Lithium

Ein Schlüsselelement, auf das man immer wieder stößt, wenn man von der Klimawende redet ist Lithium. Den Grund dürfte wohl jeder Besitzer eines Gerätes mit einem Akku wissen: Lithium steckt in verschiedenen Verbindungen aus denen Akkus aufgebaut werden, egal ob Lithiumphosphat-Batterien, Lithiumionenakkus oder Lithiumpoymerakkus. Zeit mal meinen Senf als Chemiker dazuzugeben.

Fangen wir mit der Chemie an. Lithium ist das leichteste Element der Alkaligruppe und es reagiert im Prinzip wie alle Elemente der Gruppe. Der eine oder andere wird wahrscheinlich Natrium im Schulunterricht kennengelernt haben. Es ist das nächsthöhere Element der Alkaligruppe. Natrium ist ein weiches, mit dem Messer schneidbares Metall, es wird unter Petroleum aufbewahrt. Nimmt man es heraus, so entzündet sich Natrium an der Luft. Ebenso reagiert es heftig mit Wasser und sogar Alkohol. Das zeigt das allgemeine Reaktionsverhalten von Alkalielementen. Ihre Eigenschaften kann man mit dem Schalenmodell gut erklären, auch wenn es eine starke physikalische Vereinfachung ist, reicht es dafür aus. Alkalimetalle haben in der äußersten Schale ein einzelnes Elektron. Sie sind die ersten Elemente jeder Periode, die eine neue Schale haben. Wenn sie nun dieses Elektton wieder loswerden würden, dann wäre alles okay. Die Schale wäre weg, die anderen Elektronen der Schale darunter fester gebunden, weil der Kern viel schwerer ist als beim letzten Element der Periode. Kurz: Alkalimetalle wollen unbedingt ihr Elektron verlieren das ist für sie der einfachste Weg wieder eine stabile Schalenkonfiguratioin zu erhalten. Sie sind daher so reaktionsfreudig das sie sogar den Wasserstoff aus dem Wasser verdrängen, um ihr Elektron an den Sauerstoff abzugeben und Wasser ist eigentlich recht stabil, um sonst den Wasserstoff freizusetzen, braucht man ziemlich viel Energie. Das klappt auch noch beim Alkohol, obwohl dieser eigentlich kein Oxidationsmittel ist, sondern meistens selbst oxidiert wird, z.B. kann er Kupferoxid zu Kupfer reduzieren. Nur die C-H Bindung in Alkanen ist zu wenig polar um sie zu spalten.

Lithium ist in im Periodensystem eine Periode vor dem Natrium. Daher reagiert es nicht ganz so schlimm wie Natrium, das wiederum harmlos gegenüber Kalium, Cäsium und Rubidium ist. Es ist sogar an trockener Luft stabil, reagiert aber genauso intensiv mit Wasser. Anders als Natrium ist es sogar in Legierungen einsetzbar wie der Lithium-Alumniumlegierung AL 2195.

Doch mit was reagiert Lithium bevorzugt? Eine einfache Regel der Chemie besagt, das ein Element, das sehr gerne seine Elektronen los werden, will eher reagiert mit Elementen, die gerne Elektronen aufnehmen. Das bedeutet: Im Periodensystem reagieren am ehesten die ersten Perioden mit den letzten Perioden. Alkalielemente gehen daher intensive Verbindungen mit Halogenen ein, aber auch Sauerstoff und Verbindungen, bei denen das Zentralatom durch viele Sauerstoffbindungen ebenfalls gerne Elektronen hätte, denn der Sauerstoff zieht Elektronen ab. Das sind z.B. die Schwefelsäure, Phosphorsäure und Kohlensäure.

Das bedeutet: typische Lithiumverbindungen wären Lithiumchlorid, Lithiumcarbonat und Lithiumphosphat. Auch hier fanden wir die Analogie zum Natrium: die wichtigsten Natriumverbindungen sind Natriumchlorid (Kochsalz), Natriumcarbonat (Soda) und Natriumphosphat. Alle diese Salze sind leicht wasserlöslich, auch das ist eine Gemeinsamkeit in der ganzen Gruppe.

