La demande mondiale de lithium explose, alimentée par la révolution de l'industrie des nouvelles énergies. Face à l'épuisement des ressources traditionnelles, aux pressions environnementales croissantes et à une consommation énergétique prohibitive, le monde recherche activement des alternatives durables. C'est dans ce contexte que la saumure géothermique émerge comme une source critique de lithium, captant une attention considérable grâce aux avancées dans les technologies d'extraction efficaces. Cet article explore en profondeur les technologies d'extraction du lithium à partir de saumures géothermiques, en analysant leurs caractéristiques, avantages, méthodes techniques, comparaisons de performances, et en proposant des voies stratégiques pour la synergie technologique et l'intégration industrielle.
La crise énergétique mondiale, marquée par l'épuisement des combustibles fossiles, la dégradation environnementale et le changement climatique, a atteint un point critique. L'Agence Internationale de l'Énergie (AIE) prévoit une augmentation de la demande énergétique mondiale de 25 à 30 % d'ici 2040, principalement due à l'industrialisation et à l'urbanisation dans les pays en développement. Le lithium, pierre angulaire du stockage d'énergie moderne, est devenu un catalyseur essentiel des systèmes énergétiques.
Le lithium est une ressource stratégique fondamentale de la nouvelle ère énergétique. Il trouve une application généralisée dans les batteries lithium-ion (BLI), les systèmes de stockage d'énergie, l'aérospatiale et d'autres domaines. Les BLI dominent le marché du stockage d'énergie grâce à leur densité énergétique élevée, leur longue durée de vie et leurs avancées technologiques rapides. Le marché mondial des BLI devrait croître à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 18,3 %, atteignant 182,5 milliards USD d'ici 2030, stimulé par l'adoption des véhicules électriques (VE) et le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. La demande mondiale de lithium connaît actuellement une tendance de croissance rapide. D'ici 2030, la demande mondiale de lithium devrait dépasser deux millions de tonnes d'équivalent carbonate de lithium (LCE).
Cependant, le développement des ressources traditionnelles de lithium, telles que le minerai de spodumène et la saumure de lac salé, est confronté à des défis considérables. Premièrement, il existe une pénurie de ressources en lithium. Les réserves de minerai de spodumène de haute qualité sont limitées à l'échelle mondiale et concentrées dans quelques pays, tels que l'Australie et le Chili, ce qui entraîne des risques importants pour la chaîne d'approvisionnement. Deuxièmement, l'extraction minière de lithium exerce une pression environnementale. L'extraction du lithium des lacs salés nécessite une évaporation à grande échelle dans des bassins de sel, ce qui consomme environ 2000 tonnes d'eau par tonne de lithium et endommage l'écosystème fragile des plateaux. Dans les régions où l'eau est rare, comme le Qinghai et le Tibet, qui sont les principales zones de production de lithium à partir de lacs salés en Chine, une grande quantité de ressources en eau est nécessaire pour l'évaporation et la concentration pendant le processus d'extraction du lithium des lacs salés. Ce processus exacerbe non seulement l'épuisement des ressources en eau, mais risque également de contaminer les sources d'eau potable limitées avec des substances toxiques, menaçant les écosystèmes et les communautés locales. L'extraction du lithium du minerai de spodumène implique principalement l'exploitation à ciel ouvert, générant d'énormes quantités de déchets de minerai et émettant de grandes quantités de gaz à effet de serre, causant ainsi une grave pollution environnementale. De plus, les technologies traditionnelles d'extraction du lithium souffrent également d'inefficacités et de coûts élevés, peinant à répondre aux demandes croissantes de lithium. Par exemple, le rapport élevé magnésium/lithium (Mg2+/Li+ > 8:1) dans la saumure de lac salé entraîne une faible efficacité de séparation, tandis que l'extraction basée sur le minerai nécessite 15 à 20 tonnes de charbon standard par tonne de lithium.
Face à la croissance continue de la demande en ressources de lithium, la pression sur l'approvisionnement mondial en lithium augmente de jour en jour, et le développement de nouvelles technologies d'extraction du lithium est urgent. La saumure géothermique, en tant que source émergente de ressources en lithium, a suscité une large attention. Ses avantages sont les suivants : premièrement, elle dispose de réserves abondantes. Le potentiel des ressources en lithium dans les saumures géothermiques mondiales atteint 20 millions de tonnes d'équivalent carbonate de lithium, représentant environ 20 à 30 % des ressources totales en lithium. Deuxièmement, la saumure géothermique présente une durabilité intrinsèque en raison de sa nature renouvelable, de sa perturbation écologique minimale et de sa stabilité à long terme. Contrairement aux gisements d'énergies fossiles finis, la saumure géothermique est continuellement reconstituée par les cycles hydrologiques naturels entraînés par l'activité tectonique et la chaleur magmatique. De plus, l'extraction de saumure géothermique évite les perturbations terrestres à grande échelle et les résidus toxiques associés à l'exploitation minière de roche dure. La réinjection de la saumure épuisée dans les réservoirs géothermiques minimise davantage l'impact environnemental, préservant l'intégrité des aquifères et réduisant les risques de contamination de surface. Parallèlement, le développement de la saumure géothermique peut être coordonné avec la production d'énergie géothermique pour réaliser une utilisation intégrée des ressources et de l'énergie. Troisièmement, sa distribution est répandue. Il existe des saumures géothermiques riches en lithium dans des régions telles que la ceinture géothermique circum-pacifique et la vallée du Rift est-africain. Par exemple, le lac Salton aux États-Unis et les champs géothermiques du Kenya sont des exemples typiques dans ces régions.
