Der weltweite Bedarf an Lithium wächst rasant, denn das Leichtmetall ist unverzichtbar für die Batterieproduktion. Eine bisher unerschlossene Quelle für Lithium sind Thermalsolen. Thermalwasser aus den Tiefen des Oberrheingrabens oder des Norddeutschen Beckens enthält nennenswerte Lithiumkonzentrationen – genug, um zum Beispiel einen beträchtlichen Teil des aktuellen Bedarfs der deutschen Automobilindustrie zu decken. Geothermieanlagen in diesen Regionen fördern die Vorkommen im Grunde bereits heute – jedoch ungenutzt, denn die Sole wird nach Abschöpfen der Wärme unverändert wieder in die Tiefe rückgeführt.

Am KIT wurde eine Methode entwickelt, mit der sich Lithium in einer Geothermie-Anlage mithilfe eines Sorptionsprozesses extrahieren lässt: Die Sole wird durch einen Reaktor geleitet, der mit einem lithiumselektiven Sorbens gefüllt ist; dort wird das Lithium gebunden. Die Sorptionsgeschwindigkeit hängt von verschiedenen Rahmenbedingungen ab: Zusammensetzung des Thermalwassers, pH-Wert, Lithiumkonzentration und Durchflussrate. Ist das Sorbens gesättigt, wird die Durchflussrichtung geändert und eine Desorptionslösung löst das Lithium vom Adsorber. Um eine effiziente und wirtschaftliche Lithiumextraktion zu realisieren, muss der Zeitpunkt für die Änderung der Durchflussrichtung gezielt gesteuert werden. Kriterium für den Umschaltzeitpunkt ist die Sättigung des Adsorbers. Sie lässt sich aus der Lithiumkonzentration im Abstrom des Reaktors ablesen. Um diese zu bestimmen, sind bislang aufwändige Labormessungen nötig.

Inline-Messung von Lithiumkonzentration ermöglicht Prozessregelung

Ein Team am Fraunhofer IPM entwickelt ein neuartiges Verfahren auf Basis von LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), das die Lithium-Konzentration im Abstrom des Reaktors inline überwachen und so erstmals eine Regelung des Sorptions- und Desorptionsprozesses möglich machen soll. LIBS ist ein etabliertes Verfahren aus der Materialanalyse, bei dem mithilfe eines Kurzpuls-Lasers ein winziger Teil eines Materials in ein Plasma überführt und spektral analysiert wird. Im Rahmen von LiMo wird das Verfahren weiterentwickelt, sodass es unter harschen Bedingungen in Flüssigkeit bei 20 bar und 90 °C funktioniert. Das LIBS-System soll in einer Pilotanlage an einem Geothermiestandort im realen Betrieb getestet werden.

Das Potenzial ist erheblich: Neben der Lithium-Gewinnung in Geothermie-Anlagen eignet sich das Verfahren ebenso für das Lithium-Recycling aus Altbatterien, das ebenfalls im Rahmen des Projekts erprobt werden soll.