Lithium ist der Treibstoff der Elektromobilität. Doch sein Abbau verursacht in den Lieferländern erhebliche ökologische Probleme. Karlsruher Forscher arbeiten deshalb an einer neuen Methode zur schonenden Lithiumgewinnung in Deutschland.
Karlsruhe - Als habilitierter Geologe beschäftigt sich Jens Grimmer schon seit vielen Jahren mit Gesteinen und ihren Eigenschaften. Der Wissenschaftler vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat in China und Skandinavien sowie im Schwarzwald und im Oberrheingraben geforscht. Die letztgenannte Region steht auch im Mittelpunkt eines aktuellen Projekts von Grimmer und seiner Forscherkollegin Florencia Saravia von der Forschungsstelle des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfachs. Ziel der Wissenschaftler ist die nachhaltige Gewinnung von Lithium. Das Alkalimetall ist ein wichtiger Rohstoff für Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Elektroautos und E-Bikes, aber auch in vielen anderen Elektrogeräten stecken. Sollten die Absatzzahlen batteriebetriebener Autos wie erwartet steigen, wird die weltweite Lithiumnachfrage kräftig anziehen. In manchen Prognosen wird bis zum Ende dieses Jahrzehnts eine Verzehnfachung erwartet.
Der größte Teil der globalen Lithiumproduktion stammt aus Australien, Argentinien und Chile. Während das Metall in Australien aus lithiumreichem Gestein gewonnen wird, sind in den südamerikanischen Förderländern Salzwüsten die wichtigste Quelle. Dort wird lithiumhaltiges Salzwasser aus unterirdischen Seen an die Oberfläche gepumpt und in großen Becken verdunstet, bis das gelöste Lithium eine so hohe Konzentration aufweist, dass es zu Lithiumkarbonat verarbeitet werden kann. Umweltschützer machen diese Art der Lithiumproduktion verantwortlich für sinkende Grundwasserspiegel und die Versalzung von Trinkwasservorkommen in einer ohnehin sehr trockenen Region.
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Daher überlegte Jens Grimmer, wie sich der ökologische Rucksack des Rohstoffs verkleinern und zugleich die Versorgungssicherheit erhöhen lassen könnte. Das brachte ihn auf die Idee, das weiße Gold aus dem Wasser zu gewinnen, dass in Geothermieanlagen zirkuliert. Diese Anlagen, von denen es unter anderem in der Rheinebene einige gibt, nutzen die höheren Temperaturen in mehreren Kilometer Tiefe zur klimafreundlichen Energiegewinnung. Auf seinem Weg durch das Gestein nimmt das auf bis zu 200 Grad erwärmte Wasser lösliche Stoffe auf, darunter Lithium. Und das in erheblichen Mengen. „Die Konzentration ist mit bis zu 200 Milligramm pro Liter rund 1000-mal höher als beispielsweise im Meerwasser“, so Grimmer.
Um gelöste Stoffe aus Flüssigkeiten herauszuholen, gibt es neben der Verdunstung eine ganze Reihe von Methoden – etwa Ionentauscher oder die Flüssigextraktion. Grimmer und seine Forscherkollegin Saravia haben sich für ein komplexes Membranverfahren entschieden. Sie ließen sich dabei unter anderem von modernen Meerwasserentsalzungsanlagen inspirieren. Auch andere gesuchte Rohstoffe wie Rubidium oder Cäsium könnten so aus Geothermiewasser gewonnen werden. Zu viele Details will Grimmer nicht verraten, weil die KIT-Forscher ihr Verfahren zum Patent angemeldet haben.
Lithium als Geothermie-Nebenprodukt hat laut Grimmer mehrere Vorteile. So müsse durch die Nutzung der Wärme aus dem Untergrund keine Energie zugeführt werden. Das Verfahren sei daher praktisch klimaneutral. Und nach der Extraktion kann das Wasser zurück in den Untergrund gepumpt werden, wo es hergekommen ist. Es gibt also auch keine großen Abraumhalden wie beim Bergbau. Hinzu kommen kurze Transportwege. Nachdem die Methode im Labor bereits erprobt wurde, wollen Grimmer und Saravia mit Industriepartnern eine Pilotanlage in ein bestehendes Geothermie-Kraftwerk einbauen. Die soll im kommenden Jahr zunächst einige Kilogramm Lithiumsalze – Lithiumkarbonat oder Lithiumhydroxid – liefern. Der Kraftwerksbetrieb werde dadurch nicht gestört, versichert Grimmer. Wenn alles gut geht, könnte eine Großanlage mit einer Jahreskapazität von mehreren Hundert Tonnen gebaut werden.
Insgesamt schätzen die Forscher das Potenzial auf deutscher und französischer Seite des Oberrheingrabens auf einige Tausend Tonnen Lithium im Jahr. „Damit könnten wir in Deutschland bereits einen erheblichen Teil des aktuellen Bedarfs decken“, so Grimmer. Deutschland hat nach Angaben der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe 2018 knapp 6000 Tonnen Lithiumkarbonat importiert, den größten Teil davon aus Chile. Der inländische Bedarf dürfte indes steigen, wenn es in Deutschland gelingt, eine eigene Produktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen aufzubauen – was die Bundesregierung anstrebt, um die Abhängigkeit von asiatischen Firmen zu verringern.
Auf der anderen Seite ließe sich die inländische Lithiumgewinnung durch weitere Bohrungen steigern. Diese stoßen jedoch häufig auf Widerstand in der Bevölkerung. Zu Unrecht, wie Grimmer meint. Bei der tiefen Geothermie, bei der Bohrtiefen von drei bis fünf Kilometern üblich sind, seien die Risiken gering und mit geeigneten Vorsichtsmaßnahmen inzwischen beherrschbar. Das ist auch das Fazit einer Studie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe im Auftrag des Umweltbundesamts aus dem Jahr 2015. Die Geothermie habe ihre Lernkurve durchlaufen, meint Grimmer. Für Sicherheit sorgten technische Überwachungssysteme, die Aufsicht durch die Behörden und gesetzliche Regelungen.
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In der Vergangenheit hatte es unter anderem in Staufen und Leonberg Probleme mit Rissen in Gebäuden nach Geothermiebohrungen gegeben. Allerdings handelte es sich nicht um Tiefengeothermie-Projekte, sondern um Bohrungen für Erdwärmesonden in geringeren Tiefen.
Doch muss überhaupt so viel Lithium gefördert werden, wenn alle Akkus recycelt würden? So einfach sei das zumindest im Moment noch nicht, sagt Grimmer. „Ein Lithium-Ionen-Akku enthält nur rund drei Prozent Lithium.“ Das müsse man unter Einsatz von Energie und Chemikalien vom übrigen Material trennen. Wirtschaftlich sei das derzeit noch nicht. Hinzu kommt ein Mengenproblem: Selbst bei konsequentem Recycling würde für den massiven Ausbau der Elektromobilität eine Menge frisches Lithium benötigt. Und das, so hoffen die Forscher, könnte künftig zu einem Gutteil aus nachhaltiger heimischer Produktion kommen.
