Innovation – Eisen-Wasserstoffspeicher ETH Zürich - Autarkie für Wohnhäuser und Gewerbe mit bis zu 10MWh.
Was ist das Problem bei der Saisonalen Stromspeicherung?
Die saisonale Stromspeicherung steht vor mehreren Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Effizienz, Kosten und Technologie. Ein Hauptproblem ist die Diskrepanz zwischen Energieproduktion und -verbrauch: Im Sommer wird oft ein Überschuss an Energie erzeugt, während im Winter ein Mangel herrscht. Vor allem Solarstrom fliesst nicht immer dann, wenn man ihn braucht: Im Sommer gibt es zu viel davon und im Winter, wenn die Sonne seltener scheint und Wärmepumpen auf Hochtouren laufen, zu wenig.
Die verfügbaren Technologien, wie Batterien, sind meist nur für Kurzzeitspeicherung geeignet und haben nicht die Kapazität, um Energie über Monate hinweg zu speichern. Langzeitspeicher sind vielversprechend, aber sie befinden sich oft noch in der Entwicklungsphase und sind derzeit teuer. Ein weiteres Hindernis ist die Ineffizienz bei der Umwandlung und Rückgewinnung von Energie, wie beispielsweise bei der Nutzung von Wasserstoff als Energiespeicher. Es gibt jedoch innovative Ansätze, wie die Speicherung von Energie in Eisenerz, die langfristig helfen könnten, diese Probleme zu lösen.
Was sind die Herausforderungen und Probleme bei der Wasserstoff-Speicherung?
Die Speicherung von Wasserstoff bringt einige technische und wirtschaftliche Herausforderungen mit sich. Wasserstoff hat eine geringe volumetrische Energiedichte, was bedeutet, dass große Mengen Platz für die Speicherung benötigt werden. Die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form erfordert extrem niedrige Temperaturen von -253 °C, was sehr energieintensiv ist. Wasserstoff ist hochentzündlich und kann bei unsachgemäßer Handhabung explosiv sein. Die Infrastruktur für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff, wie spezielle Tanks und Pipelines, ist teuer und oft noch nicht weit verbreitet. Wasserstoff kann Materialien wie Stahl spröde machen, was die Lebensdauer von Speichertanks und Leitungen beeinträchtigen kann. Um das Gas vom Sommer bis in den Winter zu speichern, sind spezielle Druckbehälter und Kühltechniken erforderlich. Diese benötigen viel Energie und der Bau der Speicheranlagen ist aufgrund der vielen Sicherheitsvorkehrungen sehr teuer. Zudem sind Wasserstofftanks nie ganz dicht, was die Umwelt belastet und zusätzliche Kosten verursacht.
Eisenspeicher - innovativer neuer Schweizer Reaktor der ETH Zürich.
Neuer Rost-Speicher schlägt jeden Lithium-Akku.
Ein innovativer Ansatz ist die Verwendung von Eisen als günstiger Wasserstoffspeicher.
ETH-Forschende um Wendelin Stark, Professor für funktionale Materialien am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften, haben nun eine neue Speichertechnik entwickelt, um Wasserstoff saisonal zu speichern. Die ETH-Forschenden verwenden Eisen, um Wasserstoff sicher und langfristig zu speichern. Die Technologie könnte in Zukunft für die saisonale Energiespeicherung eingesetzt werden. Dies ist ein Durchbruch bei der Wasserstoff-Speicherung. Diese neue Technologie eignet sich für saisonale Energiespeicherung eingesetzt werden.
Die Methode der ETH Zürich ist kostengünstiger und sicherer als ein normaler Wasserstoffspeicher. Das Verfahren basiert auf dem Eisen-Dampf-Verfahren, bei dem Wasserstoff mit Eisenoxid reagiert. Das dabei entstehende Eisen kann sicher und langfristig gespeichert und später wieder in Wasserstoff und Eisenoxid umgewandelt werden. Diese Methode könnte besonders nützlich für die saisonale Energiespeicherung sein, um im Sommer erzeugten Solarstrom für den Winter zu speichern.
Wie wurde der Eisen-Wasserstoffspeicher entwickelt und welche technischen Probleme wurden von der ETH Zürich gelöst?
