Nachhaltiges Lithium aus heimischen Quellen

Lithium ist ein zentraler Rohstoff für die Energiewende und wird vor allem in Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, elektronische Geräte und Energiespeichersysteme verwendet. Der weltweite Bedarf an Lithium wird bis 2030 voraussichtlich um das Sechsfache steigen, was die strategische Bedeutung heimischer Ressourcen in Deutschland und Europa erhöht. Im Projekt »ThermIon« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie ein neues Verfahren zur selektiven Lithium-Gewinnung aus geothermalen Quellen.

Ausgangslage

Geothermalsolen werden üblicherweise energetisch genutzt. Das reicht von der einfachen Anwendung in Thermalbädern über Wärmeversorgungsnetze bis hin zur Erzeugung von Strom aus geothermalen Hochenthalpiequellen (Quellen >200°C). In den Geothermalsolen sind eine Vielzahl von Metallionen sowie Gase gelöst, die aus geochemischer Sicht eine komplexe Herausforderung für die Nutzung darstellen. Die Solen dürfen nicht zu sehr abgekühlt werden und müssen unter Druck bleiben, damit ein Ausgasen vermieden wird und alle Mineralien in Lösung bleiben. Um Lithium zu gewinnen, müssen deshalb Verfahren entwickelt werden, die hochselektiv ausschließlich Lithium extrahieren und alle weiteren Zustandsbedingungen der Solen unberührt lassen. Solche Verfahren bezeichnet man als Direkt-Lithium-Extraktionsverfahren (DLE). Elektrochemische Extraktionsverfahren, wie die Lithium-Ionen-Pumpe gelten als äußerst vielversprechender Ansatz, erfordern jedoch noch die Überführung vom Labor- in den industriellen Maßstab.

Ziel

Obwohl bereits verschiedene Verfahrensansätze zur Lithium-Gewinnung aus Thermalwasser in der Entwicklung sind, ist bislang keine marktreife Technologie verfügbar. »ThermIon« will eine umweltfreundliche, wirtschaftlich attraktive und innovative, für Lithium geeignete Extraktionstechnologie entwickeln und demonstrieren. Dabei soll die gesamte Prozesskette, von der Vorbehandlung der Sole, über die Lithiumextraktion, die Lithiumcarbonat- oder Lithiumhydroxidkristallisation bis zur kontrollierten Rückführung der Sole, berücksichtigt werden. Dafür wird das Forschungsteam zunächst die Lithiumressourcen in den geothermalen Grundwasserleitern des Oberrheingrabens anhand von geohydrologischen Untersuchungen und Simulationen in Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bewerten.

Lösungsansatz

Die Herausforderung besteht darin, das Lithium selektiv aus diesen geothermalen Gewässern zu extrahieren, ohne durch bspw. Druck- oder pH-Änderungen das komplexe geochemische Gleichgewicht zu stören und das Ausfallen von weiteren Inhaltsstoffen wie z.B. Silikaten und Kalziten zu riskieren. Letzteres wäre zudem mit erheblichen technischen Risiken für den Betrieb der Geothermieanlage verbunden.

In »ThermIon« wird deshalb die Direct-Lithium-Extraction-(DLE)-Technologie weiterentwickelt, da diese hochselektiv nur das Lithium aus der Sole extrahiert und die anderen Elemente unberührt lässt. Die besondere Herausforderung an die DLE-Technologien besteht darin, diese auch unter hohen Temperaturen und sehr hohen Drücken von bis zu 30 bar über lange Zeiträume zu betreiben. Das Forschungsteam setzt dabei auf das Verfahren der »Lithium-Ionen-Pumpe«, zu dem das Team erste Vorversuche im Labor durchgeführt hat. Diese »Pumpe« lagert, angetrieben durch ein elektrisches Feld, Lithium-Ionen in eine spezielle Lithium-Mangan-Oxid-Elektrode ein und setzt diese bei Umkehr der Polarität wieder in eine Rückgewinnungslösung frei. Dadurch kann eine konzentrierte Lithiumchlorid-Lösung mit hoher Reinheit gewonnen werden.

Zwischenergebnisse

In einem ersten Schritt haben wir den Prozess der »Lithium-Ionen-Pumpe« vom Becherglasexperiment in einen automatisierten Zyklenteststand mit mehreren Kanälen übertragen. Der kontinuierliche Betrieb ermöglicht die Erfassung umfangreicher Datensätze unter standardisierten Bedingungen und erlaubt Aussagen zur Langzeitstabilität der eingesetzten Materialien. In einem ersten Langzeittest konnten bereits 900 Extraktionszyklen demonstriert werden, wobei weiteres Optimierungspotenzial besteht, etwa durch geringere Laderaten oder schonendere Spannungsbereiche.

Auch auf Reaktorebene wurden weitere Fortschritte erzielt. Während Festbettreaktoren oder Reaktoren mit Durchströmung des Aktivmaterials (»packed-bed« oder »flow-through«) durch verbesserten Massentransport eine erhöhte Lithiumaufnahme ermöglichen, gehen sie mit hohen Druckverlusten, ungleichmäßigen Überströmungsprofilen und erhöhtem Spülaufwand einher. Durch die Adaption der Elektroden an das aus der Membrantechnologie bekannte »flow-by«-Design lassen sich geringe Packungsdichten und niedrige hydraulische Druckverluste realisieren, wodurch der Pumpenergiebedarf sinkt und gleichzeitig effektive Spülprozeduren bei vergleichbarer Lithiumaufnahme möglich werden. Zusätzlich führt die Auftragung der Elektrodenpaste mittels Siebdruckverfahrens zu einer homogeneren Oberfläche und verbesserten Überströmung im Reaktor.

• BWG Geochemische Beratung GmbH
• Deutsche ErdWärme GmbH
• DVGW-Forschungsstelle am EBI des KIT
• Hydroisotop GmbH
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Department of Geothermal Research
• K-UTEC AG Salt Technologies
• Universität Bremen – Chair of Energy Storage and Energy 
• Conversion Systems
• VKTA – Strahlenschutz, Analytik & Entsorgung Rossendorf e.V.

Das Projekt »ThermIon«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.