Mit Eisenstaub Solar- und Windenergie speichern
Eisen könnte künftig als chemischer Energiespeicher dienen und grosse Mengen erneuerbarer Energie langfristig verfügbar machen. Dies ist die Idee eines des Teams des Karlsruher Instituts für Technolgie (KIT). Es hat das Potenzial dieser Technologie in der Stromerzeugung erstmals untersucht.
Quelle: Janik Hebel, TU Darmstadt
Eisenstaubflamme im Labormassstab. Aufnahme aus Darstellungsgründen um 90 Grad gedreht.
Ob Windenergie aus den Bergen und von der Meeresküste oder Sonnenstrom aus Wüstengebieten: Eisen könnte künftig als transportabler Energieträger dabei helfen, um diese erneuerbaren Energien weltweit nutzbar zu machen. «Das funktioniert in einem Kreislauf ohne Kohlendioxidemissionen oder umweltschädliche Substanzen», erklärt Julia Schuler vom Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Konkret wird dabei Eisenpulver zur Energiegewinnung verbrannt. Zurück bleibt Eisenoxid oder vielmehr Rost. Dieses wird anschliessend mittels erneuerbaren Wasserstoffs wieder zu Eisen reduziert, wobei der enthaltene Sauerstoff entfernt wird. Das Eisenpulver eignet sich für eine erneute Nutzung. «Eisenpulver verhält sich in der Feuerung ganz ähnlich wie Kohle. Daher stellt sich in der Forschung die Frage, ob sich bestehende Kohlekraftwerke auf Eisenfeuerung umrüsten lassen», führt Schuler aus. Anpassungen wären vor allem im Wärmeerzeuger notwendig, weitere Kraftwerksbestandteile wie Dampfkreislauf, Turbinen, Generator und Netzanschluss könnten in diesem Konzept weiterverwendet werden.
Eisen hat als Langzeitspeicher Vorteile, etwa wegen der einfache Lagerung
Aufbauend auf Erkenntnissen aus dem Forschungsprojekt «Clean Circles» zum Thema Eisenkreislauf untersuchte ein Team des KIT nun in einer von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg geförderten Studie, wie sich der Eisenkreislauf zur Stromerzeugung in einem klimaneutralen europäischen Energiesystem einsetzen lässt. Dazu erweiterten sie ein etabliertes Energiesystemmodell (PERSEUS) um die Option zur Umrüstung von Kohlekraftwerken, um Reduktionsanlagen sowie Speicher- und Transportwege. Anschliessend optimierten sie mithilfe des erweiterten Modells die Entwicklung des europäischen Energiesystems bis 2050: Dabei konkurrierte der Eisenkreislauf mit anderen Technologien wie Batterien, Wasserstoffspeichern und Wasserstoffkraftwerken. Die Ergebnisse zeigen: Zwar kann Eisen die wasserstoffbasierte Stromerzeugung nicht ersetzen aber in einem klimaneutralen Energiesystem sinnvoll ergänzen.
Insbesondere als Langzeitspeicher bietet Eisen Vorteile, wie das KIT mitteilt: Das Pulver lässt sich vergleichsweise einfach lagern und transportieren, während für den Einsatz von Wasserstoff ein aufwendiges Netz aus Pipelines, Importterminals und Untergrundspeichern notwendig ist. Mit Eisenpulver liesse sich erneuerbare Energie auch global mit geringerem infrastrukturellem Aufwand transportieren. Gleichzeitig könnten lokale Reduktionsanlagen Stromüberschüsse in Europa über den Zwischenschritt der Wasserstoffproduktion in Eisenpulver als speicherbaren Energieträger umwandeln.
Eisen statt Wasserkraft oder unterirdischer Speicherung von Wasserstoff?
In den Simulationen erwiesen sich mit Eisenpulver befeuerte Kraftwerke als besonders attraktiv in Ländern mit begrenzten Möglichkeiten zur Wasserkraftnutzung oder zur unterirdischen Speicherung von Wasserstoff. In solchen Regionen kann Eisen dazu beitragen, Versorgungslücken während längerer Phasen geringer Stromerzeugung aus Wind- und Solaranlagen zu überbrücken. Gleichzeitig entlastet es die Wasserstoffinfrastruktur, etwa wenn Importkapazitäten oder Transportleitungen an ihre Grenzen stossen.
Das Forschungsteam bewertet es als «ermutigendes Signal» für die Weiterentwicklung der Technologie, dass die mit Eisenpulver befeuerten Kraftwerke über alle betrachteten Szenarien hinweg Bestandteil eines kostenminimalen Energiesystems waren. «Eisen könnte zukünftig eine spezifische, aber ökonomisch sinnvolle Rolle dabei spielen, Klimaneutralität zu erreichen und erneuerbare Energien zuverlässig verfügbar zu machen», sagt Schuler.
Ob tatsächlich eine neue «Eisenzeit» anbricht, hängt jedoch massgeblich davon ab, wie aufwendig die Umrüstung bestehender Kraftwerke ist und wie effizient sich Eisenoxid künftig wieder zu Eisen reduzieren lässt. (mgt/mai)
