Sichere Depots für Wasserstoff

Mit Wasserstoff gegen die Dunkelflaute

Umgekehrt ist die Möglichkeit, elektrische Energie aus Wind oder Sonnenlicht für eine längere Zeit zu speichern, eine Voraussetzung für die sichere Stromversorgung auch bei einem weiter wachsenden Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Denn die unzuverlässige Verfügbarkeit von Sonnenlicht und Wind ist dabei ein großes Manko. So haben in Deutschland im Winter 2024/2025 mehrere sogenannte Dunkelflauten – Witterungsphasen mit kaum Sonnenlicht und Wind – die Stromerzeugung drastisch gedämpft. Zum Ausgleich musste Strom aus anderen europäischen Ländern importiert werden, was in Deutschland wiederholt zu einem starken Anstieg des Strompreises führte. Das Speichern von elektrischer Energie über Tage oder Wochen hinweg könnte helfen, einen Strommangel auszugleichen und eine stets zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten. Das gelingt mit Wasserstoff, der per Elektrolyse von Wasser mit Wind- oder Solarstrom erzeugt wird.

Samuel Heiniger erforscht seit einigen Jahren eine neue Option, um diesen Wasserstoff langfristig sicher, einfach und kostengünstig aufzubewahren. Dazu hat der Chemieingenieur mit seinem Team am Functional Materials Laboratory auf dem Campus der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich in einem hölzernen Pavillon drei Kessel aus Edelstahl mit je 1,4 Kubikmeter Volumen aufgestellt, die mit Steinwolle isoliert sind. Jeder der zwei Meter hohen Kessel ist gefüllt mit drei Tonnen Eisenerz. Im Inneren der Tanks wird Wasserstoff in Eisen gespeichert.

Redoxreaktion im Stahlkessel

Der Schlüssel dazu ist eine sogenannte Redoxreaktion, bei der das Eisenoxid reduziert und der Wasserstoff oxidiert wird. Auf diese Weise reagiert in den Kessel einströmendes Wasserstoff-Gas mit dem Eisenerz – chemisch betrachtet ein Eisenoxid, das Eisen und Sauerstoff enthält –, wobei reines Eisen entsteht. Zudem bildet sich Wasser. Allerdings: Bis dieser Prozess, bei dem die im Wasserstoff enthaltene Energie auf das Eisen übertragen wird, vollzogen ist, dauert es eine geraume Zeit. Zudem sind Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius erforderlich, damit die gewünschten chemischen Reaktionen in Gang kommen.

Danach steht die im Eisen gespeicherte Energie, wenn sie benötigt wird, zum Entladen bereit. Dazu oxidiert Wasserdampf, der über das Eisen strömt, das Metall, sodass wiederum Eisenoxid entsteht. Zugleich wird der Wasserdampf reduziert – und der ursprüngliche Energieträger Wasserstoff wird freisetzt. Nach diesem Zyklus aus Laden und Entladen des Speichers steht das Eisenerz für den nächsten Speichervorgang bereit.

Auf den ersten Blick scheint der Prozess recht unkompliziert zu sein, und auch Samuel Heiniger stellt fest: „Die Grundidee ist einfach und ebenso das Material, das wir brauchen.“ Das Konzept ist auch nicht neu: Schon Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Wasserstoff erstmals industriell mittels Eisen im Redox-Verfahren hergestellt: als Füllgas für Heißluftballone und Zeppeline. Doch bald löste ein kostengünstigeres Verfahren die Technik ab: die direkte Wasserstoff-Gewinnung aus Erdgas durch eine sogenannte Dampfreformierung.

Nun steht die Redox-Technik wieder im Fokus der ETH-Forscher, die sie für die Speicherung von Energie weiterentwickeln. „Die Komplexität bei dieser Anwendung liegt darin, wie der Prozess aufgebaut wird und welche spezifischen Materialien dabei zum Einsatz kommen“, erläutert Heiniger. Kurzum: Der Teufel bei dieser Art der Wasserstoff-Speicherung liegt im Detail.

Das Prinzip der Eisenspeicher-Technik bietet deutliche Vorteile: Eisenerz kommt als natürliches Mineral in großen Mengen vor – vielerorts in Form von Sand, der sich direkt an der Erdoberfläche gewinnen lässt. Eine Tonne Eisenerz – eine Menge, die ausreicht, um ein Megawatt Energie aus Wasserstoff aufzunehmen – kostet nur ungefähr 100 Euro. Zudem sticht Eisen mit einer besonders hohen Energiespeicherdichte hervor, was Samuel Heiniger am Beispiel des Speicher-Prototyps auf dem Züricher ETH-Campus veranschaulicht: „Das Eisen in jedem der Tanks speichert rund 400-mal so viel Wasserstoff-Energie, wie in Gestalt von gasförmigem Wasserstoff in dem Tank Platz hätte.“

