Lithium je klíčový kov digitální a zelené éry – ale jeho těžba zatím naráží na ekologické i technologické limity. Nová metoda S3E, vyvinutá vědci z Kolumbijské univerzity, slibuje revoluci: dokáže získávat lithium rychleji, bez odpařovacích rybníků a s menší spotřebou vody. Pokud uspěje, může zásadně změnit globální trh a geopolitiku čisté energie.
Před desetiletími jsme zjistili, že lithium je vzácný alkalický kov, který dokáže mírnit manické fáze pacientů s bipolární poruchou. Předtím jsme ho používali k léčbě dny a poté, co jsme pro něj našli uplatnění jako mazivo a součást lehkých slitin pro letecký průmysl, jsme zjistili, že je také klíčem k ekologickému přechodu.
Naše telefony používají lithium-iontové baterie, stejnou technologii, jakou najdeme v elektromobilech, které ukládají energii vyrobenou z obnovitelných zdrojů a kontrolovaně ji dodávají do sítě. Její dopad je takový, že v roce 2019 získali vědci John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Yoshino za vývoj této technologie Nobelovu cenu.
V praxi se lithium stalo „ropou“ digitálního věku: bez něj by byla elektrifikace dopravy, masové skladování energie z obnovitelných zdrojů a velká část dnešní přenosné elektroniky nerealizovatelná. Mezinárodní energetická agentura odhaduje, že celosvětová poptávka po lithiu by se podle nejambicióznějších scénářů dekarbonizace mohla do roku 2040 zvýšit 4-6krát, a to především díky elektromobilům a stacionárním bateriím pro rozvodné sítě. A jak už to tak bývá, když se nějaký zdroj stane strategickým, otázka už nezní jen „kolik ho je“, ale „jak ho vytěžit, za jakou cenu a kdo ovládá technologii, která to umožní“.
Potřebujeme stále více lithia, ale bohužel není snadné ho vytěžit. Země, která produkuje nejvíce lithia, je Austrálie, a to díky těžbě v dolech, kde se nachází v pevné formě. Když však pomyslíme na lithium, možná se nám vybaví nekonečné solné pláně v Chile, Bolívii a Argentině. V této oblasti, známé jako „lithiový trojúhelník“, se nacházejí největší zásoby lithia na světě, které se však nacházejí rozpuštěny ve formě iontů v solankách prostupujících pouštním dnem. Těžba tohoto lithia není snadná, ale tým výzkumníků právě objevil novou techniku, která by mohla toto odvětví zefektivnit, urychlit a učinit udržitelnějším . Ve skutečnosti by se díky ní mohla těžba lithia v oblastech Spojených států, jako je Salton Sea (Kalifornie), které by samo o sobě mohlo zásobovat 375 milionů baterií, stát rentabilní.
Abychom pochopili, proč je to důležité, je třeba si připomenout, jak se lithium těží dnes. Obecně lze říci, že existují tři hlavní cesty:
- Těžba v tvrdých horninách (jako v Austrálii), kde se lithium nachází v minerálech, jako je spodumen. Jedná se o klasický těžební proces, který je energeticky náročný a má značný dopad na krajinu.
- Vysokohorské solanky (jako v lithiovém trojúhelníku), kde se lithium rozpouští ve velmi slané vodě pod solnými pláněmi. Využívají se zde obrovské solární odpařovací rybníky.
- Jíly a další „nekonvenční“ ložiska, která jsou stále v počátečních fázích komerčního rozvoje, vyžadují specifické a prozatím nákladné chemické procesy.
Ve všech případech je společným jmenovatelem to, že lithium nikdy nepřichází „samo od sebe“: musí být odděleno od složité směsi jiných minerálů a solí (sodíku, hořčíku, vápníku, draslíku), a to nákladově efektivním způsobem. Právě zde se nové technologie, jako je ta, kterou nyní představila Kolumbijská univerzita, snaží změnit pravidla hry.
USA a patenty
Tato nová technologie nejen odemyká nevyužité americké zásoby. Nefunguje proto, že její jezera přesahují určitou úroveň „američnosti“. Teoreticky by ji mohly využít i jiné země k těžbě lithia v místech, kde by těžba současnými technikami byla neúnosně drahá. Dotyčnou techniku však vyvinul tým Kolumbijské univerzity, a to dává jisté okno do země, v níž se instituce nachází. Studie byla právě publikována ve vědeckém časopise Joule a představuje novou metodu přímé těžby, která namísto čerpání vody pod pouští vynáší na povrch solanky s obsahem lithia.
