Wasserstoff-Solarzellen: bahnbrechende, nachhaltige Innovation erzeugt bis 250 Liter Wasserstoff pro Tag.
14.8.2025
Wasserstoff-Solarzellen stellen eine bahnbrechende Innovation im Bereich der nachhaltigen Energiegewinnung dar und sollen eine Alternative zu herkömmlichen Batteriespeichern und traditionellen Methoden der Wasserstoffproduktion bieten. Statt Elektrizität zu erzeugen, produzieren diese Module direkt Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft und Sonnenlicht.
Wasserstoff-Solarzellen.
Technologie und Funktionsweise.
Entwicklung:
Die Idee entstand 2011, als Ingenieure der Katholieke Universiteit (KU) Leuven in Belgien das Forschungsvorhaben „The Solhyd Project“ gründeten, um Wasserstoff direkt mit Luft und Sonnenlicht zu gewinnen. Ein Tübinger Forschungsteam und Fraunhofer-Institute arbeiten ebenfalls an ähnlichen hoch effizienten Solarzellen zur dezentralen Wasserstoffherstellung.
Prinzip:
Wasserstoff-Solarzellen erzeugen direkt Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft und Sonnenlicht, anstatt Elektrizität zu produzieren. Aussenluft, die Wasserdampf enthält, strömt durch das Panel. Mithilfe von Sonnenlicht wird das im Wasserdampf enthaltene Wasser durch eine fotoelektrochemische (PEC) Spaltung in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt.
Wasserdampfgewinnung:
Die Module gewinnen das für die Wasserstoffproduktion benötigte Wasser in Form von Wasserdampf direkt aus der Umgebungsluft. Laut Solhyd-Projekt ist selbst in den trockensten Gebieten der Erde genügend Wasserdampf vorhanden, da die Module nur einen winzigen Bruchteil der Umgebungsfeuchtigkeit benötigen. Luftverschmutzung, Partikel oder Salznebel haben derzeit keinen Einfluss auf die Technologie.
Wasserspaltungsprozess:
Die Zerlegung des Wassers in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) erfolgt mittels einer fotoelektrochemischen (PEC) Spaltung. Dabei wird Sonnenlicht direkt als Energiequelle genutzt.
Die Solhyd-Module sind direkt mit Photovoltaik (PV)-Modulen verbunden, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln. Diese elektrische Energie wird von Katalysatoren zur Wasserspaltung genutzt.
Eine Membran verhindert das Vermischen von Wasserstoff und Sauerstoff.
Der entstehende Wasserstoff wird über Gasleitungen abgeleitet, kann nach Verdichtung in Tanks gespeichert und zum Heizen oder zur Stromerzeugung über eine Brennstoffzelle genutzt werden.
Sauerstoff wird einfach an die Umgebungsluft abgegeben. Eine Erfassung des Sauerstoffs ist derzeit nicht vorgesehen, könnte aber zukünftig in Betracht gezogen werden.
Materialien:
Solhyd-Paneele verzichten auf kostspielige oder umweltschädliche Materialien und Edelmetalle. Die meisten Komponenten sind leicht demontierbar und bestehen aus recycelbaren Materialien, mit dem Ziel, bis 2030 ein vollständig zirkuläres Produkt zu erreichen.
Modularer Aufbau:
Der modulare Aufbau der Solhyd-Module, bei dem das PV-Modul austauschbar ist, vereinfacht die Wartung und ermöglicht eine kostengünstige Erweiterung der Anlage. Sie können bestehenden Solaranlagen hinzugefügt werden.
Betrieb bei fehlender Sonne:
Die Module können auch an das Stromnetz oder andere erneuerbare Energiequellen angeschlossen werden, um die Produktion im Winter oder nachts zu erhöhen und den Speicherbedarf zu reduzieren.
Druck:
Derzeit produzieren Solhyd-Module Wasserstoff bei einem Druck von 500 mbar, vergleichbar mit Gasverteilnetzen. Lösungen zur Komprimierung auf höhere Drücke sind verfügbar.
