Im Verlauf des Kurses „Good Morning, Sunshine!“ haben wir uns diesen Zusammenhängen aus unterschiedlichen Perspektiven angenähert.

Den Einstieg für die Motivation unseres Kurses bildeten Klimamythen, bei denen wir verbreitete Aussagen rund um Klimawandel und erneuerbare Energien hinterfragt und mithilfe wissenschaftlicher Erkenntnisse eingeordnet haben. Anschließend konnten wir uns durch Experimente selbst mit den physikalischen und chemischen Grundlagen der Sonnenenergienutzung beschäftigen. Darüber hinaus untersuchten wir mit Wärmepumpe und Elektrolyse weitere Möglichkeiten der Energieumwandlung und -nutzung. Dabei ging es nicht nur darum, theoretisches Wissen zu verstehen, sondern auch darum, naturwissenschaftliche Zusammenhänge praktisch zu beobachten und auszuwerten.

Ergänzt wurden unsere eigenen Untersuchungen durch Interviews mit internationalen Fachleuten. Sie ermöglichten uns einen Einblick in aktuelle Forschung und technische Anwendungen und halfen dabei, die Ergebnisse unserer Experimente in einen größeren Zusammenhang einzuordnen. So entstand Schritt für Schritt ein umfassenderes Bild davon, welche Möglichkeiten Sonnenenergie bietet, aber auch vor welchen Herausforderungen ihre Nutzung steht.

Die folgende Dokumentation folgt diesem Weg: Von der kritischen Auseinandersetzung mit Klimamythen über eigene Experimente und die daraus gewonnenen Erkenntnisse bis hin zu Gesprächen mit Expertinnen und Experten. Dabei wird deutlich, wie eng naturwissenschaftliche Grundlagen, technische Entwicklungen und die Frage nach einer nachhaltigen Energieversorgung miteinander verbunden sind.

Deutlich entscheidender ist die Verringerung unserer Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, da deren Verbrennung große Mengen an Treibhausgasen verursacht (IPCC, 2022). Der Verzicht auf Plastiktüten ist somit eine sinnvolle und leicht umsetzbare Alltagsmaßnahme, ersetzt aber nicht größere Veränderungen wie den Ausbau von Wind- und Solarenergie (IEA, 2023).

Das bedeutet jedoch nicht, dass individuelles Handeln unwichtig ist. Jeder Beitrag zum Umweltschutz zählt. Langfristig reicht persönliches Verhalten allein jedoch nicht aus. Erst das Zusammenspiel aus bewusstem Konsum, politischen Entscheidungen und dem konsequenten Ausbau erneuerbarer Energien kann die Treibhausgasemissionen dauerhaft senken und die Folgen des Klimawandels wirksam begrenzen (IPCC, 2022).

Quellen

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2022): Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Summary for Policymakers.
https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/chapter/summary-for-policymakers/⁠
(abgerufen am: 26.08.2026)

International Energy Agency (IEA) (2023): Net Zero Roadmap: A Global Pathway to Keep the 1.5 °C Goal in Reach. Executive Summary.
https://www.iea.org/reports/net-zero-roadmap-a-global-pathway-to-keep-the-15-c-goal-in-reach/executive-summary⁠
(abgerufen am: 26.08.2026)

Umweltbundesamt (2026): Statt Plastiktüten: Eigene Beutel mitnehmen und mehrfach verwenden.

Dr. Holger Röhm forscht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unter anderem an organischen Solarzellen und Perowskit Solarzellen – also zwei Arten von Dünnschicht-Solarzellen. Wir haben uns im Vorfeld dazu informiert und ein Experteninterview mit ihm geführt. Im Folgenden sind die Inhalte des Gesprächs aufgeführt, in dem organische Zellen und Perowskit-Zellen mit den Siliziumzellen verglichen werden.

Interview

Perowskit-zellen funktionieren ähnlich wie Siliziumzellen: Durch den photovoltaischen Effekt werden Elektronen angelegt und durch eine Raumladungszone abtransportiert und durch einen Widerstand geleitet.

