Новая «золотая лихородка» зеленого лития

Литий имеет решающее значение для перехода к возобновляемым источникам энергии, но его добыча была дорогостоящей для окружающей среды. Теперь глубоко под нашими ногами был обнаружен более устойчивый источник лития.

Корнуолл, 1864. Горячий источник обнаружен на глубине 450 м под землей в Уил Клиффорд, медном руднике недалеко от шахтерского городка Редрут. Стеклянные бутылки по горло погружают в кипящую воду, тщательно закрывают и отправляют на испытания. В результате было обнаружено такое большое количество лития — в восемь или 10 раз больше на галлон, чем было обнаружено в любом ранее проанализированном горячем источнике, — что ученые подозревают, что «это может иметь большую коммерческую ценность».

Но Англия XIX века не нуждалась в этом элементе, и эта богатая литием 122-градусная вода продолжала кипеть в темноте более 150 лет.

Перенесемся в осень 2020 года, и участок рядом с Уил Клиффорд в Корнуолле был подтвержден как имеющий одни из самых высоких в мире уровней содержания лития в геотермальных водах. Коммерческое использование лития в 21 веке не может быть более ясным. Он находится не только в смартфонах и ноутбуках, но теперь имеет жизненно важное значение для перехода к чистой энергии, для батарей, которые приводят в действие электромобили и накапливают энергию, чтобы возобновляемая энергия могла производиться стабильно и надежно.

Богатые литием воды, протекающие глубоко под поверхностью, были известны уже более века, но их использование только начинается

Спрос резко вырос в последние годы, поскольку автопроизводители переходят на электромобили, поскольку многие страны, включая Великобританию, Швецию, Нидерланды, Францию, Норвегию и Канаду, объявили о постепенном отказе от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Фактически, по данным Всемирного банка, для достижения глобальных климатических целей к 2050 году потребуется в пять раз больше лития, чем добывается в настоящее время.

Но есть одна большая проблема. Получение лития обычными способами влечет за собой свои собственные экологические потери, а точнее три: выбросы углерода, воды и земли.

Литий в настоящее время добывается в основном из твердых горных пород, например в Австралии, или из подземных резервуаров с рассолом, расположенных ниже поверхности высохших озер, в основном в Чили и Аргентине. Добыча твердых пород — при которой минерал добывается в карьерах, а затем обжигается с использованием ископаемого топлива — оставляет шрамы на ландшафте, требует большого количества воды и выделяет 15 тонн CO2 на каждую тонну лития, согласно анализу всего процесса производства лития специалистами по сырью Minviro. Другой традиционный вариант, извлечение лития из подземных резервуаров, предполагает использование еще большего количества воды для извлечения лития — и это происходит в обычно очень дефицитных по воде частях мира, что заставляет коренные общины сомневаться в своей устойчивости.

По сравнению с этим извлечение лития из геотермальных вод, обнаруженных не только в Корнуолле, но и в Германии и США, оказывает незначительное воздействие на окружающую среду, включая очень низкие выбросы углерода.

Геотермальный рассол — это горячий концентрированный солевой раствор, который прошел через очень горячие породы и стал обогащенным такими элементами, как литий, бор и калий. Другими словами, энергоемкий процесс извлечения лития из твердых пород основан на природной геотермальной энергии. Рассол в шахтах Корнуолла имеет концентрацию до 260 миллиграммов на литр, скорость потока составляет от 40 до 60 литров в секунду. По оценкам Cornish Lithium, этого достаточно для типичного аккумулятора смартфона (2–3 г), который проходит производственный процесс каждые несколько секунд.

«Спрос на литий с меньшим воздействием на окружающую среду, кажется, набирает обороты. Есть признаки того, что производители автомобилей, включая Mercedes-Benz и Volkswagen, начинают задумываться об экологических и социальных последствиях своей цепочки поставок электромобилей», — говорит Алекс Кейнс, менеджер по чистым автомобилям в брюссельской организации кампании Transport and Environment. 

По словам Кейнса, использование лития, который уже находится в обращении, из переработанных батарей и электроники, предпочтительнее, чем добыча. 

