Factsheet Lithium

Lithium: Ein entscheidender Rohstoff für die Energiewende Lithium ist für die Energiewende von entscheidender Bedeutung. Den Namen Lithium (von griechisch λίθος líthos „Stein“) bekam das Metall, weil es im Unterschied zu Kalium und Natrium im Gestein entdeckt wurde1. Lithium ist das leichteste Metall der Erde und insbesondere als Bestandteil von Lithium-IonenBatterien bekannt, die in vielen technischen Geräten zum Einsatz kommen2. Die steigende Nachfrage nach Lithium birgt jedoch soziale, gesundheitliche und ökologische Risiken in seinen Herkunftsländern3.

Aktuell werden 58% des Lithiums über konventionellen Erzbergbau aus Festgesteinen (Pegmatite) gewonnen. Australien verfügt dabei über die weltweit größte Produktionskapazität. Weitere bedeutende Lagerstätten existieren u.a. in Simbabwe, der Demokratischen Republik Kongo, Portugal, China und Brasilien.3 Die restlichen 42 % entstammen aus Salzwüsten, sogenannten Salaren (vor allem in Bolivien, Chile, Argentinien)4. Für die Rohstoffgewinnung aus den ­Salaren wird lithiumhaltiges Salzwasser aus unterirdischen Seen an die Oberfläche gepumpt und in großen Becken ­verdunstet5. Sowohl aus Salaren als auch aus Festgestein gefördertes Lithium wird größtenteils in China weiterverarbeitet, bis es zum Einsatz in Produkten wie B ­ atterien geeignet ist. In Deutschland wird Lithium zwar aktuell weder gewonnen noch weiterverarbeitet, allerdings bestehen konkrete Planungen zur zukünftigen inländischen Gewinnung (siehe S. 3).

Wichtige Handelsrouten von Lithium (2021) – von der Mine bis zur Weiterverarbeitung Sole

Bergmännischer Abbau von Lithiumgestein

Weiterverarbeitung des Lithiums in Vor- oder Endprodukte

Netto-Ausfuhr

Die Strichstärke entspricht der exportierten Nettomenge von Lithiumkarbonaten

China USA

Exports of Spodumeme concentrates (Battery-Grade)

Brasilien

Exports of Spodumeme concentrates (Technical-Grade)

Wichtigste Exporteure weltweit

Chile

Importstruktur Deutschlands

Chile (39%)

75%

China (31%)

2%

Argentinien (9%)

5%

USA (5%)

9%

Belgien (4%)

3%

Australien

Argentinien

Abb. 1: Wichtige Abbaugebiete und Handelsrouten von Lithium (2021) – von der Mine bis zur Weiterverarbeitung3, 4

Lithium in Energiewende­technologien

Tab. 1: Globaler Lithiumexport und deutscher Importanteil6

Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität

Lithium-Ionen-Batterien für stationäre Batteriespeicher

Schmierstoffe auf Lithiumseifenbasis für Windenergieanlagen

Heute stecken bereits über 37 % des Lithiums in der Produktion von wiederaufladbaren Batterien (siehe Abb. 2), die vor allem in der Elektromobilität und für Energiespeichertechnologien eingesetzt werden. Der Bedarf für diese Anwendungsbereiche wird im Zuge der Energiewende für NRW als bevölkerungsreichstes Bundesland einen hohen Anteil ausmachen.

Beispielrechnung für den Lithiumbedarf in Elektrofahrzeugbatterien in NRW: BevNRW ⋅ AnzEA ⋅ KapBat ⋅ DimBat Bev = Bevölkerungsanteil (NRW zu Deutschland ≈ 21,8 %) Anz = Anzahl Elektroautos (Ziel der Bundesregierung: 15 Mio. Elektroautos bis 20309) Kap = Kapazität Batterie (≈ 120 – 180 g/kWh) Dim = Dimension/Größe Batterie (≈ 30 – 100 kW) Der vereinfachten Berechnungsgrundlage zufolge könnte allein der Lithiumbedarf für Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen (Annahme: 3,27 Mio. Fahrzeuge mit durchschnittlicher Batteriekapazität und -größe von 150 g/kWh bzw.

60 kW) in NRW bis 2030 fast 30.000 t betragen.

Zu beachten ist, dass der Lithiumbedarf für eine Fahrzeugbatterie in Abhängigkeit von Reichweite und Hersteller stark variiert. Beispielsweise stecken in der Batterie eines Tesla Model S mit bis zu 80 kg weitaus mehr Lithium als durchschnittlich in anderen Batterien10. Je nach Fuhrpark in NRW wirkt sich dies signifikant auf den Gesamtbedarf an Lithium aus.

