Um Wasserstoff aus Wassermolekülen per Elektrolyse zu trennen, ist Energie erforderlich – idealerweise aus erneuerbaren Quellen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben ein Photovoltaik-Elektrolyse-Modul entwickelt, das Solarstrom direkt und hocheffizient zur Wasserstofferzeugung nutzt. Das Prinzip beruht auf der hohen Photospannung von Mehrfachsolarzellen, die Wassermoleküle spalten, wobei diese Solarzellen elektrisch und thermisch mit den Elektrolysezellen verbunden sind. Ein im Freilandtest erprobter Demonstrator wandelt bis zu 31,3 % der Solarenergie in chemische Energie um, bezogen auf den oberen Heizwert von Wasserstoff.
„Für unser Photovoltaik-Elektrolyse-Modul setzen wir auf die sogenannte Konzentrator-Photovoltaik-Technologie", erklärt Dr. Juan Francisco Martínez Sánchez, Projektleiter am Fraunhofer ISE. „Ein Array aus Fresnel-Linsen bündelt das direkte Sonnenlicht auf hocheffiziente III-V-Solarzellen, die in dieser Anwendung eine Leerlaufspannung von über 4 Volt erreichen." III-V-Solarzellen zählen zu den effizientesten Solarzellen der Welt und sind über Jahre hinweg erprobt und langzeitstabil. Derzeit werden sie vor allem in der Raumfahrt eingesetzt, doch in Konzentrator-Solarmodulen können sie auch auf der Erde wirtschaftlich Strom erzeugen.
„Für die Wasserstoffproduktion verbinden wir diese Solarzellen direkt mit der Kathode und Anode zweier in Reihe geschalteter PEM-Elektrolysezellen, wodurch eine perfekte Abstimmung der elektrischen Eigenschaften erreicht wird", ergänzt Dr. Tom Smolinka, Leiter der Abteilung Membranelektrolyse am Fraunhofer ISE. Dadurch wird der von den Solarzellen erzeugte Strom ohne jegliche Zwischenumwandlung direkt zur Wasserstofferzeugung genutzt, was Verluste vermeidet. Im Feldtest wandelte der Demonstrator des neuen Photovoltaik-Elektrolyse-Moduls mit einer Linsenfläche von 64 Quadratzentimetern bis zu 31,3 % der Solarenergie in chemische Energie um, bezogen auf den oberen Heizwert von Wasserstoff.
„Unser neuer Rekord zeigt, dass sich Wasserstoff direkt und effizient aus Sonnenlicht gewinnen lässt", sagt Dr. Frank Dimroth, Leiter der Abteilung III-V-Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. „Die Entwicklung steckt noch in einem frühen Stadium, und es ist schwer abzuschätzen, wann wir ein wettbewerbsfähiges System erreichen. Um dieses Konzept weiter voranzutreiben, suchen wir Investoren für unser geplantes Spin-off-Unternehmen Clearsun Energy."