Prototypentests für die Aufbereitung von geothermischen Wässern zur Rohstoffgewinnung und Frischwasserproduktion

1  Einleitung

Die Energiewende und die damit verbundene Elektrifizierung verlagert die Nachfrage nach Rohstoffen von Kohlenwasserstoffen auf verschiedene metallische Ressourcen. Einige dieser z. T. seltenen Metalle haben wenig diversifizierte Wertschöpfungsketten, z. B. Lithium (Li) oder Kobalt (Co), sowie hohe Umweltbelastungen bei ihrer Gewinnung. Geothermische Fluide, wie sie in geothermischen Kraftwerken zirkulieren, können weltweit erhebliche Anreicherungen an wertvollen und sogar kritischen Rohstoffen wie Li, Antimon (Sb), Magnesium (Mg) oder Cäsium (Cs) aufweisen (1, 2). Das wirtschaftliche Potential entfaltet sich durch die Kombination der Elementkonzentration mit den hohen Fließgeschwindigkeiten (> 60 l/s), die bei der geothermischen Energiegewinnung vorherrschen (3). Chile mit seinen mehr als 200 aktiven Vulkanen weist eine große Fülle an hydrothermalen Systemen auf. Dieser Reichtum beinhaltet eines der größten geothermischen Potentiale weltweit (4). Das große Potential für den chilenischen Energiesektor wird durch das erste geothermische Kraftwerk Cerro Pabellón mit einer installierten Leistung von 81 MWe belegt (5). Sein Rohstoffpotential lässt sich umreißen, wenn man die Durchflussmengen der acht Förderbohrungen (bis zu 560 l/s) (6) mit den gemessenen Li-Konzentrationen (60 mg/l) (7) kombiniert, was zu 1.060 t reinem Li führt, die jährlich im Umlauf sind. Diese Menge entspricht etwa 3 % der gesamten chilenischen Li-Produktion im Jahr 2022 (8) und würde für etwa 100.000 Batterien für Elektrofahrzeuge ausreichen. Eine Mehrfachnutzung der geothermischen Ressourcen könnte mehrere Vorteile mit sich bringen. Die zusätzlichen Einnahmen würden die Wirtschaftlichkeit von Geothermieprojekten deutlich verbessern. Der Ansatz der direkten Li-Extraktion (DLE) aus geothermischen Fluiden wäre zudem im Vergleich zum konventionellen Bergbau weniger verbrauchsintensiv in Bezug auf Wasser und Landnutzung und könnte sich zudem selbst mit Energie versorgen. Darüber hinaus liegen die anfallenden Mengen in einer Größenordnung, die den Weltmarktanteil Chiles an der Li-Produktion erheblich vergrößern würde.

Eine zentrale Herausforderung bei der geothermischen Energiegewinnung und noch mehr bei der DLE-Anwendung auf geothermische Fluide ist die unkontrollierte Ausfällung von in der Lösung übersättigten Mineralien. Insbesondere die Ablagerung von Silicat stellt hohe Anforderungen an die Verarbeitung (9, 10). Zu diesem Zweck wurde im Labor eine kontrollierte Fällungs- und Aufbereitungsstrategie entwickelt (11) und in die Konstruktion und den Bau eines Demonstrators überführt, der bereits in einem in Betrieb befindlichen Geothermiekraftwerk in Deutschland getestet wurde (12). Die hier vorgestellte Studie zeigt die Anwendung einer aktualisierten Version des getesteten Demonstrators, die für Fluide aus vulkanischen geothermischen Systemen angepasst wurde. Da vulkanische Fluide die weltweit am häufigsten genutzte Quelle für geothermische Energie sind, würde eine erfolgreiche Rohstoffgewinnung ein enormes Potential freisetzen. Daher wurde der Demonstrator im Dauerbetrieb getestet, um Fluide aus einer heißen Quelle in der chilenischen südlichen Vulkanzone zu verarbeiten.

Die vorgestellten Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts BrineMine durchgeführt. Das Projekt wurde vom 1. März 2019 bis zum 31. März 2023 als binationales Forschungsprojekt zwischen deutschen und chilenischen Forschungs- und Industriepartnern durchgeführt. Die Projektstruktur sieht zwei Schwerpunkte vor:

1. Ermittlung des wirtschaftlichen Potentials von Thermalwässern als Rohstoffressource und
2. Vorbehandlung von Thermalwässern vor der Rohstoffgewinnung.

Projektpartner auf deutscher Seite sind das Fraunhofer-Institut ISE (Institut für Solare Energiesysteme), Freiburg, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, die SolarSpring Membrane Solutions GmbH, Freiburg, und die Geothermie Neubrandenburg (GTN), Neubrandenburg. Assoziierte Partner in Chile sind das Andean Geothermal Centre of Excellence (CEGA) an der Universidad de Chile, Fraunhofer CSET, GTN Latin America und Transmark Renewables.

2  Grundlagen

2.1  Geothermische Rahmenbedingungen

Die geothermischen Ressourcen in Chile sind eng mit dem aktiven Vulkanismus der Anden verbunden. Dieser Vulkanismus ist das Ergebnis der seit dem Jura andauernden Subduktion der Nazca-Platte unter die Südamerikanische Platte (5) und beherbergt über 300 geothermische Gebiete (4). Das entwickelte Aufbereitungssystem wurde im Feld mit geothermischen vulkanischen Fluiden aus den Termas de Puyehue getestet, die sich in der Region Los Lagos etwa 100 km nordöstlich von Puerto Montt befinden. Die Wahl fiel auf die Termas de Puyehue, weil sie über einen vorhandenen Brunnen gut zugänglich sind, ausreichend hohe Temperaturen (50 bis 60 °C) aufweisen und die Infrastruktur für den Transport und die Installation des Demonstrators vorhanden ist. Das Fluid hat eine geringe Mineralisierung (~ 500 mg/l), ist aber dennoch mit verschiedenen wertvollen Elementen wie Li, Vanadium (V), Molybdän (Mo) und Cs angereichert (Tabelle 1).

Table 1. Chemical analysis of selected elements over the whole treatment cycle. The referred sampling points (S1 to S9) can be located in figure 1. The last row displays the results of the batch concentration experiment using pre-treated brine. // Tabelle 1. Chemische Analyse ausgewählter Elemente während des gesamten Behandlungszyklus. Die entsprechenden Probenahmestellen (S1 – S9) sind in Bild 1 zu finden. Die letzte Zeile zeigt die Ergebnisse des Batch-Konzentrationsversuchs mit vorbehandelter Sole. Source/Quelle: KIT

So kann die Wirkung des Aufbereitungsprozesses auf verschiedene Elemente bestimmt werden. Die chemische Signatur zeigt einen intermediären Wassertyp mit vulkanischen und meteorischen Einflüssen, wie die Verhältnisse der wichtigsten Anionen und Kationen zeigen (13). Erhöhte SO₄-Konzentrationen deuten auf vulkanischen Ursprung bzw. Erhitzung durch vulkanische Schwefelgase oder Sulfatverwitterung hin. Hohe Silizium (Si)-Konzentrationen (50 mg/l) sind das Ergebnis erhöhter Temperaturen und verstärkter Wasser-Gestein-Wechselwirkungen, die mit herkömmlichen Geothermometern auf Untergrundtemperaturen von etwa 80 °C hinweisen (14). Die geothermischen Fluide werden derzeit für verschiedene Thermalbäder, Warmwasser für den Sanitärbereich und die Wasserversorgung der verschiedenen Küchen und Wäschereien verwendet.

2.2  Aufbereitungsstrategie

Für die Gewinnung von Rohstoffen aus geothermischen Fluiden werden derzeit verschiedene Ansätze untersucht (15, 16). Im Hinblick auf die Extraktionseffizienz sind höhere Rohstoffkonzentrationen vorteilhaft (17). Daher ist eine Konzentration des Gehalts an gelösten Elementen vor dem Extraktionsprozess ratsam. Um eine effiziente Aufbereitung in geothermischen Kraftwerken zu ermöglichen, eröffnen Membranverfahren große Möglichkeiten. Insbesondere die durch hohe Drücke betriebene Umkehrosmose (RO) und die durch thermische Energie betriebene Membrandestillation (MD) könnten effizient in geothermische Kraftwerke integriert werden. Außerdem bieten diese Verfahren die zusätzliche Möglichkeit der Frischwassergewinnung. Allerdings sind die Membrantechnologien in vulkanischen Gebieten anfällig für Silikatausfällungen (18, 19).

Zur Silicatentfernung und damit zur Umsetzung von Membranverfahren in geothermischen Umgebungen wurde die Kalkfällung untersucht (11). Der Ansatz zielt darauf ab, die wässrige Kieselsäure in die negativ geladene H₃SiO₄-Spezies zu überführen, indem der pH-Wert auf > 10 erhöht wird (20, 21). In Gegenwart von positiv geladenen, zweiwertigen Kationen wie Ca²⁺ können sich Calcium (Ca)-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH) bilden (22, 23) und ausfallen, wodurch der Si- und Ca-Gehalt in der Lösung reduziert wird. Mit dem beschriebenen Ansatz wurde in früheren Studien eine Silicatentfernung von 98 % erreicht (11, 12). In den Feldversuchen des Demonstrators im Geothermiekraftwerk in Deutschland ermöglichte ein nachgeschaltetes Membrandestillationsmodul die Erhöhung der Konzentration der bereits salzhaltigen Sole (~105 g/l TDS) um einen Konzentrationsfaktor (CF) von drei (24). Der erfolgreich getestete Demonstrator wurde dann für weniger salzhaltige, vulkanische Fluide optimiert.

2.2  Technischer Aufbau

Fig. 1. Technical scheme of the demonstrator set-up, separated into four major sections. The flow diagram displays the associated mass flows in terms of solids and liquids. // Bild 1. Technisches Schema des Demonstratoraufbaus, unterteilt in vier Hauptabschnitte. Das Fließbild zeigt die zugehörigen Massenströme in Form von Feststoffen und Fluiden. Source/Quelle: KIT

Die Demonstrationsanlage (Bild 2a) für den Dauerbetrieb wurde vom Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit der SolarSpring GmbH entwickelt und gebaut. Das hydraulische Schema (Bild 1) zeigt die wesentlichen Prozessschritte: Prozesswärmeauskopplung, Vorenthärtung, RO-Vorkonzentration, Si-Reduktion, Flüssig/Feststoff-Trennung und MD-Nachkonzentration. Der Demonstrator ist direkt an der Thermalquelle an das Thermalwasser mit Temperaturen von ca. 60 °C und einer definierten Durchflussmenge von 110 l/h angeschlossen.

Fig. 2. a) BrineMine field demonstrator in operation with natural thermal brine in Puyehue/Chile; b) overview precipitation section; c) drum filter for separation of CSH precipitates; d) difference CSH suspension in tank reactor and collected filtrat. // Bild 2. a) BrineMine-Felddemonstrator in Betrieb mit natürlicher Thermalsole in Puyehue/Chile, b) Übersicht Fällungsstrecke, c) Trommelfilter zur Abtrennung von CSH-Fällen, d) Differenz CSH-Suspension im Tankreaktor und gesammeltes Filtrat. Photos/Fotos: Fraunhofer ISE/SolarSpring GmbH

