Lithium aus Tiefenwasser soll Europas Lieferketten stärken

Im Projekt RoLiXX wird eine anpassbare Pilotanlage Lithium aus salzhaltigem Tiefenwasser gewinnen.

Foto: Fraunhofer IEG

Lithium ist wichtig in der Batterieproduktion für Elektromobilität und spielt auch in wachsenden Markt für stationäre Energiespeicher eine entscheidene Rolle. Gleichzeitig hat Europa gelernt, wie verwundbar globale Lieferketten sein können. Wenn kritische Rohstoffe nur aus wenigen Regionen kommen, entstehen Abhängigkeiten, die wirtschaftlich und strategisch riskant sind. Heimisch Quellen werden deshalb wichtiger. Nicht als vollständiger Ersatz für den Weltmarkt, wohl aber als Baustein für mehr Versorgungssicherheit. Eine dieser möglichen Quellen liegt tief unter Norddeutschland: im salzhaltigen Thermalwasser des Norddeutschen Beckens.

Heimische Lithium-Vorkommen erschließen

Im Verbundprojekt „RoLiXX: Das Rotliegend als Lithiumressource im Norddeutschen Becken – von der Exploration zur Extraktion“ untersuchen Forschende des Fraunhofer IEG gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie, wie sich Lithium aus diesen Tiefenwässern technisch und wirtschaftlich erschließen lässt. Gefördert wird das Vorhaben mit rund 2,8 Mio. € vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt. Ziel ist es, mögliche Vorkommen besser zu verstehen. Außerdem will man Verfahren zu entwickeln, die an unterschiedliche lokale Solen angepasst werden können. Denn Tiefenwasser ist kein standardisiertes Produkt. Zusammensetzung, Salzgehalt, Begleitminerale, Temperatur und Druckbedingungen variieren je nach Standort erheblich.

Im Zentrum steht das sogenannte Rotliegend, eine rund 300 Millionen Jahre alte Gesteinsabfolge aus Sandsteinen und Vulkaniten, die im Norddeutschen Becken in etwa 3 bis 5 km Tiefe liegt. In dieser Formation zirkulieren extrem salzhaltige Thermalwässer, die in bestimmten Bereichen außergewöhnlich hohe Lithiumgehalte aufweisen können. In dieser bislang wirtschaftlich nicht erschlossenen Ressource sehen die Projektpartner als eines der großen Potenziale Europas. Allerdings ist noch nicht ausreichend verstanden, woher das Lithium genau stammt, an welche mineralogischen Phasen es gebunden ist und unter welchen geologischen Bedingungen es in die Sole gelangt. Genau hier setzt der explorative Teil des Projekts an.

Erst Zusammenhänge verstehen, dann fördern

Die Forschenden untersuchen im Rahmen des Projekts, welche Rolle hydrothermale Prozesse, Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Gestein sowie spätere Gesteinsumformungen spielen. Die Forschenden wollen besser modellieren, wo Lithium im Rotliegend angereichert ist und wie sich seine räumliche Verbreitung von der niederländischen bis zur polnischen Grenze abschätzen lässt.

Besonders wichtig ist dabei, dass vorhandene Tiefbohrungen genutzt werden. Dadurch kann auf Daten und Proben aus bereits bestehender Infrastruktur zurückgegriffen werden, statt die Erforschung allein über neue, teure Bohrungen voranzutreiben. Für die Rohstoffstrategie ist dieser Ansatz besonders interessant. Denn er verbindet geologische Forschung mit der Frage, wie sich vorhandene Energie- und Förderinfrastrukturen künftig mehrfach nutzen lassen. Neptune Energy verweist im Zusammenhang mit RoLiXX auf das Potenzial des Norddeutschen Beckens und auf bereits vorhandene Erfahrungen aus der Erdgasförderung, etwa in der Altmark. Dort liefern Jahrzehnte geologischer Daten eine wertvolle Grundlage, um mögliche Lithiumvorkommen besser zu bewerten. Damit entsteht eine Brücke zwischen einer fossilen Vergangenheit und einer rohstoffpolitischen Zukunft. Daten, Bohrungen und Untergrundwissen aus der klassischen Energiewirtschaft könnten helfen, neue strategische Rohstoffquellen zu erschließen.

