FAQ

Lithium ist ein höchst vielseitiges Metall. Es ist aus der Glas- und Keramikverarbeitung, aber auch aus Schmiermitteln und aus einer Vielzahl von speziellen Salzen nicht wegzudenken. Auch in der Pharmazie findet Lithium Anwendung. Seit einigen Jahren steigt die Verwendung von Lithium insbesondere in wieder aufladbaren Batterien, also Lithiumionen-Akkus, sowohl in der Unterhaltungselektronik (Tablets, Smartphones) als auch in Elektrofahrzeugen.

Aktuell werden die globalen Endverbrauchermärkte wie folgt geschätzt: Batterien (74%); Keramik und Glas (14 %); Schmierfette (3 %); Stranggussformpulver (2 %); Polymerherstellung (2 %); Luftaufbereitung (1 %); und Luftaufbereitung (1%); und andere Verwendungen (4%).

Reines Lithium ist an der Luft sehr reaktiv. Es wird daher in Form verschiedener Lithiumsalze produziert und verarbeitet. Hier dominieren Lithiumkarbonat und Lithiumhydroxid, aber auch Lithiumchlorid. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte dieser Verbindungen wurde zur besseren Vergleichbarkeit der Begriff „Lithiumkarbonatäquivalent“ (LCE) eingeführt.

Seit 2019 wird die Anwendung von Lithiumhydroxid bei der Festkörpersynthese von Kathodenmaterialien bevorzugt, da diese eine schnelle und vollständige Synthese bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht. Dadurch verbessern sich Leistung und Lebensdauer einer Lithiumionen-Batterie. Für diese Anwendungen wird die höchste Reinheit der Lithiumsalze von mindestens 99,5 % (Battery Grade) benötigt.

Für die Lithiumextraktion aus heißem Tiefenwasser bieten sich verschiedene Optionen, die unter dem Oberbegriff „Direkte Lithium-Extraktionsprozesse (DLE)“ zusammengefasst werden. Eine vielversprechende Methode zur direkten Extraktion von Lithium aus Thermalwässern stellen Sorptions- bzw. Ionenaustauschprozesse dar. Dabei findet die Sorption an anorganischen Sorbenten, wie beispielswiese Manganoxiden, statt. Diese besitzen eine hohe Selektivität für Lithium-Ionen, was aufgrund der hohen Salzfracht der Thermalwässer vorteilhaft ist. Daher hat das Projektteam von UnLimited sich für dieses Verfahren entschieden.

Weitere Verfahren, die im Zusammenhang mit heißen Tiefenwässern untersucht werden, sind die Flüssig-Flüssig-Extraktion, die Kopräzipitation an Aluminiumverbindungen sowie Ionentauscherharze und Membranverfahren. 

Viele geothermische Tiefenwässer in Deutschland sind hoch mineralisiert. Für den Oberrheingraben sind Gesamtlösungsinhalte von über 100 g/L bekannt. Dies entspricht ungefähr dem Vierfachen von Meerwasser. Dabei dominieren Natrium und Chlorid. Lithium ist im Thermalwasser mit ca. 0,1 % am Gesamtlösungsinhalt nur in Spuren vorhanden. Die Entnahme von Lithium hat daher nur sehr geringe Auswirkungen auf die Chemie des Thermalwassers.

Die hohe Selektivität der Manganoxid-Sorbenten für Lithium beruht auf der speziellen Kristallstruktur. Der Sorbent besitzt kleine Tunnel, ähnlich einem Schwamm, in denen nur Lithium sorbieren kann. Andere im Tiefenwasser gelöste Elemente werden daher gar nicht oder nur in geringen Mengen sorbiert. Dieses erwartete Verhalten konnte in eigenen Laboruntersuchungen bereits belegt werden. Die praktische Bestätigung an einer Geothermieanlage im Betrieb steht noch aus und ist ein wichtiger Untersuchungspunkt im Projekt UnLimited. Zu diesem Zweck wird am Standort in Bruchsal ein aufwändiges hydrochemisches Monitoringsystem aufgebaut und die Lithium-Selektivität des Sorptionsverfahrens im Praxiseinsatz überwacht und bewertet. 

Die Adsorptionskapazität drückt aus wie viel Milligramm Lithium pro Gramm Sorbent aus dem Geothermalwasser aufgenommen werden kann und ist von mehreren Faktoren abhängig. Dabei wird sie im Wesentlichen von der Anfangskonzentration an Lithium im Thermalwasser und dem Verhältnis von eingesetzter Sorbentenmenge zu Thermalwasservolumen bestimmt. Versuche, die im Rahmen von UnLimited bereits durchgeführt wurden, zeigen für Manganoxide eine Sorptionskapazität von bis zu 18 mg/g.

