Bachelorarbeit - FH Joanneum (FHJ)
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Bachelorstudiengang
„Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement“
Kapfenberg
Bachelorarbeit
ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Science in Engineering (BSc)
Life-Cycle-Analysis von Lithium
vorgelegt von:
Markus FREIDL
Begutachter:
Betreuer: Dipl.-Ing. Dr. Matthias Theissing
Baden, 22.06.2020
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Danksagung Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen Menschen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Bachelorarbeit unterstützt haben. An erster Stelle möchte ich meinem Betreuer Dipl.-Ing. Dr. Matthias Theissing danken, der meine Bachelorarbeit betreut und begutachtet hat. Für die hilfreichen Anregungen und die konstruktive Kritik bei der Erstellung dieser Arbeit möchte ich mich herzlich bedanken. Besonderen Dank kommt meiner Mutter zu, die mir immer wieder Zuversicht gegeben hat, auch in schwierigen Phasen nicht aufzugeben und mein Ziel konsequent weiterzuverfolgen. Ein weiterer Dank kommt meinem Vater zu, der es mir mithilfe finanzieller Untersetzung er- möglicht hat, dieses Studium zu besuchen und für eine ausgezeichnete Wohnsituation in Graz gesorgt hat. Das größte Dankeschön geht an meine Schwester sowie meinem Schwager, die mich jahre- lang schulisch unterstützt sowie die Korrektur dieser Arbeit vorgenommen haben. Zahlreiche Beistrich-, Satzstellungs- und Rechtschreibfehler wurden dank ihrer Hilfe ausgebessert. An dieser Stelle nochmals vielen Dank an das Unternehmen Roskill, für die Bereitstellung der Auswertungen von Angebots- und Nachfragetrends von Lithium. Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite I
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Kurzfassung Im Zusammenhang mit den steigenden Absatzzahlen von Elektrofahrzeugen kommt es immer öfter zu Fragen bezüglich der Verfügbarkeit der dafür notwendigen Rohstoffe sowie die dafür in Kauf genommenen Risiken für Mensch und Umwelt. Im Mittelpunkt dabei steht der Rohstoff Lithium, der für die Herstellung von Fahrzeugbatterien benötigt wird. Diese Arbeit wurde ver- fasst, um den Lebenszyklus von Abbau des Rohmaterials bis hin zum Einsatz in Endprodukten darzustellen und eine Abschätzung zum künftigen weltweiten Lithiumverbrauch sowie -ange- bot vorzulegen. Zunächst wird auf die chemischen und technischen Grundlagen des Elements eingegangen und der Grund für den Einsatz in elektrochemischen Speichern erklärt. Des Weiteren werden die wirtschaftlichsten Vorkommen und Lagerstätten dargestellt inklusive Abschätzungen der verfügbaren Lithiumressourcen. Darauffolgend werden auch die verschiedenen Methoden zur Gewinnung des Rohstoffs erläutert. Gesondert wird hierbei das Lithiumprojekt in Wolfsberg betrachtet. Daran schließt sich eine Erörterung über die Verfahren der Extraktion von Lithium aus den abgebauten Rohstoffen an. Außerdem werden nach den Erkenntnissen der Rohstoffgewinnung die unterschiedlichen Ein- satzgebiete bearbeitet sowie die Vorteile der Verwendungen von Lithium dargelegt. Als viel- versprechendste Schlüsseltechnologie zur flächendeckenden Einführung der Elektromobilität wird die Lithium-Ionen-Batterie mit ihren Potenzialen vertiefender behandelt. Dabei werden überdies zukünftige Weiterentwicklungen dieser Batterie erläutert und mögliche Alternativen genannt. Nachfolgend wurde eine Schätzung über das künftige Angebot- und Nachfrageverhalten von Lithium erstellt. Als Basis dafür dienten Publikationen von renommierten Unternehmen. Es wurden die einzelnen Anwendungsgebiete herangezogen und jeweilige Nachfrage-Prognosen dafür erstellt. Abschließend werden in den Kapiteln Ergebnisse und Schlussfolgerung die wichtigsten Fakten dieser Arbeit zusammenfassend dargestellt und ein Fazit erstellt. Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite II
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Abstract Ensuring the supply of strategic metals is crucial for the growth of industrialised countries. One of these strategic metals is lithium, which is used in a variety of high-tech products and every- day items. It is a key component in environmentally friendly energy storage technologies and portable consumer electronics. The market for electric vehicles is the new driving force behind the growing demand for lithium resources. The expected expansion in this sector will put pres- sure on the current lithium supply. This thesis will focus on the geological sources of lithium and their various extraction options. Furthermore, the individual fields of application are dis- cussed and the advantages of using lithium are described. An estimated demand forecast up to the year 2025 is given, including the increasing demand in the field of electric mobility. The information contained in this paper is a source of contextual information about lithium as a raw material, which can be used to support institutions around a low-carbon economy and to de- velop the research field. Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite III
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ....................................................................................................................... 1
1.1 Problemstellung und Fragestellung ......................................................................... 1
1.2 Ziele ........................................................................................................................ 3
1.3 Methodik ................................................................................................................. 3
2 Grundlagen .................................................................................................................... 5
2.1 Definition des chemischen Elements Lithium .......................................................... 5
2.2 Technisch relevante Eigenschaften ......................................................................... 6
2.2.1 Lithiumverbindungen ........................................................................................ 6
3 Vorkommen .................................................................................................................... 8
3.1 Primäre Lagerstätten ............................................................................................. 10
3.1.1 Festgesteinsvorkommen in Österreich ........................................................... 11
3.2 Sekundäre Lagerstätten ........................................................................................ 12
3.3 Weitere Lagerstätten ............................................................................................. 14
3.3.1 Lithiumhaltige Tone ........................................................................................ 14
3.3.2 Lithiumhaltige Glimmer................................................................................... 14
3.3.3 Lithiumhaltige Jadarite ................................................................................... 14
4 Gewinnung ................................................................................................................... 15
4.1 Gewinnung aus Festgestein .................................................................................. 15
4.1.1 Tagebau ......................................................................................................... 15
4.1.2 Untertagebau ................................................................................................. 16
4.2 Gewinnung aus Sole ............................................................................................. 17
5 Extraktion ..................................................................................................................... 19
5.1 Extraktion aus Festgestein .................................................................................... 19
5.1.1 Physikalische Aufbereitung ............................................................................ 19
5.1.2 Chemische Verarbeitung ................................................................................ 19