Warum Verfahrenstechnik wichtig ist

Den zweiten Schwerpunkt setzen die Projektpartner auf den Bereich Verfahrenstechnik. Um Lithium aus Tiefenwasser zu gewinnen, wird Sole an die Oberfläche gebracht und Lithium entnommen. Anschließend kann das Wasser wieder in den Untergrund zurückgeführt werden. So sieht zumindest die Theorie aus. In der Praxis erweist sich das Ganze jedoch als deutlich komplexer. Hochsaline Thermalwässer enthalten viele gelöste Bestandteile, die technische Anlagen belasten können. Korrosion metallischer Werkstoffe, Ausfällungen störender Mineralien bei Druck- oder Temperaturänderungen und wechselnde Wasserzusammensetzungen können den Betrieb von Extraktionsanlagen erheblich erschweren. Das Ziel ist deshalb eine feststofffreie Lithiumextraktion, die ohne störende Ausfällungen auskommt und nachgelagerte geothermische Prozesse nicht beeinträchtigt.

Hier übernimmt das Fraunhofer IEG wichtige Rolle. Das Team um Projektleiter Tilman Cremer adaptiert und betreibt eine mobile Pilotanlage, mit der sich Lithium aus salzhaltigem Tiefenwasser unter realitätsnahen Bedingungen im Kubikmetermaßstab gewinnen lässt. Die Anlage ist bewusst kompakt konzipiert: Sie wiegt etwa 250 kg, umfasst rund 2 m³ Volumen und lässt sich per Gabelstapler und Transporter an unterschiedliche Einsatzorte transportieren.

Die Pilotanlage kommt zur Sole

Die Pilotanlage ist laut dem Projektleiter bewusst so konzipiert, dass sie mobil ist und sich leicht an Tiefenwässer verschiedener Zusammensetzung anpassen lassen. So könnten Thermalwasserbetreiber rasch und einfach prüfen, ob Lithiumextraktion an ihrem Standort machbar und wirtschaftlich sei. Diese Mobilität könnte für den Markthochlauf entscheidend werden. Statt für jeden Standort früh große stationäre Anlagen zu planen, lassen sich zunächst Prozessparameter, Inhibitoren, Materialbeständigkeit und Extraktionsleistung im kleineren Maßstab testen. Das senkt Risiken und schafft eine belastbarere Entscheidungsgrundlage für Energieversorger, Industrie und Investoren.

Mögliche Kopplung wird untersucht

Interessant ist der Ansatz auch für die Geothermie. Thermalwasser wird bereits heute in Anlagen zur Wärmeversorgung genutzt. Wenn sich aus demselben Wasser zusätzlich Lithium gewinnen lässt, entsteht eine neue Kopplung: Wärme aus der Tiefe und strategische Rohstoffe aus regionalen Quellen. Dabei darf die Lithiumextraktion den geothermischen Betrieb allerdings nicht destabilisieren. Außerdem darf sie keine problematischen Rückstände erzeugen und muss ökologisch wie ökonomisch tragfähig sein. Aus diesem Grund enthält das Vorhaben auch eine Nachhaltigkeitsanalyse. Geplant sind Ökobilanzierung, Akzeptanzforschung, regionalökonomische Wirkungsanalyse sowie die Ableitung politischer Handlungsoptionen.

Das Konsortium ist entsprechend breit aufgestellt. Neben Fraunhofer IEG sind das GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, die TU Berlin, das Institut für Ökologische Wirtschaftsforschung sowie als industrieller Partner und Koordinator Neptune Energy Innovations GmbH beteiligt. Assoziierte Partner sind die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung sowie die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe.