In der Atacama-Wüste von Chile wird Lithium in großen Mengen durch Verdunstung von mineralhaltigem Salzwasser gewonnen.
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BerlinLithium ist ein Leichtmetall, das von sehr geringer Dichte ist und zugleich gut leitet. Es wird in großen Mengen gebraucht, unter anderem zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus. Deren Erfinder wurden erst jüngst mit dem Nobelpreis geehrt. Denn ohne sie läuft in der Elektronik so gut wie nichts – ob in Handys, Solarbatterien oder Elektroautos. Nun haben deutsche Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen Weg gefunden, teure Importe einzusparen und in Deutschland selbst Lithium abzubauen, und zwar kostengünstig und umweltschonend.

Die wissenschaftliche Behörde US Geological Survey schätzte, dass im Jahr 2019 weltweit etwa 77.000 Tonnen Lithium gewonnen wurden. Mehr als die Hälfte findet Verwendung in Batterien. Schätzungen zufolge wird der Lithiumbedarf bis 2035 auf mehr als das Dreifache ansteigen. Das meiste Lithium wird in Australien und Lateinamerika gewonnen - dort vor allem in Chile und Argentinien. In der chilenischen Atacama-Wüste wird mineralhaltiges Salzwasser aus unterirdischen Seen in künstliche Becken gepumpt, wo es monatelang unter der Sonne verdunstet. In einem chemischen Prozess bildet sich Lithiumkarbonat, ein weißes Pulver. Die indigene Bevölkerung der Region klagt, dass das Abpumpen des unterirdischen Wassers den Grundwasserspiegel senke und ihre bäuerliche Existenz gefährde. In Australien wiederum, das weit an der Spitze der Lithium-Produzenten steht, stammt der Rohstoff aus Spodumen, einem kristallartig aussehenden Material, das sich in Gestein befindet. Etwa eine Tonne Granit muss zerkleinert und ausgewaschen werden, um ein Kilogramm Lithium zu gewinnen. 

Einen anderen Weg wollen die Forscher des KIT gehen. Tausende Tonnen des wertvolle Rohstoffs pro Jahr könnten nämlich auch aus dem Oberrheingraben gefördert werden, wie das Karlsruher Institut mitteilt. Dieser erstreckt sich zwischen Frankfurt am Main und Basel. Die etwa 300 Kilometer lange und bis zu 40 Kilometer breite Tiefebene entstand einst durch eine Dehnung und Absenkung der Erdkruste. Der entstehende Grabenbruch füllte sich mit Sedimenten. In tiefen Gesteinslagen befinden sich salzige Thermalwasser-Reservoire, in denen beträchtliche Mengen des Elements Lithium gelöst sind. „Nach unseren Kenntnissen können es bis zu 200 Milligramm pro Liter sein“, sagt der Geowissenschaftler Jens Grimmer vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT: „Wenn wir dieses Potenzial konsequent nutzen, dann könnten wir in Deutschland einen erheblichen Teil unseres Bedarfs decken.“

Bisher fehlten allerdings geeignete Methoden, um das Lithium zu erschließen. Nun hat das KIT ein Patent angemeldet für ein neuartiges Verfahren. „Dabei werden in einem ersten Schritt die Lithiumionen aus dem Thermalwasser herausgefiltert und in einem zweiten Schritt weiter konzentriert, bis Lithium als Salz ausgefällt werden kann“, sagt Jens Grimmer, der das Verfahren gemeinsam mit seiner Kollegin Florencia Saravia von der Forschungsstelle des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches am Engler-Bunte-Institut des KIT entwickelte.

Das Grimmer-Saravia-Verfahren habe gegenüber den traditionellen Methoden – der Gewinnung aus Salzseen und Festgestein – entscheidende Vorteile, teil das KIT mit. Denn Aussagen zufolge kann man dafür die bereits bestehende Infrastruktur von Geothermie-Anlagen nutzen, durch die pro Jahr bis zu zwei Milliarden Liter Thermalwasser strömen. Im Gegensatz zum klassischen Bergbau fällt kaum Abraum an, und der Flächenverbrauch ist minimal. Weil das Thermalwasser nach Gebrauch wieder in den Untergrund zurückgeleitet wird, werden keine schädlichen Stoffe freigesetzt. Auch die geothermische Strom- und Wärmeproduktion wird nicht gestört. Die Geothermie am Oberrhein wird bereits seit langem genutzt. Die Region besitzt allein vier Thermal-Heilbäder. 