Nach der MD-Wärmeauskopplung gelangt das Fluid mit etwa 55 °C in die chemische Vorbehandlungseinheit (Bild 2b). Um eine spontane Reaktion mit Si in den folgenden Schritten zu vermeiden, durchläuft das Wasser zunächst einen ersten Enthärtungsschritt zur Entfernung zweiwertiger Ionen wie Ca und Mg. Danach gelangt das Fluid in den 40 l-Umlaufpuffertank. Hier wird das Fluid über einen offenen Zulauf eingeleitet und der Druck auf atmosphärisches Niveau zurückgeführt. Außerdem wird im Puffertank der pH-Wert durch ein kontrolliertes NaOH-Dosiersystem auf 10,5 eingestellt, um die Löslichkeit von Si für die Umkehrosmose zu erhöhen und gleichzeitig Si für die spätere Ausfällung in die negativen aquatischen Spezies zu überführen. Dies ermöglicht eine erhebliche Vorkonzentration der Si-reichen Lösung durch ein RO-System, das bei 25 bar im Feed-and-Bleed arbeitet und die Sole um den Faktor sechs bis zehn aufkonzentriert. Während der Hauptteil des Wassers (96 l/h) als hochwertiges Permeat gesammelt wird, verlässt die kleine Fraktion (14 l/h) als Hoch-pH-Konzentrat den Rezirkulationstank durch einen Überlauf und wird in einen kontinuierlich gerührten Tankreaktor (CSTR) mit einem Arbeitsvolumen von 14 l, entsprechend einer Verweilzeit von etwa 60 min, eingeleitet. Der Reaktor enthält ein strömungsgesteuertes Dosiersystem, das Ca-Ionen in Form einer wässrigen CaCl₂ Lösung dosiert, um eine Übersättigung an amorphen CSH-Phasen zu erzeugen und damit deren Ausfällung einzuleiten. Zusammen mit den CSH-Phasen bilden sich Ca-Karbonate. Die Suspension wird dann durch ein speziell angefertigtes Miniatur-Vakuumtrommelkuchenfiltersystem (Bild 2c) geleitet, das die CSH-Ausfällungen von der Suspension trennt und entwässert (Bild 2d). Der pH-Wert des Filtrats wird anschließend mit Salzsäure wieder eingestellt, bevor es in das nächste Modul geleitet wird. Der letzte Schritt in der Prozesskette ist eine MD-Nachanreicherung, die durch die aus dem Einlassbereich des Demonstrators abgeführte Wärme thermisch angetrieben wird. Hier wird ein spiralgewickeltes Membranmodul mit einer aktiven Membranfläche von 9 m² eingesetzt. Das Modul ist in einer Feed-Gap-Konfiguration (FGMD) aufgebaut (25). Der kleine Einspeisungsstrom wird durch einen engen Spalt geleitet und erhält durch einen dünnen Polymerfilm Wärme aus einer Heizlösung. Reines Wasser wird in Dampfform extrahiert, das durch eine hydrophobe, mikroporöse Membran strömt und in einem kalten Permeatstrom kondensiert. Das Permeat wird durch einen Kühlturm rezirkuliert, der als Wärmesenke dient und die Kontrolle der Temperatur ermöglicht. Die Integrität der Membran wird durch Leitfähigkeitsmessung des produzierten Wassers überwacht. Die Quantifizierung der Wasserentnahme erfolgt mit Hilfe einer elektronischen Waage. Der Demonstrator umfasst neun Probenahmestellen, die mit S1 bis S9 bezeichnet sind und eine chemische Charakterisierung des Wassers und der Feststoffe in allen relevanten Prozessschritten ermöglichen.

2.3  Probenahme und Analyse

Während des Feldeinsatzes wurden die Fluidtemperatur und der pH-Wert mit einem kompakten Präzisionshandmessgerät (WTW Multi 340i) gemessen. Um Partikel zu entfernen, wurden alle Fluid­proben mit einem Spritzenfilter unter Verwendung eines Celluloseacetatfilters (0,45 μm) filtriert. Um Ausfällungen oder weitere Reaktionen nach der Probenahme zu vermeiden, wurden die Proben für die Si-Messungen direkt mit destilliertem Wasser im Verhältnis 1:10 verdünnt. Für die Analyse von Haupt- und Spurenelementen wurden separate Proben mit hochreiner Salzsäure (37 %) angesäuert. Hauptkationen wurden mit der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, ICap 7000, ThermoFisher), Anionen mittels Ionenchromatographie (IC, Compact 930, Methrom) und Spurenelemente mit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS, ICap RQ, ThermoFisher) gemessen. Die Ausfällungen wurden über Nacht bei 105 °C im Ofen getrocknet. Die Mineralogie wurde mit Röntgenbeugung (XRD, D8 Discover, Bruker) und die Chemie der Hauptelemente mit wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie (WDX, S4 Explorer, Bruker AXS) an Schmelzperlen analysiert. Die Analysen wurden im Labor für Umwelt- und Rohstoffanalytik (LERA) des Instituts für Angewandte Geowissenschaften des KIT durchgeführt.

