Metallische Brennstoffe als Energiespeicher der Zukunft? Wenn Aluminium und Eisen Wasserstoff den Rang ablaufen

Die Lösung für die Winterstromlücke? Forscher machen aus Metallpulver den Akku der Zukunft – Ein Liter Eisen für 8 Stunden Strom: Die übersehene Revolution in der Energiespeicherung

Die Energiewende steht vor einer paradoxen Herausforderung: Während im Sommer Solaranlagen einen Überschuss an sauberem Strom produzieren, der teilweise ungenutzt bleibt, droht in den dunklen und kalten Wintermonaten eine empfindliche Stromlücke. Dieses saisonale Ungleichgewicht ist eine der hartnäckigsten Hürden auf dem Weg zur Klimaneutralität und zwingt Europa weiterhin in eine kostspielige Abhängigkeit von fossilen Energieimporten. Während die öffentliche Debatte sich oft auf Wasserstoff als Allheilmittel konzentriert, reift im Schatten der Forschung eine potenziell überlegene Alternative heran: die Speicherung von Energie in metallischen Brennstoffen wie Aluminium und Eisen.

Diese auf den ersten Blick ungewöhnliche Idee entpuppt sich bei genauerer Betrachtung als genial einfacher und robuster Lösungsansatz. Das Prinzip basiert auf einem reversiblen chemischen Kreislauf: Mit überschüssigem Sommerstrom werden Metalloxide zu reinen Metallen reduziert, die als extrem dichte und sichere Energieträger dienen. Bei Bedarf reagieren diese Metalle kontrolliert mit Wasser, setzen dabei gleichzeitig nutzbare Wärme und Wasserstoff frei, der wiederum in Strom umgewandelt wird.

Die physikalischen Vorteile sind erstaunlich: Ein Liter Aluminium speichert volumetrisch rund 23-mal mehr Energie als hochkomprimierter Wasserstoff. Das Metallpulver oder -granulat lässt sich bei Raumtemperatur und Normaldruck sicher lagern und transportieren – ohne teure Hochdrucktanks oder kryogene Kühlung. Damit könnten metallische Brennstoffe nicht nur die saisonale Speicherung für Gebäude und Industrie revolutionieren, sondern auch die globalen Energieflüsse neu ordnen und Europa einen Weg aus der geopolitischen Energieabhängigkeit weisen. Pilotprojekte in der Schweiz und Deutschland zeigen bereits, dass diese Technologie weit mehr ist als nur eine Labor-Idee – sie könnte zum entscheidenden, bisher fehlenden Baustein für eine sichere und vollständig erneuerbare Energieversorgung werden.

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Die Herausforderung der saisonalen Energiespeicherung gehört zu den hartnäckigsten Problemen der Energiewende. Während der sommerliche Überschuss an Photovoltaikstrom in Europa stetig wächst, fehlt genau diese Energie in den dunklen Wintermonaten. Metallische Brennstoffe wie Aluminium und Eisen versprechen eine Lösung, die dem prominenteren Wasserstoff in entscheidenden Parametern überlegen ist und die Energiewirtschaft grundlegend verändern könnte.

Europa steht vor einer fundamentalen energiewirtschaftlichen Herausforderung. Die Schweiz allein erwartet bis 2050 eine Winterstromlücke von etwa acht bis zehn Terawattstunden, trotz massivem Ausbau der Photovoltaik. Deutschland und die gesamte Europäische Union kämpfen mit einem ähnlichen strukturellen Problem. Während die Solarstromerzeugung im Sommer Überkapazitäten schafft, die teilweise abgeregelt werden müssen, herrscht im Winter eklatanter Mangel. Diese saisonale Diskrepanz verschärft sich mit jedem weiteren Solarmodul auf europäischen Dächern und Freiflächen. Gleichzeitig macht die fortschreitende Elektrifizierung von Wärmeversorgung und Mobilität den Strombedarf gerade in der kalten Jahreszeit zusätzlich kritisch.

Die europäische Energieabhängigkeit von fossilen Importen unterstreicht die Dringlichkeit tragfähiger Speicherlösungen. Deutschland überweist jährlich zwischen achtzig und einhundertdreißig Milliarden Euro für Kohle, Öl und Gas ins Ausland, die Europäische Union insgesamt mehr als dreihundert Milliarden Euro. Diese enormen Summen fließen ab, statt in heimische Infrastruktur und Zukunftstechnologien investiert zu werden. Die geopolitischen Verwerfungen der vergangenen Jahre haben zudem schmerzhaft verdeutlicht, welche Risiken mit dieser Abhängigkeit verbunden sind.

