Wie soll das funktionieren?
Speicherung: Mit regenerativ erzeugtem Strom wird Eisenoxid reduziert. Örtlich und zeitlich davon getrennt wird das Eisen unter Energiefreisetzung zur Stromerzeugung oxidiert: Die Freisetzung. 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.
Die Einspeicherung von Energie 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 freigesetzt und in regelbaren thermischen Kraftwerken rückverstromt. Eisen ist ein kohlenstofffreier Energieträger. Daher wird bei der Freisetzung 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.
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.
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Nach derzeitigem Stand des Wissens ist Eisen die beste Wahl als wiederverwendbarer metallischer Energieträger. Es verglüht nach innen und behält dabei seine Form. Somit kann das entstandene Eisenoxid leicht aufgefangen und in den Kreislauf zurückgeführt werden. -
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Eisen hat eine hohe Energiedichte, ist in ausreichenden Mengen verfügbar und ungiftig.
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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.
Für das Verbundvorhaben Clean Circles werden vier ineinandergreifende und eng verknüpfte Forschungsfelder bearbeitet:
1 Reduktionsverfahren
Speicherung erneuerbarer Energie durch Reduktion von Eisenoxiden: Erforschung neuer innovativer Reduktionsverfahren von Eisenoxiden auf Basis der Elektrolyse (elektrochemisch) und in Wirbelschichten mit grünem Wasserstoff (thermochemisch).
2 Oxidationsverfahren
Freisetzung erneuerbarer Energie durch Eisenoxidation: Erforschung der Oxidationsprozesse (thermochemisch) von Eisen-/Eisenoxidpartikeln in unterschiedlichen Oxidationsstufen unter verschiedensten Prozessbedingungen.
3 Thermodynamisch-mathematische Betrachtung
Thermodynamisch-mathematische und techno-ökonomische Analyse von Eisenkreisläufen: 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 Sozioökonomische Betrachtung
Governance von Innovationen und sozioökonomische Modellierung: 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.
Förderung
