Wenn Eisen rostet, nimmt es Sauerstoff auf. Stammt dieser nicht aus der Luft, sondern aus Wasserdampf, bleibt Wasserstoff zurück. Dieser Effekt könnte die Grundlage einer neuen Energiespeichertechnologie werden. Mehrere Forschungsgruppen und Unternehmen arbeiten bereits daran, ein solches Speicherverfahren auf Basis von gewöhnlichem Eisen auf den Markt zu bringen, das Wasserstoff bindet und zur gewünschten Zeit wieder freisetzt– und das, ohne das Gas im eigentlichen Sinne zu speichern.
Das Be- und Entladen des Speichers ist´nichts anderes als das Rosten von Eisen, das gezielt vorwärts und rückwärts abgespult wird. Um den Energiespeicher zu beladen, strömt Wasserstoff durch Pellets aus rostigem Eisen – oder, chemisch besser ausgedrückt: aus Eisenoxid. Der Wasserstoff zieht dabei den Sauerstoff aus den Pellets und bindet ihn an sich. Zurück bleiben reine, metallische Eisenpellets und Wasserdampf.
Die Energie des Wasserstoffs ist im Wesentlichen in den Pellets gebunden. So lässt sie sich bequem lagern oder über weite Strecken transportieren, ohne dass besondere Sicherheitsvorkehrungen einzuhalten sind. Um die Energie wieder zu entnehmen, lässt man Dampf durch die Eisenpellets strömen. Der Sauerstoff aus dem Wasserdampf bindet sich an das Eisen, zurück bleibt gasförmiger Wasserstoff.
Der Trick mit dem Rost ist in mehrerlei Hinsicht charmant. Eisen ist auf der Erde reichlich vorhanden, kostet nicht viel und lässt sich gefahrlos transportieren und lagern. Und die Technologie hat noch einen weiteren Vorteil. Genau genommen enthalten die Eisenspeicher gar keinen Wasserstoff, sondern nehmen lediglich dessen Energieinhalt auf. Beim Beladen des Speichers bildet der Wasserstoff nämlich wieder Wasser. Der Dampf kann also zumindest zu einem Teil im Kreis geführt werden. Das ist besonders wichtig an Standorten, in denen Wasser ein knappes Gut ist, also zum Beispiel in Wüstenregionen, in denen künftig Wasserstoff im großen Stil für Europa erzeugt werden soll.
Eisen-Speicher im Standard-Container
Wie viele Energiewende-Technologien ist auch der Eisen-Dampf-Prozess nicht neu. Howard Lane entwickelte ihn bereits 1804. In den 1970er-Jahren produzierte eine Industrieanlage in Magdeburg bereots auf diesem Wege rund 20.000 m3 Wasserstoff pro Stunde. Doch für die modernen Anwendungen braucht er ein paar Anpassungen an die aktuellen Erfordernisse.
Das Start-up Ambartec, in das auch der Energiekonzern Wintershall Dea investiert hat, will den Prozess unter anderem für den Wasserstofftransport nutzen. Dafür will Ambartec Eisenpellets in standardisierten 20-Fuß-Containern lagern und so in übliche Logistikabläufe eingliedern – vom Lkw für regionale Erzeugung bis zum Überseetransport per Frachter. „Die Herausforderung an dem Prozess ist es, die Eisenpellets so zu konditionieren, dass sie nicht nach wenigen Zyklen zu Staub zerfallen oder an der Oberfläche versintern“, sagt Matthias Rudloff von Ambartec.
Das ist dem Unternehmen mittlerweile nach eigenen Angaben geglückt. Der Demo-Speicher in Freiberg, etwa 40 Kilometer vom Firmenstammsitz in Dresden entfernt, hat bereits einige hundert Zyklen stabil durchlaufen. Im Mai soll die nächste Skalierungsstufe kommen, Ende 2023 eine weitere. Ab 2024 will Ambartec erste kleine Stückzahlen an Kunden ausliefern.
Neben dem Eisengranulat an sich hat Ambartec auch an der Prozessführung gearbeitet. Für den passenden Druck und Temperaturgradienten sorgt eine separate Lade- oder Belade-Einheit. „Wir können zum Beladen gut Dampf einbinden, der in Industrieanlagen anfällt. Der Druck ist dabei insofern wichtig, da der Dampfdruck im Wesentlichen den Wasserstoffdruck bestimmt“, sagt Rudloff.
Der freiwerdende Wasserstoff sei mit Dampf gesättigt, aber ansonsten relativ rein. Anwendungen für die wasserstoffproduzierenden Eisenpellets sieht Rudloff nicht nur im Seetransport, sondern in Kombination mit einer Elektrolyse- und Rückverstromungseinheit auch als stationärer Stromspeicher und in der Schifffahrt.
