Eine Erfindung aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) könnte nun aber auch hierzulande einen wirtschaftlichen Abbau ermöglichen. Lithium soll dabei minimalinvasiv in Geothermieanlagen aus den Tiefengewässern des Oberrheingrabens gefördert werden.

In tiefen Gesteinslagen unter dem Oberrheingraben liegt ein mineralischer Schatz verborgen: Gelöst in salzigen Thermalwasserreservoiren befinden sich beträchtliche Mengen des Elements Lithium.

„Nach unseren Kenntnissen können es bis zu 200 Milligramm pro Liter sein“, weiß der Geowissenschaftler Dr. Jens Grimmer vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT: „Wenn wir dieses Potenzial konsequent nutzen, dann könnten wir in Deutschland einen erheblichen Teil unseres Bedarfs decken.“

Aktuell ist Deutschland ein Nettoimporteur des begehrten Rohstoffs, der vor allem für die Produktion von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge benötigt wird und somit für das Klimaschutzprogramm der Bundesregierung von großer Bedeutung ist. Importiert wird aus den typischen Förderländern Chile, Argentinien und Australien, die mehr als 80 Prozent der weltweiten Produktion auf sich vereinen.

Was eine Nutzung der heimischen Reserven bislang verhinderte, war das Fehlen eines geeigneten Verfahrens, um diese Ressource kostengünstig, umweltschonend und nachhaltig zu erschließen. Gemeinsam mit seiner Forscherkollegin Dr. Florencia Saravia von der Forschungsstelle des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) am Engler-Bunte-Institut (EBI) des KIT hat Grimmer ein solches Verfahren entwickelt und dieses wurde nun vom KIT zum Patent angemeldet.

„Dabei werden in einem ersten Schritt die Lithiumionen aus dem Thermalwasser herausgefiltert und in einem zweiten Schritt weiter konzentriert, bis Lithium als Salz ausgefällt werden kann“, so Grimmer.

Minimale Umweltschäden beim heimischen Lithiumabbau

Gegenüber den traditionellen Methoden der Lithiumproduktion aus den südamerikanischen Salzseen und den australischen Festgesteinen bietet das Grimmer-Saravia-Verfahren einige entscheidende Vorteile: Genutzt wird die bestehende Infrastruktur von Geothermie-Anlagen, durch die pro Jahr bis zu zwei Milliarden Liter Thermalwasser strömen.

Im Gegensatz zum klassischen Bergbau fällt deshalb kaum Abraum an und der Flächenverbrauch ist minimal. Weil das Thermalwasser nach Gebrauch wieder in den Untergrund zurückgeleitet wird, werden keine schädlichen Stoffe freigesetzt und auch die geothermische Strom- und Wärmeproduktion wird nicht gestört…

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Zeitweilig Abschalten

Der rasante Ausbau der erneuerbaren Energien – Windenergie im Norden, Photovoltaik im Süden – stellt zusammen mit dem wachsenden internationalen Stromhandel immer höhere Anforderungen an das Stromübertragungsnetz. Um die elektrische Energie von den Erzeugern zu den Verbrauchern zu transportieren, das zeitweilige Abschalten von Anlagen zur Stromerzeugung aus regenerativen Quellen – vor allem bei hohem Windaufkommen – zu vermeiden und insgesamt eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten, scheint ein erheblicher Ausbau der bestehenden Netzinfrastruktur erforderlich. Dies ist jedoch mit langwierigen Genehmigungsverfahren und hohen Kosten verbunden.

Der Bedarf an Neubautrassen lässt sich allerdings durch bessere Ausnutzung der vorhandenen Freileitungen deutlich reduzieren. „So ist es möglich, den Stromtransport je nach Witterungsbedingungen wie Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und Windrichtung gegenüber dem Standard deutlich zu erhöhen“, erklärt Professor Wilhelm Stork, Leiter der Mikrosystemtechnik am Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) des KIT. „Diese Erhöhung lässt sich erreichen, ohne die maximal zulässige Leitertemperatur zu überschreiten und ohne die Mindestabstände des Leiters zum Boden oder zu Gegenständen zu unterschreiten.“ Besondere Bedeutung kommt dabei dem von der lokalen Topografie und Vegetation beeinflussten, kühlend wirkenden Wind zu.