Die direkten Extraktionsverfahren (DLE) sind aufgrund ihrer verschiedenen Funktionsweisen unterschiedlich gut mit dem bestehenden Kraftwerksbetrieb in Einklang zu bringen. Während die Lithiumgewinnung etwa mittels Kopräzipitation die Anlagentechnik durch mehrere Verfahrensschritte mit großem Zeit- und Platzbedarf verkompliziert, fügen sich Sorptionsverfahren deutlich einfacher und auch platzsparender in die bestehende Infrastruktur einer Geothermieanlage ein.

In den Tests für UnLimited wird im Wesentlichen über einen Bypass ein Teilstrom des geförderten Thermalwassers durch eine Extraktionseinheit geleitet. Die eigentliche Adsorption benötigt nur sehr wenig Zeit. Das an Lithium abgereicherte Thermalwasser wird vollständig und ohne Emissionen zurück in den Untergrund geleitet. Der eigentliche Kraftwerksbetrieb kann somit ohne Einschränkungen fortgeführt werden.

Für die jährliche Förderung von 800 Tonnen werden bei einer Förderrate von 30 Liter pro Sekunde zwei Bohrungen benötigt. Diese stehen am Standort Bruchsal zur Verfügung. Wichtig ist an dieser Stelle auch, dass die verschiedenen Lithiumsalze und vor allem auch elementares Lithium sehr unterschiedliche Dichten aufweisen. So entspricht ein Kilogramm elementares Lithium etwa 5,3 Kilogramm Lithiumkarbonat. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass für die Gewinnung von einem Kilogramm Lithiumkarbonat lediglich knapp 200 g Lithium aus dem Thermalwasser entnommen werden muss. 

Als Ressource werden Lagerstätten bezeichnet, die zu einem gegebenen Zeitpunkt unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten nicht betrieben werden können. Üblicherweise werden die Ressourcen je nach geologischem Kenntnisstand in vermutete, angezeigte und gemessene Ressourcen unterteilt. Infolge der voranschreitenden Exploration hat die Menge der identifizierten Lithiumressourcen weltweit erheblich zugenommen und beläuft sich aktuell auf ca. 89 Millionen Tonnen (U.S. Geological Survey). Die 10 Länder mit den größten Lithiumressourcen weltweit sind Bolivien (21 Mio. Tonnen), Argentinien (19,3 Mio. Tonnen), Chile (9,6 Mio. Tonnen), Australien (6,4 Mio. Tonnen), USA (7,9 Mio. Tonnen), China (5,1 Mio. Tonnen), Kongo (3 Mio. Tonnen), Kanada (2,9 Mio. Tonnen), Deutschland (2,7 Mio. Tonnen) und Mexiko (1,7 Mio. Tonnen).

Unter Reserven versteht man dagegen die Menge eines bereits erschlossenen Rohstoffes, die mit den derzeit verfügbaren technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden kann. Sie wird häufig in die wahrscheinliche und die gesicherte Reserve unterteilt. Die Reserve wird im Allgemeinen von einem Bergbauunternehmen nach bestimmten Standards (z.B. JORC) berechnet und von einem unabhängigen Gutachter bestätigt. Aufgrund ihrer Abhängigkeit von der wirtschaftlichen und technischen Situation, stellt die Reserve eine variable Größe dar, die nur bedingt Aussagen zur Rohstoffverfügbarkeit zulässt. Insgesamt belaufen sich die Lithium-Reserven weltweit auf etwa 22 Millionen Tonnen (U.S. Geological Survey).  Die Länder mit den größten Lithium-Reserven sind demnach Chile (9,2 Mio. Tonnen), Australien (5,7 Mio. Tonnen), Argentinien (2,2 Mio. Tonnen) und China (1,5 Mio. Tonnen).

Die überschlägige Abschätzung der Lithiumressourcen im Oberrheingraben und Norddeutschen Becken ist Aufgabe in UnLimited. Exemplarisch für den Standort Deutschland werden Detailuntersuchungen an ausgewählten Teststandorten durchgeführt. Hierbei stehen sowohl die gelösten Konzentrationen des Lithiums im Thermalwasser und deren Änderungen mit der Zeit als auch die Bestimmung der Herkunft des Lithiums im Vordergrund. Ziel ist es, sowohl die Größe der Lagerstätten und mögliche Gewinnungsraten als auch die Nachhaltigkeit der Bewirtschaftung zu ermitteln.

