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Lithium für Elektroautos: Weißes Gold mit schwarzem Fleck

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Cleantech-Unternehmen wollen neue Fördermethoden für Lithium etablieren. Das Metall ist etwa Teil von Europas größtem Förderprojekt für das weiße Gold im Oberrheingraben.

Es ist die dringlichste Herausforderung der Elektromobilität und heutiger Batteriespeicher: Wie kann die Nachfrage nach Lithium nachhaltig gesichert werden? Bisherige Abbaumethoden (Verdunstungstechnologie, Bergbau) sind umstritten wegen hohem Wasserverbrauch, lokaler Umweltverschmutzung oder großem CO2-Fußabdruck. Zudem dominiert China zu 80 Prozent den Markt. Für europäische Autobauer ist das ein Problem bei der umweltfreundlichen Herstellung von Li-Ion-Batterien. Es braucht somit bessere und effizientere Alternativen. Können die Fördermethoden von Vulcan Energy oder EnergyX entscheidend helfen?

Aktuelle Infos zu EnergyX gibt es hier.

Die Corona-Pandemie beschleunigt zwei Trends unmittelbar. Einerseits die Abkehr von der Verbrennung von Öl, Gas und Kohle. Damit einhergehend wird auch der Trend zu E-Autos und Batteriespeichern auf Basis von Lithium-Ionen verstärkt. Das erhöht die Nachfrage nach Rohstoffen und Metallen wie dem Element Lithium.

Die Grafik der Deutschen Rohstoffagentur bietet drei Szenarien. Diese zeigen, wie sich die Nachfrage nach dem Metall verändern wird. Im ersten Szenario sind bis 2025 zehn Millionen E-Autos mit einer Batteriekapazität von 370 Gigawattstunden auf den Straßen. Das bedeutet für die Lithium-Nachfrage im Vergleich zu 2018 50 Prozent Wachstum. Geht man von einem schnelleren Wachstum der E-Mobilität aus, steigt die Nachfrage auf 810.200 Tonnen LCE (600 Gigawattstunden) bzw. 1.200.000 Tonnen LCE (1.000 Kilowattstunden).

Lithium-Nachfrage bis 2025 laut Deutscher Rohstoffagentur
Szenarien Nachfrage laut Deutscher Rohstoffagentur

Rasant steigende Nachfrage

Die Zahlen verdeutlichen, wie rasant die Nachfrage nach dem Metall alleine für Batterien zunehmen wird. Im Gegensatz zu Kobalt – nicht nur Tesla, Volkswagen und CATL arbeiten an kobaltfreien Lithium-Batterien – ist das Ersetzen in der Akku-Technologie einfacher. Lithium braucht mit seiner besonderen Leitfähigkeit noch längere Zeit bis Magnesium-, Natrium- und Schwefel-Batterien die bessere Option sind. Kurzfristig ist das als weißes Gold bezeichnete Element nicht ersetzbar.

Andererseits gibt es die Tendenz, Abhängigkeiten zu reduzieren – grüner Stahl aus Europa gewinnt an Bedeutung. Bei der Produktion von Arzneimitteln will man sich nicht länger auf China verlassen. Und so gilt das auch für die Nutzung vorhandener Ressourcen in Europa. Ziel ist es, Lieferketten zu verkürzen, um auch den ungezügelten, günstigen, aber CO2-intensiven Warentransport einzuschränken.

Autohersteller wie Volkswagen bemühen sich um einen geringen CO2-Fußabdruck bei der Lithium-Lieferkette. Insbesondere für den chinesischen Markt hat sich der Volkswagen-Konzern über eine Partnerschaft mit Ganfeng Lithium Zugang besorgt. Solche Kooperationen werden in den kommenden Jahren stark zunehmen. Neben Volkswagen plant auch Tesla eine Verstärkung der eigenen Bergbau-Aktivitäten bzw. deren Beginn. Denn: Günstige Lieferanten für das Metall oder andere Rohstoffe zu finden, wird zunehmend schwerer.