Besonders dabei: die Zellen sind etwa 100-mal dünner und damit leichter, was Vorteile bei der Montage mit sich bringt. Trotz kurzer Entwicklungszeit erreichen sie erstaunlich hohe Wirkungsgrade von bis zu 35%. Außerdem können die Perowskit-Materialien manipuliert werden, dass sie nur bestimmte Lichtstrahlen absorbieren. Somit werden Multi-Junction-Systeme bzw. Tandemzellen möglich, bei denen Perowskitzellen über Siliziumzellen montiert sind. Auf diese Weise könnten theoretisch Wirkungsgrade bis zu über 80% erzielt werden, so weit ist die Forschung aber noch nicht.
Nachteile der Perowskitzellen ist primär die bisher noch schlechte Haltbarkeit und manche Inhaltsstoffe wie das Schwermetall Blei. Durch eine weit ausgebaute und kosteneffiziente Siliziumzellenproduktion v.a. in China ist die Perowskit-zelle auch noch weit davon entfernt, konkurrenzfähig zu werden. Allerdings gibt es bereits heute Anwendungen in der Forschung oder auf für Siliziumzellen ungeeignete Flächen, in denen Perwoskit-zellen zum Einsatz kommen.

Organische Solarzellen bestehen aus organischem Material (v.a. Kohlenstoff-moleküle) und werden auf andere Weise dotiert als Perowskit-Zellen. Statt sie durch Metalle zu “verunreinigen”, werden sie mit bestimmten Kunststoffketten angereichert, die die Elektronen zu den Polen leiten.

Organische Zellen haben den Vorteil, dass sie aus umweltfreundlicheren Materialien bestehen und der Materialverbrauch insgesamt eher niedritg ist. Außerdem sind sie flexibel und noch lichtdurchlässiger als Perowskitzellen, was eine Anwendung auf Glasdächern auf Gewächshäusern denkbar macht.
Allerdings erreichen organische Zellen bisher nur geringere Wirkungsgrade von bis zu 21%. Außerdem ist die Herstellung im Vergleich zu Siliziumzellen noch nicht konkurrenzfähig und sind ebenfalls nicht so langlebig wie Siliziumzellen.

Siliziumzellen überzeugen also vor allem durch ihre Langlebigkeit, die vergleichsweise hohen Wirkungsgrade und die günstige Produktion. Trotzdem sieht Röhm die Möglichkeit, dass Perowskitzellen in Zukunft eine gute Alternative zu Siliziumzellen sein könnten und dass organische Zellen in bestimmten Anwendungsbereichen Verwendung finden.

Eine effiziente Möglichkeit, den Wärmebedarf von Gebäuden zu decken, bieten Wärmepumpen. Sie nutzen elektrische Energie, um Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und für die Beheizung von Gebäuden nutzbar zu machen.

Doch wie funktioniert das eigentlich? Mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses transportiert die Wärmepumpe Wärme von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau. Dabei durchläuft das Kältemittel Bereiche mit unterschiedlichen Druckniveaus: eine Niederdruck- und eine Hochdruckseite. Durch die gezielte Veränderung des Drucks ändern sich auch Temperatur und Aggregatzustand des Kältemittels. So kann der Umgebung Wärme entzogen und anschließend auf einem höheren Temperaturniveau an das Gebäude beziehungsweise das Heizungswasser abgegeben werden.

Aber wie funktioniert das im Detail? Eine Wärmepumpe besteht aus vier grundlegenden Hauptbauteilen: dem Verdampfer (siehe Abb. 1), dem Kompressor beziehungsweise Verdichter, dem Kondensator und einer adiabaten Drossel. Diese vier Bauteile sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Welche Funktionen die einzelnen Bauteile übernehmen, wird im Folgenden genauer erklärt.

Je nach Bauweise der Wärmepumpe kommen unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz. Eine klimafreundlichere Alternative zu fluorierten Kältemitteln ist beispielsweise Propan (als R290 bezeichnet), das aufgrund seiner günstigen thermodynamischen Eigenschaften, seiner Beherrschbarkeit sowie des Preises auch in Wärmepumpen eingesetzt wird (Umweltbundesamt, 2026).

Eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren der Wärmepumpe ist, dass das Kältemittel im Verdampfer eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle, also die Umgebung hat. Nur so kann es Wärme aufnehmen. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird elektrische Energie benötigt, vor allem für den Antrieb des Verdichters. Im Idealfall stammt diese Energie beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage, wodurch der Betrieb nachhaltiger gestaltet werden kann.

Die Abbildung 1 zeigt den dafür notwendigen thermodynamischen Kreisprozess.