Metallische Brennstoffe wie Aluminium und Eisen benötigen Sauerstoff (O₂), um Energie freizusetzen. Die Reaktion ist ähnlich wie eine Verbrennung, nur findet sie oft in Form einer Oxidation statt, z. B.:

◾️ Aluminium + Sauerstoff → Aluminiumoxid (Al₂O₃)

◾️ Eisen + Sauerstoff → Eisenoxid (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Diese Reaktionen setzen viel Wärme frei – und genau diese Energie will man als Speicherform nutzen.

Wasserstoff (H₂) ist heute ein bekannter Energieträger, aber er ist schwer zu speichern und transportieren.

Metallische Brennstoffe gelten als Alternative, weil sie:

◾️ sehr energiereich sind,

◾️ gut transportierbar (fest, nicht flüchtig),

◾️ wiederverwendbar sind – Oxide können recycelt und erneut zu Metall reduziert werden, oft mithilfe erneuerbaren Stroms.

Manche Konzepte nutzen sogar Wasserstoff, um oxidiertes Metall wieder zurück in reines Metall zu verwandeln.

Die Physik der metallischen Energiespeicherung

Das Grundprinzip metallischer Brennstoffe basiert auf einer eleganten chemischen Reversibilität. Metalle wie Aluminium, Eisen oder Silizium können in einem Reduktionsprozess mit elektrischer Energie beladen werden, wobei Sauerstoff von ihren Oxidformen abgespalten wird. Die dabei entstehenden reinen Metalle fungieren als hochverdichtete Energiespeicher. Bei Bedarf wird dieser Prozess umgekehrt. Das Metall reagiert mit Wasser oder Wasserdampf, wobei Wasserstoff und Wärme entstehen. Der Wasserstoff kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden, während die Wärme direkt in Heizsysteme eingespeist wird.

Die Energiedichte unterscheidet metallische Brennstoffe fundamental von gasförmigen Alternativen. Aluminium erreicht eine theoretische Energiedichte von über acht Kilowattstunden pro Kilogramm und eine volumetrische Dichte von mehr als dreiundzwanzig Kilowattstunden pro Liter. Selbst unter Hochdruck komprimierter Wasserstoff bei siebenhundert Bar schafft volumetrisch nur etwa eine Kilowattstunde pro Liter. Ein Liter Eisen könnte einen durchschnittlichen deutschen Haushalt mehr als acht Stunden mit Energie versorgen, während ein Liter hochverdichteter Wasserstoff nicht einmal für eine Stunde reichen würde.

Diese physikalischen Eigenschaften haben weitreichende praktische Konsequenzen. Metallpulver oder Granulate lassen sich bei Raumtemperatur und Normaldruck lagern und transportieren. Es sind weder teure Hochdrucktanks noch aufwendige Kühltechnik erforderlich. Die Sicherheitsanforderungen entsprechen denen konventioneller Schüttgüter. Explosionsgefahren wie bei feinem Metallstaub vermeidet man durch den Einsatz größerer Granulate. Das Schweizer SPF Institut für Solartechnik an der OST arbeitet beispielsweise mit Aluminium 6060 Drahtgranulat, das kommerziell verfügbar ist und keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen erfordert.

Die Materialkandidaten im Vergleich

Aluminium gilt als vielversprechendster Kandidat unter den metallischen Brennstoffen. Mit seiner hohen Energiedichte von theoretisch über acht Kilowattstunden pro Kilogramm übertrifft es alle anderen nicht-toxischen Metalle deutlich. Bei der Reaktion mit Wasser entstehen etwa fünfzig Prozent der gespeicherten Energie als Wärme und fünfzig Prozent als Wasserstoff. Letzterer kann mit fünfzig Prozent Wirkungsgrad in einer Brennstoffzelle zu Strom umgewandelt werden, was zu einem Gesamtverhältnis von etwa fünfundsiebzig Prozent Wärme und fünfundzwanzig Prozent Strom führt. Diese Kombination eignet sich hervorragend für Gebäudeenergiesysteme, wo Wärmebedarf typischerweise dominiert.

Die Herausforderung bei Aluminium liegt in der energieintensiven Produktion. Pro Kilogramm Primäraluminium müssen etwa dreizehn bis siebzehn Kilowattstunden elektrischer Energie eingesetzt werden. Bei Verwendung von Kohlestrom entstehen dabei bis zu zwanzig Kilogramm Kohlendioxid pro Kilogramm Aluminium. Selbst bei Nutzung erneuerbarer Energien setzt der konventionelle Hall-Héroult-Prozess noch etwa eineinhalb Tonnen Kohlendioxid pro Tonne Aluminium frei, da die Kohlenstoffanoden verbraucht werden und zu Kohlendioxid reagieren.