Lithium ist kein seltenes Element, aber nicht häufig in Lagerstätten so hoch konzentriert, dass sich die Gewinnung lohnt. Derzeit sind die wirtschaftlich wichtigsten Quellen für das Element weltweit Festgesteinsvorkommen und Salzseen, sogenannte Solevorkommen. Diese beiden teilen sich nahezu hälftig das globale Angebot von Lithium. Neben Salzseen und Festgesteinen enthalten auch Flusswasser (etwa 3 µg/L) und Meerwasser (etwa 180 µg/l) Lithium. Die heißen Tiefenwässer im Oberrheingraben enthalten Lithium in der Größenordnung von etwa 150 bis 200 Milligramm Lithium je Liter, also 1000-mal mehr als Meerwasser. Es gibt verschiedene Ansätze zur Erklärung der Herkunft dieser Lithiumgehalte, wie etwa Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und hydrothermale Prozesse. Die Herkunft des Lithiums soll im Projekt UnLimited weiter untersucht werden. 

Die Tiefenwässer im Oberrheingebiet weisen Lithiumkonzentration von bis zu 200 mg/L auf. Bei einer Förderrate von 50 L/s, 8000 Betriebsstunden und einer Lithiumgewinnungsrate von 70 % könnte im Oberrheingraben Lithiumcarbonat in der Größenordnung von circa 1.000 Tonnen pro Jahr produziert werden. Die ursprüngliche Herkunft des Lithiums in Tiefenwässern ist bisher weitestgehend unbekannt, aber ein wichtiger Parameter für die nachhaltige Bewirtschaftung der Ressource. Um die Frage der Nachhaltigkeit zu klären, wird im Verbundprojekt UnLimited ein Markierungsversuch durchgeführt.

Lithium ist ein Spurenelement, d.h. es ist in einem Gestein mit einem Gehalt von weniger als 0,1 Gew.-% vertreten. Die Entstehung von Hohlräumen wie sie aus dem klassischen Bergbau bekannt sind, können daher nicht entstehen. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass durch Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen Lithium aus lithiumführenden Mineralen durch den Kontakt mit heißen, sehr alten Tiefenwässern bereits gelöst und über die Zeit in den Tiefenwässern angereichert wurde.

Die Geothermieanlagen in Deutschland arbeiten allesamt in einem geschlossenen Kreislauf. Das bedeutet, dass weder Gase noch Flüssigkeiten an die Umwelt abgegeben werden. Bei der Sorption handelt es sich um ein umweltverträgliches Verfahren, der eingesetzte Sorbent kann über mehrere Extraktionszyklen verwendet werden. Inwiefern natürlich-vorkommende Radionuklide, die in Gesteinen und auch in Grund- und Tiefenwässern vorkommen, bei der Lithiumgewinnung mit adsorbiert werden, wird durch ein hydrochemisches Monitoringsystem in UnLimited detailliert untersucht. Die Ergebnisse fließen in ein Life-Cycle-Assessment ein, mit dem unter anderem die Umweltverträglichkeit der eingesetzten Sorbenten bewertet wird.

In ersten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass gerade Sorptionsverfahren gegenüber anderen Gewinnungsverfahren für Lithium durch einen niedrigen Energieverbrauch gekennzeichnet sind. Wie hoch dieser Betrag genau ist, soll im Projekt UnLimited bestimmt werden.

Die eingesetzten Sorbenten werden nach der Beladung mit Lithium mit einem Desorptionsmittel gewaschen und sind danach direkt wieder für den nächsten Beladungszyklus einsatzbereit. In Laboruntersuchungen zeigte der Manganoxid-Sorbent eine hohe Stabilität und somit eine Wiederverwendbarkeit für viele Zyklen.  Diese Laborergebnisse sollen im Projekt UnLimited weiter untersucht werden.

Die Lithiummenge, die allein in der Geothermieanlage in Bruchsal bei 8.000 Betriebsstunden jährlich gefördert wird, ist für die Produktion von etwa 20.000 Batterien für den Einsatz in Elektroautos ausreichend (Annahmen: 60 kWh Batteriekapazität, Lithiumgewinnungsrate: 70%). Bei einer Förderrate von 30 L/s werden dabei überschlägig rund 800 Tonnen Lithiumchlorid pro Betriebsjahr gefördert.

Ob und wie sich eine Lithiumgewinnung aus heißen Tiefenwässern am Oberrhein im Wettbewerb mit Lithium etwa aus Südamerika oder Australien beweisen kann, ist heute noch unklar und daher ein wichtiger Untersuchungspunkt im Projekt UnLimited. Jüngste Veröffentlichungen staatlicher Forschungseinrichtungen der USA nennen Betriebskosten von etwa 4.000 € je Tonne Lithiumsalz am einem Geothermiestandort in Salton Sea (Utah). Dieser Betrag ist nicht unähnlich zu den Kosten der Lithiumgewinnung in den klassischen, heute genutzten Lagerstätten. Inwiefern sich die Kostenschätzungen mit Anlagen etwa am Oberrhein vergleichen lassen, müssen die eigenen Untersuchungen noch zeigen. Wichtig ist aber, dass sich für die Produktion von Lithiumbatterien in Deutschland mit Lithium vom Oberrhein lange Transportstrecken und die damit verbundenen Kosten und Umwelteinwirkungen vermeiden lassen.

