Techno-ökonomischer Benchmarking von grünem Wasserstoff aus festen und nachgeführten PV-Systemen: eine integrierte PVsyst–MATLAB-Analyse

Sonnenlicht wird zu sauberem Brennstoff

Viele sonnenreiche Länder suchen nach Wegen, dieses Licht in sauberen Brennstoff zu verwandeln, der Fabriken, Lastwagen und ganze Städte antreiben kann, ohne Kohlendioxid auszustoßen. Diese Studie untersucht, wie man Solarzellen am besten nutzt, um grünen Wasserstoff zu produzieren — einen Brennstoff, der aus Wasser mit erneuerbarem Strom hergestellt wird. Durch den Vergleich zweier gängiger Montagemethoden für Solarmodule — eine fest installiert und eine, die der Sonne folgt — zeigen die Forschenden, welche Konfiguration in einer sonnenverwöhnten Region wie Kandahar mehr Wasserstoff zu geringeren Kosten liefert.

Zwei Arten, die Sonne einzufangen

Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein direkter Vergleich zweier Solarsysteme, die eine industrielle Einheit namens Elektrolyseur speisen, welche Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. In einem System sind die Module in einem festen Neigungswinkel montiert. Im anderen bewegen sich die Module auf einer dualen Nachführstruktur, sodass sie sich tagsüber der Sonne ausrichten können. Beide Systeme haben dieselbe Nennleistung von 10 Kilowatt und leiten ihren Strom direkt an eine Wasserstoffanlage, die nur läuft, wenn die Sonneneinstrahlung stark genug ist. Das macht den Vergleich fair und realistisch für ferne, autarke Projekte zur Produktion von grünem Wasserstoff, die nicht an ein Stromnetz angeschlossen sind.

Digitaler Zwilling einer Solar-Wasserstoff-Anlage

Um die Leistung detailliert zu verstehen, erstellen die Autoren einen digitalen Zwilling der gesamten Kette vom Sonnenlicht bis zum Wasserstoff. Sie nutzen ein spezialisiertes Solar-Planungstool, um zu berechnen, wie viel Strom jede Solaranlage in Kandahar stündlich über ein Jahr hinweg erzeugen würde, unter Berücksichtigung der lokalen Einstrahlung, Temperaturen und Systemverluste. Diese Stromprofile werden in ein zweites Modell in MATLAB eingespeist, das die elektrische Leistung in Wasserstoffausstoß umwandelt und die Kosten über die Lebensdauer der Komponenten aufsummiert. Dieser kombinierte Ansatz erlaubt es, nachzuvollziehen, wie Designentscheidungen auf der Solarseite sich auf Brennstoffproduktion, Gesamteffizienz und die Kosten pro Energieeinheit auswirken.

Mehr bewegliche Teile, deutlich mehr Energie

Die Simulationen zeigen, dass sich in einem sonnigen Klima die Nachführung stark auszahlt. Während die festen Module etwa 11.253 Kilowattstunden Strom pro Jahr erzeugen, erreicht das Nachführsystem rund 15.300 Kilowattstunden — eine Steigerung um 36 % bei gleicher Nennleistung. Die beweglichen Module fangen an mehr Stunden des Tages verwertbares Sonnenlicht ein, sowohl im Winter als auch im Sommer, sodass der Elektrolyseur länger und gleichmäßiger betrieben werden kann. Infolgedessen steigt die jährliche Wasserstoffproduktion von etwa 240 Kilogramm mit festen Modulen auf rund 320 Kilogramm mit Nachführung, obwohl das mechanische System etwas komplexer ist und geringfügig höhere interne Verluste aufweist.

Kosten und CO2-Fußabdrücke im Vergleich

Die zusätzliche Mechanik macht das Nachführsystem teurer in Bau und Wartung, doch die zusätzliche Energie kompensiert dies über die Zeit mehr als. Wenn alle Investitions-, Wartungs- und Austauschkosten über die gesamte Lebensdauer auf die erzeugte Menge verteilt werden, ergibt sich bei den festen Modulen ein Strompreis von etwa 4,8 Cent pro Kilowattstunde, während die Nachführung diesen Wert auf etwa 3,6 Cent senkt. Auf der Brennstoffseite sinken die Kosten für grünen Wasserstoff von etwa 5,82 USD pro Kilogramm mit festen Modulen auf etwa 4,37 USD pro Kilogramm mit Nachführung. Da das Nachführsystem mehr sauberen Strom erzeugt, vermeidet es außerdem jährlich mehr CO2-Emissionen — nahezu 5 metrische Tonnen Kohlendioxid im Vergleich zu etwa 3,6 Tonnen beim festen Layout.

Was das für sonnige Regionen bedeutet

Für Leser, die sich fragen, wie sich Sonnenenergie speichern und dorthin transportieren lässt, wo sie gebraucht wird, liefert diese Studie eine klare Botschaft. In Regionen mit kräftiger und gleichmäßiger Sonneneinstrahlung kann die Nutzung nachgeführter Solarmodule zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mehr Brennstoff zu niedrigeren langfristigen Kosten bereitstellen und gleichzeitig mehr CO2 einsparen als einfachere feststehende Systeme derselben Größe. Obwohl Nachführsysteme höhere Vorlaufkosten und eine sorgfältigere Planung erfordern, nutzen sie jeden Quadratmeter Land und jeden investierten Dollar besser aus. Für Entscheidungsträger und Planer in sonnenreichen Entwicklungsregionen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass klug geplante, nachgeführte Solarfelder in Kombination mit Wasserstoffanlagen ein praktisches Rückgrat künftiger sauberer Energiesysteme bilden könnten.

Zitation: Irshad, A.S., Hilali, A., Ahmadullah, A.B. et al. Techno-economic benchmarking of green hydrogen production using fixed and tracking PV systems: a PVsyst–MATLAB integrated analysis. Sci Rep 16, 15620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w

Schlüsselwörter: grüner Wasserstoff, Sonnennachführung, Photovoltaiksysteme, Energiewirtschaft, CO2-Minderung