Energie der Zukunft - Eisen statt Kohle?

StefanWeichelt
17. Aug.
18 Min. Lesezeit

𝗘𝗶𝘀𝗲𝗻 𝘀𝘁𝗮𝘁𝘁 𝗞𝗼𝗵𝗹𝗲 – klingt wie ein Roman von Jules Verne, ist aber knallharte Energieforschung im Hier und Jetzt.

Man stelle sich vor: Das alte Kohlekraftwerk, dieses stählerne Ungetüm am Fluss, rauchende Schornsteine, schwarze Frachter voller Kohle. Nur dass statt Kohle feines Eisenpulver in die Silos rieselt. Es wird verbrannt, glüht wie tausend Funken aus einem Schmiedefeuer, verwandelt sich in Rost – und dabei entsteht Hitze, Dampf, Strom. Aber ohne das CO₂, das uns die Atmosphäre vergiftet.

Das clevere Detail: Rost ist nicht das Ende, sondern der Anfang. Mit grünem Wasserstoff wird er wieder zu Eisen zurückgeführt. Aus Asche wird Vorrat, aus Vorrat wieder Energie. Ein Speicherzyklus, wie gemacht für Zeiten, in denen wir mehr Sonne und Wind einfangen, als wir sofort verbrauchen können.

Klingt nach Alchemie? Läuft schon. In den Niederlanden feuert eine Brauerei ihre Kessel mit Eisen, und in Deutschland wird an der TU Darmstadt ein ganzer Kraftwerksblock dafür umgerüstet. Der Witz: Man muss nicht das Rad neu erfinden. Kessel, Turbinen, Generatoren – alles bleibt. Nur der Brennstoff ändert sich, und die Filter sorgen dafür, dass nichts Gefährliches nach draußen gelangt.

Natürlich hat die Sache einen Haken. Der liegt nicht im Kraftwerk, sondern im Speicherprozess. Denn um Rost wieder zu Eisen zu machen, braucht es Wasserstoff, und zwar viel. Grüner Wasserstoff, bitte schön. Für jede Kilowattstunde, die wir aus Eisen zurückholen, müssen wir ungefähr drei Kilowattstunden erneuerbaren Strom hineinstecken. Das ist kein Konstruktionsfehler, sondern die harte Physik. Deshalb taugt Eisen nicht für die tägliche Schwankung, sondern für die große, saisonale Energielücke im Winter.

Ist das nachhaltig? Ja, wenn der Wasserstoff sauber erzeugt wird. Eisen ist reichlich vorhanden, ungiftig, billig und beliebig oft recycelbar. Einmal eine große Anfangsmenge hineinschütten, danach nur minimale Verluste nachfüllen. Der eigentliche Engpass ist, ob wir genug grünen Wasserstoff herstellen können.

Und die Mythen?

– „Unmengen Erz müssten neu gefördert werden.“ Falsch. Der Kreislauf recycelt das Material.

– „Das bleibt alles graue Theorie.“ Nein. Es gibt Pilotanlagen, Pläne und Investoren.

– „Feinstaubgefahr.“ Nur im Kessel, wo er gefiltert und zurückgeführt wird. Draußen bleibt die Luft sauber.

𝗔𝗺 𝗲𝗻𝗱𝗲 𝗲𝗶𝗻𝗳𝗮𝗰𝗵 𝗲𝗿𝗸𝗹ä𝗿𝘁:

Batterien sind Kühlschränke – praktisch, aber klein. Wärmespeicher sind Thermoskannen – halten ein paar Stunden warm. Eisen ist die Vorratskammer: groß, robust, wartet monatelang auf seinen Einsatz. Alte Kohlekraftwerke können so weiterleben – nur eben ohne Kohle, ohne Rauch, ohne Schuldgefühle.

Die Energiewende ist kein Ein-Mann-Orchester, sondern ein Ensemble. Sonne und Wind spielen die Melodie, Batterien halten den Takt, Wärmespeicher sorgen für die Pausen – und Eisen ist die Basslinie im Hintergrund. Unspektakulär, aber unverzichtbar, wenn das Stück über den ganzen Winter klingen soll.

#FaktenStattFiktion

Wer mehr wissen will:

Einsatz von Eisenpulver als Kohle-Ersatz in Kraftwerken – Chancen und Grenzen

Einführung

Angesichts der Klimakrise und des geplanten Ausstiegs aus der Kohleverstromung wird nach CO₂-freien Alternativen gesucht, um bestehende Kraftwerksinfrastruktur weiterzunutzen. Eine ungewöhnliche Idee dabei ist Eisenpulver als Brennstoff: Fein gemahlenes Eisen wird wie Kohle verbrannt, um Wärme für die Stromerzeugung zu liefern. Anstelle von CO₂ entsteht dabei Eisenoxid (Rost), das in einem geschlossenen Kreislauf mit Hilfe von grünem Wasserstoff wieder zu metallischem Eisen reduziert werden kann . Dadurch ließe sich Energie aus Sonne und Wind in Form von Eisen chemisch speichern und bei Bedarf abrufen – ohne fossile Brennstoffe und praktisch CO₂-neutral im Betrieb. Dieser Bericht untersucht die technische Machbarkeit, wirtschaftliche Sinnhaftigkeit, ökologische Nachhaltigkeit und Eignung zur Langzeitspeicherung von Eisenpulver als Kohle-Ersatz. Zudem werden aktuelle Pilotprojekte und Studien zu diesem Konzept betrachtet, um Vor- und Nachteile fundiert bewerten zu können.

Technische Machbarkeit und Umrüstungen

Eisenpulver verbrennt in einer Staubfeuerungs-Anlage im Labormaßstab. Dabei entstehen rotglühende Eisenoxid-Funken, die im nachgeschalteten Zyklon abgeschieden werden können (CO₂-freie Verbrennung) .

Prinzip: Die Verbrennung von Eisenpulver läuft ähnlich ab wie die Verbrennung von Kohlenstaub. Feines Eisen (<100 µm) wird mit Luftsauerstoff gemischt und entzündet. Das Metall oxidiert zu Eisenoxid und setzt dabei erhebliche Wärme frei – vergleichbar mit der Kohleverbrennung, jedoch ohne CO₂-Emissionen, da kein Kohlenstoff enthalten ist. Die entstehende Wärme erhitzt Wasser zu Dampf, der Turbinen antreibt und Strom erzeugt . Eine Versuchsanlage der TU Eindhoven zeigte bereits 2020, dass man Eisenpulver kontrolliert in einem Boiler verbrennen kann: 52 kg Eisenpulver pro Stunde lieferten ~100 kW Prozesswärme für eine Brauerei . Die Verbrennung erzeugte dabei rot-braune Eisenoxid-Partikel (Rost), die mittels eines Zyklonabscheiders aufgrund ihres Gewichts einfach aus dem Abgasstrom ausgefiltert wurden . Dieses Rostpulver kann gesammelt, transportiert und später wieder zu Eisen regeneriert werden.

Umrüstbarkeit bestehender Kraftwerke: Ein großer Vorteil des Eisen-Brennstoffs ist, dass vorhandene Kohlekraftwerke weitgehend weitergenutzt werden können. Viele Kohlemeiler arbeiten bereits mit Pulverfeuerung, d.h. gemahlene Kohle wird pneumatisch in den Kessel eingeblasen. Ein ähnliches Verfahren lässt sich für Eisenpulver anwenden. Laut Prof. Christian Hasse (TU Darmstadt) ist die Technik vergleichbar: „Klassisch Kohle- oder eben alternativ Eisenstaub verbrennen ist vergleichbar“ . Wesentliche Komponenten wie Kessel, Dampfturbinen, Generatoren und Wärmetauscher könnten erhalten bleiben . Erforderlich wäre vor allem eine Nachrüstung der Brenner und Fördersysteme (um Eisenstaub gleichmäßig einzublasen) sowie Filter- und Sammelsysteme für das schwerere Rostpulver. Solche Anpassungen sind technisch machbar: Die TU Darmstadt errichtet derzeit ein dreistöckiges Demonstrations-Kraftwerk (1 MW_th) auf dem Campus, das ehemals für Kohle/Abfall-Verbrennung genutzt wurde, und rüstet es auf Eisenstaubfeuerung um . Ab ~2025 soll diese Pilotanlage den Nachweis erbringen, dass ein Megawatt Wärmeleistung mit Eisenpulver in einem realen Kraftwerksmaßstab erzeugt werden kann . Ein nächster geplanter Schritt ist die Umrüstung eines bestehenden Berliner Heizkraftwerks (Nahwärmeversorgung eines Stadtteils) von Kohle auf Eisenbrennstoff – ein „Second Life“ für das stillzulegende Kraftwerk. Dadurch wollen die Forscher demonstrieren, dass Eisenpulver-Kraftwerke praxistauglich sind .

Die Kosten für solche Umbauten dürften deutlich unter denen eines Neubaus liegen. Schätzungen aus den Niederlanden gehen davon aus, dass die Retrofit-Kosten nur „einige hundert Millionen“ betragen, während ein Neubau eines Großkraftwerks mehrere Milliarden verschlingen würde . Grund: Kessel, Turbinen, Generator und Infrastruktur (Netzanbindung, Kühlung, Gebäude) können weitergenutzt werden; lediglich Brennstoffzufuhr und Abgasreinigung werden angepasst . Erste Industriepartnerschaften laufen bereits an – so arbeitet das Startup RIFT (ein Spin-off von TU Eindhoven) mit Energieversorgern wie Uniper zusammen. Bis Ende 2023 plante man kommerzielle Pilotprojekte, z.B. eine 5 MW-Anlage in Rotterdam zur Fernwärmeversorgung von 5.000–10.000 Haushalten . Auch in Deutschland kooperiert das Clean Circles-Konsortium mit Versorgern, um nach 2030 die ersten stillgelegten Kohlekraftwerke zu Eisen-Kraftwerken umzurüsten .

Fazit (Technik): Aus technischer Sicht gilt die Eisenverbrennung als machbar und mit konventioneller Kraftwerkstechnik kompatibel . Laborexperimente und ein erster 100 kW-Demonstrator belegen die Funktion . Die nächsten Jahre werden zeigen, ob sich das Verfahren zuverlässig auf Megawatt-Leistung skalieren lässt und welche Optimierungen beim Brennerdesign oder im Partikelhandling nötig sind. Zu klären ist z.B., wie sich die Partikeleigenschaften über viele Zyklen verändern: Verbranntes Eisenoxid ist um ~40 % voluminöser, poröser und teils agglomeriert, was die Effizienz der erneuten Reduktion beeinflussen könnte . Hier sind ggf. Prozessoptimierungen (Partikelgrößen, Rezyklierbarkeit der „rostigen Krümel“) nötig, die derzeit erforscht werden . Insgesamt sehen Fachleute jedoch kein unlösbares technisches Hindernis und plädieren dafür, diese Option zügig weiterzuentwickeln .

Wirtschaftliche Aspekte im Vergleich

Die wirtschaftliche Betrachtung von Eisenpulver als Energiespeicher muss die Effizienz, Kosten und Alternativen einbeziehen.

