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Der Lithiummarkt hat sich in den letzten Jahren hoch dynamisch entwickelt. Einer der Gründe ist in der großen Erwartungshaltung der Industrie an den Anwendungsbereich der wiederaufladbaren Batterien und hier im Speziellen der E-Mobilität zu suchen. Aber auch die Speicherung regenerativer Energien spielt in diesem Kontext eine zunehmend wichtige Rolle.

Wiederaufladbare Batterien machten im Jahr 2020 etwa 70% der Nachfrage nach Lithium aus. Es folgen die Glas-/Keramikindustrie mit ca. 14% und die Schmierstoffindustrie mit ca. 4% der Nachfrage. Bis zum Jahr 2030 wird der Anteil der wiederaufladbaren Batterien auf mehr als 90% der Nachfrage ansteigen.

Abgebaut wird Lithium hauptsächlich in vier Ländern: Australien, Chile, China und Argentinien. Der Marktanteil der beiden wichtigsten Lieferländer liegt bei ca. 70%. In Australien wird Lithium aus Festgesteinsvorkommen gewonnen. Die Weiterverarbeitung findet zu weit über 90% in China statt. Die Produktion in Chile und Argentinien erfolgt aus Solevorkommen in Salaren. Beide Vorkommen liefern dabei das gleiche Produkt, Lithiumkarbonat oder –hydroxid.

Neben dem hochkonzentrierten Markt bezogen auf die Lieferländer, ist auch die Firmenkonzentration sehr hoch. Die drei größten Unternehmen liefern etwa 50% des globalen Lithiums. Allein die beiden wichtigsten Unternehmen in Südamerika SQM und Albemarle liefern knapp 40%.

Auch die Preisentwicklung bei Lithiumverbindungen ist hoch volatil. Die Preise für Lithiumkarbonat stiegen seit 2004 (ca. 2.500 US$/t) aufgrund wachsender Nachfrage stetig an. Bis 2016 rangiert der Preis pro Tonne Lithiumkarbonat zwischen 6.060 und 7.180 US$. Nach einem Preisanstieg mit einem Maximum im April 2018 mit 19.250 US$/t und einem starken Preisverfall in der Folge auf unter 10.000 US$/t (12/2020) liegt der Preis aktuell wieder bei ca. 15.000 US$/t. Die Lithiumhydroxid-Preise (battery grade) rangieren aktuell bei ca. 17.750 US$/t.

In dieser Präsentation wird die aktuelle Marktsituation des Batterierohstoffes Lithium betrachtet. Neben der Preisentwicklung und dem Angebot wird ein Überblick über potentielle Bedarfe basierend auf Hochlaufszenarien der Elektromobilität bis 2030 gegeben. Auch auf Aspekte der Nachhaltigkeit in der Produktion wird dabei eingegangen.

Der europäische "Green Deal" der EU umfasst einen Aktionsplan zur Förderung einer effizienteren Ressourcennutzung durch den Übergang zu einer sauberen und kreislauforientierten Wirtschaft, zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung und damit verbunden auch techno-ökonomische Fragenstellungen. In diesem speziellen Kontext werden innovative Untersuchungen für spezielle und notwendige Rohstoffe für die Energiewende benötigt, deren Herstellung und Abbau teilweise zu sozialen und ökologischen Problemen führen kann. Viele Metalle und insbesondere Lithium ist ein begehrter Rohstoff, der für viele Einsatzbereiche notwendig ist und für die Herstellung von Li-Ionen-Batterien oder den Bereich der Elektromobilität ein strategisches Metall darstellt. Allerdings: bisher wird Lithium fast ausschließlich aus dem Ausland importiert und nur ein bis zwei Prozent der weltweiten Lithiumproduktion stammen aus europäischen (Minen-) Vorkommen.

Im Rahmen des europäischen Projektes EuGeLi (European Geothermal Lithium brines) wird eine alternative Möglichkeit untersucht, Lithium aus geothermalen Tiefenwässern zu extrahieren, um damit einen weiteren Anteil an Import-unabhängigen Lithium für den europäischen Markt bereit zu stellen. Um zu untersuchen, wie hoch die Verfügbarkeit des geothermischen theoretischen Li‑Potentials in Europa ist, wurden zuerst alle verfügbaren Informationen und Daten von Li-reichen Tiefenfluiden im europäischen Maßstab durchgeführt und geographisch wie geologisch charakterisiert. Durch die Synthese von geochemischen und hydrologischen Daten im Zusammenhang mit Li-reichen geothermischen Solen wurden die Prozesse untersucht, die mit der Li-Anreicherung in geothermischen Solen zusammenhängen könnten.

