Wasserstoff ohne Strom: Start-up will Elektrolyseure überflüssig machen
Ein Spin-off des Karlsruher Instituts für Technologie erzeugt grünen Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser, ohne Elektrolyseur und ohne Netzanschluss. Was macht das Unternehmen anders?
Das Photreon-Team vor seinem Ein-Quadratmeter-Prototyp (v.l.n.r.): Anselm Dreher, Paul Kant, Maren Cordts und Michael Rubin.
Foto: Amadeus Bramsiepe/KIT
Sonnenlicht trifft auf Wasser, Wasserstoff steigt auf. Kein Elektrolyseur, kein Stromanschluss, kein Netz. Was klingt wie das Wunschszenario der H2-Branche, ist kürzlich in einem Labor des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Realität geworden – zumindest im Quadratmeter-Maßstab. Das KIT-Gründungsprojekt Photreon hat ein Photoreaktorpaneel entwickelt, das Wasser allein mithilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.
Die Idee der solaren Wasserstoffproduktion ist keineswegs neu, doch während viele Marktbegleiter noch im Labor stecken, verfügt Photreon jetzt nach eigenen Angaben über ein patentiertes Reaktordesign, einen funktionierenden 1-m²-Prototyp und ein Paneel, das auf die industrielle Massenfertigung ausgelegt ist.
Inhaltsverzeichnis
Photokatalyse: Das Solarpanel, das Chemie statt Strom macht
Das Prinzip hinter Photreon heißt Photokatalyse. Während ein herkömmliches Solarpanel Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandelt, mit dem ein Elektrolyseur Wasser spaltet, überspringt die Photokatalyse diesen Umweg. Stattdessen nimmt ein lichtaktives Material die Sonnenenergie direkt auf und versetzt Elektronen in einen angeregten Zustand. Diese Ladungsträger treiben dann die Spaltung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) an.
„Photovoltaik und Elektrolyseur werden in einem Prozessschritt durch das Photoreaktorpaneel ersetzt“, erklärt Mitgründerin Maren Cordts vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT in einer Pressemitteilung vom 14. April. Das senke die Systemkosten und -komplexität bei der Produktion von grünem Wasserstoff erheblich.
Photokatalysatoren, die Wasser spalten, gibt es bereits. Zuletzt sorgte etwa ein Team der schwedischen Chalmers University mit Katalysatoren aus leitfähigen Kunststoffen für Aufsehen, die ohne teures Platin auskommen. Das Problem war bislang, vom funktionierenden Katalysator zum skalierbaren Reaktor zu gelangen. Diesen Schritt will Photreon jetzt machen.
Vom Laborkonzept zum patentierten Paneel
V-förmige Rinnen und günstige Materialien
Die Geschichte von Photreon startet 2023 mit einer Publikation im Fachjournal Joule. Darin stellte das Team um Paul Kant sein Reaktordesign vor: Paneele mit parallelen V-förmigen Rinnenstrukturen, die das einfallende Sonnenlicht einfangen und verlustarm in röhrenförmige Reaktionskammern leiten. Dort trifft das konzentrierte Licht auf den Photokatalysator, der die Wasserspaltung vollzieht.
Das gesamte Paneel besteht dabei aus günstigen Standardmaterialien: Polycarbonat und Polyethylen für die Grundstruktur, aufgesprühtes Aluminium als Reflektorschicht. In der Joule-Studie bezifferte das Team die Kosten auf rund 22 $/m² Modulfläche. Das ist ein Bruchteil dessen, was ein vergleichbares System aus Solarpanel plus Elektrolyseur kosten würde.
Vom Paper zur GbR
Drei Jahre später ist aus dem Forschungsprojekt ein Gründungsvorhaben geworden. Das KIT hat jetzt ein Patent auf das Reaktordesign angemeldet, und das Team konnte die Wasserstoffproduktion in einem 1-m²-Prototyp nachweisen.