5.1.3 Physikalische und chemische Verarbeitung bei European Lithium ................. 20
5.2 Extraktion aus Sole ............................................................................................... 21
6 Einsatzgebiete von Lithium........................................................................................... 23
6.1 Batterien................................................................................................................ 24
6.1.1 Lithium-Primärbatterien .................................................................................. 25
6.1.2 Lithium-Sekundärbatterien ............................................................................. 26
6.1.3 Die Zukunft der Lithium-Ionen-Batterie ........................................................... 28
Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite IV
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
6.2 Glas und Keramik.................................................................................................. 32
6.3 Schmierstoffe ........................................................................................................ 34
6.4 Polymere ............................................................................................................... 35
6.5 Metallurgie ............................................................................................................ 36
6.6 Luftaufbereitung .................................................................................................... 36
6.7 Andere Nutzung .................................................................................................... 37
7 Zukünftige Angebots- und Nachfragetrends ................................................................. 38
7.1 Angebot ................................................................................................................ 38
7.2 Nachfrage ............................................................................................................. 39
7.2.1 Batterien ........................................................................................................ 40
7.2.2 Glas und Keramik........................................................................................... 41
7.2.3 Sonstige Anwendungen ................................................................................. 41
8 Ergebnisse ................................................................................................................... 42
9 Schlussfolgerungen ...................................................................................................... 44
Verzeichnisse ...................................................................................................................... 46
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... 48
Tabellenverzeichnis ......................................................................................................... 49
Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................... 49
Begriffsdefinition .............................................................................................................. 50
Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite V
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement 1 Einleitung Neue Technologien bedeuten oft neue Wege der Herstellung und des Verbrauchs von Mate- rialien und Energieträgern. Im Allgemeinen werden die Technologien immer anspruchsvoller und die Produkte erfordern den Einsatz von Materialien, die oft nicht erneuerbar und knapp sind. Obwohl bestimmte Stoffe und Metalle häufig nur in niedrigen Konzentrationen verwendet werden, ist deren Nachfrage deutlich gestiegen. Daher müssen ihre Verfügbarkeit und poten- zielle Rückgewinnung berücksichtigt werden. Lithium ist seit langem ein wichtiger Bestandteil in der Glas- & Keramikproduktion, als Kathode und Leitsalz in Sekundärbatterien, in Alumini- umlegierungen im Flugzeugbau oder in Pharmazeutika zur Behandlung von Depressionen. Die größte wirtschaftliche Bedeutung hat es jedoch als Material für die Herstellung von Batte- rien, für tragbare Informationstechnologiegeräte wie Laptops und Mobiltelefone, sowie als Schlüsselkomponente für Elektrofahrzeuge (Garrett, 2004). Infolge des niedrigsten Standardelektrodenpotenzials aller Metalle, daraus realisierbaren ho- hen Zellspannung sowie der hohen theoretischen Kapazität ist Lithium ein ideales negatives Elektrodenmaterial für elektrochemische Zellen in Energiespeichersystemen (Pfestorf, 2013). Angesichts des steigenden Bedarfs erhöht sich das Volumen des Abbaus dieses Elements. Lithium kommt in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in Form von chemischen Verbin- dungen. Diese sind vorrangig in Gestein eingelagert. Solch ein Gestein wird hauptsächlich aus Salzseen gewonnen, in denen es meist als Lithiumchlorid gelöst ist. Der Abbau erfolgt ange- sichts der Vorkommen meist in Schwellen- und Entwicklungsländern. Das größte Lithium-Vor- kommen mit dem höchsten Lithiumgehalt befindet in der Atacama Wüste in Chile. Aber auch in anderen Ländern wie USA, Kanada, Argentinien und Österreich wird Lithium gewonnen. Generell bedarf die Lithiumgewinnung eines drastischen Eingriffs in die Umwelt, der wiederum negative Auswirkungen auf die verschiedensten Ökosystem zur Folge hat (Schmidt, 2017). Damit Lithium nachhaltiger wird und weiterhin Einzug in der Technik findet, muss die Industrie beim Abbau des Rohstoffes in Zukunft auf nachhaltigere Alternativen zurückgreifen. Jedoch ist nicht nur die Gewinnung, sondern auch die Logistik und Weiterverarbeitung des Rohstoffes mit negativer Auswirkung auf die Umwelt verbunden. Dies veranlasste mich diese Arbeit zu verfassen, um innovativere Lösungsansätze zu finden und darzustellen. 1.1 Problemstellung und Fragestellung Lithium ist einer der wichtigsten Stoffe in modernen Akkumulatoren da er sich oftmals nicht ersetzen lässt. Mangels wirtschaftlicher Substitutionen wird dieser Rohstoff auch weiterhin als Elektrodenmaterial in Akkumulatoren dienen. Um eine Reduktion schädlicher Emissionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu be- wirken wird der Einsatz von E-Mobility immer bedeutender. Zu den an den häufigsten Emissi- onen im Verkehrswesen zählen Treibhausgase, Lärm sowie Feinstaub. Treibhausgase beein- flussen den Energiehaushalt der Atmosphäre, indem sie einen Teil der vom Boden abgegebe- nen langwelligen Infrarot-Strahlung, die vorwiegend ins Weltall entweichen würde, absorbie- ren. Die dabei aufgenommene Energie wird als Wärmeenergie der Erde zurückgeführt, und ist dadurch ein ausschlaggebender Faktor der Erderwärmung. Treibhausgase sind in gewissen Mengen notwendig für die konstanten Temperaturen, jedoch führt der Überschuss zu einer Life-Cycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 1
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement kontinuierlichen Veränderung des Klimas. Zu den wichtigsten Treibhausgasen gehören Koh- lenstoffdioxid, Methan, Lachgas, Fluorkohlenwasserstoffe, Schwefelhexafluorid und Stick- stofftrifluorid. Feinstaub wird durch Verkehr und Industrie freigesetzt. Der am häufigsten emittierte Feinstaub ist PM10 (Particulate Matter). Dabei handelt es sich um Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer. Eine zu hohe Feinstaubbelastung kann zur Erkrankung der oberen beziehungsweise unteren Atemwege führen. (Thieme, 2005) Die Zahl der produzierten Elektrofahrzeuge steigt rasant an. Da nahezu jedes Elektrofahrzeug mit Akkumulatoren betrieben wird, welche Lithium als Elektrodenmaterial beinhalten, stellt sich die Frage, ob die momentan vorhandenen Ressourcen auch zukünftig ausreichen werden. Vor allem um die gesetzlich verankerten Klimaziele, welche im Rahmen der europäischen Klima- und Energiepolitik bis 2030 zu erreichen sind, wird kein Weg daran vorbeiführen, fossile Treib- stoffe zu verbannen und den motorisierten Individualverkehr zukünftig nur noch mit Strom zu betreiben. Der Bedarf an Lithium wird dadurch so stark ansteigen, dass die derzeit verfügbaren