Gefahrlose Handhabung des Gases

Ein weiterer Pluspunkt der neuen Methode ist, dass sich die Energie des Wasserstoffs in Eisen nahezu gefahrlos aufbewahren lässt. Generell erfordert der Umgang mit Wasserstoff, der nur rund sieben Prozent der Masse von Luft besitzt, besondere Vorsichtsmaßnahmen. Bei normaler Umgebungstemperatur präsentiert sich das chemische Element als flüchtiges, leicht entzündliches Gas, das mit Luft ab einem Wasserstoff-Anteil von 18 Prozent ein explosives Gemisch bildet. Bislang wird es deshalb üblicherweise entweder unter hohem Druck in Tanks oder Kavernen oder in flüssiger Form gelagert. Allerdings erfordert das Verflüssigen von Wasserstoff Temperaturen unter minus 253 Grad Celsius, die sich nur durch einem großen Aufwand an Energie erzeugen lassen.

Dient hingegen Eisen als Energiespeicher, läuft der Kontakt des Wasserstoffs mit Luft glimpflich ab. In Tests zeigten die ETH-Forscher, wie sich in einem Gefäß die Oberfläche von mit Wasserstoff geladenem Eisenerz beim Zusammentreffen mit Luft zwar zunächst bis auf 650 Grad Celsius erwärmt, aber danach bereits nach 20 Sekunden wieder auf 300 bis 400 Grad Celsius abkühlt. Eine Wurst, die die Forscher zur Demonstration darüber hielten, ließ sich bei diesen Temperaturen nicht grillen. Für die rasche Abkühlung sorgt die Oberfläche des eisenhaltigen Sands, an der das Eisen beim Kontakt mit Luft oxidiert und dadurch eine feuerfeste Schicht bildet.

Die große Komplexität des in Zürich realisierten Prozesses, die Salomon Heiniger hervorhebt, erstreckt sich über den ganzen Lade-Entlade-Prozess, der mehrere Monate dauert. Damit er konstant, stabil, effizient und zuverlässig verläuft, sind standardisierte, fein aufeinander abstimmte Apparaturen erforderlich.

Der Wasserstoff, der primär als Energieträger dient, lässt sich per Elektrolyse aus Wasser herstellen, mithilfe von elektrischem Strom. Das ist zwar energieaufwendig, aber eine realistische Option, wenn der dafür benötigte Strom mit Photovoltaikanlagen aus Sonnenlicht gewonnen wird. Doch die Herstellung des Wasserstoffs ist nur das Eine, der Transport und die Speicherung sind das Andere. Als Speicher, der sich beliebig laden und wieder entladen lässt, sehen die Schweizer Wissenschaftler für das Eisenverfahren gute Chancen, sofern die Kosten und die Effizienz stimmen. Um die Kosten zu begrenzen, peilen die Chemieingenieure des Functional Materials Laboratory einen Lade- und Entladezyklus von je 1000 Stunden an. „Unser System ist so angelegt, dass wir im Sommer speichern, wenn Photovoltaikanlagen über 1000 Stunden hinweg mit überschüssigem Strom Wasserstoff produzieren“, erläutert Heiniger.

Die aktuell betriebene Anlage auf dem Campus der ETH Zürich ist bereits der dritte Prototyp. Wie schon bei den beiden ersten Forschungsanlagen, die weitaus weniger Energie aus Wasserstoff aufnehmen konnten, dauert die Lade- und Entladezeit wegen ausgefallener Sensoren oder einem defektem Kühlsystem noch gut doppelt so lang wie von dem Team angepeilt. Hier zahlen die Forscher momentan noch Lehrgeld. Doch wichtige grundlegende Erkenntnisse konnten sie aus den bisherigen Laboruntersuchungen bereits gewinnen.

Mehr Tempo bei der Reaktion erforderlich

So sind es die Materialeigenschaften von Eisenerzsand, die bedingen, dass der gasförmige Wasserstoff nur recht langsam durch die feste Substanz diffundiert und dass bei jedem Durchfluss durch den Tank nur etwa neun Prozent des Eisenoxids zu Eisen reduziert werden. Für einen vollständigen Ladeprozesses sind demzufolge zehn Durchgänge erforderlich. Bei jedem Durchgang wird dabei der Wasserdampf, der durch die Oxidation des Wasserstoffs entsteht, über einen Kühler ausgeschieden. Der noch vorhandene Wasserstoff dagegen strömt in einer Schleife unten wieder in den Tank hinein.

