Nachhaltige Rohstoffgewinnung aus Thermalwässern: das BrineMine Projekt

Die Energiewende und der einhergehende Bedarf nicht energetischer, mineralischer Rohstoffe hat die Bundesregierung veranlasst die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten entlang der gesamten Wertschöpfungskette auszubauen. Im Fokus stehen wirtschaftsstrategische Rohstoffe wie Hochtechnologiemetalle, deren Verfügbarkeit für Zukunftstechnologien gesichert werden muss um eine Abhängigkeit vom Weltmarkt zu reduzieren. Die Erschließung neuer Ressourcen bietet hierbei das Potential konventionelle Rohstoffgewinnung zu ergänzen und damit die gesetzten strategischen Ziele der Bundesregierung zu erreichen.

Das BrineMine Projekt ist eine 3-jähriges BMBF-gefördertes Forschungsprojekt, das die stoffliche Nutzung von Geothermalwässer wissenschaftlich untersucht. Dabei ist das Projekt als bi-nationales Forschungsvorhaben zwischen deutschen und chilenischen Forschungs- und Industriepartnern realisiert. Das Projekt ist thematisch in zwei Schwerpunkte gegliedert: 1) Bestimmung des Potentials von Thermalwässern hinsichtlich der Extraktion wirtschaftlich relevanter Rohstoffe und 2) Vorbehandlung von Thermalwässern im Vorfeld der Rohstoffextraktion. Ziel des Projektes ist die Entwicklung, Installation und die Inbetriebnahme eines Prototyps an ausgewählten Geothermiestandorten in Chile und Deutschland.
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Es ist bekannt, dass die hoch mineralisierten Thermalwässer, die bei der Nutzung von Geothermie gefördert werden, teilweise über erhebliche Konzentrationen an wirtschaftsstrategischen Stoffen wie Lithium, Rubidium, Antimon, Wolfram, etc. verfügen. Das BrineMine Projekt soll das Auftreten dieser Stoffe in geothermischen Wässern vor dem Hintergrund der Rohstoffgewinnung qualitativ und quantitativ beschrieben. Dazu wird basierend auf Literaturwerten sowie eigener hydrochemischer Probenahmekampagnen eine Datenbank erstellt um die Zusammensetzung verschiedenster geothermischer Wässer statistisch beschreiben zu können. Durch die Nutzung von Isotopentechniken soll weiterhin die Fluidgenese bestimmt werden, umso das Auftreten erhöhter Fluidkonzentrationen zu speziellen Lithologien oder geothermischer Situationen zuordnen zu können. Die hydrochemischen Kampagnen sollen Standorte selektieren, die für den Aufbau des Prototyps ideal geeignet sind. Abschließend soll mit Hilfe geophysikalischer Methoden die Größe des Reservoirs und somit die Wirtschaftlichkeit der stofflichen Nutzung bestimmt werden.

Die Gewinnung mineralischer Rohstoffe aus thermalen Wässern ist prozesstechnisch nicht trivial. Unter dem Einsatz moderner Technologien kann diese Art der Gewinnung jedoch eine wirtschaftliche Alternative zum konventionellen Abbau darstellen. Es besteht das Ziel im Rahmen dieses Projekts einen Prototyp zu entwickeln mit dem ausgewählte Rohstoffe aus den geothermischen Solen effektiv abgetrennt werden können. Das dafür entwickelte Verfahren besteht aus einer nasschemischen Vorbehandlungsstufe, einer Umkehrosmose und einer Membrandestillation zur Aufkonzentration der im Wasser gelösten Rohstoffe, sowie einem Kristallisator zur finalen Feststoffabtrennung. Aufgrund insgesamt hoher Salzkonzentrationen bedarf es einer selektive Abscheidung Scaling bildender Minerale in der Vorbehandlung. Im Fokus stehen dabei im Besonderen die Vermeidung von Calcit und Silikat Scalings, die aufgrund der Änderung der p-T-Bedingungen zu erwarten sind. In Labor- und Technikumsversuchen konnten effektive Methoden identifiziert werden, die eine Fällung von bis zu 95% der Silikat-Ausgangskonzentration ermöglichen.

Ein wesentlicher Energieaufwand in der Rohstoffextraktion steckt in der Erzeugung der Superkonzentrate durch verschiedene Membrantechniken. Neben der Umkehrosmose wird im BrineMine Projekt die Membrandestillation verwendet, welche energieneutral mit der geothermischen Wärme angetrieben wird. Um eine Langlebigkeit der Anlage zu gewährleisten, ist eine effektive Kombination der Vorbehandlung und der Membranmodule entscheidend.