung.

Betriebliche Konsequenz: Nur fachkundige Personen beurteilen die Gefährdung und legen technische sowie organisatorische Schutzmaßnahmen fest.

Verbindliche Fachquellen:

DGUV Information 209-072 – Wasserstoffsicherheit in Werkstätten

DGUV: Technische Regeln und Explosionsschutz

DVGW: Wasserstoff und aktuelles Gasregelwerk

Sicherheitsbereich Verbrennung

Die Wasserstoffverbrennung ist eine chemische Verbrennungsreaktion.

Eine Brennstoffzelle arbeitet dagegen elektrochemisch und nicht durch eine Wasserstoffflamme.

Sicherheitsbereich Abgas

Bei einer PEM-Brennstoffzelle entstehen im regulären Wasserstoffbetrieb vor allem Wasser und Wärme. Bei einer Wasserstoffverbrennung mit Luft können dagegen temperaturbedingt Stickstoffoxide entstehen.

Deshalb ist die pauschale Aussage „Wasserstoff verursacht keine schädlichen Abgase“ fachlich unzureichend.

Umweltbundesamt: Entstehung von Stickstoffoxiden

Sichere virtuelle Demonstration

Simulation der Knallgasreaktion – Universität Wuppertal

Ausschließlich am Bildschirm: Beschreibe die reagierenden Stoffe und die Energieumwandlung. Eine reale Knallgasreaktion ist kein Bestandteil dieses Lernkurses.

Lerneinheit 7: Wasserstoff kritisch einordnen

Dauer: 8 Minuten

Wasserstoff kann aus unterschiedlichen Quellen stammen. Seine Klimawirkung hängt besonders von der Erzeugungsmethode, dem Strommix und der gesamten Lieferkette ab.

Grüner Wasserstoff wird mithilfe erneuerbarer Energie hergestellt. Wasserstoff aus fossilen Energieträgern kann dagegen mit erheblichen Treibhausgasemissionen verbunden sein.

Laut Internationaler Energieagentur überschritt die weltweite Wasserstoffnachfrage 2025 100 Millionen Tonnen. Wasserstoff mit geringen Emissionen erreichte knapp eine Million Tonnen und damit weiterhin weniger als ein Prozent der Gesamtmenge.

IEA – Global Hydrogen Review 2026, veröffentlicht am 18. Juni 2026

Quellenvergleich: Wer sagt was?

Quelle A – Wissenschaft: IEA Global Hydrogen Review 2026. Enthält internationale Daten, Methoden, Einschränkungen und Entwicklungen.

Quelle B – Umweltbewertung: Umweltbundesamt. Erläutert Wasserbedarf, Nachhaltigkeit und Umweltfolgen.

Quelle C – Erklärvideo eines Unternehmens:

Grüner Wasserstoff – wie er hergestellt wird und was ihn so interessant für die Energiewende macht. Herausgeber: youknow, 2023.

Quellenprüfauftrag:

Vergleiche die Aussagen zu Herstellung, Umweltwirkung und Einsatzgebieten.
Unterscheide überprüfbare Messwerte, Modellannahmen und Zukunftsaussagen.
Prüfe, ob „klimaneutral“ nur die Wasserstoffnutzung oder die gesamte Herstellungskette beschreibt.
Formuliere ein eigenes Urteil mit mindestens zwei voneinander unabhängigen Quellen.

Begründetes Feedback: Eine gute Bewertung stellt nicht einfach „optimistische“ und „kritische“ Aussagen gegenüber. Sie benennt die jeweiligen Systemgrenzen und erklärt, weshalb beispielsweise fehlende direkte CO₂-Emissionen bei der Nutzung noch keine emissionsfreie Herstellung bedeuten.

Ausbildungsfall: Wasserstoff im kommunalen Betrieb

Praxisfall – fiktives Stadtwerk mit Fahrzeugdepot

Du absolvierst Deine Ausbildung bei einem kommunalen Energieversorger. Das Unternehmen betreibt Photovoltaik, Ladeinfrastruktur und Fahrzeuge.