Die Wahl der Forscher beim verwendeten Eisenerz fiel auf Magnetit. Diesem Mineral bescheinigten Laboruntersuchungen die höchste Speicherkapazität. In den Experimenten wurde auch die wohl wichtigste Frage für einen kommerziellen Einsatz von Eisenspeichern geklärt: Wie konstant und wie oft verlaufen Lade-/Entladezyklen, ohne dass der Speicher ersetzt werden muss? Versuche über 20 Zyklen ergaben einen recht konstanten Verlauf, mit einer leichten, aber steten Verminderung bis zum zehnten Zyklus, um danach wieder an Speicherkapazität zu gewinnen. Den Grund dafür vermuten die Forscher darin, dass bei jedem Zyklus die Porosität des Eisens zunimmt, also mehr Speicheroberfläche entsteht.

Doch die Ergebnisse beruhen auf einem Verfahren im Milligramm-Bereich. Zyklen-Untersuchungen im Format des Prototyps hätten Jahrzehnte in Anspruch genommen. In der nun angewandten Analyse dauert ein Zyklus bei 500 Grad Celsius nur vier Stunden, allerdings mit angepasster Chemie. So kommt bei der Entladung statt Wasserdampf vor allem Stickstoff zum Einsatz, damit die kleinen Plastikleitungen keinen Schaden nehmen.

Testlauf auf dem Hönggerberg

Der Nachweis, dass sich in einem realitätsnahen Betrieb mehrere konstante Zyklen bewerkstelligen lassen, steht also noch aus. Allerdings: Die Forscher um Wendelin Stark am Functional Materials Laboratory haben darauf bereits zwei Patente erworben, sind also überzeugt vom Erfolg und planen für 2026 die Probe aufs Exempel. Während die aktuelle Pionieranlage mit einer Kapazität von zehn Megawattstunden den Wasserstoff über eine Brennstoffzelle verstromt und mittels Elektrolyse Wasserstoff für den folgenden Zyklus herstellt, soll dann auf dem ETH-Campus eine Eisenspeicheranlage mit vier Gigawattstunden im Sommer mit Solarstrom produzierten Wasserstoff speichern und im Winter über Brennstoffzellen je zwei Gigawattstunden als Wärme und elektrischen Strom in die Gebäude des Campus einspeisen.

Doch die Forscher denken noch in weitaus größeren Dimensionen und wollen dafür mit ihrer Firma Iron Energy Investoren gewinnen. Samuel Heiniger spricht über eine Anlage von fast zehn Quadratkilometern Größe und damit ähnlich groß wie der Flughafen Zürich: „Damit ließe sich in der Schweiz die Winterlücke von acht Terawattstunden Strom decken“, ist er überzeugt. Zwei Terawattstunden davon sollen zwar nach offiziellen Schweizer Plänen durch den Ausbau von Staumauern gedeckt werden, doch dieser Ausbau ist ins Stocken geraten.

In einer solchen Größenordnung würde die langfristige Speicherung konkurrenzfähig, weil sich die Kosten für Sensoren und Steuerung aufteilen ließen. Denn in Eisen gespeicherter Wasserstoff lässt sich nicht effizient freisetzen. Beim ersten Prototyp der ETH-Forscher betrug die Effizienz nur elf Prozent, bei der 10 Megawattstunden-Anlage soll sie bei 30 Prozent liegen. Doch im besten Fall wäre ein Wirkungsgrad von 70 bis 80 Prozent erreichbar, meint Heininger. Ein Vorteil dieser Speicherung besteht darin, dass im Sommer überschüssiger Solarstrom für die Herstellung des Wasserstoffs nutzbar ist.

Im Hinblick auf eine ökologische Kreislaufwirtschaft ist die Eisenspeicherung von Wasserstoff, der mit Solarenergie erzeugt wurde, unschlagbar, da sich das Eisenerz problemlos immer wieder dem Kreislauf zuführen lässt.

Wasserstoff für die Stahlproduktion

Das könnte auch den Umstieg der Industrie auf grüne Energie beflügeln. So gab der Stahlhersteller ThyssenKrupp im Januar 2025 bekannt, drei Milliarden Euro in eine Technik zu investieren, bei der Wasserstoff über Brennstoffzellen die zur Stahlproduktion nötigen hohen Temperaturen liefert. Ein Projekt der Uni Duisburg-Essen (UDE), der TU Clausthal sowie des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien in Bremen sieht ebenfalls Eisen als Speicher für Wasserstoff vor – und fokussiert sich auf die Suche nach Werkstoffen, um das in großem Stil zu realisieren. Rüdiger Deike, der an der UDE zu Metallurgie und Umformtechnik forscht, verfolgt die Idee, in sonnigen Regionen Afrikas, Südamerikas oder Australiens Wasserstoff mit Solarstrom zu produzieren, in Eisenbriketts oder -pellets zu speichern und so gefahrlos an den Zielort zu transportieren. ■

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