An dieser Stelle setzt die Innovation an. Im europäischen Forschungsprojekt REVEAL entwickeln Wissenschaftler unter Führung der OST eine vollständig kohlendioxidfreie Aluminiumproduktion mittels sogenannter inerter Anoden. Diese Anoden bestehen aus Metalllegierungen, die sich während des Elektrolyseprozesses nicht verbrauchen und reinen Sauerstoff statt Kohlendioxid freisetzen. Der isländische Partner IceTec arbeitet parallel an der industriellen Umsetzung dieser Technologie unter Nutzung reichlich verfügbarer geothermischer und hydroelektrischer Energie. Auch deutsche Unternehmen wie Trimet treiben die Entwicklung voran und haben bereits Demonstratoranlagen in Betrieb genommen.

Eisen präsentiert sich als pragmatische Alternative. Mit einer Energiedichte von etwa null komma zwei bis null komma drei Kilowattstunden pro Kilogramm liegt es deutlich unter Aluminium, bleibt aber immer noch konkurrenzfähig zu vielen anderen Speichertechnologien. Der entscheidende Vorteil von Eisen ist seine Verfügbarkeit und die geringen Kosten. Als vierthäufigstes Element der Erdkruste ist Eisenerz in nahezu unbegrenzten Mengen verfügbar, ohne dass die Weltmarktpreise substanziell beeinflusst würden.

Bei der Reaktion von Eisen mit Wasser entsteht kaum Wärme. Die gesamte gespeicherte Energie wird auf den produzierten Wasserstoff übertragen, der dann mit etwa fünfzig Prozent Wirkungsgrad in Strom umgewandelt werden kann. Dieses Verhältnis macht Eisen besonders für Anwendungen interessant, wo der Strombedarf im Vordergrund steht. Die Forschungsgruppe um Professor Wendelin Stark an der ETH Zürich betreibt eine Pilotanlage auf dem Campus Hönggerberg, die Wasserstoff mittels Eisenoxid saisonal speichert. Diese Technologie gilt als etwa zehnmal günstiger als konventionelle Wasserstoffspeicherung.

Die Direktreduktion mit grünem Wasserstoff ist bei Eisen bereits industriell etabliert. Unternehmen wie ArcelorMittal oder thyssenkrupp arbeiten am Übergang zu wasserstoffbasierter Stahlproduktion. Diese Technologie lässt sich direkt für den Energiespeicherzyklus nutzen. Der Reifegrad liegt zwischen sechs bis sieben auf einer Skala bis neun und nähert sich damit der Marktreife. Die Anlagen können bei normalem Druck und etwa achthundert Grad Celsius betrieben werden, was die technische Komplexität begrenzt.

Silizium stellt eine dritte Option dar. Es vereint hohe Energiedichte ähnlich Aluminium mit guter Verfügbarkeit. Als zweithäufigstes Element der Erdkruste nach Sauerstoff existieren praktisch keine Ressourcenbeschränkungen. Die Produktionstechnologie ist durch die Solarindustrie gut etabliert. Allerdings ist die Forschung zu Silizium als Energiespeicher weniger weit fortgeschritten als bei Aluminium und Eisen. Die TU Darmstadt untersucht Silizium im Rahmen des Projekts A-STEAM, doch bis zur industriellen Anwendung dürfte es noch einige Jahre dauern.

Die Ökonomie der Transformation

Die Wirtschaftlichkeit metallischer Brennstoffe hängt entscheidend von den Produktionskosten für die kohlendioxidfreie Metallgewinnung ab. Beim konventionellen Aluminiumpreis von etwa zweitausendsechshundertfünfzig Dollar pro Tonne würden sich Mehrkosten von etwa vierhundert Dollar im Jahr 2035 ergeben, wenn die inerte Anodentechnologie industriell umgesetzt wird. Langfristig dürften sich die Kosten wieder auf dem Niveau von 2020 einpendeln, allerdings mit etwa dreihundert Dollar Aufschlag gegenüber einer hypothetischen Fortführung konventioneller Produktion.

Diese Mehrkosten relativieren sich jedoch im Gesamtkontext. Die Investitionen in die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie werden auf etwa eine Billion Dollar geschätzt, wovon etwa die Hälfte auf die Bereitstellung emissionsarmer Energie entfällt. Zweihundert Milliarden Dollar sind für kohlenstoffarme Anoden veranschlagt. Doch diese Investitionen schaffen gleichzeitig die Grundlage für einen völlig neuen Energiespeichermarkt, der weit über die klassische Aluminiumverwendung hinausgeht.

Der Gesamtwirkungsgrad von erneuerbarem Strom über die metallische Speicherung zurück zu Strom und Wärme liegt bei allen drei Metallen im Bereich von fünfzig bis sechzig Prozent. Dieser Wert erscheint zunächst niedrig im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien mit fünfundachtzig bis fünfundneunzig Prozent Wirkungsgrad. Doch bei der Bewertung müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Erstens ist der Vergleich nur für Anwendungen mit vergleichbarer Speicherdauer relevant. Batterien eignen sich für Stunden bis wenige Tage, metallische Brennstoffe für Monate bis Jahre. Die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde steigen bei Batterien dramatisch mit zunehmender Speicherdauer, da die Investitionskosten auf weniger Zyklen verteilt werden.