An einem sonnigen Tag stehen 100 kWh Strom für eine spätere Nutzung zur Verfügung.

Die Ausbildungsleitung möchte wissen, ob Wasserstoff für die elektrische Versorgung sinnvoll wäre.

Drei Möglichkeiten stehen zur Diskussion:

Batteriespeicher: Direkte elektrische Speicherung zur kurzfristigen Nutzung.
Wasserstoffspeicher: Umwandlung über Elektrolyse, Speicherung und Brennstoffzelle.
Direktverbrauch: Unmittelbare elektrische Versorgung eines verfügbaren Verbrauchers.

Arbeitsauftrag: Du sollst einen kurzen Entscheidungsvermerk erstellen, nicht an einer Anlage arbeiten.

Basisaufgabe: Energieträger erkennen

Aufgabe: Beschreibe den Weg von erneuerbarem Strom zum Wasserstoff und zurück zum elektrischen Strom.

Hilfe 1: Benenne zunächst den Elektrolyseur und die Brennstoffzelle.

Hilfe 2: Unterscheide elektrische und chemische Energie.

Hilfe 3: Zeichne die Prozesskette mit fünf Stationen.

Musterfeedback: Korrekt ist eine Energieflussdarstellung, in der die Elektrolyse elektrische Energie in chemische Energie umwandelt und die Brennstoffzelle daraus wieder elektrische Energie gewinnt. Eine Darstellung, die Wasserstoff als eigenständige Energiequelle ohne Herstellungsaufwand behandelt, ist unvollständig.

Anwendungsaufgabe: Energiebilanz

Aufgabe: Berechne die elektrische Rückgewinnung bei 100 kWh und den angegebenen drei Modellfaktoren.

Hilfe 1: Beginne mit 100 kWh × 0,65.

Hilfe 2: Multipliziere anschließend mit 0,90.

Hilfe 3: Multipliziere das Ergebnis mit 0,50.

Musterlösung: 29,25 kWh elektrische Energie.

Musterfeedback: 65 kWh sind lediglich die angenommene Wasserstoffenergie nach der Elektrolyse. Erst die zusätzlichen Faktoren für Bereitstellung und Rückverstromung ergeben die nutzbare elektrische Energie. Die korrekte Bilanz muss die Systemgrenze nennen.

Transferaufgabe: Technikentscheidung

Aufgabe: Entscheide für drei Situationen, wann Direktstrom, Batterie oder Wasserstoff zweckmäßig erscheint: Laden am selben Tag, längerfristige Speicherung und chemischer Wasserstoffbedarf eines Industriebetriebs.

Hilfe 1: Prüfe, ob Wasserstoff als Stoff benötigt wird.

Hilfe 2: Prüfe die notwendige Speicherdauer und vorhandene Infrastruktur.

Hilfe 3: Vergleiche Energieverluste, Kosten, Verfügbarkeit und Risiken.

Begründetes Musterfeedback: Für kurzfristige elektrische Nutzung sind Direktversorgung oder Batterien häufig effizienter. Für stoffliche Anwendungen und mögliche Langzeitspeicherung kann Wasserstoff Vorteile besitzen. Die Entscheidung ist aber nur belastbar, wenn konkrete Betriebsdaten, wirtschaftliche Rahmenbedingungen und Sicherheitsanforderungen vorliegen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Warum bezeichnet man Wasserstoff als Energieträger? (Weil Wasserstoff Energie speichern und transportieren kann) (!Weil Wasserstoff ohne Energieeinsatz entsteht) (!Weil Wasserstoff elektrische Energie erzeugt ohne einen Brennstoff zu verbrauchen) (!Weil Wasserstoff unabhängig von seiner Herstellung immer klimaneutral ist)

Welche Aufgabe erfüllt ein Elektrolyseur? (Er spaltet Wasser mit Energiezufuhr in Wasserstoff und Sauerstoff) (!Er wandelt Wasserstoff direkt in elektrischen Strom um) (!Er speichert elektrische Energie ausschließlich in einem Akku) (!Er erzeugt Wasserstoff ohne Energiebedarf)

