Fraunhofer ISE: Neues Super-Modul macht grünen Wasserstoff extrem billig
(Bild: Fraunhofer ISE)
Freiburger Forscher koppeln Konzentrator-Solarzellen direkt an Elektrolyseure – ohne Leistungselektronik, ohne Verluste.
Ein kleiner Demonstrator, mit einer Linsenfläche von gerade einmal 64 Quadratzentimetern, hat ausgereicht, um die bisherige Bestmarke für die solare Wasserstoffproduktion zu überbieten.
Das Photovoltaik-Elektrolyse-Modul, welches das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ausprobierte, erreichte einen Solar-zu-Wasserstoff-Wirkungsgrad (STH) von 31,3 Prozent.
Wie das Institut in einer Mitteilung erklärt, liegt dieser Wert rund fünf Prozentpunkte über den besten bisher veröffentlichten PV-Elektrolyse-Systemen, die zwischen 20 und 30 Prozent erreichen.
Der Trick, der diesen Erfolg möglich machte: Das Freiburger Team verzichtete komplett auf zwischengeschaltete Leistungselektronik. Stattdessen speisen die Solarzellen ihren Strom direkt in die Elektrolysezellen ein.
Was einfach klingt, verlangt eine sehr präzise Abstimmung der elektrischen Kennlinien beider Komponenten. "Für die Wasserstofferzeugung haben wir diese Solarzellen direkt an die Kathode und Anode von zwei in Reihe geschalteten PEM-Elektrolysezellen angeschlossen und so eine perfekte Abstimmung der beiden elektrischen Kennlinien erreicht", erläutert Tom Smolinka, Leiter der Abteilung Membranelektrolyse am Fraunhofer ISE.
Weltraum-Technologie für die Erde: Wie III-V-Mehrfachsolarzellen die Effizienz verdoppeln
Das Besondere des Systems liegt in der Zelltechnologie, die sich in der Raumfahrt bewährt hat und jetzt hier verwendet wurde. Statt herkömmliche Siliziummodule verwendeten die Forscher III-V-Mehrfachsolarzellen.
In der hier eingesetzten Konfiguration handelt es sich um Vierfachzellen aus gestapelten Dual-Junction-Strukturen. Sie liefern eine Leerlaufspannung von über vier Volt und erreichen unter konzentriertem Licht Solar-zu-Strom-Wirkungsgrade von bis zu 47,6 Prozent.
Ein Fresnel-Linsenarray bündelt das einfallende Sonnenlicht und fokussiert es auf die kleinen, aber extrem leistungsfähigen Zellen. "Für die von uns entwickelten Photovoltaik-/Elektrolyse-Module nutzen wir die sogenannte konzentrierende Photovoltaik", erklärte Projektleiter Juan Francisco Martínez Sánchez.
Der Konzentrator-Ansatz macht die teuren III-V-Materialien für terrestrische Anwendungen wirtschaftlich attraktiver: Kleine Zellflächen bei hoher Lichtkonzentration liefern große Leistungen und begrenzen die Materialkosten relativ zum Gesamtsystem.
Direkte PEM-Elektrolyse: Der Trick für wasserstoff-basierte Energie ohne Stromverlust
Mit Blick auf frühere Rekorde ist besonders wichtig: Die aktuellen Ergebnisse wurden nicht unter kontrollierten Laborbedingungen mit simuliertem Sonnenlicht erzielt, sondern aus Freilandversuchen mit wechselnder Sonneneinstrahlung und Temperatur.
Noch 2018 hatte ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Fraunhofer ISE den damaligen Rekord für direkte solare Wasserspaltung mit 19,3 Prozent unter Laborbedingungen aufgestellt. Der Sprung auf 31,3 Prozent im Feld markiert also einen erheblichen Fortschritt.
Physikalisch ist weiteres Potenzial vorhanden. Im Fraunhofer-Projekt "50Percent" streben Forscher 50 Prozent Zellwirkungsgrad und über 40 Prozent Moduleffizienz an. Gelingt das parallel zu verlustarmen PEM-Elektrolyseuren, wären STH-Werte jenseits von 35 Prozent in den kommenden fünf bis zehn Jahren technisch plausibel.
Clearsun Energy & Projekt "50Percent": Wann kommt der günstige Öko-Sprit in den Handel?
Trotz des Rekords ordnet Abteilungsleiter Frank Dimroth die Technologie nüchtern ein: "Die Entwicklung befindet sich noch in einem frühen Stadium, und es ist schwer zu sagen, wie schnell wir wettbewerbsfähige Systeme realisieren können".
Der Technologie-Reifegrad liegt laut Fachmedien bei etwa TRL 3 – ein Proof-of-Concept, das Skalierung, Langzeitzuverlässigkeit und Kostenoptimierung noch vor sich hat.
Für den nächsten Schritt hat das Team das Spin-off Clearsun Energy gegründet und sucht aktiv Investoren. Ziel ist die Weiterentwicklung der direkt gekoppelten CPV/PEM-Technologie in Richtung kommerzieller Systeme zur Produktion von grünem Wasserstoff für Industrie, Verkehr und Power-to-X-Anwendungen.