Kann Lithium mit geringerer Umweltbelastung hergestellt werden?

Bergbau-, Fahrzeug- und Chemieunternehmen entwickeln in Lateinamerika alternative Produktionsmethoden, die meisten davon sind jedoch noch im Entstehen begriffen

Javier Lewkowicz 28. September 2022

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Lithium-Verdunstungsbecken im Salar de Atacama, Chile (Bild: Colin Matthieu / Alamy)

Die Lithiumproduktion steht vor einem Wandel. Bergbau-, Automobil- und Chemieunternehmen auf der ganzen Welt befinden sich in einem Wettlauf darum, die Effizienz ihrer Produktionsprozesse zu verbessern und die Umweltauswirkungen der vorherrschenden Methoden der Lithiumgewinnung zu verringern, um dem exponentiellen Nachfragewachstum gerecht zu werden, das mit der Ausweitung der Elektroenergie einhergeht Fahrzeuge.

„Traditionelle Soleprozesse haben aufgrund der hohen Wasserverdunstung große Auswirkungen auf die Umwelt“, sagt die Forscherin Michelle Lee Yin von der Päpstlichen Katholischen Universität Chile. „Es gibt verschiedene alternative Technologien mit dem Potenzial, die derzeitige Produktionsmethode zu ersetzen und/oder zu unterstützen, mit dem Ziel, im Laufe der Zeit eine nachhaltigere Industrie zu erreichen.“

Einige dieser alternativen Produktionsmethoden werden in einer Weise angewendet, die die traditionellen Ansätze ergänzt, obwohl sich die meisten noch in der Laborphase befinden. In allen Fällen stellt der auf industrieller Ebene erforderliche Produktionsumfang große Herausforderungen in Bezug auf Verbrauch, Wasserrückgewinnung, Abfallerzeugung und Stromverbrauch dar.

In den hochgelegenen Salaren, den Salinen Argentiniens und Chiles, erfolgt die Lithiumgewinnung überwiegend durch Verdampfung und Zugabe von Kalk und Natrium. Dabei wird Sole aus den Tiefen der Salinen gepumpt und anschließend in großen Becken für 12 bis 18 Monate konzentriert. Die Sole ist eine „komplexe Suppe“, in der es eine große Vielfalt an Salzen gibt und Lithium in der Minderheit ist. Jedes dieser Salze hat eine andere Löslichkeit und das letzte Element, das nach mehr als einem Jahr übrig bleibt, ist Lithium.

Die entstehende, an Lithiumchlorid reiche Flüssigkeit wird dann zu einer Chemiefabrik geleitet. Dort werden Lösungsmittel aufgetragen und ein Filterprozess durchgeführt, um Lithiumcarbonat, einen Feststoff, zu gewinnen. Anschließend wird das niedrigreine Lithiumcarbonat gewaschen und getrocknet, um Lithium in Batteriequalität zu erhalten, was eine Reinheit von mehr als 99 % bedeutet.

Im chilenischen Salar de Atacama verwenden die beiden Unternehmen, die Lithium fördern, das inländische Unternehmen SQM und das in den USA ansässige Unternehmen Albemarle, die traditionelle Verdampfungsmethode. Auch in Argentinien gewinnt das australische Unternehmen Orocobre (verbunden mit Toyota Tsusho aus Japan) Lithium aus dem Salar de Olaroz in der Provinz Jujuy mithilfe der konventionellen Verdampfungsmethode. In diesem Prozess wird Lithiumcarbonat hergestellt und anschließend in Japan in hydratisiertes Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat in Batteriequalität umgewandelt.

Das Projekt Minera Exar in der argentinischen Salzwüste Cauchari-Olaroz steht kurz vor der Produktionsaufnahme und wird von Lithium Americas mit Hauptsitz in Kanada, dem chinesischen Bergbaugiganten Ganfeng und JEMSE, dem Staatsunternehmen Jujuy, gegründet. Das Projekt wird die traditionelle Verdampfungsmethode nutzen, um anschließend in seiner Chemieanlage Lithiumcarbonat in Batteriequalität herzustellen.

Unterdessen wird das koreanische Unternehmen Posco 400 Hektar Verdunstungsbecken auf dem argentinischen Salar del Hombre Muerto in der Provinz Catamarca zur Gewinnung von Lithiumphosphat anlegen. Anschließend wird das Konzentrat zu einer Anlage in der benachbarten Provinz Salta transportiert, um dort erstmals im Land Lithiumhydroxid herzustellen.

Da Lithium in Sole nur eine sehr geringe Konzentration aufweist, ist eine enorme Menge erforderlich, um hohe Produktionswerte zu erzielen, wie sie beispielsweise für Elektrofahrzeuge erforderlich sind.

Ernesto Calvo, ein argentinischer Wissenschaftler und Experte auf diesem Gebiet, erklärt, dass bei typischen Konzentrationen von 500 bis 1.000 mg Lithium pro Liter Sole etwa 200.000 Liter Sole eingedampft werden müssen, um eine Tonne Lithiumcarbonat-Äquivalent zu gewinnen. „Diese Methode funktionierte für die im Mobilfunkgeschäft geforderten Mengen, aber der von Elektroautos geforderte Umfang macht sie unhaltbar. Wir gönnen uns den Luxus, Wasser mitten in der Wüste zu verdunsten“, warnt er.

Unterdessen rechnet Lee Yin vor: Wenn derzeit in Chile jährlich etwa 150.000 Tonnen Lithiumcarbonat produziert werden, bedeutet dies, dass jedes Jahr 25 Millionen Kubikmeter Wasser verdunsten – eine Menge, die mit steigender Lithiumnachfrage nur noch zunehmen wird. „Bis 2025 wird die in der Lithiumindustrie verdunstete Wassermenge fast den Trinkwasserverbrauch der chilenischen Region Antofagasta erreichen“, sagt sie.

Diese Methode hat bei den für Mobiltelefone benötigten Volumina funktioniert, ist aber aufgrund der von Elektroautos geforderten Größenordnung nicht nachhaltig. Wir gönnen uns den Luxus, mitten in der Wüste Wasser verdunsten zu lassen

Es sollte klargestellt werden, dass es sich nicht um Wasser handelt, das direkt für den menschlichen oder tierischen Verzehr verwendet wird, sondern um das in der Sole enthaltene Wasser. Studien deuten jedoch darauf hin, dass eine Überextraktion dieser Flüssigkeit lokale Klimaveränderungen hervorrufen und die natürliche Verdunstungsrate des Systems verändern kann, da die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen hydrogeologischen Systemen berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise kann die Solegewinnung dazu führen, dass die entnommene Menge durch einen Zufluss von Süßwasser ersetzt wird, was Auswirkungen auf die Wasserquellen für die menschliche oder landwirtschaftliche Nutzung hätte.

Pía Marchegiani, Direktorin für Umweltpolitik bei der Fundación Ambiente y Recursos Naturales (FARN), einer argentinischen NGO, warnt, dass „die Debatte über die Umweltauswirkungen dieser Operationen auf fragile Ökosysteme abgeschlossen werden kann, wenn ausreichende und unabhängige Umweltinformationen darüber vorliegen.“ Funktionieren des komplexen hydrogeologischen Systems, in dem sich die Projekte befinden.“

Der Hauptgrund für Unternehmen, alternative Extraktionstechnologien zur Verdampfungsmethode einzuführen, besteht darin, die Effizienz des Produktionsprozesses zu verbessern, was sich auf das Gleichgewicht zwischen der Anfangsinvestition und der Menge des verkauften Lithiums auswirkt. Auch ein Teil des in der Sole enthaltenen Lithiums geht beim Verdampfungsprozess verloren.

Nach Angaben des in Chile tätigen Unternehmens Albemarle beläuft sich der Lithiumverlust aus seinen Betrieben auf bis zu 45 %, während andere Schätzungen davon ausgehen, dass die Branche mit Wirkungsgraden in der Größenordnung von 30–40 % arbeitet. Darüber hinaus ist die Gewinnung ein sehr langwieriger Produktionsprozess, der zwischen 12 und 18 Monaten dauert, was sich auch auf die Kosten auswirkt.

Anders als in Chile nutzt das erste Lithiumgewinnungsprojekt in Argentinien, das von der US-Firma FMC (heute Livent) im Salar del Hombre Muerto durchgeführt wird, ein direktes Extraktionsverfahren auf Basis von Absorptionssäulen aus Gibbsit, einer mineralischen Form von Aluminiumhydroxid , wodurch Lithium gezielt „gefiltert“ werden kann.

Bei dieser Methode wird aus dem Salar gepumpte Sole durch eine 25-Tonnen-Säule gefiltert, die das Lithium einfängt und den Durchfluss der anderen Verbindungen ermöglicht. Anschließend werden die Säulen mit Wasser gespült, um das eingeschlossene Lithium freizusetzen. Um jedoch den Produktionsumfang zu erhöhen, konzentriert Livent seit 2012 Lithium durch die Verdampfung von Sole in Becken vor.

