Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
Wasserstoffexperimente im Unterricht ermöglichen Schülerinnen und Schülern einen praxisnahen Einblick in moderne Energietechnologien und die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Energiewende.
Wasserstoff (H₂) gilt als wichtiger Energieträger für eine klimafreundlichere Energieversorgung. Er lässt sich unter anderem mithilfe elektrischer Energie aus Wasser herstellen und anschließend für unterschiedliche Anwendungen nutzen.
Dabei ist Wasserstoff keine primäre Energiequelle, sondern ein Energieträger, mit dem Energie chemisch gespeichert und bei Bedarf wieder nutzbar gemacht werden kann.
Besonders interessant ist die Verbindung mit erneuerbaren Energien. Wird Wasserstoff durch Elektrolyse unter Verwendung von Strom aus Wind- oder Sonnenenergie hergestellt, spricht man von grünem Wasserstoff.
Doch wie funktioniert die Wasserelektrolyse? Was passiert in einer Brennstoffzelle? Und welche Chancen und Herausforderungen bringt die Nutzung von Wasserstoff mit sich?
Mit geeigneten Schülerexperimenten lassen sich diese Fragen anschaulich untersuchen.
Wie funktioniert die Wasserelektrolyse?
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Dazu wird eine elektrische Gleichspannung an zwei Elektroden angelegt, die sich in einem geeigneten Elektrolyten befinden. An den Elektroden laufen elektrochemische Reaktionen ab, bei denen die beiden Gase entstehen.
Die Gesamtreaktion lautet:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Dabei entstehen Wasserstoff und Sauerstoff im Stoffmengenverhältnis von 2:1.
Die Elektrolyse bietet zahlreiche Anknüpfungspunkte für den Chemieunterricht. Schülerinnen und Schüler können sich mit Elektrodenreaktionen, Redoxprozessen, elektrischer Energie und chemischer Stoffumwandlung beschäftigen.
Im Schülerexperiment lässt sich dieser Prozess mithilfe einer einfachen, selbst gebauten Elektrolysezelle beobachten. Die dabei entstehenden Gase können aufgefangen und unter fachkundiger Aufsicht durch geeignete Nachweisreaktionen identifiziert werden.
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?
Während bei der Elektrolyse elektrische Energie eingesetzt wird, um Wasserstoff herzustellen, ermöglicht eine Brennstoffzelle den umgekehrten Energieumwandlungsprozess.
Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. Dabei wird ein Teil der gespeicherten chemischen Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt.
Diese elektrische Energie kann beispielsweise einen kleinen Elektromotor antreiben.
Die Gesamtreaktion lautet:
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Der Vergleich von Elektrolyse und Brennstoffzelle verdeutlicht einen wichtigen Zusammenhang: Elektrische Energie kann zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden, während dessen anschließende Umsetzung wieder elektrische Energie bereitstellt.
Allerdings treten bei beiden Prozessen Energieverluste auf. Deshalb ist es wichtig, neben den technologischen Möglichkeiten auch den Wirkungsgrad und die sinnvollen Einsatzbereiche von Wasserstoff zu betrachten.
Wasserstofftechnologien experimentell erforschen
Wie lassen sich die Grundlagen dieser Technologien mit kostengünstigen Materialien in der Schule vermitteln?
Im Rahmen des Projekts TeacH₂ Tomorrow wurden an der Universität Potsdam einfache Experimente entwickelt, mit denen Schülerinnen und Schüler Wasserstofftechnologien eigenständig erforschen können.
Ein besonderes Merkmal ist der Einsatz einer kleinen TicTac-Dose als Reaktionskammer.
Die entwickelten Experimente ermöglichen es, verschiedene Schritte der Wasserstoffnutzung nachzuvollziehen:
- Wasserelektrolyse: Eine einfache Elektrolysezelle macht die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sichtbar.
- Nachweis der Reaktionsgase: Die entstandenen Gase können mit geeigneten Microscale-Nachweisverfahren untersucht werden.
- Modell-Brennstoffzelle: Die Elektrolysezelle lässt sich zu einer Brennstoffzelle umbauen, die elektrische Energie für einen kleinen Motor bereitstellen kann.
- Erneuerbare Energien: Durch die Kopplung mit einer Solarzelle lässt sich zeigen, wie Sonnenenergie zur Wasserstoffherstellung genutzt werden kann.
Die Experimente veranschaulichen den Zusammenhang zwischen Stromerzeugung, Energiespeicherung und Energieumwandlung.
Dabei werden komplexe Technologien mit einfachen Materialien zugänglich gemacht und die Lernenden zum eigenständigen Beobachten, Untersuchen und Bewerten angeregt.
Wasserstoff und die Energiewende
Wasserstofftechnologien spielen in der Diskussion um zukünftige Energiesysteme eine wichtige Rolle.