Energieeffizienz und Verluste: Ein oft genannter Nachteil ist der vergleichsweise geringe Wirkungsgrad im Gesamtkreislauf. Der gesamte Prozess – von Strom → Wasserstoff (per Elektrolyse) → Eisen-Reduktion → Lagerung → Verbrennung → Strom – ist mit Verlusten behaftet. Nach Einschätzung von Mark Verhagen (RIFT) benötigt “jede kWh Strom aus Eisenpulver durchschnittlich drei kWh Windenergie” . Diese ~33 % energetischer Effizienz sind deutlich geringer als bei Batteriespeichern (80–90 %) und auch niedriger als bei direkter Nutzung von grünem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle oder Turbine (geschätzt 40–50 % Gesamtwirkungsgrad). Anders ausgedrückt: Der Preis für die CO₂-Freiheit ist ein höherer Stromverbrauch für die Speicherung. Allerdings kann Abwärme der Eisenverbrennung genutzt werden (Kraft-Wärme-Kopplung), was den Nutzungsgrad erhöht – z.B. zur Einspeisung in Fernwärmenetze . Trotz der Verluste argumentieren Befürworter, dass in bestimmten Anwendungen trotzdem ein Vorteil entsteht: Wenn große Überschüsse an erneuerbarem Strom vorliegen (z.B. im Sommer oder bei Starkwind), ist es wirtschaftlich sinnvoll, diesen Überschuss überhaupt zu speichern – selbst wenn man nur ein Drittel als Strom zurückerhält. Unterm Strich kann das günstiger sein, als Windräder abregeln zu müssen (Verlust von 100 % überschüssiger Energie) oder Gaskraftwerke hochzufahren (Kosten für Erdgas + Emissionen).

Kostenfaktoren: Die Rohstoffe im Eisen-Kreislauf sind preiswert: Eisen ist mit ~5 Ct/kg (Schrottpreis) sehr günstig und weltweit in großen Mengen verfügbar . Pro MWh gespeicherter Energie werden etwa 500–600 kg Eisen benötigt (theoretisch) – das entspricht Rohstoffkosten von nur ~30 € pro MWh, wobei das Eisen nicht verbraucht, sondern immer wieder verwendet wird. Hinzu kommen die Kosten für Wasserstoff zur Reduktion des Rosts. Hier hängt die Wirtschaftlichkeit stark vom zukünftigen Preis für grünen H₂ ab. Derzeit ist Wasserstoff aus Elektrolyse noch teuer (ein Vielfaches der Stromkosten), doch langfristig könnten Massenproduktion und Überschussstrom zu Preissenkungen führen. Wichtig ist: Das Eisen dient als indirekter Wasserstoffspeicher, d.h. letztlich trägt man die Kosten der Wasserstoffherstellung. Im Vergleich zu alternativen Power-to-X-Routen (z.B. Methanisierung zu synthetischem Methan oder Ammoniakproduktion) entfallen aber aufwändige Zwischenschritte und teure Kohlenstoffquellen – der Prozess ist relativ direkt (H₂ + Fe₂O₃ → Fe + H₂O).

Vergleich mit Batterien: Konventionelle Batteriespeicher (Lithium-Ionen) sind hocheffizient und schnell, aber die Investitionskosten pro kWh Speicher sind hoch und skalieren fast linear mit der Kapazität. Für Langzeitspeicherung in der Größenordnung von mehreren GWh bis TWh stoßen Batterien an Grenzen – sowohl technisch (Selbstentladung, Alterung) als auch ökonomisch. Das Fraunhofer ISE schätzt, dass für saisonale Speicherbedarfe chemische Speicher günstiger sind, da Batterien über lange Standzeiten ihre Vorteile nicht ausspielen können. Ein Land wie Deutschland benötigt bis 2030 rund 100 GWh Speicherkapazität , doch Batteriespeicher decken davon bisher erst ~20 GWh ab . Eisenpulver könnte hier als kostengünstiger Massen-Energiespeicher punkten, da das Material billig ist und keine rare Ressourcen wie Lithium oder Kobalt erfordert.

Vergleich mit Wasserstoff (direkt): Wasserstoff selbst ist der naheliegende chemische Speicher für Überschussstrom. Ihn jedoch großskalig zu speichern und zu transportieren, ist herausfordernd: Gasförmiger H₂ benötigt riesige Volumen oder 700 bar Druck; flüssiger H₂ erfordert -253 °C tiefe Temperaturen. Beides ist teuer und mit Energieverlusten sowie Sicherheitsrisiken verbunden . Zudem ist die direkte Verfeuerung von Wasserstoff in Turbinen problematisch, da dabei sehr hohe Flammentemperaturen zu Stickoxid-Emissionen führen – etwa sechs Mal höhere NOₓ-Emissionen als bei Eisenpulver-Verbrennung laut niederländischen Untersuchungen . Eisen hat im Vergleich eine 11-fach höhere volumetrische Energiedichte als Wasserstoffgas und lässt sich unkompliziert in Säcken oder Silos lagern und transportieren . Studien der TU Eindhoven und DLR zeigen, dass ab etwa 2030 die Lieferung von Solarenergie in Form von Eisenpulver günstiger sein könnte als in Form von Wasserstoff . Der Grund: Man kann Eisenpulver ähnlich wie heute Kohle oder Eisenerz per Schiff und Bahn transportieren, ohne spezielle Drucktanks, und dabei Energie in kompakter Form bewegen. Die bestehende Infrastruktur (Erzfrachter, Güterwaggons, Kräne, Silos) kann weitgehend genutzt werden . Eisen ist ein gut handelbares Bulk-Gut – das schafft Skaleneffekte und senkt die Logistikkosten.

