Zusammenfassung

Fragen der Versorgungssicherheit mit kritischen Rohstoffen und bislang viel zu wenig regenerative Wärmenutzung – das sind nur zwei der Herausforderungen, vor denen die Gesellschaft bei der Umstellung auf eine CO2-arme Energieversorgung steht. Eine Zwei-in-Eins-Lösung hierfür bietet die gemeinsame Gewinnung von kritischen Rohstoffen und Wärme aus den mineralhaltigen Thermalwässern geothermischer Anlagen. Dass es hierfür auch im Norddeutschen Becken vielversprechende Potenziale gibt, zeigt ein Perspektivenpapier verschiedener Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit weiteren Forschungseinrichtungen. Unter Leitung von Prof. Dr. Simona Regenspurg vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam fassen die Autor:innen den aktuellen Wissensstand zusammen, diskutieren die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit und zeigen künftigen Forschungsbedarf auf. Dabei definieren sie fünf Erfolgsfaktoren. Mit der Doppelnutzung könnte sich auch die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit geothermischer Projekte verbessern. Die Studie ist im Fachmagazin Geothermics erschienen. 

Hintergrund: Der Bedarf an Kritischen Rohstoffen und Erdwärme

Für die Energiewende hin zu einer CO2-armen Gesellschaft sind sowohl die Wärmewende als auch die Versorgung mit kritischen Rohstoffen von entscheidender strategischer Bedeutung. Das gilt für Deutschland ebenso wie für die EU, die das in ihrem „Critical Raw Materials Act“ dargelegt hat. 

In Deutschland macht die Wärmeversorgung immerhin rund die Hälfte des Gesamtenergieverbrauchs aus und ist noch viel zu wenig mit klimafreundlichen Alternativen abgedeckt. Mindestens ein Viertel davon könnte künftig durch die Nutzung von Erdwärme in Form von Tiefer Geothermie bereitgestellt werden – 24/7 verfügbar, CO2-arm, heimisch und unabhängig von geopolitischen Verwerfungen. 

Gleichzeitig erfordern moderne Technologien sowie die Umstellung auf nicht-fossile Energieversorgung erhebliche Mengen an kritischen Rohstoffen wie Lithium und Kupfer – für Elektronik, die weitreichende Elektrifizierung und den Ausbau von Infrastrukturen zur Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Strom. 

So ist in den vergangenen Jahren der weltweite Bedarf an Lithium erheblich gestiegen, und die IEA geht davon aus, dass sich er sich im Zeitraum von 2020 bis 2040 um den Faktor 40 erhöht. Dabei machen Batterie-Anwendungen rund 70 Prozent des Bedarfs aus. 

Für Kupfer wird die weltweite Nachfrage zwischen 2020 und 2040 voraussichtlich um den Faktor 2,7 steigen. 

Herausforderung Versorgungssicherheit

Gleichzeitig ist die Versorgungssicherheit bei diesen Metallen unter Druck – durch die Abhängigkeit von nur wenigen Förderländern, u.a. China und Chile, und zunehmende geopolitische Spannungen.

Daher ist es das Ziel – auch von Bundesregierung und EU – Bezugsquellen zu diversifizieren und die heimischen Produktionskapazitäten auszuweiten. So können Importabhängigkeiten reduziert, die Versorgungssicherheit gestärkt und eine nachhaltigere Produktion gefördert werden, denn die Rohstoffe kommen häufig aus wasserarmen Regionen mit geringen Umweltstandards.

Die Ko-Förderung von Geothermie und kritischen Mineralien

Ein Ansatz in dieser Richtung ist die Ko-Förderung von Geothermie und kritischen Mineralien, die in Wissenschaft und Industrie zunehmend an Aufmerksamkeit gewinnt. 

„Aufgrund der geologischen Bedingungen enthalten tiefe Thermalwässer häufig kritische Rohstoffe wie Lithium, Strontium oder Bor und gelegentlich auch Kupfer. Daher gibt es bereits seit Längerem Ansätze, geothermische Anlagen nicht nur zur Wärmeversorgung oder Stromerzeugung zu nutzen, sondern auch zur Gewinnung von Rohstoffen. Das könnte auch dazu beitragen, die Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit geothermischer Projekte zu verbessern, die mit hohen Anfangsinvestitionen für Bohrungen verbunden sind“, erläutert Prof. Dr. Simona Regenspurg, Leiterin der Arbeitsgruppe „Geothermische Fluide“ in der GFZ-Sektion 4.3 Geoenergie, die die aktuelle Studie geleitet hat. Wenn zusätzlich zur Wärme auch Rohstoffe gewonnen werden, entstünden zudem neue Wertschöpfungsketten vor Ort.