„Wir haben die Reaktorgeometrie so ausgelegt, dass Lichttransport, chemische Reaktion und Abtransport der Produkte optimal zusammenspielen“, sagt Paul Kant. Das Design sei von Beginn an auf Serienfertigung durch gängige Massenproduktionsverfahren ausgelegt.
Wer noch Wasserstoff aus Sonnenlicht gewinnt (und wie)
In der Vielzahl von Forschungsgruppen und Start-ups, die Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht gewinnen wollen, lassen sich grob zwei Ansätze unterscheiden:
- die Partikelphotokatalyse, bei der lichtaktive Materialien in Wasser suspendiert oder auf Oberflächen aufgebracht werden
- und die photoelektrochemische Zelle (PEC), bei der Halbleiterelektroden unter Lichteinfall eine Spannung erzeugen, die das Wasser wie in einer Art künstlichem Blatt spaltet.
PEC-Zellen
Bei den PEC-Zellen liegen die Wirkungsgrade deutlich höher. Ein internationales Team unter Beteiligung der TU Ilmenau und des Fraunhofer ISE erreichte mit einer Photokathode aus III-V-Halbleitern bereits 19,3 % Effizienz, nahe am theoretischen Maximum von rund 23 % für diese Materialkombination. Allerdings basiert der Ansatz auf teuren Halbleitermaterialien und Rhodium-Nanokatalysatoren, und die Stabilität bleibt eine Herausforderung: Die besten Zellen hielten im Labor rund 100 Stunden durch, bevor die Leistung durch Korrosion einbrach.
Ebenfalls in Richtung PEC gehen drei Fraunhofer-Institute, die im Projekt Neo-PEC bis 2024 Tandem-PEC-Module testeten.
Partikelbasierte Photokatalyse
Auf der anderen Seite stehen partikelbasierte Systeme, die mit deutlich günstigeren Materialien arbeiten. An der schwedischen Chalmers University entwickelte das bereits erwähnte Team um Professor Ergang Wang Katalysatoren aus leitfähigen Kunststoffen ohne Platin. Und das US-Start-up SunHydrogen demonstrierte im August 2025 etwa ein netzunabhängiges Modul mit knapp 2 m² Fläche und plant einen Pilotreaktor mit über 30 m².
Was Photreon anders macht
Bei der Wasserspaltung entstehen nicht nur Wasserstoff und Sauerstoff, sondern auch hochreaktive Radikale. Diese aggressiven Zwischenprodukte greifen Katalysatoren und Elektrodenoberflächen an und führen über die Zeit zur Degradation des Systems. Die Langzeitstabilität unter realen Bedingungen zu gewährleisten bleibt eines der zentralen ungelösten Probleme des gesamten Feldes.
Was Photreon in diesem Umfeld heraushebt, ist der Fokus auf den Reaktor statt auf den Katalysator. Während die meisten Gruppen nach besseren lichtaktiven Materialien suchen, hat das KIT-Team ein Paneel gebaut, das als Hardware-Plattform für unterschiedliche Katalysatoren funktioniert.
Warum das für die Wasserstoffwirtschaft relevant ist
Der konventionelle Weg zu grünem Wasserstoff – Photovoltaik plus Elektrolyse – ist in den vergangenen Jahren zwar günstiger geworden, bleibt aber komplex und kapitalintensiv. Er erfordert Stromerzeugungsanlagen, Netzinfrastruktur, Leistungselektronik und Elektrolyseure. Jede dieser Komponenten muss geplant, genehmigt und gewartet werden.
Photreons Ansatz könnte diese Kette verkürzen: Ein einzelnes Paneel übernimmt den gesamten Prozess von der Lichtabsorption bis zum fertigen Wasserstoff. Das macht die Technologie vor allem dort interessant, wo konventionelle Elektrolyse an ihre Grenzen stößt:
- Dezentrale Versorgung ohne Netz: Mittelständische Betriebe in der Spezialchemie, Lebensmittelindustrie oder Metallverarbeitung könnten ihren Wasserstoffbedarf künftig direkt am Standort decken – ohne Anbindung an Strom- oder Wasserstoffnetze.