Vergleich mit synthetischen Brennstoffen: Eine weitere Konkurrenz sind synthetische Kohlenwasserstoffe (z.B. „E-Fuels“ wie Methan oder Flüssigkraftstoffe aus CO₂ und H₂). Diese können in bestehenden Gaskraftwerken oder Motoren genutzt werden und sind lagerfähig. Allerdings ist die Herstellung durch die notwendige CO₂-Extraktion und Fischer-Tropsch-/Methanisierungsschritte sehr energieintensiv und ineffizient (Gesamtwirkungsgrade teils unter 20 %). Zudem entstehen bei der Verbrennung wieder CO₂-Emissionen (wenn auch klimaneutral, sofern das CO₂ zuvor der Luft entnommen wurde). Eisen hat hier den Vorteil einer einfacheren Prozesskette (keine Kohlenstoffquelle nötig) und völlig CO₂-freien Endnutzung. Ökonomisch sind E-Fuels heute noch extrem teuer (~4–6 € pro Liter Dieseläquivalent) und werden eher als langfristige Lösung für bestimmte Sektoren (Luftfahrt) gesehen. Für stationäre Anwendungen könnte Eisenpulver die kostengünstigere Option sein, zumal keine neue Endverbrauchertechnologie nötig ist (ein umgerüstetes Kraftwerk ist immer noch ein Dampfkraftwerk).

Fazit (Wirtschaftlichkeit): Ob Eisenpulver kosteneffizient ist, hängt maßgeblich von der Entwicklung der Preise für erneuerbaren Strom und grünen Wasserstoff ab. Aktuell erscheint die Nutzung als saisonaler Speicher vor allem dort sinnvoll, wo große Überschussmengen günstig zur Verfügung stehen oder bestehende Kraftwerke genutzt werden können, anstatt sie stillzulegen (vermiedene Abschreibungen) . Die Umrüstung könnte Arbeitsplätze und Wertschöpfung an ehemaligen Kohlestandorten erhalten. Auf der Habenseite stehen günstiger Rohstoff, vorhandene Infrastruktur und potenziell niedrigere Transport-/Speicherkosten im Vergleich zu reinen H₂-Lösungen . Auf der Sollseite stehen der relativ schlechte Rundwirkungsgrad (mehr erneuerbarer Strombedarf für dieselbe Nutzenergie ) und die Ungewissheit, wie teuer großskaliger Wasserstoff in Zukunft sein wird. Insgesamt könnte Eisen als Energiespeicher eine Nische füllen: für die langfristige und massenhafte Speicherung von Überschussenergie, wo Batterien oder kurzfristige Speicher unwirtschaftlich sind, und wo Wasserstoff-Distribution an Grenzen stößt.

Ökologische Bewertung und Nachhaltigkeit

CO₂-Bilanz: Die Verbrennung von Eisenpulver setzt keinerlei CO₂ frei – ein immenser Vorteil gegenüber Kohle. Voraussetzung ist allerdings, dass auch die Herstellung des metallischen Eisens klimaneutral erfolgt. Das ist nur der Fall, wenn der Reduktionsschritt (Fe₂O₃ → Fe) mit grünem Wasserstoff oder direkt mit Ökostrom (z.B. in einer Elektroslysezelle) durchgeführt wird . Konventionell wird Eisen in Hochöfen mit Kohlenstoff reduziert, was erhebliche CO₂-Emissionen verursacht; diese Route verbietet sich für einen nachhaltigen Kreislauf. Ohne grünen Wasserstoff kein grüner Eisenkreislauf – dieser Zusammenhang wird von allen Fachleuten betont . In der Praxis bedeutet dies, dass der Eisenkreislauf nur so sauber ist wie der Strom, der zur H₂-Erzeugung genutzt wird. Unterstellt man jedoch einen langfristig nahezu voll auf erneuerbaren Energien basierenden Strommix, kann das Eisen-Konzept klimaneutral betrieben werden. Der Eisenkreislauf hätte dann ähnliche Emissionsvorteile wie direkte H₂-Nutzung, aber bei höherer Systemstabilität.

Ressourcenbedarf: Eisen gehört zu den häufigsten Elementen der Erdkruste und wird industriell in enormen Mengen gewonnen (jährlich ~1,6 Mrd. t Eisenerz weltweit). Selbst wenn viele GWh Energie als Eisen gespeichert würden, bliebe der Materialbedarf relativ gering im Vergleich zur globalen Stahlproduktion. Zudem wird das Eisen nicht verbraucht, sondern immer wieder recycelt. Einmal eingesetztes Eisenpulver durchläuft Hunderte von Lade-/Entladezyklen. Theoretisch könnte derselbe Eisenvorrat jahrzehntelang als Speicher dienen, abgesehen von geringfügigen Verlusten (z.B. durch Abrieb oder unvermeidbare Oxidreste). Sollte neu beschafft werden müssen, ließe sich idealerweise auf Stahlschrott zurückgreifen, der mittels Elektrostahl-Verfahren und Wasserstoff ohne CO₂-Emissionen zu Eisenpulver verarbeitet wird. Auch ein symbiotischer Ansatz mit der Stahlindustrie ist denkbar: Verfahren zur Direktreduktion von Eisenerz mit grünem H₂ (sog. Direct Reduced Iron) werden aktuell skaliert, um „grünen Stahl“ zu erzeugen. Dabei anfallendes Eisen könnte teils als Energiespeicher dienen. Umgekehrt ließe sich verbrauchtes Eisenoxid aus Kraftwerken in der Stahlindustrie als Rohstoff einschleusen , sodass eine Kopplung von Sektoren entsteht.

