Dekarbonisierung der Lithiumproduktion mit Kraftblock

Die Geschichten über das weiße Gold sind so unbeständig und reaktiv wie das Metall Lithium selbst. Es ist überall zu finden, von E-Auto-Batterien über Laptops bis hin zu Mobiltelefonen. All dies wurde durch einen jahrzehntelangen „Lithium-Boom“ ermöglicht, der durch billige Kohle und Gas angetrieben wurde. Da dieser Boom weiter anhalten wird, ist er Gegenstand von „GotoZero“-Kampagnen (Grant et al., 2010). Selbst der jüngste Anstieg der Verkäufe von Elektrofahrzeugen (Sun et al., 2022), der die Nachfrage und die Lithiumpreise in die Höhe getrieben hat, reicht nicht aus, um die Nachhaltigkeits- und Rentabilitätsziele der Lithium-Förderanlagen zu erreichen.

Der Abbau aus Salzlaken – die Gewinnung von Verbindungen aus einer salzhaltigen Lösung – und der Hartgesteinsabbau machen 90 % der Lithiumproduktion aus. Beide Verfahren sind energieintensiv, wobei der Abbau aus Salzlaken wasserintensiv und für die lokale Umwelt und die Gemeinden außerordentlich belastend ist (Alam et al., 2022). Heute macht der Salzlakenbergbau 50 % der Lithiumgewinnung aus und umfasst das Pumpen von stark salzhaltigem Wasser und Verdunstungsbecken. Der Hartgesteinsbergbau macht zwar 40 % aus (Salakjani et al., 2019), ist aber pro Tonne Lithiumprodukt doppelt so kohlenstoffintensiv wie der Salzlakenbergbau. Sollten diese Methoden unverändert fortgesetzt werden, werden die hohen CO₂-Emissionen trotz der Nachfrage die gewünschten Gewinnmargen der Investitionen in den Gesteinsbergbau schmälern.

Die elektrische Energie für die Aufbereitung von Spodumen – der Hauptquelle für Lithium – hängt stark von der Verbrennung fossiler Brennstoffe beim Rösten ab und ist eine Hauptquelle für CO₂-Emissionen (Grant et al., 2020). Dies wirft die Frage auf: Kann die Nutzung fossiler Brennstoffe ersetzt und die Energieeffizienz verbessert werden?

Wenn ja, dann sind Zerkleinerung und Kalzinierung die Schritte, auf die man sich konzentrieren sollte.

Gewinne erzielen und CO₂ reduzieren

Spodumen ist die Hauptquelle für Lithium im Hartgesteinsbergbau (Salakjani et al., 2019). Um Spodumen aus Pegmatit zu gewinnen, wird das Erz in einem als Zerkleinerung (Comminution) bezeichneten Prozess gemahlen und gebrochen (Tadesse et al., 2019). Die Zerkleinerung ist ein wichtiger Prozess bei der Gewinnung metallischer Mineralien aus dem Gestein, da sie das Material für die Sortierung vorbereitet.

Unter Verwendung vergleichbarer Messgrößen aus dem Goldbergbau haben Ballantyne et al. (2012) ermittelt, dass die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs einer Goldmine auf die Zerkleinerung entfällt, wobei 95 % der Energie als Wärme verloren gehen. Da die Mühlen mit Strom aus dem Netz betrieben werden, hängt die Höhe der CO₂-Emissionen von der Quelle der vor Ort oder im Land erzeugten Elektrizität ab. Dennoch gehen drei Viertel der Zerkleinerungsenergie durch die Erwärmung der Aufschlämmung auf 50 °C verloren (Napier-Munn, 2015). Daher führt die Rückgewinnung der verbleibenden Abwärme (25 %) möglicherweise nur zu minimalen Gesamteffizienzgewinnen.

Damit bleiben nur zwei naheliegende Ansätze zur Senkung der CO₂-Emissionen aus der Zerkleinerung. Der erste erfordert eine Umstellung auf Solar- und Windenergie zur Versorgung der lokalen Stromnetze und damit der Mühlen. Dies kann Jahrzehnte dauern. Eine weitere praktikable Option für Förderanlagen besteht darin, sich auf die Schritte vor der Zerkleinerung zu konzentrieren.

Vor dem Zerkleinern kann Pegmatit geschwächt werden. Sprengungen anstelle von Gesteinsschneidemaschinen erzeugen Mikrobrüche (Napier-Munn, 2014) und schwächen so das Gestein. Dadurch sinkt der Energiebedarf für den Antrieb der Zerkleinerungsmaschinen. Doch ein Blick über die Zerkleinerung hinaus kann zu noch größeren Einsparungen führen.

Ersatz fossiler Brennstoffe und Nutzung von Wärme durch Kalzinierung

Die Kalzinierung ist der Prozess, mit dem natürliches Spodumen, das aus dem Pegmatitgestein aussortiert wurde, in Beta-Spodumen umgewandelt wird. Beta-Spodumen reagiert besser auf chemische Prozesse, die zur Gewinnung von Lithium aus dem Mineral erforderlich sind. Dabei wird Spodumen bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1100 °C geröstet. Das bedeutet, dass der Prozess elektrifiziert werden kann und fossile Brennstoffe durch das Net-Zero-Heat-System von Kraftblock ersetzt werden können, das direkt mit dem Ofen verbunden ist.