Auch andere Vorteile gibt es. In den südamerikanischen Salzseen dauert die Lithium-Gewinnung unter freiem Himmel mehrere Monate. Sie ist auch stark wetterabhängig. Ein stärkerer Regen wirft die Produktion mitunter um Wochen oder gar Monate zurück, wie es aus dem KIT heißt. Im  Thermalwasserkreislauf der Geothermie-Anlage kann Lithium dagegen innerhalb von Stunden und kontinuierlich gewonnen werden. Dies passiert mittels Extraktion. Das Lithium wird dem Thermalwasser mit sogenannten Ionenaustauschern entzogen. Mithilfe des Verfahrens lassen sich auch weitere  seltene Elemente wie Rubidium oder Cäsium aus dem Thermalwasser extrahieren, die etwa in der Laser- und Vakuumtechnologie benötigt werden. 

Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie entwickeln die Wissenschaftler Jens Grimmer und Florencia Saravia nun eine Testanlage zur Lithium-Gewinnung. Sie wird in einer Geothermie-Anlage im Oberrheingraben aufgebaut und soll zunächst einige Kilogramm an Lithium-Verbindungen erbringen. Wenn die Versuche erfolgreich sind, soll eine Großanlage gebaut werden. Möglich wäre dann eine Produktion von mehreren Hundert Tonnen Lithiumhydroxid pro Jahr in jeder Geothermie-Anlage, heißt es aus dem KIT. Nach aktueller Datenlage könnten im Oberrheingraben auf deutscher und französischer Seite mehrere Tausend Tonnen Lithium pro Jahr gefördert werden.

Neben neuen Methoden der Förderung geht es aber auch um  eine bessere Ausnutzung der Batterien und um eine Wiederverwertung der Rohstoffe. In der Batterie eines durchschnittlichen Elektroautos sind immerhin sechs bis zehn Kilogramm Lithium verbaut. Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, 50 Prozent der Akkus zu recyceln. Forscher verschiedenster Institut weltweit arbeiten an klima- und umweltschonenden Verfahren. Zwei Wege gibt es: das Einschmelzen sowie die mechanische Zerkleinerung und das chemische Herauslösen der einzelnen Bestandteile. 

Zum Einschmelzen kommen die sehr komplex aufgebauten Akkus in eine Art Hochofen. Metalle wie Kupfer, Kobalt und Nickel besitzen verschiedene Schmelzpunkte und Dichten. Sie können relativ einfach voneinander getrennt werden. Die Nachteile der Methode sind nach Augen der Kritiker der hohe Energiebedarf und die entstehenden Abgase. Es werden Temperaturen von etwa 1400 Grad Celsius benötigt. Der Vorteil ist aber, dass große Mengen recycelt werden können. 

Bei der zweiten Methode werden die Akkus nicht eingeschmolzen, sondern mechanisch zerkleinert. Damit befassen sich bereits Pilot-Unternehmen. Unter anderem hat die TU Freiberg in Sachsen im Rahmen des deutschen Hochschul-Verbundprojekts InnoRec ein mechanisches Verfahren entwickelt. Die Lithium-Ionen-Akkus werden demontiert, zerkleinert, geschreddert. Die kleinen Bestandteile werden mithilfe eines Luftstroms so sortiert, sodass am Ende nur die schwerem Metallteile übrig bleiben. Daraus werden Elemente wie Aluminium und Kupfer entfernt. Am Ende hat man nur noch ein schwarzes Pulver.

Und in diesem Pulver oder der Schlacke (nach dem Einschmelzen) steckt das Lithium. Um dieses zu gewinnen, müssen die Bestandteile in einer chemischen Anlage mithilfe einer Lösung voneinander getrennt werden. Eine andere Möglichkeit fanden Forscher der Rice University in Houston, Texas. Sie nutzen ein biologisch abbaubares Lösemittel, um Kobalt und Lithium direkt aus der Kathode des Akkus herauszulösen. Der Aufwand der Verfahren ist noch recht hoch und rentiert sich nicht in großem Maßstab. Meist landet das Lithium auf dem Müll. Aber je mehr gebraucht wird, desto stärker wird auch die Notwendigkeit, es wiederzugewinnen.