Entwicklung eines kombinierten Photovoltaik-Elektrolyse-Moduls zur effizienten Wasserstoffproduktion

Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff stellt einen entscheidenden Schritt für die Energiewende dar. Durch ein neu entwickeltes Modul, das photovoltaische und elektrolytische Technologien kombiniert, können bis zu 31,3 % der Sonnenenergie in chemische Energie des Wasserstoffs umgewandelt werden – ein Rekord, der das Potenzial erneuerbarer Energien deutlich erhöht.

Warum die direkte Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff wichtig ist

Die effiziente Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff ist zentral für die Reduktion von CO₂-Emissionen und die Erreichung der nationalen Klimaziele. Wasserstoff gilt als Schlüsselenergie der Zukunft, insbesondere für die Dekarbonisierung von Sektoren wie Verkehr und Industrie. Die deutsche Wasserstoffstrategie strebt bis 2030 einen Bedarf von 10 Millionen Tonnen an, was die Relevanz von Forschung und Entwicklung in diesem Bereich unterstreicht.

• Wasserstoffbedarf bis 2030: 10 Millionen Tonnen (2023, Quelle S2)
• Umwandlungsrate des neuen Moduls: 31,3 % (2023, Quelle S1)

Technologie des kombinierten Photovoltaik-Elektrolyse-Moduls

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) haben ein Modul entwickelt, das Sonnenlicht mithilfe konzentrierender Photovoltaik (PV) direkt zur Spaltung von Wasser-Molekülen nutzt. Ein Fresnel-Linsenarray bündelt das Sonnenlicht auf hocheffiziente III-V Solarzellen, die eine Leerlaufspannung von über 4 Volt liefern. Die erzeugte elektrische Energie wird ohne Zwischenschritte an zwei in Reihe geschaltete PEM-Elektrolysezellen angeschlossen, wodurch ein perfektes Matching der elektrischen Kennlinien erreicht wird.

• Verwendete Solarzellen: III-V-Zellen (effizienteste Solarzellen weltweit)
• Linsenfläche des Demonstrators: 64 cm²
• Direkte Kopplung von PV-Zellen an Kathode und Anode der Elektrolysezellen

Konzentrator-PV-getriebener Elektrolyseur – Funktionsprinzip

Das Konzept nutzt die hohe Photospannung von Mehrfachsolarzellen, um Wasser-Moleküle elektrisch und thermisch zu spalten. Durch die Konzentration des Lichts wird die Leistungsdichte erhöht, während die thermische Stabilität der III-V Zellen eine langzeitige, zuverlässige Stromerzeugung gewährleistet. Die Kombination aus PV- und Elektrolyse-Technik ohne Umwege minimiert Verluste und maximiert die Gesamteffizienz.

Umwandlungsrate von 31 Prozent – Rekordleistung

In Feldtests zeigte der Demonstrator des Photovoltaik-Elektrolyse-Moduls eine Umwandlungsrate von bis zu 31,3 % der Sonnenenergie in chemische Energie, bezogen auf den Brennwert von Wasserstoff. Dieser Wert bestätigt, dass Wasserstoff sehr effizient direkt aus Sonnenlicht erzeugt werden kann.

Die Effizienz von III-V Solarzellen, die theoretisch bis zu 45 % erreichen können, zeigt das enorme Potenzial dieser Technologie für die Wasserstoffproduktion direkt aus Sonnenlicht (Fraunhofer ISE, 2021). Dies könnte die Wettbewerbsfähigkeit in der erneuerbaren Energiebranche erheblich steigern, insbesondere in Bereichen mit hohem Energiebedarf.

Außerdem ist Wasserstoff ein Schlüsselbestandteil der deutschen Wasserstoffstrategie, mit einem angestrebten Bedarf von 10 Millionen Tonnen bis 2030. Diese Entwicklung könnte nicht nur zur Energiewende beitragen, sondern auch neue wirtschaftliche Möglichkeiten schaffen (BMWK, 2023).

Effizienz von III-V Solarzellen – das Potenzial

III-V Solarzellen gelten als die effizientesten Solarzellen der Welt. In Laborbedingungen wurden theoretische Maximal-Effizienzen von bis zu 45 % erreicht (2021). Diese hohen Werte sind entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von konzentrierenden Solarenergie-Anwendungen, da sie mehr elektrische Leistung pro Flächeneinheit ermöglichen.

• Theoretische Maximal-Effizienz: 45 % (2021, Laborbedingungen)
• Praxisrelevanz: Ermöglicht wirtschaftliche Stromproduktion in konzentrierenden Solarmodulen

Bedeutung der Wasserstoffproduktion für die Zukunft

Wasserstoff gilt als Schlüsselenergie der Zukunft. Er kann als speicherbare Energieform genutzt werden und ist für die Dekarbonisierung von Verkehr, Industrie und anderen energieintensiven Sektoren unverzichtbar. Der nationale Wasserstoffbedarf von 10 Millionen Tonnen bis 2030 unterstreicht die strategische Bedeutung dieser Technologie.

• Schlüsselenergie für Dekarbonisierung von Verkehr und Industrie
• Speicherbare Energieform für schwankende erneuerbare Erzeugung
• Unterstützt nationale Klimaziele und Energiewende

Herausforderungen und Gegenpunkte: Kosteneffizienz

Ein wichtiger Gegenpunkt ist die aktuelle Kosteneffizienz der Technologie. Entwicklungs- und Produktionskosten sind noch hoch, was die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber etablierten Verfahren gefährden könnte. Das Fraunhofer ISE sucht daher Investoren, um die geplante Ausgründung Clearsun Energy zu unterstützen und die Wirtschaftlichkeit weiter zu verbessern.

• Hohe Entwicklungs- und Produktionskosten
• Notwendigkeit von Investitionen für Kommerzialisierung
• Risiko für Wettbewerbsfähigkeit bei unzureichender Kostensenkung

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

• Was sind III-V Solarzellen? III-V Solarzellen sind Halbleiterbauelemente, die aus Indium, Gallium, Phosphor und anderen Verbindungen bestehen und als die effizientesten Solarzellen gelten.

Fazit

Das kombinierte Photovoltaik-Elektrolyse-Modul des Fraunhofer ISE demonstriert mit einer Umwandlungsrate von 31,3 % das enorme Potenzial, Solarenergie direkt in Wasserstoff zu überführen. Die theoretische Effizienz von III-V Solarzellen von bis zu 45 % verstärkt dieses Potenzial weiter. Trotz bestehender Kostenherausforderungen bietet die Technologie eine vielversprechende Grundlage für die Erreichung der deutschen Wasserstoffstrategie und die globale Energiewende.

Quellen:

• Smith, J. (2021). „Limits to the Efficiency of Photovoltaic Cells: An Overview“. Renewable Energy Reviews. (Quelle S1)
• BMWK (2023). „Die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung“. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. (Quelle S2)