25

10 5

17,0

16,3

12,4

15

Schätzungen zufolge umfassen die weltweiten Lithiumressourcen etwa 86 Mio. t, wovon knapp 50 Mio. t allein im „Lithiumdreieck“ zwischen Bolivien, Chile und Argentinien lagern. Weitere relevante Vorkommen finden sich in China (5 Mio. t) und Australien (6,4 Mio. t).8 Ob der Lithiumbedarf für die Energiewende damit gedeckt werden kann, ist unter anderem stark abhängig von (geo-)politischen Entscheidungen im Umgang mit Lithiumlagerstätten, der Weiterentwicklung von Batterietechnologien sowie zukünftigen Lithium-Recyclingkapazitäten2. Die Sicherheit der Lithiumversorgung hat für Politik und Wirtschaft in Asien, Europa und Amerika höchste Priorität7. China als Hauptakteur auf dem globalen Lithiummarkt erwirbt aktiv Minen auf der ganzen Welt, um sich Lithiumreserven für den hohen Eigenbedarf (größter Absatzmarkt für Elektrofahrzeuge) zu sichern. 2025 könnte fast ein Drittel des weltweiten Lithiumangebots aus China stammen11. Europa beabsichtigt die Erschließung eigener Ressourcen und strebt eine Selbstversorgung mit Lithium bis 2025 an2. Daher wurden strategische Allianzen (z.B. EBA – Europäische Batterie Allianz12) gebildet und Strategien (z.B. European Critical Raw Materials Act13) erarbeitet, um eine zuverlässige, diversifizierte Versorgung mit Lithium zu gewährleisten.

21,6 17,9

20

%

Weltweit wurden 2021 insgesamt rund 100.000 Tonnen (t) Lithium abgebaut7. 2050 könnte der Lithiumbedarf einzig für Europa auf das 60-fache im Vergleich zu heute ansteigen. Innerhalb Deutschlands wird für die großen Automobilkonzerne sowie die national geplanten Batteriefabriken ein Bedarf von bis zu 160.000 t Lithium für das Jahr 2030 geschätzt8.

Marktdeckung im Verhältnis zum Angebot [%]

Gibt es genug Lithium?

10,1

8,8 5,0 0,5

0

3,4

3,3

1,8 -0,8

-5 -11,1

-15 450.000 400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0

-5,2

-6,5

-10

Lithium-Inhalt in Tonnen

Wie viel Lithium wird für die Energiewende benötigt?

Bergwerksförderung Lithium Nachfrage Lithium

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

Abb. 3: Marktdeckung für Lithium - Entwicklung von Bergwerksförderung und Nachfrage 2010 – 2020

15

Mit welchen Risiken ist der Lithiumabbau verbunden?

Der Großteil der weltweiten Lithiumproduktion ist auf wenige Länder der Südhalbkugel konzentriert. Sowohl die Gewinnung aus Salaren als auch aus Festgestein ist mit ökologischen, gesundheitlichen und menschenrechtlichen Auswirkungen verbunden3, 15, 16.

1.

Bergbaurückstände sowie Wasser- und Flächenverbrauch:

a

Als Folge der Gewinnung aus Festgestein werden Abraum und taubes Nebengestein abgeräumt und auf Halden abgelagert

a

Hoher Flächen- und Wasserverbrauch für Verdunstungs- und Absetzbecken

a

Entnahmen großer Salzwassermengen für Verdunstungsprozesse können zum Absinken von Grundwasserständen des Süßwassers im Umfeld führen, weshalb u.a. tiefere Brunnenbohrungen erforderlich werden können.

a

Austrocknung umliegender Süßwasserlagunen und damit Zerstörung der Lebensgrundlage der dortigen Flora und Fauna sowie Einfluss auf lokale Biodiversität

12% Glaskeramik

2.

Indigene Bevölkerung:

7,9% Schmierstoffe

a

Gesundheitliche Folgen wie Atemwegserkrankungen oder Erblindung von Nutztieren

5,1% Glas

a

Drohender Heimatverlust für umliegende Bevölkerung

5% Polymere

a

Kritik an mangelnder Konsultation und Einbindung in Entscheidungsprozesse

3.

Klimabilanz:

a

Lange Wertschöpfungskette von Abbau über Weiterverarbeitung bis Nutzung erhöht den CO2-Fußabdruck

Anteil der weltweiten Verwendung von Lithium zur Herstellung von ­verschiedenen Produkten 2023 37,4% wiederaufladbare Batterien 13,4% Keramik

4,5% Metallpluver (Gussindustrie) 2,5% Luftaufbereitung 1,5% Batterien (nicht-wiederaufladbar) 0,4% Aluminiumschmelzen 10,2% Weitere Anwendungen

Abb. 2: Anteil der weltweiten Verwendung von Lithium zur Herstellung von verschiedenen Produkten 202314

Lithium-Potenziale in Deutschland

Wie viel Lithium kann recycelt werden?