Was ist ein typisches Produkt der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion in einer Brennstoffzelle? (Wasser) (!Kohlenmonoxid) (!Methan) (!Schwefeldioxid)

Welche Aufgabe erfüllt die Protonenaustauschmembran in einer PEM-Brennstoffzelle? (Sie ermöglicht den Transport von Protonen) (!Sie lässt Elektronen bevorzugt durch die Membran fließen) (!Sie speichert den gesamten Wasserstoffvorrat) (!Sie verbrennt Wasserstoff direkt)

Was bedeutet Sektorkopplung? (Die Verbindung verschiedener Energieverbrauchssektoren) (!Die vollständige Trennung von Strom und Wärme) (!Der Einsatz ausschließlich fossiler Brennstoffe) (!Die Speicherung von Energie nur in Batterien)

Wie groß ist der untere Heizwert von einem Kilogramm Wasserstoff ungefähr? (33,3 kWh) (!3,3 kWh) (!333 kWh) (!1000 kWh)

Wie groß ist die elektrische Rückgewinnung im dargestellten Modell bei 100 kWh Eingang? (29,25 kWh) (!100 kWh) (!90 kWh) (!65 kWh)

Welche Aussage zur Wasserstoffverbrennung mit Luft ist fachlich richtig? (Es können Stickstoffoxide entstehen) (!Es entstehen unter allen Umständen ausschließlich Wassermoleküle) (!Eine Wasserstoffflamme ist grundsätzlich ungefährlich) (!Die Verbrennung benötigt keinen Sauerstoff)

Was muss vor Arbeiten an einer realen Wasserstoffanlage sichergestellt werden? (Eine geeignete Gefährdungsbeurteilung und erforderliche fachliche Freigaben) (!Eine kurze Internetrecherche als alleiniger Sicherheitsnachweis) (!Ein selbst gebautes Prüfgerät ohne fachliche Abnahme) (!Eine eigenständige Gasfreisetzung zur Funktionsprüfung)

Welche Aussage zur Klimawirkung von Wasserstoff ist zutreffend? (Sie hängt unter anderem von Herstellung und Energiebereitstellung ab) (!Jede Herstellungsart ist automatisch emissionsfrei) (!Der Transport besitzt grundsätzlich keinen Energiebedarf) (!Wasserstoff aus Erdgas ist stets emissionsfrei)

Memory

Ordne die Fachbegriffe den passenden Bedeutungen zu.

Elektrolyse	Wasserzerlegung durch Energiezufuhr
Brennstoffzelle	Elektrochemische Rückverstromung
Anode	Ort der Elektronenabgabe bei der PEM-Brennstoffzelle
Kathode	Ort der Elektronenaufnahme bei der PEM-Brennstoffzelle
Sektorkopplung	Verbindung unterschiedlicher Energiesektoren
Heizwert	Energiemenge ohne Nutzung der Kondensationswärme
Explosionsschutz	Vermeidung gefährlicher explosionsfähiger Gemische und ihrer Entzündung

Drag and Drop

Ordne den jeweiligen Energietechnologien ihre Funktionen zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Elektrolyseur	Strom in chemische Wasserstoffenergie umwandeln
Brennstoffzellenstack	Wasserstoff elektrochemisch rückverstromen
Wasserstoffspeicher	Gasförmigen Energieträger bevorraten
Wärmepumpe	Umweltwärme unter Einsatz von Antriebsenergie bereitstellen
Batteriespeicher	Elektrische Energie elektrochemisch zwischenspeichern

Feedback: Achte auf den Unterschied zwischen Energiespeicherung, Stoffumwandlung und Energieumwandlung. Eine Technologie muss nach ihrer tatsächlichen Funktion und nicht nur nach ihrer Bezeichnung zugeordnet werden.

