31 % Wirkungsgrad: Wie eine 200 Jahre alte Linse den Rekord für solaren Wasserstoff knackt
Ein Team des Fraunhofer ISE hat Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht gewonnen – mit 31,3 % Wirkungsgrad, dem höchsten je im Freien gemessenen Wert.. Doch der effizienteste Weg zum solaren Wasserstoff ist zugleich einer der teuersten.
Augustin-Jean Fresnel erfand die Linse 1822 für Leuchttürme. Das Fraunhofer ISE nutzt dasselbe optische Prinzip – in Miniatur, um Sonnenlicht auf hocheffiziente Solarzellen zu bündeln und daraus direkt Wasserstoff zu erzeugen.
Foto: picture alliance /Historic England Archive / Heritage Images | Stella Fitzgerald
Es ist ein Rekord, wie ihn sich die Wasserstoffbranche wünscht – doch das Geld für den nächsten Schritt fehlt. Ein Team des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat ein Modul gebaut, das 31,3 % des einfallenden Sonnenlichts direkt in Wasserstoff umwandelt. So effizient war im Freien noch kein System. Um die Technik zur Marktreife zu bringen, will das Institut die Firma Clearsun Energy ausgründen und sucht nach Investoren.
Möglich wird die direkte H2-Gewinnung durch eine gut 200 Jahre alte Optik. Die Fresnel-Linse bündelt das Licht von Leuchttürmen und fokussiert hier Sonnenlicht auf Solarzellen. Doch ob das Verfahren gegenüber der Elektrolyse eine Chance hat, entscheidet sich an der Wirtschaftlichkeit. Und da könnte tatsächlich einiges für den solaren Wasserstoff sprechen.
Inhaltsverzeichnis
Warum die klassische Elektrolyse Verluste bedeutet
Grüner Wasserstoff entsteht heute meist in zwei getrennten Schritten:
- eine Photovoltaik- oder Windkraftanlage erzeugt Strom
- ein Elektrolyseur spaltet damit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
Dazwischen wird der Strom aus der EE-Anlage noch gewandelt, ans Netz angepasst und für den Elektrolyseur wieder aufbereitet. Jede Stufe kostet Energie. Und jede braucht Hardware wie Wechselrichter, Netzanschlüsse, Leistungselektronik und natürlich den Elektrolyseur selbst, die geplant und gewartet werden müssen.
Die direkte Kopplung von Solar- und Elektrolysezelle verspricht, diesen Umweg zu streichen. Solarzellen und Elektrolysezelle werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Strom ohne Leistungselektronik unmittelbar vom einen ins andere fließt. Das spart Wandlungsstufen und damit Verluste. Diesen Weg sind die Freiburger Forschenden gegangen, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied zu vergleichbaren Ansätzen.
So funktioniert das Modul
Die Freiburger setzen auf III-V-Vierfachsolarzellen. Dabei handelt es sich um Halbleiter, wie sie sonst Satelliten im Weltall mit Strom versorgen. Sie zählen zu den effizientesten Solarzellen überhaupt und liefern eine Leerlaufspannung von über 4 V, was für den Betrieb von zwei Elektrolysezellen reicht. „Ein Fresnel-Linsenarray bündelt direktes Sonnenlicht auf hocheffiziente III-V-Solarzellen“, fasst Projektleiter Juan Francisco Martínez Sánchez das Prinzip der konzentrierenden Photovoltaik zusammen. Das Modul, basiert dabei auf dem hauseigenen HyCon-System:
- Ein Array aus vier Fresnel-Linsen bündelt das direkte Sonnenlicht auf ebenso viele Hochleistungszellen.
- Diese Vierfachzellen wandeln das konzentrierte Licht in Strom, mit einer Array-Effizienz von 34,7 Prozent.
- Der Strom fließt direkt an zwei PEM-Elektrolysezellen in Reihe, ohne Leistungselektronik dazwischen.
- Die Abwärme der Solarzellen heizt das Elektrolysewasser vor und senkt so den Energiebedarf der Wasserspaltung.
