«Grünes» Eisen statt Kohle verbrennen

Der Klimawandel und die damit verbundene Notwen­digkeit einer drastischen Reduktion von Treib­haus­gas­emissionen erfordern einen fundamentalen Umbau unserer Energiesysteme. Trotz der globalen Bestrebungen ist die installierte Kapazität von Kohle­kraft­werken seit dem Über­einkommen von Paris um 13% auf 2,18 TW gestiegen, weitere 0,6 TW befinden sich aktuell im Bau oder in Planung (Bild 1a). Kohle ist damit weiterhin die wichtigste Einzelquelle für die globale Strom­produktion, mit einem Anteil von 34% [1].

Die Energiewende erfordert jedoch einen konse­quenten Ausstieg aus fossilen Brenn­stoffen. Diese Entwicklung stellt uns vor zwei wesentliche Heraus­forde­rungen: Erstens stellt sich die Frage nach dem Umgang mit der bestehenden, kapital­intensiven Infrastruktur der Kohle­kraft­werke. Etwa zwei Drittel der globalen Kohle­kraft­werks­kapazität sind weniger als 20 Jahre alt (Bild 1b). Um die Klimaziele des Überein­kommens von Paris zu erreichen, müssten viele dieser Kraftwerke deutlich früher als ursprünglich geplant vom Netz gehen. Konkret ist hierfür eine durch­schnitt­liche Still­legung nach 35 Jahren (2°C-Ziel) bzw. 20 Jahren (1,5°C-Ziel) notwendig [3], was deutlich unter der technisch üblichen Betriebs­dauer von 50 Jahren liegt. Dies würde zu einem erheblichen Verlust an Ver­mögens­werten führen und bei betrof­fenen Stake­holdern für Widerstand sorgen.

Zweitens erfordert der Umstieg auf ein Energie­system, das stark auf volatile erneuerbare Quellen wie Sonne und Wind setzt, innovative Lösungen für grosse Energie­speicher sowie grund­last­fähige Backup-Systeme, um die Versor­gungs­sicherheit stets zu gewährleisten.

Eine vielversprechende Lösungs­option für diese Heraus­forde­rungen ist die Nutzung reaktiver Metalle statt Kohle. Insbesondere «grünes» Eisen, das mithilfe erneuerbarer Energien gewonnen wird, rückt zunehmend als kohlen­stoff­freier und rezyklierbarer Energie­träger in den Fokus [4]. Die Idee besteht darin, dieses Eisen in Pulverform in modifizierten Kohle­kraft­werken zu verbrennen und so CO₂-frei Strom zu erzeugen.

Ein Eisen-Energie-Kreislauf

Das Konzept der reaktiven Metalle als erneuerbare Energie­träger gewinnt seit etwa einem Jahrzehnt an Bedeutung. Es basiert auf der Idee, erneuerbare Energie chemisch zu speichern, indem Metalloxide zu Metallen reduziert werden. Elemente wie Eisen oder Aluminium können so Energie in kompakter Form chemisch speichern und bei Bedarf durch eine Oxidations­reaktion wieder freisetzen [5]. Durch die verlustfreie Zyklier­barkeit des metallischen Energie­trägers entsteht ein Material- und Energie­kreislauf. Als Energie­träger bieten reaktive Metalle diverse Vorteile: Ihre hohe volumetrische Energiedichte übertrifft die von Batterien oder kompri­miertem/verflüs­sigtem Wasser­stoff um eine Grössen­ordnung, was sie für Lagerung und Transport grosser Energie­mengen attraktiv macht. Sie sind über lange Zeiträume sicher lagerfähig und vergleichsweise einfach zu transportieren. Ein entscheidender Vorteil ist, dass bei ihrer Verbrennung (Hoch­temperatur­oxidation) keine CO₂-Emissionen entstehen.

In der Gruppe der reaktiven Metalle ist Eisen ein besonders viel­verspre­chender Kandidat [6]: Es ist das viert­häufigste Element der Erdkruste, weltweit reichlich verfügbar, für Mensch und Umwelt unbe­denklich und vergleichs­weise kosten­günstig in der Gewinnung. Ein weiterer Vorteil von Eisen zeigt sich bei der Verbren­nung mit Luft­sauer­stoff, da die Reaktion überwiegend heterogen abläuft, also in der Fest- oder Flüssigphase [7]. Das Reaktions­produkt ist ein festes Eisen­oxid­pulver, das einfach gesammelt und recycelt werden kann.

