Wasserstoff als Energieträger

Aktive Experimente und Modellarbeit helfen den Schülern, die abstrakten Prozesse der Elektrolyse und Brennstoffzellenoperation konkret zu erleben. Durch das eigenständige Beobachten, Messen und Berechnen verstehen sie, warum Wasserstoff als Energieträger eine zentrale Rolle in der Energiewende spielt und welche physikalischen Prinzipien dahinterstehen.

• Klasse 9
• Physik 9: Energie, Materie und die Gesetze der Natur
• 4 Aktivitäten
• 20 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie die chemischen Reaktionen bei der Elektrolyse von Wasser und der Rückreaktion in einer Brennstoffzelle.
2. Berechnen Sie den Wirkungsgrad einer Wasserstoff-Energieumwandlung unter Berücksichtigung von Energieverlusten.
3. Vergleichen Sie die Vor- und Nachteile von Wasserstoff als Energieträger mit denen von Batterien und fossilen Brennstoffen.
4. Bewerten Sie die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen der Wasserstoffproduktion mittels erneuerbarer Energien.

Fallstudienanalyse

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Stationenrotation: Elektrolyse-Stationen

Richten Sie drei Stationen ein: 1. Elektrolyse mit 9-V-Batterie und Elektroden in Wasser mit Salz, 2. Gas-Sammlung in umgekehrten Probiergläsern, 3. Zündtest des Wasserstoffs (unter Aufsicht). Gruppen rotieren alle 10 Minuten und protokollieren Gasvolumen und Spannung.

Vorbereitung & Details

Wie lässt sich Wasserstoff effizient und nachhaltig erzeugen?

Moderationstipp: Stellen Sie sicher, dass bei der Stationenrotation jede Experimentierstation mit ausreichend Sicherheitsausrüstung und klaren Arbeitsanweisungen ausgestattet ist, damit die Schülerinnen und Schüler selbstständig und sicher arbeiten.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 50 Min.·Partnerarbeit

Paararbeit: Brennstoffzelle-Modell

Paare bauen eine einfache PEM-Brennstoffzelle mit Graphitplatten, Membran und Wasserstoff aus Elektrolyse. Sie messen Spannung und Strom bei variierendem Gasfluss. Abschließend vergleichen sie gemessene Werte mit theoretischen Effizienzen.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Funktionsweise einer Brennstoffzelle zur Energiegewinnung aus Wasserstoff.

Moderationstipp: Beobachten Sie während der Paararbeit mit den Brennstoffzellen-Modellen, ob die Teams die Unterschiede zwischen elektrochemischer Umwandlung und Verbrennung korrekt erkennen, und greifen Sie bei Bedarf mit gezielten Fragen ein.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 30 Min.·Ganze Klasse

Ganzer-Klasse-Diskussion: Energieträger-Vergleich

Präsentieren Sie Daten zu Effizienzen von Wasserstoff, Batterien und Erdgas. Schüler bewerten in Plenum Vorzüge für die Zukunft, basierend auf Gruppenrecherchen zu Kosten und CO₂-Einsparungen.

Vorbereitung & Details

Bewerten Sie die Rolle von Wasserstoff als zukünftiger Energieträger im Kontext der globalen Energieversorgung.

Moderationstipp: Leiten Sie die Diskussion zum Energieträger-Vergleich mit konkreten Beispielen aus den vorherigen Stationen, damit die Schülerinnen und Schüler ihre Argumente auf beobachtbare Phänomene stützen können.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 20 Min.·Einzelarbeit

Individuelle Aufgabe: Energiebilanz-Rechnung

Jeder Schüler berechnet den Wirkungsgrad einer Kette Elektrolyse-Brennstoffzelle mit gegebenen Spannungen und Strömen. Sie visualisieren Verluste in Sankey-Diagrammen und notieren Implikationen für Nachhaltigkeit.

Vorbereitung & Details

Wie lässt sich Wasserstoff effizient und nachhaltig erzeugen?

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Dieses Thema unterrichten

Dieses Thema erfordert eine Balance zwischen Hands-on-Experimenten und konzeptuellem Verständnis. Vermeiden Sie zu frühe theoretische Vertiefungen, bevor die Schülerinnen und Schüler die Prozesse im Experiment erlebt haben. Nutzen Sie die Messdaten aus der Elektrolyse und Brennstoffzellen-Tests als Ausgangspunkt für die Diskussion über Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler nachhaltiger lernen, wenn sie physikalische Prinzipien mit direkten Erfahrungen verknüpfen können.