Luftfeuchtigkeit:
Auch in den trockensten Gebieten der Erde ist laut Solhyd-Projekt genügend Wasserdampf in der Luft vorhanden, da die Module nur einen winzigen Bruchteil der Umgebungsfeuchtigkeit benötigen und nutzen. Luftverschmutzung, Partikel oder Salznebel haben derzeit keinen Einfluss auf die Technologie.
Flexibilität und Skalierbarkeit:
Die Module können direkt mit Solarenergie betrieben, aber auch mit externem Stromnetz oder anderen erneuerbaren Energiequellen verbunden werden, um die Produktion z.B. im Winter oder nachts zu erhöhen und Speicheranforderungen zu reduzieren. Sie sind modular aufgebaut, was Wartung und Erweiterung vereinfacht. Die Technologie ist skalierbar von 0,5 MW bis über 2 GW für Pilotprojekte und Grossanlagen.
Abmessungen und Gewicht.
Modulgewicht:
Ein Wasserstoff-Modul wiegt etwa 70-80 kg.
Demonstratorgröße (Fraunhofer): Das Fraunhofer-Team hat einen Demonstrator mit einer Fläche von 36x36 cm² für Tests entwickelt.
Optimales Format (Fraunhofer):
Das aktuelle Format der Fraunhofer-Tandemzelle wird als optimal für Stabilität und Robustheit angesehen und ist deutlich größer als vergleichbare Lösungen.
Strömungskanal-Abmessungen (Tübingen):
Die charakteristischen Durchmesser der Kanäle im Reaktor liegen üblicherweise im Bereich von 3-5 Millimetern, die Höhe bei 1,5-2,5 Zentimetern.
Konzentrationsverhältnis (Tübingen):
Eine Optik ohne bewegliche Teile kann in mitteleuropäischen Breitengraden ein maximales Konzentrationsverhältnis von etwa 2,5 erreichen, um Sonnenstrahlen aus verschiedenen Winkeln (Sommer/Winter) effizient einzufangen.
Leistung und Effizienz.
Wasserstoffproduktion (Solhyd):
Ein Solhyd-Paneel kann nach Angaben des Solhyd-Projekts 250 Liter Wasserstoff pro Tag erzeugen. Mit 20 Paneelen könnte ein Einfamilienhaus vollständig mit Energie versorgt werden. In Belgien, auch bei regnerischem Wetter, können Module jährlich über 90.000 Liter Wasserstoff produzieren. Bei europäischer Sonneneinstrahlung kann ein Fraunhofer-Tandem-PEC-Modul auf 100 Quadratmetern über 30 Kilogramm Wasserstoff pro Jahr erzeugen.
Wasserstoffproduktion (Fraunhofer):
Ein Fraunhofer-Tandem-PEC-Modul (halber Quadratmeter aktive Fläche) kann bei europäischer Sonneneinstrahlung auf 100 Quadratmetern über 30 Kilogramm Wasserstoff pro Jahr erzeugen. Diese Menge könnte ein Wasserstoffauto 15.000 bis 20.000 Kilometer weit fahren.
Wirkungsgrad (Effizienz):
Solhyd-Module:
Erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von 15% (Sonnenlicht zu Wasserstoff). Dieser Wert wird als bemerkenswert und wettbewerbsfähig angesehen.
Tübinger Forschungsteam:
Erreichte mit einer neuartigen Solarzelle einen Wirkungsgrad von 18% für die direkte solare Wasserspaltung. Dies ist der zweithöchste jemals gemessene Wert und ein Weltrekord bezüglich der Solarzellenfläche.
Aktueller Rekord:
Ein internationales Forschungsteam hält den aktuellen Rekord von 19% (Stand 2018) mit einer Kombination aus III-V-Halbleitern und Rhodium-Nanopartikeln. Es wird angenommen, dass Wirkungsgrade jenseits von 20% möglich sind, eventuell auch unter Verwendung von Silizium.