Der Schlüssel zur ökologischen Nachhaltigkeit dieses Konzepts ist das sogenannte «grüne» Eisen. Dieser Energie­ein­speicherungs­prozess muss CO₂-neutral erfolgen. Der technologisch am weitesten entwickelte Ansatz hierfür ist die Direkt­reduktion von Eisenoxid (aus primärem Eisenerz oder als recyceltes Verbren­nungs­produkt) mit grünem Wasserstoff. Letzterer wird durch Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien gewonnen. In der metallur­gischen Industrie gibt es bereits grosse Bestre­bungen, die konven­tionelle Eisen­her­stellung zu dekarboni­sieren. Dies hätte erhebliche synerge­tische Effekte für die Nutzung von Eisen als Energie­träger.

Der resultierende Eisen-Energie-Kreislauf (Bild 2) ist ein zyklischer Prozess, der die Speicherung und bedarfs­gerechte Freisetzung von Energie ermöglicht:

• Einspeichern (Reduktion): Eisenoxide (FeO_x) werden durch grünen Wasserstoff (H₂) und zugeführte erneuer­bare Hilfsenergie zu metalli­schem Eisen (Fe) reduziert.
• Ausspeichern (Oxidation): Zur Energie­frei­setzung wird das Eisenpulver in einem modifizierten Kraftwerk mit Luft­sauer­stoff (O₂) bei hohen Tempe­raturen verbrannt. Diese exotherme Reaktion setzt Wärme frei, die zur Dampf­erzeugung und anschlies­send zur Strom­produktion genutzt wird. Alternativ kann das Eisen auch mit Wasser­dampf reagieren, um bedarfs­gerecht Wasserstoff zu produzieren, was jedoch hier nicht näher vorgestellt wird.
• Transport und Lagerung: Metallisches Eisen und Eisenoxid sind sicher lager- und transpor­tierbar. Der Kreislauf lässt sich dadurch flexibel gestalten: Die energie­intensive Reduktion kann an Standorten mit kosten­günstiger erneuer­barer Energie erfolgen, die Energie­frei­setzung bedarfsgerecht an anderen Orten. Auch ein rein lokaler Kreislauf ist möglich. Das Eisenoxid wird stets recycelt, was für einen geschlos­senen Eisen-Energie-Kreislauf sorgt.

Doch welche technischen Anpas­sungen sind für eine Verbrennung von Eisen in bestehenden Kohle­kraft­werken erforderlich?

Technische Aspekte der Umrüstung

Bei der Umrüstung eines Kohle­kraft­werks auf Eisen bleibt das Grundprinzip erhalten: Die Verbrennung von Eisenpulver liefert Hoch­tempe­ratur­wärme, verdampft Wasser und treibt eine Dampfturbine an, deren Drehmoment anschliessend im Generator Strom erzeugt. Ein wesentlicher Vorteil der Umrüstung auf Eisen ist, dass grosse Teile der bestehenden Kraft­werks­infra­struktur weiter genutzt werden können (Bild 3). Dazu zählen die Dampfturbinen, der Generator, die Netzanbindung (Trans­forma­toren, Schalt­anlagen) und die Kühlsysteme. Sogar der Dampf­erzeuger (Kessel) und wesentliche Teile der Gebäude­infra­struktur und Hilfssysteme können weiter genutzt werden.

Neben diesen Synergien sind gewisse technische Modifikationen und Neu­entwick­lungen bei der Brenn­stoff­lagerung und -förderung, der Brenner­techno­logie, dem Dampfkessel und der Rauchgas­reinigung für einen effizienten und sicheren Betrieb mit Eisen nötig [9].

Bei der Lagerung und Förderung von Eisenpulver muss berücksichtigt werden, dass es sich in seinen Lager­eigen­schaften von Kohle unterscheidet. Es hat eine höhere Dichte, muss trocken gelagert werden und kann als Staub unter bestimmten Bedingungen explosions­fähig sein – für den sicheren Umgang mit reduziertem Eisen bestehen bereits Vorschriften und technische Lösungen. Die Kohlemühlen des Kraftwerks werden hingegen nicht mehr benötigt, da das Eisen idealer­weise in der passenden Partikelgrösse angeliefert wird. Existierende Silos und Förder­systeme müssen voraus­sichtlich angepasst werden.

