Wie sich die kritischen Rohstoffe Lithium und Kupfer möglichst rentabel aus heimischen Thermalwässern extrahieren lassen, beleuchtet ein Perspektivenpapier und zeigt den künftigen Forschungsbedarf auf.
Die Energiewende stellt Deutschland vor zwei Aufgaben, die bislang oft voneinander getrennt betrachtet werden. Einerseits muss die Wärmeversorgung schrittweise von fossilen Energieträgern auf klimafreundliche Alternativen umgestellt werden. Andererseits steigt der Bedarf an kritischen Rohstoffen wie Lithium und Kupfer rasant. Denn sie sind für Batterien, Stromnetze, Elektromobilität und zahlreiche Energietechnologien unverzichtbar. Beide Entwicklungen erhöhen die Abhängigkeit Europas von Importen insbesondere aus wenigen Förderländern. Das soll sich ändern und die Suche nach heimischen Ressourcen wird wichtiger.
Ein Forschungsteam unter Leitung von Simona Regenspurg vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung sieht nun die Möglichkeit, beide Herausforderungen miteinander zu verbinden. Für eine Studie untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Helmholtz-Zentren gemeinsam mit weiteren Forschungseinrichtungen, ob sich aus den mineralhaltigen Tiefenwässern geothermischer Anlagen neben Wärme künftig auch kritische Rohstoffe wirtschaftlich gewinnen lassen. Im Mittelpunkt stehen dabei mit Lithium und Kupfer zwei Metalle, deren Bedeutung für die Transformation des Energiesystems in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen dürfte.
Zwei Herausforderungen, ein Lösungsansatz
Der Ansatz der Forschenden: Bei der Tiefengeothermie wird mehrere tausend Meter tiefes Thermalwasser an die Oberfläche gefördert. Dort überträgt es seine Wärme auf Fernwärmenetze oder industrielle Prozesse und anschließend erfolgt eine Zurückleitung in den Untergrund. Nach Vorstellung der Forschenden könnten während dieses Kreislaufs gezielt gelöste Rohstoffe aus dem heißen Tiefenwasser extrahiert werden, bevor eine Verpressung erneut verpresst wird. Die Wärmegewinnung bliebe erhalten, gleichzeitig entstünde eine zusätzliche Wertschöpfung durch die Gewinnung strategisch wichtiger Metalle, so die Idee.
Besonders interessant könnte diese Idee für das Norddeutsche Becken sein. Denn die geologischen Bedingungen gelten dort sowohl für die Nutzung tiefer Geothermie als auch für die Gewinnung bestimmter Mineralien als günstig. Der Studie zufolge existieren bereits mehrere Forschungs- und kommerzielle Geothermiestandorte, weitere Projekte sind geplant. Gleichzeitig weisen einige der tiefen Thermalwässer vergleichsweise hohe Konzentrationen von Lithium und stellenweise auch Kupfer auf. Erste Potenzialabschätzungen gehen von erheblichen theoretischen Lithiumvorkommen aus, wobei deren tatsächliche wirtschaftliche Erschließung erst noch nachgewiesen werden muss.
Die strategische Bedeutung solcher heimischen Quellen wächst. Mit dem Critical Raw Materials Act verfolgt die Europäische Union das Ziel, die Versorgung mit kritischen Rohstoffen breiter aufzustellen und die starke Abhängigkeit von einzelnen Förder- und Verarbeitungsländern zu reduzieren. Gerade Lithium gilt als wichtiger Rohstoff für Batteriespeicher und Elektromobilität. Gleichzeitig wird Kupfer aufgrund des Ausbaus von Stromnetzen, Windenergie, Photovoltaik und Ladeinfrastruktur in deutlich größeren Mengen benötigt als heute. Internationale Prognosen gehen davon aus, dass die Nachfrage nach Lithium bis 2040 ein Vielfaches des heutigen Niveaus erreichen wird, während auch der Kupferbedarf deutlich zunimmt. Vor diesem Hintergrund gewinnen alternative Rohstoffquellen zunehmend an Bedeutung.
Rohstoffe und Wärme: Wirtschaftlichkeit als Erfolgsfaktor
Ob die kombinierte Gewinnung von Wärme und Rohstoffen künftig tatsächlich zum Geschäftsmodell wird, muss sich noch zeigen. Denn das hängt von zahlreichen Faktoren ab. Die Autorinnen und Autoren der Studie machen deutlich, dass sich eine Lithiumgewinnungsanlage nicht einfach an bestehende Geothermieanlagen anbauen lässt. Vielmehr greifen geologische, hydrochemische, verfahrenstechnische und wirtschaftliche Prozesse eng ineinander. Bereits geringe Unterschiede in Temperatur, Salzgehalt oder Durchlässigkeit der Gesteinsformationen können darüber entscheiden, ob ein Projekt wirtschaftlich betrieben werden kann.
Die Forschenden halten fünf zentrale Erfolgsfaktoren für relevant. Zunächst müssen geeignete geologische Formationen mit ausreichend hohen Metallkonzentrationen identifiziert werden. Ebenso entscheidend ist, ob das lithiumhaltige Tiefenwasser langfristig in ausreichender Menge gefördert werden kann. Hinzu kommt die Entwicklung effizienter Verfahren, mit denen sich Lithium oder andere Metalle selektiv und möglichst energiearm aus den komplex zusammengesetzten Thermalwässern entfernen lassen. Auch die Materialbeständigkeit der Anlagen spielt eine wichtige Rolle, da hochsalzhaltige Tiefenwässer erhebliche Anforderungen an Rohrleitungen und technische Komponenten stellen. Schließlich entscheiden Umweltverträglichkeit, Genehmigungsverfahren und gesellschaftliche Akzeptanz über die Realisierbarkeit entsprechender Projekte.
Noch kein Durchbruch in Sicht
Internationale Pilotvorhaben zeigen bereits, dass das Konzept grundsätzlich funktioniert. Projekte im Oberrheingraben sowie am Salton Sea in Kalifornien erproben die Lithiumgewinnung aus geothermischen Solen schon unter Praxisbedingungen. Einen großtechnischen kommerziellen Durchbruch sehen die Forschenden allerdings noch nicht. Ihrer Einschätzung nach sind weitere Demonstrationsprojekte erforderlich, um die technische Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit unter realen Betriebsbedingungen nachzuweisen.
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