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Warum benötigen wir so viel Lithium?

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Lithium entwickelt sich zum meistgefragten Rohstoff der Welt. Laut Prognosen der Marktforscher von Benchmark Minerals könnte sich der weltweite Lithium-Bedarf bis zum Jahr 2028 fast verzehnfachen. Verwendung findet Lithium als Ladungsträger in Akkus – insbesondere in der Elektromobilität ist das Alkalimetall gefragt. Experten schätzen, dass bis 2028 jährlich rund 1,6 Mio. Tonnen Lithium allein für Akkus notwendig sind. Kein anderes Element bietet vergleichbare Eigenschaften für langlebige Batterieanwendungen. Bislang gilt Lithium als unersetzlich. Kein Wunder also, dass viele Akteure nach bislang nicht genutzten Lithiumvorkommen und alternativen Gewinnungsmethoden suchen – auch in Deutschland, das zur weltweiten Produktion von Lithium bislang keinen Beitrag leistet. Die Kernfrage dabei: Lässt sich Lithium auch in Deutschland regional und nachhaltig produzieren?

Wo wird Lithium abgebaut?

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Der globale Bedarf an Lithium, Kobalt und Nickel zur Produktion von Lithium-Ionen-Batterien steigt. Im Dreiländereck Bolivien, Chile, Argentinien sollen 70 Prozent der weltweiten Lithium-Vorkommen lagern. Weltweit größter Produzent von Lithium ist derzeit Australien mit jährlich rund 40.000 Tonnen. Die Wirtschaftlichkeit des Abbaus hängt vom Lithiumgehalt in der jeweiligen Lagerstätte sowie von den eingesetzten Technologien und Methoden zur Gewinnung ab. Deutschland taucht bei der Lithiumgewinnung bislang nicht auf der Landkarte auf. Das könnte sich bald ändern: In der Geothermieanlage Bruchsal entstehen nicht nur grüner Strom und emissionsfreie Wärme. Hier testet die EnBW zusammen mit Projektpartnern auch die nachhaltige Gewinnung von Lithium aus heißem Tiefenwasser, dem sogenannten Thermalwasser.

Das sind die größten Lieferländer weltweit

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Australien war 2020 der weltweit größte Produzent von Lithium. Deutschland spielt bei der Produktion von Lithium bislang keine Rolle (Quelle: US Geological Survey)

Wie gewinnt man Lithium?

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Lithium findet sich in Solen oder in Gestein. In Chile etwa bilden die drei Salzseen der Atacama-Wüste ein riesiges Lithium-Reservoir. Die Sole wird dort genau wie bei der Salzgewinnung aus Meerwasser zum gezielten Verdunsten in künstlich angelegte Becken gepumpt. Nach zahlreichen Verdunstungs­schritten entsteht die benötigte Konzentration, um Lithium weiter verarbeiten zu können – erst dann können es Batterie- oder Autohersteller für den Einsatz in Batterien verwenden. Australische Bergbaukonzerne gewinnen Lithium wiederum aus Gesteinen im offenen Tagebau.

Lithium in Europa und Deutschland

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In Bruchsal erprobt die EnBW die klimaneutrale, industrielle Gewinnung von Lithium aus der Tiefengeothermie. Im Video erklären die EnBW-Forscher Elif Kaymakci und Thomas Kölbel das gemeinsam mit dem KIT entwickelte Verfahren.

Hierzulande steckt Lithium in einigen Regionen im sogenannten Thermalwasser in Tausenden Metern Tiefe – so viel ist bekannt. Über das Verfahren der Geothermie dient Tiefenwasser bereits vielerorts zur Stromversorgung und Bereitstellung von Wärme. Das heiße Wasser wird gefördert und nach der thermischen Nutzung über Wärmetauscher wieder in die Erde zurückgeführt. An die Wärmetauscher angeschlossen sind in der Regel ein Fernwärmenetz und ein Kraftwerk mit Turbine und Generator zur Stromerzeugung. So wie in Bruchsal: Im dortigen Geothermiekraftwerk erzeugt die EnBW gemeinsam mit den Stadtwerken Bruchsal rund 0,5 MW elektrische Leistung und versorgt die Bereitschaftspolizei Bruchsal über eine 400 Meter lange Nahwärmeleitung.

Nun könnte Bruchsal auch als neuer Produktionsstandort auf der weltweiten Karte der Lithiumförderstätten auftauchen. Der Grund: Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundprojekt „UnLimited“ („Untersuchungen zur Lithiumproduktion aus heißen Tiefenwässern in Deutschland“) erprobt mit einer Pilotanlage in Bruchsal die Potenziale der Lithiumgewinnung aus dem salzhaltigen Thermalwasser, welches das Geothermiekraftwerk zur Energieproduktion an die Erdoberfläche und zurück pumpt. Mit dabei: die EnBW, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Göttingen und die Unternehmen BESTEC sowie HYDROSION.

