Faszination Technik Mit Geothermieanlagen nebenbei Lithium gewinnen

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein Lithium-Ionen-Sieb, das zur Adsorption von Lithium aus heimischen geothermalen Solen eingesetzt werden kann.

Lithium wird als Energiespeichermaterial in Batterien benötigt und steckt in vielen technischen Geräten und Fahrzeugen. Die Nachfrage nach dem Leichtmetall steigt seit einigen Jahren weltweit. Europa ist dabei auf Importe angewiesen. Bis jetzt – denn es gibt auch europäische Lagerstätten für Lithium, nämlich Thermalwässer in einigen Kilometern Tiefe. Sie enthalten hohe Konzentrationen an Lithium-Ionen. Diese könnten mit Geothermieanlagen, die heißes Wasser aus der Tiefe fördern, gewonnen werden. Forschende haben nun ein Lithium-Ionen-Sieb hergestellt und zur Adsorption von Lithium aus geothermalen Solen eingesetzt.

Hohe Lithium-Konzentrationen in Thermalwässern

Geothermale Solen können zwischen 0,1 und 500 Milligramm Lithium pro Liter enthalten. In Deutschland wurden im Norddeutschen Becken Lithium-Konzentrationen bis zu 240 Milligramm pro Liter gemessen, im Oberrheingraben bis zu 200 Milligramm pro Liter. Die Gewinnung von Lithium aus geothermalen Solen stellt allerdings eine große Herausforderung dar, weil die Lithium-Ionen mit vielen anderen Ionen konkurrieren.

Eine vielversprechende Möglichkeit, Lithium aus heißem Tiefenwasser zu gewinnen, ist die Adsorption, das heißt die Anlagerung von Lithium-Ionen an der Oberfläche von porösen Feststoffen. Dazu bedarf es geeigneter Adsorbentien, die nicht nur lithium-selektiv sind, sondern sich auch umweltverträglich herstellen, einsetzen und entsorgen lassen, sowie geeigneter Desorptionslösungen, um die Lithium-Ionen wieder vom Adsorbens zu lösen. Forschende vom IAM-ESS des KIT haben zusammen mit dem Bereich Forschung & Entwicklung der EnBW Energie Baden-Württemberg AG sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT und der Hydrosion GmbH ein Lithium-Ionen-Sieb hergestellt und im Labor getestet.

Lithium-Ionen-Sieb mit spezieller Kristallstruktur

Das entwickelte Lithium-Ionen-Sieb basiert auf einem Lithium-Mangan-Oxid mit einer speziellen, als Spinell bezeichneten Kristallstruktur. Die Forschenden stellten es über hydrothermale Synthese her, bei der Substanzen aus wässrigen Lösungen bei hohen Temperaturen und Drücken kristallisieren. In Labortests wurde dieses Sieb verwendet, um Lithium-Ionen aus geothermaler Sole zu adsorbieren. Die Sole stammt aus der von der EnBW betriebenen Geothermieanlage Bruchsal im Oberrheingraben. Dort untersucht der Bereich Forschung & Entwicklung der EnBW in verschiedenen Projekten die Lithiumförderung aus Thermalwasser.

Die Forschenden testeten anschließend verschiedene Desorptionslösungen, wobei Essigsäure die besten Ergebnisse brachte, was Lithium-Gewinnung und Adsorbens-Erhaltung betrifft. Allerdings kam es mit allen getesteten Desorptionslösungen, zu einer Anreicherung des Lithium-Ionen-Siebs mit konkurrierenden Ionen. Dies ist auf den hohen Mineralgehalt der Sole in Bruchsal zurückzuführen.

Die weitere Forschung steht nun vor den Herausforderungen, das Lithium-Ionen-Sieb so weiterzuentwickeln, dass es sich einfacher handhaben lässt und seine Adsorptionskapazität im Prozess nur geringfügig beeinträchtigt wird, sowie das Verfahren vom Labor- zum Pilotmaßstab hochzuskalieren. Dann kann die Lithium-Gewinnung aus geothermalen Solen künftig den Aufbau einer europäischen Lithium-Versorgung unterstützen.

Die Ergebnisse ihrer Forschung haben die Wissenschaftler in der Zeitschrift Energy Advances veröffentlicht.

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