Ressourcen an Ihre Grenze stoßen könnten. Durch den ansteigenden Bedarf wird eine erhöhte Förderung dieses Materials notwendig. Die Gewinnung erfordert jedoch enorme Einwirkungen in die Umwelt. Für die Erzeugung von Li- thium wird stark mineralhaltiges Grundwasser in künstlich angelegte Becken gepumpt, mit Frischwasser angereichert und eine gezielte Verdunstung eingeleitet. Durch zahlreiche Ver- dunstungsschritte ist es möglich die Konzentration an Lithium so zu erhöhen, dass Lithiumkar- bonat erzeugt wird. Das benötigte Wasser wird aufgrund der Verdunstung dem Boden nicht mehr zugeführt und trägt mitunter zur Wasserknappheit in den jeweiligen Ländern bei. Für die Herstellung von einer Tonne Lithiumsalz werden zwei Millionen Liter Wasser benötigt. Dieser hohe Wasserverbrauch ist verantwortlich für die drastische Senkung und Verschmutzung des Grundwassers. Die Reduktion des Grundwasserspiegels führt im weiteren Schritt zur Austrocknung von Fluss- läufen, Wiesen und Feuchtgebieten. Die negativen Auswirkungen betreffen jedoch nicht nur das Ökosystem, sondern auch die dort lebende Bevölkerung sowie eine Vielzahl an heimi- schen Tierarten, welche als Folge mit Wasserknappheit leben müssen. Des Weiteren führt der Transport des Materials durch die verwendeten Lastwägen zu einer erheblichen Luftverschmutzung. Der bei der Lithium-Förderung entstehende Staub beinhaltet eine hohe Menge an schädlichen Substanzen. Eine dieser Substanzen ist Lithiumkarbonat. Die Freisetzung führt zur Verschmutzung von Ortschaften, Weideflächen und Schutzgebiete und ruft dort Gesundheitsprobleme hervor. Lithiumfördernde-Unternehmen werden häufig auf unberührten Naturlandschaften errichtet. Dieser Umstand beeinflusst Ökosysteme und biologische Lebensräume. Dies bedingt das Aussterben von Pflanzen- und Tierarten und führt außerdem zu Bodenerosionen. Die Erosion hat eine Änderung der Nährstoffzusammensetzung des Bodens zur Folge und dadurch kann die Bodenfruchtbarkeit nachlassen. (Richter & Mezosi, 1990) Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 2
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement 1.2 Ziele Ziel dieser Arbeit ist es, die Herkunft, Herstellung und die Verwendung von Lithium aus rein ressourcenbezogener Sicht zu beschreiben, um die Verfügbarkeit von lithiumhaltigen Techno- logien darzustellen. Zunächst werden die Quellen von Lithium erläutert, seine aktuellen Pro- duktionsprozesse analysiert und seine heutigen Anwendungsgebiete beschreiben. Weiters wird auf alternative Fördermöglichkeiten eingegangen, welche Ökosysteme und Lebensräume weniger belasten und die Gewinnung zukunftsträchtiger und attraktiver gestalten. Auf Maßnahmen zur Rückgewinnung oder Wiederverwertung von bereits verarbeitendem Li- thium wird in dieser Arbeit nicht weiter eingegangen. 1.3 Methodik Das methodische Vorgehen liegt in der Analyse von Literatur und Statistiken. Grundlage bietet hierfür die bereits genannte Literatur. Für weitere Recherchezwecke werden unterschied- lichste Unternehmen, die in den Bereichen Lithiumgewinnung und E–Mobility tätig sind, ange- fragt. Eine relevante Funktion nehmen die Berichte Rohstoffrisikobewertung – Lithium der deutschen Rohstoffagentur (DERA) sowie Lithium von der öffentlich finanzierten Körperschaft British Ge- ological Survey (BGS) ein. Sie dienen als fundamentale Grundlage zur Beschreibung chemischer als auch technischer Prozesse. Diese Quellen wurden ausgewählt, da diese Unternehmen über langjährige Erfah- rung im Rohstoffsektor aufweisen, über hochkarätiges Personal verfügen als auch in der For- schung tätig sind. Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) ist eine technisch-wissenschaftliche Oberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie in Deutschland. Schwerpunkte der BGR sind Bereiche wie Geologie, Boden- und Rohstoffkunde (Beuge, 2010). Das Unternehmen British Geological Survey steht für die Beratung in geowissenschaftlichen Fragen der britischen Regierung, der Öffentlichkeit als auch der Wissenschaft zu Verfügung. Die Hauptarbeitsgebiete des BGS umfassen die Herausgabe von geologischen, geochemi- schen Karten, sowie regionalgeologische Beschreibungen (British Geological Survey, 2020). Die beiden Berichte ähneln sich in einigen Punkten sehr, jedoch lässt sich klar differenzieren, dass sich DERA auf die ökonomischen Gesichtspunkte spezialisiert und das BGS vermehrt auf die Mineralogie und Förderung von Lithium eingeht. Außerdem wird das Buch Handbook of Lithium and Natural Calcium Chlorid herangezogen, in dem Abbau- und Extraktionspro- zesse fundamental beschrieben werden (Garrett, 2004). Um einen Vergleich zwischen rein ökonomisch fokussierter und umweltbedachter Förderung aufzustellen, nimmt das Unternehmen European Lithium eine wichtige Rolle ein. Der Schwer- punkt dieses Unternehmens liegt in der vollständigen Abwicklung des Wolfsberg Lithium Pro- jektes in Österreich. Zu den Tätigkeiten zählen unter anderem umfangreiche metallurgischen Untersuchungen sowie die Abbau- und Machbarkeitsstudie. Die durch das Unternehmen ge- wonnen Informationen und Kenntnisse über zeitgemäße Abbau- und Verwertungstechnolo- gien sollen in die Arbeit mit einfließen (European Lithium Ltd, 2019). Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 3
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Außerdem wird die Diplomarbeit Abschätzung des künftigen Angebot-Nachfrage-Verhältnis- ses von Lithium vor dem Hintergrund des steigenden Verbrauchs in der Elektromobilität her- angezogen (Wendl, 2009). Diese Arbeit wurde im Jahre 2009 verfasst und soll zu analyse- technischen Zwecken dienen. Durch Vergleiche mit aktuellen Zahlen soll gezeigt werden, ob die damaligen Einschätzungen des Bedarfs an Lithium eingetreten sind und die Förderungsart beziehungsweise Förderungsgebiete sich mit der Prognose decken. Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 4
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
2 Grundlagen
2.1 Definition des chemischen Elements Lithium
Lithium ist ein chemisches Element und findet seine Zugehörigkeit in der Gruppe der Alkali-
metalle. Es befindet sich in der zweiten Periode des Periodensystems. Den Namen erhielt das
Alkalimetall aufgrund seiner Herkunft. Lithium wurde erstmals in einem Gestein, genaugenom-
men in einem Mineral nachgewiesen. Aufgrund seiner geringen Dichte von 0,534 g/cm3 lässt
es sich der Gruppe der Leichtmetalle zuordnen und zählt dort zu den Leichtesten. Bei Zimmer-
temperatur ist es nachweislich der leichteste Feststoff. Unter den Alkalimetallen hat Lithium
neben dem höchsten Schmelz- und Siedepunkt auch die höchste Wärmekapazität (Tab. 1). In
elementarer Form besitzt es die stärkste Hydrationsenergie aller Alkalimetalle. Hydrationse-
nergie beschreibt die freigesetzte Energie, die bei Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen
entsteht. Diese Energie führt zu einer verstärkten Anziehungskraft von Wasser. Lithium ist wie
alle anderen Alkalimetalle sehr reaktiv. Es reagiert mit sehr vielen Elementen und im Gegen-
satz zu anderen Elementen seiner Hauptgruppe, sogar mit Stickstoff (Pfestorf, 2013).
Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften von Lithium
Lithium
Ordnungszahl 3
Atomgewicht 6,941u
Dichte 0,534 g/cm³ (20 °C)
Mohshärte 0,6
Schmelzpunkt 180,75 °C (453,9 K)
Siedepunkt 1.341,84 °C
Spezifische Wärmekapazität 3,482 J/(g * K)
Elektronenkonfiguration [He] 2s1
Oxidationsstufen +I
Ionenradius 60 pm (Li+)
Elektronegativität 0,98
Standardpotenzial −3,04 V
Elektrische Leitfähigkeit 10,6 · 106 A/(V * m)
Thermische Leitfähigkeit 85 W/(m * K)
Quelle: (Schmidt, 2017)
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 5Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
In der Natur kommt Lithium nicht elementar vor, sondern ist üblicherweise in Gestein gebun-
den. Die wirtschaftlich bedeutendsten Quellen zur Gewinnung von Lithium sind Festgestein-
und Solevorkommen. Aber auch aus Grundwässern von Öllagerstätten, kontinentalen Tiefen-
wässern und Tonen lässt sich Lithium gewinnen, jedoch waren die Förderungen bis zu diesem
Zeitpunkt nicht rentabel (Schmidt, 2017).
2.2 Technisch relevante Eigenschaften
Lithium hat in den letzten Jahren angesichts seiner Eigenschaften vermehrt Verwendung in
der Technik gefunden. Der größte Anstieg ist im Bereich Speicherung elektrischer Energie zu
verzeichnen. Mit einem Standardelektrodenpotenzial von -3,04 Volt (Tab. 1) hat es das nied-
rigste Potenzial aller Metalle. Darunter versteht man die gemessene Spannung eines chemi-
schen Elements in einer galvanischen Zelle. Infolge des niedrigen Potenzials lässt sich eine
sehr hohe Zellspannung sowie eine hohe theoretische Kapazität von 3,86 Ah/g realisieren und
eignet sich daher als ideales Elektrodenmaterial für elektrochemische Zellen. In Lithium-Bat-
terien dient Lithium, genaugenommen Lithium-Metall, als negatives Elektrodenmaterial
(Pfestorf, 2013). Der Aufbau sowie das Funktionsprinzip von Lithium-Ionen-Batterien sowie
weitere Einsatzgebiete von Lithium werden in Kapitel 6.1 genauer dargestellt.
2.2.1 Lithiumverbindungen
Lithium ist sehr reaktiv und bildet mit den meisten Nichtmetallen Verbindungen. Um die Eigen-
schaften von Lithium zu verbessern und die Verwendungszwecke zu erweitern, wird das Alka-
limetall in der Technik in Form von Verbindungen umgesetzt. Darüber hinaus gibt es eine
große Anzahl von Verbindungen, die Lithium enthalten, von denen einige in der Natur vorkom-
men, während andere in Verarbeitungsanlagen hergestellt werden. In Tabelle 2 werden die
vermehrt verwendeten Verbindungen dargestellt. Es werden die Verbindungen einschließlich
chemischer Zusammensetzung nach absteigendem Lithiumgehalt dargestellt.
Tabelle 2: Lithiumverbindungen
Verbindung Formel Lithiumgehalt [%]
Litihum Li 100,0
Lithiumoxid Li2O 46,5
Lithiumfluorid LiF 26,8
Lithiumkarbonat Li2CO3 18,8
Lithiumhydroxidmonohydrat LiOH - H2O 16,5
Litihumchlorid LiCl 16,3
Lithiumhypochlorid LiOCl 11,9
Lithiumbromid LiBr 8,0
Butyllithium C4H9Li 10,8
Quelle: (Schmidt, 2017)
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 6Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Lithiumoxid (Li2O) Lithiumoxid ist eine anorganische chemische Verbindung, die durch Reaktion von Lithiumato- men und Sauerstoff der Luft entsteht. Es handelt sich dabei um einen weißen Feststoff, der eine Dichte von 2 013 kg/m3 besitzt und einen Schmelzpunkt von 1 438 °C aufweist. Lithi- umoxid bildet durch die Reaktion mit Wasser und Dampf, Lithiumhydroxid (Brown, 2016). Lithiumkarbonat (Li2CO3) Lithiumkarbonat ist eine anorganische chemische Verbindung mit einer Dichte von 2 110 kg/m3 und einem Schmelzpunkt von 723 °C. Sie hat eine relativ geringe Wasserlöslichkeit und eignet sich daher ideal zur Gewinnung aus Solevorkommen. Es ist das am häufigsten verwendete Ausgangsmaterial, das zur Herstellung anderer Lithiumverbindungen und -produkte dient. Li- thiumkarbonat kommt abhängig von der Qualität, dem Reinheitsgrad und der Korngröße in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz (Brown, 2016). Lithiumhydroxid (LiOH) Lithiumhydroxid ist eine anorganische Verbindung, die in wasserfreier Form oder als Hydrat auftritt. Unter Hydraten werden kristalline Festkörper verstanden, in denen gebundenes Was- ser gespeichert ist. Lithiumhydroxid wird mittels chemischer Reaktion zwischen Lithiumkarbo- nat und Calciumhydroxid gebildet. Die wasserfreie Form weist eine Dichte von 1 460 kg/m3 auf. Die Hydratform hingegen eine Dichte von 1 510 kg/m3. Beide Formen haben einen Schmelzpunkt von 462 °C (Brown, 2016). Lithiumchlorid (LiCl) Lithiumchlorid ist die häufigste lithiumhaltige Verbindung, die in Sole gespeichert ist. Dabei handelt es sich um einen weißen Feststoff, der eine Dichte von 2 068 kg/m3 und einen Schmelzpunkt von 605 °C besitzt. Die Verbindung kann aus Lithiumkarbonat infolge der Be- handlung mit Salzsäure hergestellt werden. Lithiumchlorid dient üblicherweise der Herstellung von Lithiummetall (Brown, 2016). Lithiumbromid (LiBr) Lithiumbromid wird aus Lithiumkarbonat, welches mit Bromwasserstoffsäure behandelt wird, gewonnen. Es ist ein weißer Feststoff mit einer Dichte von 3 464 kg/m3 und einem Schmelz- punkt von 552 °C. Diese Lithiumverbindung ist hygroskopisch, das bedeutet sie zieht Wasser- moleküle an und hält sie fest. Lithiumbromid wird aufgrund seiner Eigenschaften als Trocken- mittel in Klimaanlagen eingesetzt (Brown, 2016). Lithium-Metall Lithiummetall wird durch Elektrolyse aus einer Mischung von Lithiumchlorid und Kaliumchlorid hergestellt (Brown, 2016). Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 7
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
3 Vorkommen
Es gibt mehr als 100 bekannte Mineralien, die Lithium enthalten, jedoch können derzeit nur
wenige davon wirtschaftlich gefördert werden. Lithium kommt wegen seiner Reaktivität nicht
elementar vor. Die häufigsten lithiumhaltigen Mineralien, die momentan in Lagerstätten gefun-
den und danach weiterverarbeitet werden, sind in Tabelle 3 angeführt. Die Tabelle zeigt die
lithiumhaltigen Minerale einschließlich der Zusammensetzung der chemischen Verbindungen
sowie den durchschnittlichen Lithiumgehalten und ist nach diesen aufsteigend sortiert.
Tabelle 3: lithiumhaltige Mineralien
Mineralname Formel Lithiumgehalt [%]
Spodumen LiAlSi2O6 1,9 - 3,7
Lepidolith K(Li,Al)3(Si,Al)4O10(F,OH)2 1,39 - 3,6
Petalit LiAlSi4O10 1,6 - 2,27
Eucryptit LiALSiO4 2,1 - 5,53
Amblygonit LiAl[PO4][F,OH] 3,4 - 4,7
Hektorit Na0,3(Mg,Li)3Si4O10(OH)2 0,24 - 0,54
Jadarit LiNaSiB3O7(OH) 7,3
Quelle: (Brown, 2016)
Eine wichtige Lagerstätte für Lithium stellt der sogenannte Pegmatit dar. Im Gegensatz zu den
anderen Vorkommen ist dies kein Mineral, sondern ein magmatisches Gestein. Pegmatit weist
eine grobe bis riesige Körnung auf. Die Korngröße der groben Körnung bei Hartgestein reicht
von 5 mm bis 20 mm. Alles darüber hinaus fällt unter die Kategorie riesige Körnung (Schmiedel
& Raddatz, 2005). Da in diesem Gestein erhebliche Mengen an Lithium sowie Beryllium, Niob
und andere seltene Minerale zu finden sind, stellen Pegmatite eine wichtige Lagerstätte dar
(Martin, Bischof, & Eiblmaier, o. J).
Das am häufigsten vorkommende Lithiummineral ist Spodumen (LiAlSi2O6), ein Lithium-Pyro-
xen mit einem Gehalt von bis zu 3,73 % Li. Die hochwertigen Lagerstätten beinhalten für ge-
wöhnlich zwischen 1,35 % und 3,56 % und die minderwertigeren 0,5 % - 1,0 % Lithium. Es
kommt hauptsächlich in Graniten und Pegmatiten vor (Garrett, 2004).
Lepidolith ist ein selten vorkommendes Mineral, das in der Gruppe der Glimmer eingeordnet
ist. Glimmer fallen wiederum in die Abteilung der Schichtsilikate und weisen einen gleichen
atomaren Aufbau auf. In Lepidolithen können Stoffe wie Kalium, Rubidium und Cäsium ent-
halten sein, die als Nebenprodukte weiterverarbeitet werden können (Brown, 2016).
Petalit ist wie Lepidolith ein selten vorkommendes Schichtsilikat. Es kommt häufig mit Lepido-
lithen in Pegmatiten vor, und in einigen Fällen gibt es Hinweise darauf, dass es sich zu Spod-
umen verändert (Brown, 2016).
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 8Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Eukryptit ist ein selten vorkommendes Mineral der Gruppe Lithium-Aluminium-Silikate. Es war früher ein wichtiges Lithiumerz, jedoch hat es infolge der Seltenheit an wirtschaftlicher Bedeu- tung verloren (Brown, 2016). Amblygonit ist ein Mineral der Klasse der wasserfreien Phosphate. Es war ebenso wie Eukryp- tit ein wichtiges Lithiumerz. Auch hier sind Lagerstätten selten, und es ist heute von geringer wirtschaftlicher Bedeutung (Brown, 2016). Hectorit ist ein Tonmineral, das durch die Veränderung von vulkanischem Gestein durch hyd- rothermale Aktivität entstanden ist. Derzeit wird es nicht für die Gewinnung von Lithium abge- baut, da nur wenige Lagerstätten vorhanden sind. Da die Gewinnung von tonhaltigen Materi- alien relativ einfach ist, wird an wirtschaftlichen Lösungsansätzen geforscht (Brown, 2016). Jadarit ist ein im Jahre 2007 in Serbien neu entdecktes Mineral. Es findet seine Zugehörigkeit in der Gruppe der Borsilikate. Es wird derzeit nicht für die Lithiumherstellung abgebaut, hat aber das Potenzial, in Zukunft eine bedeutende Quelle zu werden (Brown, 2016). Die wichtigsten Quellen für die Herstellung von Lithium bieten primäre beziehungsweise se- kundäre Lagerstätten. Bei Lagerstätte handelt es sich um Anreicherung von Gesteinen und Mineralien, die wirtschaftlich genutzt werden können. Unter primären Lagerstätten werden Mineralkonzentrationen verstanden, die durch Erstarren von magmatischem Material entstanden sind. Sekundäre hingegen werden gebildet, indem magmatische Erzlagerstätten durch Hebung an die Erdoberfläche gelangen, verwittern, abge- tragen und durch Flüsse wegtransportiert werden (Aunkofer, Korby, & Schneckenberger, 2012). Lithium aus Festgestein wird derzeit bevorzugt nur aus Pegmatit gewonnen (Brown, 2016). In Zukunft werden wahrscheinlich auch Hectorit- und Jadaritvorkommen als Quellen dienen. Die Gewinnung von lithiumhaltiger Sole erfolgt hauptsächlich aus kontinentalen Solelagerstät- ten. Fördermöglichkeiten aus geothermischen und Ölfeld-Solen wurde in den letzten Jahren nachgewiesen, werden jedoch noch nicht kommerziell genutzt (Brown, 2016). Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 9
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
Abbildung 1: Lithiumreserven im Jahre 2018
Länder mit den größten Lithiumreserven (2018)
8
8
7
Lithiumreserven [Mio. Tonnen]
6
5
4
3 2,7
2
2
1
1
0,07 0,06 0,054 0,035
0
Chile Australien Argentinien China Zimbabwe Portugal Brasilien USA
Quelle: (U.S. Geological Survey, 2019)
In Abbildung 1 sind die Länder mit den größten Lithiumreserven angeführt. Chile verfügte über
geschätzte acht Millionen Tonnen Lithiumreserven. An zweiter Stelle befindet sich Australien
mit geschätzten Reserven von 2,7 Millionen Tonnen. Mineralreserven sind definiert als jene
Mineralien, die zum Zeitpunkt der Schätzung extrahierbar oder produzierbar sind.
3.1 Primäre Lagerstätten
Lithium aus Festgestein wird hauptsächlich aus Pegmatit gewonnen. Pegmatit ist generell kein
ungewöhnliches Gestein, jedoch kommt es nur selten mit lithiumhaltigen Bestandteilen vor.
Dennoch sind die daraus gewonnenen Erze seit vielen Jahrzenten die bevorzugte Quelle für
die Produktion von Lithium, angesichts der großen Vorkommen und der einfachen Förderung.
Es wird davon ausgegangen, dass die Verschmelzung von granithaltigem Magma und lithium-
haltigen Ausgangsmaterialien dafür verantwortlich ist. Weiters spielen einfließende Druck- und
Temperaturbedingungen während der Schmelze eine wichtige Rolle. Die enthaltene Lithium-
konzentration beträgt im Mittel weniger als 2 %.
Erst die Entwicklung kontinentaler Solebetriebe hat in den letzten Jahren den Anteil der Lithi-
umversorgung aus Pegmatiten verringert. Für die Herstellung aus Sole sind nur wenige Pro-
duktionsprozesse notwendig. Bei der Gewinnung aus Festgestein sind hingegen müssen
schwerwiegende Abtragungsarbeiten getätigt werden. Die wirtschaftlich rentabelsten Festge-
stein- sowie Solevorkommen befinden sich in Australien, Kanada, Afrika, Portugal und Brasi-
lien. Darunter ist das Bergwerk in Greenbushes, Australien das weltweit Größte für die Gewin-
nung von Lithiummineralen. Auf einer Fläche von 1,5 Millionen m² wird Pegmatit abgebaut
(Brown, 2016). Die größten Festgesteinsreserven weltweit besitzen die USA (Tab. 4). Mit 2,83
Millionen Tonnen verfügt sie über rund sieben Prozent aller Lithiumressourcen weltweit und
rund zwanzig Prozent aller Festgesteinsvorkommen.
