Industria del litio: necessità di migliorare l'impronta di carbonio e il consumo di acqua
Materie prime in una batteria per auto, utilizzando un esempio da 200 kg. Fonte ISE AG
Non importa quale chimica delle batterie prevarrà nelle auto elettriche nei prossimi anni: il litio rimarrà un componente insostituibile nelle batterie per propulsione anche in futuro. La domanda di metallo leggero aumenterà notevolmente nei prossimi anni, e con essa i problemi ecologici associati all'attività mineraria.
Nonostante la pandemia di Covid e la guerra in Ucraina, la domanda di auto elettriche sta guadagnando slancio. Anche perché i politici di numerosi paesi hanno fissato una data di scadenza per la produzione di auto a combustione: l'UE ha fissato una scadenza al 2035.
Nel 2022, oltre 17 milioni di auto elettriche (comprese le ibride plug-in) circoleranno sulle strade di tutto il mondo, metà delle quali in Cina. Nel 2021 il numero di nuove immatricolazioni nel mondo è stato di sette milioni. In Germania, il governo federale vuole raddoppiare il numero di veicoli elettrici a 2030 milioni entro il 15. Secondo l'Agenzia internazionale dell'energia, per raggiungere la neutralità climatica globale entro il 2050, dovrebbero circolare sulle strade di tutto il mondo due miliardi di auto elettriche.
I colli di bottiglia del litio sono inevitabili
L'elettromobilità è quindi un fattore chiave della domanda di litio. Secondo le stime dell'industria del litio, tre quarti della domanda di litio proviene da batterie per auto elettriche. Nel 2021, la produzione globale di litio è stata di quasi 100.000 tonnellate di litio metallico puro. Un aumento del 21% rispetto all'anno precedente. Il consumo è aumentato ancora di più nel 2021 di un terzo a 93.000 tonnellate. La società di analisi Fastmarkets prevede che la domanda sarà leggermente superiore all'offerta già dal prossimo anno. Si prevede che questa tendenza si intensificherà costantemente fino al 2030. A partire dal 2028 circa, molti analisti prevedono gravi carenze di prodotti al litio con capacità di batteria.
L'elettrificazione della mobilità per la tutela del clima sta portando a una corsa sempre più agguerrita per l'accesso all'"oro bianco" in vista della prevedibile penuria. Allo stesso tempo, tuttavia, sta emergendo l'importanza che i metalli delle batterie vengano estratti in modo rispettoso dell'ambiente e socialmente responsabile. Le case automobilistiche tedesche, in particolare, sono molto interessate al litio sostenibile, non da ultimo a causa della legge sulla catena di approvvigionamento. Perché le auto "pulite" sono pulite solo quanto la loro catena di approvvigionamento. Allora da dove viene il litio nelle auto elettriche prodotte in Germania e quale impronta lascia dietro di sé l'estrazione e l'ulteriore lavorazione? Secondo la società, il litio nei veicoli elettrici di Mercedes Benz AG e del gruppo Volkswagen proviene da Australia e Cile, mentre BMW proviene da Australia e Argentina.
Spodumene, un minerale contenente litio
Più della metà dell'"oro bianco" estratto in tutto il mondo proviene attualmente dall'Australia, dove l'anno scorso sono state estratte 55.000 tonnellate di litio. Il litio viene estratto dallo spodumene, un minerale contenente litio, nelle classiche miniere a cielo aperto. Con uno stipendio del sei percento, i depositi australiani sono molto attraenti. L'Australia occidentale ospita anche la miniera di litio più grande del mondo, Greenbushes, di proprietà di Stati Uniti, cinesi e australiani. Il gigante chimico statunitense Albermarle detiene il 49%, il produttore cinese di litio Tianqi il 26,01% e la società mineraria australiana IGO il 24,99%. L'US Geological Survey stima le riserve dell'Australia a 5,7 milioni di tonnellate.
In nave diesel in Cina
Tuttavia, il minerale di litio non è stato ancora lavorato in Australia. Viene portato in Cina da navi diesel. Per rendere il litio adatto alle batterie, il minerale viene riscaldato a 1000 gradi Celsius in impianti di conversione ad alta intensità energetica, solitamente alimentati a carbone, e trattato con sostanze chimiche per ottenere carbonato di litio o idrossido di litio.