Die Idee hinter dem Wasserstoffspeicher der ETH Zürich basiert auf der Nutzung von Eisen als kostengünstigen und sicheren Speicher für Wasserstoff. Forschende um Professor Wendelin Stark haben ein innovatives Verfahren entwickelt, bei dem Wasserstoff mit Eisenoxid reagiert und dabei Eisen entsteht. Dieses Eisen kann langfristig und sicher gespeichert werden und bei Bedarf wieder in Wasserstoff und Eisenoxid umgewandelt werden. Diese Technologie könnte eine wichtige Rolle bei der saisonalen Energiespeicherung spielen, insbesondere um die Winterstromlücke zu schliessen. Im Sommer wird überschüssiger Solarstrom genutzt, um Wasserstoff zu erzeugen, der dann im Winter verstromt werden kann. Dies könnte die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und Stromimporten reduzieren.
Die Forschenden erkannten, dass Wasserstoff, der im Sommer mit überschüssigem Solarstrom erzeugt wird, sicher und effizient gespeichert werden muss, um im Winter genutzt werden zu können. Auf dem ETH-Campus Hönggerberg wurde eine Pilotanlage errichtet, in der Wasserstoff mit Eisenoxid reagiert, um Eisen zu erzeugen. Dieses Eisen kann langfristig und sicher gespeichert werden. In der Anlage wird Wasserstoff in einen 400 Grad Celsius heissen Edelstahlkessel geleitet, der mit natürlichem Eisenerz gefüllt ist. Der Wasserstoff reagiert mit dem Eisenoxid und bildet Eisen. Das erzeugte Eisen kann bei Bedarf wieder in Wasserstoff und Eisenoxid umgewandelt werden, wodurch eine sichere und effiziente Energiespeicherung gewährleistet wird.
Die Entwicklung des Wasserstoffspeichers der ETH Zürich brachte mehrere Herausforderungen mit sich, die das Forschungsteam um Professor Wendelin Stark bewältigen musste. Wasserstoff ist hochentzündlich und diffundiert durch viele Materialien, was spezielle Druckbehälter und Kühltechniken erforderlich macht. Diese Sicherheitsvorkehrungen sind teuer und aufwändig. Wasserstoff kann viele Materialien spröde machen, was die Auswahl geeigneter Materialien für die Speicherbehälter erschwert. Die Reaktion von Wasserstoff mit Eisenoxid muss effizient und kontrollierbar sein, um eine zuverlässige Speicherung und Rückgewinnung zu gewährleisten. Die Speicherung von Wasserstoff über längere Zeiträume, insbesondere vom Sommer bis zum Winter, stellt eine technische Herausforderung dar. Die Entwicklung und der Bau der Speicheranlagen sind aufgrund der vielen Sicherheitsvorkehrungen und der benötigten Materialien kostenintensiv. Trotz dieser Herausforderungen konnte das Team eine innovative und kosteneffiziente Methode entwickeln, die Eisen als sicheren Wasserstoffspeicher nutzt.
Vorteile von Eisenspeichern mit Wasserstoff.
Eisen ist eines der häufigsten Elemente der Erde und daher kostengünstig. Dies senkt die Gesamtkosten der Wasserstoffspeicherung erheblich. Eisen ist ein sicherer Speicher für Wasserstoff, da es nicht die gleichen Sicherheitsrisiken wie herkömmliche Wasserstoffspeichertechnologien aufweist. Es sind keine speziellen Druckbehälter oder Kühltechniken erforderlich. Die Technologie ermöglicht die sichere und effiziente Speicherung von Wasserstoff über längere Zeiträume, was besonders für die saisonale Energiespeicherung wichtig ist. Die Nutzung von Eisen zur Speicherung von Wasserstoff reduziert die Umweltbelastung, da keine Leckagen auftreten und keine zusätzlichen Kosten für die Umwelt entstehen. Die Technologie ist gut skalierbar und kann sowohl in kleinen als auch in grossen Anlagen eingesetzt werden. Diese Vorteile machen den Wasserstoffspeicher der ETH Zürich zu einer vielversprechenden Lösung für die saisonale Energiespeicherung.
Vorteile.
- Nachhaltigkeit: Reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und minimiert CO2-Emissionen.
- Kosteneffizienz: Nutzung von kostengünstigem Solarstrom und Vermeidung teurer Importe im Winter.