Vergleich zur Elektrolyse:
Die Effizienz der Solarwasserstoffmodule (ca. 15%) ist im Vergleich zu klassischen Elektrolyseverfahren, die 60% bis 85% erreichen können, derzeit gering. Einzelne Teilschritte in der Elektrolysetechnik, wie die Kapillarelektrolyse, erreichen jedoch Wirkungsgrade von bis zu 98%.
Andere Forschungen:
Ein Forschungsteam der Universität Tübingen erreichte mit einer neuartigen Solarzelle einen Wirkungsgrad von 18%, was als zweithöchster Wert für direkte solare Wasserspaltung und ein Weltrekord bezüglich der Solarzellenfläche gilt. Der aktuelle Rekord liegt bei 19% durch ein internationales Forschungsteam (Stand 2018). Ziele für die Wirtschaftlichkeit liegen bei einem Wirkungsgrad von etwa 10%.
Vergleich mit Elektrolyse:
Die Effizienz der Solarwasserstoffmodule (ca. 15%) ist im Vergleich zu klassischen Elektrolyseverfahren (60-85%) gering. Allerdings nutzen die hier beschriebenen Technologien das Sonnenlicht direkt als Energiequelle, im Gegensatz zur klassischen Elektrolyse, die externen Strom benötigt. Einzelne Teilschritte in der Elektrolysetechnik erreichen jedoch mittlerweile Wirkungsgrade von bis zu 98% (Kapillarelektrolyse).
Kosten und Wirtschaftlichkeit.
Herstellungskosten (Solhyd-Wasserstoff):
Ein Kilogramm Wasserstoff kostet in der Herstellung mit der Solhyd-Technik derzeit etwa zehn US-Dollar. Dies ist deutlich teurer als Wasserstoff aus fossilen Quellen (etwa ein Drittel davon). Skaleneffekte in der Produktion sollen jedoch zu Preissenkungen führen.
Herstellungskosten (Tübinger Reaktor-Modul):
Eine Kostenschätzung für den "Schlüsselloch-Reaktor" auf Basis von Großhandelspreisen und Fertigungskosten ergibt:
- Transparentes Panel (Kunststoff): ca. 13 $/m².
- Reflektierende Beschichtung: ca. 35 $/m².
- Katalysator (geschätzt 1-12g/m² bei 1000 $/kg): ca. 12 $/m².
Gesamtkosten (geschätzt): 63 $/m², was deutlich unter dem in der Literatur diskutierten Ziel von 100 $/m² für Wirtschaftlichkeit liegt. Dies setzt jedoch eine Effizienz von 10% voraus.
Investitionskosten:
Obwohl die Gesamtinvestitionskosten der Solhyd-Technologie mit anderen Elektrolysetechnologien vergleichbar sind, sollen die Wasserstoffkosten aufgrund drastisch reduzierter Energiekosten niedriger sein.
Amortisation:
Ein Autarkiegrad von 100% durch Wasserstoff-Solarzellen ist zwar umsetzbar, aber eine Anlage mit dieser Auslegung wird sich voraussichtlich nicht effektiv amortisieren. Die Amortisation verläuft wie bei konventioneller PV-Technik in einer Optimumskurve.
Vorteile.
Dezentrale Produktion:
Wasserstoff kann direkt vor Ort produziert werden, was lange Transportwege über Tausende von Kilometern überflüssig macht und ein grosses Problem löst.
Energiespeicherung:
Wasserstoff dient als universeller Energieträger, der Wärme und Strom erzeugen kann. Er bietet die Möglichkeit einer dauerhaften Speicherung, was ein Vorteil gegenüber teuren Batteriespeichern ist, deren Amortisierung Jahre dauern kann.
Unabhängigkeit:
Ermöglicht es Einzelpersonen, Wasserstoff zu Hause selbst zu produzieren und zu nutzen, ohne Abhängigkeiten von Grosskonzernen.
