Festoxid-Eisen-Luft-Batterie: Neue Technologie für Langzeit-Energiespeicher mit Potenzial für Tage und Wochen

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Die Energiewende stellt Stromnetze vor eine zentrale Herausforderung: Wind- und Solarenergie liefern Strom nicht kontinuierlich. Während Batteriespeicher kurzfristige Schwankungen ausgleichen können, wird die wirtschaftliche Speicherung großer Energiemengen über zehn, hundert oder sogar mehrere hundert Stunden zunehmend wichtiger. Genau hier setzt eine außergewöhnliche Speichertechnologie der University of South Carolina an: die Solid Oxide Iron-Air Battery (SOIAB), eine reversible Festoxid-Eisen-Luft-Batterie. Das von Forschern um Kevin Huang entwickelte Konzept kombiniert eine reversible Festoxid-Zelle, kurz RSOC, mit einem Energiespeicher aus Eisen. Ziel ist ein kostengünstiger Long-Duration Energy Storage (LDES), der erneuerbaren Strom über viele Stunden bis hin zu mehreren Tagen speichern kann. Eine 2024 veröffentlichte Dissertation an der University of South Carolina untersucht die Technologie inzwischen nicht nur experimentell, sondern auch mit detaillierten Simulationsmodellen und technoökonomischen Analysen für Systeme von 50 bis 500 kW und Entladezeiten von 10 bis 500 Stunden.

Wie funktioniert die Festoxid-Eisen-Luft-Batterie?

Das Grundprinzip unterscheidet sich deutlich von einer Lithium-Ionen-Batterie. Bei der SOIAB wird Energie chemisch in einem Eisen-Eisenoxid-Redoxsystem gespeichert. Das Eisen kann zwischen verschiedenen Oxidationszuständen wechseln. Beim Entladen wird metallisches Eisen oxidiert; beim Laden wird Eisenoxid wieder zu Eisen reduziert.

Die reversible Festoxid-Zelle übernimmt dabei die elektrochemische Umwandlung. Vereinfacht lässt sich das System als Kombination aus RSOC und Eisenbett verstehen. Das Eisenbett bildet die eigentliche Energiespeichereinheit, während die Festoxid-Zelle als elektrochemischer Wandler arbeitet.

Damit entsteht ein entscheidender Vorteil für Langzeitspeicher: Die Leistung und die Speicherkapazität können grundsätzlich stärker voneinander entkoppelt werden. Für mehr Leistung wird eine größere elektrochemische Zellfläche benötigt. Für mehr gespeicherte Energie kann dagegen das Eisen-Speichermaterial vergrößert werden.

Eisen statt Lithium oder Wasserstoff

Der wichtigste Rohstoff dieser Technologie ist Eisen. Das Metall ist weltweit verfügbar, vergleichsweise günstig und industriell etabliert. Dadurch unterscheidet sich die Technologie von Batteriesystemen, die auf teilweise teuren oder kritischen Rohstoffen angewiesen sind.

Auch gegenüber einem Wasserstoffspeicher ist das Konzept interessant. Bei einem klassischen Power-to-Hydrogen-to-Power-System wird überschüssiger Strom zunächst über einen Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt. Der Wasserstoff wird gespeichert und später über eine Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt.

Bei der SOIAB wird die Energie dagegen im Fe/FeOx-Redoxsystem gespeichert. Wasserstoff und Wasserdampf spielen innerhalb des Systems eine wichtige Rolle beim chemischen Transport, das Eisen bleibt jedoch das zentrale Speichermaterial.

Beeindruckende Laborergebnisse

Besonders viel Aufmerksamkeit erhielt eine 2022 veröffentlichte Untersuchung der University of South Carolina. Die Forscher demonstrierten mit einer nur etwa ein Zoll großen Laborzelle erstmals eine mehr als zehnstündige Energiespeicherung mit einer Solid Oxide Iron-Air Battery.

Unter den untersuchten Bedingungen erreichte die mit einem Iridium-Katalysator unterstützte Eisen-Energiespeichereinheit eine spezifische Energie von 625 Wh/kg, eine Zyklusdauer von 12,5 Stunden und eine Round-Trip-Effizienz von ungefähr 90 Prozent. Die Ergebnisse wurden in Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Diese Zahlen sind bemerkenswert, müssen jedoch richtig eingeordnet werden. Die Werte stammen aus einem Laboraufbau und beziehen sich insbesondere auf das untersuchte Speichermaterial beziehungsweise die Laborbedingungen. Sie bedeuten nicht, dass ein industrieller 100-MWh- oder 1-GWh-Speicher bereits eine Systemeffizienz von 90 Prozent erreicht.

Trotzdem zeigen die Ergebnisse, dass die chemische Kombination grundsätzlich für Langzeitspeicherung geeignet ist.