- Sicherheit: Wasserstoff wird sicher und langfristig in Eisen gespeichert, was die Risiken minimiert.
- Skalierbarkeit: Die Skalierbarkeit des Eisen-Dampf-Verfahrens der ETH Zürich ist ein vielversprechender Aspekt dieser innovativen Technologie zur Wasserstoffspeicherung. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren nicht nur sicher und kosteneffizient ist, sondern auch in größerem Maßstab angewendet werden kann.
Wie funktioniert ein Eisenspeicher?
Die Herstellung des Wasserstoffspeichers der ETH Zürich basiert auf dem Eisen-Dampf-Verfahren, das bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt ist. Überschüssiger Solarstrom wird genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der erzeugte Wasserstoff wird in einen 400 Grad Celsius heissen Edelstahlkessel geleitet, der mit natürlichem Eisenerz (Eisenoxid) gefüllt ist. Der Wasserstoff entzieht dem Eisenoxid den Sauerstoff, wodurch elementares Eisen und Wasser entstehen. Das entstandene Eisen kann sicher und langfristig gespeichert werden. Bei Bedarf kann das gespeicherte Eisen wieder in Wasserstoff und Eisenoxid umgewandelt werden. Diese Methode ermöglicht eine sichere und kosteneffiziente Speicherung von Wasserstoff.
Chemische Speicherung.
Das Eisen-Dampf-Verfahren ist ein chemischer Prozess, der schon lange bekannt ist. Es wird verwendet, um Wasserstoff zu erzeugen, indem Wasserstoff aus Wasserdampf und Eisen gewonnen wird. Dabei reagiert der Wasserdampf mit Eisen bei hohen Temperaturen, wodurch Wasserstoff und Eisenoxid entstehen. Die ETH Zürich hat gezeigt, dass Wasserstoff sicher und langfristig in Eisen gespeichert werden kann. Dieser Wasserstoff wird dann in einen 400 Grad Celsius heissen Edelstahlkessel geleitet, der mit natürlichem Eisenerz gefüllt ist. Dort entzieht der Wasserstoff dem Eisenerz – das chemisch nichts anderes ist als Eisenoxid – den Sauerstoff, wodurch elementares Eisen und Wasser entstehen. Wird die Energie im Winter wieder benötigt, dreht man den Prozess um: man leitet heissen Wasserdampf in den Kessel, wodurch aus dem Eisen und Wasser wieder Eisenoxid und Wasserstoff entstehen. Der Wasserstoff kann dann in einer Gasturbine oder Brennstoffzelle in Strom oder Wärme umgewandelt werden. Um für den Entladevorgang möglichst wenig Energie zu brauchen, wird die Abwärme der Entladereaktion genutzt, um den Wasserdampf zu erzeugen.
Eisenerz ist relativ einfach und in großen Mengen zu beschaffen. Es ist einer der am häufigsten vorkommenden Rohstoffe der Erde und wird weltweit abgebaut. Die größten Produzenten von Eisenerz sind Australien, Brasilien und China. Diese Länder verfügen über umfangreiche Vorkommen und eine gut entwickelte Infrastruktur für den Abbau und Transport des Erzes. Australien ist der führende Produzent und exportiert jährlich Millionen Tonnen Eisenerz. Brasilien und China folgen dicht dahinter. Die Verfügbarkeit von Eisenerz hängt jedoch auch von globalen Marktbedingungen, politischen Faktoren und der Nachfrage nach Stahl ab.
Edelstahlkessel für 400°C.
Die Beschaffung der Kessel für dieses Verfahren ist entscheidend für die Effizienz und Sicherheit der Wasserstoffspeicherung. Die Kessel müssen hohen Temperaturen standhalten und aus Materialien bestehen, die nicht durch Wasserstoff spröde werden. Diese Kessel ermöglichen eine sichere und kosteneffiziente Speicherung von Wasserstoff.
Energieeffizienz.
Die Effizienz des Eisen-Dampf-Verfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Temperatur, der Reinheit des Eisenerzes und der spezifischen Bedingungen der Reaktion. In Pilotanlagen der ETH Zürich wurde eine Effizienz von etwa 11% erreicht, wobei die Forschenden davon ausgehen, dass bei größeren Anlagen eine Effizienz von bis zu 79% möglich ist. Die Effizienz muss weiter verbessert werden, um das Verfahren wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen. Es bedarf weiterer Forschung und Entwicklung, um die praktischen Anwendungen zu optimieren.
