Metalle als Energiespeicher

In unserer Alltagserfahrung ist das Verbrennen von Metallen kaum präsent. Dies könnte zur Schluss­folgerung verleiten, dass Metalle unbrennbar sind. In pulver­förmigem Zustand brennen aber gewisse Metalle gut, ja manchmal sogar explosions­artig. Neu ist dies nicht, denn schon seit dem Mittelalter wird Metallpulver in der Pyrotechnik verbrannt, um farbiges Licht zu erzeugen. Beispiels­weise färbt das chemische Element Barium die Flamme grün, Natrium gelb und Lithium rot.

Mit Metallen, die im Wasser oxidieren, sind wir eher vertraut – und denken dabei beispiels­weise an alte Schiffe oder Hafenanlagen, deren Rostschutz in die Tage gekommen ist. Oder, was dem hier vorgestellten Prinzip näher kommt, an Natrium­klümpchen, die der Chemielehrer auf der Wasser­ober­fläche in einer Glasschale tanzen liess. Dabei entstand auch Wasserstoff, der sich manchmal entzündete. Mit diesem Redox-Prozess kann neben dem Wasserstoff auch Wärme erzeugt werden, denn die chemische Reaktion ist exotherm. Auch diese Art der chemischen Reaktion ist nicht neu, denn sie wurde beispiels­weise bereits genutzt, um den Wasserstoff für den ersten bemannten Gasballonflug am 1. Dezember 1783 in Paris zu liefern. Dazu wurden Eisenspäne in Schwefelsäure aufgelöst. Drei Tage dauerte damals das Auffüllen des Ballons.

Neues Einsatzgebiet für die Energiespeicherung

Diese beiden schon länger bekannten chemischen Reaktionen, bei denen das Metall entweder an der Luft verbrannt oder in Wasser oxidiert wird, sind kürzlich ins Blickfeld der Energie­forschung gerückt, weil sie eine elegante Lösung für die Langzeit-Energie­speiche­rung darstellen. Diese gewinnt mit dem Wandel des Energie­systems von fossilen hin zu erneuer­baren Energie­trägern zunehmend an Bedeutung.

Um die chemisch gebundene Energie gewisser Metalle zu nutzen, können diese durch Oxidation mit Luft, Dampf oder Wasser in Metalloxide überführt werden («Entladen»). Diese lassen sich anschlies­send wieder reduzieren, d. h. in die metallische Form zurückführen, womit erneuerbare Energie gespeichert wird («Laden»).

In Metalloxiden ist der Sauerstoff fest gebunden. Die Oxide können im Prozess eingesammelt und rezykliert werden. Dadurch ist die Material­effizienz hoch, denn im Unterschied zum Verbrennen fossiler Brennstoffe, bei denen die Verbren­nungs­gase wie CO₂ in die Luft entweichen und wegen der Verdünnung nur mit hohem Aufwand wieder eingesammelt werden können, ist hier das Einsammeln viel einfacher.

Bei metallbasierten Energie­speichern kommt auch Wasserstoff vor, einerseits zum Reduzieren von Metalloxiden und andererseits als Produkt, wenn die Metalle mit Wasser bzw. Wasserdampf oxidiert werden. Der bei der Oxidation entstehende entzündliche und extrem flüchtige Wasserstoff muss dabei nicht langfristig in Druck­behältern gespeichert oder über grosse Distanzen transportiert und verteilt werden, denn er kann direkt vor Ort genutzt werden. Metalle als Energie­speicher ermöglichen somit eine vorteilhafte Nutzung von Wasserstoff, denn sie lassen sich einfach lagern und über die bestehende Strassen- bzw. Bahn­infra­struktur trans­portieren. Der aufwendige Bau neuer Pipelines erübrigt sich.

Die Nutzung von Metallen wurde in diesem Kontext zwar beispiels­weise schon in den 1970er-Jahren erforscht, als die Herstellung von Wasserstoff mit dem Oxidieren von Aluminium in Wasser untersucht wurde [1]. In den 1980er-Jahren wurde am Paul-Scherrer-Institut mit der Verbrennung von Aluminium zur Wärme­gewin­nung experimentiert [2]. Aber erst etwa vor einem Jahrzehnt nahm mit dem intensiveren Ausbau der erneuerbaren Energien das Interesse an sogenannten «Metal Fuels» als Energiespeicher zu, weil erneuerbar erzeugter Strom eine nachhaltige Herstellung der benötigten Metalle ermöglicht. Eigentlich zieht die Forschungs­gemein­schaft gemäss Yvonne Bäuerle, Projekt­leiterin in diesem Bereich an der OST in Rapperswil, für diese Metalle den Begriff «Renewable Metal Energy Carrier» vor, da Fuel bei Nichtfachleuten mit Verbrennungsprozessen assoziiert wird, was bei der Metalloxidation nur eine der vielen Optionen zur Freisetzung der Energie ist.