Kreuzworträtsel

Elektrolyse	Welcher Prozess zerlegt Wasser durch Zufuhr elektrischer Energie?
Anode	An welcher Elektrode erfolgt bei der PEM-Brennstoffzelle die Oxidation von Wasserstoff?
Kathode	An welcher Elektrode wird bei der PEM-Brennstoffzelle Sauerstoff reduziert?
Sauerstoff	Welches Element wird bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion zusätzlich benötigt?
Wirkungsgrad	Welche Kenngröße beschreibt das Verhältnis von nutzbarer und eingesetzter Energie?
Speicher	Wie heißt eine Einrichtung zur zeitlich verschobenen Bereitstellung von Energie oder Energieträgern?

LearningApps

Hinweis: Die Suchergebnisse von LearningApps sind externe, unterschiedlich erstellte Materialien. Prüfe die fachliche Richtigkeit und Eignung vor der Verwendung.

Lückentext

Wasserstoff ist ein chemischer

.

Bei der Zerlegung von Wasser durch elektrischen Strom spricht man von

.

Das bei der Wasserzerlegung neben Wasserstoff entstehende Gas heißt

.

Eine Brennstoffzelle liefert nutzbare elektrische

.

Die Protonenaustauschmembran transportiert

.

Bei der PEM-Brennstoffzelle entstehen an der Kathode Wassermoleküle aus den reagierenden

.

Die Verbindung von Stromversorgung, Industrie, Wärme und Verkehr nennt man

.

Der untere Heizwert von Wasserstoff beträgt ungefähr 33,3 kWh je

.

Das Verhältnis von Nutzenergie zur eingesetzten Energie heißt

.

Die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft kann zur Entstehung von

führen.

Vor betrieblichen Arbeiten an Wasserstoffanlagen ist eine geeignete

erforderlich.

Die Klimawirkung des Wasserstoffs hängt wesentlich von der Art seiner

ab.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben ausschließlich theoretisch, digital oder mit freigegebenem Bildmaterial.

Leicht

Begriffsplakat: Gestalte ein digitales Plakat mit den Begriffen Wasserstoff, Elektrolyse, Brennstoffzelle und Energieträger.
Erklärzeichnung: Zeichne den Energie- und Stofffluss vom Wasser zur Wasserstoffherstellung.
Bildanalyse: Beschrifte die zentralen Bauteile einer Brennstoffzelle anhand einer geprüften Abbildung.
Kurzvideo: Produziere ein einminütiges digitales Erklärvideo über den Zusammenhang zwischen erneuerbarem Strom und Wasserstoff.

Standard

Energiebilanz: Erstelle eine Tabellenkalkulation zur modellhaften Rückverstromung von 100 kWh und variiere die drei Wirkungsgrade.
Energieflussplan: Entwickle einen Energieflussplan für einen kommunalen Betrieb mit Strom, Wärme, Mobilität und Wasserstoff.
Technikvergleich: Vergleiche Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge anhand nachvollziehbarer Kriterien und benenne fehlende Informationen.
Sicherheitsanalyse: Untersuche ein veröffentlichtes DGUV-Sicherheitsdokument und stelle ausschließlich organisatorische und fachliche Freigabeanforderungen zusammen.

Schwer

Quellenstudie: Vergleiche IEA, Umweltbundesamt und einen Unternehmensbeitrag hinsichtlich Datengrundlage, Interessenlage und Aussagegrenzen.
Planungsprojekt: Erstelle für das fiktive Stadtwerk eine Entscheidungsmatrix zu Direktstrom, Batterie und Wasserstoff unter verschiedenen Speicherzeiten.
Abgasbewertung: Entwickle eine Präsentation über den Unterschied zwischen elektrochemischer Wasserstoffnutzung und Wasserstoffverbrennung einschließlich möglicher Stickstoffoxide.
Fachinterview: Führe ein Interview mit einer qualifizierten Fachperson aus Energietechnik oder Arbeitssicherheit. Frage nach Ausbildung, Einsatzgebieten, Grenzen und Freigabeprozessen; betrete keine Gefahrenbereiche und führe keine Anlagenarbeiten durch.

