De huidige energietransitie staat en valt bij doorgedreven elektrificatie. Daarvoor is behalve enorm veel stroom ook heel veel opslagcapaciteit nodig – lees: batterijen. Een van de belangrijkste grondstoffen van de huidige oplaadbare accu’s is lithium. Het metaal kan worden ontgonnen uit lithiumerts, bijvoorbeeld in grote mijnen in Australië, of uit zoutenrijk water (pekel). De hotspot voor lithiumwinning uit pekel is de zogenoemde Lithium Driehoek: de hooggelegen woestijngebieden van Argentinië, Bolivia en Chili. Lithium wordt er gewonnen uit grote, ondiepe verdampingsreservoirs die worden gevuld met pekelwater uit een ondergrondse zoutlaag. Het ontginningsproces is eenvoudig en daardoor goedkoop: door de warmte van het overvloedige zonlicht verdampt het water, waardoor onder meer lithiumzout overblijft. 

Traag

Helaas gaat deze vorm van lithiumontginning ook tergend traag; het kan wel een jaar of langer duren vooraleer al het water is verdampt. Bovendien kunnen de weersomstandigheden een stokje in de wielen steken. Maar de huidige problemen zijn vooral van milieuaard. De ontginning vergt een veel water en ruimte (door de grote verdampingsreservoirs). ‘Dat is allemaal niet duurzaam’, zegt Bart Michielsen van de Vlaamse onderzoeksinstelling VITO. 

[Lees verder onder de foto]

Maar er is een alternatief. Michielsen is een van de vele onderzoekers wereldwijd die werken aan zogeheten directe lithiumextractie. Daarbij wordt lithium(zout) actief uit pekel gehaald wanneer die wordt opgepompt. Dat kan op verschillende manieren, die elk hun sterktes en zwaktes hebben, afhankelijk onder meer van het type pekel. Nadat er zoveel mogelijk lithium uit is gehaald, wordt de pekel opnieuw de grond in gestuurd, zodat het waterverbruik beperkt blijft. Directe lithiumextractie gebeurt op een tijdschaal van uren, in plaats van maanden met de huidige winning. Bovendien hoeft ze niet in de openlucht plaats te vinden. En het kost allemaal betrekkelijk weinig energie. 

‘Er wordt met man en macht onderzoek naar gedaan’

Bart Michielsen (VITO) 

Tot zo ver de theorie. Want directe lithiumextractie staat voorlopig commercieel nog niet op punt. Al komt dat niet door een gebrek aan aandacht. Integendeel. ‘Directe lithiumextractie is in ons onderzoeksdomein zo’n beetje de heilige graal’, zegt Michielsen. ‘Er wordt met man en macht onderzoek naar gedaan.’ 

Verklaart dat misschien waarom een toonaangevend tijdschrift als Science recent niet één, maar twee onderzoeksartikels publiceerde over directe lithiumextractie? Bovendien werd in een begeleidend Perspective ingegaan op de nood aan technologische doorbraken. Beide onderzoeken werden zo ook gepresenteerd. Al is de vraag of ze dat wel zijn. In de ene studie, uitgevoerd door onderzoekers van de universiteit van Nanjing, China, wordt de verdampingsfase niet vervangen, maar wel versneld. Bovendien bevindt de extractiemethode zich qua ontwikkeling nog op laboniveau. In de andere studie, van de hand van vorsers van de KAUST-universiteit in Saoedi-Arabië, is er wel sprake van een extractiemethode op pilootschaal. In deze methode worden lithiumionen afgescheiden via een elektrochemische ‘cel’, die energie haalt uit osmose. Ze kan uit 10 kuub pekel tot 3 kilo lithium halen. Michielsen: ‘Ook hier is er nog veel optimalisatie nodig vooraleer er op grote schaal gewerkt kan worden.’  