«Учитывая огромный спрос, который мы, вероятно, увидим в ближайшие годы, [это] будет означать, что нам нужна некоторая добыча, а извлечение лития из геотермального рассола выглядит очень многообещающим», — говорит Кейнс.

Открытие лития в 1864 году может наконец принести плоды. Компания Cornish Lithium, основанная бывшим инвестиционным банкиром Джереми Ротхоллом в 2016 году, работает над планами по извлечению потенциально значительных ресурсов лития из рассола на знаменитых рудниках региона недалеко от Редрута.

У него есть два основных объекта в стадии разработки: один находится на глубоководной геотермальной электростанции, где он сотрудничает с разработчиком энергии Geothermal Engineering. Энергетическая компания уже планирует производить тепло и электроэнергию с нулевым выбросом углерода из той же горячей воды, которая содержит литий, на глубине 5,2 км под землей в проекте United Downs Deep Geothermal Power Project. Вода на этом участке также имеет низкий уровень соединений натрия и магния, что является многообещающим признаком, поскольку эти минералы затрудняют добычу лития и делают ее более дорогой. В августе проект получил поддержку правительства Великобритании в размере 4 млн фунтов стерлингов (5,3 млн долларов США), что позволило построить пилотный завод по экстракции лития в ближайшие пару лет.

Второй геотермальный участок по добыче лития находится рядом с проектом United Downs, и в настоящее время ведутся оценки потенциала добычи лития на меньшей глубине около 1 км. Компания также изучает возможность извлечения лития из гранитной породы в районе Чайна-Клей в Корнуолле, недалеко от Сент-Остелла.

«Извлечение лития из геотермальных вод Корнуолла стало возможным благодаря технологическим достижениям в разведке и добыче», — говорит старший геолог Корнуолла Люси Крейн.

Команда использует различные источники данных, чтобы определить наиболее вероятное местонахождение лития. 

«У Корнуолла есть удивительное горное наследие, насчитывающее 4500 лет, а это значит, что существует чертовски много информации о недрах», — говорит она.

Некоторые исторические карты написаны вручную на больших кусках пергамента (кожа животных, которая исторически использовалась для письма). Архивисты Cornish Lithium фотографируют его и склеивают в цифровом виде, чтобы геологическую информацию можно было зафиксировать в 3D. Это позволяет комбинировать данные 1860-х, 1900-х и 1960-х годов и накладывать их на современную информацию со спутников и дронов.

«Это действительно эффективный способ комбинирования наборов данных, который позволяет эффективно нацеливаться на то место, где вы хотите проводить исследования на земле», — говорит Крейн. «Затем, когда мы приступаем к бурению, мы уверены, что что-то найдем. Это лучше с экономической точки зрения, но также сводит к минимуму воздействие процесса разведки на окружающую среду».

Литий-ионные батареи используются для питания электронных устройств и хранения энергии, вырабатываемой ветром и солнечной энергией, а также для многих других целей

Технологические достижения также помогают извлекать литий из рассола. Команда планирует использовать метод под названием прямая экстракция лития (DLE), который был разработан различными компаниями в США, Германии и Новой Зеландии.

По данным Jade Cove, консалтинговой компании из Сан-Франциско, отслеживающей новые технологии добычи и энергетики, существует около 60 вариантов технологии DLE. Но основной процесс включает использование таких методов, как нанофильтрация или ионообменные смолы, которые действуют как химическое сито, избирательно собирая только хлорид лития (основная форма, в которой литий содержится в рассоле), оставляя другие соли в воде. Хлорид лития извлекают из сита, например, промывая шарики смолы чистой водой и закачивая оставшуюся воду обратно в землю через скважины. Затем хлорид лития очищается и концентрируется для получения гидроксида лития, который используется для изготовления батарей.

Но это не единственный способ получить литий из геотермального рассола. В США Уильям Стрингфеллоу, директор Программы экологических инженерных исследований в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США, проводит исследования для Министерства энергетики США по различным методам извлечения лития из рассола. Один подход заключается в извлечении лития из рассолов с использованием растворителей, предназначенных для сбора ионов лития, в то время как другие включают использование мембран, которые пропускают только ионы лития, и электрохимическое разделение, при котором ионы лития притягиваются к заряженным электродам.