Abb 1. Kreislauf einer Wärmepumpe

Der erste Bestandteil des Kreislaufs ist der Verdampfer (Abb. 4). Er besteht aus einem Rohr- beziehungsweise Wärmetauschersystem, durch das das Kältemittel strömt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel zunächst die Wärme Q aus der Umgebung auf und verdampft dabei (Umweltbundesamt, 2025). Durch Rohre gelangt das nun gasförmige Kältemittel anschließend zum Kompressor. Dieser Vorgang lässt sich mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erklären: Wärme fließt von selbst immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Während das Kältemittel Wärme abgibt, kondensiert es und wird wieder flüssig.

Der Kompressor (Abb. 5) beziehungsweise Verdichter besteht aus einem elektrisch angetriebenen Verdichtungsmechanismus. Seine Aufgabe ist es, das gasförmige Kältemittel zu verdichten und dadurch dessen Druck zu erhöhen (Umweltbundesamt, 2025). Gleichzeitig steigt auch die Temperatur des Kältemittels an. Beim Verdichten wird das Gas auf ein kleineres Volumen zusammengepresst. Dadurch steigt seine innere Energie und somit auch seine Temperatur.

Danach strömt das nun heiße Kältemittel zum Kondensator (Abb. 2). Diese bestehen aus vielen dünnen Platten. In den Zwischenräumen strömen das heiße Kältemittel und das kühlere Heizungswasser getrennt voneinander vorbei. Das Kältemittel gibt dabei seine Wärme an das Heizungswasser ab (Umweltbundesamt, 2025)

Als letzten Schritt durchläuft das flüssige Kältemittel die adiabate Drossel (Abb. 3). Sie besteht beispielsweise aus einer sehr engen Verengung im Rohrsystem oder einem entsprechend geregelten Ventil. Der Begriff „adiabat“ bedeutet, dass während dieses Vorgangs kein beziehungsweise nahezu kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Beim Durchströmen der Drossel fällt der Druck des Kältemittels stark ab, wodurch auch seine Temperatur sinkt. Gleichzeitig verdampft ein Teil des flüssigen Kältemittels, sodass nach der Drossel ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gas, sogenannter Nassdampf, vorliegt. Der Gasanteil nimmt dabei zu, während der Flüssigkeitsanteil abnimmt. Anschließend strömt das kalte Kältemittel wieder in den Verdampfer, wo es erneut Wärme aus der Umgebung aufnimmt und vollständig verdampft. Der Kreislauf beginnt von vorne (Umweltbundesamt, 2025)

Abb. 2 Kondensator Abb. 3 Adiabate Drossel Abb. 4 Verdampfer Abb. 5 Kompressor

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ermöglicht eine effiziente Nutzung von Umweltwärme. In der praktischen Anwendung bringt diese Technologie jedoch sowohl Vorteile als auch Herausforderungen mit sich. Die besondere Effizienz einer Wärmepumpe liegt darin, dass sie mehr Wärmeenergie an das Gebäude abgeben kann, als ihr in Form von elektrischer Energie zugeführt wird. Der zusätzliche Anteil stammt aus der kostenlos verfügbaren Umweltwärme.

Wärmepumpen bieten vor allem durch ihre hohe Effizienz einen großen Vorteil. Sie nutzen Wärme aus der Umgebung und benötigen dafür vergleichsweise wenig elektrische Energie. Wird der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen, kann ihr Betrieb besonders umweltfreundlich sein. Eine Kombination mit einer Photovoltaikanlage bietet sich daher besonders an und kann gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas verringern.

Demgegenüber stehen vor allem die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten. Außerdem hängt die Effizienz einer Wärmepumpe stark von den jeweiligen Bedingungen ab. Insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen muss sie mehr Energie aufwenden, um die benötigte Heiztemperatur zu erreichen. Je nach Art der Anlage kann zudem zusätzlicher Platz für die Installation erforderlich sein. Trotz dieser Nachteile stellen Wärmepumpen vor allem in Verbindung mit erneuerbarem Strom eine wichtige Technologie für eine nachhaltigere Wärmeversorgung dar.

Quellenverzeichnis:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) (2019): Was ist eigentlich Versorgungssicherheit?
https://energiewende.bundeswirtschaftsministerium.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2019/07/Meldung/direkt-erklaert.html⁠
(abgerufen am: 27.08.2026) 

Umweltbundesamt (2026): Wärmepumpen. Zuletzt aktualisiert am 22.07.2026. Online verfügbar unter: Umweltbundesamt – Wärmepumpen(abgerufen am 27.08.2026).