Zweitens muss die Wärme als vollwertige Nutzenergie mitgerechnet werden. In Gebäuden mit Wärmebedarf ist ein System mit fünfundsiebzig Prozent Wärme und fünfundzwanzig Prozent Strom womöglich idealer als reiner Strom, der erst über eine Wärmepumpe transformiert werden muss. Die Schweizer Forschenden rechnen mit Strom- und Wärmekosten von etwa zwanzig Rappen pro Kilowattstunde im Winter aus Aluminiumspeichern. Dies wäre wettbewerbsfähig mit vielen alternativen Versorgungsoptionen.

Power-to-Gas mit Wasserstoff erreicht bei reiner Rückverstromung ohne Wärmenutzung lediglich dreißig bis vierzig Prozent Wirkungsgrad. Bei Methanisierung sinkt er auf etwa dreiunddreißig Prozent. Nur mit optimierter Kraft-Wärme-Kopplung und konsequenter Abwärmenutzung lassen sich Wirkungsgrade von über achtzig Prozent bezogen auf den oberen Heizwert erreichen. In der Praxis werden diese Werte jedoch selten erreicht. Zudem verursachen Wasserstoffspeicherung und Transport erhebliche Kosten. Unterirdische Salzkavernen sind nur an geologisch geeigneten Standorten möglich. Für Länder wie die Schweiz ohne entsprechende Formationen bleiben nur teure oberirdische Tanks oder der Import.

Die Speicherkosten verschiedener Technologien zeigen deutliche Unterschiede. Thermische saisonale Wärmespeicher erreichen Kosten zwischen fünfundzwanzig und vierhundert Schweizer Franken pro Megawattstunde ausgespeicherter Energie. Für elektrische Energie liegen die Kosten bei Speicherkraftwerken bei etwa hundert Franken pro Megawattstunde, steigen aber für andere saisonale Stromspeicher um mehr als eine Zehnerpotenz. Lithium-Ionen-Batterien kosten aktuell etwa vierhundert bis eintausend Euro pro Kilowattstunde Speicherkapazität. Diese Preise sind zwar drastisch gefallen, aber für saisonale Speicherung bleiben sie unerschwinglich.

Pumpspeicherkraftwerke funktionieren hervorragend für Tages- und Wochenzyklen mit Wirkungsgraden von siebzig bis fünfundachtzig Prozent. Für saisonale Speicherung mit nur einem Zyklus pro Jahr steigen die Kosten jedoch auf mehr als zwei Euro pro Kilowattstunde zusätzlicher Stromkosten. Die geografische Begrenztheit geeigneter Standorte limitiert das Ausbaupotenzial zusätzlich. In einer vollständig auf erneuerbare Energien umgestellten Wirtschaft würden die bestehenden Pumpspeicherkapazitäten bei weitem nicht ausreichen.

Systemintegration und Sektorenkopplung

Die Stärke metallischer Brennstoffe liegt in der nahtlosen Integration in das Konzept der Sektorenkopplung. Der Begriff beschreibt die Verknüpfung der traditionell getrennten Sektoren Strom, Wärme und Mobilität. Während die Stromwende bereits weit fortgeschritten ist, bleiben Wärmeversorgung und Verkehr stark von fossilen Energien abhängig. Europa gibt jährlich über dreihundert Milliarden Euro für Importe von Kohle, Öl und Gas aus, Geld das der eigenen Wirtschaft verloren geht.

Metallische Brennstoffe ermöglichen eine flexible Kopplung der Sektoren. Im Sommer wird überschüssiger Photovoltaikstrom genutzt, um Metalloxide zu reduzieren. Das entstehende Metall wird eingelagert. Im Winter erfolgt die Oxidation, wobei Wärme und Wasserstoff entstehen. Die Wärme fließt direkt ins Heizsystem, idealerweise gekoppelt mit einer Wärmepumpe, die bei milderen Temperaturen den Wirkungsgrad steigert. Der Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle zu Strom umgewandelt, dessen Abwärme wiederum ins Heizsystem eingespeist wird.

Diese Kombination adressiert präzise das zentrale Problem europäischer Energiesysteme. Der Wärmebedarf macht in Deutschland etwa die Hälfte des gesamten Endenergiebedarfs aus. Ein erheblicher Teil davon konzentriert sich auf die Wintermonate. Ein Speichersystem, das schwerpunktmäßig Wärme liefert und dabei noch nennenswerte Strommengen erzeugt, trifft exakt die Bedarfsstruktur. Die Hochschule Luzern hat berechnet, dass eine konsequente Dämmung von Wohngebäuden kombiniert mit Wärmepumpen die Winterstromlücke der Schweiz praktisch eliminieren könnte. In Verbindung mit metallischen Speichern würde ein solches System überschüssigen Sommerstrom optimal nutzen und die Winterversorgung sicherstellen.

