Am Karlsruher Institut für Technologie untersuchen Forschende, welche Rolle Eisenpulver als Speicher und transportabler Träger erneuerbarer Energie spielen könnte. Die am Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion des KIT entstandene Studie wurde von Julia Schuler, Armin Ardone, Viktor Slednev und Wolf Fichtner verfasst. Ihre Szenarien zeigen, dass Eisen Wasserstoff nicht ersetzt, das europäische Energiesystem aber insbesondere bei der Langzeitspeicherung und der Bereitstellung steuerbarer Kraftwerksleistung ergänzen könnte.
Am Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion, kurz IIP, des Karlsruher Instituts für Technologie in Karlsruhe erforscht ein Team die mögliche Bedeutung von Eisenpulver für ein klimaneutrales europäisches Stromsystem. Julia Schuler, Armin Ardone, Viktor Slednev und Wolf Fichtner haben dafür das Energiesystemmodell PERSEUS-PtX erweitert und verschiedene Entwicklungspfade bis zum Jahr 2050 berechnet. Die Ergebnisse erschienen im Juni 2026 unter dem Titel „A new iron age? The potential role of iron fuel in Europe’s clean energy transition“ in der Fachzeitschrift Chem Circularity.
Die Untersuchung baut auf Erkenntnissen des Forschungsprojekts „Clean Circles“ zum Eisenkreislauf auf und wurde von der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg gefördert. Während sich die aktuelle KIT-Studie vor allem mit der Einbindung der Technologie in das europäische Energiesystem beschäftigt, untersucht die Forschung zum Eisenkreislauf auch die technischen Grundlagen der Oxidation, der Rückgewinnung des Eisenoxids und seiner erneuten Reduktion zu metallischem Eisen.
Rost gilt gewöhnlich als Zeichen des Materialverfalls. Im untersuchten Eisenkreislauf ist Eisenoxid dagegen kein unerwünschtes Endprodukt, sondern ein Stoff, aus dem erneut metallisches Eisen hergestellt werden kann. Das Konzept beruht auf dem wiederholten Wechsel zwischen Eisen und Eisenoxid.
Zur Energiegewinnung wird fein verteiltes Eisen mit Luft oxidiert. Die dabei frei werdende Wärme kann in einem Dampfkraftprozess zur Stromerzeugung genutzt werden. Als festes Reaktionsprodukt bleibt Eisenoxid zurück. Dieses soll gesammelt und mithilfe von erneuerbar erzeugtem Wasserstoff wieder zu Eisen reduziert werden. Anschließend kann das Metall erneut eingesetzt werden.
Ein fester Träger für erneuerbare Energie
Wasserstoff wird in diesem Prozess nicht im wörtlichen Sinn im Eisen gespeichert. Vielmehr dient er als Reduktionsmittel. Seine chemische Energie wird genutzt, um Eisenoxid in den energiereicheren metallischen Zustand zu überführen.
Das reduzierte Eisen kann als festes Schüttgut gelagert und transportiert werden. Eisen gilt für diesen Zweck unter anderem wegen seiner hohen volumetrischen Energiedichte, seiner vergleichsweise einfachen Handhabung, seiner Verfügbarkeit und seiner geringen Toxizität als interessant. Der feste Aggregatzustand erleichtert grundsätzlich die Nutzung etablierter Lager- und Schüttgutlogistik.
Damit unterscheidet sich der Eisenkreislauf von einer direkten Wasserstoffversorgung. Wasserstoff benötigt je nach Transport- und Speicherweg unter anderem Pipelines, Terminals, Druckspeicher oder geeignete unterirdische Formationen. Eisen könnte deshalb vor allem dort eine Ergänzung darstellen, wo eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur fehlt, begrenzt ist oder in Engpasszeiten vollständig ausgelastet wäre.
Kein Kohlendioxid aus der Eisenoxidation
Da das Eisen selbst keinen Kohlenstoff enthält, entsteht bei seiner Oxidation kein Kohlendioxid. Das bedeutet jedoch nicht, dass die gesamte Technologie ohne Umweltwirkungen arbeitet. Die Klimabilanz hängt unter anderem davon ab, wie der Wasserstoff und die benötigte Prozessenergie erzeugt werden, wie das Eisen bereitgestellt wird und welche Verluste beim Transport und bei der Kreislaufführung auftreten.