Doch wie sieht es aus bei komplexeren Verbindungen? Damit sind die vielen anorganischen Mineralien gemeint, aus denen die Erdkruste besteht. Sie bestehen hauptsächlich aus hochmolekularen Silizium- und Aluminiumverbindungen, in die auch andere Elemente eingebaut werden können. Hier gibt es ein Problem: Dadurch das ein Alkalimetall seine äußerste Schale verliert, wenn es ein Elektron abgibt, ist das Atom sehr klein, verglichen mit anderen Elementen, zumal die meisten Metalle die in solchen Silikaten und Aluminiumverbindungen stecken aus den Nebengruppen stammen und dann noch einige Schalen mehr haben. Es passt räumlich so nicht gut in viele Kristalle hinein. Das ist auch beim Natrium so, praktisch das ganze Natrium, das es in der Erdkruste gibt, steckt in leicht löslichen Verbindungen und die wurden über Milliarden Jahre lang ins Meer gespült, sodass Meerwasser heute zu 3,5 % aus Natriumchlorid besteht.

Kalium ist dagegen so groß, das es von vielen Tonen gebunden und ins Kristallgitter oder in Hohlräumen eingebaut wird. Das führt auch dazu, das Pflanzen, die sich ja schlecht bewegen können, Kalium nutzen, um den Zelldruck zu regulieren oder osmotische Vorgänge zu initiieren, Tiere dagegen Natrium.

Bei Lithium ist die Situation ähnlich, aber es hat als erstes Element der Periode eine Sonderrolle. Die ist den Chemikern als „Schrägbeziehung“ bekannt. Das erste Element einer Periode verhält sich untypisch. Seine chemischen Eigenschaften ähneln mehr dem Element eine Gruppe rechts und eine Periode tiefer. Lithium ähnelt also ein bisschen Magnesium. Magnesium geht lieber Verbindungen mit Phosphaten, Karbonaten und Sulfaten ein, als mit Halogenen. Ebenso das Lithium. Ebenso gibt es einige komplexere Verbindungen, die Magnesium einbauen wie Spinelle. Das gleiche gilt für das Lithium. Der Großteil des Lithiums der Erdkruste steckt in solchen Erzen, nicht wie beim Natrium im Meerwasser.

Wie viel Lithium gibt es?

Ah zeit den Chemikerkittel mit dem Astronomiekäppi auszutauschen. Wie häufig die Elemente im Universum sind, hängt davon ab, wie sie entstehen. Wasserstoff und Helium entstanden beim Urknall. Lithium aber auch beim Urknall. Insgesamt gibt es um die Entstehung von Lithium noch viele Rätsel. Das Element wird in Sternen verbraucht, das heißt anders als die meisten anderen Elemente nimmt die Häufigkeit mit der Zeit ab. Auf der Sonne und in allen anderen Sternen ist in den äußeren Hüllen die man spektroskopisch untersuchen kann findet man viel weniger Lithium als in Gasnebeln oder Planeten. Trotzdem gibt es mehr Lithium im Universum als nur durch den Urknall entstanden sein kann und das Isotop Lithium-6 entsteht überhaupt nicht beim Urknall. Die ESO hat aber inzwischen Sterne entdeckt, die reich an Lithium sind, also Lithium erbrüten.

Trotzdem ist es kein Element, das regulär bei den Fusionsprozessen in Sternen erbrütet wird, auch nicht bei Supernovas erzeugt. Es ist also relativ selten, verglichen mit seinen Nachbarn Natrium oder Kalium. Erst recht wenn man die anderen Hauptgruppenelemente ansieht. Seine Häufigkeit ist in etwa so hoch wie bei einigen Nebengruppenelementen wie Blei, Kobalt, Kupfer, Zinn.

Geht uns dann das Lithium aus?

Diese Frage stellen sich angesichts des prognostizierten E-Mobnilitätsbooms viele. Klar ist: Der Bedarf durch Autos ist in keiner Weise mit dem zu vergleichen den Mengen an Lithium, die man bisher für Akkus von Handys oder Notebooks brauchte. Deren Kapazität wurde in Wattstunden angegeben, eine Batterie für ein Auto dagegen in Kilowattstunden. Heute wird Lithium aus Sole gewonnen. Sie entsteht, wenn ein Meer oder sonstiges salzhaltiges Gewässer austrocknet. Dann fallen die Salze nach ihrer Löslichkeit aus. Lithiumsalze sind am besten löslich, fallen also als Letztes aus bzw. werden durch Wasser als Erstes wieder aufgelöst. So gibt es entweder Ablagerungen von Lithiumsalzen oder es steckt in salzhaltigen Flüssigkeiten. Die Gewinnung ist trotzdem aufwendig, doch da der Preis durch die Nachfrage deutlich angestiegen ist – um den Faktor 7 in den letzten Jahren und heute Lithiumcarbonat 14 Dollar pro Kilogramm kostet, lohnt es sich. Nochmals teurer wird es das Metall aus den Verbindungen zu isolieren. Das geschieht durch Schmelzelektrolyse.

Insgesamt müssen wir uns aber über die Menge keine Sorgen machen. Es gibt rund 16 Millionen Tonnen förderfähige Vorkommen (gerechnet als Lithiumkarbonat). 2017 wurden 35.000 Tonnen weltweit gefördert, also 1/500-stel der Gesamtmenge. Bei Lithiumionenakkus macht das Lithium 1,67 % des Gewichts aus, das sind für einen Mittelklassewagen rund 10 kg bei 600 kg Batteriegewicht. Die 16 Millionen Tonnen reichen also rein theoretisch für 1,6 Mrd. Fahrzeuge. Aber schon wegen des Gewichts der Akkus sehe ich die Zukunft in kleinen Fahrzeugen mit kurzer Reichweite wie E.Go live mit einer 100 kg schweren Batterie anstatt 600 kg in einem Fahrzeug mit 400 km Reichweite. Dann kommt man auf über 9 Milliarden Batterien, das sollte mit Recycling, das nun ja auch mal angegangen wird (warum jetzt erst?), ausreichen.

Die Win-Win-Situation

Ich bin auf den heutigen Blog gekommen, weil ich die Sendung „Der wahre Preis der Elektroautos“ angesehen habe. Da wird neben der Umweltproblematik der Gewinnung von Lithium auch dessen Ökobilanz genannt. Ein elektrisch angetriebener Mittelklassewagen als Ersatz für einen Benziner hat eine miserable Ökobilanz. Er muss 114.000 km fahren, bis er in der Ökobilanz günstiger ist. Der kleine E.go mit 100 km Reichweite immer noch 25.000 km. Zweifel an den Zahlen habe ich nur bedingt, man mag die Zahlen diskutieren aber der höhere Energieaufwand schlägt sich ja auch in den viel höheren Anschaffungskosten nieder und 114.000 km Strecke entsprechen rund 10.000 l Benzin – und dessen Preis kosten heute auch Elektroautos mehr.

Was heute unwirtschaftlich ist, ist die scheinbar einfachste Gewinnung: aus dem Meerwasser. Dazu ist einfach im Meerwasser zu wenig Lithium pro Liter enthalten, im Mittel 180 ppb. Bevor man es aus dem Meerwasser gewinnen kann, muss man es konzentrieren um den Faktor 300 bis 700. Das ist nun ein Verfahren, das ich gut kenne, nur nutzt man bisher nicht die entstehende Sole, sondern das dabei entstehende salzfreie Wasser – Es ist die Meerwasserentsalzung. Es gibt dafür einige Verfahren für die Entsalzung, die gängigste ist die Umkehrosmose. Das Verfahren ist heute unwirtschaftlich, wenn man nur am Lithium interessiert ist. Doch was ist, wenn man das Abfallprodukt „salzfreies Wasser“ nutzen kann? Meine Vision:

