Aus geothermischen Quellen im deutschen Rheintal kann über Jahrzehnte zuverlässig Lithium gewonnen werden, ohne dass diese Quellen versiegen. Zu diesem Ergebnis kommen aktuelle Datenanalysen von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), die heute veröffentlicht wurden die Zeitschrift Energien.

Auf dem Weg zur Klimaneutralität benötigt Europa große Mengen Lithium für Batteriespeicher. Bisher beträgt der Anteil Europas am weltweiten Lithiumabbau jedoch nur 1 %. Daher untersuchen Wissenschaftler des KIT Möglichkeiten, Lithium aus geothermischen Quellen zu gewinnen. „Theoretisch könnten Geothermiekraftwerke im Oberrheintal und im Norddeutschen Becken zwischen 2 und 12 Prozent des jährlichen Lithiumbedarfs Deutschlands decken“, erklärt Valentin Goldberg vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT.

Dieses Potenzial errechneten er und sein Team anhand einer umfassenden Datenanalyse. Zunächst war unklar, wie lange Lithium gefördert werden kann, ohne dass der Fluss austrocknet. Die neueste Studie der Forscher bietet nun einen optimistischen Ausblick. „Nach unseren Erkenntnissen wird die Lithiumgewinnung über viele Jahre hinweg mit geringen Umweltkosten möglich sein“, sagt Goldberg. „Das für unsere Studie entwickelte Modell beschreibt die Lithiumgewinnung im Oberrheintal. Aber die Parameter wurden so gewählt, dass sie auch auf andere Bereiche übertragbar sind.“

Modellierung der geothermischen Lithiumproduktion

Die Gewinnung von Lithium aus Thermalwasser ist keine konventionelle Form des Bergbaus. Herkömmliche Methoden sind daher für die Analyse nicht anwendbar. „In Wasser gelöstes Lithium existiert in einem weitverzweigten Netzwerk von Verbindungen und Hohlräumen im Gestein. Allerdings ist es örtlich nur über einzelne Brunnen zugänglich“, erklärt Fabian Nitschke von der AGW, der ebenfalls an dieser Forschung beteiligt ist. „Die Größe des Reservoirs hängt also von der Wassermenge ab, die über die Brunnen hydraulisch zugänglich ist. »

Um das Lithiumproduktionspotenzial zu berechnen, mussten die Forscher das potenzielle Wasserextraktionsvolumen, die Lithiumkonzentration und die Lithiumextraktion pro Zeiteinheit berücksichtigen. „Wir verwenden ein dynamisches Transportmodell, das an die Untergrundbedingungen des Oberrheintals angepasst ist. Es verbindet thermische, hydraulische und chemische Prozesse. Ähnliche Modelle sind in der Öl- und Gasindustrie bekannt, wurden aber bisher nicht auf Lithium angewendet“, sagt Nitschke.

Bei der Nutzung von Geothermie wird das geförderte Wasser über ein zweites Bohrloch in den Boden gepumpt. Die Forscher wollten wissen, ob die Lithiumkonzentration in tiefen Gewässern mit der Zeit abnimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lithiumkonzentration im Förderbohrloch im ersten Drittel des dreißigjährigen Untersuchungszeitraums um dreißig bis fünfzig Prozent abnimmt, da das Tiefenwasser durch das geförderte Wasser verdünnt wird. Die Lithiumkonzentration bleibt dann konstant. „Dies ist auf das offene Verbindungssystem zurückzuführen, das kontinuierlich frisches Tiefenwasser aus anderen Richtungen liefert“, sagt Nitschke. Modelle deuten darauf hin, dass eine weitere Lithiumförderung über Jahrzehnte hinweg möglich sein wird: „Tatsächlich weist die Förderung dieser unkonventionellen Ressource ein klassisches zyklisches Verhalten auf. Auch die Erträge aus der Kohlenwasserstoffgewinnung oder dem Erzbergbau sind zunächst am höchsten und beginnen dann allmählich zu sinken.

Eine kluge Investition in eine nachhaltige Zukunft

Thomas Kohl von der AGW, als Professor für Geothermie und Lagerstättentechnik verantwortlich für die Forschungsaktivitäten, sieht in den Forschungsergebnissen ein weiteres Argument für die flächendeckende Nutzung der Geothermie. „Wir wissen bereits, dass geothermische Quellen jahrzehntelang erneuerbare Energie mit Grundlastkapazität bereitstellen können. Unsere Forschung zeigt nun, dass ein einziges Kraftwerk im Oberrheintal auch bis zu drei Prozent des jährlichen Lithiumverbrauchs in Deutschland decken könnte.“ Die Kohl-Gruppe arbeitet derzeit an Lösungen für die praktische Umsetzung. Die Gruppe veröffentlichte kürzlich in Desalination eine Studie zur Vorbehandlung von Thermalwasser für die Rohstoffgewinnung. „Der nächste Schritt besteht nun darin, diese Technologie im industriellen Maßstab anzuwenden“, sagt Kohl.