31 % Wirkungsgrad: Wie eine 200 Jahre alte Linse den Rekord für solaren Wasserstoff knackt

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.

Der Rekord hat allerdings einen Preis, im Wortsinn: Der effizienteste Weg zum solaren Wasserstoff ist zugleich der teuerste. Ob er trotzdem eine Chance gegen die Elektrolyse hat, hängt an einer Optik aus dem Jahr 1822: der Fresnel-Linse die bis heute das Licht von Leuchttürmen bündelt.

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 gewandelt, ans Netz angepasst und für den Elektrolyseur wieder aufbereitet. Jede Stufe kostet Energie. Und jede braucht Hardware wie Wechselrichter, Netzanschlüsse, Leistungselektronik und den Elektrolyseur selbst, die geplant und gewartet werden müssen.

Am Ende dieser Kette kommen von der eingestrahlten Sonnenenergie nur rund 14 % als Wasserstoff an: Ein marktübliches PV-Modul wandelt etwa 22 % des Lichts in Strom, die Elektrolyse davon wiederum 60 bis 70 % in Wasserstoff.

Die direkte Kopplung von Solar- und Elektrolysezelle streicht diesen Umweg. Solarzellen und Elektrolysezelle werden so aufeinander abgestimmt, dass der Strom ohne Leistungselektronik unmittelbar vom einen ins andere fließt. Das spart Wandlungsstufen und damit Verluste. Diesen Weg sind auch die Freiburger Forschenden gegangen – allerdings mit Solarzellen, die sonst Satelliten antreiben. Und mit einer Linse davor, die deren Preis erträglich macht.

So funktioniert das Modul

Die Freiburger setzen auf III-V-Vierfachsolarzellen. Diese Halbleiter versorgen sonst Satelliten im Weltall mit Strom, sie zählen zu den effizientesten Solarzellen überhaupt. Entscheidend für dieses Projekt: Sie liefern eine Leerlaufspannung von über 4 V. Das reicht, um zwei Elektrolysezellen direkt zu betreiben.

„Ein Fresnel-Linsenarray bündelt direktes Sonnenlicht auf hocheffiziente III-V-Solarzellen“, fasst Projektleiter Juan Francisco Martínez Sánchez das Prinzip der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) zusammen. Das Modul basiert 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 %.
• 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.

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. Verglichen mit den rund 14 % der klassischen Kette produziert das Freiburger Modul aus derselben Sonnenfläche also mehr als doppelt so viel Wasserstoff.

Über 107 Betriebsstunden und 13 Lastwechsel zeigte das Modul laut dem ISE zudem keine messbare Degradation.

Das Kostenparadox – und was die alte Linse damit zu tun hat

Bleibt die Frage, warum diese Technik nicht längst auf dem Markt ist. Die Antwort steht im Preisschild: III-V-Vierfachzellen kosten ein Vielfaches herkömmlicher Siliziumzellen. Es ist Weltraumtechnik; dort zählt jedes Prozent Wirkungsgrad mehr als jeder Euro. Auf der Erde gilt das Gegenteil.

Hier kommt die Fresnel-Linse ins Spiel: Weil sie das Sonnenlicht mehrhundertfach konzentriert, braucht das Modul nur winzige Zellflächen. Die vier Linsen bündeln das Licht auf gerade einmal 64 cm² – kaum mehr als eine Kreditkarte. Statt Quadratmetern teuersten Halbleiters genügt ein Bruchteil davon; die Fläche übernimmt günstiger Kunststoff in Linsenform. Nebeneffekt: Erst die Konzentration treibt die Zellen auf die hohe Spannung, die die Direktkopplung mit den Elektrolysezellen überhaupt erst erlaubt. Die 200 Jahre alte Leuchtturm-Optik macht die Rekordtechnik also gleich doppelt möglich, elektrisch und ökonomisch.

Ob die Rechnung aufgeht, hat das Team modelliert: Bei einem angenommenen Kapazitätsfaktor von 35 % kämen die Wasserstoffkosten auf unter 3 US-Dollar je kg. Der hohe Wirkungsgrad spart Fläche, die Abwärmenutzung senkt den Energiebedarf. Das sind allerdings Annahmen, keine Betriebsdaten. Das Institut selbst ordnet die Technik bei einem Technology Readiness Level von 3 ein – Laborstadium. Bis zur Marktreife sind es noch Jahre. Genau dafür sucht die geplante Ausgründung Clearsun Energy jetzt Kapital. „Noch steht die Entwicklung am Anfang“, räumt Frank Dimroth vom ISE ein.

Vier Wege von der Sonne zum Wasserstoff

Wie schlägt sich der Freiburger Ansatz im Vergleich? Vier grundlegend verschiedene Wege führen von der Sonne zum Wasserstoff. 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: über die Gesamtkette zwar die erwähnten rund 14 %, aber marktreif, skaliert und stetig günstiger.

An dieser Messlatte müssen sich die direkten Verfahren beweisen.

Wo die Direktkopplung zuerst eine Chance hat

In sonnenreichen Regionen ohne Stromnetz könnte sie bestehen: Dort ersetzt ein einziges Modul die ganze Kette aus Leitungen, Umspannwerken und separatem Elektrolyseur.

Dezentrale Wasserstoffproduktion in der Wüste, ohne Netzanschluss: Für dieses Szenario will Clearsun Energy Investoren gewinnen. Der Rekord aus Freiburg ist dafür das Argument. Das Geld dafür muss er erst noch einspielen.