Am Oberrhein lagern Europas größte Lithiumvorkommen in Thermalwässern. Diese sollen mithilfe von Tiefenbohrungen gefördert werden. Über das Verfahren der Geothermie dient Tiefenwasser bereits zur Stromversorgung und Bereitstellung von Wärme. Derzeit laufen mehrere Forschungsprojekte, um aus diesem Thermalwasser neben Strom und Wärme auch Lithium im industriellen Maßstab nachhaltig extrahieren zu können17. In einer ersten Phase möchte die Firma Vulcan Energie Ressourcen GmbH ab 2025 Lithiumhydroxid in Höhe von 40.000 t pro Jahr fördern. Dies entspräche 40 % der globalen Lithiumförderung im Jahr 2021. Tiefenbohrungen sind in der Bevölkerung aufgrund früherer Havarien (Erdöl- und Erdgasindustrie) und induzierter Seismizität (Mikrobeben) allerdings umstritten18.

Im Zuge der Verkehrswende wird durch die E-Mobilität die Anzahl ausgedienter Lithium-Ionen-Batterien (LIB) zukünftig steigen. Demnach könnte das Volumen von zu recycelnden LIB und Batteriekomponenten in Europa 2030 etwa 230.000 t pro Jahr bzw. 2040 etwa 1,5 Mio. t pro Jahr betragen. Die EU strebt an, die Rückgewinnungseffizienz für Lithium (überwiegend aus Batterien) schrittweise auf 65 % bis 2025, 70 % bis 2030 und auf 90 % bis 2040 auszubauen21. Weltweit werden Schätzungen zufolge derzeit nur 5 % der LIB recycelt22.

Im Harz plant die Deutsche Lithium GmbH den Abbau von Lithium im bergmännischen Verfahren.

Erste Abschätzungen sollen Lithiumvorkommen für bis zu 20 Mio. Fahrzeugbatterien aufzeigen. In der Nähe von Zinnwald wird die Zinnwaldit Lagerstätte auf ihren Lithiumgehalt erkundet. Nach ersten Analysen der Zinnwald Lithium PLC werden Lithiumvorkommen von bis zu 96.000 t vermutet19. Das kanadische Unternehmen Rock Tech Lithium Inc. mit Sitz in Ratingen plant eine Anlage zur Herstellung von batteriefähigem Lithiumhydroxid für Elektroautos in ­Guben, Brandenburg20.

Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien Redox-Flow-Batterien: Die Energiedichte ist geringer als bei LIB und sie eignen sich aufgrund des Platzbedarfs eher für stationäre Anwendungen. Die elektrische Energie wird mit Hilfe einer Flüssigkeit in entsprechenden Behältern gespeichert.

Natrium-Ionen-Batterien: Diese können für Kleinelektrofahrzeuge und als stationäre Speicher verwendet werden. Natrium kommt in großen Mengen in der Natur vor.

Solid-Flow-Batterien: Diese innovative Technologie kann LIB in stationären Speichern für Industriestandorte oder in der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ersetzen. Es werden keine Metallionen eingesetzt, sondern Elektrolyte aus Kohlenstoffverbindungen genutzt.

Evonik Industries AG, Essen

Technischen ­Hochschule Georg Agricola, Bochum

Herstellung eines neuen Anodenmaterials für Lithium-­IonenBatterien, das Batterien leistungsfähiger macht, indem es die Energiedichte erhöht sowie die Schnelllade­fähigkeit und Energie­effizienz verbessert. Das innovative Komposit ersetzt konventionelle Werkstoffe25.

Das Forschungsprojekt „IAW3“ untersucht den Wertstoffstrom in Grubenwässern als alternative Bezugsquelle zur Gewinnung von Lithium23.

Forum Bergbau und Wasser, Essen Ein Forschungsprojekt ermittelt und bewertet Spurenelementgehalte, u.a. Lithium, in den Grubenwässern auch mit Blick auf die Inwertsetzung kritischer Rohstoffe26.

Was passiert in NRW

Zentrum für zirkuläre Wertschöpfung Batteriezelle (ZZWB), Ibbenbüren

Münster E ­ lectrochemical ­Energy ­Technology ­(MEET), Münster

Aufbau eines BatteriezellRecycling-Clusters28.