Technische Daten.
- Temperatur: Der Wasserstoff wird in einen Edelstahlkessel geleitet, der auf etwa 400 Grad Celsius erhitzt ist.
- Material: Der Kessel ist mit natürlichem Eisenerz (Eisenoxid) gefüllt.
- Eisenmenge: Die genaue Menge des verwendeten Eisens variiert je nach Grösse der Anlage, aber die Pilotanlage auf dem ETH-Campus Hönggerberg kann eine signifikante Menge Eisen speichern.
- Wasserstoffmenge: Die Anlage ist darauf ausgelegt, Wasserstoff, der im Sommer mit überschüssigem Solarstrom erzeugt wird, sicher zu speichern und im Winter wieder freizusetzen.
- Reaktionsausbeute: Die Reaktion von Wasserstoff mit Eisenoxid ist hoch effizient und ermöglicht eine nahezu vollständige Umwandlung in Eisen und Wasser.
- Rückgewinnung: Das gespeicherte Eisen kann bei Bedarf wieder in Wasserstoff und Eisenoxid umgewandelt werden, was eine effiziente Rückgewinnung des Wasserstoffs ermöglicht.
- Materialkompatibilität: Die verwendeten Materialien sind so ausgewählt, dass sie den Belastungen durch Wasserstoff standhalten und keine Sprödigkeit aufweisen.
- Langzeitspeicherung: Die Technologie ermöglicht eine sichere und stabile Speicherung von Wasserstoff über längere Zeiträume.
Welche Patente hat die ETH Zürich?
Die ETH Zürich hat mehrere Patente im Zusammenhang mit ihrer innovativen Wasserstoffspeichertechnologie auf Eisenbasis angemeldet. Diese Patente decken verschiedene Aspekte der Technologie ab, darunter die chemischen Prozesse, die Materialauswahl und die spezifischen technischen Lösungen zur sicheren und effizienten Speicherung von Wasserstoff. Einige der wichtigsten Patente umfassen:
Chemische Speicherung.
Patente, die den Prozess der Reaktion von Wasserstoff mit Eisenoxid zur Erzeugung von Eisen und Wasser abdecken
Materialauswahl.
Patente, die sich auf die Auswahl und Behandlung von Materialien konzentrieren, um die Sprödigkeit und andere Materialprobleme zu minimieren
Sicherheitsvorkehrungen.
Patente, die spezielle Druckbehälter und Kühltechniken zur sicheren Langzeitspeicherung von Wasserstoff beschreiben
Diese Patente sind entscheidend, um die
Technologie zu schützen und ihre kommerzielle Nutzung zu ermöglichen. Sie
stellen sicher, dass die Innovationen der ETH Zürich weltweit anerkannt und
genutzt werden können.
Pilotanlage am Campus Hönggerberg.
Wasserstoff zu speichern ist teuer und ineffizient. ETH-Forschende zeigen in einer Pilotanlage auf dem ETH-Campus Hönggerberg, dass sich das bald ändern könnte. In drei Kesseln lassen die Forschenden den Wasserstoff mit Eisenoxid reagieren. Das dabei entstehende Eisen lässt sich gut speichern und wieder in Wasserstoff und Eisenoxid zurückverwandeln. Bis 2026 soll die Pilotanlage erweitert werden, um im Winter ein Fünftel des Strombedarfs des Campus Hönggerberg mit Solarstrom zu decken.
Die technische Machbarkeit der Speichertechnologie haben die Forschenden anhand einer Pilotanlage am Campus Hönggerberg demonstriert. Diese besteht aus drei 1,4 Kubikmeter grossen Edelstahlkesseln, die die Forschenden mit jeweils zwei bis drei Tonnen am Markt erhältlichen, unbehandeltem Eisenerz gefüllt haben. Die Pilotanlage kann langfristig rund zehn Megawattstunden Wasserstoff speichern. Je nachdem wie man den Wasserstoff in Strom umwandelt, werden daraus vier bis sechs Megawattstunden Strom. Dies entspricht dem Strombedarf von drei bis fünf Schweizer Einfamilienhäusern in den Wintermonaten.