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 10Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
Tabelle 4: Lithiumvorkommen in Festgestein
Anzahl Lagerstät- Weltressourcen
Land Gesteinsart Lithiumgehalt [t]
ten [%]
USA Pegmatit mehrere 2 830 000 7
D.R.Kongo Pegmatit 1 2 300 000 6
USA Hectorit 1 2 000 000 5
Australien Pegmatit 3 1 683 500 4
Russland Pegmatit mehrere 1 000 000 3
Kanada Pegmatit 3 977 000 3
Serbien Jadarit 1 950 000 2
China Pegmatit einige 750 000 2
Brasilien Pegmatit 2 185 000 0,32
Mexiko Hectorit 1 180 000 0,32
Österreich Pegmatit 1 13 000 0,24
Zimbabwe Pegmatit 1 56 700 0,10
Finnland Pegmatit 1 14 000 0,02
Quelle: (Brown, 2016)
3.1.1 Festgesteinsvorkommen in Österreich
Österreich ist im Besitz von 134 000 Tonnen Lithium (Tab. 4). In der Koralpe in Kärnten befin-
det sich eines der größten Lithiumvorkommen Europas. Die Untertagemine des Lithiumpro-
jekts Wolfsberg und der Standort des Konzentrators befinden sich 20 Kilometer östlich von
Wolfsberg. Konzentratoren sind notwendig, um wertvolle Mineral-Bestandteile vom Nebenge-
stein zu trennen. Die hydrometallurgische Anlage befindet sich unmittelbar südlich von Wolfs-
berg in der Nähe der Autobahn A2. Es handelt sich dabei um ein Vorkommen mit Spodumen-
Gestein und erstreckt sich auf eine Fläche von 3,9 km². Die Untertagemine wird von einem
Unternehmen namens European Lithium betrieben. Ab Ende 2021 soll die Produktion von Li-
thiumhydroxid begonnen werden. Die Mine verfügt über 10,98 Millionen Tonnen Spodumen-
Material mit einem Gehalt von 1,17 % Lithiumoxid. Die konkreten Werte der Mineralressourcen
sind in Tabelle 5 ersichtlich (European Lithium Ltd, 2019).
Identifizierte mineralhaltige Ressourcen werden in unterschiedliche Kategorien eingeteilt. Ab-
hängig von dem Feststellungsverfahren, werden diese in gemessen, angezeigt und abgeleitet
unterteilt.
Gemessen
Unter gemessen werden die Ergebnisse einer detaillierten geologischen Probenahme verstan-
den. Stichproben werden mithilfe von Aufschlüssen, Gräben und Bohrlöchern aus dem Erd-
reich entnommen und deren Lage, Menge und Qualität bestimmt. Die Orte der Probenahmen
liegen dicht aneinander, wodurch die geologischen Gegebenheiten gut charakterisiert werden
können (Geoscience Australia, 2011).
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 11Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
Angezeigt
Die Vorgangsweise dieser Kategorisierung ist vergleichbar mit der Kategorie gemessen. Um
die Lage, Menge und Qualität mineralhaltiger Ressourcen zu bestimmen, werden ebenfalls
Stichproben entnommen, jedoch sind die Standorte der einzelnen Probenahme und Messung
weiter voneinander entfernt. Der Grad der Sicherheit ist zwar geringer als in der gemessenen
Kategorie, aber hoch genug, um eine Kontinuität zwischen den Beobachtungspunkten anzu-
nehmen (Geoscience Australia, 2011).
Abgeleitet
Die Ergebnisse in dieser Kategorie basieren weitgehend auf Schätzungen sowie Kenntnissen
über den geologischen Charakter der Lagerstätte. In dieser Kategorie werden nur wenige oder
keine Proben entnommen. Die Schätzungen basieren auf einer angenommenen Kontinuität
oder Wiederholung, für die es geologische Beweise gibt (Geoscience Australia, 2011).
Tabelle 5: Ressourcen des Lithiumvorkommens Wolfsberg
Kategorie Menge [Mio. t] Lithiumoxid-Gehalt [%]
Gemessen 2,86 1,28
Angezeigt 3,44 1,08
Gesamt 6,30 1,17
Abgeleitet 4,68 0,78
Gesamt 10,98 1,00
Quelle: (European Lithium Ltd, 2019)
Laut Machbarkeitsstudie wird eine Lithiumhydroxid-Produktion von 10 129 t/a angestrebt. Um
dieses Ziel zu erreichen, muss eine Menge von rund 800 000 t/a Roherz abgebaut werden,
um an den lithiumhaltigen Spodumen zu gelangen. Aus etwa 67 000 t/a Spodumen-Konzentrat
ist es möglich, 10 000 t/a Lithiumhydroxid herzustellen.
3.2 Sekundäre Lagerstätten
Lithiumhaltige Grundwässer kommen in den unterschiedlichsten ökologischen Räumen vor.
Die verbreitetsten sind in Form von Salzseen, lokal auch genannt Salare und Salztonebenen,
sogenannte Playa. Grundsätzlich wird zwischen kontinentaler, geothermaler und in Ölfeldern
gespeicherter Sole unterschieden.
Über die Jahre hat sich dort Lithium infolge von Tiefenwässern und heißen Quellen abgelagert.
Aber auch in kontinentalen Tiefenwässern in Form von Sole und in Ölwässern beziehungs-
weise in der sogenannten Sole vor. Unter dem Begriff „Sole“ versteht man Flüssigkeiten mit
einem hohen Anteil an gelösten Feststoffen. Diese Feststoffe bestehen aus Natrium (Na) und
Chlorid (CI), enthalten aber auch Calcium (Ca), Kalium (K), Magnesium (Mg) und Karbonat
(CO3). Auch Lithium kommt in vielen Solen und Gewässern vor, jedoch meist nur in geringer
Konzentration. Um diese Konzentration zu erhöhen, werden meist geothermische Gewässer
mit hoher Temperatur herangezogen. Diese enthalten durch temperaturbedingte Auslaugung
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 12Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement
beziehungsweise -spülung von Gestein höhere Mengen an Lithium. Um diese Vorgehens-
weise noch wirtschaftlich zu gestalten, wird diese lithiumhaltigen Sole durch Verdunstung wei-
ter konzentriert (Brown, 2016).
Wie in Tabelle 6 ersichtlich sind die größten Solevorkommen weltweit im Besitz von Bolivien,
Chile und Argentinien. Mit 8,9 Millionen Tonnen verfügt Bolivien über rund 22 % aller Lithium-
ressourcen und 30 % aller Solevorkommen weltweit. Bolivien ist somit das Land mit den größ-
ten in Sole gespeicherten Lithiumreserven.
Tabelle 6: Lithiumvorkommen in Sole
Erscheinungs- Lithiumgehalt Weltressourcen
Land Lagerstätte
form [t] [%]
Bolivien Salar de Uyuni Kontinentale Sole 8 900 000 22
Salar de Atacama Kontinentale Sole
Salar de Maricunga Kontinentale Sole
Chile 7 100 000 18
Geothermale
El Tatio Hot Springs
Sole
Salar de Olaroz Kontinentale Sole
Salar de Rincon Kontinentale Sole
Salar des tres Queb-
Kontinentale Sole
radas
Salar de Los Angeles Kontinentale Sole
Argenti-
Sal de Vida Kontinentale Sole 6 520 000 16
nien
Salar de Cauchari Kontinentale Sole
Salar de Centenario Kontinentale Sole
Mariana Kontinentale Sole
Salar de Hombre Mu-
Kontinentale Sole
erto
Da Qaidam Kontinentale Sole
China Zabuye Caka Kontinentale Sole 2 600 000 6
Taijinaier Kontinentale Sole
Salton Sea Geothermale
1 000 000
Paradox Becken Sole
Smackover (1976)
Ölfeldsole 850 000
Smackover (1984)
USA Clayton Valley 5
Silver Peak
Searless Lake Kontinentale Sole 40 000
Great Salt Lake
Bonneville
Quelle: (Schmidt, 2017), (Brown, 2016)
Eines der bemerkenswertesten und zugleich bekanntesten kontinentalen Solevorkommen,
was die Lithiumgewinnung betrifft, ist der Salar de Atacama im Norden von Chile. Die Produk-
tion begann 1984 im südlichen Teil dieses Salars, eine zweite Erschließung im nördlichen Teil
Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 13Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement begann 1996. Dieser Playa-See ist mit einer Fläche von etwa 3 000 km2 und einem Abfluss- becken von ca. 11 800 km2 einer der größten der Welt. Die Hauptquelle für das enthaltene Lithium scheint der Geysir El Tatio zu sein, der geothermische Flüssigkeiten mit einem Gehalt von 28 ppm - 47 ppm Lithium über den Rio Salado in den Rio San Pedro in den Salar ableitet (Brown, 2016). Der Gehalt an Lithium ist sehr stark abhängig von den jeweiligen Salaren. Im Falle des oben betrachteten Salar de Atacama beträgt der Lithiumgehalt 1 500 ppm. Jedoch spielt nicht nur der Gehalt eine wichtige Rolle, sondern auch die restlichen Bestandteile und Verunreinigun- gen. Die Sole ist oftmals mit Magnesium und Sulfaten verschmutzt. Da die Aufbereitung hohe Kosten nach sich zieht, wird darauf geachtet, Sole mit geringen Verunreinigungen zu verwen- den, um die Gewinnung von Lithium wirtschaftlicher zu gestalten (Schmidt, 2017). 3.3 Weitere Lagerstätten Weitere lithiumhaltige Lagerstätten finden sich in Tone, Glimmer und in dem Mineral Jadarit. Angesichts des geringen Gehalts an Lithium ist die Förderung meist unwirtschaftlich und es wird daher auf andere Lagerstätten zurückgegriffen. 3.3.1 Lithiumhaltige Tone Lithiumhaltige Tone finden sich im Allgemeinen in Oberflächennähe. Sie entstehen durch Ver- witterung von vulkanischem Gestein oder durch hydrothermale Prozesse. Die häufigste Er- scheinungsform ist in Hectorit. Es handelt sich dabei um ein sehr weiches Mineral, welches einfach von der Oberfläche abgetragen werden kann und daher keine Sprengungen benötigt. Der Gehalt an Lithium beträgt zwischen 0,24 % – 0,54 % (Tab. 3). Im Vergleich zu anderen Mineralen wie Spodumen ist der Gehalt sehr gering. Die bekanntesten und wirtschaftlichsten Vorkommen befinden sich in den USA und Mexiko, ersichtlich in Tabelle 4 (Brown, 2016). 3.3.2 Lithiumhaltige Glimmer Lithiumeisenglimmer ist auch unter dem Namen Zinnwaldit bekannt. Bei Zinnwaldit handelt es sich um einen Mischkristall aus den Mineralen Siderphyllit und Polylithionit. Mit einem Lithium- gehalt von 0,92 % bis 1,85 % weist es im Gegensatz zu anderen lithiumhaltigen Mineralen einen relativ geringen Anteil auf und erschwert somit die Förderung dieses Erzes. Bekannte Vorkommen befinden sich in Mexiko und Deutschland (Schmidt, 2017). 3.3.3 Lithiumhaltige Jadarite Jadarit ist ein erst seit kurzem bekanntes Mineral. Es wurde 2006 im Westen Serbiens im sogenannten Jadar-Becken entdeckt und gleichzeitig danach benannt. Jadarit ist bislang nur in dieser Region bekannt. Es setzt sich aus mehreren Alkali- und Halbemetallen zusammen und daraus ergibt sich ein Natrium-Lithium-Bor-Silikat-Hydroxid. Der Lithiumgehalt kann einen Wert von bis zu 7,3 % erreichen. Die Entstehung dieses Minerals ist nicht endgültig geklärt. Jedoch wird davon ausgegangen, dass es mittels Symbioseeffekt zwischen Tonmaterialien, Sole und hydrothermaler Quellen entstanden ist (Brown, 2016). Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 14
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement 4 Gewinnung Wie in Kapitel 3 Vorkommen dargelegt, stammen die wichtigsten wirtschaftlichen Vorkommen aus Sole und Festgestein. Je nach Vorkommen, Mineralogie, Unternehmen und Verwen- dungszweck des Endmaterials, können die Schritte der Gewinnung und Herstellung sehr stark variieren. Um die Ausgangsprodukte zu kategorisieren, werden sie in zwei Gruppen eingeteilt. Das ist zum einen die Gruppe Chemical Grade und zum anderen die Gruppe Technical Grade. In der Gruppe Chemical Grade muss das Ausgangskonzentrat einen hohen Anteil an Lithium- karbonat und Lithiumhydroxid aufweisen. Diese chemischen Bestandteile sind wesentlich für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren und werden vorwiegend in asiatischen Län- dern wie China und Südkorea exportiert, um dort zu Akkus weiterverarbeitet zu werden. Als Technical Grade gruppierte Materialien werden vermehrt nach Europa transportiert. Sie müs- sen einen hohen Reinheitsgehalt aufweisen. Dort werden sie in der Industrie zu Glas bezie- hungsweise Keramik weiterverarbeitet (Schmidt, 2017) 4.1 Gewinnung aus Festgestein Lithium wird schon seit vielen Jahren aus Festgestein gewonnen. Traditionelle Abbaumetho- den, wie sie auch bei einigen Metallen angewandt werden, haben sich etabliert. Die Art der angewandten Fördermethode ist stark abhängig von der Lagerstätte. Überwiegend wird jedoch Lithium über den Tage- beziehungsweise Untertagebau oder aus kombiniertem Abbau bezo- gen. (Schmidt, 2017) 4.1.1 Tagebau Beim Tagebau erfolgt die Gewinnung von Lithium in Oberflächen bis zu einer Tiefe von 100 Meter. Die Abtragung der Erze geschieht abhängig von der Festigkeit des Gesteins be- ziehungsweise Sedimenten mit Hilfe von Aushebungen, Schnitttechniken oder Sprengungen. Abbildung 2 :Greenbushes-Mine von Talison Lithium in Australien Tonschicht Spodumenschicht Quelle: (Jamasmie, 2018) Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 15
