Mit bestehenden Geothermiebohrungen im Oberrheingraben könnte über mehrere
Jahrzehnte zuverlässig Lithium gefördert werden, ohne dass diese
Rohstoffquelle versiegt. Das zeigen aktuelle Datenanalysen von Forschenden
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Ihre Ergebnisse haben sie
in der Fachzeitschrift Energies veröffentlicht (DOI: 10.3390/en16165899).
Auf dem Weg zur Klimaneutralität braucht Europa viel Lithium für
Batteriespeicher – es produziert bislang aber nur ein Prozent der
weltweiten Fördermenge. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT
untersuchen deshalb Möglichkeiten, Lithium aus geothermischen Quellen zu
gewinnen. „Theoretisch könnten bestehende Geothermiekraftwerke im
Oberrheingraben und im Norddeutschen Becken zwischen zwei und zwölf
Prozent des jährlichen Lithiumbedarfs in Deutschland decken“, sagt
Valentin Goldberg vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des
KIT, der dieses Potenzial gemeinsam mit einem Team auf Basis einer
umfangreichen Datenanalyse berechnet hat. Unklar war bislang allerdings,
wie lange eine Förderung möglich ist. Mit einer weiteren Studie geben die
Forschenden nun einen optimistischen Ausblick: „Nach unseren Erkenntnissen
ist ein Abbau mit geringen Umweltkosten über viele Jahre möglich“, so
Goldberg. „Das für die Studie entwickelte Modell beschreibt eine mögliche
Lithiumförderung im Oberrheingraben, die Parameter sind aber so gewählt,
dass sie sich auch auf andere Kluftsysteme übertragen lassen.“
Modellierung geothermaler Lithiumproduktion
Die Förderung von Lithium aus Thermalwässern ist keine herkömmliche Form
des Bergbaus, weshalb bei der Analyse auch nicht auf die dabei üblichen
Methoden zurückgegriffen werden konnte. „Das im Wasser gelöste Lithium
kommt in einem weitverzweigten Netzwerk aus Klüften und Hohlräumen im
Gestein vor. Es ist aber nur punktuell über einzelne Bohrungen
zugänglich“, erklärt Dr. Fabian Nitschke vom AGW, der ebenfalls an der
Forschung beteiligt war. „Die Größe des Reservoirs hängt daher von der
Wassermenge ab, die über die Bohrungen hydraulisch erschlossen werden
kann.“ Um das Potenzial der Lithiumproduktion zu berechnen, mussten die
Forschenden berücksichtigen, wie viel Wasser gefördert werden kann, welche
Menge an Lithium dieses Wasser enthält und wie viel davon pro Zeiteinheit
extrahiert werden kann. „Wir nutzen dafür eine dynamische
Transportmodellierung, angelehnt an die Untergrundverhältnisse des
Oberrheingrabens, bei der wir thermische, hydraulische und chemische
Prozesse gekoppelt betrachten. Ähnliche Modelle sind bereits aus der Öl-
und Gasindustrie bekannt, wurden aber bisher noch nicht auf Lithium
angewendet“, so Nitschke.
Da bei der Geothermie das geförderte Wasser nach der Nutzung über eine
zweite Bohrung wieder in den Untergrund zurückgeführt wird, stellte sich
den Forschenden die Frage, ob der Lithiumgehalt des Tiefenwassers mit der
Zeit abnimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lithiumkonzentration in der
Förderbohrung im ersten Drittel des Betrachtungszeitraums von 30 Jahren
durch Verdünnung mit dem zurückgeführten Wasser zwischen 30 und 50 Prozent
abnimmt. Danach nähert sie sich aber einem konstanten Wert an. „Das ist
auf das offene Kluftsystem zurückzuführen, das kontinuierlich frisches
Tiefenwasser aus anderen Richtungen nachliefert“, sagt Nitschke. Basierend
auf den Modellannahmen scheint eine kontinuierliche Lithiumförderung über
Jahrzehnte möglich: „Im Grunde zeigt der Abbau dieser unkonventionellen
Ressource einen klassischen Lagerstättenzyklus. Auch bei der
Kohlenwasserstoffförderung oder im Erzbergbau ist die Ausbeute am Anfang
am höchsten und nimmt dann allmählich ab.“
Sinnvolle Investition in eine nachhaltige Zukunft
Für Thomas Kohl vom AGW, der die Forschung als Professor für Geothermie
und Reservoir-Technologie am KIT leitet, sind die Forschungsergebnisse ein
weiteres Argument für einen breiten Ausbau der Geothermie: „Wir wussten
bereits, dass die Geothermie uns über Jahrzehnte grundlastfähige,
erneuerbare Energie liefern kann. Unsere Studie zeigt nun, dass ein
einziges Kraftwerk im Oberrheingraben zusätzlich bis zu drei Prozent des
jährlichen deutschen Lithiumbedarfs decken könnte.“
Auch an Lösungen zur praktischen Umsetzung arbeitet seine
Forschungsgruppe. So stellte sie jüngst eine Studie in der Fachzeitschrift
Desalination vor, in der sie eine unter realen Bedingungen getestete
Thermalwasservorbehandlung für die Rohstoffextraktion demonstrierte. „Im
nächsten Schritt muss nun die Skalierung der Technologie auf einen
industriellen Maßstab erfolgen“, so Kohl.
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und
vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den
globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie,
Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in
Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften
zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein
forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle
Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die
Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und
Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und
Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der
deutschen Exzellenzuniversitäten.