Solarwasserstoff erreicht 31,3 Prozent Effizienz im Freien

Wissenschaftler in Deutschland haben ein kompaktes Gerät entwickelt, das bei Tests im Freien bis zu 31,3 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in als Wasserstoff gespeicherte chemische Energie umwandelte. Einfach gesagt: Fast ein Drittel des Lichts, das auf das Gerät trifft, wird nutzbar gemacht.

Nach Angaben des Forschungsteams ist dies die bislang höchste gemeldete Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz unter realen Außenbedingungen. Ein großer Fortschritt? Möglicherweise. Doch die Anlage ist bislang ein kleiner Machbarkeitsnachweis und kein kommerzielles Wasserstoffwerk.

Der Fortschritt beruht darauf, dass der Strom einen kürzeren Weg zurücklegt. Statt Solarstrom zunächst durch Umwandlungselektronik zu leiten, bevor er einen Elektrolyseur erreicht, verbindet das Konzept leistungsfähige Solarzellen unmittelbar mit der Wasserspaltungstechnik.

Weniger Zwischenschritte bedeuten geringere Energieverluste. Kosten, Haltbarkeit und Skalierbarkeit sind allerdings weiterhin ungeklärt.

Wie das System Wasserstoff erzeugt

In dem Gerät kommen Fresnel-Linsen zum Einsatz. Diese dünnen Linsen mit Rillen funktionieren ähnlich wie die Lupen, die viele Menschen als Kinder benutzt haben.

Sie bündeln direktes Sonnenlicht auf Vierfach-Solarzellen aus III-V-Halbleitern. Die geschichteten Materialien können verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums aufnehmen.

Solche Hochleistungszellen werden auch in der Raumfahrt verwendet. Sie sind klein und leistungsstark – aber nicht günstig.

Der erzeugte Strom fließt anschließend in zwei hintereinandergeschaltete Elektrolysezellen mit Protonenaustauschmembran. Bei der PEM-Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Eine Polymermembran transportiert geladene Wasserstoffteilchen durch das System. Alltagssprachlich: Sonnenlicht hinein, speicherbarer Brennstoff heraus. Das klingt einfach, die technische Umsetzung ist es jedoch nicht.

Projektleiter Juan F. Martínez erklärte, der Aufbau nutze „konzentrierende Photovoltaik“, während Tom Smolinka die elektrische Abstimmung als eine „perfekte Übereinstimmung“ bezeichnete. Jens Ohlmann betreute die Arbeiten; Frank Dimroth entwickelte die Studie am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Warum die elektrische Abstimmung entscheidend ist

Solarzellen liefern ihre beste Leistung bei einem bestimmten Verhältnis von Spannung und Strom. Auch ein Elektrolyseur arbeitet in einem bevorzugten Betriebsbereich.

Was geschieht, wenn beides nicht zusammenpasst? Dann kann nutzbare Leistung verloren gehen.

Das Team verschaltete vier Solarzellen parallel und zwei Elektrolysezellen in Reihe. Dadurch blieben beide Komponenten ohne zusätzliche Umwandlungstechnik nahe an ihrem jeweils effizientesten Arbeitspunkt.

Bei Spitzenleistung erreichte der Solarteil einen Wirkungsgrad von 34,7 Prozent. Der Elektrolysestapel kam auf 91,1 Prozent. Zusammen ergab sich daraus der Solar-zu-Wasserstoff-Wert von 31,3 Prozent.

Der Berechnung lag der höhere Heizwert von Wasserstoff zugrunde. Vereinfacht ausgedrückt wird damit die gesamte chemische Energie berücksichtigt, die freigesetzt wird, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert und das dabei entstehende Wasser abkühlt.

Rekordwert mit wichtigen Einschränkungen

Die Linsenanordnung bedeckte lediglich rund 65 Quadratzentimeter. Sie war auf einem zweiachsigen Nachführungssystem montiert, das der Sonne folgte. Kleiner Aufbau, großer Wert.

Die Forscher erprobten das System über mehr als 107 Betriebsstunden an 13 Sommertagen. In einer repräsentativen Stunde blieb die Effizienz trotz wechselnder Sonneneinstrahlung über 31 Prozent.

