Lithiumgewinnung aus Geothermalwässern

In mehreren Regionen Deutschlands, darunter dem Oberrheingraben, dem Norddeutschen Becken und dem Oberschwäbischen Molassebecken, wurden in den Tiefenwässern relevante Lithiummengen von bis zu 250 Milligramm pro Liter gemessen. Diese Ressource bietet die Chance, Lithium lokal und nachhaltig zu gewinnen, um unabhängiger von Importen zu werden. Geothermiekraftwerke bieten sich an, um die Lithiumextraktion direkt zu integrieren. Sie fördern kontinuierlich große Thermalwassermengen aus der Tiefe.

Stand der Technik

Ein industriell etabliertes Verfahren zur Lithiumgewinnung aus Tiefenwässern existiert bislang nicht, sondern verschiedene Verfahren mit Absorbermaterialien, Ionentauschern und Membranen konkurrieren. Die meisten Verfahren erfordern lange Verweilzeiten, erzeugen häufig unerwünschte radioaktive Nebenprodukte oder kämpfen mit der komplexen Zusammensetzung der Tiefenwässer mit gelösten Gasen und verschiedenen Ionen. Zudem werden zusätzliche Energiequellen und angepasste Druckwerte benötigt, so dass eine kontinuierliche Prozessführung im Kraftwerk mit besonderen Herausforderungen verbunden ist.

Technologie

Forschende des KIT haben ein membranbasiertes Verfahren entwickelt, das dem Geothermiekreislauf nachgeschaltet ist und sich so nahtlos integriert. Das Verfahren nutzt das abgekühlte Thermalwasser (70-75 Grad Celsius) nach der Wärmeentnahme und arbeitet mit dem vorhandenen Anlagendruck (20-22 bar). Die Technologie umfasst zwei gekoppelte Anlagenteile. Zunächst werden in Wickelmembranen mithilfe von Nanofiltration störende mehrwertige Ionen, wie Calcium oder Magnesium, aus dem Thermalwasser abgetrennt. Das gefilterte Wasser wird im zweiten Schritt mithilfe von Restwärme durch Membrandestillation aufkonzentriert: Wasserdampf diffundiert durch eine hydrophobe, mikroporöse Membran – zurück bleibt eine hochkonzentrierte Lösung aus Lithiumchlorid, die zu festem Lithiumhydroxid oder Lithiumkarbonat weiterverarbeitet werden kann. Zum Schluss wird das abgetrennte Wasser zusammen mit dem anfänglich abgetrennten Konzentrat in den Untergrund reinjiziert.

Vorteile

Das Extraktionsverfahren ist kompatibel mit bestehenden Prozessen im Geothermiekraftwerk, ohne deren Energieproduktion zu beeinträchtigen. Es benötigt keine zusätzlichen Druckerzeuger oder Heizungen. Mit mehreren parallel geschalteten Modulen im seriellen Aufbau ist die Skalierbarkeit hoher Volumenströme von bis zu 70 Litern pro Sekunde und mehr darstellbar.

Optionen für Unternehmen

Labortests am KIT bestätigen die technische Machbarkeit, die Übertragung in den Realbetrieb in Geothermiekraftwerken mit Zugang zu lithiumhaltigem Thermalwasser steht noch aus. Für die Pilotierung unter realen Bedingungen und die Skalierung sucht das KIT Partner aus der Geothermie- und Anlagenbaubranche.