Directe lithium-extractie: sneller lithium winnen uit zout water
Lithium is het lichte metaal dat de accu's van elektrische auto's, laptops en telefoons aandrijft. Een groot deel van dat lithium zit opgelost in zoute, mineraalrijke ondergrondse waterlagen, ook wel brine of pekelwater genoemd, diep onder zoutvlaktes in landen als Chili en Argentinië. Traditioneel wordt die brine naar de oppervlakte gepompt en in enorme, felgekleurde verdampingsvijvers gepompt, waar de zon het water maandenlang tot jarenlang laat verdampen totdat er een geconcentreerde lithiumbrij overblijft. Directe lithium-extractie, vaak afgekort als DLE (van het Engelse Direct Lithium Extraction), is een verzameling technieken die dat proces radicaal willen versnellen door het lithium direct uit de brine te filteren of te binden, zonder die lange verdampingsstap.
Een handige vergelijking is die met koffiezetten. Verdampingsvijvers zijn te vergelijken met het laten indampen van een grote pan koffie tot alleen de smaakstoffen overblijven, wat uren duurt en veel water verspilt. DLE lijkt meer op een filterzakje: je laat de brine door een materiaal stromen dat specifiek lithiumdeeltjes vasthoudt, terwijl de rest van het water grotendeels ongemoeid blijft en vaak weer teruggepompt kan worden. Het resultaat kan in dagen of weken behaald worden in plaats van in maanden of jaren, al is dit in de praktijk nog niet overal even eenvoudig als het klinkt.
Wat is het precies?
Lithium in de aardkorst komt in twee hoofdvormen voor die relevant zijn voor DLE. Ten eerste is er de al genoemde brine: zout grondwater dat van nature verrijkt is met lithium, meestal gevonden onder droge zoutvlaktes (in het Spaans salares) of, minder bekend, meegevoerd in heet water uit geothermische bronnen of in het afvalwater van olie- en gaswinning. Ten tweede zit lithium vast in gesteente, met name in het mineraal spodumeen, dat via traditionele hardrock-mijnbouw wordt gewonnen, zoals in West-Australië gebeurt. DLE is vrijwel uitsluitend bedoeld voor de eerste categorie: vloeibare bronnen.
Binnen DLE bestaan verschillende technische benaderingen, die vaak door elkaar heen gebruikt worden. Bij ionenwisseling of adsorptie stroomt de brine langs kleine kraaltjes of een harsmateriaal dat als een soort moleculaire spons selectief lithiumionen (elektrisch geladen lithiumdeeltjes) opvangt, terwijl andere zouten grotendeels voorbijstromen. Later wordt het lithium er met een zure oplossing weer afgespoeld. Bij membraanfiltratie of nanofiltratie wordt de brine onder druk door een membraan met microscopisch kleine poriën geperst die lithiumionen wel doorlaten en grotere of anders geladen deeltjes tegenhouden. Er bestaan ook elektrochemische methodes, waarbij een elektrische spanning wordt gebruikt om lithiumionen door een speciaal membraan te trekken, en solvent-extractie, waarbij een oplosmiddel dat niet met water mengt selectief lithium uit de brine opneemt. Elke methode heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van snelheid, kosten, energieverbruik en hoeveel lithium daadwerkelijk wordt teruggewonnen uit de oorspronkelijke brine.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is snelheid en efficiëntie. Verdampingsvijvers zijn traag, nemen enorm veel land in beslag en zijn afhankelijk van een droog, zonnig klimaat. Bovendien gaat bij verdamping doorgaans een deel van het lithium verloren in het proces, terwijl DLE in theorie een groter deel van het aanwezige lithium uit dezelfde hoeveelheid brine kan terugwinnen. Voor mijnbouwbedrijven betekent dat potentieel meer product uit dezelfde bron, wat economisch aantrekkelijk is naarmate de vraag naar lithium voor batterijen van elektrische voertuigen en stationaire energieopslag blijft groeien.
Daarnaast opent DLE de deur naar bronnen die met traditionele methodes niet of nauwelijks rendabel zijn. Denk aan geothermische installaties, waar heet water dat toch al wordt opgepompt voor stroom- of warmteopwekking, terzijde ook lithium kan opleveren als een soort bijproduct. Of aan afvalwater uit bestaande olie- en gasvelden, waarin relatief hoge lithiumconcentraties kunnen zitten. Ten slotte hopen sommige overheden en bedrijven dat DLE, doordat het minder land beslaat en mogelijk minder vers water verbruikt dan verdampingsvijvers, ook de milieu-impact van lithiumwinning kan verkleinen; dit voordeel is echter niet in elk project even overtuigend aangetoond en hangt sterk af van de specifieke locatie en techniek.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal projecten illustreert waar DLE nu staat, al bevinden veel initiatieven zich nog in de pilot- of opschalingsfase en zijn tijdlijnen in de sector vaker opgeschoven dan gehaald.
