Duurzaam lithium voor vele decennia

Uit geothermische bronnen in het Duitse Rijndal kan tientallen jaren betrouwbaar lithium gewonnen worden, zonder dat deze bronnen droog komen te staan. Dit is het resultaat van recente gegevensanalyses door onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) die vandaag zijn gepubliceerd in het tijdschrift Energies.

Op weg naar klimaatneutraliteit heeft Europa grote hoeveelheden lithium nodig voor batterijopslagsystemen. Tot nu toe is het aandeel van Europa in de wereldwijde lithiumwinning echter slechts één procent. Daarom onderzochten wetenschappers van het KIT manieren om lithium te winnen uit geothermische bronnen. “In theorie zouden geothermische krachtcentrales in de Bovenrijnvallei en het Noord-Duitse bekken tussen twee en twaalf procent van de jaarlijkse lithiumbehoefte van Duitsland kunnen dekken,” zegt Valentin Goldberg van het Instituut voor Toegepaste Geowetenschappen (AGW) van het KIT.

Samen met zijn team heeft hij dit potentieel berekend op basis van een uitgebreide gegevensanalyse. Het was in eerste instantie niet duidelijk hoe lang er lithium gewonnen kan worden, zonder dat de rivier droog komt te staan. De nieuwste studie van de onderzoekers biedt nu een optimistisch perspectief. “Volgens onze bevindingen zal lithiumwinning nog vele jaren mogelijk zijn tegen lage milieukosten,” zegt Goldberg. “Het model dat voor onze studie is ontwikkeld, beschrijft lithiumwinning in de Boven-Rijnvallei. Maar de parameters zijn zo gekozen dat ze ook kunnen worden overgezet naar andere gebieden.”

Modellering van geothermische lithiumproductie

De winning van lithium uit thermisch water is geen conventionele vorm van mijnbouw. Daarom kunnen er geen conventionele methoden worden toegepast voor analyse. “Het in water opgeloste lithium bestaat in een wijd vertakt netwerk van verbindingen en holtes in het gesteente. Het is echter alleen toegankelijk op bepaalde punten via individuele putten,” zegt Fabian Nitschke van AGW, ook betrokken bij dit onderzoek. “De omvang van het reservoir hangt dus af van de hoeveelheid water die hydraulisch toegankelijk is via putten.”

Om het lithiumproductiepotentieel te berekenen, moesten de onderzoekers rekening houden met het potentiële waterwinningsvolume, de lithiumconcentratie en de lithiumwinning per tijdseenheid. “We gebruiken een dynamisch transportmodel dat is aangepast aan de ondergrondse omstandigheden in de Boven-Rijnvallei. Het koppelt thermische, hydraulische en chemische processen. Vergelijkbare modellen zijn bekend uit de olie- en gasindustrie, maar zijn nog niet toegepast op lithium,” aldus Nitschke.

Bij het gebruik van geothermische energie wordt het gewonnen water via een tweede boorgat terug in de grond gepompt. De onderzoekers wilden uitzoeken of de lithiumconcentratie in het diepe water afneemt met de tijd. De resultaten laten zien dat de lithiumconcentratie in het winningsboring met dertig tot vijftig procent afneemt in het eerste derde deel van de onderzoeksperiode van dertig jaar, als het diepe water wordt verdund door het teruggepompte water. Daarna blijft de lithiumconcentratie constant. “Dit kan worden toegeschreven aan het open verbindingssysteem dat continu vers diep water aanvoert vanuit andere richtingen,” zegt Nitschke. Modellen suggereren dat continue lithiumwinning tientallen jaren mogelijk zal zijn: “Eigenlijk vertoont de winning van deze onconventionele bron het klassieke cyclische gedrag. De opbrengsten van koolwaterstofwinning of ertswinning zijn ook het hoogst in het begin en beginnen daarna geleidelijk af te nemen.”

Verstandige investering in een duurzame toekomst

Thomas Kohl van AGW, die als hoogleraar geothermische energie en reservoirtechnologie de leiding heeft over de onderzoeksactiviteiten, beschouwt de onderzoeksresultaten als een extra argument ten gunste van een breed gebruik van geothermische energie. “We wisten al dat geothermische bronnen decennialang hernieuwbare energie met basislastcapaciteit kunnen leveren. Uit ons onderzoek blijkt nu dat één enkele energiecentrale in de Bovenrijnvallei bovendien tot drie procent van het jaarlijkse Duitse lithiumverbruik zou kunnen dekken.” Kohls groep werkt nu aan oplossingen voor praktische implementatie. Onlangs publiceerde de groep een studie in Desalination over de voorbehandeling van thermisch water voor de winning van grondstoffen. “De volgende stap is nu om deze technologie op industriële schaal toe te passen,” zegt Kohl.