Boom  - Neue Zeitrechnung für Lithium

1 Einführung

Mit der Inbetriebnahme der Gigafactory des Autobauers Tesla hat eine neue Zeitrechnung für Lithium und für die Produktion von Batterien begonnen. In der 5 Mrd.-US$ Fabrik in Sparks/Nevada sollen ab dem Jahr 2018 Lithium-Ionen Batteriezellen mit einer Jahreskapazität von 35 GWh gefertigt werden. Das reicht für ungefähr 500 000 Elektroautos und entspricht fast 50 % der Kapazität der bisherigen weltweiten Lithium-Ionen Batteriefertigung. Die Preise für Batteriezellen fallen schneller als vorhergesagt. Damit wird der Bedarf für Elekroautos emporschnellen. Tesla Motors plant gemeinsam mit dem Kooperationspartner Panasonic weitere Batteriefabriken. Daneben sind von dem bisher führenden Unternehmen für Elektroauto-Batterien LG Chem aus Südkorea sowie Foxconn und BYD aus China und von anderen Unternehmen neue Kapazitäten im GW-Bereich in Bau bzw. in der Planung.

Mit den Marktaussichten für Elektroautos soll sich der Bedarf für Lithium (LCE = Lithium-Karbonat Äquivalent) von 184 kt in 2015 auf 534 in 2025 fast verdreifachen [1] (Bild 1). In den Jahren 2015 und 2016 stieg der Bedarf stärker als das Angebot, so dass die Preise für Lithiumkarbonat (99,5 % Reinheit) zwischenzeitlich von 6500 US$/t auf über 20 000 US$/t geklettert sind. Langfristig wird ein Preis von etwa 12 000 US$/t erwartet. Im Jahr 2015 machten Elektrofahrzeuge erst etwa 15 % an dem Bedarf für LCE aus (Bild 2). Bis zum Jahr 2025 soll dieser Anteil auf 52 % wachsen. Der größte Anteil an LCE mit 60 % wird derzeit noch für industrielle Anwendungen (Schmierstoffe, Metallpulver, Glas, Keramik, Chemie, Pharmazie, Gasreinigung usw.) eingesetzt. Ein Anteil von 25 % entfällt auf Lithium-Batterien für Verbraucherelektronik wie Smartphones, Tablets, Laptops und batteriebetriebene Werkzeuge.

2 Lithium Eigenschaften und Gewinnung

Das silbrig-weiße Lithium ist heute eine der begehrtesten Rohstoffe auf der Welt. Das Leichtmetall kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. Lithium besitzt eine niedrige Dichte und ein sehr niedriges Normalpotential, womit es in Batterien als Anode verwendet werden kann. Lithium-Batterien haben eine hohe Energiedichte und erzeugen eine hohe Spannung. Insbesondere für wiederaufladbare Batterien ist das Leichtmetall unverzichtbar geworden. Lithium wird in unterschiedlichsten Formen angeboten. Über 50 % aller Produkte machen Lithiumkarbonat (Li₂CO₃) aus, 20 % entfallen auf Lithiumhydroxid, die übrigen Anteile entfallen auf Lithiumkonzentrat (Li₂O), Lithiumchlorid und metallorganische Verbindungen wie Butyllithium und Methyllithium.

In der Erdkruste kommt Lithium mit einem Anteil von 0,006 % vor. Damit ist es häufiger verbreitet als Blei, Zinn und Kobalt, allerdings gilt seine Gewinnung infolge der starken Verteilung als schwierig. Die weltweiten Reserven werden auf 101 Mio. t (LCE) geschätzt, bei den Ressourcen werden 273 Mio. t vermutet. Lithium kommt in Steinen als Lithium-Pegmatit vor. Als wichtigste Erze gelten dabei Spodumen (Triphan; LiAl[Si₂O₆]) und Lepidolith (K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂). Die Lithiumoxid-Gehalte in den Erzen liegen zumeist nur zwischen 1 und 3 %. In Salzseen bzw. Salaren findet man verbreitet Lithiumsalze, insbesondere Lithiumchlorid. Der Lithiumgehalt solcher Lagerstätten kann bis zu 1 % betragen. Die derzeit höchste Konzentration mit 0.16 % wird derzeit in einer Lagerstätte in Chile gemessen.

2.1 Minenländer

Gemäß der Deutsche Bank Markets Research [1] wird die Produktion von LCE von 152 kt in 2013 auf 534 kt in 2025 ansteigen (Bild 3). Das größte Produktionsland ist inzwischen Australien mit einer Menge von 69 kt im Jahr 2016 vor Chile mit 64 kt. Die Wachstumsaussichten prognostizieren für Australien bis 2025 ein Wachstum auf 206 kt, Chile soll dagegen nur auf 100 kt wachsen. Im Wachstum wird Chile dabei von Argentinien überholt, das auf 153 kt klettern soll. China liegt augenblicklich vor Argentinien mit einer Menge von 23 kt, bis 2025 soll sich dieser Wert nur auf 43 kt erhöhen. Die übrigen Länder, zu denen u.a. die USA, Brasilien, Bolivien, Kanada, Mexiko, Österreich, Portugal, Serbien und Simbabwe zählen, sollen dagegen nur von 15 kt in 2016 um 21 kt auf 36 kt im Jahr 2025 wachsen. Hierbei dürfte es sich den Projekten in diesen Ländern zufolge aber um eine Fehleinschätzung handeln.

Die weltweit größten Ressourcen mit 54 Mio. t (19,8 %) werden derzeit in Bolivien vermutet (Bild 4). Bolivien liegt noch vor Argentinien und Chile, die auf 18,7 % und 13,6 % der weltweiten Ressourcen kommen. Die drei Länder werden auch als Lithium-Dreieck bezeichnet. Die Ressourcen dort machen 52 % der globalen Vorkommen aus und stammen allesamt aus Salaren. Zu den weiteren wichtigen Ländern zählen China, die USA, Kanada, Russland und Australien. Die übrigen Länder sind Brasilien, DR Kongo, Mexiko, Portugal, Serbien und Simbabwe. Bolivien, aber auch Russland werden bei den Reserven nicht erfasst (Bild 5) Dort liegen die drei Länder Chile, China und Argentinien mit zusammen 86 % der weltweiten Reserven vorn. In Bolivien sind die Vorkommen durch hohe Anteile an Magnesium verunreinigt und der Lithiumgehalt ist vergleichsweise niedrig, so dass eine Gewinnung aus Sicht ­einiger Experten derzeit nicht wirtschaftlich möglich erscheint.

2.2 Technologien

Die Aufbereitung von Lithiumerzen und Salzlösungen geschieht nach vollständig verschiedenen Verfahren. Bei der Aufbereitung von Spodumen-Erzen ist ein thermischer Prozess mit Temperaturen oberhalb von 1000 °C erforderlich (Bild 6, links), um eine Auslaugung der Li-Bestandteile zu ermöglichen. Zuvor wird das Erz zerkleinert, vermahlen, flotiert und entwässert, um die Gangart abzutrennen. Das Nasskonzentrat bzw. Spodumenkonzentrat hat Lithiumoxidgehalte von etwa 6 %. Die Anreicherung des Lithiums aus dem Nasskonzentrat erfolgt zumeist in einem Druckauslaugungsverfahren mit Hydrokarbonatisierung in alkalischen Medien wie Natriumcarbonat (Soda). Andere Verfahren gehen über einen Schwefelsäureprozess. Nach der Karbonatisierung erfolgen weitere Reinigungsstufen und eine Kristallisation des Lithiumkarbonats. Das Lithiumcarbonat wird heute in zwei Reinheitsstufen angeboten, 99,5 % LCE und 98 %, wobei mit dem hochwertigen Produkt ein deutliches Preispremium erzielt wird.

Die Gewinnung von Lithiumkarbonat aus Salaren (Bild 6, rechts) setzt zunächst eine Aufkonzentrierung der Salzlösungen voraus. Neben Lithium enthalten solche Vorkommen große Anteile an Kalium, Magnesium und Kalzium, sowie Chloride, Sulfate und Borate. Die Aufkonzentrierung erfolgt durch Wasserverdunstung in großen Salzseen bzw. -teichen. Der Aufbereitungsprozess beginnt mit einer Extraktion zur Abscheidung der Borate. In weiteren Reinigungsstufen werden Kalzium und Magnesium abgeschieden. Danach erfolgt die Ausfällung von Lithiumkarbonat durch Zugabe von Natriumkarbonat. Das schwerlösliche Lithiumkarbonat wird anschließend entwässert und gefiltert. Insgesamt ist die Lithiumaufbereitung aus Salzlösungen weniger kompliziert. Dies hängt aber wesentlich davon ab, welche Art von Verunreinigungen vorliegen.

2.3 Produktionskosten

Die Aufbereitungskosten für Lithiumkarbonate (LCE) unterscheiden sich deutlich. Die niedrigsten Kosten werden bei der Gewinnung aus Salzlösungen erzielt (Bild 7). Kostenführer sind derzeit Salare in der Atacama-Wüste in der Region Antofagasta in Nordchile (Bild 8). Dort lagen die durchschnittlichen Gewinnungskosten niedriger als 2500 US$/t LCE. Die Kosten für die Salare in Argentinien (Olaroz und Salar del Hombre Muerto) werden etwas höher eingeschätzt. Für 2025 wird davon ausgegangen, dass mit unter 2000 US$/t LCE teilweise niedrige Gewinnungskosten erreichbar sind. Bei der Gewinnung aus Spodumen-Erzen haben die Greenbushes Minen in Westaustralien die niedrigsten Gewinnungskosten, wobei die Kosten aber signifikant über den Kosten aus Salaren liegen. Auf die höchsten Kosten kommen Betriebe in China, sowohl bei der Gewinnung aus Salaren (Salzseen in Tibet) und aus Erzen.

3 Minenunternehmen

Bisher sind nur vergleichsweise wenige Unternehmen mit der Produktion von Lithium befasst. Im Jahr 2014 haben allein 4 Unternehmen 86 % der weltweiten Produktion von etwa 160 000 t LCE unter sich ausgemacht. Talison kommt dabei auf 31 %, SQM (La Sociedad Química y Minera de Chile) auf 22 %, Albemarle auf 20 % und FCM auf 13 %. Weitere 13 % haben chinesische Firmen produziert und nur 1 % sonstige Firmen. Dabei ist unbedingt zu erwähnen, dass der Marktführer Talison ein 50/50 Joint-Venture von Albemarle und der Tianqi Lithium Corporation aus China ist. Entsprechend kontrolliert Albemarle mehr als 35 % der weltweiten Produktion. Bild 9 zeigt, wie sich die Produktionsanteile der Unternehmen auf die Produktion aus Erzen und Salaren aufteilen. Talison kommt auf 78 % der weltweiten Produktion aus Erzen, SQM ist Marktführer mit 36 % bei der Produktion aus Salaren, gefolgt von Albemarle mit 34 %.

Talison Lithium verfügt über 2 Standorte. Zum einen besitzt man die Greenbushes Mine in Westaustralien, etwa 250 km südlich von Perth und 90 km südöstlich von dem Hafen von Bunbury, einem wichtigen Erzhafen. Lithiumkarbonat wird dort seit mehr als 25 Jahren gewonnen. Zinn und Tantal werden schon deutlich länger abgebaut. Das Greenbushes Pegmatit-Vorkommen ist über 2500 Jahre alt. Die Mine wird als „World-Class-Mine“ bezeichnet, aufgrund des hohen Lithium-Gehaltes im Erz und den hohen Reserven. Die Minenkapazität soll bis 2020 auf 110 kt LCE verdoppelt werden. Neben Greenbushes verfügt Talison über die Salar 7 in Chile in der Atacama Region, für die 2016 eine Lizenz zu einer Produktionssteigerung erteilt wurde. Der Joint-Venture Partner Tianqi verfügt in China über 34 kt LCE Kapazität und 21 kt Lithiumhydroxid-Kapazität im australischen Kwinana.

