Title: Rahmenbedingungen
Course: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft? - kontextorientierte Förderung von Bewertungskompetenz > Section: Materialien für Lehrkräfte

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Einführung und Inhaltsverzeichnis

Zielgruppe: Jgst. 9 - Q2 (am Gymnasium)

Eine Thematisierung ist problemlos ab der Jgst. 9 möglich. Die Materialien sind aber auch für die Oberstufe geeignet.

Zeitplanung: 2 bis 14 Ustd. (à 45 min) - abhängig von Art und Intensität der Thematisierung

2 Ustd. z.B. für einen Exkurs zu einem der Themenfelder
14 Ustd. bei einer vollständigen Thematisierung im regulären Unterricht
Genauere Angaben zur benötigten Zeit für die einzelnen Module bzw. Materialien finden Sie im Abschnitt Vorstellung der Unterrichtsmaterialien .

Auf den folgenden Seiten sind die weiteren Rahmenbedingungen für eine Thematisierung von Wasserstoff als Energieträger dargestellt. Sie können sich nacheinander durch die Unterkapitel bewegen oder das Inhaltsverzeichnis zur gezielten Navigation nutzen.

1. Relevanz der Thematisierung im schulischen Kontext

2. Ziele der Thematisierung

3. Anbindung an die Kernlehrpläne NRW

3.1 Anbindung im Fach Physik
3.2 Anbindung im Fach Chemie

4. Notwendige Vorkenntnisse der SuS

1. Relevanz der Thematisierung im schulischen Kontext

Durch den in Deutschland beschlossenen Kohleausstieg bis spätestens 2038 wird sich die Energiegewinnung grundlegend wandeln. Eine vielversprechende Lösung für die nötige Energiewende könnte die Entwicklung und Umsetzung der Wasserstoff-Technologie darstellen. Es ist daher wichtig, die kommende Generation der Schülerinnen und Schüler auch im Hinblick auf dieses Thema auszubilden.

Damit bietet eine Beschäftigung mit Wasserstoff als Energieträger die Möglichkeit, ein politisch aktuelles Thema im naturwissenschaftlichen Unterricht zu behandeln und fachliche Grundlagen zu legen. Es wird erwartet, dass dieses Thema in Zukunft an Bedeutung gewinnt und somit ein wichtiger Bestandteil schulischer Bildung wird.

Zudem liefert das Thema aufgrund seiner politischen und gesellschaftlichen Relevanz einen guten Anlass, die fachliche Bewertungskompetenz im naturwissenschaftlichen Kontext zu schulen. Dass es sich dabei um einen wesentlichen Bestandteil von Allgemeinbildung handelt, wird beispielsweise auch im Kernlehrplan für Physik hervorgehoben (vgl. KLP PH, S. 8).
In einzelnen Themenbereichen lassen sich bereits Unterrichtsmaterialien finden, die jedoch meist nur einzelne Aspekte in den Blick nehmen. Die hier zur Verfügung gestellten Unterrichtsmaterialien sollen hingegen einen umfassenderen Blick auf die Thematik ermöglichen. Dabei bieten sich immer wieder Anknüpfungspunkte für andere Fächer, die sich für fächerverbindendes Arbeiten eignen.

Quelle:

[KLP PH] Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSB NRW). (Hrsg.). (2019). Kernlehrplan für die Sekundarstufe I Gymnasium in Nordrhein-Westfalen Physik. Abgerufen am 06.02.2024 von https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/208/g9_ph_klp_%203411_2019_06_23.pdf

2. Ziele der Thematisierung

Die SuS sollen die Bedeutung der Wasserstoff-Technologie beschreiben und ihren Nutzen in Bezug auf die Energiewende fachlich fundiert beurteilen können. Dies soll ihnen einen Einblick in die Möglichkeiten einer aktiven Mitgestaltung des künftigen Energiesektors bieten.

Die folgenden Teilkompetenzen sind dabei aus unserer Sicht besonders zentral und sollten von allen SuS erworben werden.