Le lithium, en tant que minéral critique stratégique, présente une distribution très inégale à l'échelle mondiale. En termes de répartition régionale, les ressources mondiales en lithium dépassent 98 millions de tonnes en réserves, principalement concentrées dans certaines parties de l'Océanie, de l'Amérique du Sud, de l'Amérique du Nord, de l'Asie et de l'Afrique. Parmi ces régions, l'Australie se distingue comme l'un des pays les plus riches en lithium au monde, grâce à ses abondantes ressources de lithium de type pegmatite. Par exemple, le gisement de lithium de pegmatite de Greenbushes possède des réserves de minerai de lithium dépassant 5 millions de tonnes, avec une teneur en Li2O de 2,0 %. En Asie, la Chine est également un centre important de ressources en lithium, présentant divers types de gisements de lithium, y compris des gisements de lithium de pegmatite granitique et des gisements de lithium de lac salé. Par exemple, les gisements de spodumène de la province du Sichuan sont très concentrés, avec des teneurs moyennes de minerai relativement élevées, variant d'environ 1,30 % à 1,42 %. La mine de lithium de Jiajika à Kangding, Sichuan, s'est avérée posséder des réserves de 1,8 million de tonnes, ce qui en fait le plus grand gisement de spodumène d'Asie. De plus, les ressources en lithium des lacs salés des régions du Qinghai et du Tibet en Chine représentent environ 80 % des réserves totales de lithium de la Chine. Notamment, le lac salé de Zabuye au Tibet est un rare gisement de lac salé complet contenant du bore, du lithium, du potassium et du césium. Il se caractérise par une teneur élevée en lithium et un faible rapport lithium/magnésium, ce qui lui confère une valeur de développement exceptionnellement élevée.
En termes de types de minerais de lithium, ils sont principalement divisés en minerai de lithium de type roche dure et en ressources de lithium de type saumure. Pour le minerai de lithium de type roche dure, il existe plus de 150 minéraux connus contenant du lithium. Des pays tels que le Zimbabwe, le Brésil et l'Australie abritent certains des plus grands gisements de lithium de pétalite au monde. De plus, d'importantes réserves de gisements de lépidolite se trouvent à Bikita, Zimbabwe ; Karibib, Namibie ; et Bernic Lake, Canada. Cependant, en raison d'une exploitation prolongée, ces minerais solides approchent de l'épuisement. En Chine, les gisements de lithium de roche dure sont relativement abondants, avec des zones de production majeures situées dans le Xinjiang, le Jiangxi, le Hubei et les régions du sud-ouest. En revanche, les ressources de lithium de type saumure sont considérablement plus riches en lithium que les minerais solides, plus de 60 % des ressources mondiales de lithium étant stockées dans des dépôts de saumure. La saumure de lac salé est la principale forme de ressources liquides de lithium, contenant 59 % du lithium mondial. De plus, l'extraction du lithium à partir de ressources liquides est considérablement plus économique qu'à partir de minerais solides, faisant de l'extraction de saumure de lac salé la méthode prédominante pour la production de lithium dans le monde. Les principaux gisements de lacs salés riches en lithium du monde sont principalement concentrés en Bolivie, au Chili et en Argentine, les exemples les plus significatifs incluant le lac Salar d'Uyuni, le salar d'Atacama et le salar d'Hombre Muerto. La Chine possède également d'importantes ressources de lithium de lac salé, se classant deuxième en réserves exploitables au niveau mondial. Il existe un grand nombre de ressources en minerai de lithium liquide dans des lacs salés tels que Qarhan et Yiliping au Qinghai, ainsi que Zabuye et Dangxiongcuo au Tibet.
