Reduktionsverhalten oxidierter Eisenpartikel zur Nutzung als Energiespeichermaterial

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Deutschmann; Professor Dr.-Ing. Hermann Nirschl; Professor Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558715615

Reaktive Metalle wie Eisen und Aluminium haben jüngst viel Aufmerksamkeit als kohlenstofffreie chemische Energiespeicher für erneuerbare elektrische Energie in einer Kreislaufwirtschaft erlangt. Diese Metalle können große Energiemengen über lange Zeiträume mit minimalem Verlust speichern, indem ihre Oxide mit elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff reduziert werden. Die gespeicherte Energie kann dann zeitlich und räumlich flexibel durch Oxidation freigesetzt werden. Damit haben reaktive Metalle das Potenzial, Hunderte von TWh über Monate und Jahre bereit zu halten, ein Bedarf, der heute durch fossile Brennstoffe gedeckt wird. Würde Eisenpulver anstatt der fossilen Energieträger in den heute betriebenen Kraftwerken verwendet werden, könnten die globalen CO2-Emissionen potenziell um bis zu 30% reduziert werden. Eisen ist als Energiespeichermaterial wegen der hohen volumetrischen Energiedichte, nicht-toxischer Eigenschaften, einfacher Transportierbarkeit, Langzeitlagerfähigkeit, geringen Gefahrenpotenzials, minimaler Materialverluste während des Zyklus und des geringen Wasserbedarfs von besonderem Interesse. Darüber hinaus ist Eisen relativ kostengünstig und global weit verbreitet, was politische Risiken in der Energieversorgungskette reduziert. Mit Brenngeschwindigkeiten und Reaktionstemperaturen, die denen von Erdgas und Kohlepulver ähneln, ist Eisenpulver eine attraktive saubere Brennstoffoption für die Umrüstung bestehender Kraftwerke. Allerdings steht der technologische Fortschritt dieses Konzepts noch vor erheblichen Herausforderungen, die ein besseres Verständnis der komplexen Oxidationszustände, der morphologischen Veränderungen und der Wechselwirkungen von Kinetik, Massen- und Wärmetransport in den Oxidations- und Reduktionsprozessen erfordern. Dieses Forschungsprojekt konzentriert sich auf den Oxidations-Reduktions-Zyklus von Eisenpulvern, mit besonderem Fokus auf die Reduktion von Eisenoxidpartikeln mittels Wasserstoff. Im Projekt werden Mechanismen und Reduktionskinetik von 10 bis 100 Mikrometer großen Eisenoxidpartikeln untersucht. Oxidations- und Reduktionsexperimente werden mit einer detaillierten Partikelcharakterisierung sowie modernen Modellierungs- und Simulationsansätzen durch drei kooperierende Gruppen mit großer Erfahrung auf jeweils einem der relevanten Forschungsgebiete integriert. Die Zyklisierung ohne erhebliche Effizienz- und Materialverluste ist ein entscheidender Faktor für die Nutzung von Eisen als Energieträger. Daher besteht ein wesentliches Ziel dieses Projektes in optimierten Partikeleigenschaften (Partikelgröße(-verteilung), Morphologie und Porosität) und Prozessbedingungen für eine hohe Effizienz und Langlebigkeit des Eisen-Oxidations-Reduktions-Zyklus, basierend auf dem grundlegenden Verständnis der Komplexität der Wechselwirkung der physikalisch-chemischen Einzelprozesse. Diese Erkenntnisse werden die technische Realisierung dieses vielversprechenden Konzeptes maßgeblich beschleunigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen