Kvantificering af Californiens lithium-dal:Kan det drive vores EV-revolution?

Salton Sea geotermiske felt i Californien rummer potentielt nok lithium til at opfylde alle USA's indenlandske batteribehov, med endda nok tilbage til at eksportere noget af det. Men hvor meget af det lithium kan udvindes på en bæredygtig og miljøvenlig måde? Og hvor længe holder ressourcen? Dette er blot nogle få af de spørgsmål, som forskere håber at besvare i et nyt projekt sponsoreret af det amerikanske energiministerium (DOE).

Der er i øjeblikket 11 kommercielle anlæg på Salton Sea-feltet, der producerer geotermisk energi, en ren, vedvarende energiform, hvor varme væsker pumpes op fra dyb undergrund, og varmen derefter omdannes til elektricitet. Normalt ville den afkølede væske simpelthen blive reinjiceret under jorden, men ideen er først at udtrække lithium fra saltvandet, før det sprøjtes tilbage.

Med presset fra Californien og mange andre stater og lande for at udvide adoptionen af ​​elektriske køretøjer (EV'er), vil efterspørgslen efter batterier - og det lithium, der er nødvendigt for at fremstille disse batterier - stige i vejret. Med næsten 1,2 millioner dollars i støtte fra DOE's Geothermal Technologies Office, vil forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Riverside og Geologica Geothermal Group, Inc. arbejde sammen om både at kvantificere og karakterisere lithiumet i dette geotermiske reservoir med hypersalte, der er placeret langt under Jordens overflade nær Saltonhavet i Imperial County.

Projektet er den første omfattende videnskabelige indsats for at kortlægge Californiens såkaldte "Lithium Valley" og forsøge at opnå en detaljeret forståelse af den mineralrige underjordiske saltlage ved Saltonhavets geotermiske system. Ved hjælp af et elektronmikroskop og andre avancerede analytiske værktøjer håber de for eksempel at lære lithiums mineralkilder og om klipperne vil "genoplade" saltlagen med lithium, efter at det er blevet ekstraheret fra de producerede væsker.

Projektgruppen vil også undersøge potentielle miljøpåvirkninger - for at kvantificere, hvor meget vand og kemikalieforbrug, der er nødvendigt for lithiumudvinding, luftkvalitet under udvindingsprocessen og potentiel induceret seismicitet fra den tilhørende geotermiske energiproduktion.

"Vi er glade for at kunne finansiere Berkeley Lab til at udvikle denne rige og detaljerede analyse af lithiumressourcepotentialet ved Saltonhavet. Dette projekt vil give kritisk indsigt om undergrunden, der vil hjælpe os med at sikre en indenlandsk lithiumforsyningskæde ved hjælp af de mest miljømæssigt ansvarlige, datadrevet vej," sagde Alexis McKittrick, programleder for hydrotermiske ressourcer i DOE's Geothermal Technologies Office.

"Saltonhavets geotermiske system er den primære potentielle geotermiske ressource for lithium i USA, og det er en ressource i verdensklasse," sagde Pat Dobson, Berkeley Lab-forskeren, der leder projektet. "Men der er en bred vifte af estimater med hensyn til størrelsen af ​​ressourcen, og heller ikke en stor forståelse af, hvor lithium kommer fra, den hastighed, hvormed det ville falde over tid med udvinding af lithium fra de geotermiske saltlage, og om det ville blive genopfyldt af det resterende lithium i værtsklipperne."

I øjeblikket er det meste af verdens lithiumforsyning enten udvundet fra åbne miner, som er almindelige i Kina og Australien, eller udvundet fra lønforekomster eller saltsølejligheder i Sydamerika. Lithium opnås fra disse enorme forekomster (den største salar, der ligger i Bolivia, er på størrelse med den "store ø" Hawaii) blot ved at pumpe det lave grundvand op og lade det sidde i et år eller to, mens solen fordamper vandet .

Men begge disse metoder har alvorlige miljøproblemer forbundet med dem. "Vi mener, at geotermisk lithium er en af ​​de mindst miljøbelastende måder at opnå lithium på," sagde Dobson, en ekspert i geotermisk energi og en vigtig bidragyder til Berkeley Labs Lithium Resource Research and Innovation Center. "Vi ønsker at forstå, hvordan vi kan afbøde eventuelle miljømæssige bivirkninger for at gøre det endnu mere godartet."

"Lithiums Saudi-Arabien"

Den potentielle størrelse af lithiumressourcen ved Saltonhavet er svimlende. Guvernør Gavin Newsom kaldte for nylig Californien for "lithiums Saudi-Arabien", og staten oprettede sidste år Lithium Valley Commission for at undersøge og skrive en rapport om mulighederne.

UC Riverside geokemiker Michael McKibben, som har studeret det geotermiske felt i Saltonhavet siden 1970'erne, er enig i potentialet.

"Hvis du laver en bagsideberegning, kan du overbevise dig selv om, at der er et sted mellem 1 og 6 millioner tons lithium i det felt," sagde han. "Det ville være den største saltlagekilde til lithium i verden, større end nogen individuel sydamerikansk lønindskud. Så det er et stort tal, og det betyder, at potentialet er der for - igen, bagside-af-konvolutten-beregninger - noget i retning af 50 til 100 års lithiumproduktion."

McKibben, en professor emeritus, og Maryjo Brounce, en assisterende professor i Department of Earth and Planetary Sciences, leder UC Riverside-indsatsen i dette projekt. Brounce, en petrolog uddannet, vil bruge instrumentering til at kortlægge, hvor lithium er placeret i reservoirets klipper, og hvilken form det er i. Denne geokemiske karakterisering vil derefter blive inkorporeret i modeller for at vurdere hastigheden af ​​genforsyning af lithium til geotermiske væsker.

"Vi vil se på, hvor hurtigt du kan forvente, at ressourcen bliver regenereret - er det århundreder? Årtier?" sagde Brounce. "Disse kemiske reaktionshastigheder vil afhænge af, hvor i klippen lithium er lagret ret stærkt, så det kan hjælpe med at skabe et forudsigelsesværktøj."

Dette arbejde vil supplere geokemiske undersøgelser, der udføres af forskere i Europa, som også undersøger potentialet af geotermiske saltlage til at levere lithium.

Stærk branchesupport

Flere virksomheder har startet pilotoperationer ved Saltonhavet for at udvinde lithium, herunder Berkshire Hathaway Energy (BHE) og Controlled Thermal Resources. (Berkeley Lab har projekter med begge under bevillinger fra California Energy Commission.) Til dette nye projekt vil Berkeley Lab og UC Riverside bruge data fra virksomheder, der er aktive i området samt offentliggjorte dokumenter og feltdata fra staten Californiens Geologic Energy Management (CalGEM) databaser.

"Vi har brug for bedre data om kemien af ​​saltlagerne og deres lithiumindhold, og hvordan det er fordelt med hensyn til position og dybde i det geotermiske felt," sagde McKibben. "Vi har bedt de geotermiske virksomheder om at dele deres saltvandsdata med os. Pat og hans gruppe vil lægge det i en database. Hvis vi så kan bruge databasen til at korrelere lithiumkoncentrationen med ting som temperatur, chlorinitet og andre fysiske og kemiske parametre, kan vi faktisk forudsige, hvor meget lithium der kan være i saltlage i dele af feltet, der ikke er helt udboret endnu."

BHE har lovet at samarbejde med forskerholdet. "BHE Renewables støtter denne forskningsindsats og ser frem til at hjælpe Lawrence Berkeley National Laboratory med denne vigtige undersøgelse," sagde Jonathan Weisgall, BHEs vicepræsident for regeringsforbindelser.

Visionen er, at lithium fra det geotermiske felt beliggende nær Saltonhavet en dag vil danne grundlaget for en ny indenlandsk batteriindustri i USA, der genererer tiltrængt økonomisk vækst i Imperial County, amtet med den laveste indkomst pr. Californien.

"Vi er nødt til at få eleverne til at forstå, at de kan have meget lukrative karrierer, der involverer grøn energi," sagde McKibben. "Dette er en mulighed for at gøre det."