Im Rahmen neuer Lithiumprojekte, die demnächst im Land mit der Produktion beginnen, wird auch das französische Unternehmen Eramet eine Absorptionstechnik einsetzen, ähnlich der von Livent. Laut Daniel Chávez, CEO der Tochtergesellschaft Eramine Sudamérica, „wird kurzfristig, vielleicht in ein paar Jahren, die gesamte Lithiumgewinnung mit neuen Methoden durchgeführt, vor allem weil beim Verdampfungsprozess der traditionellen Methode viel Lithium verloren geht.“ ."

Das australische Unternehmen Rio Tinto hat kürzlich 825 Millionen US-Dollar investiert, um mit der Entwicklung des Rincón-Sole-Lithium-Projekts in Salta zu beginnen, und wird auch eine direkte Extraktionsmethode anwenden.

Angesichts hoher Preise und einer wachsenden weltweiten Nachfrage sowie der Umwelt- und Effizienzschwierigkeiten traditioneller Extraktionsmethoden befindet sich die Branche in einem Wettlauf aus Forschung, Versuch und Irrtum rund um neue Produktionsmethoden.

Direkte Extraktionsmethoden, einschließlich der von Livent und Eramine verwendeten Absorptionsmethode, basieren auf einer selektiveren chemischen Strategie, die darauf abzielt, Lithium durch einen Prozess, der Stunden dauert, schneller von anderen Verbindungen zu trennen, im Vergleich zu den 12 bis 18 Monaten, die für die Verdampfung erforderlich sind . Darüber hinaus haben sie einen Wirkungsgrad von 70–90 % und extrahieren deutlich mehr Lithium, als bei der Verdampfungsmethode verfügbar ist.

Allerdings bringt jede der neuen Methoden ihre eigenen Komplexitäten mit sich, angefangen vom hohen Süßwasserverbrauch in der Anlage zur Abtrennung des Lithiums über die Entstehung von Abfall durch den Einsatz von Lösungsmitteln bis hin zum intensiven Stromverbrauch.

„Die neuen Methoden befinden sich in der Piloterprobung, mit Ausnahme der Absorptionssäulen, die weiter fortgeschritten sind. Sie sind alle effizienter und viel schneller. Es handelt sich nicht um sehr komplexe chemische Prozesse, aber es handelt sich um sehr große Volumina in einer Höhe von 4.000 Metern.“ , mit einem riesigen Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht“, erklärt Calvo, der die Entwicklung einer Methode leitete, die Labortests bestanden hat. Bei diesem Verfahren wird elektrischer Strom genutzt, um das Lithium aus der Sole zu „selektionieren“. Es verbraucht kein Wasser und erzeugt keinen Abfall und sieht die Nutzung von Energie durch Sonnenkollektoren vor.

Hinter den neuen Produktionsmethoden stehen nicht nur Bergbauunternehmen. Im Rennen sind unter anderem auch General Motors, Tesla, BMW, der Ölkonzern Schlumberger, Panasonic und Renault.

Die argentinischen Forscher Andrés López, Martín Obaya, Paulo Pascuini und Adrián Ramos geben an, dass „eine der fortschrittlichsten Techniken“ eine von der israelischen Firma Tenova Advanced Technologies entwickelte Technik ist, die auf der Verwendung eines Lösungsmittels basiert, das nach Angaben des Unternehmens ein Lithium erreicht Chloridlösung mit einer Reinheit von mehr als 99,9 % an nur einem Tag. Bei dem Verfahren wird die lithiumfreie Sole erneut in das Salz injiziert, ein komplexer Prozess, der bisher nicht im industriellen Maßstab angewendet wird.

Bei einer anderen untersuchten Methode kommt eine Membran aus bestimmten, für Lithium attraktiven Materialien zum Einsatz, die mittels Wasserdampf die Abtrennung von Salzen ermöglicht.

Marchegiani von FARN argumentiert, dass die Möglichkeit, die Lithiumgewinnung mit Techniken voranzutreiben, die weniger Wasser verbrauchen, angesichts der Wasserknappheit im Atacama-Plateau, wo sich ein Großteil des chilenischen und argentinischen Lithiums befindet, zunächst wie eine gute Nachricht erscheint. Allerdings fordert sie eine umfassende Evaluierung: „Viele davon funktionieren vorerst nur als Laborversuche oder Pilotversuche, wir müssen sehen, ob sie im industriellen Maßstab machbar sind.“

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