Secondo i calcoli di Roskill, vengono emesse nove tonnellate di CO2 per tonnellata di equivalente carbonato di litio raffinato (LCE). Con la domanda di litio in aumento in questo decennio, Roskill prevede che le emissioni di carbonio derivanti dalla produzione di litio aumenteranno di sei volte entro il 2. Sebbene la produzione di auto elettriche comporti una maggiore intensità di CO2030 rispetto a quella delle auto a combustione, molti studi giungono alla conclusione che riducono lo zaino di CO2 nel corso della vita dell'auto e sono generalmente più rispettose del clima rispetto ai motori a combustione. Tuttavia, le domande rimangono senza risposta, come ad esempio quanto diventerà efficiente la produzione di batterie e quali fonti di energia verranno utilizzate per caricare il crescente numero di auto elettriche. Inoltre, secondo le raccomandazioni del produttore, le batterie devono essere sostituite ogni otto-dieci anni.
Dopotutto, il bilancio di CO2 del litio australiano potrebbe presto migliorare durante il trasporto. Da maggio, la joint venture sino-australiana Tianqi Lithium Energy Australia è stata la prima raffineria di litio australiana a produrre idrossido di litio. Anche il concorrente statunitense Albermarle ha costruito una raffineria di litio 100 chilometri a nord della miniera di Greenbushes. Ma ci vorranno alcuni anni prima che entrambe le raffinerie possano elaborare una capacità sufficiente e molte tonnellate di minerale di litio avranno lasciato i porti australiani per la Cina.
L'impronta di carbonio del litio sta crescendo
L'Argonne National Laboratory, un istituto di ricerca del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, stima la percentuale di emissioni di CO2 dal carbonato di litio in una batteria agli ioni di litio a circa il quattro percento. La società di consulenza gestionale Minviro, specializzata in analisi del ciclo di vita per il settore minerario, fa riferimento a previsioni di mercato che presuppongono che in futuro il carbonato di litio sarà sempre più sostituito dall'idrossido di litio perché garantisce un'autonomia più lunga grazie alla maggiore densità energetica. Per ottenere l'idrossido di litio sono necessari processi aggiuntivi, che sono associati a un maggiore consumo di energia e quindi a maggiori emissioni.
Tuttavia, le emissioni derivanti dalla produzione di idrossido di litio variano notevolmente a seconda della fonte di litio. In un'analisi del ciclo di vita, Minviro ha calcolato le emissioni per diverse fonti. L'idrossido di litio per batterie, che proviene dai salars in Argentina, è il migliore con otto tonnellate di CO2 per tonnellata. Con 15 tonnellate, l'idrossido di litio dello spodumene australiano ha emissioni quasi doppie. Se l'industria del litio non riesce a ridurre significativamente le emissioni di carbonio durante la produzione, la percentuale attribuita al litio in una batteria aumenterà dal 20 al 30-XNUMX%.
Stress idrico nel triangolo del litio
La produzione di litio in Sud America è considerata più rispettosa del clima. Il 70 percento delle riserve mondiali di litio si trova nel cosiddetto triangolo del litio, che si estende tra gli altipiani aridi di Cile, Argentina e Bolivia. Il metallo leggero viene estratto qui dall'acqua salata che viene pompata in superficie da una profondità di diverse centinaia di metri in bacini di evaporazione. Il contenuto di litio della salamoia è ben al di sotto dell'uno percento. Ci vogliono fino a dodici mesi per far evaporare abbastanza acqua prima che il contenuto di litio aumenti al sei percento. Sebbene il processo di evaporazione richieda molto tempo, utilizza solo l'energia solare naturale, che ha un effetto positivo sul bilancio di CO100. In loco viene prodotta una fase preliminare di carbonato di litio compatibile con la batteria, la maggior parte del quale viene poi spedita in Cina per la lavorazione. Mentre l'impronta di carbonio è solo un terzo di quella del litio dello spodumene australiano, l'estrazione solare mette a dura prova i sistemi idrici nell'area estremamente arida. Per una tonnellata di litio vengono utilizzati fino a due milioni di litri di acqua.
Il Triangolo del Litio all'interno della zona arida del Sud America
Il 70 percento del litio derivato dalla salamoia proviene da aree classificate come ad alto rischio per l'acqua dal Water Risk Atlas del World Resource Institute. I residenti, per lo più indigeni che hanno vissuto per secoli ai margini del deserto coltivando e allevando animali, si sono lamentati della scarsità d'acqua da quando il litio è stato estratto su larga scala. Tra il 2000 e il 2015, dalla regione di Atacama è stato prelevato il 21% in più di acqua rispetto a quella fornita dalla pioggia o dall'acqua di disgelo.