SQM ist Kostenführer bei der Gewinnung von ­Lithium (LCE) aus dem Salar de Atacama (Bild 10). Im Jahr 2016 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 1,94 Mrd. US$ mit einem Bruttoertrag von 611 Mio. US$. SQM besitzt in Chile Mining-Konzessionen für Flächen von über 3 Mio. Hektar (ha), davon betreffen mehr als 80 000 ha Lithium. Die vollständigen Reserven werden mit 6,9 Mio. t Lithiumoxid beziffert. Die Ausbeute liegt zwischen 28 und 40 %. Die operative Anlage mit dem Aufbereitungsbetrieb Salar del Carmen verfügt über eine Produktionskapazität von 48 kt Lithiumkarbonat und 6 kt Lithium­hydroxid. Im Jahr 2015 wurden etwa 39 kt Lithiumprodukte (LCE) gewonnen, wobei Lithium eigentlich als Beiprodukt zur Produktion von Kalium bzw. Kalidünger abgebaut wird. Das Lithium-Geschäft hat sich zuletzt aber als nachhaltiger als der Kaliumgeschäft erwiesen.

Die Albemarle Corporation mit Sitz in Charlotte/USA, plant bis zum Jahr 2021 eine Produktionskapazität von 165 kt LCE. Das Unternehmen ist in 2015 durch die Übernahme von Rockwood in das lukrative Lithium-Geschäft eingestiegen. Derzeit verfügt man über 3 Betriebe, wobei ein 50 %-Anteil am JV Greenbushes eingerechnet ist. In der Atacama-Region in Chile hat man in 2017 eine Kapazität von 44 kt, Greenbushes in Australien kommt auf 40 kt und Clayton Valley in den USA auf 5 kt. In 2016 wurde darüber hinaus Jiangxi Jiangli New Materials übernommen, die in China über Lithium-Aktivitäten verfügen. Die FMC Corporation ist das weltweit führende Unternehmen bei Butyllithium. In 2014 machten das 34 % der Lithiumprodukte aus, während Lithiumkarbonat und Lithiumhydroxid auf jeweils 19 % kamen. In 1995 erwarb FMC Salar del Hombre Muerte in den Hochanden, 850 km im Nordwesten von Buenos Aires in Argentinien.

Die erste neue Anlage, die in den letzten 20 Jahren außerhalb von China neu in Betrieb ging, ist der Salar de Olaroz-Betrieb (Bild 11) von Orocobre Limited in Argentinien. Das Projekt befindet sich auf einem Gebiet von 63 000 ha in der ariden Puna-Region in Argentiniens nordwestlicher Provinz Jujuy. Dort sind insgesamt 1,2 Mio. t Ressourcen nachgewiesen. Das Projekt startete 2007, als Partner wurde Toyota gewonnen. Die Projektkosten betrugen ca. 230 Mio. US$. In Phase 1 wurde eine Produktionskapazität von 17,5 kt LCE aufgebaut, bis 2019 sollen in Phase 2 weitere 22,5 kt Kapazität folgen. Orocobre geht davon aus, dass man über einen Zeitraum von mehr als 40 Jahren Lithiumkarbonat gewinnen kann. Die Gewinnungskosten werden bei ungefähr 2000 US$/t LCE liegen.