Bei konventionellen Prozessen zur Herstellung reiner Metalle – sei es in Hochöfen oder durch Elektrolyse – entsteht CO₂, da Kohlenstoff als Reduktions­mittel eingesetzt wird. Solche Verfahren lassen sich somit nicht nutzen, um Metalle für die dekarbo­nisierte Energie­speicherung zu produzieren.

Welche Metalle?

Um geeignete Metalle für die Energiespeicherung zu finden, müssen bestimmte Kriterien berücksichtigt werden: Die chemischen Elemente sollten eine hohe Energiedichte aufweisen, nicht giftig und ausreichend reaktiv sein, aber nicht so reaktiv, dass sie ein Sicherheitsrisiko darstellen. Zudem müssen sie in grossen Mengen verfügbar sein, damit das neue Prinzip skalierbar und somit für die Energiewende geeignet ist. Mögliche Kandidaten sind Silizium, Eisen, Zink, Magnesium, Lithium, Bor und Aluminium.

Die wichtigsten Kandidaten für die Energie­speicherung sind Eisen und Aluminium. Die Herstellung von «grünem» Eisen geschieht in einem Ofen, in den von oben Eisenoxid-Pellets eingebracht und bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff reduziert werden. Dabei entsteht Eisen­schwamm (sponge iron). «Grünes» Aluminium wird hingegen mit einer Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Dazu müssen erneuerbar erzeugter Strom und inerte Anoden, bei denen kein CO₂ frei wird, statt den im Hall-Héroult-Prozess üblichen Kohleanoden verwendet werden. Inerte Anoden haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie einen weitgehend unter­brechungs­freien Prozess ermöglichen, da sie bei Weitem nicht so schnell wie Kohleanoden abgebaut werden. Die neuen Elektrolyse­zellen sind zudem wesentlich kleiner als bisherige, und der Prozess ist insgesamt effizienter.

Aluminium in Rapperswil

Hierzulande wird Aluminium in einer Forschungsanlage an der OST in Rapperswil genutzt. Dort wird Aluminium­granulat in Wasser oxidiert, um Wärme und Wasserstoff zu erzeugen [3, 4]. Das vom EU Horizon Europe Projekt Reveal unterstützte System hat eine Leistung von 4 kW: 1 kW elektrisch und 3 kW thermisch. Es ist somit leistungsfähig genug, um ein Einfamilienhaus im Winter mit der nötigen Energie zu versorgen.

Im Zentrum der Anlage steht der Haupt­reaktions­behälter, der unter einem leichten Überdruck von 2 bar steht und Natronlauge enthält. Diese entfernt die Oxidschicht vom zugeführten Aluminium­granulat, damit das Aluminium mit dem Wasser reagieren kann. Das bei der Reaktion von Aluminium mit dem Wasser entstehende Aluminium­hydroxid setzt sich als Schlamm im Sedimen­tations­behälter ab und kann künftig bei der Anlieferung des Granulats für die Aufbereitung abtransportiert werden.

Mit dem entstehenden Wasserstoff wird in einer Brenn­stoff­zelle vor Ort Strom erzeugt. Die bei der exothermen Reaktion im Reaktions­behälter entstehende Wärme von 65 bis 70°C und die Wärme der Brenn­stoff­zellen­reaktion können ausgekoppelt und genutzt werden. Um den Speicher­kreislauf zu schliessen, muss Aluminium­hydroxyd zu Aluminium­oxid gebrannt werden, aus dem anschlies­send in einer Schmelz­fluss­elektrolyse Aluminium gewonnen werden kann.

Aus diesem Forschungsprojekt der OST ist das Start-up Apricot366 hervorgegangen, das nun daran arbeitet, eine grössere Anlage mit 10 kW Leistung für Mehr­familien­häuser auf den Markt zu bringen.