- Die SuS beschreiben die Notwendigkeit, Lösungen für eine nachhaltige Energiegewinnung zu finden.
- Die SuS begründen, dass Wasserstoff nur dann eine sinnvolle Alternative sein kann, wenn die Herstellung "grün" ist.
- Die SuS beschreiben mindestens einen konkreten Anwendungsbereich von Wasserstoff als Energieträger und benennen sowohl Vor- als auch Nachteile der Anwendung.
- Die SuS nennen aktuelle Schwierigkeiten und Herausforderungen, die einem Ausbau der Wasserstoff-Technologie entgegenstehen.
- Die SuS diskutieren die Notwendigkeit, im Rahmen der Wasserstoff-Technologie kriteriengeleitet Entscheidungen zu treffen. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus der Vielfalt der Einflussgrößen, die eine Rolle spielen und sich gegenseitig bedingen.
- Die SuS stellen eigene Entscheidungen im Kontext von Wasserstoff als Energieträger dar und berücksichtigen dabei eine strukturierte Vorgehensweise zum Treffen solcher Entscheidungen.

3. Anbindung an die Kernlehrpläne NRW

Die meisten Anknüpfungspunkte zum Thema Wasserstoff als Energieträger finden sich im Fach Physik. Auch dem Fach Chemie kommt eine besondere Bedeutung zu.

Für beide Fächer wird im Folgenden dargestellt, inwiefern sich die Thematik in den Kernlehrplänen des Landes NRW wiederfinden lässt.

3.1 Anbindung im Fach Physik
3.2 Anbindung im Fach Chemie

Darüber hinaus lassen sich vielfach Bezüge zu weiteren Fächern wie Politik, Sozialwissenschaften und Erdkunde herstellen, die für ein fächerverbindendes oder fachübergreifendes Lernen genutzt werden können.

3.1 Anbindung im Fach Physik

Das Thema Wasserstoff als Energieträger ist im Fach Physik dem Inhaltsfeld 11: Energieversorgung zuzuordnen (KLP PH 2019, S. 43), in dem die Bereitstellung und Nutzung von Energie behandelt werden soll. Dabei sind insbesondere die Unterthemen regenerative Energieanlagen, Energieübertragung, Energieentwertung, Wirkungsgrad und Nachhaltigkeit relevant, die eng mit der Thematisierung von Wasserstoff verknüpft sind.

Die in diesem Kurs vorgestellten Unterrichtsmaterialien sprechen die folgenden Kompetenzen an (KLP PH 2019, S. 43 f):

Die Schülerinnen und Schüler können

- "Energieumwandlungen vom Kraftwerk bis zum Haushalt unter Berücksichtigung von Energieentwertungen beschreiben [...]",
- "Beispiele für konventionelle und regenerative Energiequellen angeben und diese unter verschiedenen Kriterien vergleichen",
- "[...] aktuelle Möglichkeiten zur Energiespeicherung erläutern",
- "den Wirkungsgrad eines Energiewandlers berechnen und damit die Qualität des Energiewandlers beurteilen",
- "die Notwendigkeit eines verantwortungsvollen Umgangs mit (elektrischer) Energie argumentativ beurteilen",
- "Vor- und Nachteile erneuerbarer und nicht erneuerbarer Energiequellen mit Bezug zum Klimawandel begründet gegeneinander abwägen und bewerten",
- "Chancen und Grenzen physikalischer Sichtweisen bei Entscheidungen für die Nutzung von Energieträgern aufzeigen",
- "im Internet verfügbare Informationen und Daten zur Energieversorgung sowie ihre Quellen und dahinterliegende mögliche Strategien kritisch bewerten".