Rekordwerte mit alter Linsentechnik
Möglich wird die direkte Verbindung nur, weil Stromquelle und Elektrolyseur elektrisch exakt zusammenpassen. „So haben wir ein perfektes Match der beiden elektrischen Kennlinien erreicht“, sagt Tom Smolinka, Abteilungsleiter Membranelektrolyse am ISE. Der Strom der Zellen geht damit ohne Umwege in die Wasserstoffproduktion. Zusätzlich nutzt das Modul die Abwärme der Solarzellen:, indem sie das Elektrolysewasser vorheizt. So muss die Zelle weniger Energie für die Wasserspaltung selbst aufwenden.
Am Ende landen laut den Forschern 31,3 % des Sonnenlichts als chemische Energie im Wasserstoff, bezogen auf den Brennwert. Der bisherige Outdoor-Bestwert für diesen direkt gekoppelten Ansatz lag bei 19,8 %, erreicht mit Zwei- und Dreifachzellen. Erst die vierte Halbleiterschicht hebt den Wirkungsgrad über die 30-Prozent-Marke.
So stark die Zahlen, so klein der Aufbau der Linsen. Die Fresnel-Linse, die seit 1822 das Licht von Leuchttürmen bündelt, tut hier im Kleinformat ihren Dienst: Sie bündelt das Sonnenlicht auf gerade einmal 64 cm², kaum mehr als eine Kreditkarte. Erst die Konzentration treibt die Solarzellen auf die hohe Spannung, die für die Direktkopplung mit den Elektrolysezellen nötig ist.
Über 107 Betriebsstunden und 13 Lastwechsel zeigte das Modul laut dem ISE keine messbare Degradation. Das Institut ordnet die Technik trotzdem noch bei einem Technology Readiness Level von 3 ein, bis zur Markreife dauert es also noch ein wenig.
Vier Wege von der Sonne zum Wasserstoff
Vier grundlegend verschiedene Wege führen von der Sonne zum Wasserstoff. Sie unterscheiden sich deutlich in Effizienz, Reife und Kosten. Der höchste Wirkungsgrad und die niedrigsten Kosten liegen an entgegengesetzten Enden.
- Die CPV-Direktkopplung führt bei der Effizienz, bleibt aber teuer und unreif.
- Die Photokatalyse arbeitet mit billigen Materialien, kommt aber kaum über einstellige Wirkungsgrade hinaus – daran forschen das KIT-Spin-off Photreon, das Chalmers-Team und das US-Start-up SunHydrogen ebenso wie ein Team aus Cambridge, das kürzlich einen großflächigen Solarreaktor demonstrierte.
- Die Photoelektrochemie liegt dazwischen, kämpft aber mit der Stabilität ihrer Halbleiter.
Gegen alle drei steht die etablierte Route aus Photovoltaik und Elektrolyseur. Deren Elektrolyseur erreicht 60 bis 70 %. Über die gesamte Kette von der Sonne bis zum Wasserstoff ist es zwar deutlich weniger, aber die Technik ist marktreif, skaliert und wird stetig günstiger. An dieser Messlatte müssen sich die direkten Verfahren beweisen.
Besser als die Elektrolyse?
In sonnenreichen Regionen ohne Stromnetz könnte die direkte Kopplung eine Alternative zum Elektrolyseur sein, denn doch ersetzt ein einziges Modul die ganze Kette aus Leitungen und Umspannwerken.
Auf dem Papier sprechen auch die Kosten für das Verfahren. In einer Modellrechnung kommt das Team auf einen Wasserstoffpreis von unter 3 US-Dollar je kg bei einem angenommenen Kapazitätsfaktor von 35 %. Der hohe Wirkungsgrad spare Fläche, die Abwärme senke den Energiebedarf. Ob sich das in der Praxis bestätigen wird, bleibt abzuwarten „Noch steht die Entwicklung am Anfang“, räumt Frank Dimroth vom ISE ein.
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