Eisen am Hönggerberg

Bei einem Pilotprojekt der ETH am Campus Hönggerberg wird statt Aluminium Eisen als Energie­speicher eingesetzt – in einem Eisen-Dampf-Verfahren, das bereits im 19. Jahr­hundert bekannt war [5]. Der gesamte Prozess von Strom zu Strom kann hier vor Ort stattfinden. Im Prozess wird Wasserstoff aus einem vor Ort installierten Elektro­lyseur in die Kessel geführt, um das Eisenerz zu Eisen zu reduzieren. Bei Bedarf lässt sich das Eisen wieder oxidieren, indem heisser Wasserdampf in die Kessel geleitet wird. Dabei entstehen Eisenoxid und Wasserstoff. Letzterer lässt sich anschliessend mit einer Gasturbine oder einer Brenn­stoff­zelle zu elektrischer Energie umwandeln. Dabei wird der Wasserdampf mit der Abwärme der Entlade­reaktion erzeugt.

Langfristig kann diese Pilotanlage rund 10 MWh Wasserstoff speichern. Wird das Gas später verstromt, erhält man je nach Verfahren und Wärme­dämmung 4 bis 6 MWh zurück. Den Technologie­reife­grad gibt der am Projekt beteiligte ETH-Wissen­schaftler Samuel Heiniger mit 6 bis 7 an.

Dieses Prinzip, das nun vom Start-up IronEnergy weiter­entwickelt wird, unter­scheidet sich in mancherlei Hinsicht vom Rapperswiler Verfahren: Der Prozess findet in grossen Edel­stahl­kesseln unter deutlich höherer Temperatur (400 bis 500°C) statt, und das Eisenerz kann für viele Zyklen genutzt werden, ohne ausgetauscht zu werden. Regel­mässige Material­transporte zu einer grossen Schmelz­anlage wie beim Aluminium erübrigen sich. Zudem kann das Eisenerz relativ einfach beschafft und muss nicht vorher aufbereitet werden. Die Speicher­kapazität lässt sich mit grösseren Kesseln und zusätz­lichem Eisenoxid erhöhen.

Offene Fragen

Der Ansatz, Metalle zur Speicherung von grünem Wasserstoff zu nutzen, hat zahlreiche Vorteile, birgt aber auch Heraus­forderungen, die je nach Verfahren – Verbrennung oder Oxidation mit Wasser oder Wasserdampf – in einem anderen Bereich liegen. Da solche saisonalen Energie­speicher­systeme skalierbar sind, sind sie auf grosse Mengen an Rohstoffen angewiesen, die erneuerbar produziert werden müssen, damit eine Dekarboni­sierung möglich ist. Auch die erfor­der­liche Transport­logistik muss möglichst ohne CO₂-Emissionen auskommen. Es gibt also noch zahlreiche Heraus­forde­rungen, die parallel gelöst werden müssen, um das Gesamt­system nachhaltig zu gestalten und im Markt einführen zu können.

Diese Fragen haben einerseits das grosse Ganze im Blick, unter anderem die nachhaltige Herstel­lung und den emissions­freien Transport der benötigten Metalle. Anderer­seits wird auch an zahlreichen Detailfragen geforscht, beispiels­weise im Kontext der konti­nuier­lichen Verbren­nung von Metallpulver. Eine Einführung solcher Systeme in der Praxis wird nur möglich sein, wenn die entspre­chenden Antworten gefunden werden.

Es lohnt sich, diese Antworten zu finden, denn das Potenzial für kohlen­stoff­freie Energie- und Material­kreisläufe ist beträchtlich. Die kommenden Jahre werden zeigen, welche dieser Verfahren den Weg ins künftige Energiesystem finden werden.

Referenzen

[1] D. Belitskus, «Reaction of Aluminum with Sodium Hydroxide Solution as a Source of Hydrogen», J. Electrochem. Soc. 117, 1097, 1970; I. E. Smith, «Hydrogen generation by means of the aluminum/water reaction», Journal of Hydronautics, April 1972.

[2] J. Wochele, Chr. Ludwig, «Aluminium als Brennstoff und Speicher», BFE-Schlussbericht, Juni 2004.

[3] M. Y. Haller et al., «Combined heat and power production based on renewable aluminium-water reaction», Renewable Energy 174, 879–893, 2021.

[4] Y. I.  Baeuerle et al., «PeakMetal – Covering Winter Peaks of Heat and Electricity Demand by ‹Renewable Metal Fuels›», BFE-Schlussbericht SI/502545-01, 2024.

[5] Christoph Elhardt, «Eisen als günstiger Wasserstoffspeicher», ETH Zürich, 28.8.2024.

Links

• www.reveal-storage.eu
• www.apricot366.ch
• www.ironenergy.ch