Vulcan Energy Resources ontwikkelt in de Boven-Rijnvallei in Duitsland een project dat geothermische energieopwekking combineert met DLE, onder de naam "Zero Carbon Lithium". Het idee is dat het hete, lithiumhoudende water dat wordt opgepompt voor geothermische stroom en warmte, ook lithium levert, met als doel een Europese lithiumbron voor de Duitse en bredere Europese auto-industrie. Het bedrijf heeft pilotinstallaties getest, maar de opschaling naar commerciële productie op grote schaal is, zoals bij veel DLE-projecten, langzamer verlopen dan aanvankelijk voorzien.
In de Amerikaanse staat Arkansas ligt de Smackover-formatie, een ondergrondse laag die al decennialang bekend staat om brine met lithium, oorspronkelijk ontdekt in de context van broom- en oliewinning. ExxonMobil is hier via zijn dochteronderneming Mobil Lithium ingestapt met plannen voor grootschalige DLE-winning, met een eerste fase die het bedrijf voor de tweede helft van dit decennium in het vooruitzicht stelt. Ook Standard Lithium werkt in dezelfde regio, in samenwerking met chemieconcern Lanxess, aan een DLE-project dat lithium wint uit brine die al voor andere chemische processen wordt opgepompt.
In Argentinië, onderdeel van de zogeheten "Lithium Driehoek" met Chili en Bolivia, test mijnbouwbedrijf Eramet DLE-technologie bij zijn Centenario-project, met als doel de traditionele verdampingsvijvers te combineren met of te vervangen door snellere extractiemethodes. Livent (voorheen onderdeel van FMC), actief bij de Salar del Hombre Muerto in Argentinië, gebruikt al langer een vorm van directe extractie naast verdamping en geldt daarmee als een van de meer ervaren spelers op dit gebied. In China wordt daarnaast geëxperimenteerd met DLE-technieken op zoutmeren in de provincie Qinghai, gedreven door de wens van het land om zijn eigen batterijketen minder afhankelijk te maken van import.
Hoe ver is de techniek?
DLE levert op dit moment nog een klein maar groeiend deel van de wereldwijde lithiumproductie; exacte percentages verschillen sterk per bron en definitie, mede omdat sommige bestaande operaties al decennia hybride vormen van extractie gebruiken zonder dat helder als "DLE" te labelen. Het is eerlijker om te zeggen dat de techniek de fase van proof-of-concept grotendeels voorbij is, maar dat bewezen prestaties op werkelijk grote, commerciële schaal nog beperkt zijn.
De belangrijkste obstakels zijn technisch en economisch van aard. Het percentage lithium dat daadwerkelijk wordt teruggewonnen uit de brine verschilt sterk per techniek en per locatie, en ligt in de praktijk soms lager dan in laboratoriumtests. Adsorptiematerialen en membranen kunnen na herhaald gebruik degraderen, wat de kosten en het onderhoud verhoogt. Ook is niet altijd duidelijk wat er met de brine gebeurt nadat het lithium eruit is gehaald; vaak wordt die weer teruggepompt de grond in, wat zorgvuldig beheerd moet worden om de ondergrondse waterhuishouding niet te verstoren. Ten slotte liggen de investerings- en energiekosten van DLE-installaties op dit moment voor veel projecten nog hoger dan die van traditionele verdampingsvijvers, zeker bij de eerste, nog niet volledig geoptimaliseerde generatie fabrieken. Naarmate meer installaties daadwerkelijk jarenlang op volle capaciteit draaien, zal duidelijker worden of DLE economisch echt kan concurreren met de oude methode.
Wie werken eraan?
Naast de eerdergenoemde mijnbouw- en energiebedrijven is er een laag van gespecialiseerde technologieleveranciers die de daadwerkelijke DLE-systemen ontwikkelen en licentiëren aan mijnbouwbedrijven, zoals het Amerikaanse Lilac Solutions (ionenwisselingstechnologie), EnergyX, het Chinese Sunresin en IBC Advanced Technologies. Grote gevestigde mijnbouw- en chemieconcerns zoals Rio Tinto, Albemarle en het Chileense SQM onderzoeken en testen DLE eveneens naast hun bestaande verdampingsactiviteiten.
Op landenniveau is de Lithium Driehoek van Chili, Argentinië en Bolivia cruciaal, omdat hier de grootste bekende brine-reserves ter wereld liggen en nationale overheden nadrukkelijk meekijken naar hoe DLE hun opbrengsten en zeggenschap over de grondstof kan beïnvloeden. De Verenigde Staten stimuleren binnenlandse DLE-projecten mede vanuit de wens om minder afhankelijk te zijn van buitenlandse batterijgrondstoffen. China investeert zowel in eigen zoutmeerprojecten als in DLE-technologiebedrijven, passend bij zijn dominante positie in de wereldwijde batterijproductie. In Europa is vooral Duitsland actief via geothermische DLE-projecten, gedreven door de ambitie om een eigen Europese toeleveringsketen voor batterijmaterialen op te bouwen.