Selbst wenn die fossilen Brennstoffe in den bestehenden Öfen ersetzt werden, entsteht beim Rösten Abwärme. Diese kann mit einem Wärmetauscher und einem thermischen Energiespeicher genutzt und bei Bedarf zum Vorheizen oder für andere Wärmebedürfnisse freigesetzt werden. Diese „wärmeintensiven” (90 bis 250 °C) Prozesse können durch die Nutzung der Abwärme aus der Kalzinierung ganz oder teilweise dekarbonisiert werden. Sie können auch mit erneuerbaren Energien und einem Speicher elektrifiziert werden. Beispiele für solche Prozesse sind:

• Vorwärmen von Spodumen vor dem Rösten,
• Erhitzen von Schwefelsäure, die beim Säureaufschluss bzw. bei der Säureröstung verwendet wird,
• Trocknen der Laugungslösung nach dem Säureaufschluss (Kristallisation).

Insbesondere die Säureröstung nach der Kalzinierung bei 250 °C kann durch Abwärme oder Elektrifizierung dekarbonisiert werden. Die Abwärme aus der Kalzinierung muss aufgrund der Staubbelastung höchstwahrscheinlich über einen Wärmetauscher übertragen werden. 

Überall dort, wo hohe Temperaturen für die Metallveredelung benötigt werden, besteht ein hohes Potenzial für die Rückgewinnung dieser Wärme und die Minderung der CO₂-Emissionen (Miró et al., 2016). Angesichts des zunehmenden Drucks, die CO₂-Emissionen entlang der gesamten Lieferkette zu senken, wird es entscheidend sein, den Hartgesteinsabbau von Lithium energieeffizient zu gestalten, um den Bedarf und die Abhängigkeit vom Salzlakenbergbau auszugleichen.

Daher könnte die Elektrifizierung des Prozesses mit thermischer Energiespeicherung und die Wiederverwendung von Abwärme zur Senkung der Emissionen aus fossilen Brennstoffen eine entscheidende Veränderung für den Hartgesteinsabbau von Lithium bedeuten, bis andere Optionen für das Alkalimetall verfügbar werden. Aber wird dies auch geschehen?

Wird es andere Quellen oder Alternativen zu Lithium geben?

Die steigende Nachfrage nach Netto-Null-Emissionen und die wachsenden Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen machen die Suche nach tragbaren Energielösungen jenseits von Lithium und Lithiumabbau erforderlich. Die Herstellung und Lieferung von Batterien hat klare Priorität, wobei die Vereinigten Staaten im Jahr 2022 1,6 Milliarden US-Dollar für Lithium- und Batterieprojekte bereitstellen (Geological Survey, 2024). Ein Teil dieser Mittel fließt in das Recycling von Lithium aus ausgedienten Lithiumbatterien.

Inwieweit kann das Recycling von Lithium aus Batterien helfen?

Derzeit werden nicht genügend Batterien außer Betrieb genommen, um den steigenden Bedarf an neuer Batterieleistung zu decken (Crownhart, 2023). Bis 2030 sollen jährlich mehr als 80 GWh an lithiumfähigen Batterien außer Betrieb genommen werden (Yin et al., 2020). Die Nachfrage nach Li-Ionen-Batterien wird jedoch bis 2030 voraussichtlich 4.700 GWh betragen (McKinsey & Company, 2023). Basierend auf diesen Zahlen wird das Angebot aus Recyclingmaßnahmen 1–2 % des zukünftigen Bedarfs decken, da wir kontinuierlich unsere weltweiten Reserven erschöpfen. Recycling ist ein Thema, das sich noch in der Entwicklung befindet. Hochtemperaturverfahren und Pyrometallurgie, beispielsweise im Fall von verbrauchten Lithiumbatteriekathoden, scheinen vorteilhaft zu sein und könnten grüne Prozesswärme erfordern (Wang et al., 2024).

Werden neue Batterietechnologien unseren Lithiumbedarf ausgleichen?

Ein wichtiger Leistungsindikator für Massenbatterien, insbesondere für Transportanwendungen, ist die Energiedichte in Wattstunden pro Kilogramm. Zukünftige Batterietechnologien, die ähnliche Werte wie Lithium-Ionen-Batterien bieten, basieren ebenfalls auf Lithium. Dabei handelt es sich um Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft- oder Festkörperbatterien mit metallischem Lithium. Kurz gesagt: Keine nahezu marktreife Batteriealternative kann derzeit mit Lithium mithalten.

Aktuelle Forschungsbemühungen zu alternativen Batteriechemien legen den Schwerpunkt eher auf den Nachweis der Machbarkeit als auf die Massenproduktion (Walter et al., 2020). In der Zwischenzeit steigt die weltweite Nachfrage nach Lithium, und der Druck, weniger energieintensive Zerkleinerungs- und Kalzinierungsverfahren einzuführen, bleibt unverändert. Eine Möglichkeit besteht darin, heute verfügbare, kommerziell einsetzbare Strategien zu übernehmen, wie beispielsweise die Abwärmerückgewinnungs- und Energiespeichereinheiten von Kraftblock.

Quellen

Alam, M. A., & Sepúlveda, R. (2022).Environmental degradation through mining for energy resources: The case of theshrinking Laguna Santa Rosa wetland in the Atacama Region of Chile. Energy Geoscience, 3(2), 182-190. https://doi.org/10.1016/j.engeos.2021.11.006

Crownhart, C. (2023, January 4). What’s nextfor batteries in 2023. MIT Technology Review.https://www.technologyreview.com/2023/01/04/1066141/whats-next-for-batteries/amp/

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