Das geothermische Tiefenreservoir im Oberrheingraben (ORG) entlang der deutsch-französischen Grenze weist dabei im Allgemeinen sehr ähnliche geothermische und hydrochemische Eigenschaften auf, mit einer Temperatur um 160°C und Li-Konzentrationen von 160 bis 200 mg/l. Ein an Argentinischen Solen seitens ERAMET und IFPEN entwickeltes innovatives Lithium-Extraktionsverfahren wurde deshalb zur Durchführung dieses Projekts direkt an eine Extraktionseinheit am Reinjektionszweig einer bestehenden Geothermieanlage im ORG installiert. Im Rahmen von Tests im Pilotmaßstab konnte dabei Anfang 2021 in Zusammenarbeit mit Electricité de Strasbourg die Möglichkeit Lithium aus geothermischer Sole zu extrahieren gezeigt werden.

Inwieweit die Lithium Extraktion die Verwertung der geothermischen Ressourcen maximieren kann, indem es die Lithiumgewinnung mit der Strom- und/oder Wärmeproduktion über eine einzige Bohrung kombiniert, wird in einer wirtschaftlichen Sensitivitätsbewertung untersucht, indem die verschiedenen Schlüsselparameter evaluiert werden und dann einer bestimmten Variation unterzogen werden. Letztendlich soll diese kombinierte Nutzung der geothermischen Ressourcen an einer bereits bestehenden Anlage zeigen inwieweit die Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft im Vergleich zum konventionellen Bergbau, oder zur konventionellen Sole Lithium Herstellung vermieden werden können.

Demand for lithium is ever increasing globally. This precious metal plays a key role in transition to clean energy; therefore, the environmental performance of its supply chain is of paramount importance to provide a in every aspect cleaner and sustainable alternative to fossil fuel-based solutions. However, the existing conventional lithium production technologies have not been very sustainable. Currently, a few countries such as Australia, Chile, China, Argentina, Zimbabwe, and Portugal lead the global lithium market using conventional manufacturing technologies. The necessity in combating climate change and the intensely increasing demand for lithium-ion batteries, especially for electromobility, bring along the technological developments in the supply chain. To meet the rising global demand trend, previously untapped lithium deposits and alternative extraction technologies are being investigated. Geothermal brines are one of the alternative lithium deposits and lithium extraction from geothermal waters is expected to be in the future supply chain, as high concentrations of lithium have been discovered in deep geothermal waters, especially in Germany, the UK and the US. The lithium concentration that have been measured in geothermal waters in the North German Basin (NDB) and in the Upper Rhine Valley (URG) is up to 240 mg/L (Regenspurg et al. 2015) and 100-200 mg/L (Sanjuan et al. 2016), respectively. Considering the lithium demand of Germany has so far been met from imports in all, the quantity of lithium that exists in the geothermal waters in Germany and has so far been re-injected unused, are remarkable from an economic point of view.

There are several geothermal lithium activities around the world and one of the pilot projects already being implemented is in the German Upper Rhine Valley. The project, called UnLimited, is a joint project and is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy with a budget of €2.7 million. EnBW, which is the consortium leader of the project, together with the partners Karlsruhe Institute of Technology (KIT), BESTEC GmbH, HYDROSION GmbH and the University of Göttingen, aims to test the co-production of lithium at the geothermal power plant in Bruchsal using direct lithium extraction (DLE) technology. To realise industrial lithium production from deep geothermal waters, some technical and economic fundamental questions must first be clarified. The joint project “UnLimited - Investigations into lithium production from hot deep waters in Germany” is addressing these fundamental questions, which would be helpful to understand whether the lithium production from geothermal waters is feasible.

One of the focus points of the UnLimited project is to carry out a resource analysis for the URV and NGB to determine the size of the lithium deposit, the possible recovery rate, and the sustainability of the management. Recent studies of KIT and EnBW Research show that the use of adsorption technology with selective adsorbents is an attractive option for direct lithium extraction. Therefore, the adsorption technology is being used in the project. Compared to alternative lithium extraction processes from geothermal brines, adsorption technology stands out from the rest because it requires small land use and relatively low investment costs and it has significantly smaller ecological footprint. Considering the laboratory results, a pilot plant is to be designed and particularly suitable adsorbents are to be tested in-situ in Bruchsal throughout the project.

Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Lithium, vor allem für die E-Mobilität, wird aktuell weltweit die Koproduktion von Lithium aus Anlagen der Tiefen Geothermie diskutiert und vereinzelt lokal bereits pilothaft umgesetzt. Auch in Deutschland werden in heißen Thermalsolen im Oberrheingraben (ORG) und Norddeutschen Becken (NDB) erhöhte Lithiumgehalte von bis zu 200 mg/L und mehr gemessen.

Die Gewinnung dieses Leichtmetalls kann zu einer effizienteren Nutzung der vorhandenen geothermischen Ressource beitragen und somit die Wirtschaftlichkeit von Geothermieanlagen steigern. Die Herausforderung der Lithiumextraktion besteht bei der Auswahl eines geeigneten Trennverfahrens, welches selbst ausreichend effektiv ist, aber den laufenden Betrieb nicht negativ beeinflusst. Ein Patentrezept existiert bislang nicht.

Prinzipiell bieten sich mehrere Extraktionsprozesse an. Verschiedene Verfahren wie Adsorption (Ionenaustausch), Flüssig-Flüssig-Extraktion, Membranen und Kopräzipitation wurden für die Extraktion aus Meerwasser, Solen und geothermische Tiefenwässer bisher untersucht. Während das Verfahren der Flüssig-Flüssig-Extraktion auf der unterschiedlichen Löslichkeit von Stoffen basiert und die Extraktion eines gelösten Stoffes (Lithium) aus einem Flüssigkeitsgemisch (Thermalwasser) durch Zusatz eines geeigneten Lösungsmittels beschreibt, setzt die Lithiumextraktion mittels Kopräzipitation auf die Fällung von Lithium an künstlichen hergestellten Komplexen, wie beispielsweise Aluminiumhydroxid-Verbindungen.

Eine vielversprechende Methode zur Extraktion von Lithiumionen aus Thermalwässern stellen Adsorptionsprozesse dar. Dabei findet die Adsorption an anorganischen Sorbenten, wie beispielswiese wasserhaltige Manganoxide des Spinelltyps, statt, da diese eine vergleichsweise hohe Selektivität gegenüber Lithiumionen aufweisen. Bei dem Adsorptionsvorgang von Lithium an Manganoxid handelt es sich um einen Ionenaustausch. Das Prinzip des Sorbenten besteht darin, dass sich an der Oberfläche des Sorbenten H⁺-Ionen befinden. Beim Kontakt mit dem Thermalwasser und den darin befindlichen Lithiumionen kommt es zum Ionenaustausch von Li⁺-Ionen aus dem geothermischen Tiefenwasser gegen H⁺-Ionen an der Sorbentenoberfläche. Die ausgetauschten H⁺-Ionen werden dabei in das Thermalwasser freigesetzt.

Der Wirkungsgrad der einzelnen Stoffaustauschapparate wird unmittelbar durch die hydrochemischen Gegebenheiten des jeweiligen Standorts beeinflusst. Der Sorbent tritt dabei in Wechselwirkung mit dem geothermischen Fluid, dessen chemische Zusammensetzung wiederum das Verhalten von Lithium beeinflusst. Die Entscheidung, welches Verfahren am besten zur Lithiumgewinnung geeignet ist, ist daher standortspezifisch und bedarf konkreter Laborversuche im Vorfeld. Neben den rein chemischen Faktoren müssen auch thermodynamische Parameter wie Temperatur und Druck in die Überlegungen miteingeschlossen werden. So kann eine Änderung dieser Einflussgrößen ungewünschte Nebeneffekte wie beispielsweise die Bildung von Scalings in der obertägigen System verursachen.

