Physik · Klasse 9

Ideen für aktives Lernen

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.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: Sekundarstufe I - Fachwissen
• KMK: Sekundarstufe I - Bewertung

• 20–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie den Schülern eine einfache Skizze einer Elektrolyse-Apparatur bereit. Bitten Sie sie, die Reaktionsgleichung für die Wasserspaltung aufzuschreiben und die Richtung des Energieflusses zu kennzeichnen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 02

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

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, physikalische und chemische Aspekte zu berücksichtigen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 03

• 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.

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.

Worauf zu achten ist

Bitten Sie die Schüler, auf einem Zettel zwei Sätze zu formulieren: Der erste Satz soll erklären, warum die Nutzung von 'grünem' Wasserstoff als Energieträger als nachhaltig gilt. Der zweite Satz soll eine wesentliche Herausforderung bei seiner breiten Anwendung nennen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Aktivität 04

• 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.

Wie lässt sich Wasserstoff effizient und nachhaltig erzeugen?

Worauf zu achten ist

Stellen Sie den Schülern eine einfache Skizze einer Elektrolyse-Apparatur bereit. Bitten Sie sie, die Reaktionsgleichung für die Wasserspaltung aufzuschreiben und die Richtung des Energieflusses zu kennzeichnen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

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.

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.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

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

  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.

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

  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.

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

  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.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Fallstudienanalyse