Erneuerbare Energien speichern

Eisen hat enormes Potential für die Energiewende. Im Projekt Clean Circles erforschen wir fächerübergreifend, wie das Metall zusammen mit seinen Oxiden in einem Kreislauf als kohlenstofffreier chemischer Energieträger genutzt werden kann, um Wind- und Sonnenergie zu speichern.

Bild: Clean Circles

Wie soll das funktionieren?

Einspeicherung: Mit regenerativ erzeugtem Strom wird Eisenoxid reduziert. Örtlich und zeitlich davon getrennt wird das Eisen unter Energiefreisetzung zur Stromerzeugung oxidiert: Die Ausspeicherung. Dadurch könnte erneuerbare Energie in großen Mengen gespeichert, transportiert und CO2-frei bereitgestellt werden – eine bisher ungelöste Herausforderung der Energiewende bei sich ändernden politischen Rahmenbedingungen.

Der wissenschaftliche Kern von Clean Circles ist ein innovativer Energie-Stoff-Kreislauf als zentraler Baustein der Energiewende. Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wird in Eisen chemisch mit hoher Energiedichte eingespeichert und somit lager- und transportfähig gemacht. Dies kann entweder durch elektrochemische Reduktion direkt oder durch thermochemische Reduktion mit grünem Elektrolysewasserstoff geschehen. Über die thermochemische Oxidation bei hohen Temperaturen wird die chemische Energie am Nutzungsort bei hohen Leistungsdichten ausgespeichert und in regelbaren thermischen Kraftwerken rückverstromt. Eisen ist ein kohlenstofffreier Energieträger. Daher wird bei der Ausspeicherung kein Kohlenstoffdioxid (CO2) als Treibhausgas emittiert. Eisen kann über lange Zeiträume gelagert werden. Damit ermöglicht Eisen als chemischer Energieträger eine Sicherstellung der Versorgung durch regelbare Kraftwerkskapazitäten.
Oxidation von Eisenpartikeln unter Energiefreisetzung. | Oxidation of iron particles releases energy.
Bild: RSM

Warum gerade Eisen?

Eisen als Energiespeicher hat hervorragende physikalisch-chemische Eigenschaften bzgl. Transport, Lagerung und energetischer Nutzung. Wind- und sonnenreiche Standorte innerhalb und außerhalb Deutschlands können zur kostengünstigen Produktion regenerativer elektrischer Energie in eine CO2-freie Kreislaufenergiewirtschaft integriert werden.

Bild: Clean Circles

Fächerübergreifender Forschungsansatz

Realisierbare Lösungsansätze des Eisenkreislaufs müssen die enge Kopplung von ingenieur-, natur- und gesellschaftswissenschaftlichen Fragestellungen berücksichtigen. Deshalb forschen in Clean Circles Wissenschaftler*innen aus neun Disziplinen: Festkörperchemie, Elektrochemie, Reaktionskinetik, Thermofluiddynamik, Thermodynamik, Mathematik, Energietechnik, Politikwissenschaften und Wirtschaftswissenschaften.

Bild: Clean Circles

Für das Verbundvorhaben Clean Circles werden vier ineinandergreifende und eng verknüpfte Forschungsfelder bearbeitet:

1 Reduktionsverfahren

Einspeicherung regenerativer Energie: Erforschung neuer innovativer Reduktionsverfahren von Eisenoxiden auf Basis der Elektrolyse (elektrochemisch) und in Wirbelschichten mit grünem Wasserstoff (thermochemisch).

2 Oxidationsverfahren

Ausspeicherung regenerativer Energie: Erforschung der Oxidationsprozesse (thermochemisch) von Eisen-/Eisenoxidpartikeln in unterschiedlichen Oxidationsstufen unter verschiedensten Prozessbedingungen.

3 Thermodynamisch-mathematische Prozess- und Systembetrachtung

Mathematische Modelle des gesamten Eisen-Kreislaufs für energetische, exergetische und exergoökonomische Analysen sowie Optimierung und Szenarienbewertung. Abstimmung mit Forschungsfeld 4 zu wirtschaftlichen und politischen Randbedingungen.

4 Politisch-wirtschaftliche Betrachtung

Strategien zur politischen Sektorenkopplung und Analysen zu Innovationsprozessen. Identifizierung von Förderinstrumenten in der Energie-, Struktur-, Investitions-, Entwicklungs- und Migrationspolitik zur Etablierung neuer Technologien auf Basis des Modells aus Forschungsfeld 3.

Übersicht der Forschungsfelder und Projekte

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Beteiligte Einrichtungen und Förderung

Technische Universität Darmstadt

Die TU Darmstadt verbindet vielfältige Wissenschaftskulturen zu einem charakteristischen Profil. Dank ihres Autonomie-Status kann kann sie besonders flexibel agieren und schnell entscheiden. Eines der drei großen Forschungsfelder der Universität ist den Themen Energie und Nachhaltigkeit gewidmet. An Clean Circles beteiligt sind Wissenschaftler*innen aus dem Maschinenbau, der Mathematik, der Chemie und den Politikwissenschaften.

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Hochschule Darmstadt

Die drei übergeordneten Forschungsschwerpunkte der Hochschule Darmstadt beziehen sich allesamt auf Fragestellungen der nachhaltigen Entwicklung: Intelligente Technologien für die digitale Wirtschaft und Gesellschaft, Mobilität und Energie, sowie Verfahrenstechnologien und Nachhaltigkeit. An Clean Circles sind Wissenschaftler*innen des Labors für Optische Diagnosemethoden und Erneuerbare Energien (ODEE) beteiligt.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. An Clean Circles beteiligt sind Forscher*innen aus den Wirtschaftswissenschaften, der Chemie und der Verfahrenstechnik.

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Das DLR ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Schwerpunkte sind Forschung und Entwicklung in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie und Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung. An Clean Circles beteiligen sich Wissenschaftler*innen des DLR-Instituts für C02-arme Industrieprozesse.

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Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)

Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) zählt mit rund 32.000 Studierenden aus 120 Nationen zu den größten und vielfältigsten Universitäten Deutschlands. An Clean Circles sind Wissenschaftler*innen des Instituts für Politikwissenschaft beteiligt.

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Clean Circles wird gefördert vom Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Kunst

Über einen Zeitraum von vier Jahren unterstützt die Landesregierung die Spitzenforschung in Hessen. Sechs Projekte der Universitäten in Darmstadt, Frankfurt, Gießen und Marburg gemeinsam mit weiteren Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen werden in der vom Land aufgelegten Förderlinie „Clusterprojekte“ ab April 2021 gefördert.

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