Auch die Abgasbehandlung bleibt relevant. Die Studie geht bei einer Kraftwerksumrüstung von Anpassungen an Brennstoffzuführung, Brennern und Rauchgasreinigung aus. Ergänzende Untersuchungen zeigen zudem, dass Verunreinigungen unter anderem die Stickoxidbildung sowie die Entstehung verdampfender Stoffe und feiner Partikel beeinflussen können. Die aktuelle Energiesystemstudie ist deshalb nicht mit einer vollständigen Ökobilanz oder einem Nachweis völliger Emissionsfreiheit gleichzusetzen.
Modellrechnung statt Ausbauprognose
Für ihre Untersuchung erweiterten die Forschenden das Energiesystemmodell PERSEUS-PtX um Eisenoxidreduktion, Eisenlager, Transportwege sowie die Umrüstung und den Neubau eisenbefeuerter Dampfkraftwerke. Das Modell berechnet unter vorgegebenen technischen, wirtschaftlichen und politischen Annahmen einen kostenminimalen Entwicklungspfad des europäischen Energiesystems bis 2050. Zielvorgabe ist eine emissionsfreie Stromerzeugung im Jahr 2050.
Die Ergebnisse sind Szenarien und keine Vorhersagen. Das Modell arbeitet unter anderem mit einem einzelnen Wetterjahr, fünf repräsentativen Wochen pro Modelljahr, auf Länderebene zusammengefassten Stromsystemen und teilweise aus Experteninterviews oder vergleichbaren Verfahren abgeleiteten Technologiekosten. Bauzeiten, innerstaatliche Netzengpässe, Marktverhalten und ungeplante Anlagenausfälle werden nicht vollständig abgebildet.
Auch die europäische Wasserstoffinfrastruktur ist für die Bewertung entscheidend. Grenzüberschreitende Transport- und Importkapazitäten werden im Modell ab 2030 weitgehend von außen vorgegeben. Ihre Investitionskosten fließen nicht endogen in die Optimierung ein. Die Studie untersucht deshalb nicht, ob Eisen den Aufbau des europäischen Wasserstoffnetzes insgesamt vermeiden könnte. Sie prüft vielmehr, ob Eisen selbst unter vergleichsweise günstigen Annahmen für die Wasserstoffversorgung eine wirtschaftliche Rolle findet.
17 Gigawatt im Basisszenario
Im Basisszenario wählt das Modell für 2050 rund 16,8 beziehungsweise gerundet 17 Gigawatt elektrische Leistung in eisenbefeuerten Kraftwerken. Hinzu kommen 27 Terawattstunden Speicherkapazität, gemessen am chemischen Energieinhalt des Eisens. Dieser Wert ist nicht mit 27 Terawattstunden später erzeugtem Strom gleichzusetzen, da bei Reduktion, Transport und Rückverstromung Energieverluste entstehen.
Durch die Eisenoption sinkt die modellierte europäische Kapazität von Wasserstoffkraftwerken von 161 auf 146 Gigawatt. Die Batterieleistung geht von 476 auf 459 Gigawatt zurück, die Wasserstoffkavernenspeicherung von 419 auf 405 Terawattstunden. Gleichzeitig steigt die Elektrolyseleistung leicht. Die Veränderungen bei Photovoltaik und Windkraft fallen gering aus.
Die berechneten Einsparungen bei den gesamten Systemkosten liegen über die untersuchten Szenarien hinweg lediglich in der Größenordnung weniger Milliarden. Gemessen an den Gesamtkosten des europäischen Energiesystems ist das ein moderater Effekt. Der mögliche Wert der Technologie liegt nach Einschätzung der Autoren auch in einer breiteren Auswahl langfristiger Speicher und steuerbarer Erzeugungsanlagen.