3  Ergebnisse

Die Ergebnisse der Multielementanalyse sind in Tabelle 1 dargestellt und die relativen Veränderungen zwischen den einzelnen Prozessschritten, die durch die Behandlung hervorgerufen wurden, sind in Bild 3 zu sehen.

Fig. 3. Influence of the different process steps on the individual element concentration. The figure shows the relative change in element concentrations (Table 1) between all sampling points. This enables to evaluate every single step in its influence on its own. Ca refers to the secondary y-axis (red). // Bild 3. Einfluss der verschiedenen Prozessschritte auf die einzelnen Elementkonzentrationen. Die Abbildung zeigt die relative Veränderung der Elementkonzentrationen (Tabelle 1) zwischen allen Probenahmestellen. Dies ermöglicht es, jeden einzelnen Schritt in seinem Einfluss für sich selbst zu bewerten. Ca bezieht sich auf die sekundäre y-Achse (rot). Source/Quelle: KIT

Si durchläuft als Hauptablagerungsbildner den ersten chemischen Behandlungsschritt. Es wird während der Umkehrosmose mit einem CF von fünf bis sechs angereichert und durch die Zugabe von CaCl₂ in seiner Konzentration durch Ausfällung um etwa 50 % verringert. In der MD-Stufe wird es in der gleichen Größenordnung mit anderen Elementen angereichert. Die Natrium (Na)-Konzentration steigt bei S3 aufgrund der NaOH-Zugabe stark an, um einen pH-Wert >10 zu erreichen, und nimmt mit der Wasserentnahme der Membranprozesse weiter zu. Ca wird zunächst vollständig durch den Enthärter entfernt (zwischen S1 und S2), seine Konzentration steigt jedoch wieder an zwischen S3 und S5 durch die CaCl₂-Zugabe. Die Chlor (Cl)-Konzentration reichert sich während der Membranprozesse konservativ an und zeigt bei S5 aufgrund der CaCl₂-Zugabe einen starken Anstieg.

Der Vergleich mit der Feststoffchemie (Bild 4) zeigt, dass die Bildung von CSH-Phasen und die damit verbundene Mitausfällung von Ca-Karbonaten erfolgreich war. Im Gegensatz zu früheren Studien (11, 12) betrug die Silicatreduktion nur 50 statt 98 %.

Fig. 4. Chemistry and mineralogy of the precipitates, taken at S6. a) WDX analysis (LOI stands for loss on ignition). b) XRD analysis. // Bild 4. Chemie und Mineralogie der ­Ausscheidungen, die bei S6 entnommen wurden. a) WDX-Analyse (LOI steht für Loss on Ignition). b) XRD-Analyse. Source/Quelle: KIT

Die Alkalimetalle Li, Cs, Rubidium (Rb) und Kalium (K) werden durch den primären Wasserenthärtungsschritt (zwischen S1 und S2) negativ beeinflusst und um 80 bis 90 % stark reduziert. Nach diesem Schritt zeigen die Alkalien keine Beeinflussung durch die chemische Behandlung wie in früheren Studien (11, 12) und werden in der Größenordnung konzentriert, die von den Membranflussraten erwartet wird (CF 5-7 für RO und ~2 MD). Elemente wie Fluor (F), Aluminium (Al), V und Sb passieren die Enthärtungsstufe, werden aber teilweise während der CSH-Fällungsstufe (zwischen S3 und S5) mitgefällt. SO₄, Bor (B) und Mo interagieren nicht mit den chemischen Prozessen und werden lediglich linear mit der Wasserextraktion aufkonzentriert. Die Analyse des endgültigen Permeats (S9) zeigt, dass die Membranintegrität während der Produktion aufrechterhalten werden konnte und die Produktion von reinem Wasser (25 mg/l TDS) im Dauerbetrieb erfolgreich war. In weiteren Experimenten wurde die MD mit dem behandelten Fluid in einem Batch-Feed-and-Bleed-Modus betrieben, um höhere Anreicherungsraten zu erreichen. Die Versuche ermöglichten eine weitere Aufkonzentrierung auf einen CF von etwa fünf bis zu einem End-CF von bis zu 100 und einem End-TDS von etwa 40.000 mg/l.

