„Das weiße Gold“ Lithium – und der Oberrheingraben

„Lithium aus dem Oberrheingraben?“ Das klingt wie „Goldfunde im Ruhrgebiet!“ oder „Edelsteine im Wattenmeer entdeckt!“, also doch ein bisschen zu schön um wahr zu sein. 🙂 Lithium sieht aus wie Salz und wird schon als weißes Gold bezeichnet, denn die Nachfrage nach dem Rohstoff zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos, Handys oder Laptops steigt weltweit stark an. Gerade in Elektroautos wird ja eine klimafreundliche Alternative zu Autos mit Verbrennungsmotoren gesehen, da sie keinen direkten CO2-Ausstoß haben, aber sie alle brauchen in ihren Akkus den Rohstoff Lithium. Seine Abbaugebiete liegen weit weg, in Chile, Bolivien, Argentinien und Australien. Allein in der chilenischen Atacama-Wüste, der trockensten Wüste der Welt, werden rund 40 Prozent des weltweiten Lithiums abgebaut.

Dabei wird das salzhaltige Wasser unter dem Wüstenboden, das reich an Lithiumkarbonat ist, an die Oberfläche gepumpt. Die Wüstenhitze lässt es schnell verdunsten und zurück bleibt eine schleimige Masse, aus der das Lithium schließlich abgetrennt wird. So hat sich der Wüstenboden mancherorts zu mehreren fußballfeldgroßen Verdunstungsbecken verwandelt. Die Einheimischen haben im harten Kampf um das Wasser somit einen ungleichen Gegner bekommen – die Minengesellschaften. Denn sie pumpen jährlich etwa 63 Milliarden Liter aus dem Untergrund der Atacama-Wüste heraus, nahezu 2.000 Liter pro Sekunde.

Dieses Video von TerraX erklärt die Entstehung des Lithiumkarbonats in den argentinischen Wüstensalzseen und die Problematik des Lithiumabbaus:

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Daher verwundert eine Meldung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und macht Hoffnung! Im Oberrheingraben soll es eins der größten Lithiumvorkommen der Welt geben (Ulrich, 2020). In salzigen Thermalwässern sollen dort bis zu 200 Milligramm Lithium pro Liter gelöst sein. Dieses Vorkommen könnte den Lithiumbedarf in Deutschland – unter anderem für die Automobilindustrie – nahezu decken. Die bestehenden Tiefengeothermieanlagen im Oberrheingraben (Abbildung 1) fördern bereits die lithiumreichen Thermalwässer an die Oberfläche, etwa eine bis zwei Milliarden Liter pro Jahr. Dort wird ihnen die Wärme entzogen, und sie wieder in den Untergrund zurückgeleitet.

Abbildung 1: Die Lage des Oberrheingrabens mit seinem erhöhten hydrothermalen Potenzial und der Lage seiner Geothermiekraftwerke. Quelle: GeoTIs 2020, Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik, https://www.geotis.de/homepage/GeotIS-Startpage

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Die Karlsruher Wissenschaftler Jens Grimmer und Florencia Savaria möchten nun in den bestehenden Geothermiekraftwerken des Oberrheingrabens die mit den Thermalwässern an die Oberfläche geförderten Lithiumionen mit einer Extraktionsanlage herausfiltern und so weit konzentrieren, bis Lithium als Salz ausfällt. Mit Industriepartnern wird nun eine Testanlage im Geothermiekraftwerk Bruchsal entwickelt. Nach den Berechnungen von Grimmer und Savaria ließen sich auf deutscher und französischer Seite des Oberrheingrabens mehrere tausend Tonnen Lithium pro Jahr fördern. Zudem können die Lithiumionen aus dem Thermalwasserkreislauf innerhalb von Stunden kontinuierlich herausgefiltert werden, während die Anreicherung in südamerikanischen Salzseen Monate dauere. Die Geothermiekraftwerke im Oberrheingraben können also dabei helfen, ein großes Problem der Elektroautomobilität zu lösen. 🙂