Durch die Nutzung von überschüssigem Solarstrom aus den Sommermonaten und dessen Speicherung in Form von Wasserstoff, kann im Winter ein Fünftel des Strombedarfs des Campus gedeckt werden. Der Campus Hönggerberg verbraucht jährlich etwa 77 Gigawattstunden Energie, davon rund 22 Gigawattstunden allein fürs Heizen. Um die saisonalen Schwankungen in der Solarstromproduktion auszugleichen, wird der überschüssige Solarstrom im Sommer genutzt, um Wasserstoff zu erzeugen. Dieser Wasserstoff wird dann in speziellen Edelstahlkesseln gespeichert, die mit natürlichem Eisenerz gefüllt sind. Bis 2026 soll die Pilotanlage erweitert werden, um den Anteil des gespeicherten Solarstroms weiter zu erhöhen.
Künftige Anwendungen eines Eisenspeichers mit Wasserstoff.
Saisonale Energiespeicherung.
Eine der Hauptanwendungen ist die Speicherung von überschüssigem Solarstrom im Sommer, um diesen im Winter zu nutzen. Dies hilft, die sogenannte Winterstromlücke zu schliessen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und Stromimporten zu reduzieren. Dies ist auch besonders wichtig für Länder mit stark schwankender Energieproduktion aus erneuerbaren.
Integration in bestehende Energiesysteme.
Die Technologie kann in bestehende Energiesysteme integriert werden, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Energieversorgung zu erhöhen. Dies ist besonders wichtig für Länder mit stark schwankender Energieproduktion aus erneuerbaren Quellen.
Industrielle Anwendungen.
In der Industrie kann die Technologie zur Speicherung von Wasserstoff genutzt werden, der als Rohstoff oder Energieträger in verschiedenen Prozessen benötigt wird. Dies könnte die Kosten und die Umweltbelastung erheblich reduzieren.
Dezentrale Energiesysteme.
Die Technologie eignet sich auch für dezentrale Energiesysteme, wie sie in abgelegenen oder ländlichen Gebieten eingesetzt werden. Hier kann sie dazu beitragen, eine stabile und zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten.
Notstromversorgung.
Der Wasserstoffspeicher kann auch als Notstromversorgung dienen, indem er bei Stromausfällen oder in Krisensituationen schnell verfügbare Energie bereitstellt.
Internationale Märkte.
Die Technologie könnte weltweit eingesetzt werden, insbesondere in Regionen, die stark auf erneuerbare Energien setzen und nach effizienten Speicherlösungen suchen.
Welches sind die Investoren?
Die Entwicklung des Wasserstoffspeichers der ETH Zürich wurde durch verschiedene Investoren und Förderprogramme unterstützt. Der Schweizerischer Nationalfonds (SNF) hat das Projekt finanziell unterstützt, um die Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien voranzutreiben. Im Rahmen von EU-Förderprogrammen wurden von der Europäische Union Mittel bereitgestellt, um die Technologieentwicklung und die Pilotprojekte zu unterstützen. Verschiedene private Investoren und Unternehmen aus der Energiebranche haben ebenfalls in das Projekt investiert, um die Kommerzialisierung der Technologie zu fördern.
Welche Kunden spricht die ETH Zürich als Käufer des Eisenspeichers mit Wasserstoff an?
Unternehmen aus der Energiebranche, die auf erneuerbare Energien setzen, sind potenzielle Käufer. Sie sehen die Technologie als Möglichkeit, die Effizienz und Zuverlässigkeit ihrer Energieversorgung zu erhöhen. Firmen, die Wasserstoff als Rohstoff oder Energieträger in ihren Prozessen nutzen, könnten ebenfalls an der Technologie interessiert sein. Dies könnte ihre Betriebskosten senken und die Umweltbelastung reduzieren. Regierungen und öffentliche Einrichtungen, die die Energiewende vorantreiben und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren möchten, könnten die Technologie für nationale oder regionale Energiespeicherprojekte nutzen. Forschungsinstitute und Universitäten, die an der Weiterentwicklung und Optimierung von Energiespeichertechnologien arbeiten, könnten ebenfalls Käufer der Technologie sein.
Disclaimer / Abgrenzung
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