Insbesondere in industriellen Prozessen und in Bereichen, die sich nur schwer direkt elektrifizieren lassen, kann erneuerbar erzeugter Wasserstoff zur Verringerung von Treibhausgasemissionen beitragen.
Gleichzeitig sind mit seiner Herstellung, Speicherung und Nutzung technische, wirtschaftliche und ökologische Herausforderungen verbunden.
Im Unterricht können daher neben den chemischen Grundlagen auch weiterführende Fragestellungen behandelt werden:
- Was unterscheidet grünen, grauen und blauen Wasserstoff?
- Warum ist Wasserstoff ein Energieträger und keine Energiequelle?
- Welche Energieverluste entstehen bei Herstellung und Nutzung?
- Für welche Anwendungen ist Wasserstoff sinnvoll?
- Welche Rolle können Wasserstofftechnologien in einer nachhaltigen Energieversorgung übernehmen?
So lassen sich naturwissenschaftliche Experimente mit gesellschaftlich relevanten Fragen zu Klimaschutz, Mobilität und Energieversorgung verbinden.
Einsatzmöglichkeiten im Chemie- und Physikunterricht
Die Wasserstoffexperimente eignen sich insbesondere für den Chemieunterricht sowie für fächerübergreifende MINT-Projekte.
Fachliche Anknüpfungspunkte bestehen beispielsweise bei Redoxreaktionen, Elektrochemie, Elektrolyse, galvanischen Zellen, Energieumwandlung und erneuerbaren Energien.
Das an der Universität Potsdam entwickelte Unterrichtskonzept richtet sich insbesondere an die Sekundarstufe I. Im Schülerlabor iLUP wird eine Teilnahme ab der 9. Jahrgangsstufe empfohlen.
Durch das eigenständige Experimentieren lernen Schülerinnen und Schüler, naturwissenschaftliche Fragestellungen zu entwickeln, Beobachtungen auszuwerten und technische Anwendungen kritisch zu beurteilen.
Alle Versuche sind unter fachkundiger Aufsicht und entsprechend den zugehörigen Gefährdungsbeurteilungen durchzuführen. Insbesondere beim Umgang mit Wasserstoff, Sauerstoff und Elektrolytlösungen müssen die vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden.
TeacH₂ Tomorrow – Forschung für den Schulunterricht
Die Experimente wurden im Rahmen des Projekts TeacH₂ Tomorrow in der Chemiedidaktik der Universität Potsdam unter Leitung von Prof. Dr. Amitabh Banerji entwickelt.
Ziel des Projekts ist es, Wasserstofftechnologien durch kostengünstige Experimente und didaktisch aufbereitete Lernmaterialien für den schulischen Unterricht zugänglich zu machen.
Im Rahmen der wissenschaftlichen Begleitforschung werden Unterrichtssequenzen zur Wasserstofftechnologie im Kontext von Klimakrise und Energiewende entwickelt und mit Schulklassen evaluiert.
Auch das Schülerlabor iLUP (Innovation Lab Uni Potsdam) bietet Möglichkeiten, moderne Technologien der Energieforschung experimentell kennenzulernen.
Damit verbindet TeacH₂ Tomorrow aktuelle wissenschaftliche Forschung mit der schulischen Bildung und zeigt, wie innovative Lehr-Lern-Konzepte in der Praxis umgesetzt werden können.
Videos und ergänzende Lernmaterialien
Zur Unterstützung der Unterrichtsvorbereitung stellt die Arbeitsgruppe ergänzende Materialien zum Projekt TeacH₂ Tomorrow zur Verfügung.
Dazu gehören Videos zur Wasserelektrolyse und Brennstoffzelle, eine Bauanleitung für die Modell-Elektrolysezelle sowie Präsentationen und Materialien aus der Lehrkräftefortbildung.
Diese Angebote unterstützen die fachliche Vorbereitung und können zur Veranschaulichung der Experimente im Unterricht eingesetzt werden.
Die Videos und Materialien finden Sie auf der Projektseite TeacH₂ Tomorrow der Universität Potsdam.
Wasserstoffexperimente mit boXperiment durchführen
Um die entwickelten Versuche auch außerhalb des Schülerlabors einsetzen zu können, wurden die Experimentiermaterialien im boXperiment H₂-Koffer zusammengestellt.
Mit dem Koffer können bis zu acht Schülergruppen parallel die Grundlagen der Wasserelektrolyse und Brennstoffzellentechnologie experimentell untersuchen.
Weitere Informationen zur Ausstattung, zum Lieferumfang und zu den Bestellmöglichkeiten finden Sie auf unserer Produktseite zum boXperiment H₂-Koffer.
Entdecken Sie, wie sich moderne Wasserstofftechnologien mit einfachen Experimenten in den naturwissenschaftlichen Unterricht integrieren lassen.