Neben den obengenannten Unternehmen gibt es eine Reihe von Firmen in China mit Lithiumkapazitäten, von denen insbesondere Tianqi Lithium, Ganfeng Lithium, China Minmetals, Qinghai Salt Lake, Qinghai East Taijinar Lithium Resources, ZhongHe und CITIC Guoan zu nennen sind. Im Rest der Welt (RoW) sind bisher mit Bikita Minerals in Simbabwe, Manono-Kitolo in der DR Kongo, Sociedade Minira de Pegmatites in Portugal, der Companhia Brasileira de Litio und der Arqueana de Minerios e Metals, beide in Brasilien nur kleinere Hersteller aktiv.

4 Kapazitätswachstum

Die guten Geschäftsaussichten für Lithium und die begrenzten derzeitigen Produktionskapazitäten haben eine Vielzahl von Unternehmen auf den Plan gerufen. Einige Projekte wurden allerdings schon vor mehr als 10 Jahren begonnen und dann zwischenzeitlich aufgrund von Überkapazitäten und schlechten Preisen aufs Eis gelegt, schließlich mit dem wachsenden Marktpotenzial aber wieder aus der Taufe gehoben. Bild 12 zeigt eine Projektion des Kapazitätswachstums und der möglichen Kapazitätsauslastung für die nächsten Jahre. Danach werden die Kapazitäten von 235 kt 2013 auf 630 kt im Jahr 2020 ansteigen. Dies entspricht einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 15,1 %, während der Bedarf in dem Zeitraum nur um durchschnittlich jährlich 13,3 % wächst. Entsprechend wird sich die Kapazitätsauslastung nach einem zwischenzeitlichen Hoch von 63.8 % auf 57 % verringern.

Im Folgenden sollen verschiedene Projekte vorgestellt werden. Einige Projekte betreffen nur Spodumenkonzentrat (6 % Si₂O). Auf die Ausbaupläne der bisherigen Produzenten wurde schon hingewiesen. Talison will seine Kapazitäten bis 2020 auf 110 kt verdoppeln. Dies erfolgt im Wesentlichen in der Mine Greenbushes in Australien. SQM wird gemeinsam mit Lithium Americas das Minera Exar Projekt (Cauchari-Olaroz) in Argentinien bis 2019 mit einer Kapazität von 50 kt vorantreiben. Albemarle wird seine 3 bestehenden Minen bis 2021 auf eine Kapazität von 165 kt ausbauen. Daneben steht die Erweiterung des La Negra Projekts in Chile um 20 kt LCE bevor. FMC will seine Lithium-Hydroxid Kapazitäten bis zum Jahr 2019 auf 30 kt ausbauen. In China sollen nach dem Markbericht der Deutschen Bank [1] die Minen-Produktion dagegen nur von 22,9 kt in 2016 auf 34,9 kt im Jahr 2020 wachsen.

Zu den Projekten mit Inbetriebnahme in 2016/2017 zählen das Mt. Cattlin Projekt von Galaxy und das Mt. Marion Projekt von Neometals. Das Mt. Marion Projekt befindet sich ca. 40 km südwestlich von Kalgoorie in Westaustralien. Die gemeinsamen Besitzer sind Neometals (13,8 %) sowie Mineral Resources und Ganfeng Lithium mit jeweils 43,1 %. Das Projekt ging im November 2016 in Betrieb (Bild 13). Eine erste Produktverschiffung von 15 000 t Lithiumkonzentrat (6 % Li₂O) erfolgte im Februar 2017. Jährlich sollen 400 000 t produziert werden, das entspricht etwa 30 kt LCE. Die Ressourcen wurden zuletzt mit 77,8 Mio. t bei 1,37 % Li₂O neu bewertet. Das Mt. Cattlin Projekt (Bild 14) von Galaxy Resources hat im April 2017 seine Nennleistung von 210 t/h Li₂O-Konzentrat erreicht. Das Projekt befindet sich in der Nähe von Ravensthorpe in Westaustralien. Die Anlage ist für 800 kt mit 5,5 % Li₂O-Konzentrat pro Jahr konzipiert.