Beim Brenner muss beachtet werden, dass aufgrund des geringeren massen­bezogenen Heizwertes von Eisen im Vergleich zu Steinkohle der Brenn­stoff­massen­strom für die gleiche thermische Leistung bis zu viermal grösser ist, bei leicht geringerem spezifischem Luftbedarf. Die Entwicklung und Optimierung von Brennern, die diese Bedingungen berücksichtigen und eine stabile, effiziente sowie vollständige Verbrennung des Eisenpulvers gewährleisten, ist ein zentrales Thema für Forschung und Entwicklung.

Die Verbrennung von Eisen führt zu einer veränderten Wärme­über­tragungs­charak­teristik im Dampfkessel. Gleichzeitig ist die Beladung des Rauchgases mit festem Eisenoxid deutlich höher (bis zu 45 Gew.-% im Vergleich zu ca. 1 Gew.-% Asche bei Kohle). Dies erfordert möglicher­weise Anpassungen der Heizflächen und der Werkstoffe, um abrasiven Partikeln und potenziellen Ablagerungen standzuhalten. Das genaue Ausmass dieser Heraus­forde­rungen wird ebenfalls erforscht.

Da Eisen keinen Kohlenstoff, Schwefel oder gebundenen Stickstoff enthält, entfallen direkte CO₂- und SO_x-Emissionen sowie brennstoff­bedingte NO_x-Emissionen. Der hohe Anteil an Eisen­oxid­pulver im Rauchgas muss jedoch abgeschieden werden (z. B. durch Zyklone, Gewebefilter, E-Filter). Experimente weisen auf eine extrem geringe thermische NO_x-Bildung hin.

Modellbasierte Studien [9, 10] zeigen, dass die Umrüstung von Kohle- auf Eisenkraftwerke technisch umsetzbar ist und zu einer Steigerung des Netto-Kraftwerks­wirkungs­grades um ein bis zwei Prozentpunkte führen kann. Die Gründe hierfür liegen in einer verbesserten Wärme­über­tragung durch das partikel­beladene Rauchgas und einem geringeren Eigen­energie­bedarf des Kraftwerks, da Komponenten wie Kohle­mühlen, Rauch­gas­ent­schwefelung und sehr wahr­scheinlich die Rauch­gas­entstickung entfallen. Da kein Schwefel im Brennstoff enthalten ist, entfällt zudem die Limitierung der Rauch­gas­abkühlung durch den Schwefel­säure­taupunkt, was potenziell niedrigere Rauch­gas­austritts­tempe­raturen und somit eine bessere Wärme­ausnutzung ermöglicht. Ersten Schätzungen zufolge könnten die Kosten für eine solche Umrüstung im Bereich von etwa 15% der Investitions­kosten für einen Kraft­werks­neubau liegen.

Chancen

Die Umrüstung von Kohle­kraft­werken für die Verbrennung von grünem Eisen eröffnet Chancen für die zukünftige Energieversorgung. Da Eisenkraftwerke CO₂-freie, regelbare Leistung bereitstellen, können sie fluktuierende erneuerbare Energien ergänzen und so einen wichtigen Beitrag zur Dekar­boni­sierung der Strom­versorgung leisten. Auch im Wärmesektor (z. B. bei industrieller Prozesswärme) gibt es Potenzial für eisenbasierte saisonale Backup-Systeme. Ein weiterer Vorteil liegt in der Nutzung vorhandener Kraftwerks-, Netz- und Transport­infra­struktur, denn dadurch wird der Investitions­bedarf und die Umsetzungs­zeit reduziert.