Entlang der Küsten von Arabien und Afrikas bis zum subtropischen Gürtel, wo heute Wüste ist, entstehen direkt an der Küste große Solaranlagen. Im Prinzip können sie auch woanders stehen, wenn man das Wasser ins Landesinnere pumpt. Die Solaranlagen liefern den Strom für die Anlage, die zuerst Umkehrosmose betreibt, dann die Gewinnung von Lithium aus Meerwasser. Das Abfallprodukt Wasser kann von der Bevölkerung genutzt werden, neben Trinkwasser bei den Mengen, von denen wir hier reden, reicht es auch für Landwirtschaft – die im Schatten der Panels auch leichter möglich ist. Um die 10 kg Lithium zu gewinnen die man für eine 600-kg-Autobatterie eines Mittelklassewagens braucht, fallen bei 180 ppb Anteil im Wasser 55.000 m³ Trinkwasser an. Das reicht für eine ganze Plantage. Es bleibt aber der Energiebedarf: Nach diesem Aufsatz braucht man rund 60.000 kwh um 1 kg Lithium zu gewinnen. Für die Batterie eines Mittelklassewagens sind das dann 600.000 kwh. Ein Test mit einigen Gebieten auf der arabsichen Halbinsel und am Mittelmeer ergab, das eine 1 kwp Anlage im Jahr rund 2000 kWh liefert. Eine 300 kwp Anlage liefert also pro Jahr nur das Lithium für eine Batterie, dafür benötigt man dann rund 1500 m² Fläche. Eine Anlage die jährlich nur 10 Millionen dieser Batterien produzieren würde, belegt dann eine Fläche von 15.000 km², das ist die Fläche von Thüringen oder Schleswig Holstein, die sich aber über Tausende von Kilometern Küste verteilen würde. Problematischer sind die Kosten. Wenn ich mal von einer Erfahrungskurve von 0,75 ausgehe und dem Preis, den hier eine 10 kwp Anlage kostet, liegt eine 300 kwp Anlage rund 130.000 €. 20 Jahre Betrieb gerechnet produziert sie 200 kg Lithium, die in Form von Lithiumphosphat heute 46.400 Dollar kosten, also rund 40.800 Euro. Das heißt, heute ist der Strom viel zu teuer.

Aber Lithium ist in den letzten Jahren um den Faktor 7 teurer geworden. Daneben liefern die Solaranlagen nach 20 Jahren immer noch 80 bis 85 Prozent der Leistung und bei Atomkraftwerken rechnen unsere Betreiber ja auch von einem halben Jahrhundert Betriebszeit. Wenn man längerfristig denkt, sieht es anders aus, auch wenn man das Abfallprodukt Trinkwasser verkauft. Bei nur 0,2 Euro pro Kubikmeter kommen so weitere 110.000 Euro zusammen, viel mehr als das Lithium wert ist (nebenbei: mit derselben Technologie kann man auch Uran und Gold aus dem Wasser gewinnen, das hebt die Wirtschaftlichkeit weiter an).

Ich sehe hier eine Chance. Weniger für Energieunternehmen, als vielmehr für die Ölstaaten. Zum einen suchen die schon seit Langem nach einer Einkommensquelle, wenn das Öl mal zu Ende ist. Zum anderen betrieben diese Staaten schon Meerwasserentsalzung und mit dem Wasser Landwirtschaft. In einem ersten Schritt könnten sie die Sole die sie heute schon erzeugen weiter verarbeiten und Lithium gewinnen. In einem zweiten Schritt könnte das ihre Zukunftsindustrie werden.

Die Fläche, die man so bewirtschaften kann, ist riesig, weil man so viel Wasser braucht, um Lithium zu gewinnen. In Deutschland regnet es im Mittel 800 mm/m²/Jahr. Bei einer Bewässerung mit 2000 mm/m²/Jahr würde eine 300 kwp Anlage rund 27.000 m² Fläche mit Wasser versorgen können. Da das Wasser bei 0,2 €/m³ rund 0,4 €/m² kosten würde, lohnt sich wirtschaftlich wohl eher Obst- und Gemüseanbau als Getreideanbau.

Noch utopischer: Eine viel größere Fläche könnte man mit Wald bepflanzen. Da muss man nicht dauernd wässern, benötigt zudem weniger Wasser und muss auch viel weniger Arbeit investieren. Damit würde ein weit vorausschauender Ölscheich nicht nur etwas fürs globale Klima tun, sondern auch für das regionale und wer weiß, wie teuer Holz in 50 oder 100 Jahren ist, wenn man alle Regenwälder und die Taiga abgeholzt hat?