Europäische Förderstätten für Lithium sind bislang nur ansatzweise vorhanden. Den Weltmarkt bestimmen Australien, Südamerika (Chile, Bolivien, Argentinien) und China.

Weißes Gold aus dem Tagebau hat ein Umwelt-Problem

Heute geschieht die Förderung mehrheitlich in Australien, wo der Rohstoff in großen Tagebauen vorhanden ist. Konkret geht es hierbei um sogenannte Spodumen, ein Aluminium-Silikat-Mineral, das einen hohen Lithiumoxid-Anteil vorweisen kann. Die Minen werden in Australien hauptsächlich vom chinesisch-amerikanischen Unternehmen Talison Lithium betrieben.

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Problem dabei: Nach dem Abbau wird das Gestein mit fossilen Brennstoffen „geröstet“ damit Lithiumhydroxid entsteht. Dieses ist für die Herstellung von Li-Ionen-Batterien ideal geeignet. Dieser Prozess ist – neben dem reinen Abbau mit Diesel-fressenden Mining-Trucks – sehr CO2-intensiv.

Würden alle Fahrzeuge mit Lithium aus Hartgesteinsminen elektrifiziert, entspräche dies einem CO2-Fußabdruck von einer Milliarde Tonnen.

Bevölkerung wehrt sich

In Portugal sind die größten europäischen Vorkommen. Die britische Savannah Resources hat sich die Rechte am Projekt Mina do Barroso gesichert. Die EU wünscht sich, dass Portugal zum großen Lithium-Lieferanten wird. Der zuständige Staatssekretär João Galamba will elf Minen zur Förderung des Metalls errichten. Der Traum geht noch weiter: Neben Batteriefabriken könnte in Porto auch eine Lithium-Raffinerie entstehen.

Doch Bürger und Umweltschützer sind in Sorge, haben Angst vor Krater-Landschaften oder verunreinigtem Wasser. Und das in Regionen, die von besonderer Landwirtschaft leben. Die Maßnahmen wecken Erinnerungen an den Abbau von Wolfram oder Granit – und die Umwelt-Schäden, die deren Förderung hinterließ.

Mehrere Verdunstungsbecken für die Lithium-Förderung in Chile.
Abbau nach der Verdunstungsmethode (Bild: SQM)

Aus der Sole in Chile, Bolivien und Argentinien

Eine weitere Methode zur Förderung ist die Sole-Methode. Sie wird insbesondere in Südamerika, im Lithium-Dreieck, das aus Chile, Bolivien und Argentinien besteht, genutzt. Die Methode ist deutlich weniger CO2-intensiv: 2018 machten beiden Methoden rund die Hälfte des weltweiten Marktes aus. Nach einer Ökobilanz war der Anteil der Emissionen bei Spodumen (70 %) wesentlich höher im Vergleich zu Sole (30 %).

Die Abbau-Bedingungen sind gut: Unter der Salzkruste befinden sich Vorkommen einer salzreichen Lösung mit 70-prozentigem Wasseranteil. Der Salzanteil dieser Sole ist mit mehr als 300 Kilogramm pro Kubikmeter an Natrium, Magnesium, Lithium, Kalium und Bor hoch. Sie enthält zehn Mal mehr Salz als Meerwasser und ist deswegen weder zum Trinken noch für die Landwirtschaft zu gebrauchen.

Umwelt: Weitere Bedenken

In Südamerika gibt es noch weitere Bedenken: Der Wasserverbrauch ist nicht gering. Die Zahlen hierzu variieren sehr stark in der öffentlichen Diskussion. SQM sieht seine vom Öko-Institut geprüften Methoden zu Unrecht an den Pranger gestellt.

Aber: Die Verdunstungsmethode kann mehr als ein Jahr dauern. Wettereinflüsse erschweren die Kalkulation der Erträge. SQM verfügt derzeit über die Kapazität zur Herstellung von etwa 70.000 Tonnen Lithiumkarbonat pro Jahr. Die Abnehmer sind verschiedene Branchen, in erster Linie Batterie- und Elektronikhersteller. Daneben wird Lithium auch an die Glas-, Bauchemie- und Keramik-Industrie verkauft.

Der eigene Prozess sei vollständig natürlich, würde im Kern mit Sonnenenergie funktionieren – und Chemie würde auch keine eingesetzt, heißt es. Und: Insbesondere für Chile sei die seit 25 Jahren bestehende Lithium-Förderung eine große Devisen-Einnahmequelle, ein wichtiger Faktor. SQM zahlt jährlich 10 bis 15 Millionen US-Dollar an die Dörfer, die vom Abbau in der Wüste betroffen sind. Die Regierung und die Gemeinden erhielten überdies eine Gewinnbeteiligung von 1,7 Prozent.

Letztlich zeigt sich: Lithium ist als Rohstoff das weiße Gold mit dem schwarzen Fleck. Aus Umwelt- und Klima-Sicht sind die bisherigen Methoden nicht ideal. Mit steigendem globalem Bedarf, wächst der Druck, Alternativen zu finden. Auch und gerade für Autohersteller wie Volkswagen oder Tesla.

EnergyX: Filter als Alternative?

Eine solche Alternative bieten Membran-Filter-Technologien, wie sie EnergyX aus Texas auf den Markt gebracht hat. Nach eigener Aussage löst die LITAS Direct Extraction genannte Technologiedie Probleme der Rohstoff-Förderung über die Verdampfung: Dieser Prozess dauert nicht nur bis zu 18 Monate, sondern schafft es auch nur, zirka 30 Prozent der Lithium-Ionen auch wirklich zu gewinnen.

Der Wasserverbrauch ist bei der Gewinnung aus der Umwelt hoch und liegt etwa bei 68.000 Litern pro Tonne Lithium. Genau dieser Ressourcenverbrauch ist EnergyX ein Dorn im Auge. Dessen Gründer Teague Egan erkannte die Bedeutung von Lithium für die globale Transformation vor drei Jahren, und machte sich auf die Suche nach besseren Methoden.

Der Vertraute von Elon Musk – Teague Egan war einer der ersten Tesla-Investoren und verdiente viel Geld damit – stieß auf zwei Membran-Filter-Technologien, u.a. von der Universität Texas. Und genau diese Lösung entwickelt er seitdem konsequent weiter, um die Lithium-Förderung komplett zu verändern. Denn – wie auch Elon Musk betont – Egan hat die gewaltige Chance erkannt, die sich mit der Förderung von Lithium verbindet.

Die Technologie stellt in der Tat das bisherige Verfahren auf den Kopf: Die LITAS Direct Extraction-Lösung filtert die Lithium-Ionen innerhalb weniger Tage heraus, und zwar 90 Prozent. Anstatt 68.000 Litern braucht diese Methode nur 800 Liter. Und auch preislich ist das neue Verfahren der Sole-Extraktion überlegen.

EnergyX weckt Investoren-Interesse

Keine Überraschung, dass EnergyX gewaltiges Investoren-Interesse auf sich zieht: Seit Juli 2022 ist bekannt, dass EnergyX bis zu 450 Millionen Dollar von der GEM Group eingeworben hat. Ausgezahlt wird das Kapital im Zuge des Börsengangs, den EnergyX in 2023 plant.

Einen Rückschlag gab es zuletzt: Bei einer Auktion für die Lithium-Förderung in Bolivien reichte EnergyX die notwendigen Unterlagen zehn Minuten zu spät ein, und wurde daher als Bieter ausgeschlossen. Einer der Konkurrenten mit ähnlicher Technologie, Lilac Solutions, könnte nun zum Zuge kommen und den Rohstoff fördern. An Lilac Solutions ist auch BMW Ventures investiert.

Neben der Förderung des weißen Goldes hat EnergyX noch ein weiteres Geschäftsfeld: Es arbeitet an einer Lithium-Metall-Batterie. Nach Aussage von Teague Egan handelt es sich um den heiligen Gral der Batterietechnologien. Während andere Unternehmen eher den Pfad einschlagen, das Element etwa durch Schwefel zu ersetzen, ist Egan von der Zukunft der Lithium-Metall-Batterie überzeugt.

Keine Überraschung: Schließlich hätte er direkten Zugang zum weißen Gold.

Filterung des Elements aus Grubenwasser?

Eine weitere Möglichkeit, Lithiumsalze zu gewinnen, besteht darin, Grubenwasser zu nutzen. Genau das machen Forscher vom Leibniz-Institut für Neue Materialien, wenngleich das Verfahren zur Lithium-Gewinnung aus Grubenwasser – Stand März 2021 – noch am Anfang steht.

Bislang wird es aus Gruben abgepumpt, gefiltert und in Flüsse abgeleitet. Alleine im Saarland 18 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Das Potenzial, um das Element Lithium zu gewinnen liegt bei 30 bis 900 Tonnen jährlich.

Technologisch nutzen die Forscher die Eigenschaften eines Li-Ion-Akkus, um den Rohstoff aus dem Grubenwasser zu filtern: Denn die Idee besteht darin, dieses Wasser durch eine Batteriezelle mit Plus- und Minuspol zu leiten. An den Elektroden sammeln sich sowohl Lithium- als auch Chlor-Ionen, aber alle anderen Stoffe fließen ab. Sind die Elektroden voll mit dem Lithium, wird es zu einem Festkörper getrocknet.

Unklar ist die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, die Effizienz und schließlich die Skalierbarkeit. Bis 2023 wollen die Forscher diese Fragen beantworten. Eine bald nutzbare Lösung ist es also nicht wirklich.

Geothermie und Rohstoff-Förderung in Deutschland?

Die unschöne Situation, die auch Volkswagen oder Tesla mit ihren Versprechungen klimaneutraler Fahrzeuge in Bedrängnis bringt, kann ausgerechnet in Deutschland zum Positiven gewendet werden. Denn Dr. Francis Wedin und Dr. Horst Kreuter von der Vulcan Energie Ressourcen GmbH wollen Lithium klimaneutral fördern – auf einem 300 Quadratkilometer großen Gebiet von Basel bis Frankfurt, das zum Oberrheingraben zählt. Mit der sogenannten direkten Extraktion als Methode.

„Die Region des Oberrheins ist ein Grabensystem. In diesem Graben sind die Gesteine wie etwa Buntsandstein unterschiedlich tief abgesunken“, erklärt Kreuter. Dabei stehe die Lithiumkonzentration in Korrelation zur Temperatur: Je höher die Temperatur desto größer der Lithiumgehalt.

Lithium-Extraktion: Zwei Stufen bis zum Hydroxit

Auch bei der Methode der Extraktion wird das Lithium tief aus dem Boden geholt. Für die Trennung von Wasser und Lithium gibt es ein spezielles Verfahren.

Diese Technologie funktioniert zweistufig: Die Sole aus dem Untergrund wird in einem Absorber gefiltert, bis nur noch Wasser einerseits und gelöstes Lithiumsalz andererseits verbleiben. Das Lithium-reiche Fluid wird einer Verdampfung zugeführt, um die Konzentration zu maximieren. Danach folgt z.B. über einen Ionenaustauscher der letzte Schritt – das Lithiumhydroxid wird anschließend direkt an Akkufabriken oder die Automobilindustrie geliefert.

„Besonders gut eignen sich also die Gebiete des Oberrheingrabens für die Lithium-Extraktion, die hohe Temperatur, hohe Lithiumgehalte und tiefliegendes Reservoirgestein ausweisen“, so Kreuter. Diese Eigenschafen träfen aber nicht nur für die genannte Region zu, sondern beispielsweise auch auf das Elsass im deutsch-französischen Grenzgebiet.

Vulcan Energy Resources hat sich in der Region die Erlaubnis für Geothermie-Projekte besorgt. „Allein im Erlaubnisfeld Ortenau sprechen wir über 14 Millionen Tonnen Lithiumkarbonat im Thermalwasser“, so Kreuter. Im gesamten Oberrheingraben seien die Rohstoff-Vorräte noch deutlich größer.

Vulcan Energy: Mehrere Meilensteine erreicht

In den vergangenen Monaten hat Vulcan Energy Resources wichtige Meilensteine erreicht. Zuerst wurde untersucht, wo weltweit die geologischen Begebenheiten so sind, dass mit der modernen Methode der Lithium-Extraktion quasi als Nebenprodukt der Geothermie entsprechende Projekte gestartet werden können.

Ergebnis war: ideale Bedingungen für die Metall-Gewinnung im Oberrheingraben einerseits und einem Gebiet Kaliforniens andererseits. Auch aufgrund der aktuellen Vorteile Europas mit der Ausrichtung auf Klimaschutz durch den European Green Deal und die Aktivitäten der Bundesregierung, entschieden sich die Unternehmer, ihren Geschäftssitz in Australien um einen weiteren Standort in Karlsruhe zu ergänzen.

Anschließend folgte eine Studie, die „höchst positiv“ ausfiel. Ein Liter Thermalwasser enthält im Schnitt 181 Milligramm des Elements Lithium. Die Temperatur ist bereits ab 2.000 Metern Tiefe ausreichend für geothermische Stromerzeugung. Und die Menge ist brauchbar: So werden 80 bis 100 Liter Thermalwasser pro Sekunde nach oben gefördert. Pro Bohrung gibt es so ein Rohstoff-Potenzial von ca. 400 Tonnen Lithiumkarbonat pro Jahr.

Machbarkeitsstudie

Mittlerweile hat Vulcan ein Team aus erfahrenen Partnern gebildet, um eine erste Machbarkeitsstudie anzuschließen. Gleichzeitig wurde eine Partnerschaft mit einem Betreiber eines Geothermiekraftwerks geschlossen, um in Rheinland-Pfalz eine Anlage zu bauen. Auch Volkswagen zeigt Interesse.

Außerdem hat Vulcan mit EIT InnoEnergy einen der größten Investoren Europas für sein Projekt gewonnen. Neben einer frischem Kapital wird EIT InnoEnergy Vulcan unter anderem dabei unterstützen, weitere Investoren für das Projekt zu gewinnen, Automobil-Kunden zu überzeugen, und Verbindungen zu den Politikern auf regionaler, nationaler und EU-Ebene zu etablieren.

Vulcan Energy Resources hat sich eine Reihe von Lizenzen gesichert.
Lizenzen von Vulcan Energy Resources

„Wir gehen davon aus, die notwendigen Abstimmungen noch dieses Jahr zu beenden“, so Kreuter zu Cleanthinking. „Der Prozess der direkten Lithium-Extraktion ist zwar bekannt und im großen Maßstab umgesetzt. Heute werden schon 19 Prozent des Lithiums durch diesen Prozess erzeugt. Im Zuge der weiteren Entwicklung muss der Prozess aber noch an die Bedingungen des Thermalwassers angepasst werden.“

Weißes Gold fördern

Gelingt dies in der Anlage, soll auch eine Demonstrationsanlage entstehen. Läuft alles nach Plan, wird ab 2022 die Lithium-Gewinnung beginnen, und das Element für die Nutzung in der Autoindustrie vermarktet. Wedin nennt das „Zero Carbon Lithium“. Der Unternehmer möchte zum ersten Anbieter des weißen Goldes werden, das ohne CO2-Emissionen auskommt.

Dabei spricht für den Standort Deutschland auch, dass es für die geothermische Energie eine Vergütung von 25 Cent pro Kilowattstunde gibt. Das erleichtert die Wirtschaftlichkeit der Vorhaben enorm. Und: Hierdurch benötigt das Verfahren keine Energie von außen.

Dennoch haben Experten Zweifel, ob die Realisierung rentabel sein wird, wie Wedin und Kreuter sich dies vorstellen. Michael Schmidt, Geologe bei der Deutschen Rohstoffagentur, sagt: „Die Gewinnung von Lithium aus Thermalquellen ist sicherlich ein interessantes Thema.“ Es gäbe verschiedene Verfahren, um Lithium aus wässrigen Lösungen zu filtern. „Inwiefern diese Verfahren im Zusammenhang mit dem Betrieb von Geothermieanlagen umgesetzt werden kann, ist ungeklärt“, so Schmidt.

Sowohl beim Projekt von Vulcan Energie Ressourcen als auch bei einem Vorhaben der EnBW in Bruchsal, handele es sich zunächst lediglich um kleine Anlagen. „Hier müssen zunächst technische Sicherheit und Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden“, so Schmidt. Aus heutiger Sicht sei es daher noch nicht absehbar, ob eine kommerzielle Lithiumgewinnung möglich sei. Es brauche Mut, um nun in diese Methoden zu investieren“, so Schmidt.

Bringt Vulcan Energy die Geothermie in Schwung?

Wedin und Kreuter könnten mit ihrem Mut jedenfalls zwei wichtige Weichen für Deutschland und Europa stellen: Einerseits endlich die Nutzung der Geothermie etablieren, andererseits die Förderung von Lithium aus europäischen Quellen in Schwung bringen. Für die E-Mobilität mit ihren Lithium-Batterien wäre es ein großer Sprung, wenn der schwarze Fleck auf dem weißen Gold verschwinden würde.

Und bei allem Fokus auf die Gewinnung von Lithium mit Methoden aus verschiedenen Regionen der Welt – es darf keinesfalls vergessen werden, das Recycling des Elements zu verbessern. In Deutschland arbeitet Duesenfeld daran, in Schweden hat Northvolt ein Recyclingzentrum angekündigt – und auch einer der sechs Trümpfe, die Tesla-CEO Elon Musk in der Hand hält, dürfte die besonders effiziente Nutzung der Batterie-Rohstoffe sein.

Quellen und Recherche: Dieser Artikel „Lithium: Weißes Gold mit schwarzem Fleck“ basiert auf intensiven Recherchen. Die Dokumente sind hier einsehbar.

(Dieser Beitrag entstand ursprünglich am 22. Juni 2020, ist am 25. Juli 2022 erweitert worden.)
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  1. M. DeMille sagt

    Dann möchte ich darauf hinweisen, dass der Energieverbrauch bei der Gewinnung von Li aus dem Tiefenwasser auch mit Energieverbrauch verbunden ist und zwar ist dieser mit 55% nicht unerheblich. Zweitens möchte ich fragen, warum man vor hat das Wasser aus der Pfalz in eine Anlage in Frankfurt zu bringen und dort aufbereiten zu lassen. Das „Produkt“ wird dann wieder von Frankfurt, wahrscheinlich in Tanklaster in die Pfalz nach Insheim oder Landau zurück gebracht. Auch nicht ohne CO2 Abdruck. Drittens möchte ich fragen, ob die Herren schon davon gehört haben, dass sich in Karlsruhe eine Firma etabliert hat, die Batterien ohne Li herstellt. Ein bisschen mehr Realität bei den zahlreichen, überbordernden Aussagen wäre schon angesagt.

    1. Martin Jendrischik sagt

      Hallo, welche Firma aus Karlsruhe hat Batterien ohne Lithium etabliert? Gerne auch direkt an mich via mj@cleanthinking.de.

      Beste Grüße,
      Martin Jendrischik

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