Im Vergleich zu grünem Wasserstoff ist Eisen insbeson­dere beim Lang­strecken­transport und der Langzeit­speiche­rung vorteilhaft. Während Wasserstoff aufwendig verflüssigt werden muss, lässt sich Eisen als Feststoff einfach und kosten­günstig handhaben, transportieren und lagern. Technisch-wirt­schaftliche Betrach­tungen [11, 12] deuten darauf hin, dass die vorteilhaften Transport- und Speicher­eigen­schaften in Kombination mit dem Umrüs­tungs­potenzial von Kohle­kraft­werken, die im Vergleich zur Wasserstoff­produktion höheren Kosten für die Eisen­oxid­reduktion über­kompensieren.

Ein wichtiger Faktor für die Wirtschaft­lichkeit und Nach­haltigkeit ist der Gesamt­wirkungs­grad des Kreislaufs (Strom-zu-Strom-Effizienz). Aktuelle Schätzungen hierfür liegen, je nach Technologie und Rand­bedingungen, zwischen 21% und 32% [10]. Diese liegen in der gleichen Grössen­ordnung wie bei Wasserstoff oder Ammoniak als grüne Energie­träger (20 bis 30% [13]). Optimierungs­potenzial besteht bei den Reduktions­konzepten und der Wirkungs­grad­steigerung von Gross-Elektrolyseuren.

Wettbewerbsfähigkeit

Die Wettbewerbsfähigkeit von grünem Eisen gegenüber fossilen Energie­trägern hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von niedrigen Gestehungs­kosten für erneuerbare Energie. Erste Analysen [11] zeigen, dass grünes Eisen bei Strompreisen zwischen 0,01 und 0,03 USD/kWh und einer moderaten CO₂-Bepreisung (rund 100 USD/t CO₂) bereits konkurrenzfähig mit fossilen Energie­trägern sein könnte. Eine deutlich höhere CO₂-Steuer (z. B. über 250 USD/t) würde die Wettbewerbsposition weiter verbessern und auch bei Strompreisen von rund 0,05 USD/kWh Parität ermöglichen. Da dies den Strom­gestehungs­kosten erneuerbarer Energie in Deutschland entspricht [14], wäre der Eisenkreislauf auch mit lokaler Einspeicherung kompetitiv. Im Vergleich zur heutigen fossilen Erzeugung sind die höheren Kosten zudem tragbar, wenn Eisen als ergänzender saisonaler Speicher die Versorgungs­sicherheit in einem erneuerbaren Energiesystem stärkt. Um das Potenzial zu nutzen, sind technologische Fortschritte und Skaleneffekte in der gesamten Wert­schöpfungs­kette nötig.

Heraus­forde­rungen

Diesen vielversprechenden Potenzialen stehen jedoch weitere Heraus­forde­rungen und ein beträchtlicher Forschungs- und Entwicklungs­bedarf gegenüber. Die Skalierung der Technologie von Pilot­anlagen auf den industriellen Gross­mass­stab ist eine weitere Hürde und betrifft sowohl die Produk­tions­kapazitäten für grünes Eisen als auch die Umrüstung bestehender Kraftwerke. Material­wissen­schaftliche Aspekte (z. B. Zyklenstabilität) und die Kessel­integrität erfordern weitere Forschung, um die Langzeitbeständigkeit der Werkstoffe unter den spezifischen Bedingungen der Eisen­verbren­nung (hohe Tempe­raturen, abrasive Partikel, Ablagerungen) zu gewährleisten. Die Entwicklung neuer Reduktions­konzepte und die Optimierung der Verbren­nungs­technik hinsichtlich vollständigen Ausbrands, Tempe­ratur­kontrolle und Vermeidung von Nano­partikel-Emissionen sind ebenso zentrale Forschungsfelder. Es bedarf zudem klarer regulatorischer Rahmen­bedingungen und Mass­nahmen zur Förderung der Akzeptanz in der Öffentlichkeit, um die Technologie erfolgreich zu etablieren.