Lässt sich Lithium umweltfreundlich gewinnen?

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Bevor das Thermalwasser wieder zurückgeleitet wird, durchläuft es ein Extraktionsverfahren, um das Lithium herauszufiltern.

Insbesondere die Lithiumgewinnung durch das Verdunsten von Meeres- und Solewasser steht wegen des hohen Wasserverbrauchs und des gleichzeitigen Wassermangels in einigen Produktionsländern häufig in der Kritik. Umso wichtiger ist es, nach alternativen Abbauregionen und nachhaltigen Methoden der Lithiumgewinnung zu suchen. Das Forschungsprojekt „UnLimited“ könnte nun einen Weg aufzeigen, wie sich Lithium umweltfreundlich aus Thermalwasser gewinnen lässt. Und das obendrein quasi nebenbei, denn das Tiefenwasser pumpt das Geothermiekraftwerk in Bruchsal ohnehin für die Strom- und Wärmeversorgung an die Oberfläche und zurück in den Boden. „Das in Bruchsal erbohrte Wasser ist mit rund 150 Milligramm Lithium pro Liter Wasser relativ reich an Lithium“, erklärt Thomas Kölbel, Group Expert Geothermie bei der EnBW.

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Genug Lithium für 20.000 Batterien jährlich

Rund 30 Liter Wasser strömen pro Sekunde in der Geothermie-Anlage des Oberrheingrabens nach oben. Bei rund 8.000 Betriebsstunden jährlich lässt sich in der Bruchsaler Geothermie-Anlage eine Lithiummenge fördern, die ausreichend ist für die Produktion von etwa 20.000 Akkus für Elektroautos. Für die Extraktion des wertvollen Rohstoffs bringen die „UnLimited“-Partner ein Ionensieb in den Kreislauf aus gefördertem und zurückgeführten Thermalwasser ein: In Zylindern werden in einem ersten Schritt die Lithiumionen aus dem Thermalwasser herausgefiltert und in einem zweiten Schritt weiter konzentriert, bis sich das gelöste Lithium als Salz ausfällen lässt. Weil das in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierende Thermalwasser nach der Nutzung wieder in den Untergrund zurückfließt, bleiben die unterirdischen Tiefenwasservorräte erhalten. Die geothermische Strom- und Wärmeproduktion ist durch die Lithiumgewinnung ebenfalls nicht gestört.

Im Realversuch in Bruchsal streben die Projektpartner eine Effizienz des Extraktionsverfahrens von etwa 70 Prozent an – genug, um die Wirtschaftlichkeit von Geothermieanlagen über das „Nebenprodukt“ Lithium weiter zu erhöhen. Denn der Rohstoff ist wertvoll: Von 2004 bis 2018 hatte sich der Preis für eine Tonne Lithium an den Märkten verzehnfacht. Wachsende Produktionskapazitäten und ein zunehmendes Recycling von Lithium aus alten Batterien bremsen derzeit zwar die Preise. Die steigende Nachfrage dürfte jedoch dazu führen, dass sich die Gewinnung von Lithium aus Geothermieanlagen langfristig rechnet.

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Nachhaltige Förderung von Lithium

Ist das Innovationsprojekt erfolgreich, könnten europäische Geothermiekraftwerke etwa am Oberrhein demnächst quasi auf zwei Arten die Energiewende unterstützen: Die tief unter der Erde schier unendliche Energiequelle Thermalwasser für die Erzeugung von Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien nutzen – und gleichzeitig eines der besonders wichtigen, immer mehr benötigten Batteriemetalle zutage fördern. Mit der Zunahme der Elektrifizierung der Autoantriebe dürfte auch mehr und mehr die Frage des CO₂-Abdrucks und der Umwelteinflüsse bei der Gewinnung und Produktion des gefragten Lithiums in den Fokus rücken. Kurze Transportwege, eine von geopolitischen Risiken unabhängige Lieferkette und eine ökologisch nachhaltige Erzeugung sind für europäische Autohersteller durchaus attraktiv. „UnLimited“ zeigt einen Weg auf, wie sich der zunehmende Bedarf möglicherweise zumindest zum Teil mit lokalen, klimaneutralen Gewinnungsmethoden decken lässt.

Prognosen zu den Potenzialen von Lithiumsolen gibt es allerdings bislang noch nicht. Ziel des Forschungsprojekts „UnLimited“ ist daher auch, ein besseres Verständnis für das Potenzial lithiumreicher Tiefenwässer in Deutschland zu erreichen.

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