Herausforderungen und Chancen für die Lithiumgewinnung aus geothermalen Systemen in Deutschland – Teil 1: Literaturvergleich bestehender Extraktionstechnologien

Abstract

Die hier vorgestellte Arbeit schätzt den Stand der Extraktionstechnologien zur Lithiumgewinnung aus geothermalen Wässern basierend auf aktuellen wissenschaftlichen Studien ab und identifiziert mögliche technische Herausforderungen. Bewertet werden häufig diskutierte Technologien wie Flüssig-Flüssig-Extraktion, selektive Extraktion durch anorganische Sorptionsmittel, elektrochemische Methoden und Membrantechnologien hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und Integrierbarkeit in die geothermische Energieproduktion. Aktuelle Forschungsprojekte haben verschiedene Extraktionsmethoden im Labor- und teilweise Prototypenmaßstab validiert. Eine Skalierung zu einem industriellen Prozess existiert bisher nicht. Dementsprechend fehlen Informationen bezüglich Dauerbetriebs sowie Einfluss standortspezifischer Hürden (Wasserchemie, Volumenstrom, Fließraten etc.) und zur tatsächlichen Wirtschaftlichkeit. Die Menge des rückgewinnbaren Lithiums ergibt sich in erster Linie aus der Konzentration des im Wasser gelösten Lithiums, der Extraktionseffizienz und -geschwindigkeit, sowie der Menge des verwendeten Extraktionsmittels. Das Zusammenspiel dieser Faktoren bestimmt die Verfahrenstechnik und die Größe der Extraktionsinfrastruktur. Je nach Verfahren werden die physikochemischen Eigenschaften des Wassers (pH, Eh, T, p etc.) während der Extraktion verändert, wodurch das Scaling- und Korrosionspotenzial gesteigert werden kann.Der aktuelle Stand der Technik zeigt ein frühes bis mittleres Technologiereifestadium bei Lithium-Extraktionseffizienzen in Laborexperimenten von 50–90 %. Unter den ungleich höheren Herausforderungen im laufenden Betrieb eines Geothermiekraftwerks, werden Extraktionseffizienzen im unteren Bereich dieser Bandbreite als realistisch angesehen.This study assesses the status of currently available extraction technologies for lithium recovery from geothermal waters based on recent scientific studies and identifies potential technical challenges. Frequently discussed technologies such as liquid-liquid extraction, selective extraction by inorganic sorbents, electrochemical methods, and membrane technologies are evaluated in terms of their applicability and integrability in geothermal energy production. Current research projects have validated various extraction methods at the laboratory- and, in some cases, prototype scales. Scaling up to an industrial process does not exist yet. Accordingly, information regarding continuous operation as well as site-specific challenges (water chemistry, volume flow, flow rates, etc.) and actual economic viability is lacking. The amount of recoverable lithium depends primarily on the concentration of lithium dissolved in the water, the extraction efficiency and rate, and the amount of extractant used. The interaction of these factors determines the process technology and the size of the extraction infrastructure. Depending on the chosen Li extraction method, physiochemical properties of the water (pH, Eh, T, p, etc.) are altered during extraction, which can increase scaling, and corrosion potential.The current state of the art shows an early to mid—technology maturity stage while reaching lithium extraction efficiencies of 50–90% in laboratory experiments. Under the disproportionately higher challenges in the ongoing operation of a geothermal power plant, extraction efficiencies near the bottom of this range are considered realistic.