Energiespeicher-Revolution: Chemische Speicherung mit Eisen

Für die Energiewende brauchen wir unbedingt Energiespeicher und die TU Darmstadt hat sich da eine ziemlich krasse Sache ausgedacht. Sie haben die Idee, alle Kohlkraftwerke hier in Deutschland zu Energiespeichern umzubauen und wollen für die Speicherung Eisen benutzen. Denn in Eisen kann man durch chemische Prozesse ganz schön viel Energie speichern und örtlich und zeitlich getrennt davon dann wieder freisetzen. Umweltfreundlich soll das Ganze auch noch sein. Wie das ganze funktionieren soll und wie vielversprechend dieses „Eisen Verbrennen“ wirklich ist, darum geht’s jetzt

Dieses Video ist in meinem Breaking Lab-Team entstanden. Verantwortlich aus der Redaktion: Carlotta Mevert, Johannes Polotzek, Jacob Beautemps; Editing: Aron Kamenz, Sören Rensch, Neo Sanjuan Thiele

Kapitel
00:00 Die Eisenspeicher-Idee der TU Darmstadt
00:44 Clean Circles
01:40 Die Funktionsweise der Technologie
04:29 Darum ist die Technologie so spannend
05:37 Die Round-Trip Efficiency
07:10 Das große ABER
08:33 Fazit zur Eisenspeicher-Idee

Quellen

Ich bin Jacob Beautemps und mache gerade meinen Doktor an der Universität zu Köln. Vor vier Jahren habe ich zusammen mit Philip Häusser diesen YouTube Kanal gegründet und seit 2018 stehe ich nun selbst vor der Kamera. In meiner Forschung an der Uni geht es um das Thema "What comprises a successful educational YouTube video?: the optimization of YouTube videos’ educational value through the analysis of viewer behavior and development via machine learning." Oder kurzgesagt: Wie lernt man auf YouTube und wie können wir das mit künstlicher Intelligenz optimieren. Dies fließt natürlich stark in meine YouTube Videos mit ein, denn hier geht es auch darum möglichst viel über Physik, Chemie, Technik und andere naturwissenschaftliche Themen zu lernen.

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[Clean-Circles]

Vielen Dank für den spannenden Einblick in unsere Forschung! Damit es mit der Energiewende klappt, arbeiten wir fleißig weiter an dem Konzept. Danke auch für die lebhafte Diskussion hier in den Kommentaren. Einige Themen kommen wiederholt auf und wollen wir gerne ansprechen:

1. Lagerung von Eisen
Für die Lagerung braucht es einen geeigneten Container, wie bei den allermeisten Energieträgern. Es muss der Kontakt mit Feuchtigkeit vermieden werden, dann ist eine langfristige und gefahrlose Lagerung möglich.

2. Round-Trip-Efficiency (RTE)
Einige sind irritiert davon, dass der Eisenzyklus effizienter als der Wasserstoffzyklus sein kann. Das liegt an der Verflüssigung oder Komprimierung von Wasserstoff, welche für den Transport und die Lagerung nötig ist - das ist energetisch aufwändig und im Falle der direkten Nutzung bei der Reduktion nicht nötig. In der Round-Trip-Efficiency wird der gesamte Energieinput in das System ins Verhältnis gesetzt mit dem Energieoutput, also letztlich resultierender Strom beim Ausspeichern pro Energieaufwand für den Energiekreislauf.
Unsere Berechnung, die Annahmen und alle einzelnen Prozessschritte sind in unserer Open-Access Publikation nachvollziehbar: doi: 10.1016/j.jaecs.2023.100128

Effizienz ist ein wichtiger, aber nicht der einzige Parameter. Die sogenannten Stromentstehungskosten berücksichtigen auch wie komplex ein Prozess in der Umsetzung ist.

3. Energiedichte
Die Energiedichte verschiedener Energieträger kann ebenfalls unserer Publikation entnommen werden (doi: 10.1016/j.jaecs.2023.100128). Volumetrisch liegt die neueste Lithium Batterie Technologie bei 1.65 kWh/l, flüssiger Wasserstoff bei -253°C bei 2.61 kWh/l, Eisen bei 16.1 kWh/l und Kohle bei 8-16 kWh/l.