«Таким образом, DLE не обязательно будет единственной технологией, но она будет применяться первой», — говорит Стрингфеллоу.

У каждого метода есть один главный камень преткновения — получение только лития из воды. 

«В рассоле есть много других материалов, которые потенциально мешают процессу извлечения лития [например, натрий и магний], поэтому вы должны контролировать их и удалять», — говорит Стрингфеллоу.

США и Германия также являются центрами исследований и разработок в области геотермальной добычи лития. Район вокруг Солтон-Си, мелкого озера в центре Калифорнии и второго по величине геотермального поля в США, получил название «литиевая долина». По оценке Калифорнийской энергетической комиссии, месторождение может обеспечить 40% мирового спроса на литий.

В исследовании, опубликованном в марте этого года, комиссия прогнозирует, что предложение карбоната лития в регионе составит более 600 000 тонн в год, что может принести 7,2 млрд долларов США в год по цене около 12 000 долларов США за тонну. Есть надежда, что добыча лития может не только обеспечить более чистый внутренний источник лития для батарей, но также значительно улучшить экономику производства возобновляемой энергии из геотермальных ресурсов, которые в настоящее время производят только 6% электроэнергии Калифорнии и дороги в освоении.

«Это похоже на новую золотую лихорадку», — говорит Стрингфеллоу. «Это экономически депрессивный регион, поэтому люди очень рады тому факту, что если они начнут использовать литий, это приведет к экономическому буму».

Крупномасштабная возобновляемая генерация также требует крупномасштабных аккумуляторов энергии, если необходимо обеспечить стабильную поставку энергии

Аналогичная ситуация наблюдается и в Германии, где Долина Рейна является центром зарождающейся геотермальной литиевой промышленности страны. Компания Vulcan Energy Resources, занимающаяся разработкой литиевой и геотермальной энергии, планирует перекачивать горячий геотермальный рассол на поверхность и использовать тепло для питания процесса извлечения лития, а излишки возвращать обратно в сеть.

В ноябре Vulcan Energy Resources объявила, что ее основная площадка имеет значительные запасы с концентрацией лития 181 миллиграмм на литр. Компания проведет полное технико-экономическое обоснование в 2021 году с целью доведения до полной коммерческой добычи лития в 2023-24 годах. 

«У нас есть ресурсы, которые достаточно велики, чтобы удовлетворить очень значительную часть спроса на европейских рынках здесь на многие-многие годы вперед», — заявил на отраслевой конференции в октябре генеральный директор Vulcan Фрэнсис Ведин.

Долина Рейна расположена в самом сердце региона производства автомобилей Германии, место, которое дало бы литиевому заводу преимущества в снабжении производителей электромобилей. Но это также значительно снижает выбросы углерода, связанные с транспортировкой лития из-за границы, отмечает Wedin. В результате компания планирует продавать свой литий как «безуглеродный».

Нулевой выброс углерода также является целью процесса производства лития в Корнуолле, который, как предполагается, будет осуществляться за счет геотермального тепла. И если пилотный проект окажется успешным, Cornish Lithium уверен, что заводы можно будет развивать по всему региону.

«Все чистые технологии, которые нам нужны для борьбы с изменением климата — будь то ветряные турбины, солнечные панели или батареи, все они очень, очень ресурсоемки», — говорит Крейн. «Нам нужно убедиться, что мы извлекаем эти материалы с максимальной ответственностью, иначе это, в первую очередь, смягчит причину создания этих технологий».

В целом, может пройти еще несколько лет, прежде чем батареи, изготовленные с использованием лития с нулевым содержанием углерода, будут питать ваш автомобиль или другие устройства. Но если литий с нулевым содержанием углерода будет расти так, как надеются его защитники, он может стать ярким примером минерала, необходимого для устойчивой энергетики, добываемого экологически безопасным способом.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