Kraftwerke für seltene Engpasszeiten
Eisenkraftwerke wären in den Szenarien überwiegend keine Anlagen für den Dauerbetrieb. Die Studie ermittelt je nach Land eine jährliche Auslastung zwischen zwei und 14 Prozent im Basisszenario. Umgerüstete oder neu gebaute Anlagen erzeugen demnach einige Hundert bis etwa 1.000 Stunden pro Jahr Strom. Sie dienen vor allem dazu, Zeiten mit hoher Residuallast und geringer Erzeugung aus Wind- und Solaranlagen zu überbrücken.
Besonders interessant ist der Eisenkreislauf im Modell für Länder, denen Wasserstoffkavernen oder größere flexible Wasserkraftressourcen fehlen. Dazu zählen unter den untersuchten Bedingungen unter anderem Tschechien, Finnland, Ungarn, Irland und Italien. In Finnland und Irland errichtet das Modell sogar neue Eisenkraftwerke, weil dort neben Kavernenspeichern auch ausreichend flexible Wasserkraftkapazitäten fehlen und Wasserstoffimporte zeitweise an ihre Grenzen stoßen.
In Spanien, Griechenland und Polen entscheidet sich das Modell dagegen gegen Eisenkraftwerke. Dort verbindet es gute erneuerbare Ressourcen mit verfügbaren Wasserstoffkavernen. Bulgarien und Rumänien nutzen ebenfalls kein Eisen, weil vorhandene Wasserkraft und Wasserstoffimportmöglichkeiten den Bedarf an zusätzlicher steuerbarer Erzeugung reduzieren.
Zweites Leben für Kohlekraftwerke
Ein zentrales Argument für Eisen liegt in der möglichen Nutzung vorhandener Kohlekraftwerke. Eisenpulver besitzt für die Feuerung einige Ähnlichkeiten mit pulverisierter Kohle. Die Autoren untersuchen deshalb, ob ehemalige Kohlekraftwerke für den Einsatz des Metallbrennstoffs umgerüstet werden könnten.
Notwendig wären nach den zugrunde gelegten technischen Annahmen vor allem Änderungen an der Brennstoffzuführung, den Brennern und der Rauchgasreinigung. Zusätzliche Systeme müssten die festen Reaktionsprodukte aus dem Abgas entfernen und für die Rückführung erfassen. Dampfkreislauf, Turbine, Generator und Netzanschluss könnten dem Konzept zufolge grundsätzlich weitergenutzt werden. Ob dies bei einer konkreten Anlage technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, müsste jeweils standortbezogen geprüft werden.
Für Deutschland weist die Studie je nach Szenario zwischen 4,5 und 22 Gigawatt Eisenkraftwerksleistung aus. Im Basisszenario werden rund 4,46 Gigawatt der vorhandenen Kohlekraftwerkskapazität umgerüstet. Die große Bandbreite zeigt, wie stark das Ergebnis von Annahmen über Umrüstungskosten, Reduktionstechnik und Wasserstoffimporte abhängt.
Die Autoren verweisen zugleich auf ein begrenztes Zeitfenster. Je weiter der Kohleausstieg voranschreitet, desto häufiger werden Anlagen im Minimalbetrieb gefahren, Personalstrukturen abgebaut und Rückbau- oder alternative Umrüstungspläne umgesetzt. Damit könnte eine spätere Umstellung auf Eisen technisch und wirtschaftlich schwieriger werden.
Niedriger Wirkungsgrad bleibt eine Schwäche
Der Eisenkreislauf verliert bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff, bei der Reduktion des Eisenoxids und bei der erneuten Stromerzeugung erhebliche Energiemengen. Eine frühere KIT-Publikation verweist auf Literaturwerte von 19 bis 31 Prozent für den gesamten Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad. Dabei handelt es sich um Abschätzungen verschiedener Prozesskonzepte und nicht um den gemessenen Wirkungsgrad einer kommerziellen Gesamtanlage.
Damit ist Eisen kein naheliegender Ersatz für Batteriespeicher, wenn Energie häufig innerhalb weniger Stunden verschoben werden soll. Sein potenzieller Vorteil liegt vielmehr in der langfristigen Lagerfähigkeit des festen Materials und in der Möglichkeit, Energieerzeugung, Lagerung und Rückverstromung räumlich voneinander zu trennen.