Der Modellierung der Schweizer Forscher zufolge könnte die Ausrüstung aller Mehrfamilienhäuser mit Metallspeichern die erwartete Winterstromlücke von acht Terawattstunden bis 2050 signifikant reduzieren. Schon die Ausrüstung der Hälfte aller Mehrfamilienhäuser würde mehrere Terawattstunden beitragen. Die dezentrale Struktur dieser Lösung vermeidet teure Netzausbaumaßnahmen und erhöht die Versorgungssicherheit durch Redundanz.

Für industrielle Anwendungen bieten sich weitere Perspektiven. Prozesswärme macht einen erheblichen Teil des industriellen Energiebedarfs aus. Die Direktelektrifizierung mittels Wärmepumpen, Elektrodenkessel oder Widerstandserwärmung ist technisch möglich und für viele Temperaturbereiche bereits verfügbar. Doch gerade für Hochtemperaturprozesse und für Grundlaststabilität können metallische Brennstoffe eine Lösung bieten. Die Verbrennung von Eisenpulver kann Temperaturen von über tausendachthundert Grad Celsius erreichen, ausreichend für viele industrielle Prozesse.

Umgerüstete Kohlekraftwerke könnten mit Metallpulvern betrieben werden. Die vorhandene Infrastruktur für Feuerung, Dampfkreislauf und Stromerzeugung ließe sich weitgehend nutzen. Das entstehende Metalloxid würde gesammelt und zur Reduktion in Anlagen transportiert, die reichlich erneuerbare Energie zur Verfügung haben. Dieser Ansatz würde bestehende Anlagen nutzen, Arbeitsplätze erhalten und gleichzeitig zur Dekarbonisierung beitragen. Die TU Darmstadt untersucht dieses Konzept im Rahmen ihrer Clean Circles Initiative.

Branchenschwerpunkte: B2B, Digitalisierung (von KI bis XR), Maschinenbau, Logistik, Erneuerbare Energien und Industrie

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Technologische Reife und Entwicklungsperspektiven

Die technologische Reife der verschiedenen Komponenten unterscheidet sich erheblich. Die Oxidation von Metallen zur Energiefreisetzung ist seit langem bekannt und wird bereits in Spezialanwendungen genutzt. Aluminium- und Eisenpartikel finden Verwendung in Ariane-Boosterraketen, Feuerwerkskörpern und anderen pyrotechnischen Anwendungen. Die grundlegenden chemischen Prozesse sind also beherrscht und verstanden.

Die kontrollierte Reaktion mit Wasser oder Wasserdampf bei moderaten Temperaturen zur Wärme- und Wasserstoffgewinnung befindet sich im Pilotstadium. Das SPF Institut für Solartechnik in Rapperswil hat einen Prototyp in Betrieb genommen, der im Rahmen des REVEAL-Projekts entwickelt wurde. Nach der Inbetriebnahme soll dieser demonstrieren, wie aus Aluminium durch chemische Prozesse Wärme und Strom für Gebäude produziert werden können. Die produzierte Energie dient der Energieversorgung von Gebäuden und Industriebetrieben oder kann in Fernwärmenetze eingespeist werden.

Die ETH Zürich betreibt auf dem Campus Hönggerberg eine Pilotanlage für eisenbasierte Wasserstoffspeicherung. Drei Edelstahlkessel mit jeweils sechshundert Kilogramm Eisenoxid können langfristig etwa zehn Megawattstunden Wasserstoff speichern. Daraus entstehen vier bis sechs Megawattstunden Strom, abhängig von der Umwandlungstechnologie. Die Anlage läuft seit 2024 und soll bis 2026 erweitert werden, um ein Fünftel des Strombedarfs des Campus im Winter mit saisonal gespeichertem Solarstrom zu decken. Eine Skalierung auf eintausend Tonnen Eisenoxid könnte zwei Gigawattstunden Strom liefern und wäre mit einem Zehntel der Kapazität des Pumpspeicherkraftwerks Nant de Drance vergleichbar.

Die größte technologische Herausforderung liegt in der kohlendioxidfreien Metallproduktion. Für Eisen ist die Direktreduktion mit grünem Wasserstoff industriell bereits erprobt. Mehrere Stahlkonzerne bauen derzeit Demonstrationsanlagen und planen den schrittweisen Umstieg bis 2030 bis 2040. Die Technologie hat einen Reifegrad von etwa sieben bis acht auf einer Skala bis neun und nähert sich damit der kommerziellen Verfügbarkeit.

