In Deutschland: 31.3 Prozent Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz im Freien

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Deutschland haben ein kompaktes System gebaut, das bei Tests im Freien bis zu 31.3 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in chemische Energie umsetzt, die als Wasserstoff gespeichert wird. Anders gesagt: Fast ein Drittel der Sonnenenergie, die das Gerät erreicht, landet als speicherbarer Brennstoff.

Nach Angaben des Teams ist das die bislang höchste berichtete Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz, die unter echten Aussenbedingungen gemessen wurde. Das kann ein wichtiger Schritt sein – zugleich handelt es sich erst um einen kleinen Machbarkeitsnachweis und nicht um eine kommerzielle Wasserstoffanlage.

Der zentrale Kniff: Der Strom soll möglichst kurze Wege nehmen. Statt Solarstrom erst durch zusätzliche Leistungselektronik zu schicken, bevor er einen Elektrolyseur speist, koppelt das Konzept hocheffiziente Solarzellen direkt an die Wasseraufspaltung.

Weniger Umwandlungsstufen bedeuten in der Regel weniger Verluste. Was das am Ende für Kosten, Lebensdauer und Skalierung heisst, ist allerdings noch nicht beantwortet.

Wie das System Wasserstoff erzeugt

Zum Einsatz kommt ein Feld aus Fresnel-Linsen. Diese dünnen, geriffelten Linsen funktionieren im Prinzip ähnlich wie die bekannten Lupe-Experimente aus der Kindheit.

Sie bündeln direktes Sonnenlicht auf Vierfach-Solarzellen aus III-V-Halbleitern. Durch die Schichtstruktur können diese Materialien unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums besonders gut nutzen.

Solche Hochleistungszellen werden auch in der Raumfahrt verwendet: klein, sehr leistungsfähig – und entsprechend teuer.

Der erzeugte Strom fliesst anschliessend in zwei Protonenaustauschmembran-(PEM)-Elektrolysezellen, die in Reihe geschaltet sind. Bei der PEM-Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Eine Polymermembran transportiert dabei geladene Wasserstoffteilchen durch die Zelle. Im Alltagssatz: Sonnenlicht hinein, speicherbarer Energieträger heraus. Einfach klingt das – die Umsetzung ist es nicht.

Projektleiter Juan F. Martínez bezeichnete den Ansatz als „konzentrierende Photovoltaik“, während Tom Smolinka die elektrische Kopplung als „perfekte Übereinstimmung“ beschrieb. Jens Ohlmann betreute die Arbeiten; Frank Dimroth initiierte die Studie am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Warum die elektrische Abstimmung entscheidend ist

Solarzellen liefern ihre beste Leistung nur in einem bestimmten Zusammenspiel aus Spannung und Strom. Auch ein Elektrolyseur hat einen bevorzugten Arbeitsbereich.

Passen diese Kennlinien nicht zusammen, geht nutzbare Leistung verloren.

Im Versuch wurden vier Solarzellen parallel geschaltet und mit zwei Elektrolysezellen in Serie kombiniert. So blieben beide Teilsysteme nahe an ihrem jeweils effizientesten Betriebspunkt – ohne zusätzliche Umrichtereinheiten.

Im Optimum erreichte der Photovoltaik-Teil eine Effizienz von 34.7 Prozent, der Elektrolyse-Stack 91.1 Prozent. Zusammen ergab das die Solar-zu-Wasserstoff-Effizienz von 31.3 Prozent.

Für die Berechnung wurde der obere Heizwert (Higher Heating Value) von Wasserstoff verwendet. Vereinfacht bedeutet das: Es wird die gesamte chemische Energie angesetzt, die frei wird, wenn Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert und das entstehende Wasser anschliessend abkühlt.

Ein Rekord – mit wichtigen Einschränkungen

Die Linsenfläche war sehr klein: etwa 65 cm² (rund 10 Quadratzoll). Montiert war das System auf einer zweiachsigen Sonnen-Nachführung. Eine winzige Anlage – mit einem auffälligen Messwert.

Getestet wurde über mehr als 107 Betriebsstunden verteilt auf 13 Sommertage. In einer als repräsentativ beschriebenen Stunde blieb die Effizienz trotz veränderlicher Sonneneinstrahlung über 31 Prozent.