Am Beispiel des Norddeutschen Beckens hat Regenspurg zusammen mit ihrem Forschungsteam die Vorteile, Risiken und Herausforderungen der gemeinsamen Gewinnung von Wärme und kritischen Rohstoffen aus tiefen Sedimentsolen aufgezeigt. Hierfür haben sie geologische Daten, Laboranalysen und technische Modelle verknüpft. Dabei stützen sie sich auch auf Ergebnisse aus dem Forschungsstandort Groß Schönebeck in der Brandenburger Schorfheide, wo das GFZ seit 25 Jahren ein Reallabor zur Geothermieforschung betreibt. 

Das Grundprinzip dieser Technologie ist einfach: Aus einer mehrere Tausend Meter tiefen Bohrung wird heißes, mineralhaltiges Wasser nach oben gefördert. Dort gibt es einerseits in einem Wärmetauscher die Wärme an ein Fernwärmenetz oder zur industriellen Wärmenutzung oder Stromproduktion ab. Vor oder nach dem Wärmetauscher werden die gewünschten Elemente wie Lithium oder Kupfer aus dem Wasser extrahiert, bevor es über eine zweite Bohrung wieder zurück in den Untergrund gepresst wird. 

Welche Verfahren aktuell zur Gewinnung der Metalle eingesetzt werden, sowie deren Vor- und Nachteile diskutieren die Autor:innen ebenfalls in ihrem Papier.

Erste Pilotprojekte von Unternehmen gibt es bereits, beispielsweise im Salton Sea in Kalifornien (USA) oder im Oberrheingraben (Deutschland, Frankreich), wo Solelösungen aus tiefen Bohrungen als wirtschaftlich vielversprechend gelten. Einen kommerziell betriebenen Standort zur geothermischen Lithium-Gewinnung sehen die Autor:innen Stand jetzt noch nicht. 

Die Potenziale im Norddeutsche Becken

Das Norddeutsche Becken, das sich über weite Teile Norddeutschlands erstreckt – siehe Abbildung 1 – bietet aufgrund des Temperaturgradienten (Temperaturanstieg mit der Tiefe), der Porosität, der Durchlässigkeit und weiterer struktureller Gegebenheiten des Untergrunds ein erhebliches geothermisches Potenzial. Zurzeit gibt es dort drei Forschungs- und fünf kommerzielle Standorte zur Nutzung hydrothermaler Energie aus tiefen Reservoiren. Weitere 50 Geothermie-Projekte sind in Planung. 

Dass einige der salzhaltigen Thermalwässer dort zudem einen vergleichsweise hohen Gehalt an Lithium und Kupfer haben, macht sie für die Ko-Förderung attraktiv. In tiefen Sandsteinen können Lithium-Konzentrationen von bis zu 600 Milligramm pro Liter auftreten. Erste Schätzungen für das Gesamtpotenzial im Norddeutschen Becken liegen bei bis zu 26,5 Millionen Tonnen Lithium-Metall (das entspricht 141 Millionen Tonnen handelbarem Lithiumcarbonat). Auch für Kupfer sehen die Forschenden aufgrund der dortigen sogenannten Rotliegend-Formationen und den Erfahrungen bei Geothermie-Experimenten in Groß Schönebeck gute Potenziale.

Herausforderungen bei der Ko-Produktion von Wärme und kritischen Rohstoffen

Um diese Potenziale zu heben, müssen diverse Herausforderungen gemeistert werden, wie die Forschenden schreiben:

Da die gemeinsame Gewinnung von Wärme und Rohstoffen ein hochkomplexer Prozess ist, dürfte der einfache Anbau einer Lithium-Gewinnungsanlage an ein bestehendes geothermisches Bohrloch ohne ein gründliches Verständnis und die Integration der zugrunde liegenden Prozesse kaum zum Erfolg führen. 
Insbesondere ist das auch von den Eigenschaften der Formation, insbesondere der Durchlässigkeit (hydraulische Leitfähigkeit) abhängig. 