V konkrétním případě Spojených států je zájem dvojí. Na jedné straně chce Washington snížit svou závislost na dovozu lithia, které v současné době pochází převážně z Austrálie, Chile a Číny, na druhé straně má země významné zdroje v podobě geotermálních solanek, například v Saltonově moři v Kalifornii, kde již existují elektrárny vyrábějící elektřinu z podzemního tepla. Pokud by se ze stejných solanek dalo získávat lithium, byl by to dvojí přínos: energie a kritická surovina na stejném místě.
Zde přicházejí ke slovu patenty. Ten, kdo ovládne technologie přímé těžby lithia (DLE), bude mít v hodnotovém řetězci výsadní postavení: bude moci poskytovat licence na technologii, podmiňovat obchodní dohody a v praxi ovlivňovat, kdo a za jakých podmínek může určitá ložiska využívat. Není náhodou, že kromě kolumbijského týmu si patenty v této oblasti registrují velké společnosti a start-upy z poloviny světa, od amerických firem jako Lilac Solutions nebo EnergyX až po čínské a evropské skupiny.
Nejrozšířenější technika po odčerpání odvádí solanku do odpařovacích bazénů a po měsících nebo i letech lithium získává zpět. A to je jeden z velkých problémů pro průmysl. Za prvé, není udržitelné používat tak velké množství vody. Tuto techniku můžeme použít pouze v suchých a horkých oblastech, což vylučuje velké množství známých zásob lithia. „Není možné, aby samotné solární odpařování pokrylo budoucí poptávku,“ uvedl Ngai Yin Yip, docent Von Duddleson Krumb na Kolumbijské univerzitě. Proto navrhují techniku, která spočívá v použití rozpouštědla, jež se při pokojové teplotě váže na molekuly lithia a vody v solance a po zahřátí je uvolňuje zpět do připravenosti pro nový cyklus.
Jinými slovy, místo aby se měsíce čekalo na slunce, je jakýsi „chemický spínač“ nucen lithium na požádání zachytit a uvolnit. Proces je také integrován s vlastním teplem geotermálních elektráren, což by mohlo snížit další spotřebu energie. A protože není závislý na klimatu, otevírá dveře k využívání solanek v mírných nebo dokonce chladných oblastech, kde by odpařovací rybníky byly nepraktické.
S3E
Výzkumníci tuto metodu pokřtili S3E, a při správném postupu se jim podařilo získat (ve čtyřech cyklech) 40 % lithia obsaženého ve vzorku vody ze Saltonského moře. Podle samotných odborníků je tato účinnost již dostatečná k tomu, abychom o S3E uvažovali jako o alternativě k odpařovacím rybníkům a těžbě pevného lithia. Mezi její přednosti tedy patří přijatelná účinnost, rychlost, snížená spotřeba vody, schopnost získávat lithium i v zásobách, kde je ho málo, a možnost opětovného použití rozpouštědla.
Plný název metody zní „Solvent-Shifted Solute Extraction“ (Extrakce s posunem rozpouštědla). Základní myšlenka je poměrně jednoduchá na vysvětlení:
- Solanka přichází do kontaktu s organickým rozpouštědlem, které je navrženo tak, aby „preferovalo“ lithium před jinými ionty, jako je sodík nebo hořčík.
- Při pokojové teplotě toto rozpouštědlo selektivně zachytí ionty lithia a část vody, přičemž většina nežádoucích solí zůstane zachována.
- Mírným zahřátím systému se pak rovnováha obrátí: lithium se uvolní do koncentrovanější vodné fáze a rozpouštědlo je připraveno k opětovnému použití v novém cyklu.
Trik spočívá v návrhu rozpouštědla a provozních podmínek (teplota, poměry, doba kontaktu), aby byl proces selektivní, rychlý a ekonomicky životaschopný. S3E může koncentrovat lithium ze solanky až 60násobně v relativně malém počtu kroků, což je klíčem k zjednodušení a zlevnění následných kroků čištění.
Kolumbijský tým navíc zdůrazňuje několik potenciálních silných stránek:
- Rychlost: extrakční a uvolňovací cykly jsou dokončeny v řádu hodin, nikoliv měsíců.
- Snížená vodní stopa: tím, že se nespoléhá na masivní odpařování, se snižuje objem vody ztracené v procesu, což je obzvláště citlivý problém v suchých oblastech.
- Kompatibilita s „obtížnými“ solankami: S3E prokázala schopnost pracovat se solankami s nízkou koncentrací lithia a vysokou přítomností dalších iontů, jako jsou solanky ze Saltonského moře, které byly dosud považovány za neatraktivní.
- Opětovné použití rozpouštědla: Stejné organické médium se používá opakovaně, což teoreticky omezuje vznik chemického odpadu.
Zní to, jako by našli všelék s technikou, která se zdá být snadno škálovatelná, ale nic není tak jednoduché. Ačkoli tisková zpráva přirovnává S3E k odpařovací extrakci, konkurenční metody přímé extrakce již existují. Některé jsou dokonce účinnější. Všechny však mají své slabiny, takže se zdá, že je příliš brzy na to říci, která metoda nakonec prorazí na přeplněném trhu s tímto prvkem. Ať tak či onak, zásoby jsou takové, jaké jsou, a ve stále technologičtější a vyhrocenější době se očekává, že geopolitická váha lithia poroste s ním.
Jak S3E zapadá do „závodu“ o přímou těžbu
Abychom S3E uvedli do kontextu, je třeba se podívat, jaké další technologie přímé těžby lithia (DLE) jsou na stole. Termín DLE sdružuje několik skupin procesů, které mají společnou myšlenku: získávání lithia přímo ze solanky bez použití velkých odpařovacích rybníků. Mezi hlavní přístupy patří:
- Selektivní pevné adsorbenty: materiály (často oxidy manganu, titanu nebo hliníku nebo fosfáty), které na svém povrchu „zachycují“ ionty lithia a následně je uvolňují při změně pH nebo složení roztoku. S variantami této myšlenky pracují společnosti jako Lilac Solutions nebo Sunresin.
- Membrány a elektrodialýza: systémy, které využívají selektivní membrány a elektrické pole k oddělení lithia od ostatních iontů. Jsou koncepčně elegantní, ale stále se potýkají s problémy zanášení membrán a spotřeby energie.
- Klasická extrakce rozpouštědlem: podobná S3E, pokud jde o použití organických rozpouštědel, ale s odlišným složením a separačními mechanismy.
Na rozdíl od těchto alternativ je S3E prezentována jako druh hybridu: využívá výhod chemie rozpouštědel, ale s termodynamickým přístupem, který se snaží minimalizovat energii potřebnou ke koncentraci lithia. Její autoři tvrdí, že při integraci s odpadním teplem z geotermálních elektráren by energetické náklady na tunu uhličitanu lithného mohly být konkurenceschopné s nejlepšími současnými možnostmi DLE.
Existuje však řada „ale“, kterým se zatím nelze vyhnout:
- Průmyslové rozšiřování: přechod od laboratorních a pilotních zkoušek k závodům o kapacitě desítek tisíc tun ročně často odhalí problémy, které se v malém měřítku nevyskytují: degradace rozpouštědel, koroze zařízení, proměnlivost solanky atd.
- Skutečný dopad na životní prostředí: ačkoli je spotřeba vody a půdy nižší než u odpařovacích rybníků, bude třeba podrobně posoudit toxicitu, perzistenci a možný únik použitého rozpouštědla, jakož i nakládání se zbytkovým solným roztokem.
- Náklady a konkurence: Jiné technologie DLE se již testují v komerčních projektech v Argentině, Chile nebo Číně. S3E by se mohla stát opozdilcem na některých nejatraktivnějších polích, pokud se jí podaří zavést dříve.
V každém případě je samotná existence několika konkurenčních technologií DLE dobrou zprávou z hlediska klimatu: zvyšuje pravděpodobnost, že některá z nich zlevní a vyčistí výrobu lithia a sníží tlak na křehké ekosystémy, jako jsou vysoko položené andské solné pláně.
