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Lithium

Lithium (Li) in den playa Evaporiten, Black Rock Desert Project, Nevada USA. Quelle: Nevada Energy Metals Inc.
Prinzip der Lithiumgewinnung aus Thermalwasser. Quelle: Mariappan
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
Blockschaltbild der Lithiumerzeugung in Insheim. Quelle: Vulcan.

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 '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.
  • In Deutschland wird eine bestehende Geothermie-Anlage (Insheim) zum ersten geothermischen Lithium der EU nachgerüstet. Weitere Projekte, wie in Bruchsal werden entwickelt.
  • Ansonsten gilt für Deutschland Ähnliches wie für Frankreich.
  • Im Süden des Vereinigten Königreichs soll im Rahmen des laufenden Projekts Cornish Lithium die Geothermie aufgewerten
  • 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.

Literatur

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)

Ed MROCZEK, Duncan GRAHAM, Gaetano DEDUAL, Lew BACON: Lithium Extraction from Wairakei Geothermal Fluid using Electrodialysis, World Geothermal Congress (2015)

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)

Mariappan Parans Paranthaman, Ling Li, Jiaqi Luo, Thomas Hoke, Huseyin Ucar, Bruce A. Moyer , and Stephen Harrison: Recovery of Lithium from Geothermal Brine with Lithium–Aluminum Layered Double Hydroxide Chloride Sorbents. In: Environ. Sci. Technol. Nummer 51(22) (2017), S. 13481-13486 

Tomohiro Matsushita, Kotaro Yonezu, Yudzuru Inoue‚P, 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.

Weblinks

http://www.heise.de/newsticker/meldung/Start-up-will-Lithium-aus-Geothermie-Kraftwerken-gewinnen-1385103.html

http://www.tiefegeothermie.de/news/bergbau-und-geothermie-projekt-in-usa-will-lithium-extrahieren

zuletzt bearbeitet Juni 2020