Sistemi di falda a scatola nera
I residenti stanno inoltre osservando una diminuzione del numero di fenicotteri, che hanno il loro habitat sui laghi salati ad altitudini fino a 4000 metri. Gli animali, che si adattano ad acque molto salate, vi si riproducono e si nutrono di artemia salina. Uno studio di ricercatori britannici pubblicato quest'anno ora conferma le osservazioni dei residenti. Secondo gli autori, il numero di animali nel Salar de Atacama, dove si concentra l'estrazione del litio, è diminuito dal dieci al dodici per cento. Attribuiscono la perdita all'estrazione del litio perché, secondo i ricercatori, il numero di fenicotteri è rimasto costante in aree comparabili in cui non viene estratto il litio. L'estrazione mineraria modifica le concentrazioni di sale nei salars, il che influisce sull'ecosistema.
Gli scienziati sospettano anche che la rimozione di grandi quantità di acqua salata abbia un impatto negativo sui vicini serbatoi di acqua dolce perché affondano e diventano salini. Le società Albermarle e SQM, che estraggono litio in Cile, negano che il declino dell'acqua abbia qualcosa a che fare con la produzione di litio. Sebbene il Cile abbia vissuto una siccità storicamente unica per dodici anni, non ci sono quasi studi che si occupino della ricerca dei sistemi idrici sotterranei e degli effetti dell'estrazione del litio.
Le case automobilistiche tedesche Mercedes-Benz, Volkswagen e BMW stanno cercando di far luce su parti delle loro catene di approvvigionamento commissionando studi e avviando un dialogo con le parti interessate locali. Quest'anno, l'Università del Massachusetts Amherst e l'Università dell'Alaska Anchorage stanno pubblicando uno studio commissionato da BMW e BASF. Arriva alla conclusione che l'estrazione di acqua salata durante l'estrazione del litio non è correlata ai cambiamenti nelle acque superficiali o nelle acque sotterranee. Gli autori hanno scoperto che l'acqua negli ecosistemi ha più di 65 anni. Ciò significa che i sistemi idrici stanno rispondendo ai cambiamenti nell'uso dell'acqua e nel clima molto più lentamente di quanto si pensasse. Potrebbero passare decenni prima che gli effetti dell'estrazione del litio possano essere visti nei sistemi idrici, che richiedono un attento monitoraggio.
A differenza del Cile, dove il litio è stato estratto dagli anni '1980, l'estrazione di litio su larga scala è relativamente nuova nella vicina Argentina. Dal 2015, una joint venture tra la società mineraria australiana Allkem, il commerciante di metalli giapponese Toyota Tsusho e il governo regionale produce litio dal Salar Olaroz-Cauchari. Ci sono anche una serie di progetti minerari in cantiere. Ora anche i vicini del Salar Olaroz-Cauchari lamentano problemi con l'approvvigionamento idrico. Insieme a scienziati e organizzazioni non governative, chiedono una moratoria sull'estrazione del litio in Argentina fino a quando i sistemi idrici sotterranei e gli effetti dell'estrazione del litio non saranno stati studiati meglio. Ma il governo dello stato altamente indebitato ha un grande interesse a guadagnarsi da vivere con l'estrazione del litio. È stato solo quest'anno che la compagnia statale di gas e petrolio YPF ha deciso di estrarre il litio a Fiambala, nella parte occidentale della provincia di Catamarca.
BMW si affida a DLE
DLE, Direct Lithium Extraction, è considerata un'alternativa più rispettosa dell'ambiente ai bacini di evaporazione. L'azienda statunitense Livent utilizza questo metodo con successo da molti anni nel Salar de los Muertos in Argentina. Il metodo garantisce un uso sostenibile dell'acqua e riduce al minimo l'impatto sugli ecosistemi locali, sottolinea il BMW Group, che ha firmato un contratto di fornitura pluriennale con Livent nel 2021 del valore di 285 milioni di euro. Inoltre, Livent, i cui clienti includono Tesla, fornisce dati importanti sullo studio avviato da BMW sull'estrazione responsabile del litio, secondo il gruppo.
Il DLE comprende una serie di tecniche diverse in cui il litio viene estratto dalla salamoia. Questi includono la precipitazione chimica, l'adsorbimento, l'estrazione con solvente o le tecnologie a membrana. La sfida è che il DLE deve essere adattato alla rispettiva fonte di litio poiché la composizione minerale delle salamoie varia notevolmente. La procedura livent non può quindi essere trasferita one-to-one ad altri stipendi. Livent è una delle poche aziende che producono litio commercialmente utilizzando DLE. Aziende come l'australiana Vulcan Energy, che vuole estrarre il litio nel Rheingraben tedesco, sono ancora alla ricerca della giusta tecnologia DLE che possa essere utilizzata anche su larga scala.
Istituto per le terre rare e i metalli, novembre 2022