Případ Saltonského moře a „geotermálního lithia“
Saltonovo moře v Kalifornii se stalo jedním ze symbolů této nové lithiové horečky. Jedná se o umělé solné jezero, které vzniklo na počátku 20. století zaplavením řekou Colorado a které dnes trpí vážnými problémy se znečištěním a klesající hladinou vody. Pod jeho povrchem se však nacházejí velmi horké geotermální solanky nabité minerály, včetně lithia.
V praxi již existují zařízení, která tuto horkou solanku získávají z podzemí a vyrábějí z ní elektřinu v geotermálních elektrárnách. Technologie S3E a další technologie DLE navrhují využití stejného proudu solanky k „seškrábání“ lithia před jeho navrácením do země. Kalifornská energetická komise odhaduje, že pokud se tyto technologie podaří úspěšně rozvinout, mohlo by Saltonské moře produkovat řádově 600 000 tun ekvivalentu uhličitanu lithného ročně, což by stačilo pro miliony elektromobilů ročně.
Tento přístup má několik teoretických výhod:
- Existující infrastruktura: využívá již fungujících vrtů, potrubí a geotermálních zařízení.
- Nižší dopad na povrch: nejsou potřeba obří odpařovací rybníky ani nové povrchové doly.
- Žádná čistá spotřeba sladké vody: solanka se vytěží a znovu vtlačí, aniž by přímo konkurovala jiným způsobům využití vody.
To však přináší i problémy: solanka ze Saltonského moře je extrémně korozivní a obsahuje vysoké koncentrace oxidu křemičitého a dalších sloučenin, které mohou ucpat zařízení. Kromě toho bude zásadní společenské přijetí a zapojení místních komunit (včetně původních obyvatel a zemědělců v oblasti), pokud mají být tyto projekty úspěšné, aniž by se opakovaly konflikty, které již byly zaznamenány na jiných těžebních územích.
Lithium, klima a geopolitika
To vše se odehrává v situaci, kdy se lithium stalo z téměř exotického prvku ústředním bodem energetické geopolitiky. Koncentrace výroby a rafinace v několika málo zemích – s Čínou, která dominuje většině hodnotového řetězce baterií – vyvolala poplach v Bruselu, Washingtonu a dalších hlavních městech.
Evropská unie například zařadila lithium na seznam kritických surovin a schválila zvláštní nařízení, kterým se snaží zajistit jeho dodávky, zvýšit recyklaci a snížit závislost na třetích zemích. Ve Spojených státech zase schválili pobídky pro domácí výrobu a zpracování lithia v rámci zákona o snižování inflace a dalších předpisů.
Technologie DLE, jako je S3E, představují více než jen technický průlom: jsou možnou cestou pro země, které nemají velké solné pláně nebo doly na tvrdé horniny, ale mají geotermální solanky, vody z ropných polí nebo dokonce průmyslové solanky, aby vstoupily do hry o lithium. To se týká nejen Spojených států, ale také regionů v Evropě, Asii a na Blízkém východě, kde se již zpracovávají velké objemy solanek z energetických nebo průmyslových důvodů.
A co recyklace?
V tomto závodě o získání většího množství lithia se nabízí rozumná otázka: Nebylo by rozumnější zaměřit se na recyklaci lithia v použitých bateriích? Stručná odpověď zní ano, ale to nestačí.
V současné době se recyklace lithium-iontových baterií rozjíždí, v Evropě, Číně a Severní Americe již existují závody na zpětné získávání kobaltu, niklu, manganu a v menší míře i lithia. Vozový park elektromobilů a stacionárních baterií je však stále relativně mladý: většina baterií, které se nyní vyrábějí, dosáhne konce své životnosti až za 10-15 let. Do té doby bude recyklace schopna pokrýt pouze zlomek poptávky.
Takže i v těch nejoptimističtějších scénářích oběhového hospodářství budeme ještě několik desetiletí potřebovat nové zdroje primárního lithia. Otázkou je, zda těmito zdroji budou doly a solné pláně s velkým dopadem na životní prostředí, nebo kompaktnější a účinnější technologie, jako je DLE. Právě zde mohou inovace jako S3E něco změnit za předpokladu, že budou doprovázeny přísnými předpisy, transparentností a společenskou účastí.