Emissionen und Umweltverträglichkeit: Neben CO₂ fallen bei der Eisenverbrennung kaum schädliche Emissionen an. Feinstaub: Das entstehende Eisenoxid ist relativ grobkörnig und schwer. In Versuchen wurden praktisch alle Partikel in der Brennkammer oder dem Zyklon abgeschieden . Eine Freisetzung von Feinstaub in die Umgebung kann durch bewährte Filtertechnik (Zyklone, Gewebefilter) minimiert werden – ähnlich wie heutige Kohlekraftwerke ihren Asche- und Staubausstoß stark reduziert haben. Wichtig ist, den geschlossenen Kreislauf strikt umzusetzen: Das eingesetzte Metallpulver muss vollständig wieder aufgefangen werden, um es erneut zu reduzieren und zu nutzen. Gelingt dies, entstehen keine problematischen Abfälle. Eisenoxid ist ungiftig (Rostpartikel gelten höchstens als lästiger Staub, aber nicht als Schadstoff im klassischen Sinn). Luftschadstoffe: Da bei der Verbrennung hohe Temperaturen herrschen, können geringe Mengen NOₓ (Stickoxide) entstehen – jedoch deutlich weniger als bei anderen Brennstoffen. Insbesondere im Vergleich zu Wasserstoffverbrennung, die eine sehr heiße Flamme hat, liegt die NOₓ-Bildung bei Eisen etwa sechsmal niedriger . Das liegt u.a. daran, dass Eisenflammen etwas kühler sind und das Eisen selbst keinen Stickstoff enthält, der reagieren könnte (NOₓ entsteht nur aus dem Luftstickstoff). Im Ergebnis könnten Eisenkraftwerke die strengen Luftreinhaltevorgaben vermutlich problemlos einhalten. Wasserverbrauch: Der Kreislauf benötigt Wasserstoff und dieser wird meist durch Elektrolyse von Wasser gewonnen. Indirekt ist also Wasser erforderlich. Jedoch beträgt der Wasserverbrauch pro gespeicherter kWh nur einen Bruchteil dessen, was z.B. ein thermisches Kraftwerk an Kühlwasser benötigt. Zudem könnte im Reduktionsschritt das entstehende Wasser (H₂ + O im Eisenoxid ergibt H₂O) kondensiert und im Kreislauf behalten werden.

Nachhaltigkeit der Kreislaufführung: Eine kritische Frage ist, ob der Eisen-Kreislauf dauerhaft geschlossen betrieben werden kann, ohne nennenswerte Verluste oder externe Inputs. Forschungsergebnisse zeigen, dass bei der Verbrennung kleinste Teile des Eisens verdampfen oder in sehr feinen Partikeln vorliegen können . Das könnte dazu führen, dass ein geringer Teil des Materials pro Zyklus verloren geht oder schwieriger zurückzugewinnen ist. Außerdem verändert sich die Partikelmorphologie über die Zyklen: Verbranntes Eisenoxid kann Klumpen bilden oder die Oberfläche verändern , was die Effizienz der folgenden Reduktion beeinflusst. Diese Effekte sind aktuell Gegenstand intensiver Untersuchungen (u.a. Max-Planck-Institut für Eisenforschung, TU Darmstadt) . Optimierungen bei Partikelgröße, Zuschlagstoffen oder Prozessbedingungen sollen sicherstellen, dass das Pulver quasi unendlich oft nutzbar bleibt . Gelingt dies, wäre der Ressourcenkreislauf nachhaltig geschlossen – ähnlich wie eine Batterie, die man immer wieder auflädt, nur eben ohne giftige Chemikalien und ohne Alterungseffekte.

Insgesamt schneidet das Eisenpulver-Konzept in der ökologischen Bewertung sehr positiv ab, wenn die Rahmenbedingungen stimmen. Es könnten erhebliche Mengen CO₂ vermieden werden, lokale Schadstoffemissionen blieben gering, und der Materialkreislauf wäre (im Idealfall) fast verlustfrei und ohne exotische Rohstoffe. Externe Effekte wie Eingriffe in Landschaft (z.B. für Pumpspeicher) oder Gefahrenpotenziale (Wasserstoff-Lecks, Methanemissionen) sind minimal, da Eisen ein stabiler Feststoff ist. Man muss allerdings die globale Verfügbarkeit von grünem Strom im Blick behalten: Da der Wirkungsgrad nur ~30 % beträgt, werden dreimal so viele erneuerbare Kapazitäten gebraucht, um eine bestimmte Energiemenge über Eisen bereitzustellen . Diese Mehrbelastung der Ökostrom-Produktion ist der indirekte ökologische „Preis“ des Konzepts und nur vertretbar, wenn genügend Überschuss regenerativer Energie vorhanden ist.

Langzeitspeicherung und Versorgungssicherheit

Ein besonders interessantes Anwendungsfeld für Eisen als Energiespeicher ist die saisonale Langzeitspeicherung. Hier spielen Batterien wegen Selbstentladung und Kosten kaum eine Rolle, und Wasserstoff stößt aufgrund schwieriger Lagerbedingungen an Grenzen. Eisenpulver bietet die Möglichkeit, sehr große Energiemengen über lange Zeiträume zu speichern . Die Idee: Im Sommer oder bei Starkwind produziert man aus Überschussstrom große Mengen Eisenpulver (indem man Eisenoxid reduziert) und lagert dieses wochen- oder monatelang in Silos. Bei Bedarf – z.B. in der dunklen Flaute im Winter – wird das Pulver nach und nach verbrannt, um Strom und Wärme zu liefern . Dieser zeitliche „Puffer“ könnte die Versorgungssicherheit erhöhen und lange Phasen niedriger Solar- und Winderträge überbrücken. Hasse vom Clean Circles Projekt betont, dass in Eisen „extrem große Mengen Energie über lange Zeit speichern“ lassen – ideal für die berühmte Dunkelflaute in Mitteleuropa .

Versorgungssicherheit: Eisen als Energieträger hätte auch geopolitische und logistische Vorteile. Anders als bei Erdgas, Öl oder auch Lithium ist die Versorgungslage von Eisen entspannt: Es gibt zahlreiche Lieferanten weltweit (Australien, Brasilien, Afrika, Russland, …), riesige Reserven und bereits heute einen globalen Handel mit Eisenerz und Stahl. Länder wie Deutschland importieren jetzt schon pro Jahr zig Millionen Tonnen Eisenträger – diese Infrastruktur könnte man für den Energiehandel mit nutzen . Denkbar wäre etwa der Import von solarem Eisen: Länder mit viel Sonne und Platz (Nordafrika, Naher Osten, Australien) könnten mithilfe von Solarstrom Eisenerz zu Eisen reduzieren und das Metallpulver als Energieträger exportieren . Im Importland würde das Eisen verbrannt und die dabei entstehende Rostasche wieder zurückgeschifft – ein geschlossener Kreislauf über Kontinente hinweg. Im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff oder Ammoniak wäre das Handling viel einfacher und sicherer . Auch innerhalb eines Landes erhöht Eisenpulver die Versorgungssicherheit: Es lässt sich dezentral lagern (z.B. an Kraftwerksstandorten oder Industriestandorten), man ist nicht auf Kavernenspeicher angewiesen wie beim Gas, und im Falle eines Lecks gibt es keine Explosionsgefahr – verschüttetes Eisenpulver kehrt höchstens zu Rost zurück.

Ein weiterer Aspekt ist die Netzstabilität. Große chemische Energiespeicher wie Eisen könnten Einspeiseschwankungen erneuerbarer Quellen glätten und als Puffer für das Stromnetz dienen . Sie können Überkapazitäten aufnehmen und in Mangelzeiten abgeben. Dies reduziert die Notwendigkeit, Windräder abzuschalten oder Reservekraftwerke zu betreiben. Damit leisten sie einen Beitrag zur Resilienz des Energiesystems. Außerdem ermöglicht die Nachnutzung vorhandener Kraftwerke einen sanfteren Übergang: Regionen mit heutigen Kohlekraftwerken könnten umgerüstete Eisen-Kraftwerke betreiben und so weiterhin lokal Energie bereitstellen, was die regionale Versorgung stabil hält und Strukturbrüche vermeidet.

Zeithorizont: Experten sind zuversichtlich, dass bis 2030 erste größere Anwendungen einsatzbereit sind . Man rechnet damit, dass nach Abschluss der Pilotprojekte in den kommenden Jahren die Technologie skalierbar ist und industriell implementiert werden kann. Das würde bedeuten, dass spätestens im nächsten Jahrzehnt Eisenpulver-Speicher eine kommerziell nutzbare Option darstellen – rechtzeitig, um die Lücke zu füllen, die durch den Kohleausstieg und steigende erneuerbare Anteile entsteht. Einige sehen darin sogar einen möglichen „Game Changer“ für die Energiewende, sollten sich die Erwartungen erfüllen .

Aktuelle Pilotprojekte und Forschung

Die Idee des Eisenbrennstoffs hat in den letzten Jahren weltweit an Aufmerksamkeit gewonnen. Einige wichtige Projekte und Akteure sind:

Team SOLID (TU Eindhoven, NL): Eine studentische Forschungsgruppe, die seit ~2016 an Eisenpulver-Verbrennung arbeitet. 2020 realisierte Team Solid zusammen mit Partnern (u.a. Swinkels Brewery, Uniper) den ersten externen Praxistest: In einer Brauerei in Lieshout wurde mit einer Eisenpulver-Anlage Dampf für ca. 15.000 Liter Bier pro Tag erzeugt . Dieses weltweit erste Pilotprojekt außerhalb des Labors bewies die prinzipielle Machbarkeit und erregte großes Medienecho. Aus dem Team ging das Startup RIFT hervor, das die Technologie kommerzialisieren möchte . Aktuell arbeitet Team Solid an einer 1 MW-Pilotanlage auf dem Uni-Campus, um den Schritt vom 100 kW- in den MW-Maßstab zu gehen . Diese Anlage soll ggf. noch mit blauem Wasserstoff (aus Erdgas) betrieben werden, um schneller in Betrieb gehen zu können , aber perspektivisch auf grünen H₂ umstellen. Parallel untersucht das Team eine innovative Nutzung: Eisen als Wasserstoffspeicher. Durch Reaktion von Eisen mit Wasserdampf kann man aus dem Metall reinen Wasserstoff zurückgewinnen (Metal->H₂, Konzept „MetalH2eat“) . So könnte Eisenpulver künftig an Tankstellen als Medium dienen, um auf Abruf H₂ bereitzustellen – ein visionäres Konzept, das zeigt, wie vielseitig diese Technologie sein kann .
Clean Circles (TU Darmstadt & DLR, DE): Ein vom Land Hessen gefördertes Forschungscluster, an dem neben der TU Darmstadt auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und weitere Hochschulen beteiligt sind . Clean Circles verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz: Vom Grundlagenstudium der Verbrennungsprozesse (reaktive Strömungen, Partikeldynamik) über Materialien (Optimierung der Eisen-Oxid-Reduktion) bis zur sozioökonomischen Analyse wird der Eisenkreislauf untersucht . 2021 wurde die Idee in einem WDR-Quarks Wissenschaftsbeitrag vorgestellt, 2024 gewann das Team Preise für das Konzept MetalH2eat, das Wärme und Wasserstoff koppelt . Auf dem Campus wird – wie erwähnt – ein 1 MW-Demonstrator gebaut . Außerdem plant Clean Circles in Kooperation mit einem Energieversorger die erwähnte Umrüstung eines Berliner Heizkraftwerks auf Eisen . Die Gruppe um Prof. Dreizler und Prof. Hasse betont die Technologieoffenheit und möchte Entscheidungsträger überzeugen, Eisen als Option in die strategische Planung aufzunehmen . Clean Circles arbeitet auch eng mit der Max-Planck-Gesellschaft zusammen, die Mikrostrukturanalysen der Eisenpartikel durchführt (Publikation in Acta Materialia, 2022).
McGill University (Kanada): Eine der ersten wissenschaftlichen Gruppen, die Metalle als CO₂-freie Brennstoffe untersucht haben. Prof. Jeffrey Bergthorson identifizierte bereits in den 2010er Jahren Metallpulver als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen . 2020 betonte er, Metallbrennstoffe seien die „beste kohlenstoffarme Alternative zu fossilen Brennstoffen“, basierend auf zehnjähriger Forschung . Seine Arbeiten haben der Idee international Schub verliehen.
Weitere Initiativen: In den Niederlanden wurde mit Unterstützung von Unternehmen wie Shell, Uniper und der Regierung das Programm Metal Power bzw. Metalot gestartet, um die Eisenbrennstoff-Technologie voranzubringen . In München testete die TU München in einem Projekt namens Sunfire die Verbrennung von Aluminiumpulver als Alternative – ein ähnliches Prinzip, allerdings mit Aluminium, das noch höhere Energiedichten besitzt, aber teurer ist. Außerdem laufen Projekte, Metallpulver als CO₂-neutralen Brennstoff für die Schifffahrt oder mobile Generatoren zu nutzen (hier punktet Eisen durch hohe Energiedichte und Nicht-Gefahrgut).

Trotz dieser Fortschritte muss betont werden, dass bislang kein großtechnisches Eisenpulver-Kraftwerk existiert. Alle Erkenntnisse beruhen auf Labor- und Pilotmaßstab sowie Simulationen . Das erste echte Demonstrationskraftwerk (im MW-Bereich) wird erst in Betrieb gehen und Erfahrungen liefern . Entsprechend bleiben manche Annahmen noch theoretisch; z.B. die tatsächlich erreichbare Effizienz, Lebensdauer des Pulvers über viele Zyklen oder unvorhergesehene Betriebsprobleme. Die nächsten 5–10 Jahre der Entwicklung werden zeigen, ob die Technologie hält, was sie verspricht, und zu welchen Kosten sie implementierbar ist . Sollte das Konzept im Feld funktionieren wie im Labor, steht jedoch eine potentielle Revolution der Energiespeichertechnik bevor – so drastisch formulieren es zumindest Wissenschaftsjournalisten in ersten Resonanzen .

Bewertung: Vorteile und Nachteile von Eisenpulver als Kohle-Ersatz

Zum Abschluss werden die wichtigsten Stärken und Schwächen der Eisenpulver-Nutzung in Kraftwerken übersichtlich gegenübergestellt:

Vorteile (Pro)

CO₂-freie Verbrennung: Kein Ausstoß von Kohlendioxid im Kraftwerksbetrieb, da kein Kohlenstoff im Brennstoff enthalten ist . Klimaneutralität ist somit möglich (bei Verwendung grünen H₂).
Geschlossener Kreislauf: Eisen/Rost kann unendlich oft hin- und hergewandelt werden, der Brennstoff ist wiederverwendbar und wird nicht verbrannt im klassischen Sinne . Dadurch entsteht kein dauerhafter Ressourcenverbrauch außer dem anfänglichen Eisenbestand.
Hohe Energiedichte & Lagerfähigkeit: Eisen hat eine hohe volumetrische Energiedichte, benötigt ~11× weniger Lagervolumen als gasförmiger Wasserstoff , und kann beliebig lange ohne Energieverluste gelagert werden (keine Selbstentladung, kein Boil-off).
Bestehende Infrastruktur nutzbar: Stillzulegende Kohlekraftwerke können mit überschaubarem Aufwand umgerüstet werden (Reuse von Kessel, Turbine etc.) . Außerdem existiert eine globale Infrastruktur zum Transport von Eisen (Schiffe, Züge), was die Integration erleichtert .
Sicherheit und einfache Handhabung: Eisenpulver ist nicht explosiv und ungiftig. Es erfordert keine Druckbehälter oder Kryotechnik, Lagerung in Silos/Behältern bei Umgebungsdruck ist möglich. Bei Lecks besteht kein Explosions- oder Vergiftungsrisiko – verschüttetes Eisen oxidiert langsam zu Rost.
Kopplung mit Wärmenutzung: Die bei der Verbrennung entstehende Wärme kann direkt für Heiznetze oder Industrieprozesse genutzt werden (KWK), was den Gesamtwirkungsgrad steigert .
Reduzierte Schadstoffe: Wesentlich geringere NOₓ-Bildung als bei fossilen oder H₂-Feuerungen ; keine Schwefeloxide oder Feinstaub aus Asche (Rostpartikel sind schwer und filterbar) .
Skalierbarkeit für Langzeitspeicher: Technik eignet sich für große Energiemengen und lange Zeiträume (Saisonalspeicher). Damit Beitrag zur Netzstabilität und Versorgungssicherheit in einer erneuerbaren Energiewelt .
Wirtschaftliche Chance: Kann bestehende Anlagen weiter nutzen und regionale Wertschöpfung erhalten (Strukturwandel in Kohlerevieren). Zudem Option, günstige erneuerbare Energie aus dem Ausland in fester Form zu importieren (Solarenergie aus Wüstenregionen als Eisen) .