Das Endprodukt der Lithiumextraktion muss den Anforderungen des Batteriemarktes entsprechen. Bei der Festkörpersynthese vom Kathodenmaterial (NMC, Lithium Nickel Mangan Kobalt Oxid) wird heterogene NMC-Stoffgemisch (NMC Präkursor) mit Lithium-Hydroxid oder Lithium-Carbonat trocken gemischt. Beim darauffolgenden Kalzinieren wird das Li-NMC-Gemisch in einem Ofen bei 800 bis 1000 °C erhitzt, um die gewünschte kristalline Struktur zu erhalten. Dabei sind folgende Qualitätsmerkmale von Li₂CO₃ /LiOH zu beachten: Partikelgröße, Gleichmäßigkeit der Partikelform, Reinheit, Partikelmorphologie. Von beiden Chemikalien wird die Reinheit von >99 % (Battery Grade Chemicals) mit einer durchschnittlichen Partikelgranularität von weniger als 10 Mikron und eine enge Partikelgrößenverteilung erwartet. Seit 2019 wird die Anwendung von LiOH bei der Festkörpersynthese von Kathodenmaterialien bevorzugt, da diese eine schnelle und vollständige Synthese von NMC bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht, was die Leistung und Lebensdauer der Batterie erhöht.

Die Entwicklung leistungsfähiger Energiespeichertechnologien ist in vielfacher Hinsicht von herausragender gesellschaftlicher Bedeutung, da einerseits stationäre Energiespeicher durch die Nutzung umweltfreundlicher, erneuerbarer Energien signifikant zur Deckung des ständig wachsenden Energiebedarfs beitragen können, und die mobile Energieversorgung andererseits eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen des täglichen Bedarfs ermöglicht. Die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) stellt aufgrund ihrer gegenüber anderen Batterietechnologien überlegenen Energiedichte daher eine Schlüsseltechnologie für diverse Anwendungsfelder dar. Für die Elektrifizierung des Transportsektors werden sehr leistungsfähige LIB benötigt, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen und deren gesellschaftliche Akzeptanz zu verbessern. Vor dem Hintergrund des politisch forcierten Ausbaus erneuerbarer Energien und der Elektromobilität ist die Weiterentwicklung dieser Technologie daher Gegenstand aktueller Forschung.

Die Entwicklung von Batterien zielt aktuell hauptsächlich auf ökonomisch relevante Faktoren (Energiedichte, Leistung, Lebensdauer, Schnellladefähigkeit, Kosten, Sicherheit) ab. Jedoch weisen kommerziell eingesetzte Batterien oftmals eine nicht zufriedenstellende Ökobilanz auf und basieren stark auf als „kritisch“ eingestuften Materialien. Zudem beansprucht der Herstellungsprozess der Batterien derzeit noch viel Energie und verschlechtert signifikant deren CO₂-Fußabdruck. Damit sich der CO₂-Fußabdruck der Batterien in Zukunft deutlich verbessert, muss ihr gesamter Lebenszyklus nachhaltig ausgerichtet werden: von der Auswahl der Rohstoffe und deren Transport über die Produktion bis hin zu möglichen „Second Life“ Anwendungen sowie zur Entsorgung und dem Recycling. Insbesondere die Entwicklung neuer Materialkonzepte und die Erprobung innovativer Produktionsprozesse bieten Möglichkeiten zu signifikanten Verbesserungen der LIB-Technologie bzgl. Performanz, Kosten und Nachhaltigkeit.

Neben der Lithium-Ionen-Technologie konkurriert derzeit eine Vielzahl von unterschiedlichen, kommerziell und technologisch erfolgsversprechenden Technologieansätzen, die sich je nach Speichertechnologie für automobile und/oder stationäre Anwendungen eignen. Im Gegensatz zu einem mobilen Einsatz sind z. B. speziell für stationäre Anwendungen hohe Energiespeicherkapazitäten erforderlich, jedoch nicht zwingend hohe spezifische oder volumetrische Energieinhalte. Hierbei stehen vor allem die Kostenstruktur und gute Leistungseigenschaften der Elektroden zur Kompensation von Lastspitzen im Vordergrund. Neben der etablierten Lithium-Ionen-Technologie, werden daher ebenfalls sogenannte „Post-Lithium-Ionen-Batterien“ (Feststoff-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien, Lithium-Sauerstoff-Batterien, etc.) sowie „Post-Lithium-Batterien“ (Natrium-Ionen-Batterien, Magnesium-Batterien, Zink-Batterien, etc.) als mögliche zukünftige Energiespeichersysteme angesehen und derzeit intensiv erforscht.

Dieser Vortrag gibt einen Einblick in die rasante Entwicklung der Batterietechnologien und adressiert eine Reihe aktueller Fragestellungen im Bereich der Batterieforschung unter dem Gesichtspunkt bestehender Herausforderungen und zukünftiger Perspektiven.