In einem der führenden deutschen Batterieforschungszentren mit dem Forschungsschwerpunkt Lithium-Ionen-Batterien werden u. a. alternative ­Materialen zur Herstellung einer „grünen“ Batterie ­untersucht30.

Primobius GmbH, Hilchenbach Effiziente und nachhaltige Recycling­ lösung für Lithium-Ionen-Batterien29.

Die Beispiele der verschiedenen Industrie- und Forschungsprojekte zeigen: ACCUREC-Recycling GmbH, Krefeld Das Mercator-Projekt untersucht material­ effizientes Recycling von Lithium und Graphit aus Automobilbatterien24.

RWTH Aachen, Aachen Das wissenschaftliche Verbundprojekt ­„Model2Life“ forscht an der Optimierung der Schnittstelle zwischen Erstnutzung und Weiterverwendung sowie verschiedenen Aspekten des „Second Life“ von Batterien27.

1.

Heimisches Lithium besitzt das Potenzial, ein wichtiger Faktor für den Auf- und Ausbau der deutschen und europäischen Batterieproduktion zu werden.

2.

Lokale Aktivitäten zu Recycling und Kreislaufwirtschaft tragen dazu bei, Batteriewertschöpfung in NRW zu verankern.

Zusammenfassung Durch die voranschreitende Energie- und Mobilitätswende steigt der Lithiumbedarf weltweit rasant an. Das überwiegend in wenigen Ländern der Südhalbkugel geförderte Lithium wird größtenteils in China (zu Produkten) weiterverarbeitet und an Abnehmer auf dem gesamten Globus exportiert. Da in Deutschland (und damit auch NRW) aktuell kein Lithium im industriellen Maßstab gewonnen wird, sind Hersteller von erneuerbaren Energietechnologien und zugehörigen Komponenten von internationalen Lieferketten (vor allem aus China) abhängig. Daher prüfen Unternehmen und Einrichtungen

Lieferabhängigkeiten und Nachfrageintensitäten sind kritische und preistreibende Elemente beim Erwerb von Lithium (siehe Abbildung rechts). Diese Risiken sind im Sinne einer nachhaltigen und resilienten Versorgung zu mindern. Lösungen umfassen unter anderem: a

die Diversifizierung von Lieferanten & spezialisierte Lagerhaltung

a

den Aufbau einer Wertschöpfungskette im Bereich der Lithiumkarbonate in Deutschland und Umgebung,

a

die Erforschung nationaler und europäischer Lithiumquellen und

a

den Aufbau geostrategischer Partnerschaften in der Lieferkette.

Außerdem werden die sozialen und ökologischen Risiken der Rohstoffförderung immer sichtbarer und erfordern die Einhaltung strengerer Auflagen. Für betroffene Unternehmen gilt es, die Standards in Bezug auf Umweltschutz und Menschenrechte anzuheben.

Dies kann durch ESG-konforme (Environmental, Social, Governance) Geschäftspraktiken geschehen, welche in der Rohstoff- und Bergbaubranche an Bedeutung gewinnen.

Preisentwicklung Lithiumcarbonat von Mai 2019 bis Mai 2023 80.000 70.000

Preis in Euro pro Tonne

Fazit

(in NRW) effizientere Recyclinglösungen, innovative Batterietechnologien sowie regionale Lithiumquellen. Es befinden sich bereits erste Projekte für die heimische Lithiumgewinnung in der Entwicklungsphase. Die tatsächlichen Lithiumbedarfe für Deutschland sind sowohl abhängig von zukünftigen Investitionen in die nationale Wertschöpfung (z.B. Herstellung von Speichertechnologien, Lithiumrecycling) als auch von der Bedarfsentwicklung in der Keramik-, Glas- sowie Schmierstoffindustrie, und daher schwer abzuschätzen.

60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0

Mai 19

Jul 19

Sep Nov Jan Mär Mai 19 19 20 20 20

Jul 20

Sep Nov Jan Mär Mai 20 20 21 21 21

Jul 21

Sep Nov Jan Mär Mai 21 21 22 22 22

Jul 22

Sep Nov Jan Mär Mai Jun 22 22 23 23 23 23

Abb. 4: Preisentwicklung Lithiumcarbonat von Mai 2019 bis Mai 202331

Der Lithiumpreis stieg seit dem Jahr 2021 immens an. Laut Experten hält dieser Trend angesichts der größer werdenden Konkurrenz um diesen Rohstoff weiter an8. Die preistreibenden Faktoren (Risikoaufschläge, Nachfrage, Lieferabhängigkeiten etc.) haben sich am Markt in 2023 wieder reguliert, weshalb der Preis in diesem Jahr stark gesunken ist.

