Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonne und Wind gilt als wichtiges Standbein der Energiewende. Allerdings sind beide Energiequellen nicht gleichmäßig verfügbar. Vor allem die mittels Photovoltaik nutzbare Solarenergie schwankt in unseren Breiten stark mit den Jahreszeiten. Während Solaranlagen im Sommer häufig mehr Strom erzeugen, als das Netz aufnehmen kann, herrscht im Winter eher Mangel. Schon länger wird daher nach möglichst effizienten Methoden gesucht, um den überschüssigen Strom in saisonalen Speichern zwischenzulagern. Neben großen Batteriespeichern besteht eine Möglichkeit darin, die überschüssige elektrische Energie für reversible chemische Umwandlungsprozesse zu nutzen, beispielsweise indem mit dem Strom Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugt wird. Dieser kann dann im Winter oder zu anderen Strommangelzeiten in Brennstoffzellen oder über die Verbrennung wieder zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt werden. Doch dafür muss auch der Wasserstoff monatelange sicher und effizient gespeichert werden.
Erz und Wasserstoff werden zu Eisen und Wasserdampf
An diesem Punkt setzt nun der Pilotversuch von Samuel Heiniger und seinen Kollegen von der ETH Zürich an. Für ihre Speichermethode griffen sie auf ein Verfahren zurück, das schon im Jahr 1900 kommerziell im Einsatz war: das Eisen-Dampf-Verfahren. “Dieser Prozess wurde genutzt, um hochreinen Wasserstoff aus Eisen und Wasserdampf zu erzeugen”, erklären die Forscher. In ihrer Pilotanlage verwendeten sie den umgekehrten Prozess, um Wasserstoff längerfristig zu speichern und dann wiederzugewinnen. “Dieser chemische Prozess gleicht dem Aufladen einer Batterie. So kann die Energie des Wasserstoffs fast verlustfrei über lange Zeit als Eisen und Wasser gespeichert werden”, erklärt Seniorautor Wendelin Stark von der ETH. Konkret besteht die Anlage aus mehreren Edelstahltanks, in die zu Beginn jeweils 250 Kilogramm Eisenoxid-Pulver eingefüllt wurde – gemahlenes, anderweitig aber nicht vorbehandeltes Eisenerz.
“Der große Vorteil der Technologie ist, dass das Ausgangsmaterial Eisenerz einfach und in großen Mengen zu beschaffen ist. Zudem müssen wir es nicht einmal aufbereiten, bevor wir es in den Kessel geben”, sagt Stark. Das Eisenerzpulver wird dann auf rund 400 Grad aufgeheizt und der zuvor mittels Elektrolyse unter Stromverbrauch erzeugte Wasserstoff hineingeleitet. In der Praxis würde dies im Sommer passieren, wenn Solarstrom im Überschuss vorhanden ist, wie das Team erklärt. Im Reaktor kommt es dann zu einer chemischen Reaktion, bei der das Eisenoxid zu metallischem Eisen und Wasserdampf reduziert wird. “Um die Reaktion zu fördern, wird das Wasser abgeleitet, bis die Mehrheit des Eisenoxids in Eisen umgewandelt ist”, erklären Heiniger und seine Kollegen. “Dieser Prozess repräsentiert das Laden des Reaktors.” In den Tests wurde dabei rund 88 Prozent des Eisenoxids zu Eisen reduziert. “Das entspricht einer effektiven volumetrischen Speicherdichte von 30,1 Kilogramm H2 pro Kubikmeter”, berichtet das Team.
