Eisen als Energieträger einer klimaneutralen Kreislaufwirtschaft

Clean Circles

Grundstein für ein Metall-Energie-Ökosystem

Die Vision: Eisen als CO₂-freier Energieträger

Clean Circles war ein Forschungsprojekt (2021-2025), das den Grundstein für eisenbasierte Energiespeicher als Schlüsseltechnologie der Energiewende legte. Das Clusterprojekt etablierte die TU Darmstadt, das Karlsruher Institut für Technologie und weitere Partner als Pionierstandorte für metallische Energieträger und schuf das wissenschaftliche Fundament für das heutige Metal Energy Hub.

Eisen verfügt über einzigartige Eigenschaften als Energiespeicher: Es kann große Energiemengen speichern, sicher transportiert werden und bei der „Verbrennung“ (Oxidation) Strom, Wärme oder bei Bedarf Wasserstoff – ohne CO₂-Emissionen – produzieren. Der entstehende „Rost“ (Eisenoxid) lässt sich mit erneuerbaren Energien wieder zu Eisen reduzieren – ein endlos wiederholbarer Kreislauf.

Vier zentrale Forschungsfelder

Clean Circles zeichnete sich durch die enge Kopplung von ingenieur-, natur- und gesellschaftswissenschaftlichen Disziplinen aus. Die Wissenschaftler:innen arbeiteten in vier eng verknüpften Forschungsfeldern:

Reduktionsverfahren
Speicherung erneuerbarer Energie durch Reduktion von Eisenoxiden: Entwicklung innovativer Verfahren auf Basis der Elektrolyse (elektrochemisch) und mit grünem Wasserstoff (thermochemisch).
Oxidationsverfahren
Erforschung der kontrollierten und effizienten Energiefreisetzung durch Oxidation unter verschiedensten Prozessbedingungen
Thermodynamisch-mathematische Betrachtung
Mathematische Modellierung des gesamten Eisen-Kreislaufs für die energetische Optimierung und techno-ökonomische Bewertung.
Sozioökonomische Betrachtung
Analyse politischer Rahmenbedingungen, Governance Strukturen, wirtschaftlicher Potentiale und internationaler Partner für die Förderung und Markteinführung.

Erreichte Meilensteine und Erfolge

Clean Circles zeigte die grundsätzliche Machbarkeit des Konzepts, welches eine wichtige Lücke in der Energiewende schließt: Der Langzeitspeicherung großer Energiemengen, wodurch der saisonale Ausgleich und der internationale Transport von erneuerbarer Energie ermöglicht wird. In Studien wurde das Retrofit-Potential von Kohlekraftwerken hervorgehoben, wodurch existierende Infrastruktur weitergenutzt werden kann. Einige im Projekt erreichten Erfolge sind:

Wissenschaftlich-technisch Durchbrüche

Über 70 Publikationen in führenden Fachzeitschriften untersuchen Metall-Energie-Kreisläufe von der atomaren bis zur globalen Skala
Experimenteller Nachweis des Eisen-Energie-Kreislaufs im Labormaßstab
Entwicklung der Pilotanlage für die industrielle Skalierung
Abschätzung des Strom-zu-Strom Wirkungsgrads von ~30% – vergleichbar mit grünem Wasserstoff
Energiesystemstudien bewerten die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu anderen Energieträgern positiv

Öffentlichkeitswirkung und Transfer

Medienbeiträge in Zeitungen, im Fernsehen und auf YouTube mit vor-Ort Besuch von hr-Wissenschaftsredaktionen und Science Youtubern
Internationale Konferenz Ausrichtung der 2nd International Conference on the Metal-enabled Cycle of Renewable Energy in Kooperation mit der TU Eindhoven und starke europäische und internationale Vernetzung
Serious Game „Rette Europas Energie“: Spielerische Wissensvermittlung über Energielösungen der Zukunft, nicht nur für die Ingenieure von morgen

Das Projekt wurde durch die einzigartige Zusammenarbeit verschiedener Forschungsgruppen getragen. Neben der koordinierenden Technischen Universität Darmstadt, waren das Karlsruher Institut für Technologie, die Hochschule Darmstadt, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Universität Heidelberg, das DLR-Institut für CO₂-arme Industrieprozesse sowie das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien beteiligt.

Vermächtnis und Ausblick

Die Förderung durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst sowie die finanzielle Beteiligung der Projektpartner legten den Grundstein für die Weiterentwicklung von Metallen als Energieträger. Die geschaffenen wissenschaftlichen Grundlagen fließen direkt in neue Projekte ein und werden im Technologie- und Transferzentrum Metal Energy Hub gebündelt. So werden die interdisziplinären Erkenntnisse in Demonstrationsprojekten und semi-industriellen Pilotanlagen weiterentwickelt – bis hin zur kommerziellen Anwendung.

Clean Circles war mehr als ein Forschungsprojekt, es war ein strategischer Grundstein. Und es bleibt die Leidenschaft vieler Projektmitglieder und Forschenden: Wir arbeiten heute an den Lösungen von morgen für die Energiewende.