Technische Herausforderungen bestehen daher vor allem in der Entwicklung umweltschonender, kosteneffizienter Fördertechnologien, die an die für tiefe geothermische Lagerstätten charakteristischen, hochsalzhaltigen Mehrkomponenten-Flüssigkeitssysteme angepasst werden müssen. 

Die wirtschaftliche und technische Machbarkeit steht in engem Zusammenhang mit Umweltaspekten und der gesellschaftlichen Akzeptanz. Das erfordert die Entwicklung gemeinsamer Strategien, um die gemeinsame Gewinnung von Rohstoffen und Wärme auf möglichst nachhaltige Weise sicherzustellen.

Fünf Faktoren für den wirtschaftlichen Erfolg

In ihrer Schlussfolgerung definieren die Forschenden fünf Schlüsselfragen, die für den wirtschaftlichen Erfolg der gemeinsamen Wärme- und Rohstoff-Gewinnung aus Sediment-Solen ausschlaggebend sind. Dazu formulieren sie die entsprechenden konkreten Herausforderungen, ordnen ein und schlagen Maßnahmen vor. 

• In welchen geologischen Formationen kann mit erhöhten Lithiumkonzentrationen gerechnet werden?
• (Wie) Kann das Lithium-reiche Tiefenwasser mit genügender Förderrate über einen langen Zeitraum an die Oberfläche gebracht werden?
• (Wie) Kann man das Lithium selektiv, schnell und effizient während des Thermalwasserkreislaufs aus dem Wasser entfernen?
• Welche Materialien können den anspruchsvollen Bedingungen im Untergrund standhalten?
• Stimmen Umweltverträglichkeit, Genehmigungsfähigkeit und gesellschaftliche Akzeptanz?

Resümee: Großes Potenzial, weitere Demonstrationsprojekte nötig

Angesichts des prognostizierten Nachfrageanstiegs halten die Autor:innen es für unwahrscheinlich, dass die diskutierten unkonventionellen Quellen für kritische Rohstoffe den traditionellen Bergbau in naher Zukunft ersetzen werden. Ihre Einbindung in eine umfassendere Versorgungsstrategie stelle jedoch einen Schritt hin zu einer diversifizierteren und nachhaltigeren Rohstoffbasis dar:

„Die gleichzeitige Gewinnung von kritischen Rohstoffen wie Lithium und Kupfer zusammen mit geothermischer Wärme aus Tiefenwässern sedimentärer Becken bietet großes Potenzial, um zur nachhaltigen Deckung des steigenden Bedarfs an Metallen und Energie beizutragen“, resümiert Simona Regenspurg. 

„Am Beispiel des Norddeutschen Beckens haben wir zentrale geologische, technische, materialwissenschaftliche und ökologische Herausforderungen untersucht. Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend, erfordern jedoch weitere Demonstrationsprojekte, um die technische und wirtschaftliche Machbarkeit nachzuweisen.“
 

Projektförderung

Diese Arbeit wurde unter dem Dach des „Helmholtz-Forum Erde und Umwelt“ im Projekt CuLiWell durchgeführt. Sie wurde teilweise durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon Europe der Europäischen Union im Rahmen des Projekts „CRM-geothermal – Raw materials from geothermal fluids: occurrence, enrichment, extraction“ unter der Fördervereinbarungsnummer 101058163 finanziert. Weitere Mittel wurden durch das Projekt „Li-Fluids“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) bereitgestellt, Förderkennzeichen: 03EE4034A (BGR) und 03EE4034B (Fraunhofer).

Projektpartner

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 sowie Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe BGR.

Originalpublikation

Simona Regenspurg, Elisabeth Eiche, Katharina Alms, et al., „Perspectives of co-extraction of geothermal heat with the critical raw materials lithium and copper from sedimentary basin fluids on the example of the North German Basin“, Geothermics, Volume 140, 2026, 103726, ISSN 0375-6505,
https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2026.103726

Weitere Information zu aktueller Geothermieforschung des GFZ am Forschungsstandort Groß Schönebeck in der Brandenburger Schorfheide finden Sie in der Pressemitteilung zum 25jährigen Jubiläum.

Eine Übersicht zum Thema Geothermie bietet unsere Spotlight-Seite.