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Lithium

lteratives Konzept der Lithiumgewinnung aus geothermicher Sole

Gelände zur gleichzeitigen Gewinnung von Elekrizität und Lithium in Hells Kitchen, USA. Quelle: GRC, Darrell Cornett.

Geothermales Lithium in Europa. Quelle: EGEC

Umweltauswirkung verschieden Lithium-Gewinnungsmethoden. Quelle: BBC

Geothermales Li in Europa mit Konzentrationen. Quelle: Stringfellow.

Orte in Deutschland mit hydrothermalem Potenzial und den jeweils höchsten gemessenen Lithiumkonzentrationen. Quelle: Agemar

Lithiumgehalte und Fließraten der für die Rohstoffextraktion interessanten Geothermiestandorte sowie den prognostizierten Bedarf der Zellfertigungen. Der Bedarf wurde basierend auf den geplanten jährlichen Kapazitäten berechnet. Quellen: DERA, Agemar et al.

Lithium (abgeleitet von altgriechisch λίθος líthos ‚Stein) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Li und der Ordnungszahl 3. Es ist ein Element der 1. IUPAC-Gruppe, der Gruppe der Alkalimetalle, und gehört zur zweiten Periode des Periodensystems der Elemente. Lithium ist ein Leichtmetall und besitzt die kleinste Dichte der unter Standardbedingungen festen Elemente.

Lithium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. Bei Raumtemperatur ist es nur in völlig trockener Luft über längere Zeit stabil, reagiert aber langsam zu Lithiumnitrid. In feuchter Luft bildet sich an der Oberfläche schnell eine mattgraue Lithiumhydroxid-Schicht aus. Wie alle Alkalimetalle reagiert elementares Lithium schon in Berührung mit der Hautfeuchtigkeit und führt so zu schweren Verätzungen und Verbrennungen. Viele Lithiumverbindungen, die in wässriger Lösung Lithiumionen bilden, sind im Gegensatz zu den entsprechenden Natrium- und Kaliumverbindungen als gesundheitsschädlich gekennzeichnet.

Primäre Lagerstätten

Lithium kommt in einigen Mineralien in Lithium-Pegmatiten vor. Die wichtigsten Minerale sind dabei Amblygonit (LiAl[PO₄]F), Lepidolith (K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂), Petalit (Kastor; LiAl[Si₄O₁₀]) und Spodumen (Triphan; LiAl[Si₂O₆]). Diese Minerale haben einen Lithiumgehalt von bis zu 9 % (bei Amblygonit). Andere, seltenere Lithiumerze sind Kryolithionit (Li₃Na₃[AlF₆]₂), das den größten Lithiumgehalt aller Mineralien aufweist, Triphylin (Li(FeII,MnII)[PO₄]) und Zinnwaldit (K(Li,Fe,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂). Lithiummineralien kommen in vielen Silikat-Gesteinen vor, aber meist nur in geringen Konzentrationen. Es gibt keine großen Lagerstätten. Da die Gewinnung von Lithium aus diesen Mineralien mit großem Aufwand verbunden ist, spielen sie heutzutage bei der Gewinnung von Lithium oder Lithiumverbindungen eine untergeordnete Rolle.

Sekundäre Lagerstätten

Lithiumsalze, insbesondere Lithiumchlorid, kommen verbreitet auch in Salzlaugen, meist Salzseen, vor. Die Konzentration kann bis zu einem Prozent betragen. Neben der Konzentration des Lithiums ist für die Qualität der Salzlauge das Mengenverhältnis von Magnesium zu Lithium wichtig. Derzeit wird Lithium vor allem in Chile (Salar de Atacama, die mit 0,16 % den höchsten bekannten Lithiumgehalt aufweist), Argentinien (Salar de Hombre Muerto), den Vereinigten Staaten von Amerika (Silver Peak, Nevada) und der Volksrepublik China (Zhabuye Lake, Tibet; Taijinaier Lake, Qinghai) gewonnen. Es gibt weitere lithiumhaltige Salzseen, die derzeit noch nicht zum Abbau genutzt werden, beispielsweise in China, Argentinien, Afghanistan und vor allem in Bolivien, wo in dem Salzsee Salar de Uyuni mit geschätzt 5,4 Millionen Tonnen Lithium die möglicherweise größten Ressourcen lagern.

Als Kuppelprodukte bei der Lithiumgewinnung werden häufig Kaliumcarbonat (Pottasche), Borax, Cäsium und Rubidium gewonnen.