Auch die Temperatur spielte eine Rolle. Die integrierte thermische Verbindung des Prototyps erhöhte die Wassertemperatur nur um etwa 2 °C.

Deshalb setzte das Team eine externe Heizung ein. Bei den Tests mit hoher Effizienz erwärmte sie das einströmende Wasser auf nahezu 60 °C.

Die Energie für diese Heizung floss nicht in die Berechnung der 31,3 Prozent ein. Die Wissenschaftler erwarten, dass ein künftiges System Abwärme der Solarzellen wiederverwenden kann; der gegenwärtige Prototyp zeigte diesen Schritt jedoch noch nicht.

Während des kurzen Versuchs wurde kein Leistungsabfall festgestellt. Das ist positiv. Dennoch können 107 Stunden nicht belegen, wie sich die Komponenten nach Jahren mit Staub, Hitze, Wolken und täglichen Temperaturschwankungen verhalten.

Der Alltag ist anspruchsvoller als ein kontrollierter Test. Genau dort beginnt die nächste Herausforderung.

Wo grüner Wasserstoff helfen könnte

Wasserstoff kann Strom nicht überall ersetzen – und sollte es auch nicht. Er könnte jedoch dort hilfreich sein, wo sich saubere Energie nur schwer direkt einsetzen lässt.

Zu den möglichen Anwendungen zählen die Stahlherstellung, die Chemieproduktion, Schiffstreibstoffe und abgelegene Energiesysteme. Darüber hinaus könnte er die Langzeitspeicherung überschüssiger Solarenergie unterstützen.

Man kann es sich vorstellen, als würde Sonnenlicht für später abgefüllt. Praktisch, oder? Der Haken: Jeder Umwandlungsschritt kostet weiterhin Geld und führt zu Energieverlusten.

Der Gesamtmarkt ist nach wie vor klein. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur erreichte die Produktion emissionsarmen Wasserstoffs 2025 knapp 1,0 Millionen Tonnen und soll 2026 nur etwas mehr als 1 Prozent der weltweiten Wasserstofferzeugung ausmachen.

Höhere Effizienz ist wichtig, weil erneuerbarer Wasserstoff im Allgemeinen noch mehr kostet als Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Letztlich muss die Technik beim Preis konkurrenzfähig sein – nicht nur bei einem Laborwert.

Auch konzentrierende Photovoltaik hat Grenzen. Sie funktioniert am besten bei starker, direkter Sonneneinstrahlung.

Anders als herkömmliche flache Solarmodule kann sie das durch bewölkten Himmel gestreute Licht nicht in gleichem Maß nutzen. Der Standort ist daher entscheidend.

Was als Nächstes passieren muss

Das Forschungsteam muss nun zeigen, dass sich das Konzept über einen Kollektor von rund 65 Quadratzentimetern hinaus vergrößern lässt. Das Ziel ist ein robustes Modul, das sich industriell fertigen lässt. Das ist ein gewaltiger Schritt.

Die Ingenieure müssen Kosten senken und den Wärmetransport verbessern. Außerdem gilt es nachzuweisen, dass Linsen, Nachführungssystem, Solarzellen, Membranen und Katalysatoren über Jahre hinweg zuverlässig arbeiten.

Die Gruppe sucht Investoren für ein geplantes Spin-off namens Clearsun Energy. Das könnte helfen, die Technologie in Richtung einer größeren Pilotanlage zu bringen, doch ein Termin für einen Marktstart wurde nicht genannt. Die Stromrechnung sinkt also nicht schon morgen.

Kann dieser Ansatz Solarwasserstoff irgendwann günstiger machen? Vielleicht. Der bisherige Nachweis erlaubt vorerst eine vorsichtigere Schlussfolgerung.

Direkt abgestimmte Konzentrator-Solarzellen und PEM-Elektrolyse können im Freien einen Wirkungsgrad von mehr als 30 Prozent erreichen. Jetzt folgt der schwierige Teil: Das System muss diese Leistung in sinnvoller Größe und zu einem für Kunden bezahlbaren Preis liefern.

Die vollständige Studie erschien am 27. April 2026 in Communications Engineering.