Feedback und Selbstkontrolle zu den offenen Aufgaben

Basisniveau: Deine Darstellung ist fachlich tragfähig, wenn sie Wasserstoff als Energieträger erkennt und Herstellung und Nutzung unterscheidet. Fehlende Energiezufuhr oder eine Verwechslung von Brennstoffzelle und Verbrennung müssen korrigiert werden.

Anwendungsniveau: Deine Ergebnisse sind nachvollziehbar, wenn Einheiten, Systemgrenzen, Annahmen und Zwischenergebnisse erkennbar sind. Eine einzelne Prozentzahl ohne Angaben zum Energiesystem genügt nicht.

Transferniveau: Eine überzeugende Bewertung berücksichtigt verschiedene Optionen, Unsicherheiten, Emissionen der Vorkette und Sicherheitsanforderungen. Eine pauschale Technikempfehlung ohne konkreten Anwendungsfall ist nicht ausreichend.

Lernkontrolle

Die folgenden Aufgaben verlangen begründete Zusammenhänge und einen Transfer in neue Situationen.

Energiesystem: Ein Betrieb benötigt für wenige Stunden zusätzliche elektrische Energie. Begründe, weshalb Wasserstoff nicht automatisch die effizienteste Wahl ist.
Industrielle Wasserstoffnutzung: Ein Chemiebetrieb benötigt Wasserstoff als Ausgangsstoff. Erkläre, warum der Vergleich mit einer rein elektrischen Batterie hier nur eingeschränkt sinnvoll ist.
Energieeffizienz: Der angenommene Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs sinkt. Erläutere die Auswirkungen auf Wasserstoffmenge, Strombedarf und Gesamtsystem.
Umweltbilanz: Zwei Unternehmen werben mit grünem Wasserstoff. Entwickle Prüffragen, mit denen Du Stromherkunft, Lieferkette und Umweltwirkung beurteilen kannst.
Technische Sicherheit: Eine fiktive Anlage meldet eine wasserstoffbezogene Warnung. Erläutere, weshalb Du keine eigene Fehlersuche an gasführenden Komponenten durchführen darfst und welche betrieblichen Melde- und Freigabewege grundsätzlich erforderlich sind.
Sektorenkopplung: Entwickle ein Konzept, wie erneuerbarer Strom in einem Industriegebiet möglichst effizient genutzt werden könnte. Begründe die Reihenfolge direkter Nutzung, Speicherung und Wasserstoffherstellung.

Bewertungskriterien: Fachliche Korrektheit, nachvollziehbare Begründung, geeignete Quellen, transparente Annahmen und sichere Entscheidungen.

Lernnachweis

Für einen vollständigen Lernnachweis reichst Du eine digitale Lernmappe ein.

Sie enthält:

Elektrolyse: Eine korrekte Darstellung der Wasserstoffherstellung und ihrer Energiezufuhr.
Brennstoffzelle: Ein beschriftetes Funktionsschema mit Erläuterung der Energieumwandlung.
Energiebilanz: Eine korrekt gerechnete Modellkette mit Einheiten und Wirkungsgraden.
Sektorenkopplung: Eine begründete Zuordnung mindestens dreier möglicher Energienutzungen.
Quellenkritik: Einen dokumentierten Vergleich von mindestens zwei unabhängigen Fachquellen.
Sicherheitstechnik: Eine eindeutige Kennzeichnung der Gefahrenbereiche Gas, Wasserstoff, Verbrennung und Abgas sowie der Grenzen der eigenen Qualifikation.
Technikfolgenabschätzung: Eine begründete Entscheidung für den betrieblichen Praxisfall.