Ambartec-Speicher in Zahlen
Aktuelle Skalierung: 100 Liter
Zielgröße: 40-Fuß-Container
Dichte der Eisen-Pellets: 2,5 kg/Liter
Energiedichte (vol.): 0,4 kWh/l
Energiedichte (grav.): 1 kWh/kg
Universitäre Forschung
Auch ein von der Universität Duisburg-Essen koordiniertes Forschungsteam setzt auf den Eisen-Dampf-Prozess für den Wasserstofftransport. Partner sind die Technische Universität Clausthal und das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) Bremen. Hinzu kommen die thyssenkrupp Steel Europe AG und die SMS group GmbH als assoziierte Industrieunternehmen. Das Projekt Me2H2 Einsen-Dampf-Prozess wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über drei Jahre mit insgesamt 1,3 Mio. Euro gefördert. Ein Großteil des Projekts wird sich mit den Grundlagen, wie beispielsweise mit der Erforschung geeigneter Legierungen, befassen. Das Projekt ist gerade erst angelaufen, so dass es noch keine Ergebnisse zu berichten gibt.
Einsatz in der Industrie und in Zügen
Ein weiterer Akteur ist die Wolf Energetik GmbH, die vor allem auf die Einbindung in große Industrieprozesse setzt. „Wir brauchen Energiespeicher in den Dimensionen von Kohlehalden oder großen Öltanks“, sagt Claudia Hain, die das Unternehmen bereits 2013 zusammen mit dem Namensgeber Bodo Wolf gründete. Wolf Energetik dockt dabei an die vorhandene Technologie aus den 1970ern an. „Wir mussten die Apparaturen nicht neu entwickeln, sondern nur für neue Anwendungen qualifizieren“, sagt sie.
Als ideale Anwendung zur Stromspeicherung sieht sie einen stofflich geschlossenen Kreisprozess mit einer Hochtemperaturelektrolyse und -brennstoffzelle, bei dem sowohl Wärme als auch Dampf immer wieder genutzt werden. Bis zu 80 Prozent Speicherwirkungsgrad wären so möglich, ist Hain überzeugt. Statt selbst schlüsselfertige Anlagen zu liefern, will Wolf Energetik dabei lieber „Technologiegeber“ für den industriellen Anlagenbau sein.
Eine andere mögliche Anwendung der patentierten Technologie wäre die Zwischenspeicherung des Wasserstoffs und die Herstellung von Synthesegas für die Industrie. Die aus dem Mineralölhandel kommende Mabanaft-Gruppe, die mittlerweile in Chile und Norwegen selbst an der Produktion von E-Fuels arbeitet, ist bereits als Gesellschafterin eingestiegen. „Auch in Deutschland ansässige Industrieunternehmen, die kontinuierlich Wasserstoff brauchen, könnten sich mit unserem Speicher gegen Versorgungsunterbrechungen absichern“, so Hain.
Außerdem arbeitet Wolf Energetik an mobilen Speichern, die in Zügen eingesetzt werden sollen. Die Voruntersuchungen laufen. Ein Zugmodell für die Integration ist bereits ausgewählt. Mitte des Jahres soll in Freiberg im Zuge des Vorhabens Future H Drive eine stationäre Pilotanlage entstehen, in der Speicher und reversible Brennstoffzelle zu einem System zusammengestellt werden sollen, das im vorgesehenen Bauraum des Fahrzeugs Platz findet. Ziel eines anschließenden Projektes ist es dann, die Technologie tatsächlich in ein Fahrzeug zu integrieren. Partner ist dabei die Deutsche Eisenbahn Service AG, kurz Desag.
Autorin: Eva Augsten
Es ist eine Erfindungslösung mit Eisenoxidverfahren für Wasserstofferzeugung mit Nr. PCT/EP 2022/059728 in die letzte Patentierungsphase eingetreten, welche für die gleiche Wasserstoffmenge 7,8 mal weniger Strom verbraucht als die zu vergleichende PEM- Elektrolyseanlage z.B. beim Wasserkraftwerk der IBAarau und 5,5 mal weniger als die PEM- Elektrolyseanlage in Gösgen (beide in der Schweiz).
Das Kernstück der Eisenoxidanlage ist der Generator, der aus einem Keramiktiegel mit einem Induktor und einer axial montierbaren Dampflanze besteht und in einem luftdicht abschliessbaren Gehäuse schwenkbar axial gelagert werden kann.
Mein Konzept kann z.B. auf einer Bodenfläche von (1,5 x 3) m mit einer Tonne- Eisenkörnermasse min. 48 kg Wasserstoff pro Stunde erzeugen.
Es werden weder CO2 noch irgendwelche schädlichen Substanzen ausgestossen.
Orhan Üstün
Dipl. El. Ing.