Quelle:

[KLP PH] Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSB NRW). (Hrsg.). (2019). Kernlehrplan für die Sekundarstufe I Gymnasium in Nordrhein-Westfalen Physik. Abgerufen am 06.02.2024 von https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/208/g9_ph_klp_%203411_2019_06_23.pdf

3.2 Anbindung im Fach Chemie

Das Thema Wasserstoff als Energieträger kann im Fach Chemie insbesondere den Inhaltsfeldern 2: Chemische Reaktionen (vgl. KLP CH 2019, S. 21) und 7: Chemische Reaktionen durch Elektronenübertragung (vgl. ebd., S. 31) zugeordnet werden, in denen die Stoffumwandlung und die Energieumwandlung bei chemischen Reaktionen sowie die Elektrolyse und die Brennstoffzelle als Energiequelle behandelt werden sollen.

Die in diesem Kurs vorgestellten Unterrichtsmaterialien sprechen die folgenden Kompetenzen an (KLP CH 2019):

Die Schülerinnen und Schüler können

- "bei ausgewählten chemischen Reaktionen die Energieumwandlung der in den Stoffen gespeicherten Energie (chemische Energie) in andere Energieformen begründet angeben" (S. 21),
- "einfache chemische Reaktionen sachgerecht durchführen und auswerten" (S. 21),
- "chemische Reaktionen anhand von Stoff- und Energieumwandlungen auch im Alltag identifizieren" (S. 21),
- "die chemischen Prozesse eines galvanischen Elements und einer Elektrolyse unter dem Aspekt der Umwandlung in Stoffen gespeicherter Energie in elektrische Energie und umgekehrt erläutern" (S. 31),
- "den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise einer Batterie, eines Akkumulators und einer Brennstoffzelle beschreiben" (S. 31),
- "Kriterien für den Gebrauch unterschiedlicher elektrochemischer Energiequellen im Alltag reflektieren" (S. 31).

Die Themenfelder bzw. Lektionen "Elektrolyseur und Brennstoffzelle" und "Stahlproduktion" eignen sich besonders für eine Behandlung im Chemieunterricht.

Quelle:

[KLP CH] Ministerium für Schule und Bildung des Landes Nordrhein-Westfalen (MSB NRW). (Hrsg.). (2019). Kernlehrplan für die Sekundarstufe I Gymnasium in Nordrhein-Westfalen Chemie. Abgerufen am 06.02.2024 von https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplan/198/g9_ch_klp_%203415_2019_06_23.pdf

4. Notwendige Vorkenntnisse der SuS

Die Unterrichtsmaterialien wurden für SuS ab der Jgst. 9 konzipiert.

Um das Fachwissen zum Thema Wasserstoff als Energieträger aufbauen zu können, sind fachliche Grundlagen aus dem Bereich Energie nötig. Der Energiebegriff sollte im Physikunterricht bereits eingeführt worden sein. Im Vorfeld sollte eine Thematisierung oder Wiederholung verschiedener Formen von Energie sowie des Prinzips der Energieumwandlung stattgefunden haben. Die entsprechenden Grundlagen sollten am Gymnasium bereits während der Erprobungsstufe gelegt worden sein.

Das Material greift folgende Aspekte der Energiebereitstellung in einer vorbereitenden Unterrichtseinheit auf:

- Klimawandel, CO_2-Emissionen und ihre Reduzierung, Kohleausstieg (z.B. im Rheinischen Revier)
- Erneuerbare Energie (Windkraft, Solar) und ihre schwankende Verfügbarkeit
- Energiebedarf, Klärung Begrifflichkeit Energieverbrauch und Energieentwertung

Abhängig von den Vorkenntnissen der SuS können Umfang und Intensität der vorbereitenden Unterrichtseinheit angepasst werden.

Zum Teil erfordern einzelne Stationen zusätzliche Vorkenntnisse. Diese sind im Rahmen der Darstellung der einzelnen Materialien näher aufgeführt.

Wir gehen davon aus, dass die Vorkenntnisse hinsichtlich der Bewertungskompetenz bei einem großen Teil der SuS gering sind, und setzen daher in diesem Bereich keine speziellen Kenntnisse voraus.