Kohleausstieg ohne Kraftwerkssterben? Eisenpulver könnte alles verändern

Alte Kohlekraftwerke könnten auch nach dem Kohleausstieg eine Zukunft haben – mit Eisenpulver statt Kohle. Das Metall lässt sich als Brennstoff nutzen und anschließend wieder aufbereiten. Auf diese Weise könnte überschüssiger Wind- und Solarstrom über Monate gespeichert und bei Bedarf wieder nutzbar gemacht werden.

Ein neues Gutachten des energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln (EWI) zeigt jetzt das wirtschaftliche Potenzial. In einem Szenario mit Eisen als Energieträger liegen die jährlichen Systemkosten für die untersuchten europäischen Länder in den Modelljahren 2040 und 2045 jeweils um rund 18 Mrd. € niedriger als in einem Vergleichsszenario ohne Eisen. Voraussetzung ist unter anderem, dass sich die Technologie großtechnisch umsetzen lässt und bestehende Kraftwerke entsprechend umgerüstet werden können.

Wie Eisenpulver zum Energiespeicher wird

Wird fein gemahlenes Eisen verbrannt, dann reagiert es mit Sauerstoff. Dabei entsteht Wärme, die sich zur Stromerzeugung oder für Fernwärme nutzen lässt. Anders als bei der Verbrennung von Kohle entsteht dabei kein CO₂ aus dem Brennstoff. Zurück bleibt Eisenoxid.

Dieses Eisenoxid lässt sich wieder in metallisches Eisen verwandeln. Dafür wird dem Eisenoxid mithilfe von Wasserstoff der Sauerstoff entzogen. Wenn der benötigte Wasserstoff mit erneuerbarem Strom hergestellt und die Prozessenergie emissionsarm bereitgestellt wird, lässt sich der Eisenkreislauf weitgehend klimaneutral betreiben.

Das Eisen dient damit nicht als ursprüngliche Energiequelle, sondern als chemischer Speicher. Eisenpulver lässt sich über längere Zeiträume lagern und per Bahn oder Schiff transportieren. Es benötigt weder die tiefen Temperaturen von Flüssigwasserstoff noch die aufwendigen Druckspeicher von gasförmigem Wasserstoff.

Allerdings hat das Metall auch Nachteile: Bezogen auf seinen Energiegehalt ist Eisen deutlich schwerer als Kohle. Das EWI nennt gegenüber Steinkohle einen Faktor von etwa drei bis fünf. Der Transport großer Mengen kann deshalb erhebliche Kosten verursachen.

37 GW Kohlekraftwerksleistung könnten umgerüstet werden

Ein Teil der vorhandenen Kraftwerksinfrastruktur könnte für die Eisenverbrennung weiterverwendet werden. Im kostenoptimierten Modellszenario des EWI wären 2045 in Deutschland rund 37 GW Stein- und Braunkohlekraftwerkskapazität auf Eisen umgerüstet. Das Modell setzt dabei voraus, dass die entsprechenden Anlagen weiterhin verfügbar sind und sich technisch umrüsten lassen. Für die gesamte untersuchte europäische Modellregion ergeben sich etwa 83 GW.

Dampfturbinen, Generatoren und Netzanschlüsse könnten grundsätzlich weitergenutzt werden. Die Feuerung, die Handhabung des Eisenpulvers und die Abscheidung des entstehenden Eisenoxids müssten hingegen angepasst werden.

Ein industriell etabliertes Umrüstverfahren gibt es bislang nicht. Die errechneten Kapazitäten sind deshalb keine konkrete Ausbauplanung und auch kein Nachweis dafür, dass sich sämtliche berücksichtigten Kraftwerke tatsächlich entsprechend umrüsten lassen. Insbesondere müssten stillgelegte Anlagen vor einem Rückbau bewahrt und in geeignetem Zustand gehalten werden.

58 TWh chemisch gespeicherte Energie für den Winter

Eine wesentliche Stärke des Eisenkreislaufs liegt in der saisonalen Speicherung. Während Batteriespeicher vor allem kurzfristige Schwankungen ausgleichen, könnte Eisen Energie vom Sommer bis in den Winter transportieren.

Im untersuchten Modell erreicht der saisonale Eisenspeicher im Sommer einen chemischen Energieinhalt von rund 58 TWh. Während der Wintermonate wird dieser Vorrat wieder abgebaut. Die 58 TWh entsprechen allerdings nicht der später verfügbaren elektrischen Energie: Bei der Rückverstromung entstehen erhebliche Umwandlungsverluste.

Dennoch könnte Eisen helfen, längere Phasen mit geringer Wind- und Solarstromerzeugung zu überbrücken. Hinzu kommt die Möglichkeit, die bei der Verbrennung entstehende Wärme für Fernwärmenetze zu nutzen. Das verbessert die Wirtschaftlichkeit gegenüber Lösungen, die ausschließlich Strom bereitstellen. „Die Nutzung von Eisen als Energieträger kann weitestgehend in Europa stattfinden und damit die Abhängigkeit von Energieimporten grundsätzlich reduzieren“, sagt EWI-Forschungsbereichsleiter Philip Schnaars. Ein weiterer Vorteil seien die vergleichsweise niedrigen Speicherkosten gegenüber Wasserstoff.

Hohe Energieverluste – trotzdem wirtschaftlich?

Die Speicherung über Eisen hat allerdings einen erheblichen Nachteil: Bei der Umwandlung geht viel Energie verloren. Das EWI geht davon aus, dass rund 3 bis 3,4 kWh Strom eingesetzt werden müssen, um nach der Speicherung wieder 1 kWh Strom zu gewinnen. Daraus ergibt sich ein Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad von lediglich etwa 29 bis 33 %. Für den kurzfristigen Ausgleich von Stromschwankungen ist das wenig attraktiv. Bei einer saisonalen Speicherung können jedoch andere Faktoren entscheidend sein. Eisen lässt sich über Monate vergleichsweise kostengünstig lagern. Außerdem könnten umgerüstete Kraftwerke vorhandene Infrastruktur nutzen und gleichzeitig Strom und Wärme bereitstellen.

Das EWI hat mit seinem Energiesystemmodell „Hyebrid“ (Hydrogen and Electricity market model with broad representation of weather variability and Import Decisions) verschiedene Optionen für die künftige Strom-, Wasserstoff- und Wärmeversorgung verglichen. In den Szenarien konkurriert Eisen unter anderem mit Wasserstoffkraftwerken und Erdgaskraftwerken mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (CCS). Die berechneten Einsparungen von rund 18 Mrd. €/a beziehen sich auf die annualisierten Systemkosten der untersuchten europäischen Modellregion. Dazu gehören neben der EU auch das Vereinigte Königreich, die Schweiz und Norwegen.

Großtechnische Umsetzung steht noch aus

Das Gutachten wurde im Auftrag der TU Darmstadt und der Desertec Foundation erstellt. Die TU Darmstadt arbeitet gemeinsam mit weiteren Forschungspartnern, darunter dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), im Projekt Clean Circles an der technischen Umsetzung des Eisenkreislaufs.

Jetzt gilt es, noch wesentliche Fragen zu klären. Dazu zählen die Eisenstaubverbrennung im Kraftwerksmaßstab, die zuverlässige Rückgewinnung des Eisenoxids sowie die wirtschaftliche Regeneration des Brennstoffs. Auch die tatsächlichen Umrüstkosten bestehender Kohlekraftwerke sind mit Unsicherheiten verbunden.