Am Helmholtz-Institut in Ulm haben Kollegen abgeschätzt, dass in einem bestimmten Szenario die EU für die Wintermonate 1200 TWh saisonal speichern muss, um mit erneuerbaren Energien autark zu sein. Zur Visualisierung könnte man sich das zweitgrößte Gebäude der Welt vorstellen, die Tesla Giga Texas Factory. Um 1200 TWh zu speichern, müssten 8 Tesla Giga Texas Factories mit Eisen vollgepackt werden. Mit flüssigem H2 bei -253°C bräuchte man 50 solcher Gebäude, bei den neuesten Lithium Batterien schon 80. Mit Pumpspeicherkraftwerken sind solche Energiemengen kaum realistisch speicherbar.

Wir hoffen, dass dieser Kommentar dem YouTube Shadow-Banning entkommt - und sind gespannt auf weitere Diskussionen und Videos zum Thema Energiespeicher. Denn die spielen für die Energiewende eine wichtige Rolle und Eisen hat dafür großes Potential!

[Effizienzblick]

das passt ja, hab heute meine MA zu einer vollständig eisenbasierten Redox-Flow-Batterie abgegeben

[thilokm]

Über diesen Ansatz mit verschiedenen Metallen habe ich vor 11 Jahren meine Facharbeit "Elektrochemische Energiespeicherung mittels Redox-Reaktionen" in der Oberstufe geschrieben. Also im Wesentlichen über das theoretische Effizienzpotenzial, das war einfach nur ne fixe Idee von mir. Schön, dass offenbar noch jemand an anderer Stelle den gleichen Gedanken hatte und ihn ernsthafter verfolgt hat. Würde mich sehr freuen, wenn das den Weg in die Praxis findet. Alleine schon aus "Ich hab's euch ja gesagt"-Gründen :D

[marvingonzalez-chavez]

Also für das Thema Saisonale Energiespeicher finde ich das wirklich sehr interessant. Geht man nun davon aus man baut nahe des Kraftwerks riesige PV Anlagen, so kann man den Sommer über die gesamte Überproduktion für die Reduktion verwenden und kann dann den Winter über die bei der Verbrennung entstehende Wärme auch noch als beispielsweise Fernwärme weiternutzen. Tatsächlich mal ein Ansatz welchen ich mir tatsächlich in der Praxis selbst bei den benötigten Maßstäben realistisch vorstellen kann.

[hschmidt]

Die Idee vorhandene Kohlekraftwerkstandorte zu nutzen ist in sofern genial, als dass man sich damit einen Teil des Netzausbaus sparen könnte... oder zumindest gemütlicher angehen.

[Lunazo]

Ist eine super Idee und als Chemiestudent an der TU Darmstadt habe ich die Möglichkeit in diesem Arbeitskreis meine Bachelorarbeit zu machen

[jostv.]

Ich fände es toll, wenn bald Videos kommen, in denen du "vor Ort " in den Laboren bist oder vielleicht auch Gäste qie Wissenschaftler dazu befragen könntest. Hut ab für all die Arbeit, ich liebe deine Videos 😊

[MP-ncpw]

Sehe den Hauptvorteil in der extrem einfachen Speicherung über längere Zeit. Eisen in Silo packen, trocken halten und es übersteht sowohl Frost als auch 40° heise Sommer locker ohne weiteren Energieaufwand und so lange es nicht aufgewirbelt wird auch recht schlecht brennbar. Saisonale Speicherung sollte hier sehr unproblematisch sein. Transport auch, aber Gewichts bedingt ist vor Ort wohl zu bevorzugen.

[berndgrabitz]

Als Retrofit ist es sehr interessant
Was bei einen Kraftwerk schon da ist:
-Turbine
-Netzanschluss
Wenn das Kraftwerk bisher -Fernwärme liefert ist auch die Abwärme perfekt untergebracht.