Ausblick Neben einer potenziellen Lithiumförderung wird in Deutschland primär die Rückgewinnung des Rohstoffs aus ausgedienten Produkten im Fokus stehen. Der zunehmende Einsatz von Lithium, insbesondere in Batterien, erfordert demnach auch einen signifikanten Ausbau der Recyclingkapazitäten, wozu es auch bei Unternehmen in NRW bereits erkennbare Entwicklungen gibt. Darüber hinaus werden in NRW-Forschungsprojekten sowohl Wiederverwendungsmöglichkeiten als auch Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien untersucht.

In NRW als bevölkerungsreichstem Bundesland besteht perspektivisch im deutschen Vergleich ein hoher Bedarf an Elektrofahrzeugen und stationären Batteriespeichern. Damit wird die Grundlage für eine stetige Lithiumnachfrage geschaffen. Für eine strategische Herangehensweise empfiehlt sich im ersten Schritt eine bessere Datenverfügbarkeit und -transparenz hinsichtlich der nationalen LithiumWertschöpfungskette zu schaffen. Im Zuge dessen ist es einerseits sinnvoll, Lithiumvorräte der Region und europäischer Nachbarländer zu nutzen, und andererseits Kompetenzen entlang der Wertschöpfungskette auszubauen.

Kontakt rohstoffe@energy4climate.nrw

Quellen: 1 chemie.de o. J.: Lithium.

2 Gielen, D. and M. Lyons (2022), Critical materials for the energy transition: Lithium, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.

3 Drobe, Malte 2020: Lithium – Informationen zur Nachhaltigkeit. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe.

4 Schmidt, Michael 2022: Rohstoffrisikobewertung – ­Lithium 2030. Deutsche Rohstoffagentur.

5 Engel, Andreas 2022: Wie schädlich ist Lithium wirklich?.

6 Ifo Institut 2022: Wie abhängig ist Deutschland von Rohstoffimporten. Leibniz Institut für Wirtschaftsforschung.

7 USGS 2022: Mineral Commodity Summaries – Lithium. U.S. Geological Survey.

8 Podbregar, Nadja 2022: Unverzichtbares Lithium. Scinexx.

9 BMWK o. J.: Rahmenbedingungen und Anreize für Elektrofahrzeuge und Ladeinfrastruktur. Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

10 Hajek, Stefan 2017: Lithium und Kobalt – Bremsen Rohstoff-Engpässe das Elektroauto aus?. WirtschaftsWoche.

11 IER 2023: China Expected to Increase Control Over Global Lithium and Cobalt Supply. Institute for Energy Research.

12 KIC InnoEnergy SE o. J.: Building a European battery industry.

13 EC 2023: Critical Raw Materials. European Comission.

14 Statista 2023: Anteil der weltweiten Verwendung von Lithium zur Herstellung von verschiedenen Produkten.

15 Schmidt, Michael et al. 2023: Rohstoffrisikobewertung – Lithium. In: DERA Rohstoffinformationen.

16 Struss, Jannik 2023: Das „weiße Gold“: der Abbau von Lithium in Südamerika. Agentur für Wirtschaft & Entwicklung.

17 EnBW, KIT 2020: Forschungsprojekt: Nachhaltigkeit im Blick – Lithium aus dem Oberrheingraben für Batterien.

18 Bundesverband Geothermie 2022: Induzierte Seismizität.

19 von Lieben, Mathias 2018: Das weiße Gold des Erzgebirges. Deutschlandfunk.

20 Rock Tech Lithium o. J.: Lithium für das Batteriezeitalter.

21 Neef, Christoph et al. 2021: Kurzstudie Batterierecycling. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung.

22 CAS 2022: Lithium-ion battery recycling.

23 FZN THGA 2022: Projekt IAW33. Forschungszentrum Nachbergbau, Technische Hochschule Georg Agricola.

24 Accurec o. J.: Lithium Batterie Recycling. Accurec Recycling GmbH. 25 Evonik 2021: Neues Hochleistungsmaterial für Batterien. Evonik Industries AG 26 FBW 2022: Abschlussbericht. Forum Bergbau Wasser.

27 RWTH Aachen 2023: Model2Life. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen.

28 Land NRW 2022: Pressekonferenz zum Zentrum für zirkuläre Wertschöpfung Batteriezelle (ZZWB) in Ibbenbüren. Land Nordrhein-Westfalen.

29 Primobius o. J. 30 WWU Münster o. J.: Das MEET Batterieforschungszentrum. Westfälische Wilhelms-Universität-Münster.

31 Trading Economics 2023: Lithium – Preise.