Umweltfreundlichkeit:
Die Produktion ist CO2-neutral und verzichtet auf seltene oder umweltschädliche Materialien.
Kompaktheit und Flexibilität:
Durch die direkte Nutzung der Sonnenenergie wird die Technologie kompakter und flexibler, ohne die Notwendigkeit eines externen Stromkreises.
Kosteneffizienz:
Potenziell geringere Investitions- und Betriebskosten (CAPEX und OPEX) durch einfache Installation, niedrigere Ausgaben für Balance of Plant (BOP) und keine Notwendigkeit für Wasseraufbereitung, Kühlung oder Hochspannungstransformatoren. Skaleneffekte in der Produktion sollen zu Preissenkungen führen.
100% Autarkie:
In Kombination mit konventioneller Photovoltaik könnte ein Autarkiegrad von 100% erreicht werden.
Kompatibilität:
Solhyd-Technologie ist mit handelsüblichen Wasserstoffspeicherlösungen kompatibel.
Herausforderungen und Nachteile.
Kosten:
Die Herstellung von Wasserstoff mit Solhyd-Modulen ist mit etwa 10 US-Dollar pro Kilogramm derzeit noch relativ teuer, verglichen mit Wasserstoff aus fossilen Quellen (etwa ein Drittel davon). Obwohl die Gesamtinvestitionskosten vergleichbar mit anderen Elektrolysetechnologien sind, sollen die Energiekosten drastisch reduziert werden. Die Kosten für die Produktion eines Panels werden auf 63 US-Dollar pro Quadratmeter geschätzt, deutlich unter dem Ziel von 100 US-Dollar pro Quadratmeter für Wirtschaftlichkeit.
Effizienz (aktuell):
Der Wirkungsgrad der Solarwasserstoffmodule (ca. 15%) ist im Vergleich zu klassischen Elektrolyseverfahren (60-85%) gering.
Sicherheit:
Wasserstoff ist ein explosives und flüchtiges Gas, was beim Bau von Leitungssystemen im Gebäude berücksichtigt werden muss.
Anwendung im privaten Sektor:
Während Wasserstoff in der Industrie unerlässlich ist, wird seine Wirtschaftlichkeit im privaten Sektor, insbesondere für Wärme und Sektorenkopplung, angezweifelt, da die direkte Nutzung von Strom (z.B. durch Wärmepumpen mit SCOP von 300-700%) oft wirtschaftlicher ist.
Betankung von Fahrzeugen:
Die Betankung von Wasserstoffautos mit diesen Paneelen ist derzeit nicht realistisch, da extrem hoher Druck (ca. 700 Bar) für den Fahrzeugkraftstoff erforderlich ist, was viel Energie zum Verdichten und Betanken benötigt.
Amortisation:
Ein 100%iger Autarkiegrad durch Wasserstoff-Solarzellen ist zwar umsetzbar, aber eine Anlage mit dieser Auslegung wird sich voraussichtlich nicht effektiv amortisieren. Es ist eine individuelle Kosten-Nutzen-Abwägung erforderlich.
Langzeitstabilität:
Die Korrosion und Langzeitstabilität der Solarzellen, die sich im Wasser befinden, bleibt eine grosse Herausforderung in der Forschung, obwohl bereits Fortschritte erzielt wurden.
Anwendungsbereiche.
Solhyd bietet verschiedene Produktlinien an:
- SHP-Utility (5 – 100 MW): Für Off-site-Wasserstoffproduktion in Solarparks, zur Lieferung via Pipeline oder Tube-Trailern für die Chemie-, Mobilitäts- und Elektronikindustrie.
- SHP-Industrial (100 MW – 2 GW): Für Grossprojekte in Regionen mit reichlich erneuerbarer Energie, zur direkten Abnahme für die Produktion von Methanol, Ammoniak, eSAF und Stahl.