Fazit und Ausblick

Die Umrüstung von Kohle­kraft­werken für die Nutzung mit grünem Eisen als CO₂-freiem Energie­träger ist ein vielversprechender Ansatz für die Dekarboni­sierung des Strom- und Wärmesektors. Eine hier nur kurz ange­schnittene Variante des Kreislaufes eignet sich zusätzlich für die dezentrale und bedarfs­gerechte Wasser­stoff­produktion. Aktuell befinden sich auf metallischen Energie­trägern basierende Techno­logien noch im Forschungs- und Entwicklungs­stadium (Technologiereifegrad 5 – 6), jedoch mit bereits deutlich sichtbaren Fortschritten. Inter­national arbeiten Forschungs­initia­tiven, Pilotprojekte und Start-ups an metallischen Energie­trägern. So forschen z. B. in der Schweiz die ETH Zürich und die Ostschweizer Fach­hochschule, in den Nieder­landen die TU Eindhoven, in Kanada die McGill University sowie in Deutschland die TU Darmstadt und das Karlsruher Institut für Technologie gemeinsam mit indus­triellen Partner­konsortien an den nächsten Schritten für eine Markt­einführung.

Für Europa bieten diese Technologien die Chance, eine führende Rolle in einem zukunfts­trächtigen Bereich der Energie­technik einzu­nehmen und gleichzeitig massgeblich zur Erreichung der Klimaziele beizutragen. Die Möglichkeit, bestehende milliarden­schwere Infra­strukturen weiter zu nutzen und gleichzeitig eine CO₂-freie, regelbare Energie­versorgung zu etablieren, ist volks­wirt­schaftlich und strategisch wichtig.

Die Trans­formation von Kohle- zu Eisen­kraft­werken eröffnet die Chance, die Dekarboni­sierung des Strom­sektors zu beschleunigen, die Ver­sorgungs­sicherheit zu erhöhen und neue Wert­schöpfungs­ketten zu schaffen. Um das volle Potenzial dieser «eisernen Reserve» für die Energie­wende auszu­schöpfen, braucht es weitere Forschung, gezielte Entwicklung und unter­stützende politische Rahmenbedingungen.

Referenzen

[1] G. Euan, F. Nicolas, A. Katye, Global Electricity Review 2025, Ember, 2025.

[2] «Global Coal Plant Tracker», Global Energy Monitor, online, Januar 2025.

[3] R. Y. Cui, et al., «Quantifying operational lifetimes for coal power plants under the Paris goals», Nature Communications 10, 1, S. 4759, 2019.

[4] P. Debiagi, et al., «Iron as a sustainable chemical carrier of renewable energy: Analysis of opportunities and challenges for retrofitting coal-fired power plants», Renewable and Sustainable Energy Reviews 165, S. 112579, 2022.

[5] J. M. Bergthorson, «Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power», Progress in Energy and Combustion Science 68, S. 169–196, 2018.

[6] P. Julien, J. M. Bergthorson, «Enabling the metal fuel economy: green recycling of metal fuels», Sustainable Energy & Fuels 3, S. 615–625, 2017.

[7] J. M. Bergthorson, et al., «Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power», Applied Energy 160, S. 368–382, 2015.

[8] L. Dressler, et al., «Iron as energy carrier in a carbon-free circular energy economy», 2025.

[9] J. Janicka, et al., «The potential of retrofitting existing coal power plants: A case study for operation with green iron», Applied Energy 339, S. 120950, 2023.

[10] J. Neumann, et al., «Thermodynamic assessment of an iron-based circular energy economy for carbon-free power supply», Applied Energy 368, S. 123476, 2024.

[11] J. Neumann, et al., «Techno-economic assessment of long-distance supply chains of energy carriers: Comparing hydrogen and iron for carbon-free electricity generation», Applications in Energy and Combustion Science 14, S. 100128, 2023.

[12] Securing Green Hydrogen for the German Power Sector. Technology readiness & techno-economic feasibility study for three hydrogen value chains, DNV, Report Number 00360593-EMS 24-1809, 2024.

[13] M. Müller, M. Pfeifer, D. Holtz, K. Müller, «Comparison of green ammonia and green hydrogen pathways in terms of energy efficiency», Fuel 357, S. 129843, 2024.

[14] Christoph Kost, et al., Studie «Stromgestehungskosten erneuerbare Energien», Fraunhofer ISE, Juli 2024.

Die Autoren danken Prof. em. Johannes Janicka für die thermodynamische Analyse der Umrüstung eines Kohle­kraft­werks. Teile der Arbeit wurden im Clusterprojekt Clean Circles und dem Metal Energy Hub durchgeführt und vom Land Hessen (HMWK, HMWEVW) sowie von der Europäischen Union (EFRE) kofinanziert.