Selbstlernende Sensornetzwerke

Auf ein Freileitungsmonitoring in hoher Auflösung und in Echtzeit zielt das vom ITIV geleitete Projekt „PrognoNetz – Selbstlernende Sensornetzwerke zum witterungsabhängigen Freileitungsbetrieb“. An dem Verbundvorhaben sind auch der Wetterdienst UBIMET GmbH Karlsruhe, der baden-württembergische Übertragungsnetzbetreiber TransnetBW GmbH mit Sitz in Stuttgart, das IT-Unternehmen unilab AG Paderborn, die GWU-Umwelttechnik GmbH Erftstadt und die Wilmers Messtechnik GmbH Hamburg beteiligt. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt ist Anfang 2019 gestartet und läuft drei Jahre.

In PrognoNetz entwickeln die Forschungs- und Industriepartner flächendeckende Sensornetzwerke mit intelligenten Sensoren, die – anders als herkömmliche Wetterstationen – in geringen Abständen zueinander und in hinreichender Nähe von Freileitungen platziert sind, um die Witterungsbedingungen präzise zu erfassen. Die Sensornetzwerke sollen auch harschen Umgebungsbedingungen standhalten und kritische Daten drahtlos und zuverlässig an die Leitzentrale liefern. Neu zu erarbeitende Algorithmen sollen den Sensoren eine selbstlernende Funktion verleihen, sodass sie auf Basis der verteilt gemessenen Wetterdaten automatisiert genauere Strombelastungsprognosen für Stunden oder sogar Tage erstellen können. Anhand historischer Wetterdaten und topografischer Eigenschaften werden intelligente Modelle für jede Leitung des Stromnetzes gebildet…

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Ungenutzte Einsparmöglichkeiten von bis zu 80 Prozent

Etwa ein Drittel der weltweiten Primärenergie wird heute für den Betrieb von Gebäuden aufgewendet. Weil sich die Fläche dieser Gebäude stetig vergrößert, steigt der Energiebedarf trotz Verbesserung der Energieeffizienz zudem weiter an. Zu diesem Ergebnis kommt die Internationale Energieagentur (IEA) und verweist auf bislang ungenutzte Einsparmöglichkeiten von bis zu 80 Prozent. Der Energiebedarf von Gebäuden lasse sich dabei nicht nur durch energieeffizientes Bauen und Sanieren verringern, sagt Professor Andreas Wagner vom Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau der Fakultät für Architektur am KIT: „Je nach Gebäudetyp und Nutzungsweise halbiert sich der Verbrauch bei sparsamen Verhalten. Verschwenderisches Verhalten kann den Verbrauch fast verdoppeln.“

Negativ beeinflusst werde das Nutzerverhalten dabei oft durch unbedachte Automatisierung, beispielsweise durch eine automatische Heizung ohne eine effektive Nutzerschnittstelle: „Wer keine andere Möglichkeit hat, die Raumtemperatur zu regeln, der reißt vielleicht die Fenster auf oder verwendet zusätzlich einen ineffizienten Heizstrahler.“ Um tatsächlich Energie einzusparen, müsse Automatisierung deshalb so gestaltet werden, dass Nutzer jederzeit sinnvoll auf die Gebäudetechnik Einfluss nehmen könnten, sagt Wagner.

Thermostate, Lichtschalter und Jalousien möglichst intelligent konzipieren

Um den Zusammenhang von Nutzerverhalten und energetischer Performance von Gebäuden systematisch zu untersuchen, koordiniert er nun gemeinsam mit Professor Liam O’Brien von der Carleton University in Ottawa ein interdisziplinäres und internationales Forschungsprojekt unter dem Dach der IEA. Dabei geht es zunächst um grundsätzliche Fragen, etwa wie Komfortparameter in Gebäuden, also die thermischen, visuellen, olfaktorischen oder akustischen Gegebenheiten, miteinander interagieren und auf ein energierelevantes Verhalten einwirken. Außerdem soll untersucht werden, welche Rolle dabei den Nutzerschnittstellen zukommt und wie etwa Thermostate, Lichtschalter und Jalousien möglichst intelligent konzipiert werden können. Zur Modellierung des Nutzerverhaltens in Bezug auf den Energieverbrauch wollen die Forscher dabei Big-Data-Methoden verwenden, die auf unterschiedliche Datensätze, zum Beispiel aus der Gebäudetechnik oder dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), zurückgreifen…

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Bis zu 80 Prozent der Wärme- und Kälteversorgung der Gebäude