[berndbuck]

Das könnte do wirklich eine gute und relativ einfache Lösung sein. Wir haben in Deutschlad nämich eingentlich kein Energieproblem sondern ein Speicherproblem. Aus Sonnen und Windkraft könnte genug Wärme und Strom produziert werden, nur eben nicht immer genau dann, wenn es benötigt wird. Deshalb nutz man Energie, die in Erdgas, Kohle, Öl, Biomasse oder Wasserstoff gespeichert ist. Wir benötigen insbesondere saisonale (langzeit) Speicher. Strom kann bisher in Deutschland nicht in großem Stil lange Zeit gespeichert werden. Mit Wärme wäre das aber ebenfalls möglich. @Braking Lab ich würde mich freuen, wenn ihr auch mal etwas über saisonale Wärmespeicher macht. Damit kann Energie nämlich sehr effizient und günstig gespeichert werden.

[airlag]

Als ich "grüner Wasserstoff" hörte, kam bei mir direkt die Frage auf, ob die Energiebilanz von diesem zweistufigen Prozess tatsächlich so toll ist. Wir diskutieren gerade, ob unsere nachhaltigen Energiequellen überhaupt ausreichen um genug grünen Wasserstoff für die Bereiche zu produzieren, wo er auf absehbare Zeit nicht ersetzbar ist, z.B. im Ferntransport.
Es gibt jede Menge reversible chemische Reaktionen. Die Preisfrage ist immer, wie aufwändig die Reduktionsreaktion ist, und wie nah das Endprodukt dem Ausgangsprodukt kommt. Es nutzt wenig, wenn wir Eisenstaub verbrennen und nach der Reduktion Eisenbarren haben. Die brennen nicht so gut. Und wenn wir 10 mal soviel Energie in die Reduktion stecken müssen als wir bei der Oxidation bekommen, dann ist das ineffizient. Deshalb wäre es schön gewesen, wenn wir hier etwas über die Effizienz erfahren hätten.
Ich denke, wir werden mehr Erfolg haben mit umkehrbaren Reaktionen, die mit Salzen oder Oxiden in Lösung oder in einer Schmelze arbeiten und durch Zufuhr von Elektrizität oder Wärme oder Druck direkt umgekehrt werden können.
Ich finde trotzdem den Grundgedanken von der Verbrennung von Eisen nicht schlecht. Das Endprodukt ist ein Feststoff, kein Gas das durch den Schornstein entweicht und Probleme bereitet.

[mrkokolore]

Wirkt vielversprechend und nachhaltig. Coole Idee.

[JNA.]

Was ich nicht verstehe:
Wie kann die Round drip efficiency besser sein, als bei Wasserstoff, wenn man grünen Wasserstoff verwenden will um das Eisenoxid zu reduzieren?

[romarttiggit]

Ohh klingt sehr gut ! Ich bin mal gespannt, 6 Jahre ist ja nix eigentlich. Halte uns auf dem Laufenden, danke für das Video!

[BukkitViper]

Also ‚grünen‘ Wasserstoff zu nutzten, um Eisen und Sauerstoff zu trennen, klingt erstmal als eine gute Idee. AAABER
Genau das möchte bzw. muss auch die gesamte Eisenverarbeitungsindustrie machen und benötigt den weniger Wasserstoff, den wir grün produzieren können, selber. Somit bleibt für diese Methode nichts mehr übrig.

[flx]

Endlich mal eine vielversprechende Speichertechnik. 🤩

[my-tschischlak]

tolle Idee, Energiespeicher sind enorm wichtig. Es mangelt auch daran, also auf gehts.

[Kevinho_Live]

Tolles Video, gutes und spannendes Thema! Gern mehr davon

[frankhaese_DrHaeseGroup]

Diese schöne (modifizierte) alte Idee aus den 1970ern ist immer noch attraktiv wegen der günstigen Materialien. Leider wird die Sache unwirtschaftlich, wenn elementarer Wasserstoff verwendet wird. Zur Realisierbarkeit sagst Du ja selber bereits bei ca. 9:13 "Vertrauen, Versprechen, nicht lügen würden....". :D. Andere Konzepte, wie die vom BMBF geförderte Eisen-Slurry/Luft-Batterie haben wiederum als Hürde die Leitfähigkeit und Ablagerungen an den Ableitungselektroden. An dieser Stelle vielen Dank und Grüße an das Forschungszentrum Jülich.

[maclilith]

Klingt spannend. Hoffe wir hören bald mehr davon