Lithium und Tiefengeothermie
 

Warum Lithium?

Seit Jahrzehnten gelten Lithium-Ionen-Batterien als Standard in der Industrie. Sie werden nicht nur in den Akkus von Smartphones und Laptops verbaut, sondern auch in Elektrofahrzeugen.

Da die Kosten für die Gewinnung von Lithium vergleichsweise hoch sind, werden auch andere Technologien wie z. B. die Natrium-Ionen-Batterie in Betracht gezogen. Natrium kann aus vielen Mineralien und sogar aus Meerwasser gewonnen werden. Es ist eines der häufigsten Elemente der Erde. Aktuell erreichen Natrium-Ionen-Batterien oft nicht die gleiche Leistung wie Lithium-Ionen-Batterien. Natrium-Ionen-Batterien benötigen meist größere Akkupacks für die gleiche Energiemenge, eignen sich jedoch gut sehr für den stationären Einsatz. Auch halten sie bei Kälte besser ihre Leistungsfähigkeit.
Zur Zeit ist die Technologie der jahrzehntelang optimierten Lithium-Ionen-Technik jedoch noch unterlegen. Die Infrastruktur für den Bau von Lithium-Ionen-Batterien ist seit Langem vorhanden und gut ausgebaut. Allerdings hat die Wissenschaft die Vorteile von Natrium-Ionen-Speichern erkannt und beginnt, die Möglichkeiten dieser neuen Technologie auszunutzen. 

Lithium hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Durch die hohe Energiedichte werden kleinere Akkupacks als beispielsweise bei Natrium-Ionen-Akkus benötigt, was Lithium-Ionen-Akkus besonders für den Einsatz in Mobilgeräten interessant macht. Durch die wachsende Bedeutung der Elektromobilität steigt auch der Bedarf an leistungsfähigen Akkus deutlich. Dadurch gewinnt der Rohstoff Lithium auch im Zusammenhang mit den Klima- und Energiezielen an Bedeutung.  Allerdings rollen in China bereits erste Fahrzeuge mit Natrium-Ionen-Akkus vom Band. Da diese Akkus aktuell im Vergleich zu Litium-Ionen-Akkus etwa ein Drittel günstiger sind, ist das zu einer echten Alternative geworden. Mittelfristig ist zu erwarten, dass der Preis für Lithium hierdurch fallen wird, was eine Förderung unrentabler macht.

Das Europäische Parlament hat im Dezember 2023 den Critical Raw Materials Act beschlossen. Er soll dazu beitragen, die Versorgung der EU mit kritischen und strategischen Rohstoffen zu sichern. Dies betrifft auch Lithium.

Als Alternative zur teuren Förderung von neuem Lithium wird zukünftig geprüft, ob man den Stoff auch aus verbrauchten Akkus recyceln kann.

Der Status Quo

In Festgestein vorkommendes Lithium wird durch konventionellen Bergbau gewonnen, gelöstes Lithium wird aus Thermalwasser extrahiert. In Südamerika beispielsweise gewinnt man Lithium zudem durch Verdunstung des lithiumhaltigen Wassers aus Salzseen.

Bislang importiert Deutschland das benötigte Lithium aus China, Südamerika oder Australien. Durch das steigende Interesse wird auch die Gewinnung von Lithium in Deutschland untersucht. Dies führte zu einer Art Goldgräberstimmung im Oberrheingraben. Hier werden stellenweise Lithiumgehalte von etwa 150 bis 200 mg/l erwartet. 

Gewinnung von Lithium durch Tiefengeothermie

Die Gewinnung von Lithium aus Thermalwasser befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Erste Anlagen wurden in Betrieb genommen. Erfahrungen aus einem mehrjährigen Regelbetrieb liegen nur in begrenztem Umfang vor. 

Bislang war diese Technologie auch wenig rentabel. Der Preis für Lithium ist schwankend. Das Recycling von Lithium aus Batterien steht vor der Marktreife. Hierdurch könnte der Preis weiter sinken.

Das Fraunhofer Institut sieht zudem in seinem Whitepaper „Batterierohstoff Lithium“ den hohen Frischwasserbedarf von etwa 80m³/t bei der Extraktion als großen Nachteil. Es wird ebenso betont, dass es eine Herausforderung sei, bei der Extraktion von Lithium aus Tiefenwasser das komplizierte geochemische Gleichgewicht zu erhalten und das Ausfallen anderer Stoffe wie Silikate oder Kalzite zu vermeiden. Letzteres sei mit erheblichen technischen Risiken verbunden. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass es herausfordernd sei, die Technologie über lange Zeit unter sehr hohem Druck (bis über 30 bar) zu betreiben. Wie aufwändig und energieintensiv der Extraktionsprozess ist, wird gut auf der Seite des Bundesverbands der Geothermie beschrieben.

Der Bau einer Tiefengeothemieanlage verursacht hohe Kosten.

Die Lithiumkonzentration im Oberrheingraben ist unterschiedlich. Der tatsächliche Lithiumgehalt des Tiefenwassers kann erst nach der Bohrung festgestellt werden. Da das Wasser nach der Extraktion wieder in den Aquifer zurück geführt wird, nimmt der Lithiumgehalt des Tiefenwassers auch stetig ab, bis er sich auf etwa 50 Prozent des ursprünglichen Wertes stabilisiert. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem von den geologischen Gegebenheiten und dem jeweiligen Förderkonzept ab. 

Risiken der Gewinnung aus Tiefenwasser-Extraktion (abhängig von der Methode)

– Hohe Bohrkosten
– Fündigkeitsrisiko
– ggf. Nutzung redundanter Bohr-Dubletten zur Lithium-Förderung
– Hoher Frischwasser- und Energiebedarf
– Chemikalieneinsatz für die Extraktion kann hoch sein 
– Freisetzung von Ammoniak und Benzol
– lokale Emissionssteigerung durch starken Schwerverkehr
– Noch junge, nicht vollständig erprobte Technologie
– ggf. Flächenversiegelung durch Bau einer Aufbereitungsanlage

Da die Bohrkosten ein enormer Faktor sind und der Preis für Lithium schwankt, wird es rentabler, wenn man ein bestehendes Kraftwerk übernimmt und somit die Bohrkosten entfallen.

Ein Beispiel hierfür ist der Standort Landau.

Nach mehreren Störfällen wurden die Kraftwerke in Landau und Insheim von der Firma Vulcan übernommen. Aus dem Thermalwasser beider Anlagen wird heute Lithium gewonnen.

In Landau wurde eine separate Anlage gebaut, mit der Lithiumchlorid aus der Sole extrahiert wird. Dieses wird dann zur Weiterverarbeitung mit Tankfahrzeugen 130 Km weit nach Frankfurt gebracht. Nach Angaben von Vulcan bestehen für die bei der Herstellung von Lithiumhydroxid anfallende Salzsäure Nutzungsmöglichkeiten.