In einem neuen Projekt evaluieren sie die Effektivität einer der größten aquifer-gebundenen Geothermieanlagen in Europa und der einzigen dieser Art in Deutschland. Seit 2009 versorgt ein unterirdischer Aquiferspeicher das Hotel Kameha Grand und zwei Bürokomplexe am „Bonner Bogen“, einem neu entwickelten, gewerblich genutzten Areal am Rheinufer, umweltschonend mit Kälte im Sommer und Wärme im Winter. „Die Anlage übernimmt bis zu 80 Prozent der Wärme- und Kälteversorgung der Gebäude mit einer Gesamtfläche von rund 60.000 Quadratmetern“, berichtet Steffen Große von der verantwortlichen Betreibergesellschaft EcoVisio GmbH. Gegenüber einer konventionellen Energieversorgung spart diese Geothermieanlage jährlich rund 1.700 Megawattstunden Energie sowie 400 Tonnen CO2 ein.

Durch Klimaänderung schon im März Räumlichkeiten kühlen statt heizen

„Die Anlage am Bonner Bogen ist für uns ein Glücksfall“, sagt Professor Philipp Blum vom Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) des KIT. „Wir können hier auf einen Datenschatz von fast zehn Jahren zugreifen und zahlreiche Aspekte von der Energieeffizienz bis hin zur Gebäudetechnik betrachten.“ Steffen Große und seine Kollegen erhoffen sich von der wissenschaftlichen Analyse eine Optimierung des Systems. „Wir stellen fest, dass wir aufgrund des sich ändernden Klimas teilweise schon im März Räumlichkeiten kühlen statt heizen müssen“, berichtet er. „Da passt es gut, dass im Projekt GeoSpeicher.bw sowohl Geologen als auch Experten für Energie- und Gebäudetechnik zusammen mit uns erarbeiten, wie wir die Anlage auch in Zukunft – unter geänderten Randbedingungen – bestmöglich fahren können.“

Konventionelle Erdwärmepumpen erfreuen sich in Deutschland zunehmender Beliebtheit. Rund 350.000 dieser Anlagen sind derzeit vor allem in Neubauten installiert. „Diese Erdwärmepumpen werden überwiegend zum Heizen im Winter eingesetzt“, sagt Philipp Blum. „Aquiferspeicher hingegen leisten beides: Kühlen im Sommer und Heizen im Winter“, betont er. Paul Fleuchaus, Doktorand am AGW, fügt an: „Bei Neubauten hat in Deutschland kaum jemand die vielseitigen Möglichkeiten der Energieversorgung durch

Aquiferspeicher im Blick. In den Niederlanden ist das anders“, sagt er. „Dort sind schon mehr als 2.800 dieser Anlagen erfolgreich in Betrieb.“ Aufgrund der großen Kapazität eignen sich Aquiferspeicher nach Einschätzung der Forscher aus wirtschaftlicher Sicht vor allem für große Gebäude, wie Museen, Krankenhäuser, Büros oder Hotels. Auch für zusammenhängend geplante Wohnsiedlungen kommen Aquiferspeicher in Kombination mit Nahwärmenetzen in Frage. In den Niederlanden wird die Technik zudem beispielsweise für industrielle Komplexe wie Gewächshäuser oder Rechenzentren genutzt. Die Berechnungen der Wissenschaftler zeigen: Ein „Return on Investment“ wird bei Aquiferspeichern oftmals schon nach zwei bis zehn Jahren erreicht…

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„Informationstechnik ist allgegenwärtig. Aber es besteht die Gefahr, dass diese Systeme von außen abgeschaltet oder manipuliert werden können und dass Daten unbemerkt ausgelesen oder gegen die Nutzer verwendet werden“, sagt Arnd Weber, Experte für IT-Sicherheit vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) des KIT und Koautor des Papiers. Wie fragil die Sicherheit digitaler Infrastrukturen ist, führen uns Cyberangriffe wie WannaCry, Sicherheitslücken wie Meltdown und Spectre in Prozessoren, spähende „Trojanische Pferde“ oder Blockaden von Servern wie Mirai und der unlängst bekannt gewordene Angriff auf die IT-Infrastruktur der deutschen Bundesregierung eindrucksvoll vor Augen.

Ein zentraler Grund für die zunehmende Anfälligkeit von IT ist: „Viele Software- und Hardwareprodukte haben den Charakter einer Blackbox“, so Jean-Pierre Seifert, Mitautor und Leiter des Instituts für Softwaretechnik und Theoretische Informatik an der TU Berlin. Dies sei eine Bedrohung für die Sicherheit jedes Einzelnen wie auch für ganze Wirtschaftszweige…

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