Zur Extraktion von Lithium aus Solen siehe Lithium Extraktion.

Bedeutung in der Geothermie

Sekundärlagerstätten sind auch geothermische Fluide. Sie können neben anderen Mineralien, Lithium in größeren Konzetrationen enthalten. Bei der Nutzung spricht man von stofflicher Nutzung oder 'mineral extraction'.

In diesem Zusammenhang wird berichtet: Das US-Start-up Simbol Materials will nun eine Lithiumquelle nutzen, die an vielen Orten zur Verfügung steht: geothermische Kraftwerke. "Das ist eine enorme Chance, saubere erneuerbare Energie und zugleich auf nachhaltige Weise einen wichtigen Rohstoff zu gewinnen", sagt Simbol-CEO Luka Erceg. Er hält Förderkosten von 1500 Dollar pro Tonne für möglich – zu diesem Preis produziert der billigste chilenische Förderer derzeit.

Den Anfang will Simbol Materials in der 50-Megawatt-Anlage im kalifornischen Imperial Valley machen. Die heiße Salz-Wasser-Mischung, die dort hochgepumpt wird, enthält 30 Prozent gelöste Feststoffe, darunter Lithium, Mangan und Zink. Bislang wird die Sole, ausschließlich thermisch genutzt, wieder zurück in den Untergrund gedrückt (Reinjektion). Simbol Materials will in dem Kraftwerk eine Anlage installieren, die das Lithium vor dem Zurückpumpen herausfiltert. Ab 2013 sollen so 16.000 Tonnen/a Lithium gewonnen werden. Zum Vergleich: Der drittgrößte Förderer weltweit hat derzeit eine Kapazität von 22.000 Tonnen/a. Bislang (2019) betreibt Simbol Materials eine Pilotanlage, in der das Start-up Lithium aus angekauftem Lithiumkarbonat reinigt. Die Anlage kann knapp 80 Liter in der Minute bearbeiten.

Alleine die Nutzung der Geothermieanlagen in Salton Sea, USA könnten mehr als die Hälfte der derzeitigen Li-Weltproduktion erreichen.

Geothermales Lithium in Europa (2019)

Die Entwicklung wettbewerbsfähiger Ökologischer Wertschöpfungsketten in einer aufgabenorientierten EU-Industriestrategie muss ein zentrales Ziel der Europäischen Union sein: Green Deal. Vorrang sollte Tätigkeiten eingeräumt werden, die mehrere Vorteile bieten, wie beispielsweise höhere Investitionen in tiefengeothermische Energieerzeugung in Kombination mit geothermischen Lithiumanlagen. Die EU ist derzeit noch abhängig von Lithiumimporten.

Der European Green Deal muss den gesamten Lebenszyklus der Wertschöpfungskette von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling der Endverbraucher berücksichtigen. Geothermie liefert bisher zuverlässigen Strom sowie Heizung und Kühlung zu wettbewerbsfähigen Preisen. Die gemeinsame Erzeugung von Wärme und Kälte, Strom und Lithium kann für die Europäische Union ein Wettbewerbsfaktor sein.

Hochtemperatur-Lithium-reiche Sole wird aus einer Erdwärmelagerstätte an die Oberfläche gepumpt. Die Wärme wird der Sole entzogen um erneuerbare Elektrizität / Wärme zu gewinnen. Dann kann zusätzlich in einem Ionenaustauscher Roh-Lithiumcarbonat - die Form von Lithium, die in Batterien verwendet wird - gewonnen werden..

Das Erdwärmekraftwerk Soultz sous-Foret in Frankreich könnte bereits 10% des französischen Lithiumbedarfs decken.
Aus 5 Dubletten im Oberrheingraben (ORG) könnte Frankreich seinen Lithiumbedarf (2019) vollständig decken.
Die EnBW und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wollen beim Geothermiekraftwerk in Bruchsal eine Pilotanlage zur Gewinnung von Lithium aus Tiefengeothermiewasser einrichten. Das Projekt wird vom Bund mit 2,7 Mio Euro unterstützt.
Ansonsten gilt für Deutschland Ähnliches wie für Frankreich.
Im Süden des Vereinigten Königreichs soll im Rahmen des laufenden Projekts Cornish Lithium die Geothermie aufgewerten. Im geothermischen Kraftwerk United Downs in Cornwall ist die bisher höchste Lithiumkonzentration in geothermischer Flüssigkeit festgestellt worden. Das teilte Geothermal Energy Ltd (GEL) mit, das Unternehmen, das hinter dem ersten geothermischen Kraftwerk Großbritanniens steht, Tests durch Dritte hätten ergeben, dass die Flüssigkeit mehr als 250 mg/l enthalte (ähnlich wie im ORG).
Die EU fördert mit einem Horizont 2020 Projekt einige Mitgliedstaaten und private Entwickler wie Enel in Italien bei der Verwertung von Lithium und anderen Rohstoffen aus geothermischen Solen.

