Eisen als Energieträger

Ausgangslage

Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, muss der CO₂-Ausstoss drastisch reduziert und der Ausbau Erneuerbarer Energien stark erhöht werden. Erneuerbare Energien haben jedoch das bekannte Speicherproblem. In Zukunft werden grosse Speichertechnologien benötigt, um diese Herausforderung zu meistern. Die geeignete Technologie hierfür ist derzeit noch nicht gefunden. Eine vielversprechende Speichertechnologie ist das vorliegende Konzept des Eisen Redox-Zyklus. Es ist eine realistische Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohle.

Kernaussagen

• Der Eisen-Redox-Zyklus basiert auf der Oxidation von Eisenstaub zu Eisenoxid. Da Eisen einen höheren Energiegehalt als Eisenoxid hat, wird bei diesem Prozess Wärme frei, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das entstandene Eisenoxid wird anschliessend durch eine Reduktion mit grünem Wasserstoff wieder in reines Eisen umgewandelt. Da hierfür grüner Wasserstoff verwendet wird, gilt der Zyklus als erneuerbar. Im gesamten Kreislauf geht kein Eisen verloren und es wird kein CO₂ freigesetzt. 

• Die Speichertechnologie kann unabhängig von Ort und Zeit eingesetzt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit für saisonale und internationale Langzeitspeicherlösungen.

• Erste Forschungsergebnisse ergeben für den gesamten Kreislauf einen Wirkungsgrad von ca. 28.4%. Dies ist für eine Speichertechnologie nicht besonders hoch, wird aber durch die damit verbundenen Vorteile ausgeglichen.

• Ein Retrofitting bestehender Kohlekraftwerke auf Eisen, wäre mit überschaubaren technischen Anpassungen möglich. Dadurch kann die bestehende Infrastruktur weiter genutzt und der CO₂-Ausstoss drastisch reduziert werden.

• Die Verfügbarkeit von Eisen als Rohstoff ist weltweit gesichert und sowohl der Transport als auch die Lagerung sind einfach zu handhaben. Eisenstaub und Eisenoxid sind stabile, feste und ungiftige Materialien, die sicher und ohne Energieverlust gelagert werden können.

Bilder

1/6 Der Eisen-Redox-Zyklus mit den 4 Sektoren: Reduktion, Transport von Eisen, Oxidation und Transport von Eisenoxid.
Quelle: CleanCircles

2/6 Energiegehalt verschiedener Energieträger in Form von PET-Flaschen abgebildet.
Quelle: CleanCircles

3/6 Grafische Darstellung der Effizienz des Eisen-Redox-Zyklus.

4/6 Fotoaufnahme einer Verbrennung von Eisenstaub in einem Testlabor.
Quelle: CleanCircles

5/6 Eisenstaub, der mit einer Gasflamme in Berührung kommt.
Besuch TU-Darmstadt

6/6 Ein Fass voll mit Eisenoxidpartikel mit einer Partikelgrösse ~200 µm.
Besuch TU-Darmstadt

1/6 Der Eisen-Redox-Zyklus mit den 4 Sektoren: Reduktion, Transport von Eisen, Oxidation und Transport von Eisenoxid.
Quelle: CleanCircles

2/6 Energiegehalt verschiedener Energieträger in Form von PET-Flaschen abgebildet.
Quelle: CleanCircles

3/6 Grafische Darstellung der Effizienz des Eisen-Redox-Zyklus.

4/6 Fotoaufnahme einer Verbrennung von Eisenstaub in einem Testlabor.
Quelle: CleanCircles

5/6 Eisenstaub, der mit einer Gasflamme in Berührung kommt.
Besuch TU-Darmstadt

6/6 Ein Fass voll mit Eisenoxidpartikel mit einer Partikelgrösse ~200 µm.
Besuch TU-Darmstadt

Besuch TU-Darmstadt

Durch meinen Besuch bei 'Clean Circles' an der TU-Darmstadt konnte ich ein Interview mit dem Geschäftsführer, Marius Schmidt, führen. Dadurch erhielt ich wertvolle Einblicke in die aktuelle Forschung zum Eisen-Redox-Zyklus, die nicht nur meine Arbeit bereicherten, sondern auch zur Verifizierung meiner Ergebnisse beitrugen.

Schlussfolgerungen

Die Arbeit kommt zum Schluss, dass der Eisen-Redox-Zyklus eine vielversprechende Technologie zur Langzeitspeicherung von Energie darstellt und einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion von CO₂-Emissionen leisten kann. Insbesondere das Retrofitting bestehender Kohlekraftwerke zu CO₂-freien Kraftwerken durch den Einsatz von Eisen anstelle von Kohle als Brennstoff ist technisch gut realisierbar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass grosse Mengen Eisen transportiert werden müssen.

Um ein Retrofitting von Kohlekraftwerken und den gesamten Eisen-Redox-Kreislauf zur Energiespeicherung zu realisieren, sind erhebliche Investitionen in den Ausbau Erneuerbarer Energieerzeuger sowie in die Wasserstoffproduktion erforderlich.

Lessons Learnt

Durch diese Arbeit habe ich mein Wissen über Energieträger erheblich erweitert. Ich habe viel darüber gelernt, dass auch Metalle als Energieträger dienen können und sich besonders gut für die Langzeitspeicherung eignen und dass konventionelle Kraftwerke nach dem Abschalten mit dem richtigen Energieträger weiter betrieben werden können. Ausserdem habe ich meine Chemiekenntnisse vertieft, vor allem, was chemische Formeln und Berechnungen angeht. Der Besuch an der TU Darmstadt hat mir gezeigt, was Forschung wirklich bedeutet und welche umfangreichen Prozesse dahinter stecken. Dabei habe ich auch gelernt, dass die Umsetzung oft mehr von der Finanzierung als von den naturwissenschaftlichen Gesetzen abhängt.