Geothermie

Elders staan de zaken er nochtans beter voor. Zowel de grote lithiumproducenten in Zuid-Amerika als kleinere bedrijven en instituten hebben onderzoeksprojecten lopen. En elk project is in wezen anders, afhankelijk van de lokale omstandigheden (bijvoorbeeld het type pekel) en de noden en ambities. Michielsen: ‘Bij ons, in Europa, focussen we onder meer op efficiëntieverhoging. Dat komt omdat in onze pekels lithium doorgaans minder aanwezig is dan bijvoorbeeld in de Zuid-Amerikaanse hotspots.’ In de Lithium Driehoek wordt dan weer sterk ingezet op een beperking van het waterverbruik. 

Er is echter niet zoiets als dé directe-lithiumextractiemethode. Er zijn verschillende manieren of technologieën, van adsorptie over solventextractie en ion-uitwisseling tot membraanscheiding. Adsorptie is momenteel het populairst, voornamelijk omdat deze technologie bij directe lithiumextractie het eerst werd toegepast. Het Duitse energiebedrijf EnBW heeft op basis ervan, samen met haar partners, een pilootinstallatie gebouwd die de afgelopen jaren werd uitgetest in haar twee geothermiecentrales in Soultz-sous-Forêts, in de Elzas en in Bruchsal, bij Karlsruhe. Het in de centrales opgepompte (pekel)water geeft niet alleen zijn warmte af, maar ook zijn lithiumzout. De moleculen binden zich aan drie sorbenten: deeltjes op basis van aluminium, titanium en mangaan. Het water doorloopt twee adsorptiecycli, elk met een ander sorbent en neerslagproces, om vast product te verkrijgen. 

‘Maar in de tweede cyclus ligt de adsorptiegraad wel stukken hoger’

Thomas Kölbel (EnBW) 

 ‘De ontwikkeling van de eerste cyclus [met het aluminiumsorbent, red.] was relatief goedkoop, en de werking ervan is robuust’, zegt Thomas Kölbel, van de R&D-divisie bij EnBW. ‘Maar in de tweede cyclus ligt de adsorptiegraad wel stukken hoger.’ De pilootinstallatie kan honderden gram lithium(carbonaat) produceren per cyclus, met dank aan de lithiumrijke pekel in de Bovenrijn-regio. Dat biedt uitzicht op een jaaropbrengst van duizend ton. ‘Daar kun je twintigduizend batterijen mee maken’, schat Kölbel. Toch is EnBW er nog niet. Later dit jaar zal het bedrijf beslissen of het doorzet met een echte demonstratie-installatie, die wel commerciële hoeveelheden lithium zou kunnen produceren. Daarmee positioneert EnBW zich mooi in de energietransitie: via geothermie kan het niet alleen koolstofarme stroom maar ook een cruciale batterijgrondstof – eigenlijk een bijproduct van de aardwarmtewinning – aanbieden. 

Toch zal het eerste direct geëxtraheerde lithium wellicht niet uit Europa komen, maar uit de Lithium Driehoek. Althans, dat schreef de Amerikaanse zakenbank Goldman Sachs in 2023 in een analyse, waarin ze directe lithiumextractie overigens een gamechanger noemde. Al kan ook Noord-Amerika nog een belangrijke productieregio worden. Eveneens in 2023 meldde persbureau Bloomberg dat enkele grote oliebedrijven, zoals ExxonMobil en Chevron, sinds kort brood zien in directe lithiumextractie. Decennialang hebben ze de pekel die ze opboorden bij olie- en gaswinning gewoon weer teruggestuurd. Als directe lithiumextractie straks ook op commerciële schaal is aangetoond, zal Big Oil niet aarzelen om ook deze opportuniteit aan te boren. 

Seth Darling, The brine of the times, Science (2024), doi:10.1126/science.ads3699

Zhen Li, et al., Lithium extraction from brine through a decoupled and membrane-free electrochemical cell design, Science (2024), doi:10.1126/science.adg8487

Yan Song, Shiqi Fang, et al., Solar transpiration-powered lithium extraction and storage, Science (2024), doi:10.1126/science.adm7034