Solarmodul wandelt 31,3 Prozent Sonnenlicht direkt in Wasserstoff um

Forscher:innen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben ein Photovoltaik-Elektrolyse-Modul entwickelt, das Sonnenlicht ohne Umwege in Wasserstoff verwandelt. Im Freiluftbetrieb erreichte der Demonstrator einen Wirkungsgrad von bis zu 31,3 Prozent, gemessen am Brennwert des erzeugten Wasserstoffs. Das liegt rund fünf Prozentpunkte über den besten bisher veröffentlichten Systemen dieser Art und markiert einen deutlichen Sprung gegenüber dem bisherigen Laborrekord von 19,3 Prozent aus dem Jahr 2018.

Der Clou steckt in der direkten Kopplung: Die Solarzellen speisen ihren Strom ohne zwischengeschaltete Leistungselektronik direkt in die Elektrolysezellen ein. Genau diese Komponente frisst in herkömmlichen Systemen Energie und treibt die Kosten hoch. Üblicherweise wandelt ein Stromrichter den Gleichstrom der Solarzellen erst um, bevor er den Elektrolyseur erreicht, und verliert dabei Energie. Das Freiburger Team strich diesen Zwischenschritt komplett.

Vierfachsolarzellen statt Standardpanel

Statt gewöhnlicher Solarmodule setzt das Team auf konzentrierende Photovoltaik. Ein Array aus Fresnel-Linsen bündelt das einfallende Sonnenlicht auf hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen, die ursprünglich für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden und sich dort über Jahre bewährt haben. Diese Zellen liefern eine Leerlaufspannung von über vier Volt, deutlich mehr als klassisches Silizium.

Projektleiter Juan Francisco Martínez Sánchez erläutert, warum die Wahl auf diese Technologie fiel: Konzentrierende Photovoltaik erlaubt eine besonders hohe Photospannung, die sich für die Wasserspaltung eignet. Die Solarzellen wurden so verschaltet, dass sie elektrisch und thermisch mit den Elektrolysezellen verbunden sind. III-V-Zellen gelten als die effizientesten Solarzellen der Welt, sind aber bislang vor allem aus der Raumfahrt bekannt. Auf konzentrierende Module übertragen, könnten sie künftig auch auf der Erde wirtschaftlich Strom erzeugen.

Perfekte Abstimmung zweier Kennlinien

Tom Smolinka, Leiter der Abteilung Membranelektrolyse am Fraunhofer ISE, beschreibt den eigentlichen technischen Kniff: Die Solarzellen wurden direkt an Kathode und Anode zweier in Reihe geschalteter PEM-Elektrolysezellen angeschlossen. Dadurch passen die elektrischen Kennlinien von Solarzelle und Elektrolyseur exakt zueinander, ohne Verlustquellen durch Spannungswandler. Diese Abstimmung verlangt Präzisionsarbeit, denn schon kleine Abweichungen in der Strom-Spannungs-Kennlinie kosten Wirkungsgrad.

Der Proof-of-Concept-Demonstrator kommt mit einer vergleichsweise kleinen Linsenfläche von 64 Quadratzentimetern aus und bewies seine Leistungsfähigkeit unter realen Außenbedingungen in Freiburg. Über mehrere Sommertage hinweg erreichten die Solarzellen für sich genommen einen Wirkungsgrad von rund 35 Prozent, die PEM-Elektrolyseure kamen auf über 90 Prozent.

Noch früh, aber mit Ausgründung

Trotz des Rekordwerts steht die Technologie laut Frank Dimroth, Leiter der Abteilung III-V-Photovoltaik und Konzentratortechnologie, noch am Anfang der Entwicklung. Wie schnell sich konkurrenzfähige Systeme realisieren lassen, lässt sich aktuell schwer vorhersagen.

Das Forschungsteam blickt dennoch bereits über den Laborversuch hinaus. Um das Konzept zur Marktreife zu bringen, sucht das Team Investor:innen für die geplante Ausgründung Clearsun Energy. Im parallel laufenden Projekt „50Percent“ verfolgen die Wissenschaftler:innen das Ziel, Zellwirkungsgrade von 50 Prozent und Modulwirkungsgrade von über 40 Prozent zu erreichen. Gelingt das zusammen mit verlustarmen Elektrolyseuren, halten Forscher:innen STH-Werte jenseits von 35 Prozent in den kommenden fünf bis zehn Jahren für technisch erreichbar. Für Deutschland, das beim Aufbau einer eigenen Wasserstoffwirtschaft auf Importe und teure Elektrolyseanlagen setzt, wäre ein solcher Sprung ein handfester Standortvorteil.

via Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE