Neue Eisenzeit: So könnte Eisenpulver erneuerbare Energie langfristig speicher

Rost als Energiereserve: Wie Eisenpulver grünen Strom für später bewahren könnte Ein ehemaliges Kohlekraftwerk, in dem keine Kohle mehr verbrannt wird: Statt schwarzer Brocken gelangt feines, grau schimmerndes Eisenpulver in einen Brenner. Die winzigen Metallpartikel reagieren mit dem Sauerstoff der Luft und setzen dabei große Mengen Wärme frei. Wasser wird zu Dampf, eine Turbine beginnt sich zu drehen und ein Generator speist Strom ins Netz ein.

Was nach der Verbrennung übrig bleibt, soll nicht als Abfall entsorgt werden. Es entsteht Eisenoxid – vereinfacht gesagt Rost. Dieses Material kann gesammelt, mithilfe von erneuerbar erzeugtem Wasserstoff wieder in metallisches Eisen verwandelt und anschließend erneut als Energieträger eingesetzt werden.

So könnte ein Kreislauf entstehen, der überschüssigen Wind- und Solarstrom in einem festen Material konserviert und bei Bedarf wieder nutzbar macht. Eine neue europäische Systemanalyse kommt zu dem Ergebnis, dass Eisen in einer klimaneutralen Energieversorgung eine wirtschaftlich interessante Ergänzung zu Batterien und Wasserstoff darstellen könnte.

Ein Speicher, der nicht wie eine Batterie funktioniert Eisenpulver ist kein Stromspeicher im klassischen Sinn. Es nimmt keine elektrischen Ladungen auf wie ein Akku. Stattdessen wird Energie über chemische Reaktionen gespeichert.

Zunächst erzeugt überschüssiger erneuerbarer Strom durch Elektrolyse Wasserstoff. Dieser entzieht Eisenoxid bei hohen Temperaturen den gebundenen Sauerstoff. Zurück bleibt wieder metallisches Eisen. Die dabei aufgewendete Energie steckt anschließend chemisch im Metall.

Das Eisenpulver kann danach über längere Zeiträume in geschlossenen Behältern gelagert oder zu einem anderen Ort transportiert werden. Wird Energie benötigt, oxidiert das Pulver erneut. Die entstehende Wärme kann direkt in industriellen Prozessen verwendet oder über Dampf und Turbinen in Strom zurückverwandelt werden.

Der entscheidende Unterschied zu Wasserstoff liegt in der Form: Eisen ist bei normalen Umgebungsbedingungen ein fester Stoff. Es benötigt weder extrem niedrige Temperaturen noch Hochdrucktanks. Damit könnte es besonders dort interessant werden, wo Energie lange gelagert oder über größere Entfernungen transportiert werden soll.

Allerdings ersetzt Eisen den Wasserstoff nicht. Für die Rückverwandlung des Rosts in Metall wird weiterhin Wasserstoff benötigt. Das Eisen dient vielmehr als fester Träger, in dem sich erneuerbare Energie leichter speichern und transportieren lassen könnte. Untersuchungen zu internationalen Lieferketten deuten darauf hin, dass Wasserstoff bei kurzen Entfernungen und unmittelbarer Nutzung Vorteile besitzt, während Eisen bei langen Transportwegen und längerer Lagerung konkurrenzfähiger werden könnte.

Warum Eisen vor allem als Langzeitspeicher interessant ist Batterien können Strom sehr schnell aufnehmen und wieder abgeben. Sie sind daher hervorragend geeignet, um kurzfristige Schwankungen innerhalb von Sekunden, Stunden oder einzelnen Tagen auszugleichen. Für eine Speicherung über sehr lange Zeiträume können große Batteriesysteme jedoch teuer werden.

Eisenpulver verfolgt einen anderen Ansatz. Einmal hergestellt, kann das Material gelagert werden, ohne dass sich der chemisch gespeicherte Energiegehalt wie bei manchen elektrischen Speichern kontinuierlich verringert. Damit wäre Eisen vor allem für längere wind- und sonnenarme Phasen, saisonale Reserven und den Transport erneuerbarer Energie geeignet.

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie haben diese Möglichkeit in einem europäischen Energiesystemmodell bis zum Jahr 2050 untersucht. Dabei ließen sie Eisenkraftwerke, Batterien, Wasserstoffspeicher und andere Technologien unter verschiedenen Bedingungen miteinander konkurrieren. In sämtlichen untersuchten Szenarien tauchten mit Eisen betriebene Kraftwerke als Bestandteil eines kostenoptimierten Energiesystems auf.

Besonders groß war das errechnete Potenzial in Regionen, die nur begrenzte Möglichkeiten für Pumpspeicherkraftwerke oder unterirdische Wasserstoffspeicher besitzen. Für Deutschland könnte zusätzlich die große Zahl bestehender Kohlekraftwerksstandorte eine Rolle spielen.

Wichtig ist jedoch: Solche Modellierungen sind keine Vorhersagen. Sie zeigen, unter welchen technischen und wirtschaftlichen Annahmen eine Technologie sinnvoll sein könnte. Ob Eisenpulver später tatsächlich in großem Umfang eingesetzt wird, hängt unter anderem von Investitionskosten, Energiepreisen, Wirkungsgraden, Infrastruktur und der Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff ab.

Ein zweites Leben für ehemalige Kohlekraftwerke Ein besonders spannender Vorteil liegt möglicherweise in der vorhandenen Kraftwerksinfrastruktur. Kohlekraftwerke bestehen nicht nur aus dem Teil, in dem der Brennstoff verbrannt wird. Sie verfügen außerdem über Dampferzeuger, Turbinen, Generatoren, Kühlsysteme, Netzanschlüsse und teilweise auch Anschlüsse an Fernwärmenetze.

Technische Untersuchungen an einem Kraftwerk der 800-Megawatt-Klasse zeigen, dass wesentliche Teile des Dampfkreislaufs grundsätzlich weiterverwendet werden könnten. Umgebaut werden müssten vor allem die Brennstoffzufuhr, die Brenner sowie Systeme zum Auffangen und Reinigen des entstandenen Eisenoxids. Die Studie spricht dabei von moderaten Veränderungen am Dampfkreislauf, aber erheblichen Anpassungen in der Brennstoff- und Partikeltechnik.

Der reine Kraftwerkswirkungsgrad könnte den Berechnungen zufolge sogar ein bis zwei Prozentpunkte über dem eines vergleichbaren Kohlekraftwerks liegen. Gründe sind unter anderem der geringere Energiebedarf für bestimmte Nebenanlagen und andere Eigenschaften der Wärmeübertragung. Diese Angabe beschreibt allerdings nur die Umwandlung der im Eisen enthaltenen Energie in Strom – nicht den Wirkungsgrad des gesamten Kreislaufs einschließlich Wasserstoffherstellung, Eisenreduktion und Transport.

Eine solche Umrüstung könnte vorhandene Standorte länger nutzbar machen und vermeiden, dass technisch wertvolle Turbinen, Netzanschlüsse und Wärmeleitungen nach dem Kohleausstieg vollständig stillgelegt werden. Ob eine Umrüstung günstiger ist als ein Neubau, muss allerdings für jeden Standort einzeln untersucht werden.

Erste Anlagen zeigen, dass Eisen tatsächlich brennen kann Die Idee befindet sich nicht mehr ausschließlich auf dem Papier. In einem Laborversuch gelang es Forschenden, Eisenpulver zehnmal hintereinander zu verbrennen, das entstandene Oxid wieder zu reduzieren und das zurückgewonnene Pulver erneut einzusetzen.

Das recycelte Material enthielt nach der Reduktion durchschnittlich rund 87 Prozent metallisches Eisen. Bei der anschließenden Verbrennung erreichte es eine Verbrennungseffizienz von etwa 85 Prozent – nahezu genauso viel wie frisches Eisenpulver. Über die zehn untersuchten Zyklen blieb der Prozess weitgehend stabil.

Noch näher an einer industriellen Anwendung liegt ein 2026 dokumentierter Eisenpulverkessel mit einer thermischen Leistung von 0,5 Megawatt. In der Anlage wurden insgesamt rund zehn Tonnen handelsübliches Eisenpulver verbrannt. Der Kessel lief bis zu neun Stunden ohne Unterbrechung und erzeugte dabei nutzbaren Dampf.

Die Verbrennungseffizienz lag je nach Betriebszustand zwischen 70 und 80 Prozent. Die gemessenen Stickoxidemissionen waren vergleichsweise niedrig, aber nicht vollständig verschwunden. Zudem benötigte die Anlage noch eine mit Propan betriebene Pilotflamme. Die Forschenden nennen deshalb eine höhere Verbrennungseffizienz und den Verzicht auf fossile Stützfeuerung als wichtige nächste Entwicklungsschritte.

Die Versuche zeigen damit zweierlei: Der Kreislauf ist technisch grundsätzlich möglich und hat bereits eine halbindustrielle Größenordnung erreicht. Gleichzeitig liegt zwischen einem 0,5-Megawatt-Wärmekessel und einem großen Kraftwerk mit mehreren Hundert Megawatt Leistung noch ein erheblicher Entwicklungsschritt.

Faktencheck: Ist Eisenenergie wirklich CO₂-frei? Bei der Verbrennung selbst entsteht kein Kohlendioxid. Eisen enthält keinen Kohlenstoff. Es reagiert mit Sauerstoff und bildet Eisenoxid. Anders als bei Kohle, Erdgas oder Öl wird daher bei dieser Reaktion kein CO₂ freigesetzt.

Der gesamte Kreislauf ist aber nur unter bestimmten Bedingungen klimafreundlich. Der Wasserstoff für die Rückverwandlung des Eisenoxids muss mit erneuerbarem Strom hergestellt werden. Wird dafür fossiler Wasserstoff oder stark CO₂-belasteter Strom verwendet, verschlechtert sich die Klimabilanz deutlich. Hinzu kommen die Umweltwirkungen von Eisengewinnung, Pulverherstellung, Transport und Anlagenbau.

Die Energieverluste dürfen nicht unterschätzt werden. Strom wird zunächst in Wasserstoff, anschließend in metallisches Eisen, danach in Wärme und möglicherweise wieder in Strom umgewandelt. Bei jedem Schritt geht nutzbare Energie verloren. Deshalb dürfte Eisen für die kurzfristige Stromspeicherung in der Regel weniger effizient sein als eine Batterie. Sein Vorteil könnte dort liegen, wo Speicherzeit, Transportfähigkeit und vorhandene Infrastruktur wichtiger sind als ein maximaler Gesamtwirkungsgrad.

Auch Eisenpulver ist nicht vollkommen ungefährlich. Kompaktes Eisen lässt sich zwar einfacher handhaben als gasförmiger Wasserstoff. Sehr feiner Metallstaub kann jedoch brennbar oder explosionsfähig sein. Bei Tests mit vier verschiedenen Eisenpulvern galten drei als explosionsfähig, wenn auch innerhalb der niedrigsten Staubexplosionsklasse. Sichere Anlagen benötigen daher geschlossene Fördersysteme, Filter, Staubkontrollen und geeignete Schutzkonzepte.

Der Kreislauf ist noch nicht beliebig oft nachgewiesen. Die erfolgreichen zehn Verbrennungs- und Reduktionszyklen sind ein wichtiger Fortschritt. Bei jedem Durchlauf können sich jedoch Größe, Oberfläche und innere Struktur der Partikel verändern. Einige Partikel schrumpfen, zerbrechen oder verdampfen teilweise. Für einen wirtschaftlichen Dauerbetrieb muss geklärt werden, wie sich das Pulver nach Hunderten oder Tausenden Zyklen verhält und wie Materialverluste ausgeglichen werden können.

Keine Wunderlösung – aber ein neues Werkzeug für die Energiewende Eisenpulver wird weder Batterien noch Wasserstoff, Stromnetze oder andere Speichertechnologien überflüssig machen. Seine Stärke liegt gerade darin, eine Lücke zwischen diesen Lösungen zu schließen.

Batterien können kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Wasserstoff kann als Rohstoff, Brennstoff und saisonaler Speicher dienen. Pumpspeicherkraftwerke arbeiten besonders effizient, sind aber auf geeignete geografische Bedingungen angewiesen. Eisen könnte dort hinzukommen, wo Energie lange gelagert, über weite Strecken transportiert oder in bestehenden thermischen Kraftwerken und Industrieanlagen eingesetzt werden soll.

Der größte Fortschritt besteht deshalb möglicherweise nicht in einem einzelnen Rekordwert. Er liegt in der Vorstellung, dass ein vertrautes Material in einem geschlossenen Kreislauf eine neue Aufgabe übernehmen könnte: Aus überschüssigem Wind- und Solarstrom entsteht metallisches Eisen. Aus diesem Eisen entsteht bei Bedarf Wärme und Strom. Und aus dem zurückbleibenden Rost wird anschließend erneut ein Energieträger.

Noch ist diese neue Eisenzeit nicht angebrochen. Doch aus einer ungewöhnlichen Idee ist inzwischen ein ernst zu nehmender Forschungs- und Entwicklungsansatz geworden.