Zehn Zyklen sind noch kein industrieller Kreislauf
Eine experimentelle KIT-Studie untersuchte Eisenpartikel über bis zu zehn Oxidations- und Reduktionszyklen. Die Partikel wurden dabei poröser. Mit zunehmender Zyklenzahl stiegen unter den gewählten Versuchsbedingungen sowohl die Oxidations- als auch die Reduktionsgeschwindigkeit, wobei der Effekt bei der Oxidation stärker ausfiel.
Unter den konkreten experimentellen Bedingungen gelang jedoch keine vollständige Reduktion zurück zu metallischem Eisen. Als mögliche Ursache nennen die Forschenden unter anderem die Bildung von Eisen(II)-oxid. Die Ergebnisse belegen daher, dass eine wiederholte Nutzung grundsätzlich möglich ist. Sie belegen noch nicht die dauerhafte Stabilität eines industriellen Kreislaufs über sehr viele Zyklen.
Für einen wirtschaftlichen Kreislauf müssten außerdem möglichst große Anteile des Eisens und der Eisenoxide zurückgewonnen werden. Partikelverluste, Agglomeration, Sintern und Veränderungen der Materialstruktur können die Reaktionen beeinflussen. Die hierfür notwendigen Abscheide-, Reinigungs- und Aufbereitungsschritte gehören weiterhin zu den technischen Entwicklungsaufgaben.
Mögliche Verbindung zur Stahlindustrie
Die Autoren sehen potenzielle Schnittstellen zwischen dem Energieträger Eisen und der Transformation der Stahlindustrie. Als mögliche Materialquellen nennen sie unter anderem direkt reduziertes Eisen beziehungsweise Eisenschwamm, Produkte verschiedener Stahlherstellungsrouten und Walzzunder. Walzzunder ist ein eisenoxidhaltiges Nebenprodukt der Stahlverarbeitung.
Diese Stoffströme werden in der Modellrechnung jedoch nicht praktisch in den Energiekreislauf integriert. Ob ihre Zusammensetzung und Partikeleigenschaften für die Verbrennung und anschließende Reduktion geeignet sind, ist offen. Verunreinigungen können Verbrennungstemperatur, Stickoxidbildung, Partikelentstehung, Energiedichte und Reduktionskinetik sowohl positiv als auch negativ beeinflussen. Belastbare Grenzwerte für Verunreinigungen und Partikelgrößen liegen bislang nicht vor.
Eine industrielle Symbiose zwischen Energie- und Stahlwirtschaft ist daher eine Forschungsoption und kein bereits nachgewiesenes Kreislaufmodell.
Ergänzung mit klar begrenzter Rolle
Die Ergebnisse sprechen nicht für eine Verdrängung von Wasserstoff. In der Modellierung bleibt wasserstoffbasierte Stromerzeugung ein wesentlicher Bestandteil des europäischen Energiesystems. Eisen erweitert die Auswahl an langfristigen Speichern und steuerbaren Kraftwerken, insbesondere in Regionen ohne Kavernenspeicher oder flexible Wasserkraft.
Ob die Technologie wirtschaftlich eingesetzt werden kann, hängt vor allem von Fortschritten bei der Reduktion von Eisenoxid, der Feuerung des Pulvers, der Rückgewinnung der Oxide und den Kosten einer Kraftwerksumrüstung ab. Systemweite Betriebsdaten liegen noch nicht vor. Auch die Autoren bewerten Eisen deshalb als spezifische, potenziell sinnvolle Ergänzung und nicht als universelle Lösung des Speicherproblems.
Der zirkuläre Gedanke bleibt dennoch bemerkenswert. Das Eisen soll nicht wie ein fossiler Brennstoff verbraucht, sondern zwischen metallischem Zustand und Oxidform geführt werden. Ob aus diesem theoretisch geschlossenen Kreislauf ein robuster industrieller Prozess wird, müssen weitere technische Untersuchungen und Demonstrationen zeigen.
Bild oben: Eisenstaubflamme im Labormaßstab. Aufnahme aus Darstellungsgründen um 90 Grad gedreht. Foto: Janik Hebel, TU Darmstadt
