Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Sole und Gestein in deutschen geothermischen Systemen für die zukünftige Lithiumgewinnung

Die Deutsche Rohstoffagentur (DERA) erwartet, dass sich die weltweite Nachfrage nach Lithium zwischen 2017 und 2025 verdoppeln oder sogar verdreifachen wird (DERA Lithium Report, 2017). Die Verwendung von Lithium in wiederaufladbaren Batterien, insbesondere in der E-Mobilität, wurde als ein wichtiger Treiber für diese Entwicklung identifiziert.  Aufgrund dieser stark steigenden Nachfrage nach Lithium wird derzeit weltweit die Co-Produktion von Lithium an geothermischen Kraftwerken diskutiert und vereinzelt auch schon umgesetzt, da an verschiedenen Standorten weltweit bereits erhöhte Lithiumgehalte in tiefen hydrothermalen Fluiden nachgewiesen wurden.

Ziel des Verbundprojektes "Li+Fluids" ist es, die notwendigen Grundlagen für die Entwicklung einer Rohstoffstrategie zur Lithiumgewinnung aus hydrothermalen Fluiden in Deutschland zu schaffen. Grund für das verstärkte Interesse sind gemessene erhöhte Lithiumgehalte in heißen Tiefenwässern im Norddeutschen Becken (NDB) und im Oberrheingraben (ORG) in Deutschland (NDB: bis max. 350 mg/l; ORG: 190 mg/l).

Für den Modellierungsteil innerhalb dieses Projektes sollen mit Hilfe von Modellierungsuntersuchungen (Fraunhofer IEG) und Laborexperimenten (Partner Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: BGR) die grundlegenden Zeitskalen und physikochemischen Mechanismen von Lithium-Austauschreaktionen und Auflösungsprozessen zwischen Gestein und Fluid geklärt werden. 

In einem ersten Schritt werden PHREEQC-Simulationen nach einem Gleichgewichtsansatz mit Hilfe etablierter thermodynamischer Datenbanken für verschiedene Ionenstärken durchgeführt. In einem zweiten Schritt werden kinetische Reaktionsgeschwindigkeiten über verschiedene Zeitskalen modelliert. Dabei werden gekoppelte kinetische Mineralreaktionen berücksichtigt und gleichzeitig sogenannte Quellen und Senken definiert, die einen geschlossenen Kreislauf zwischen Minerallösung und Ausfällung ermöglichen. Die thermodynamischen Datenbanken werden um diejenigen Mineralphasen erweitert, die die Mineralogie für den jeweiligen Standort repräsentieren. 

Gemeinsames Ziel von Experimenten und Modellierung ist es, einerseits Gleichgewichtskonzentrationen für Lithium in tiefen Fluiden zu bestimmen und andererseits ein Verständnis für die kinetischen Reaktionsgeschwindigkeiten zu gewinnen. Nur mit diesem Wissen ist es möglich, die langfristige wirtschaftliche Gewinnung von Lithium aus geothermischen Reservoiren in einem zirkulierenden geothermischen Betrieb zu beurteilen.