Geothermales Lithium in Deutschland

In Deutschland kommt zur Gewinnung von geothermalem Litium besonders der Oberrheingraben (ORG), untergeodnet auch das norddeutsche Becken (NDB) in Betracht. Im ORG sind im Thermalwasser ca. 130 g l^-1 Salze gelöst, darin enthalten bis zu 120-220 ppm (mg l^-1) Lithium. Bei einer Förderung von 80 l s^-1 Thermalwasser (1 Dublette) könnten so, wenn das Lithiumt dem Thermalwasser mit einem Ionenaustauscher zu 100% entzogen wird, in jeder geothermischen Dublette bis zu etwa 1 Tonne Lithium am Tag gewonnen werden (360 t/a). Realistischer ist wohl eine Ausbeute von 80-85%. Da das Lithiumkarbonat (Li₂CO₃) das häufigste Lithiumsalz und oft Ausgangsmaterial für andere Li-Verbindungen ist, wird die Lithiumproduktion üblicherweise in LCE (lithium carbonate equivalent) angegen. Der Umrechnungsfaktor von Lithiumcarbonat zu reinem Lithium ist 5,323. Aus einer Dublette im ORG könnten also bis zu 2.000 t LCE/a gewonnen werden Es ist allerdings zu beachten, dass es bisher (2020) noch keine industriell erproble Technologie gibt, um Lithium oder Li-Salze aus dem Thermalwasserstom zu extrahieren.

Erste Abschätzungen des Lithium-Potentials in einem 15×15 km großen Gebiet im Oberrheingrabens haben für den Buntsandstein- und Muschelkalk-Aquifer eine Lithium-Metall-Menge von 200.000 bis 300.000 Tonnen (je nach Parametervariation für Porosität und Mächtigkeit) ergeben. Dies entspricht 1 bis 1,5 Millionen Tonnen Lithium-Karbonat-Äquivalent (LCE) für diese beiden Aquifere.

Das aus einer einzigen geothermischen Dublette gewinnbare Li beträgt (nach Nitschke) 231 t/a oder 1230 t/a LCE. Es würde zur Produktion von 20.000 Autobatterien pro Jahr ausreichen.

Untersucht wird Lithium z.B. auch in Norddeutschland in dem Forschungsvorhaben Li-Fluids.

Literatur

Alms, Katharina, Felix Jagert, Jan Blömer and Ilka Gehrke, Co-production of geothermal energy and lithium from geothermal waters. EGC Berlin, 2022

Coolbaugh, Mark; Lechler, Paul; Sladek, Chris; Kratt, Chris: Lithium in Tufas of the Great Basin: Exploration Implications for Geothermal Energy and Lithium Resources, Geothermal Resources Council Transactions (2010)

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Gudrun SAEVARSDOTTIR, Paichun TAO, Hlynur STEFANSSON, William HARVEY: Potential Use of Geothermal Heat in Lithium- Ion Battery Production, World Geothermal Congress /2015)

H. Pauwels, M. Brach and C. Fouillac: Lithium Recovery from Geothermal Waters of Cesano (Italy) and Cronembourg (Alsace, France), New Zealand Geothermal Workshop (1990)

Klein, Kerry; Gaines, Linda: http://www.geothermal-energy.org/cpdb/record_detail.php?id=18787, Geothermal Resources Council Transaction (2011)

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Stringfellow,W.T.; Dobson, P.F. Technology for the Recovery of Lithium from Geothermal Brines. Energies 2021, 14, 6805. doi.org/10.3390/en14206805

Tomohiro Matsushita, Kotaro Yonezu, Yudzuru Inoueâ€šP, Koichiro Watanabe and Takushi Yokoyama: Adsorption Characteristics of Lithium Adsorbent Aimed at Recovery of Lithium from Geothermal Fluid, New Zealand Geothermal Workshop, (2013)

Yoshinaga, T., Yanagase, K., Kawano, K., Ueda, Y.: Recovery of Lithium from Geothermal Water in the Hatchobaru and Ohtake Area in Kyushu, New Zealand Geothermal Workshop (1082)

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/ oder Konferenzdatenbank.