Bei Aluminium steht die inerte Anodentechnologie vor dem Durchbruch. Trimet in Essen betreibt seit 2024 eine Demonstratoranlage unter Produktionsbedingungen. Das Unternehmen rechnet mit einer industriellen Umsetzung bis 2040 und Klimaneutralität bis 2045. Auch internationale Konzerne wie Norsk Hydro und Rio Tinto investieren massiv in diese Technologie. Apple hat bereits die erste Lieferung von Aluminium aus einer Pilotanlage mit inerten Anoden gekauft, um es in Smartphones zu verbauen. Dies zeigt das kommerzielle Interesse und die Glaubwürdigkeit der Technologie.

Ein kritischer Faktor bleibt die Skalierung. Die Weltjahresproduktion von Aluminium liegt bei etwa siebzig Millionen Tonnen, die von Stahl bei fast zwei Milliarden Tonnen. Für einen signifikanten Beitrag zur saisonalen Energiespeicherung wären zusätzliche Produktionskapazitäten erforderlich. Doch diese würden nicht zwingend die Rohstoffmärkte destabilisieren. Aluminium und Eisen gehören zu den häufigsten Elementen der Erdkruste. Die Ressourcen sind praktisch unbegrenzt. Die Produktion wäre hauptsächlich durch die Verfügbarkeit günstiger erneuerbarer Energie limitiert.

Genau hier liegt eine entscheidende Chance. Regionen mit exzellenten Bedingungen für erneuerbare Energien, aber geringer lokaler Nachfrage, könnten zu Metallproduzenten werden. Island mit seiner geothermischen und hydroelektrischen Energie, Nordafrika mit seiner intensiven Sonneneinstrahlung, oder Patagonien mit seinen Windressourcen könnten in großem Maßstab Metalle für den Export produzieren. Der Transport ist einfach und sicher. Containerschiffe können Metallgranulate unter normalen Bedingungen transportieren, ohne die Risiken und Kosten, die mit Flüssigwasserstoff oder verflüssigtem Erdgas verbunden sind.

Globale Energieflüsse neu gedacht

Die Internationalisierung der Energieversorgung mittels metallischer Energieträger würde globale Handelsströme fundamental verändern. Europa gibt jährlich über dreihundert Milliarden Euro für fossile Energieimporte aus. Deutschland allein zwischen achtzig und einhundertdreißig Milliarden. Diese enormen Summen fließen größtenteils in Länder mit autoritären Regimen, deren Politiken oft den europäischen Werten widersprechen. Die Finanzierung dieser Importe trägt zur geopolitischen Instabilität bei und macht Europa erpressbar, wie die jüngsten Energiekrisen schmerzhaft demonstriert haben.

Ein Übergang zu metallischen Energieträgern könnte diese Abhängigkeiten auflösen und gleichzeitig neue Partnerschaften ermöglichen. Länder mit reichlich erneuerbaren Ressourcen, aber begrenzter eigener Industrialisierung, erhielten eine wertvolle Exportperspektive. Marokko mit seinem Solarpotenzial, Chile mit seiner Windenergie und geothermischen Kapazität, oder Australien mit seiner enormen Fläche für erneuerbare Energien könnten zu Metallproduzenten werden. Diese Länder sind überwiegend demokratisch verfasst und teilen grundlegende Werte mit Europa. Die Energieimporte würden somit zur Entwicklungsfinanzierung beitragen, statt Autokratien zu stützen.

Die Kreislaufwirtschaft metallischer Brennstoffe unterscheidet sich fundamental von fossilen Energieträgern. Kohle, Öl und Gas werden irreversibel verbrannt und in Treibhausgase umgewandelt. Metalle zirkulieren im Kreislauf. Das oxidierte Metall wird zurück zur Reduktionsanlage transportiert und erneut beladen. Dieser Kreislauf kann theoretisch unbegrenzt oft durchlaufen werden, ohne dass Material verloren geht oder degradiert. Die Forschenden der ETH Zürich beobachten sogar, dass die Speicherkapazität ihrer Eisenreaktoren mit jedem Zyklus leicht steigt.

Dieser Kreislaufansatz hat weitreichende ökonomische Implikationen. Die Investition in Metallproduktion amortisiert sich über zahlreiche Zyklen. Anders als bei Batterien, deren Kapazität mit jedem Zyklus abnimmt, bleiben metallische Speicher praktisch unbegrenzt nutzbar. Die anfänglichen Investitionen in Reduktions- und Oxidationsanlagen sowie in das Metall selbst mögen erheblich sein, doch auf Jahrzehnte gerechnet ergeben sich konkurrenzfähige Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde.

Die Modellrechnungen der Schweizer Forschenden gehen von etwa zwanzig Rappen pro Kilowattstunde für Strom und Wärme aus einem Aluminiumspeichersystem aus. Dies liegt im Bereich der Gestehungskosten erneuerbarer Energien und deutlich unter den Kosten für Spitzenlaststrom in Wintermonaten. Bei steigender technologischer Reife und Skalierung dürften die Kosten weiter sinken. Die Geschichte der Photovoltaik und der Windenergie zeigt, wie dramatisch Kostenreduktionen durch Lernkurveneffekte sein können.

