Verdampingsbekken: hoe zon en wind lithium uit zoutwater halen
Een verdampingsbekken is in de eenvoudigste vorm een groot, ondiep bassin waarin mineraalrijk zout water wordt opgeslagen zodat de zon en de wind het langzaam kunnen laten verdampen. Wat overblijft, is een steeds geconcentreerdere brij van opgeloste zouten en mineralen, die uiteindelijk kan worden geoogst. Denk aan een kom zeewater die je in de zon laat staan: na een tijdje verdampt het water en blijft er een laagje zout achter. Verdampingsbekkens doen precies hetzelfde, maar dan op industriële schaal, over oppervlaktes zo groot als honderden voetbalvelden.
Het onderwerp duikt de laatste jaren vaker op in nieuws over toekomsttechnologie, omdat verdampingsbekkens de klassieke methode zijn om lithium te winnen: het lichte metaal dat onmisbaar is voor batterijen in elektrische auto's en energieopslag. In de zogeheten 'lithiumdriehoek' van Chili, Argentinië en Bolivia wordt al decennia lithiumhoudend grondwater naar de oppervlakte gepompt en in kilometersgrote bekkens laten indampen, tot er een geconcentreerde brijn overblijft waaruit lithium kan worden gehaald.
Wat is het precies?
Het proces begint diep onder de grond. In droge zoutvlaktes, zogeheten salares of salt flats, zit een ondergrondse laag zout grondwater, ook wel brijn genoemd. Deze brijn bevat naast gewoon keukenzout (natriumchloride) vaak ook lithium, kalium, boor en magnesium, opgelost in relatief lage concentraties.
Deze brijn wordt met pompen naar de oppervlakte gehaald en verdeeld over een reeks ondiepe bekkens, meestal afgezet met aarden wallen of een kunststof folie om lekkage naar de bodem te voorkomen. In de praktijk gaat het niet om één bekken, maar om een hele keten van bekkens die na elkaar worden gevuld.
In elk volgend bekken is het water iets verder ingedampt en dus geconcentreerder. Bij toenemende concentratie slaan verschillende zouten na elkaar neer: eerst kristalliseert het gewone keukenzout uit, later andere zouten zoals kaliumchloride, en pas in de laatste, meest geconcentreerde bekkens blijft een brijn over die relatief rijk is aan lithium.
Dit indampen kost geen brandstof of elektriciteit, maar wel tijd: afhankelijk van klimaat en ontwerp duurt het twaalf tot achttien maanden voordat de brijn geconcentreerd genoeg is. De kleur van de bekkens verschilt vaak per fase, van helder blauw tot dieprood of groen, veroorzaakt door algen en mineralen die op de specifieke zoutconcentratie reageren.
Aan het einde van de keten wordt de sterk geconcentreerde lithiumbrijn afgevoerd naar een chemische fabriek. Daar wordt de brijn gezuiverd van resterende magnesium en boor, en omgezet in lithiumcarbonaat of lithiumhydroxide, de grondstoffen die batterijfabrikanten daadwerkelijk gebruiken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is simpel: waardevolle mineralen winnen met zo min mogelijk energie-input. Waar veel industriële processen fossiele brandstof of elektriciteit nodig hebben om water te laten verdampen, doet de zon dat bij verdampingsbekkens gratis. Dat maakt de methode relatief goedkoop vergeleken met chemische alternatieven.
Voor lithium is dit extra relevant omdat de vraag door de opkomst van elektrische auto's en batterijopslag hard is gestegen. Verdampingsbekkens leverden decennialang op eenvoudige wijze een groot deel van de wereldwijde lithiumvoorraad, zonder dat daar zware mijnbouw met explosieven of maalinstallaties voor nodig was, zoals bij het winnen van lithium uit hard gesteente (spodumeen) wel het geval is.
Daarnaast worden verdampingsbekkens ook los van lithium ingezet, bijvoorbeeld voor de winning van keukenzout en kalium (een belangrijke grondstof voor kunstmest), en voor het beheer van afvalwater. Ontziltingsinstallaties die zeewater omzetten in drinkwater, produceren een zeer zoute reststroom, de zogeheten brine. In plaats van die brine ongefilterd terug de zee in te pompen, laten sommige installaties deze verdampen in bekkens, wat de milieudruk op kustwater kan verminderen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Salar de Atacama in Chili is wereldwijd de bekendste locatie. Bedrijven als SQM en Albemarle winnen hier al sinds de jaren tachtig en negentig lithium uit uitgestrekte verdampingsbekkens, en samen zijn zij verantwoordelijk voor een aanzienlijk deel van de wereldwijde lithiumproductie.