Was Sie erwartet

Am Ende der Einheit können die Schülerinnen und Schüler die Reaktionsgleichungen der Wasserspaltung und der Energieumwandlung in Brennstoffzellen fehlerfrei wiedergeben und energetische Verluste quantitativ bewerten. Sie unterscheiden klar zwischen Elektrolyse und Verbrennung und begründen, warum grüner Wasserstoff nachhaltig ist.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Stationenrotation zur Elektrolyse beobachten Sie, dass einige Schülerinnen und Schüler fälschlicherweise annehmen, Wasserstoff entstehe durch Verbrennung von Wasser.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die gemessenen Gasvolumina aus dem Experiment, um zu zeigen, dass sich bei der Elektrolyse deutlich mehr Gas bildet als bei einer Verbrennung. Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler die Reaktionsgleichung der Verbrennung mit der der Elektrolyse vergleichen und die Unterschiede in den Edukten und Produkten herausarbeiten.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Paararbeit mit den Brennstoffzellen-Modellen hören Sie Äußerungen, die darauf hindeuten, dass die Brennstoffzelle Wasserstoff wie ein Verbrennungsmotor 'verbrennt'.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Teams auf, die Temperatur der Brennstoffzelle während des Betriebs zu messen und mit der einer Kerzenflamme zu vergleichen. Zeigen Sie ihnen ein Thermometer und lassen Sie sie feststellen, dass die Zelle deutlich kühler bleibt, was auf eine elektrochemische statt thermische Reaktion hindeutet.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Energieträger-Vergleichs in der Großgruppen-Diskussion äußern Schülerinnen und Schüler pauschal, Wasserstoff sei immer umweltfreundlich und effizient.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, die CO₂-Bilanzen der verschiedenen Wasserstoff-Herstellungsverfahren aus den bereitgestellten Materialien zu vergleichen. Lassen Sie sie in Kleingruppen diskutieren, warum grüner, grauer und blauer Wasserstoff unterschiedliche Auswirkungen auf das Klima haben.

Ideen zur Lernstandserhebung

Kurze Überprüfung

Nach der Stationenrotation zur Elektrolyse geben Sie den Schülerinnen und Schülern eine einfache Skizze der Apparatur vor und bitten sie, die Reaktionsgleichung für die Wasserspaltung aufzuschreiben und die Richtung des Energieflusses durch Pfeile zu kennzeichnen.

Diskussionsfrage

Nach der Paararbeit mit den Brennstoffzellen-Modellen leiten Sie eine Diskussion mit der Frage: 'Welche drei Hauptunterschiede gibt es zwischen der Energiespeicherung in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle und in einer Lithium-Ionen-Batterie?' Fordern Sie die Schüler auf, ihre Antworten mit physikalischen und chemischen Aspekten aus den Experimenten zu begründen.

Lernstandskontrolle

Nach der Einheit zum Vergleich der Energieträger bitten Sie die Schülerinnen und Schüler, auf einem Zettel zwei Sätze zu formulieren: Der erste Satz erklärt, warum die Nutzung von 'grünem' Wasserstoff als Energieträger als nachhaltig gilt. Der zweite Satz nennt eine wesentliche Herausforderung bei seiner breiten Anwendung.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler auf, eine eigene kleine Lebenszyklus-Analyse für verschiedene Wasserstoff-Herstellungsverfahren zu erstellen und mit Daten aus dem Internet zu belegen.
• Unterstützen Sie Schülerinnen und Schüler mit Schwierigkeiten, indem Sie ihnen eine vorgefertigte Tabelle für die Energiebilanz-Rechnung bereitstellen, in die sie nur noch die Messwerte eintragen müssen.
• Vertiefen Sie das Thema mit einer Exkursion zu einem lokalen Wasserkraftwerk oder einer Power-to-Gas-Anlage, um die praktische Umsetzung der theoretischen Inhalte zu veranschaulichen.

Schlüsselvokabular

Elektrolyse	Ein Prozess, bei dem elektrische Energie genutzt wird, um Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu zerlegen.
Brennstoffzelle	Eine elektrochemische Zelle, die Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie, Wasser und Wärme umwandelt.
Wirkungsgrad	Das Verhältnis der nutzbaren Energie, die aus einem Prozess gewonnen wird, zur insgesamt aufgewendeten Energie; ein Maß für die Effizienz.
Grüner Wasserstoff	Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie hergestellt wird.