Der entscheidende Vorteil: lange Speicherzeiten

Der besondere Wert der SOIAB liegt nicht darin, eine Lithium-Ionen-Batterie bei kurzen Speicherzeiten zu ersetzen. Ihre Stärke liegt vielmehr bei langen Speicherzeiten.

Die University of South Carolina definiert Long-Duration Energy Storage in diesem Forschungsbereich als Speicherung von mindestens zehn Stunden. Die 2024 veröffentlichte Dissertation von Chaitali Morey untersucht sogar Entladezeiten von 10 bis 500 Stunden. Das entspricht im längsten untersuchten Fall mehr als 20 Tagen.

Damit könnte die Technologie grundsätzlich für Anwendungen interessant werden, bei denen Strom nicht nur über Stunden, sondern über mehrere Tage gespeichert werden muss.

Ein mögliches Szenario wäre beispielsweise ein Solarpark: Während sonnenreicher Tage wird überschüssiger Strom verwendet, um das Speichersystem zu laden. Bei Dunkelflauten oder längeren Perioden mit geringer erneuerbarer Erzeugung kann die gespeicherte chemische Energie wieder in Elektrizität umgewandelt werden.

Warum niedrige Lade- und Entladeraten ein Vorteil sein können

Bei klassischen Batterien ist eine hohe Leistungsdichte häufig ein entscheidendes Entwicklungsziel. Für Langzeitspeicher ist das jedoch nicht immer notwendig.

Wenn beispielsweise ein Energiespeicher für 100 oder 500 Stunden ausgelegt ist, muss er nicht seine gesamte gespeicherte Energie innerhalb weniger Stunden abgeben. Genau bei diesen niedrigen Lade- und Entladeraten zeigt die SOIAB interessante Eigenschaften.

Die Forschung der University of South Carolina konzentriert sich deshalb stark auf die sogenannte Low-Rate Performance: hohe Speicherkapazität bei gleichzeitig hoher Effizienz.

Eine wichtige technische Herausforderung: die Reaktionsgeschwindigkeit

Die Eisenchemie bringt allerdings auch Herausforderungen mit sich. Besonders die Reduktion von Eisenoxid zu metallischem Eisen kann unter bestimmten Bedingungen zu langsam ablaufen.

Die Forscher untersuchten deshalb intensiv die Reaktionskinetik und entwickelten Materialkombinationen, die diesen Prozess beschleunigen sollen. Dazu gehören unter anderem Iridium als Katalysator sowie oxidische Trägermaterialien und Protonenleiter wie BZCYYb.

Die 2024 veröffentlichte Dissertation von Chaitali Morey analysiert die Reduktion von Fe3O4 in einer H2/H2O-Atmosphäre bei Temperaturen von etwa 500 bis 575 °C. Die Arbeit zeigt, dass die Zugabe eines Iridium-Katalysators und protonenleitender Trägermaterialien die Kinetik deutlich verbessern kann.

500 Stunden Energiespeicherung im Forschungsprogramm

Besonders interessant ist, dass die Forschung nicht bei zwölf Stunden stehen bleibt. Die Arbeiten untersuchten auch deutlich längere Betriebszeiten. Unter bestimmten Bedingungen wurden Zyklen mit einer Dauer von bis zu 500 Stunden untersucht.

Dabei wurden unter anderem Temperaturen von etwa 500 °C betrachtet. Die Untersuchungen zeigen, dass die Technologie gerade bei niedrigen Lade- und Entladeraten für sehr lange Speicherzeiten interessant sein kann. Die konkrete Effizienz hängt allerdings stark von Betriebsbedingungen, Eisen-Ausnutzung, Stromdichte und Materialsystem ab.

Das Problem mit Iridium

Ein entscheidender Punkt für die zukünftige Kommerzialisierung ist allerdings der Iridium-Katalysator.

Eisen ist billig und reichlich vorhanden. Iridium ist dagegen ein sehr teures und knappes Material. Genau deshalb identifiziert die 2024 veröffentlichte technoökonomische Analyse die Iridiumkosten als einen wesentlichen Kostenfaktor des Gesamtsystems.

Die Forschung kommt zu dem Schluss, dass zwei Maßnahmen besonders wichtig sind: die erforderliche Iridium-Menge deutlich zu reduzieren und gleichzeitig die Ausnutzung des Eisen-Speichermaterials zu erhöhen.

Damit entscheidet sich ein wesentlicher Teil der wirtschaftlichen Zukunft dieser Technologie an der Materialentwicklung.

Degradation bleibt eine weitere Herausforderung

Wie bei praktisch allen wiederaufladbaren Energiespeichern spielt die Lebensdauer eine entscheidende Rolle.