Auch die Temperatur spielte eine Rolle. Die integrierte thermische Anbindung des Prototyps erhöhte die Wassertemperatur nur um rund 2.0 °C (3.6 °F).

Deshalb nutzte das Team zusätzlich eine externe Heizung, um das Zulaufwasser bei den Messungen mit hoher Effizienz auf knapp 60 °C (etwa 140 °F) zu bringen.

Der Energiebedarf dieser Heizung wurde in der 31.3-Prozent-Angabe nicht berücksichtigt. Die Forschenden gehen davon aus, dass spätere Systeme Abwärme der Solarzellen zurückgewinnen können – im aktuellen Aufbau wurde dieser Schritt jedoch nicht demonstriert.

Während des kurzen Versuchszeitraums zeigte sich kein Leistungsabfall. Das ist positiv, aber 107 Stunden reichen nicht aus, um zu beurteilen, wie sich Linsen, Zellen, Membranen und Katalysatoren über Jahre mit Staub, Hitze, Wolken sowie täglichen Temperatursprüngen verhalten.

Im realen Betrieb sind die Bedingungen deutlich härter als in einem kontrollierten Test – und genau dort beginnt die nächste Etappe.

Wo grüner Wasserstoff helfen könnte

Wasserstoff wird Strom nicht überall ersetzen – und sollte es auch nicht. Dennoch kann er dort nützlich sein, wo eine direkte Versorgung mit sauberem Strom schwer umzusetzen ist.

Genannt werden Anwendungen wie Stahlproduktion, chemische Industrie, Treibstoffe für die Schifffahrt und abgelegene Energiesysteme. Ausserdem kann Wasserstoff als Langzeitspeicher dienen, um Solarüberschüsse zu sichern.

Man kann es sich wie „Sonnenschein in Flaschen“ vorstellen – praktisch, aber nicht gratis: Jede Umwandlungsstufe kostet Geld und frisst einen Teil der Energie.

Auch der Markt ist bislang überschaubar. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur erreichte die Produktion von Wasserstoff mit niedrigen Emissionen 2025 fast 1.1 Millionen US-Tonnen (rund 1.0 Millionen Tonnen) und dürfte 2026 nur etwas mehr als 1 Prozent der weltweiten Wasserstofferzeugung ausmachen.

Mehr Effizienz ist relevant, weil erneuerbarer Wasserstoff in der Regel weiterhin teurer ist als Wasserstoff aus fossilen Quellen. Am Ende zählt nicht nur ein Labor- oder Testwert, sondern der Preis.

Hinzu kommen Grenzen der konzentrierenden Photovoltaik: Sie funktioniert am besten bei starker, direkter Sonneneinstrahlung.

Anders als klassische Flachmodule nutzt sie diffuses Licht bei bewölktem Himmel weniger gut. Der Standort ist daher entscheidend.

Was als Nächstes passieren muss

Als nächstes muss das Team zeigen, dass sich das Konzept über einen Kollektor von etwa 65 cm² hinaus skalieren lässt. Angestrebt wird ein robustes Modul, das sich industriell fertigen lässt – ein sehr grosser Schritt.

Dafür müssen die Kosten sinken und die Wärmeübertragung besser werden. Ausserdem ist nachzuweisen, dass Linsen, Nachführung, Solarzellen, Membranen und Katalysatoren über Jahre zuverlässig funktionieren.

Die Gruppe sucht Investorinnen und Investoren für eine geplante Ausgründung namens Clearsun Energy. Das könnte den Weg zu einem grösseren Pilotprojekt ebnen, ein Termin für einen kommerziellen Start wurde aber nicht genannt. Entsprechend gilt: Die Stromrechnung sinkt dadurch nicht schon morgen.

Kann dieser Ansatz Solar-Wasserstoff irgendwann günstiger machen? Vielleicht. Der aktuelle Stand erlaubt vor allem eine nüchterne Aussage.

Direkt abgestimmte Konzentrator-Solarzellen in Kombination mit PEM-Elektrolyse können im Freien die Marke von 30 Prozent Effizienz überschreiten. Jetzt folgt der schwierigste Teil: das Ganze in sinnvoller Grösse – und zu einem Preis, den Kundinnen und Kunden akzeptieren.

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