Es gibt viele Punkte, die Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer Lithiumgewinnung aus heißen Tiefenwässern besitzen. Wichtig sind hierbei die Anlagenkosten und der Energieverbrauch, aber auch der Lithiumgehalt des Thermalwassers, sowie die Förderraten und vieles mehr. Die Wirtschaftlichkeit der geothermischen Lithiumgewinnung kann daher nicht an einem einzelnen Schwellenwert festgemacht werden.

Für die Lebensdauer einer Geothermieanlage werden üblicherweise 30 oder gar mehr Jahre zugrunde gelegt. Im toskanischen Larderello kann bereits heute auf eine mehr als 100 Jahre währende Stromproduktion aus Geothermie zurückgeblickt werden. Ob sich über einen vergleichbaren Zeitraum neben Energie auch Lithium gewinnen lässt, muss noch nachgewiesen werden. Diese Fragestellung ist ein wesentlicher Schwerpunkt im Projekt UnLimited.

Pläne zur Lithiumgewinnung aus Meerwasser sind nicht neu. Die Ozeane enthalten Lithium in niedrigen Konzentrationen von durchschnittlich 0,2 mg/L. Dieser Wert ist um den Faktor 1000 niedriger als die Lithiumgehalte der heißen Tiefenwässer am Oberrhein. Um Lithium im größeren Stil aus Meerwasser zu gewinnen, sind folglich sehr große Mengen Meerwasser und damit ein hoher Energieaufwand notwendig. Ob und inwieweit sich Lithium aus Meerwasser unter wirtschaftlichen Bedingungen und mit geringem Umweltfußabdruck gewinnen lässt, ist daher derzeit noch unklar.

Die direkten Extraktionsverfahren können prinzipiell auf andere Standorte mit geothermischer Nutzung übertragen werden. Auch wird bereits untersucht, ob sich die direkte Lithiumextraktion an den südamerikanischen Salzseen, also einer klassischen Lagerstätte, einsetzen lässt. Ob diese Bestrebungen erfolgreich sein werden, hängt jedoch stark von den jeweiligen Standortbedingungen ab.

Ein vollständiges Wertschöpfungsnetzwerk, das die Batterieproduktion etwa für ein E-Auto im groß-industriellen Maßstab abbildet, befindet sich in Europa gerade erst im Aufbau. Europäische Unternehmen sind daher stark von Batteriezellimporten abhängig. Durch die Erprobung neuer Technologien zur Lithiumgewinnung aus Tiefenwässern kann wesentlich zur Vervollständigung einer regionalen Wertschöpfungskette beigetragen werden. Von besonderer Bedeutung ist die lokale Gewinnung des Rohstoffs Lithium in Deutschland auch im Hinblick auf die Vermeidung von langen Transportwegen und Abhängigkeiten. Eine erfolgreiche Umsetzung der Lithiumgewinnung aus geothermischen Wässern würde zudem dazu beitragen Deutschland unabhängiger von globalen Rohstoffmärkten zu machen, sowie globale Preisschwankungen und Versorgungsschwierigkeiten zu puffern. Gleichzeitig kann die Co-Produktion von Lithium zu positiven wirtschaftlichen Effekten für die Geothermiebranche führen.  

Das Forschungsprojekt UnLimited beschäftigt sich mit der Lithiumextraktion aus geothermischem Tiefenwasser in Deutschland. Die Forschung und durchgeführten Untersuchungen umfassen besonders die Region des Oberrheingrabens und des Norddeutschen Beckens, da dort die höchsten Lithiumgehalte in den Thermalwässern innerhalb Deutschlands belegt sind. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Verfahrens, das die Lithiumproduktion aus den geförderten Tiefenwässern begleitend zu deren geothermischen Nutzung ermöglichen soll. Damit einhergehend soll die Nachhaltigkeit einer geothermischen Lithiumproduktion, sowie die damit zusammenhängende Herkunft und Mobilität des Lithiums in geothermischen Reservoiren bewertet werden.

Bei UnLimited handelt es sich um ein Verbundprojekt unter Federführung der Energie Baden-Württemberg AG (EnBW) und vier weiteren Projektpartnern, darunter die Projektentwicklungsgesellschaft Bestec, die Beratungsgesellschaft Hydrosion, das Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) und die Georg-August-Universität Göttingen.

Zuwendung erhält das Forschungsvorhaben durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz infolge eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Dabei steht die Nutzungsmöglichkeit einer heimischen Ressource als förderpolitisches Ziel im Vordergrund.

Auf der Webseite von UnLimited werden regelmäßig die neuesten Fortschritte und Informationen des Projektes veröffentlicht. Gerne können Sie sich auch für unseren Newsletter registrieren und erhalten so die neuesten Meldungen per Mail.