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement Im Falle des größten Lithiumproduzenten aus Festgestein, der Greenbushes-Mine von Talison Lithium Australien wird eine Kombination aus Über- und Untertageabbau angewandt. Die Mine ist seit dem Jahre 1983 im Betrieb. Die Grubenkonstruktion erstreckt sich auf eine Länge von 2,8 km, eine Breite von 1 km und bis zu einer maximalen Tiefe von 450 m. Mit dem Beginn der Mine musste erstmal die oberste Schicht, welche aus Tonen und Erdseg- menten bestand, abgetragen werden. Diese Schicht ist in der Abbildung 2 als Punkt Ton- schicht ersichtlich. Die 20 Meter Schicht an unbrauchbarem, verwittertem Material musste an- fänglich mit Baggern und Frontladern abgebaut werden. Die Abtragungen waren notwendig, um an die lithiumhaltige Spodumen-Schicht zu gelangen. Das Spodumenerz wird aus den nicht verwitterten Zonen im Pegmatit abgebaut. Das Gestein wird gebohrt, die Löcher mit Sprengstoff gefüllt und die Erze aus dem Gestein gesprengt. Das gebrochene Material wird mit einem Hydraulikbagger und Muldenkippern entfernt und zu zwei in unmittelbarer Nähe gelegenen Verarbeitungsstationen gebracht. Talison ist weltweit führender Produzent von Li- thiummineralkonzentrat und produziert in der Mine zwei verschieden Kategorien von Lithium- konzentraten. Zum einen technisches Lithiummineralkonzentrat mit niedrigem Eisengehalt. Dieses wird hauptsächlich als Rohstoff für die Glas- und Keramikindustrie eingesetzt. Zum anderen wird ein hochergiebiges chemisches Konzentrat produziert, das zur Herstellung von Lithiumchemikalien für Lithium-Ionen-Batterien und Fette auf Lithiumbasis verwendet wird. (Callegari, 2018) 4.1.2 Untertagebau Untertagebauverfahren werden eingesetzt, wenn es unwirtschaftlich wäre einen Tagebau zu betreiben. Dieser Fall tritt ein, wenn entweder die Entfernung zwischen Lagerstätte und Erd- oberfläche zu große ist oder ihre Form so beschaffen ist, dass ein Tagebau nicht rentabel wäre. Der Zugang unter Tage erfolgt über einen Stollen, Schacht oder ein Gefälle. Die ver- schiedenen Formen von Zugängen variieren in der Art ihrer Ausrichtung. Stollen verlaufen grundsätzlich waagerecht oder leicht ansteigend in die Innenseite des Berges. Schächte hin- gegen verlaufen senkrecht und werden benötigt, wenn die Erschließung eines Stollens nicht mehr möglich ist. Ein Gefälle kommt dann zum Einsatz, wenn Wasser oder wasserhaltige Ver- schmutzungen abgeführt werden müssen. Erze werden in Stollen abgebaut, die sich in hori- zontaler Lage befinden und in verschiedenen Tiefen unter der Oberfläche liegen. Um diese Erze beziehungsweise Personen und Ausrüstung unter Tage befördern zu können, kommen an das jeweilige Terrain angepasste Transportsysteme zum Einsatz. Es gibt eine Vielzahl von verwendeten Systemen, welche abhängig von Transportdistanzen, Steigungen der Transport- wege, Gewicht der verwendeten Geräte und Materialien etc. abhängig sind. Schächte und Stollen werden meist eingesetzt, um Personen und Maschinen von der Oberfläche unter Tage abzusenken. Der Hauptvorteil eines Schachtes für den Personentransport im Vergleich zu ei- nem Stollen liegt in der Fahrzeit. Die maximale Traglast eines Schachtes variiert je nach An- lage, jedoch müssen schwere Güter meist in kleinere Baugruppen demontiert werden. Sobald Materialien und Ausrüstung durch Schächte oder Stollen unter Tage abgesenkt sind, werden sie mit diesel- beziehungsweise elektrischen raupenmobilen und raupenlosen Systemen transportiert. Wenn Materialien und Ausrüstungen über lange Strecken transportiert werden, muss dafür gesorgt sein, dass die Transporteinrichtungen und die Schiene bzw. die Fahrbahn Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 16
Bachelorstudiengang „Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement ausreichende Durchschnittsgeschwindigkeiten um das Bergwerk herum möglich sind. (Horikawa & Guo, 2009) 4.1.2.1 Untertagebau in Österrech Durch Untersuchungen von Heinz Meixner, wurde 1966 bewiesen, dass sich auf der Wein- ebene in Kärnten Spodumen befindet. In den 1980er Jahre entstand auf der Koralpe ein Ex- plorationsbergwerk. Es wurde ein Stollen geschlagen und zahlreiche Probebohrung durchge- führt. Wegen der hohen Aufbereitungskosten war ein Abbau des Pegmatiterzes, welches unter Tage erfolgen müsste, bis ins 21. Jahrhundert wirtschaftlich nicht möglich. 1991 wurde das Vorkommen vom staatlichen Unternehmen Minerex an die private Kärntner Montanindustrie verkauft (Niedermayr & Göd, 1992). Das Vorkommen wechselte noch vielfach den Besitzer bis es 2016 von dem australischen Unternehmen European Lithium gekauft wurde. Die Mach- barkeitsstudie wurde positiv absolviert und ab dem Jahre 2021 soll die Untertagemine mit der Förderung von Lithium in Betrieb gehen (European Lithium Ltd, 2019). Die Machbarkeitsstudie wurde durch Mitwirken des Unternehmen SRK Consulting, ein Unter- nehmen, das auf Bergbautechnik spezialisiert ist, durchgeführt. Durch SRK Consulting wurde festgestellt, dass sich der Abbau mittels Langlochaufschlusses als die bevorzugte Methode für den kostengünstigen Abbau der lithiumhaltigen Erze auf dem Wolfsberg eignet. Bei der An- wendung des Langlochverfahrens werden innerhalb des Erzes Aushöhlungen vorgenommen. Diese Aushöhlungen befinden sich auf verschiedenen Höhen. Mittels Bohrungen und Spren- gungen wird das zwischenliegende Material abgetragen. Um die Auswirkungen des Projekts an der Oberfläche zu reduzieren, müssen Stützpfeilerbelassen werden, während die Stollen teilweise mit Resten aus dem Bergbau und dem Konzentrator wieder aufgefüllt werden (Fuykschot, 2017). Die Mine wird über den bestehenden Stollen erreicht. Dieser wurde jedoch in seiner Höhe und Breite vergrößert, um das Hantieren mit großen Geräten zu ermöglichen. Der Abbau wird künf- tig auf mehreren Unterebenen geschehen, welche durch regelmäßige Querschläge verbunden sind. Die Querschläge sind außerdem so angebracht, dass erzhaltige Adern durchtrennt wer- den. Die Stollen werden entlang der Adern geführt bis zur weitest entfernten Abbaukammer. Diese Technik wird angewandt, um nur das lithiumhaltige Spodumen zu fördern und dadurch die Entstehung von unbrauchbaren Bergmaterial zu reduzieren. Um das abgetragene Material zu einem Lagerplatz zu transportieren, werden ferngelenkte Radlader verwendet. Diese be- fördern die Erze aus den Abbaukammern zu einer in der Nähe liegenden Halde. Von dort aus werden die Erze anhand von unterirdischen Zerkleinerungs- und Sortieranlangen verwertet. Durch diese Vorrichtungen zerkleinertes und getrenntes Material wird anschließend abhängig von seiner Beschaffenheit wieder zurück in die Abbaukammer transportiert und als Versatz- material zum Füllen von Hohlräumen beziehungsweise an der Oberfläche zu Lithiumkonzent- raten und Baumaterial weiterverarbeitet. 4.2 Gewinnung aus Sole In der Vergangenheit wurde Lithium vollständig aus dem traditionellen Abbau von Hartgestein gewonnen, jedoch hat sich die Gewinnung aus Solevorkommen angesichts niedriger Produk- tionskosten immer mehr etabliert. Grundsätzlich wird zwischen kontinentaler, geothermaler Lifecycle-Analysis von Lithium Juni 20 Seite 17
Sie können auch lesen