Umweltbundesamt (2025): Umgebungswärme und Wärmepumpen.Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/umgebungswaerme-waermepumpen
(abgerufen am 27.08.2026).

Vorwort 

Paul Kant ist Gründer des Start-ups „Photreon“ und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Karlsruhe Institute of Technology (KIT). In seinem Start-up entwickeln Dr. Kant und seine Kollegen einen Photoelektrolyseur, welcher eine Kombination aus Photovoltaik und Elektrolyseur darstellt. Der in der Solarzelle gewonnene Strom wird direkt in der Wasserstoffproduktion umgesetzt. In unserem Interview hatten wir die Möglichkeit, ihn zu seinem Start-up und seiner Forschung zu befragen. 

Interview

Das Funktionsprinzip der Photoelektrolyse lautet wie folgt: Licht erzeugt im Halbleiter Elektronen-Loch-Paare, die an Ko-Katalysatoren die Wasserspaltung antreiben. Die Partikel sind im Volumen suspendiert (keine Beschichtung), wodurch deutlich weniger Halbleiter- und Edelmetallmaterial benötigt wird, als es bei der Photovoltaikanlage der Fall wäre. Bei diesem Prozess werden sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff produziert. Der Wasserstoff ist das erwünschte Produkt und Sauerstoff wird als Beiprodukt in die Atmosphäre abgegeben. 

Entstanden ist dieses Start-up aus einem Forschungsprojekt am Institut für Mikrostrukturtechnik. Aktuell befindet es sich im Übergang vom Labor in die Praxis. Erstmals wurde ein 1-m²-Prototyp erfolgreich unter echtem Sonnenlicht getestet. Angestrebt wird ein kommerzielles Produkt für den Anfang der 2030er-Jahre. Der Zielmarkt dafür ist rein industriell, da bei der privaten Produktion verschiedene Sicherheits- und Kostenhürden auftreten. Die zwei Hauptabnehmer für das Produkt wären die Sunbelt-Regionen (z. B. Oman, Marokko etc.), in denen sehr große Flächen verfügbar sind und Wasserstoff billig produziert werden kann, sowie Zentraleuropa. Dort herrscht eine höhere Zahlungsbereitschaft. 

Wirtschaftlich konkurrenzfähig sind die Photoelektrolyseure vor allem aufgrund ihrer geringen Wasserstoff-Entstehungskosten. Das liegt vor allem an dem kostengünstigen, patentierten Gesamtreaktorsystem: Anstatt auf komplexe Halbleiter-Wafer zu setzen, optimiert Photreon die Skalierbarkeit in der Fläche bei gleichzeitiger Minimierung des Ressourcenbedarfs. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass das System anders als herkömmliche Elektrolyseure auch mit herkömmlichem Leitungswasser arbeiten kann, was zusätzliche Arbeitsschritte spart. 

Die Paneele bestehen aus Kunststoff, was sie leicht und günstig in der Massenproduktion macht. Diese Technologie ist vielversprechend, da der CO₂-Fußabdruck vergleichbar mit oder sogar geringer als bei der herkömmlichen Elektrolyse ist. 

Neben Photreon gibt es auch noch andere nationale sowie internationale Start-Ups, die sich mit der Photoelektrolyse beschäftigen und in ständigen Austausch miteinander stehen. 

Fazit

Paul Kant verfolgt mit seinem Unternehmen Photreon einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von grünem Wasserstoff, der Photovoltaik und Elektrolyseur miteinander kombiniert. Dadurch lässt sich Wasserstoff lokal produzieren und es wird weniger Material benötigt. Zwar ist das Produkt noch nicht kommerziell verkäuflich, aber laut Paul Kants Prognose sollte dies bereits Anfang der 2030er Jahre der Fall sein. 

Besonders deutlich wurde dabei, dass sich viele der erforschten Technologien und Innovationen immer weiterentwickeln lassen. Dennoch bieten Solarenergie, Wasserstoff und neue Verfahren wie die Fotokatalyse vielfältige Möglichkeiten, Energie zukünftig effizienter und nachhaltiger zu gewinnen und zu nutzen.

„Good Morning, Sunshine!“ war für uns deshalb mehr als nur ein Kurstitel: Er steht auch für den Blick nach vorn – auf neue Ideen, neue Technologien und die Frage, wie wir die Energieversorgung der Zukunft mitgestalten können.