Nachteile (Contra/Herausforderungen)

Niedriger Gesamtwirkungsgrad: Rund 3 kWh erneuerbarer Strom sind nötig, um 1 kWh Strom aus Eisen zurückzugewinnen . Diese ineffiziente Rundreise bedeutet hohen Bedarf an Ökostrom und H₂ – direkte Nutzung von Strom oder H₂ ist energetisch günstiger.
Abhängigkeit von grünem Wasserstoff: Der Kreislauf erfordert große Mengen H₂ für die Eisen-Reduktion . Die Verfügbarkeit von kostengünstigem, grünem Wasserstoff in ausreichender Menge ist eine Voraussetzung, die erst noch erfüllt werden muss (Ausbau Elektrolyse-Kapazitäten, Infrastruktur).
Technologie-Reifegrad: Bisher keine Erfahrung im industriellen Dauerbetrieb. Alle Aussagen beruhen auf Simulationen, Labortests und kleinen Pilotanlagen . Es gibt Risiken unbekannter Faktoren im Maßstab > 100 MW (z.B. Materialhandling, Wartungsaufwand, unerwartete Reaktionen).
Materialverlust und Degradation: Bei jedem Zyklus können kleine Verluste oder Veränderungen im Eisenpulver auftreten (z.B. Feinpartikel, die nicht zurückgewonnen werden, oder veränderte Partikeleigenschaften) . Dies könnte langfristig Zusatzaufwand erfordern (Nachfüllen von Eisen, Aufbereitung des Pulvers).
Initiale Investitionen: Obwohl günstiger als Neubau, sind Umbauten von Kraftwerken auf Eisenpulver dennoch mit hohen Anfangsinvestitionen (dreistelliger Millionenbereich) verbunden . Die Finanzierung solcher Projekte ist noch ungeklärt und hängt von politischen Rahmenbedingungen ab.
Wettbewerb mit anderen Lösungen: Eisen steht im Wettbewerb zu direktem Wasserstoff, Batterien, synthetischen Kraftstoffen, Pumpspeichern etc. Es ist unklar, in welchem Ausmaß sich Eisen als bevorzugte Lösung durchsetzen kann – evtl. wird es nur eine von mehreren Optionen im zukünftigen Energiemix sein .
Öffentliche Akzeptanz und Bewährung: Neuartige Technologien müssen sich gesellschaftlich und regulatorisch bewähren. Die Vorstellung, „Rost zu verbrennen“, ist für viele neu – Aufklärung und Vertrauen sind nötig. Zudem müssen Sicherheitskonzepte überzeugen (z.B. Umgang mit Eisenstaub, Vermeidung von Staubexplosionen in Anlagen).
Indirekte Umweltlast: Der Mehrbedarf an erneuerbaren Energien für den Eisenkreislauf bedeutet, dass mehr Flächen für Wind- und Solarparks benötigt werden, um dieselbe Nutzenergie bereitzustellen. Auch die Wasserstoffherstellung kann lokale Eingriffe (Wasserverbrauch, Industrieanlagen) mit sich bringen, die berücksichtigt werden müssen.

Fazit

Die Nutzung von Eisenpulver als Ersatz für Kohle in Kraftwerken erweist sich als innovative und vielversprechende Lösung, um erneuerbare Energie speicher- und transportfähig zu machen. Technisch ist das Konzept machbar und könnte vielen stillgelegten Kohlekraftwerken eine zweite, klimafreundliche Nutzung ermöglichen . Ökologisch bietet es enorme Vorteile durch einen CO₂-freien Kreislauf und vermeidet viele Probleme der fossilen Energieträger . Wirtschaftlich hängt der Erfolg stark von externen Faktoren ab – insbesondere vom Preis und Ausbau grünen Wasserstoffs – doch in Nischen mit großen saisonalen Speicherbedarfen und vorhandener Infrastruktur könnte Eisen wirtschaftlich konkurrenzfähig sein . Als Langzeitspeicher und Mittel zur Versorgungssicherheit (Dunkelflauten-Überbrückung) hat Eisenpulver klare Stärken .

Gleichzeitig darf man die Herausforderungen nicht übersehen: Der geringe Wirkungsgrad erfordert einen Überfluss an erneuerbarer Energie, den es erst noch zu schaffen gilt . Die Technik muss den Schritt vom Demonstrator zur Großanlage erst erfolgreich meistern; hier bleibt eine Restunsicherheit. Auch wird Eisenpulver kein Allheilmittel sein, sondern Teil eines Technologiemix der Energiewende .

Insgesamt lässt sich festhalten, dass Eisenpulver-Kraftwerke unter den richtigen Rahmenbedingungen eine sinnvolle und nachhaltige Lösung darstellen können – insbesondere zur Langzeitspeicherung und zum Weiterbetrieb vorhandener Kraftwerksinfrastruktur ohne CO₂-Emissionen. Aktuelle Pilotprojekte stimmen optimistisch, dass diese „Energiespeicher-Revolution“ gelingen kann. Entscheidend werden die nächsten Jahre sein, in denen Theorie in Praxis überführt wird. Sollte sich das Konzept bewähren, hätte die Energiewende sprichwörtlich „mehr Eisen im Feuer“ für eine stabile, nachhaltige Stromversorgung der Zukunft .

Quellen: Die obigen Ausführungen stützen sich auf aktuelle Fachartikel, Forschungsberichte und Medienbeiträge, u.a. von Good Impact , TU Darmstadt (Clean Circles) , WDR Quarks, Max-Planck-Gesellschaft und Erfahrungsberichte erster Pilotanlagen . Diese zeigen ein übereinstimmendes Bild: Eisenpulver als Energieträger ist ein ernstzunehmender Kandidat für die Zeit nach der Kohle – mit großem Potenzial, aber auch beträchtlichem Entwicklungsbedarf.