Simultane Gewinnung von Wärme und kritischen Rohstoffen aus Geothermieanlagen im Norddeutschen Becken
Ein interdisziplinäres Perspektivenpapier, erstellt unter der Leitung von Prof. Dr. Simona Regenspurg am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung, analysiert die Möglichkeiten zur gleichzeitigen Extraktion von Lithium und Kupfer aus geothermischen Thermalwässern in Deutschland. Die Studie, veröffentlicht im Fachjournal Geothermics, fasst den aktuellen Forschungsstand zusammen, bewertet technische und wirtschaftliche Aspekte und identifiziert wesentlichen Forschungsbedarf.
Hintergrund: Kritische Rohstoffe und Erdwärme als Schlüsselressourcen
Die Energiewende erfordert sowohl eine nachhaltige Wärmeversorgung als auch eine sichere Versorgung mit kritischen Rohstoffen. In Deutschland macht die Wärmeversorgung rund 50 % des Energieverbrauchs aus, wobei erneuerbare Wärmequellen bislang unterrepräsentiert sind. Tiefe Geothermie könnte mindestens ein Viertel des Wärmebedarfs CO2-arm und kontinuierlich bereitstellen.
Parallel steigt der Bedarf an Rohstoffen wie Lithium und Kupfer, die essenziell für Elektronik, Elektromobilität und Energiespeicher sind. Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) gehen von einer Verfünfzigfachung des Lithiumbedarfs bis 2040 aus, während die Kupfernachfrage sich voraussichtlich fast verdreifacht.
Versorgungssicherheit und Diversifizierung
Die Abhängigkeit von wenigen Förderländern, darunter China und Chile, sowie geopolitische Unsicherheiten erhöhen den Druck, alternative und heimische Quellen zu erschließen. Die Bundesregierung und die EU verfolgen Strategien zur Diversifizierung der Rohstoffversorgung und zur Förderung nachhaltiger Produktionsmethoden.
Konzept der Ko-Förderung von Geothermie und kritischen Rohstoffen
Die gleichzeitige Nutzung geothermischer Anlagen zur Wärmebereitstellung und Rohstoffgewinnung gewinnt an Bedeutung. Tiefe Thermalwässer enthalten häufig Lithium, Strontium, Bor und gelegentlich Kupfer. Die Integration der Rohstoffextraktion in geothermische Prozesse könnte die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Anlagen verbessern, da zusätzliche Wertschöpfung vor Ort entsteht.
Im Norddeutschen Becken, einem geologisch vielversprechenden Gebiet mit mehreren Forschungs- und kommerziellen Geothermieprojekten, wurden geologische Daten, Laboranalysen und technische Modelle kombiniert, um Potenziale und Herausforderungen der Ko-Förderung zu untersuchen. Das GFZ betreibt dort seit 25 Jahren ein Reallabor in Groß Schönebeck.
Technische Umsetzung
- Heißes, mineralhaltiges Wasser wird aus mehreren Tausend Metern Tiefe gefördert.
- Die Wärme wird über Wärmetauscher für Fernwärme, industrielle Nutzung oder Stromerzeugung genutzt.
- Vor oder nach dem Wärmetauscher erfolgt die Extraktion von Lithium, Kupfer und weiteren Elementen.
- Das abgekühlte Wasser wird anschließend über eine zweite Bohrung zurück in den Untergrund injiziert.
Die Studie diskutiert verschiedene Extraktionsverfahren und deren Vor- und Nachteile. Erste Pilotprojekte existieren bereits, beispielsweise im Salton Sea (Kalifornien) und im Oberrheingraben (Deutschland/Frankreich). Kommerzielle Anlagen zur Lithiumgewinnung aus geothermischen Quellen sind bisher jedoch nicht etabliert.
Potenziale im Norddeutschen Becken
Das Norddeutsche Becken weist aufgrund seiner geologischen Eigenschaften ein hohes geothermisches Potenzial auf. Lithiumkonzentrationen in tiefen Sandsteinen können bis zu 600 mg/l erreichen. Erste Schätzungen beziffern das Lithiumpotenzial auf bis zu 26,5 Millionen Tonnen Metall, entsprechend 141 Millionen Tonnen Lithiumcarbonat. Auch für Kupfer bestehen aufgrund der geologischen Formationen und bisherigen Experimenten günstige Voraussetzungen.
Herausforderungen und Erfolgsfaktoren
Die Ko-Förderung stellt komplexe Anforderungen an das Verständnis der geologischen Formation und der Förderprozesse. Wesentliche Herausforderungen sind:
- Entwicklung umweltschonender und kosteneffizienter Fördertechnologien für hochsalzhaltige, mehrkomponentige Flüssigkeiten.
- Langfristige Förderfähigkeit von lithiumreichen Thermalwässern.
- Selektive und effiziente Extraktion der Rohstoffe während des Wasserkreislaufs.
- Materialbeständigkeit unter den extremen Bedingungen im Untergrund.
- Umweltverträglichkeit, Genehmigungsfähigkeit und gesellschaftliche Akzeptanz.
Die Autoren definieren fünf zentrale Fragestellungen, die für den wirtschaftlichen Erfolg der Ko-Förderung entscheidend sind:
- In welchen geologischen Formationen sind erhöhte Lithiumkonzentrationen zu erwarten?
- Wie kann eine ausreichende Förderrate über einen langen Zeitraum gewährleistet werden?
- Wie lässt sich Lithium selektiv und effizient extrahieren?
- Welche Materialien sind für die Bedingungen im Untergrund geeignet?
- Wie können Umweltaspekte und gesellschaftliche Akzeptanz sichergestellt werden?
Fazit und Ausblick
Obwohl unkonventionelle Quellen wie geothermische Thermalwässer den konventionellen Bergbau kurzfristig nicht ersetzen werden, stellen sie eine wichtige Ergänzung für eine diversifizierte und nachhaltige Rohstoffversorgung dar. Die gleichzeitige Gewinnung von Wärme und kritischen Rohstoffen bietet ein großes Potenzial zur Unterstützung der Energie- und Rohstoffwende.
Die bisherigen Forschungsergebnisse sind vielversprechend, erfordern jedoch weitere Demonstrationsprojekte, um technische und wirtschaftliche Machbarkeit zu bestätigen.
Förderung und Projektpartner
Die Studie wurde im Rahmen des „Helmholtz-Forum Erde und Umwelt“ im Projekt CuLiWell durchgeführt und durch das EU-Forschungsprogramm Horizon Europe sowie das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
Projektbeteiligte Institutionen sind unter anderem:
- GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
- Karlsruher Institut für Technologie
- Fraunhofer IEG
- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
- BWG Geochemische Beratung GmbH
- GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung
- Universität Kiel
- Universität Potsdam
- Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
Weiterführende Informationen und Originalpublikation
Die vollständige Studie ist unter folgendem DOI abrufbar: https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2026.103726
Weitere Details zur Geothermieforschung am Standort Groß Schönebeck finden sich in der Pressemitteilung zum 25-jährigen Jubiläum: https://www.gfz.de/presse/meldungen/detailansicht/25-jahre-geothermie-forschungsstandort-gross-schoenebeck
Kontakt
Prof. Dr. Simona Regenspurg
Leiterin der Arbeitsgruppe Geothermische Fluide, Sektion 4.3 Geoenergie
GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung
Telefon: +49 (0)331 6264 1437
E-Mail: simona.regenspurg@gfz.de