Doch wie kommt das Lithium überhaupt in den Oberrheingraben? Und warum ist es nicht auch unter Aachen oder Berlin angereichert? Als vor etwa 100 Millionen Jahren die afrikanische Platte mit der europäischen Platte zu kollidieren begann, resultierten die enormen Drücke in einer intensiven Faltung der Erdkruste. Die Alpen entstanden. Es wird vermutet, dass der Druck der Gebirgsbildung, der besonders stark aus südlicher Richtung wirkte, so groß wurde, dass vor rund 35 Millionen Jahren schließlich am Nordrand der Alpen ein Riss Richtung Norden durch die Erdkruste ging, der 300 Kilometer lang war und von Basel bis nach Frankfurt reichte. Entlang dieses Risses stieg Magma aus dem Erdmantel auf und bildete eine große zusammenhängende Magmablase, einen Pluton, nur etwa 10 bis 15 Kilometer unter der Erdoberfläche. Dies führte zur Ausdünnung und Dehnung der darüberliegenden Erdkruste, die sich daraufhin langsam absenkte. Der Oberrheingraben entstand, wie dieses kurze Video (wirklich nur ganz schemenhaft 😉) zeigt:

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Während der Absenkung des Oberrheingrabens entstanden viele Brüche in diesem Bereich der Erdkruste. Entlang dieser Brüche stieg Magma aus dem Pluton wie an dünnen Schnüren weiter nach oben auf, kühlte ab, wurde in Tiefen von etwa 7 Kilometern fest und erstarrte zu sogenannten Pegmatiten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Aufstieg von Magma aus einem Pluton (3) nach oben kann ganz unterschiedlich sein. Wo das Magma in Gängen nach oben aufsteigt (2 und 4), können Pegmatite entstehen, die wie im Oberrheingraben reich an Lithium sein können. Wo das Magma die Oberfläche erreicht (6), entsteht ein Vulkan. Oft erreicht es aber auch nicht die Oberfläche (1: Ein Lakkolith drückt die Gesteinsschichten nach oben, 5: Ein Sill lagert sich schichtparallel ein, 7: Ein Lopolith drückt die Gesteinsschichten nach unten). Im italienischen Lardarello ist dies auch der Fall. Ein Lakkolith, Lopolith oder Sill (ich weiß es nicht genau 😉 ) in wenigen hundert Meter Tiefe heizt das Grundwasser so stark auf, dass es kontinuierlich gasförmig wird. Den bis zu 200° C heißen Wasserdampf, der nach oben aufsteigt und an der Oberfläche austritt, nutzen 37 Geothermiekraftwerke, um damit Strom für eine Million Menschen zu erzeugen. Quelle: Motilla, CC-BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org
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Die meisten Pegmatite sind angereichert an Seltenen Erden und Elementen wie Lithium, Cäsium und Tantal (Kesler et al., 2012). In lithiumreichen Pegmatiten entstehen auch die meisten Edelsteine, wie z. B. Aquamarin. Diese Elemente stammen alle aus dem Erdmantel und steigen überhaupt nur deshalb mit dem Pluton nach oben auf, weil sie eine Kristallstruktur besitzen, die schlecht in die kristallinen Phasen des Erdmantels eingebaut werden kann. Lithium wird praktisch aus dem Erdmantel ausgeschieden. Die Pegmatite geben Lithium, Cäsium und Tantal dann auch relativ schnell an die umgebenden Tiefenwässer ab. Lithium werden also nochmal ausgeschieden. Die lithiumreichen Tiefenwässer steigen auf und werden durch Geothermiekraftwerke an die Oberfläche gefördert.

Also eigentlich will das Lithium keiner haben, der Erdmantel will es nicht, die Pegmatite wollen es nicht, es ist ein Abfallprodukt der Natur, auf das nur einer scharf ist: Wir! 🤣 Und dafür machen wir sogar die trockenste Wüste der Welt noch trockener. Da wäre der Oberrheingraben doch eine tolle Alternative. Viel Erfolg!!

Quellenverzeichnis:

Kesler, S.E., Gruber, P.W., Medina, P.A., Keoleian, G.A., Everson, M.P., Wallington, T.J. (2012): Global lithium resources: Relative importance of pegmatite, brine and other deposits. Ore Geology Reviews, 48, 55-69

Ulrich, K. (2020): Lithium aus Deutschland – Der verborgene Schatz aus dem Oberrheingraben. DW Akadmie. Erstveröffentlichung: 20.07.2020, https://p.dw.com/p/3fT5b, Stand 10.11.2020