- SHP-Commercial (0.5 – 2 MW): Für On-site-Wasserstoffproduktion und -verbrauch in verschiedenen Industrien wie Metallurgie, Lebensmittel, Elektronik und Halbleiterindustrie.
Heizen und Stromerzeugung:
Der gespeicherte Wasserstoff eignet sich zum Heizen mittels Heizkessel und zur Stromerzeugung über eine Brennstoffzelle.
Kompatibilität mit bestehenden Systemen:
Alte Heizsysteme mit "H2-Ready"-Label können problemlos weiter genutzt werden, was Investitionskosten senken kann.
Dezentrale Nutzung:
Die Module ermöglichen die Produktion von Wasserstoff direkt vor Ort, wodurch lange Transportwege entfallen. Dies ermöglicht Einzelpersonen, Wasserstoff zu Hause selbst zu produzieren und zu nutzen.
Landwirtschaft und Industrie:
Die Technologie könnte in der Landwirtschaft und Industrie praktikabel sein, wo Wasserstoff zur Stromproduktion oder zum Heizen genutzt werden kann. Pilotprojekte in der Landwirtschaft wurden bereits erprobt, bei denen Module über Feldern installiert sind.
Integration in bestehende Systeme:
Solhyd-Technologie ist mit kommerziellen PV-Modulen kompatibel und kann bestehenden Solaranlagen hinzugefügt werden. Alte Heizsysteme mit „H2-Ready“-Label können problemlos weiter genutzt werden, was Investitionskosten senken kann.
Keine direkte Fahrzeugbetankung:
Die Betankung von Wasserstoffautos mit diesen Paneelen ist aufgrund des extrem hohen Drucks (ca. 700 Bar), der für den Fahrzeugkraftstoff erforderlich ist, derzeit nicht realistisch.
Marktverfügbarkeit und zukünftige Schritte.
Die neuartigen Solarzellen sind derzeit noch nicht auf dem Markt erhältlich. Die Erfinder testen die Module in mehreren Pilotprojekten.
Laut Solhyd-Projekt könnten die Wasserstoff-Module ab 2030 kommerziell verfügbar sein, zunächst in Kleinserien.
Weitere notwendige Schritte umfassen die Verbesserung der Langzeitstabilität, den Transfer der Technologie auf kostengünstigere Silizium-basierte Materialsysteme und die Skalierung auf grössere Flächen.
Projekte wie „H2Demo“ unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, gefördert durch das BMBF, arbeiten an Demonstratoren für die direkte solare Wasserspaltung, mit dem Ziel, die III-V Tandem-Absorber zu optimieren und Prozesse für den industriellen Einsatz zu skalieren.
Die Fraunhofer-Institute haben ein Tandem-Modul entwickelt, das autark und sicher solar erzeugten grünen Wasserstoff produziert und planen, ihre Lösung in Kooperation mit Unternehmen weiterzuentwickeln.
Solhyd ist aktiv an verschiedenen Projekten und Partnerschaften beteiligt, darunter das Smart dHYstrict-Konsortium zur Entwicklung lokaler Energiesysteme mit Wasserstoff und Kooperationen zur Entwicklung von Wasserstoffgeräten für Kochen und Kühlen. Das Unternehmen wurde für seinen radikalen Ansatz bei grünem Wasserstoff mit einem World Hydrogen Award ausgezeichnet.
Weitere notwendige Schritte umfassen die Verbesserung der Langzeitstabilität, den Transfer der Technologie auf kostengünstigere Silizium-basierte Materialsysteme und die Skalierung auf größere Flächen.
Projekte wie "H2Demo" (Fraunhofer ISE) arbeiten an Demonstratoren und skalieren Prozesse für den industriellen Einsatz. Die Fraunhofer-Institute haben ihre Lösung auf der Messe Achema 2024 präsentiert und planen die Weiterentwicklung in Kooperation mit Unternehmen.
Disclaimer / Abgrenzung
Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.
Quellen 08/2025
https://www.youtube.com/watch?v=EtTd3sniLd0
https://solhyd.eu/en/technology/