Bewertungsraster:

Kompetenz	Anteil
Fachwissen und Energieumwandlungen	25 %
Berechnungen und Modellgrenzen	25 %
Betriebliche Anwendung und Transfer	20 %
Quellenkritik und Umweltbewertung	15 %
Sicherheit und fachliche Zuständigkeiten	15 %

Sicherheitskriterium: Gefährliche Eigenversuche, unqualifizierte Eingriffe oder das Umgehen betrieblicher Freigaben sind kein zulässiger Lernnachweis. Der Kurs ersetzt keine fachliche Qualifizierung.

OERs zum Thema

Wikipedia: Sektorenkopplung

Ergänzend:

Wasserstoff: Chemische und physikalische Grundlagen.
Brennstoffzelle: Aufbau und elektrochemische Funktionsweise.
Elektrolyse: Stoffumwandlung durch elektrische Energie.
Power-to-Gas: Stromumwandlung in gasförmige Energieträger.
Wasserstoffwirtschaft: Technische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Zusammenhänge.

Fachquellen, Demonstrationen und Medienrechte

Prüfstand: 11. Oktober 2026. Die nachstehenden Webseiten und Medien wurden anhand ihrer öffentlich erreichbaren Beschreibungen, Quellenangaben und Lizenzinformationen ausgewählt. Die technische Aktualität älterer Medien ist von aktuellen Daten und Vorschriften zu unterscheiden.

Fachlich überprüfbare Grundlagen

IEA (2026): Global Hydrogen Review 2026. Internationale Produktions- und Nachfragedaten, veröffentlicht am 18. Juni 2026; Bericht unter CC BY 4.0.
Umweltbundesamt: Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem. Einordnung von Herstellung und Wasserbedarf.
Fraunhofer IEE (2026): Sektorenkopplung. Energiesystemische Einordnung.
DLR: Brennstoffzellen und Elektrolyse. Fachliche Grundlagen und Forschung.
US Department of Energy: PEM-Elektrolyse. Technische Kennwerte mit unterschiedlichen Systemgrenzen.
DGUV (2023): FBETEM-007. Gefährdungen und Schutzmaßnahmen.
DGUV (September 2026): FBHL-025. Qualifikationsanforderungen für Wasserstoffbetankungs- und Füllanlagen.
DVGW: Wasserstoff und Energiewende. Fachregelwerk und Qualifizierung.

Mediennachweise

Medium	Herkunft und Rechte
	Davidlfritz, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0. Lizenz und Urheber
	Jafet, Wikimedia Commons, Public Domain. Dateinachweis
	Hanno Böck, Wikimedia Commons, CC0. Dateinachweis
	Wikimedia Commons, CC0. Dateinachweis
	Philipp Büttgenbach, auf Grundlage von Michael Liebreich und weiteren Konzeptbeiträgen, Wikimedia Commons, CC BY 3.0. Lizenz und Urheber

Videos: Der Film der Max-Planck-Gesellschaft und das Video von youknow sind über ihre überprüfbaren YouTube-Adressen eingebunden. Die Inhalte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Eine Einbettung stellt keine allgemeine freie Nachnutzungslizenz dar. Das youknow-Video erlaubt laut Veröffentlichung die unveränderte Einbettung unter Nennung des Herausgebers.

Universitäre Demonstrationen: Die Bergische Universität Wuppertal veröffentlicht ihre Versuchsdokumentationen mit angegebenen Lizenzhinweisen, darunter CC BY-SA 4.0 für entsprechend gekennzeichnete digitale Materialien. Im Kurs werden die Originalseiten verlinkt und die Demonstrationen nicht als eigene Experimente übernommen.

Interaktive Modelle: planet schule und die Universität Wuppertal werden über ihre Originalseiten aufgerufen. Eine freie Lizenz zur eigenständigen Weiterverbreitung der gesamten Anwendung wird nicht vorausgesetzt.

Quellenkritischer Hinweis: Aktuelle Fachberichte, ältere wissenschaftliche Erklärfilme, interessengebundene Unternehmensbeiträge und modellhafte Berechnungen besitzen unterschiedliche Aussagekraft. Quellenangaben, Zahlenstand, Lizenzbedingungen und mögliche Änderungen sind vor einer Weiterverwendung zu prüfen.