Bereits die ursprünglichen Arbeiten der University of South Carolina aus dem Jahr 2012 zeigten, dass die Nutzung des Eisens einen starken Einfluss auf Speicherkapazität und Round-Trip-Effizienz besitzt. Die Forscher identifizierten außerdem einen speziellen Degradationsmechanismus während der Ladezyklen.

In den folgenden Jahren wurde die Technologie deshalb kontinuierlich weiterentwickelt. Bereits 2014 konnten die Forscher durch speziell strukturierte Speichermaterialien die Reversibilität und Stabilität des Systems verbessern.

Auch Untersuchungen bei etwa 550 °C zeigten, dass beispielsweise Ceroxid-Nanopartikel die spezifische Energie und Round-Trip-Effizienz gegenüber einem Ausgangssystem verbessern können.

Potenzial für 100 MWh bis 1 GWh

Theoretisch lässt sich die hohe spezifische Energie des Eisens auf größere Speicher übertragen. Bei einer Laborgröße von rund 625 Wh/kg ergibt sich als reine Überschlagsrechnung für 1 MWh eine Größenordnung von etwa 1,6 Tonnen Eisen. Für 100 MWh wären es rechnerisch rund 160 Tonnen und für 1 GWh etwa 1.600 Tonnen.

Diese Zahlen dürfen jedoch nicht mit der tatsächlichen Systemmasse verwechselt werden. Ein industrieller Speicher benötigt zusätzlich Festoxid-Stacks, Gehäuse, Wärmedämmung, Gasführung, Leistungselektronik, Wärmemanagement, Steuerung und weitere Komponenten.

Die Rechnung zeigt trotzdem das grundlegende Potenzial: Das eigentliche Speichermaterial könnte bei sehr großen Anlagen vergleichsweise kostengünstig skaliert werden.

Was bedeutet die Technologie für die Energiewende?

Für die zukünftige Stromversorgung könnte die Solid Oxide Iron-Air Battery eine interessante Ergänzung zu bestehenden Speichertechnologien darstellen.

Lithium-Ionen-Batterien sind besonders stark bei kurzfristiger Speicherung. Für sehr lange Speicherzeiten steigen die Kosten mit zunehmender Kapazität jedoch deutlich. Genau hier setzt Long-Duration Energy Storage an.

Eine mögliche zukünftige Speicherlandschaft könnte deshalb aus mehreren Technologien bestehen:

Lithium-Ionen-Batterien für Sekunden bis Stunden, Eisen-Festoxidspeicher für viele Stunden bis Tage, Wasserstoffspeicher für sehr lange beziehungsweise saisonale Speicheraufgaben.

Damit wäre die SOIAB nicht zwangsläufig ein Ersatz für Batterien, sondern könnte eine zusätzliche Speicherklasse bilden.

Fazit: Ein vielversprechender, aber noch nicht kommerzieller Langzeitspeicher

Die Solid Oxide Iron-Air Battery der University of South Carolina gehört zu den ungewöhnlichsten Konzepten im Bereich der Langzeit-Energiespeicherung. Die Kombination aus reversibler Festoxid-Zelle und kostengünstigem Eisen ermöglicht eine Speicherung chemischer Energie über sehr lange Zeiträume.

Laboruntersuchungen haben bereits mehr als zehn Stunden Speicherdauer, eine spezifische Energie von bis zu 625 Wh/kg unter den jeweiligen Testbedingungen und eine Round-Trip-Effizienz von ungefähr 90 Prozent demonstriert. Weitere Forschungsarbeiten untersuchen Betriebszeiten bis zu 500 Stunden sowie die wirtschaftliche Skalierung.

Die entscheidenden Herausforderungen liegen derzeit bei Kosten, Iridiumbedarf, Materialdegradation, Eisen-Ausnutzung, Stack-Lebensdauer und der Übertragung der Laborergebnisse auf industrielle Größenordnungen.

Die Technologie ist deshalb noch kein fertiger GWh-Speicher für das Stromnetz. Sie zeigt jedoch eine interessante Perspektive für die nächste Generation von Long-Duration Energy Storage: Statt teurer Batteriespeichermaterialien könnte künftig ein großer Teil der gespeicherten Energie in einem einfachen, weit verbreiteten Rohstoff wie Eisen gebunden werden.

Für Betreiber von Solar- und Windparks, Industrieunternehmen, Netzbetreiber und Entwickler großer Energiespeicher ist diese Entwicklung deshalb besonders relevant. Wenn es gelingt, den Iridiumbedarf drastisch zu senken, die Lebensdauer weiter zu erhöhen und die Festoxid-Stacks kostengünstig zu skalieren, könnte die Festoxid-Eisen-Luft-Batterie eine neue Option für die Speicherung erneuerbarer Energie über 10, 100 oder sogar mehrere hundert Stunden darstellen.