Risiken und Herausforderungen

Trotz des vielversprechenden Potenzials bestehen erhebliche Herausforderungen und Risiken. Die technologische Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Insbesondere die kohlendioxidfreie Aluminiumproduktion mit inerten Anoden befindet sich erst am Übergang zur industriellen Umsetzung. Zahlreiche frühere Anläufe, diese Technologie zu etablieren, sind gescheitert. Die inerte Anode hat den Ruf, immer kurz vor der Fertigstellung zu stehen, ohne dass der Durchbruch gelingt.

Die erhöhten Stromkosten stellen ein Problem dar. Inerte Anoden setzen nicht nur kein Kohlendioxid frei, sie liefern auch keine Prozessenergie wie die Kohlenstoffanoden. Der Strombedarf pro Tonne Aluminium steigt daher. Bei bereits hohen Energiekosten in Europa könnte dies die Wettbewerbsfähigkeit beeinträchtigen. Die Aluminiumproduktion könnte sich weiter in Regionen mit besonders günstiger Energie verlagern, während Europa zum reinen Importeur würde.

Die Konkurrenz um erneuerbare Energien verschärft sich. Zahlreiche Sektoren streben nach Elektrifizierung. Die Industrie benötigt grünen Wasserstoff für chemische Prozesse und Stahlproduktion. Der Verkehr elektrifiziert sich mit Millionen von Elektrofahrzeugen. Digitale Infrastrukturen mit ihren Rechenzentren verbrauchen wachsende Strommengen. In diesem Wettbewerb müssen metallische Speicher ihre ökonomische Überlegenheit erst unter Beweis stellen.

Die infrastrukturellen Anforderungen sind beträchtlich. Für einen signifikanten Beitrag zur Winterversorgung wären Millionen dezentraler Speichersysteme oder große zentrale Anlagen erforderlich. Der Aufbau dieser Infrastruktur erfordert Zeit, Kapital und politischen Willen. Die Amortisationszeiten solcher Systeme liegen möglicherweise bei Jahrzehnten, was private Investoren abschrecken könnte. Staatliche Förderung und regulatorische Anreize wären vermutlich notwendig.

Die Umweltauswirkungen der massiv ausgebauten Metallproduktion müssen kritisch geprüft werden. Auch wenn die Herstellung kohlendioxidfrei erfolgt, verbraucht sie enorme Mengen an Strom. Dieser Strom muss zusätzlich zu allen anderen Bedarfen aus erneuerbaren Quellen stammen. Der Flächenbedarf für die entsprechenden Wind- und Solaranlagen ist erheblich. Zudem erfordert die Bauxitgewinnung für Aluminium großflächigen Bergbau mit den damit verbundenen ökologischen und sozialen Folgen.

Die gesellschaftliche Akzeptanz neuer Energietechnologien ist fragil. Jede großtechnische Anlage stößt auf lokalen Widerstand. Der Bau von Windrädern, Solarparks und Stromtrassen wird regelmäßig durch Bürgerinitiativen verzögert oder verhindert. Metallreduktionsanlagen, die bei hohen Temperaturen arbeiten und erhebliche Strommengen verbrauchen, könnten ähnlichen Widerständen begegnen. Eine transparente Kommunikation über Nutzen, Risiken und Umweltauswirkungen ist unerlässlich.

Strategische Perspektiven für Europa

Für Europa bietet die Entwicklung metallischer Brennstoffe eine strategische Chance, technologische Führerschaft in einem Zukunftsmarkt zu etablieren. Die Schweizer und deutschen Forschungsinstitutionen gehören zur Weltspitze auf diesem Gebiet. Das REVEAL-Projekt bringt führende europäische Partner zusammen. Die industrielle Kompetenz in Metallurgie, chemischer Verfahrenstechnik und Energiesystemintegration ist in Europa vorhanden.

Eine koordinierte europäische Strategie könnte mehrere Elemente umfassen. Erstens die Fortführung und Intensivierung der Forschungsförderung. Die bisherigen Investitionen haben beachtliche Fortschritte ermöglicht. Eine Skalierung der Fördermittel würde den Technologievorsprung ausbauen. Zweitens die Schaffung regulatorischer Anreize für die Markteinführung. Einspeisevergütungen oder Investitionszuschüsse könnten frühe Anwender motivieren.

Drittens die Integration in die europäische Energieinfrastrukturstrategie. Die geplanten Wasserstoffnetze könnten erweitert werden, um auch metallische Energieträger zu berücksichtigen. Bestehende Gasinfrastruktur ließe sich teilweise umwidmen. Viertens die internationale Kooperation mit Ländern, die ideale Bedingungen für die Metallproduktion bieten. Entwicklungspartnerschaften mit nordafrikanischen Ländern, Investitionen in südamerikanische Produktionskapazitäten oder Technologietransfer nach Asien könnten win-win-Situationen schaffen.