- Sonnenreiche Regionen ohne Infrastruktur: In Nordafrika, dem Nahen Osten oder Südamerika, wo die Solarstrahlung hoch, aber die Netzinfrastruktur schwach ist, könnten großflächige Photoreaktorsolarparks eine Alternative zur klassischen PV-Elektrolyse-Kette darstellen.
- Skalierbare Modularität: Da die Paneele auf gängige Massenfertigungsverfahren ausgelegt sind, lassen sie sich sowohl als einzelne Dachanlage als auch in großflächigen Arrays betreiben.
„Gerade dort, wo weder Stromnetze noch eine Anbindung an ein Wasserstoffnetz vorhanden sind, eröffnet unsere Technologie neue Spielräume für die lokale Erzeugung“, resümiert Cordts.
Die offene Frage: Wie effizient ist das System?
So elegant der Ansatz klingt – die entscheidende Kennzahl für die wirtschaftliche Tragfähigkeit ist der Solar-to-Hydrogen-Wirkungsgrad, also wie viel Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie tatsächlich als chemische Energie im Wasserstoff ankommen.
Was die Joule-Studie zeigt
In der 2023er-Joule-Studie testete das Team den Reaktor mit einem kommerziell verfügbaren Modellkatalysator. Dabei ging es allerdings nicht um die Wasserspaltung selbst, sondern um eine photochemische Modellreaktion (die Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II)). Dabei erreichte der Reaktor eine Effizienz von 5,8 %, was 62 % des theoretischen Maximums für dieses Material entspricht.
Die Zahl ist nicht der Wirkungsgrad der Solar-to-Hydrogen-Reaktion, zeigt aber, dass der Reaktor das Sonnenlicht effizient zum Katalysator transportiert und dort nutzbar macht. Die Wasserstoffproduktion hat das Team inzwischen in seinem Prototypen nachgewiesen; konkrete Effizienzzahlen dafür stehen noch aus.
Photokatalyse vs. Elektrolyse: Wo der Vergleich hinkt
Die meisten partikelbasierten photokatalytischen Systeme erreichen heute nur 1 % bis 2 % Wirkungsgrad. Wirtschaftlich interessant wird die Technik laut Experten ab etwa 5 %. Photoelektrochemische Zellen wie die der TU Ilmenau schaffen zwar knapp 20 %, kosten aber ein Vielfaches.
Zum Vergleich: Konventionelle Elektrolyseure, die Wasser mit Strom spalten, kommen je nach Technologie auf 60 % bis 70 % Wirkungsgrad (bei der Hochtemperatur-Elektrolyse kann der Wert noch höher sein). Allerdings brauchen sie dafür Stromnetze, Infrastruktur und im Fall der gängigen PEM-Technologie ebenfalls teure Edelmetalle.
Wie geht es weiter?
Photreon stellt sich auf der Hannover Messe 2026 am Stand des KIT (Halle 11, Stand B06) vor. Erst kürzlich hatte das Institut mit seinem NECOC-Verfahren auf sich aufmerksam gemacht, das CO₂ in festen Kohlenstoff verwandelt. Karlsruhe wird derzeit also zum Hotspot für industrielle Dekarbonisierung: Kohlenstoff rein, Wasserstoff raus.
Als Nächstes will das Team einen leistungsfähigeren Photokatalysator zusammenstellen, das Modell über den Prototypen hinaus entwickeln und eine Pilotfertigung aufbauen. Ob aus dem Reaktorkonzept dann eine marktfähige Technologie wird, hängt davon ab, wie schnell das Spin-off den Wirkungsgrad mit optimierten Katalysatoren steigern kann und ob das Paneel unter realen Bedingungen langzeitstabil bleibt. Der Ansatz, nicht am Katalysator, sondern am Reaktor anzusetzen, könnte sich aber als ein wichtiger Hebel für die Photokatalyse erweisen.
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