In Silver Peak, in de Amerikaanse staat Nevada, ligt de oudste nog actieve lithiumbrijnwinning ter wereld. Deze locatie, tegenwoordig eigendom van Albemarle, draait sinds 1966 en toont dat de techniek al lang voor de huidige batterijhype werd toegepast, destijds vooral voor industriële en farmaceutische toepassingen.
De Salar del Hombre Muerto in Argentinië wordt sinds 1997 geëxploiteerd door het Amerikaanse bedrijf Livent (voorheen onderdeel van FMC Corporation), en is een van de langst lopende lithiumbrijnprojecten in Zuid-Amerika.
In Bolivia probeert het staatsbedrijf YLB (Yacimientos de Litio Bolivianos) sinds enkele jaren de enorme, nog grotendeels onaangeboorde zoutvlakte Salar de Uyuni te ontwikkelen. Dit project loopt vertraging op door technische problemen met de specifieke samenstelling van de brijn en door politieke onzekerheid over buitenlandse investeringen.
Buiten de lithiumsector gebruiken diverse ontziltingsinstallaties in het Midden-Oosten en delen van de Verenigde Staten verdampingsbekkens om de reststroom van zout water te beheren, al is dit meestal kleinschaliger dan de mijnbouwbekkens in Zuid-Amerika.
Hoe ver is de techniek?
Verdampingsbekkens zijn een volwassen, decennia oude technologie, geen doorbraaktechniek. Toch staat de methode onder druk, juist door haar eigen beperkingen.
Ten eerste is het proces traag: een cyclus van twaalf tot achttien maanden past slecht bij de snel groeiende vraag naar lithium. Ten tweede is de opbrengst relatief laag; doorgaans wordt slechts veertig tot vijftig procent van het aanwezige lithium daadwerkelijk teruggewonnen, de rest blijft achter in de bekkens of gaat verloren in tussenstappen.
Een derde en veelbesproken punt is waterverbruik. Voor elke ton gewonnen lithium is een aanzienlijke hoeveelheid water nodig om te laten verdampen, in een gebied dat vaak al kampt met droogte. Onderzoekers en lokale gemeenschappen in de Andes wijzen op mogelijke effecten op grondwaterstanden en op de leefomgeving van inheemse gemeenschappen en flamingopopulaties die afhankelijk zijn van dezelfde zoutvlaktes. De exacte omvang van dit effect wordt nog wetenschappelijk onderzocht en verschilt sterk per locatie.
Om deze problemen aan te pakken, investeren bedrijven en onderzoeksinstellingen in Direct Lithium Extraction (DLE): technieken die lithium direct met chemische filters, ionenwisselaars of membranen uit de brijn halen, zonder maandenlange verdamping. DLE belooft hogere opbrengst en minder waterverbruik, maar is over het algemeen duurder en energie-intensiever, en is tot nu toe vooral op kleine tot middelgrote schaal getest. Grootschalige, volledig bewezen DLE-installaties zijn er nog niet overal; verdampingsbekkens blijven daarom voorlopig de dominante methode.
Wie werken eraan?
De belangrijkste commerciële spelers zijn SQM en Albemarle in Chili en de Verenigde Staten, Livent in Argentinië, en het Chinese Ganfeng Lithium, dat via belangen in verschillende Zuid-Amerikaanse projecten actief is. Het Franse mijnbouwbedrijf Eramet ontwikkelt eveneens een lithiumproject in Argentinië, de Salar de Centenario.
Op statelijk niveau speelt Bolivia een aparte rol via het staatsbedrijf YLB, dat de omvangrijke maar tot dusver onderontwikkelde reserves in de Salar de Uyuni wil aanboren, deels in samenwerking met buitenlandse partners waaronder Chinese en Russische bedrijven.
Buiten Zuid-Amerika wordt vergelijkbare brijnwinning toegepast in zoutmeren in de Chinese provincie Qinghai en de regio Tibet, waar Chinese bedrijven actief zijn. Onderzoeksinstituten zoals het Amerikaanse United States Geological Survey (USGS) volgen wereldwijd de omvang en kwaliteit van lithiumreserves, terwijl universiteiten en onderzoekscentra werken aan verbeterde DLE-technieken als mogelijke opvolger of aanvulling op de klassieke verdampingsbekkens.