In Australien gibt es weitere aussichtsreiche neue Vorhaben wie das Pilgangoora-Projekt von Altura mit 13 kt LCE und das Pilgangoora-Projekt von Pilbara Minerals mit 48 kt LCE. Pilbara plant eine Inbetriebnahme der Mine noch in diesem Jahr und erste Lieferungen für das Jahr 2018. In Brasilien soll das Mibra Projekt von AMG Lithium im 1. Q 2018 in Betrieb gehen. Dort kommt Technologie von Outotec zum Einsatz (Bild 15). Die Mine soll zunächst 14 kt LCE produzieren und bei voller Leistung 20 kt LCE als Lithiumkarbonat und Lithiumhydroxid erzeugen. Die Mine befindet sich 225 km nordwestlich von Rio de Janeiro und etwa 300 km vom Port of Santos entfernt. In Kanada ging das Whabouchi-Projekt von Nemaska Lithium bereits in Betrieb. Die Mine befindet sich in der Eeyou Istchee James Bay Region, 300 km nördlich von Chibougamau. Die jährliche Leistung ist mit 213 kt bei einem Anteil von 6 % Li₂O-Konzentrat projektiert.

Daneben gibt es zahlreiche Projekte, für die Machbarkeitsstudien erfolgt sind bzw. wo Pilotanlagen testet werden. Dazu zählen u.a. die Projekte Rincon von der Enirgi Group in ­Argentinien, Centinario von Eramet in Argentinien, 3Q von Neo Lithium in Argentinien, Sal de Vida von Galaxy Resources in Argentinien, Maricunga von Li3 Energy in Argentinien, Salar de Uyuni von Corporación Minera de Bolivia (COMIBOL) in Verbindung mit der Deutschen k-UTEC Salt Technologies in Bolivien, Sonora von Bacanor in Mexiko, Kings Valley von Lithium Americas in Nevada/USA und das Jadar Projekt von Rio Tinto in Serbien.

Allein in Europa gibt es 7 verschiedene Projekte. Das Jadar Projekt befindet sich in Nähe der Stadt Loznica, etwa 140 km von Belgrad entfernt. Das Vorkommen wurde in 2004 entdeckt und ist so groß, dass es 10 % der globalen Lithiumversorgung abdecken könnte. Als erstes Projekt in Europa könnte allerdings die Wolfsberg-Mine (Bild 16) von European Lithium in Betrieb gehen. Die Mine hat ein Erzvolumen von 6,3 Mio. t bei 1,17 % Li₂O und befindet sich in Kärnten, 270 km südlich von Wien. Hier soll ab dem Jahr 2019 Spodumenkonzentrat produziert werden und später auch eine Anlage für Lithiumkarbonat in Betrieb gehen. Zwei andere interessante Projekte betreffen Avalonia in Irland, welches von International Lithium und Ganfeng Lithium vorangetrieben wird sowie das Zinnwald-Projekt in der Nähe von Dresden in Deutschland, an dem Bacanora Minerals 50 %-Anteile hat. Weitere Projekte befinden sich in Tschechien, Finnland und Portugal.

5 Ausblick

Mancherorts wird schon vom neuen Lithium-Zeitalter gesprochen, ermöglichen Lithium bzw. Lithium-Ionen-Batterien doch die Speicherung von größeren Energiemengen, wie sie beispielsweise für eine weitgehende Versorgung durch Solar- und Windenergie unabdingbar ist. Dennoch spielt in den mittelfristigen Szenarien bis 2025 die Speicherung dieser Energien noch keine so wesentliche Rolle. Die Lithium-Ionen-Technik ist derzeit noch auf die Themen Autoindustrie, Mobilität und Saubere Technologien fokussiert. Dies kann man sicherlich als neue Zeitrechnung für Lithium sehen. Wenn in einigen Jahren die großformatige Energiespeicherung Thema wird, werden wir ebenfalls vom Lithium-Zeitalter sprechen.