FVEE – Jahrestagung 2020: Forschung für den European Green Deal

Simona Regenspurg (GFZ), 

Elisabeth Eiche (KIT), Klemens Slunitschek (KIT)

Eva Hartai (Uni Miskolc), Tamas Madaraz (Uni Miskolc), Harald Milsch

(GFZ), Jörg Uhde (Pfalzwerke Geofuture)

Nutzung geothermischer Fluide 

– als umweltfreundliche Lieferanten von 

Energie und wertvoller Rohstoffe

Einleitung: Geothermische Energiegewinnung

Prinzip einer geothermischen Doublette

Vorteile gegenüber anderen erneuerbaren Energien

• Grundlastfähig• Geringer flächenbedarf• Hohes Potential, nachhaltig

Tiefe Geothermie (> 400 m)Nutzung zur Wärme‐ und Stromversorgung

Wärme aus Erneuerbaren Energien in Deutschland (2017)

Geothermie in Deutschland: 

37 Anlagen (Stand 2019) mit 336 MWtherm und 37 MWel

Einleitung: Geothermische Energiegewinnung

Wie kann man Geothermie aus der „energetischen Nische“ herausholen?

Top 10 Geothermieländer (2019); Installierte Kapazität in Mwel ( Total: 15406 MW)

Quelle: ThinkGeoenergy Research (2020)

Problem: Risiken aufgrund der Geologie‐ Fündigkeit

‐ hydraulische, geochemische Eigenschaften der Formation

Quelle: Berliner Senat: https://www.berlin.de/senuvk/umwelt/wasser/geologie/de

Beispiel: Lage der Hettangformation (blau)  in Berlin ungewiss 

Fluidinhalt: 1‐ 400 g/L• Hauptkomponenten: Na+, 

Ca2+, K+, Cl‐, SO42, HCO3‐ , MgCl2… • Gase: N2, CO2, CH4, He, H2…• In Spuren (mg/L): wertvolle 

Rohstoffe: Li+, SEE, Cu2+, Mn2+, Zn2+

Einleitung: Thermalwasser als Träger von Wärme und (wertvoller) chemischer Inhaltsstoffe

Thermalwasserproduktion Bsp. Insheim: 50‐80 L/s

Jede geologische Formation unterscheidet sich hinsichtlich ihrer hydraulischen Eigenschaftenund der Fluidzusammensetzung.

Umweltfreundliche Energie‐ und Rohstoffgewinnungwährend der Thermalwasserförderung theoretischmöglich.

Quelle: http://www.geologyin.com/

Leitfragen1. Kann die Geothermie neben der Bereitstellung von Wärme auch zur CO2‐armen 

Gewinnung von Rohstoffen dienen?

2. Welche Inhaltsstoffe von Tiefenfluiden sind von wirtschaftlichem Interesse?

3. Wie ist der Stand des Wissens und der Technik zum Thema "Rohstoffe aus Thermalwässern" in Europa/ Deutschland?

4. Mit welchen innovativen Methoden können wertvolle Stoffe aus Thermalwässern im Anlagenbetrieb technisch gewonnen werden?

1. Kann die Geothermie neben der Bereitstellung von Wärme auch zur CO2‐armen Gewinnung von Rohstoffen dienen?

Rohstoffgewinnung Traditionell (Bergbau) Rohstoffgewinnung aus dem Thermalwasser

Beispiel Lithium

Quelle: Paranthaman, et al., 2017. Recovery of lithium fromgeothermal brine with lithium–aluminum layered double hydroxidechloride sorbents. Environmental science & technology, 51(22),pp.13481‐13486.

Quelle: Talison Lithium in Greenbushes lithium mine https://www.mining.com.

Mineral anreichern Rösten

Säure‐zugabe

Karbonat‐zugabe

Umweltschäden; hohe CO2 Freisetzung

Strategische Rohstoffe

Kritische Rohstoffe (European Commission 2020)

Quelle: https://ec.europa.eu/growth/sectors/raw‐materials/specific‐interest/critical_en

1. Kann die Geothermie neben der Bereitstellung von Wärme auch zur CO2‐armen Gewinnung von Rohstoffen dienen?

Quelle: https://www.welt.de/

Quelle: https://www.autobild.de/

Beispiel: Lithiumbatterien für die Elektromobilität

Sb: nm Hf: nm P: nm

In: 

3. Stand des Wissens und der Technik in Deutschland

Beispiel 1 Kraftwerk Insheim:‐ 165 °C‐ 4.0 MWel; 10 MWth : Stromversorgung : 8000‐ ;Wärmeversorgung: 

600‐800 Haushalte‐ ca. 180 mg/L Li 

Machbarkeitsstudie: Vulcan Energy Resources Ltd. + Pfalzwerke geofuture GmbH  Pfalzwerke geofuture stellt Thermalsole fürVerfahrensentwicklung zur Direktextration (DLE) bereit.Ziel: CO2 – freie Produktion von Lithium Hydroxid (jährlich ca. 2.000 Tonnen Lithiumhydroxid)

Beispiel 2 Kraftwerk Bruchsal: Energiekonzern EnBW  Extraktionsanlage für Lithium‐Chlorid (Demonstrationsanlage geplant)

Lithium Exploration von Geothermiewässern im Oberrheingraben

Karte Geothermie‐Standorte Oberrheingraben

Quelle: KIT

3. Stand des Wissens und der Technik in Europa und USABeispiel 3: Lithium Extraktion UK

Cornish Lithium + Geothermal Engineering Limited  Direct Lithium Extraction (DLE)

Quelle: https://www.cornishlithium.com/pilot‐lithium‐extraction‐plant/

Beispiel 4: Lithium Extraktion Salton Sea (Kalifornien, USA)

Plan: u.a. Lithium Extraktion in United Downs

Quelle: https://www.latimes.com

Ionenaustausch Prozess: Pilot‐scale lithium extraction system (Lilac, Oakland)

Quelle: https://www.thinkgeoenergy.com/(EnergySource)

3. Stand des Wissens und der Technik in Europa

Exploration Extraktionsmethoden Roadmap bis 2030 

(Demonstrationsanlage) Wirtschaftliche Nutzung bis 2050

Beispiel: EU H2020 Projekt

CHPM2030 – Combined Heat, Power andMetal extraction from ultra‐deep orebodies: combines geothermal resourcedevelopment, metals extraction andelectro‐metallurgy.

Lithium Seltene Erdelemente Edelmetalle

Fällung Adsorption (Ionensiebe),

Ionenaustausch  DLE Elektrochemisch Membrantechnologien

Ionenaustausch Bioextraktion

Biosorption Bioextraktion Elektrolyse

4. Methoden zur Gewinnung wertvoller Stoffe aus dem Thermalwasser

Li‐Adsorptionsisothermec(Li)=160 mg/Li, T=60°C, t=2hEinwaage: 0,01 – 1 g, pH=5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

2

4

6

8

10

12

14

16

Bela

dung

[mg/

g]

Zeit [h]

Kinetikversuch: 70 % Adsorption innerhalb von 5 Minuten Extraktion im Durchfluss möglich

Lithium Adsorption an Mn‐OxidenREM: synth. Manganoxid

Quelle: Liu et al. (2019) Hydrometallurgy 187.

4. Methoden zur Gewinnung wertvoller Stoffe aus dem Thermalwasser

Groß Schönebeck

Ausblick: geplante Pilotforschungsanlage Groß Schönebeck

1 2 3 4

1

2

3

4

He, CH4 Gewinnung

DLE: mit Manganoxid/ Composite

Ausfällung als Karbonat

Elektrolyse/ Bioleaching

Sr, Mg

Cu, Zn, Mn

Vielen Dank

Elisabeth Eiche (KIT), Eva Hartai (Uni Miskolc), Tamas Madaraz (Uni Miskolc), Harald Misch (GFZ), Jörg 

Uhde (Pfalzwerke Geofuture), Jörg Zotzmann (GFZ), Elvira Feldbusch (GFZ), Klemens Slunitschek (KIT)

Bildquelle: https://en.wikipedia.org/ Lithium in Öl