Rohstoffextraktion
Supervisors: Prof. Dr. Thomas Kohl, Dr. Fabian Nitschke (both KIT), Prof. Dr. Diego Morata (UCHILE)
Person in charge: Valentin Goldberg
Die Dissertation behandelt das Thema der Rohstoff- und Frischwassergewinnung aus Geothermalwässern. Die Arbeit findet als binationale Cotutelle de Thèse gemeinsam mit dem Exzellenzzentrum für Geothermie der Anden (CEGA) der Universidad de Chile in Santiago de Chile statt. Die Forschungsthemen umfassen die geochemische Exploration im Norden Chiles, die Betrachtung von Thermalwässern in Deutschland und Chile als Rohstoffquelle sowie die Entwicklung von Behandlungsstrategien.
In einer ersten Studie wurden unterschiedliche Technologien zur direkten Lithiumextraktion verglichen sowie deren Anwendbarkeit und mögliche Herausforderungen in einem geothermalen System bewertet (Goldberg et al. 2022a). Hier zeigte sich, dass der Eingriff in das chemische Gleichgewicht des Thermalwassers das Scalingrisiko vergrößern kann. Treibende Faktoren sind kinetische Reaktionen aufgrund längerer Verweilzeiten, pH-Wert-Schwankungen durch die Pufferung von Sorbtionsprozessen oder der Einbau von Li-Konkurrenzionen in verwendete Sorbentia. Wenn diese Hürden überwunden werden können, bietet der Ansatz in Deutschland wie in Chile ein enormes Rohstoffpotential. Die aktuell betriebenen Geothermiekraftwerke in Deutschland könnten bis zu 12 % des Lithiumbedarfs der geplanten lokalen Batteriezellfertigung decken (Goldberg et al. 2022b). Besonders die Standorte im Oberrheingraben mit großen Fließraten ≥ 70 L/s und hohen Lithiumkonzentrationen ≥ 160 mg/L haben ein sehr großes Potential. Um das langfrisitge Potential zu bestimmen, wurde ein Reservoirmodell mit einer Thermisch-Hydraulisch-Chemisch gekoppelten Simulation untersucht (Goldberg et al. 2023b). Trotz einer möglichen Abnahme von Lithium im Reservoir, könnte ein hydrothermales Reservoir über 30 Jahre hinweg Lithium produzieren und ein einzelnes Geothermiekraftwerk 0,5 - 3 % des jährlichen, deutschen Lithiumbedarfs bereitstellen. In Chile, dem Land mit der zweitgrößten Lithiumförderung weltweit, könnte das Lithium, welches in dem Thermalwasser des einzigen Geothermiekraftwerks Cerro Pabellon zirkuliert, bis zu 2 % der Landesproduktion ausmachen.
Gerade in Chile steht der Bergbausektor und sein immenser Wasserbedarf in einem permanenten Konflikt mit den lokalen, häufig indigenen, Gemeinden. Hier könnte eine kombinierte Rohstoff- und Frischwassergewinnung aus Thermalwässern einen Beitrag zur Verbesserung der Situation leisten. Mit diesem Ziel wurde ein Ansatz entwickelt (Goldberg et al. 2023a), über Membransysteme Wasser aus den Thermalwässern zu gewinnen und gleichzeitig die Mineralkonzentration zu erhöhen, um spätere Extraktionsprozesse zu optimieren. Auch bei diesen Membranprozessen ergibt sich das Problem von Scaling – allen voran Silica-Scaling. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine im Labor entwickelte Methode (Spitzmüller et al. 2021) numerisch auf einen großskaligen Demonstrator übertragen und im laufenden Betrieb in einem Geothermiekraftwerk im Oberrheingraben (ORG) getestet (Goldberg et al. 2021, 2023a). Beim numerischen Transfer zeigte sich, dass die Rohstoffextraktionsprozesse in Kombination mit den hochkomplexen Wässern des ORG die Möglichkeiten etablierter thermodynamischer Datenbanken überschreiten und diese Prozesse nicht darstellbar sind. Erst durch die Erstellung eines neuen, Datensets konnten die Prozesse korrekt dargestellt werden. Die Prototyptestphasen bestätigten die Methoden und ermöglichten die Frischwasserproduktion sowie eine Aufkonzentration des Mineralgehalts der Wässer im ORG. Damit wurde ein erfolgreiches Prozessieren der Wässer als Vorbehandlung für die Rohstoffextraktion bewiesen sowie Grundlagenversuche im Wirkungsgefüge Entgasung, Verweilzeit und pH-Wert-Änderung an natürlichen Tiefenwässern durchgeführt.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Ergebnisse der Arbeit das hohe Potential für eine geothermale Rohstoffextraktion aufgezeigt haben. Weiterhin wurden kritische Punkte für eine Integration in den geothermischen Anlagenbetrieb herausgearbeitet sowie (numerische) Methoden für eine Prozessierung der Wässer entwickelt. Zuletzt soll eine durchgeführte geochemische Exploration zur Verbesserung des Verständnisses der hydtothermalen Systeme der Anden dienen.