Table 2. Energetic consideration of the Puyehue spring. The assumptions are based on the site-specific parameters of the source temperature (~60 °C), the density (983.55 kg/m³), specific heat capacity (4.18 kJ/kgK) and different cooling scenarios. // Tabelle 2. Energetische Betrachtung der Puyehue-Quelle. Die Annahmen basieren auf den standortspezifischen Parametern der Quellentemperatur (~60 °C), der Dichte (983,55 kg/m³), der spezifischen Wärmekapazität (4,18 kJ/kgK) und verschiedenen Abkühlungsszenarien. Source/Quelle: KIT

Die MD produzierte im Durchschnitt einen Durchfluss von 14 l/h und erzeugte 7 l/h Permeat sowie 7 l/h Konzentrat. Der Wärmebedarf des Prozesses wurde durch die Abkühlung von 300 l/h (~0,08 l/s) Quellwasser von ~60 auf ~55°C vor dem Eintritt in die chemische Aufbereitungsanlage ermittelt. Die Thermalquellen weisen am zentralen Brunnen einen gemeinsamen saisonalen Durchfluss zwischen 4,5 und 9,0 l/s auf. Bei einer Dichte von 983,55 kg/m³ und einer spezifischen Wärmekapazität von 4,18 kJ/kgK wurden in Abhängigkeit von der Durchflussmenge und der potentiellen Wärmeauskopplung verschiedene Szenarien der Energiegewinnung ermittelt (Tabelle 2).

Der thermische Wärmebedarf der MD, abgeleitet aus der geothermischen Quelle, lag im Bereich von etwa 1,6 kW, was zu einem durchschnittlichen spezifischen Wärmeverbrauch von 225 kWh für eine Tonne Permeat bzw. Konzentrat führt. Im Vergleich zu einer idealen Verdampfung einer Tonne Wasser, die etwa 655 kWh verbraucht, benötigt das MD-Verfahren selbst unter Prototypbedingungen nur etwa ein Drittel für die Verdampfung der gleichen Wassermenge. Der eingesetzte Energiebedarf entspricht in der getesteten Konfiguration 0,9 bis 1,7 % der Energie des gesamten zugänglichen Volumenstroms. Rechnet man diese Werte auf eine Produktionswoche des Demonstrators hoch, so ergibt sich eine Produktion von 1.176 l Permeat bei einem Energieverbrauch von 260 kWh. Diese Energiemenge ist vergleichbar mit der Energie von ca. 24 l Öl (unter der Annahme eines Heizwerts von 11 kWh/l).

In einem Hochskalierungsszenario, bei dem ein Drittel des gesamten Volumenstroms (1,5 bis 3 l/s) für die Prozesswärme genutzt wird, könnten 5.180 bis 10.360 kWh thermische Energie pro Woche für die Verarbeitung von 23 bis 46 t Frischwasser und einer gleichen Menge konzentrierter Sole mit Hilfe von geothermischer Energie erzeugt werden. Die geothermische Energie könnte in diesem Umfang 471 bis 942 l Öl pro Woche ersetzen. Ohne die Nutzung der Wärmerückgewinnung des MD-Prozesses wäre der Energiebedarf und damit der Bedarf an fossilen Brennstoffen sogar um den Faktor drei höher. Außerdem ist darauf hinzuweisen, dass dies nur die Entnahme von 5 K Wärme aus der Sole darstellt. Abhängig von der Gesamtabkühlung des Fluids stellt dies nur einen Bruchteil der insgesamt gewinnbaren Energie am gegebenen Standort dar (Tabelle 2).