Die geopolitische Dimension darf nicht unterschätzt werden. Eine geringere Abhängigkeit von fossilen Energieimporten erhöht die politische Handlungsfreiheit Europas erheblich. Die Fähigkeit, Energieversorgung im Winter aus heimischen oder verlässlichen internationalen Quellen sicherzustellen, stärkt die Resilienz gegen externe Schocks. Die Diversifizierung der Energiequellen und Lieferketten reduziert Erpressungspotenziale autoritärer Regime.

Gleichzeitig entstehen neue Abhängigkeiten. Europa würde womöglich von Metallimporten abhängig, ähnlich wie heute von fossilen Brennstoffen. Der Unterschied liegt in der Reversibilität und Kreislauffähigkeit. Metalle können zurückgeführt und erneut beladen werden. Es entsteht keine existenzielle Verknappung wie bei endlichen fossilen Ressourcen. Zudem lässt sich die Produktion grundsätzlich auch in Europa ansiedeln, sofern ausreichend günstige erneuerbare Energie verfügbar ist.

Die Zukunft der Energiespeicherung

Metallische Brennstoffe werden nicht die alleinige Lösung für die Herausforderungen der Energiewende sein. Vielmehr werden sie Teil eines differenzierten Portfolios von Speichertechnologien. Lithium-Ionen-Batterien behalten ihre Stärke im Kurzzeitbereich von Stunden bis Tagen. Pumpspeicherkraftwerke bleiben unverzichtbar für die Netzstabilisierung und den Ausgleich von Tages- und Wochenschwankungen. Wasserstoff wird in der Industrie als Prozessgas und Reduktionsmittel benötigt.

Die spezifische Nische metallischer Brennstoffe liegt in der saisonalen Langzeitspeicherung mit dem Schwerpunkt auf Wärmeversorgung. Hier vereinen sie die Vorteile hoher Energiedichte, einfacher Handhabung, günstiger Rohstoffe und guter Sektorenkopplung. In dieser Kombination sind sie anderen Technologien überlegen. Die weitere Entwicklung wird zeigen, ob und wie schnell diese theoretischen Vorteile in der Praxis realisiert werden können.

Die kommenden Jahre werden entscheidend sein. Mehrere Pilotanlagen befinden sich in Betrieb oder im Aufbau. Die Erfahrungen aus diesen Projekten werden zeigen, ob die technischen und ökonomischen Erwartungen erfüllt werden. Die Entwicklung der inerten Anodentechnologie wird darüber entscheiden, ob kohlendioxidfreie Aluminiumproduktion tatsächlich in großem Maßstab möglich wird. Die Bereitschaft von Industrie und Politik, in diese Technologie zu investieren, wird den Zeitrahmen bestimmen.

Die Integration in bestehende Energiesysteme erfordert nicht nur technologische, sondern auch regulatorische und marktwirtschaftliche Innovation. Neue Geschäftsmodelle müssen entwickelt werden, die die Besonderheiten metallischer Speicher berücksichtigen. Langfristige Verträge zwischen Produzenten, Speicherbetreibern und Energieversorgern sind notwendig, um Investitionssicherheit zu schaffen. Die Bewertung der klimatischen und energiewirtschaftlichen Vorteile muss sich in entsprechenden Marktpreisen oder Fördermechanismen niederschlagen.

Die gesellschaftliche Debatte über Energiespeicherung muss breiter werden. Zu lange konzentrierte sich die Diskussion einseitig auf Wasserstoff als vermeintliche Universallösung. Die Realität ist komplexer. Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Lösungen. Metallische Brennstoffe verdienen in dieser Landschaft einen prominenten Platz. Ihre Vorteile sind zu bedeutend, um ignoriert zu werden. Ihre Potenziale zu groß, um ungenutzt zu bleiben.

Die Transformation des Energiesystems ist eine der größten technologischen und ökonomischen Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Sie erfordert Mut zu Innovation, Bereitschaft zu Investitionen und Offenheit für neue Lösungen. Metallische Brennstoffe bieten eine solche neue Lösung. Sie sind mehr als eine interessante Kuriosität aus dem Labor. Sie könnten ein Gamechanger werden für die saisonale Energiespeicherung. Ein Baustein zur Lösung der Winterstromlücke. Ein Pfad zur energetischen Unabhängigkeit. Eine Alternative, die Wasserstoff nicht ersetzt, aber sinnvoll ergänzt und in manchen Anwendungen übertrifft. Die weitere Entwicklung verdient Aufmerksamkeit, Unterstützung und kritische Begleitung. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob metallische Brennstoffe ihr Versprechen einlösen können.

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