4  Schlussbemerkungen

Die Feldstudie untersuchte die Anwendung des Felddemonstrators zur kontrollierten Si-Fällung und -Konzentration mittels RO und MD in niedrig mineralisierten vulkanischen Fluiden. Die Behandlung ermöglichte erfolgreich die Produktion von Frischwasser. Die Elemente wurden mittels geothermischer Wärme im kontinuierlichen Betrieb um den Faktor 20 und im Batchbetrieb um den Faktor 100 aufkonzentriert. Die direkte Wärmenutzung der MD-Technologie erwies sich als energieeffizient für die Wasseraufbereitung in geothermischen Systemen und zeigte ein enormes Einsparpotential für fossile Brennstoffe, selbst wenn nur ein Bruchteil des gesamten Wasserstroms verwendet wird.

Es wurde gezeigt, dass die Si-Reduktion unter kontrollierter Bildung von CSH-Phasen in dieser Umgebung nachgewiesen wurde, jedoch weniger effizient als in den hochsalinaren Wässern früherer Studien. Dies könnte auf das Fehlen eines „Aussalzungs“-Effekts in den niedrig mineralisierten Wässern zurückzuführen sein. Eine weitere Verringerung der Si-Konzentration könnte noch durch längere Reaktionszeiten oder eine höhere Vorkonzentration erreicht werden. Die Ergebnisse zeigten, dass potentiell wertvolle Elemente wie Li, Cs, Rb und K durch die chemische Si-Behandlung nicht negativ beeinflusst werden und durch die Membranverfahren angereichert werden können. Die Fluidanalyse ergab jedoch, dass der Wasserenthärter für die Alkalimetalle eine Senke darstellt, die ihre Konzentrationen bereits vor dem Eintritt in den Demonstrator verringert. Je nachdem, welche Elemente für eine mögliche Extraktion in Frage kommen, sollte eine andere Konfiguration gewählt werden. Elemente wie B und Mo wurden durch die chemische Behandlung nicht beeinflusst und konzentrierten sich mit der Wasserentnahme.

Insgesamt hat die Feldstudie gezeigt, dass selbst niedrig mineralisierte vulkanische Fluide mit Hilfe von Membrantechnologien in Kombination mit dem entwickelten chemischen Behandlungsansatz erfolgreich aufbereitet werden können. Die Aufbereitung dieser Wässer zur Rohstoffgewinnung erhöht die Anwendbarkeit der kombinatorischen geothermischen Nutzung enorm, da diese Hochenthalpie-Reservoire den Großteil der weltweit installierten geothermischen Kraftwerke versorgen und somit eine enorme Rohstoffquelle darstellen.

5  Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Helmholtz-Gemeinschaft für die Forschungsförderung im Rahmen des Unterthemas Geoenergie im Programm MTET (Materials and Technologies for the Energy Transition) des Forschungsbereichs Energie. Ferner danken sie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts BrineMine (Förderkennzeichen 033R190B) im Rahmen von Client II. Darüber hinaus danken sie für die Unterstützung durch das chilenische ANID Fondap-Programm (Projekte 15090013, 15200001 und ACE210005).

Sie danken Chantal Kotschenreuther, Maya Denker und Claudia Mößner vom Labor für Umwelt- und Rohstoffanalytik (LERA), Lehrstuhl für Geochemie und Wirtschaftsgeologie (Karlsruher Institut für Technologie, Abteilung für Angewandte Geowissenschaften) für die Durchführung der Analysen und den Zugang zu Laboren und Geräten sowie für fruchtbare Diskussionen. Schließlich möchten sie der Firma Tánica für die Ermöglichung der Durchführung des Demonstrators in ihren Termas de Puyehue und insbesondere Pablo Sánchez und Ronny Oyarzo für ihren großen Einsatz und ihre Unterstützung vor, während und nach der Testphase danken.