Ces dernières années, l'eau géothermique a suscité de plus en plus d'attention en tant que ressource liquide de lithium relativement nouvelle en raison de sa teneur élevée en lithium et de son degré de minéralisation exceptionnellement faible. Les ressources en lithium géothermique présentent des caractéristiques uniques qui les distinguent des sources de lithium conventionnelles telles que l'exploitation minière de roche dure et les saumures de lacs salés. Le lithium géothermique se trouve principalement dans les régions tectoniquement actives (par exemple, la ceinture circum-pacifique, la vallée du Rift est-africain) dans des saumures géothermiques, des fluides salins à haute température (150-350 °C) (TDS > 100 000 ppm) circulant dans des réservoirs souterrains. Contrairement aux gisements de roche dure (par exemple, spodumène) ou aux saumures de lacs salés, le lithium géothermique est renouvelable en raison du renouvellement continu de la saumure par l'activité magmatique et hydrothermale. Les concentrations de lithium dans les saumures géothermiques varient de 20 à 200 mg/L, inférieures aux saumures de lacs salés (500-1500 mg/L) mais supérieures à l'eau de mer (~0,17 mg/L). Cependant, les débits élevés des fluides géothermiques (10-30 L/s par puits) compensent les concentrations plus faibles. D'importantes réserves de lithium ont été identifiées dans les eaux géothermiques dans des régions telles que le Tibet, en Chine. Les ressources en eau géothermique au Tibet sont particulièrement répandues, avec d'abondantes réserves de qualité relativement élevée. La concentration de lithium dans ces eaux dépasse souvent 20 mg/L, ce qui rend le développement de technologies d'extraction associées d'une importance capitale.
La formation des ressources en lithium géothermique est étroitement liée aux activités tectoniques. Les éléments de lithium s'enrichissent progressivement dans l'eau chaude souterraine par divers processus géologiques. Dans les zones de mouvements de plaques actifs, tels que les dorsales médio-océaniques et les zones de subduction, l'activité magmatique à l'intérieur de la Terre est fréquente. Le magma à haute température subit des réactions chimiques complexes avec les roches environnantes, dissolvant les éléments de lithium des roches et leur permettant d'entrer dans le système d'eau chaude souterraine avec la migration des fluides hydrothermaux. Dans certaines zones tectoniquement actives, les interactions prolongées eau-roche entre les fluides géothermiques souterrains et les roches hôtes enrichies en lithium lixivient davantage le lithium de la matrice rocheuse, entraînant son accumulation progressive dans les saumures géothermiques.
La formation des ressources en lithium géothermique est étroitement liée aux principales ceintures géothermiques mondiales, principalement concentrées dans la ceinture géothermique circum-pacifique, la ceinture géothermique de la dorsale médio-atlantique, la ceinture géothermique de la mer Rouge-Golfe d'Aden-Rift est-africain, et la ceinture géothermique méditerranéenne-himalayenne. Ces zones présentent une forte activité géothermique et de riches ressources en eau chaude souterraine, offrant des conditions favorables à l'enrichissement des éléments de lithium. Par exemple, la région du lac Salton en Californie, aux États-Unis, située dans la ceinture géothermique circum-pacifique, est une zone d'enrichissement des ressources en lithium géothermique mondialement connue. La concentration de lithium dans les saumures géothermiques de cette région varie de 200 à 300 mg/L, et il est prévu qu'elle devienne une source majeure de lithium domestique pour les États-Unis. De même, la vallée du Rhin supérieur en Europe, située dans le prolongement de la ceinture géothermique méditerranéenne-himalayenne, abrite également d'importantes ressources en lithium géothermique. En Chine, la région du Tibet, l'une des régions les plus riches en ressources géothermiques, contient d'abondantes ressources en lithium géothermique le long de…
Actuellement, les technologies applicables à l'extraction du lithium des saumures géothermiques comprennent l'évaporation-cristallisation, la précipitation chimique, l'adsorption, l'extraction par solvant, les méthodes électrochimiques et la séparation membranaire. Parmi celles-ci, la séparation membranaire, en particulier l'osmose directe (FO), est identifiée comme un axe de recherche essentiel.
Comparativement à l'extraction du lithium des lacs salés, l'extraction du lithium géothermique n'est pas encore mature et a à peine commencé son exploitation commerciale. Elle est confrontée à des défis techniques tels que la haute température, la forte salinité, la faible concentration de lithium et les interférences ioniques complexes lors du processus de développement. Les technologies d'extraction du lithium géothermique, en tant que nouvelle direction potentielle pour l'extraction du lithium, revêtent une grande importance pour atténuer la pénurie mondiale de ressources en lithium et répondre aux besoins de développement de la nouvelle industrie énergétique.
Les revues antérieures ont mis l'accent sur la faisabilité technique, mais ce travail évalue davantage la durabilité économique et environnementale, telle que le potentiel de recyclage de l'eau et l'intégration énergétique avec la production d'électricité géothermique.
L'adsorption est l'une des technologies les plus étudiées pour l'extraction du lithium des saumures géothermiques. Elle repose sur l'utilisation de matériaux adsorbants sélectifs capables de capter les ions lithium de la saumure. Parmi les matériaux développés, les adsorbants à base de titane ont montré une récupération de Li+ d'environ 90 % à partir de saumures à faible concentration. Cependant, des défis subsistent quant à la sélectivité (par exemple, la séparation Mg2+/Li+) et à la stabilité des adsorbants.
Le projet EuGeLi (European Geothermal Lithium Brine), financé par l'Institut européen d'innovation et de technologie, section Matières premières (EIT Raw Materials), visait à développer un procédé à l'échelle industrielle pour la co-production de lithium et d'énergie à partir de saumures géothermiques dans le fossé rhénan. ERAMET et l'IFPEN ont développé un procédé innovant qui utilise des colonnes d'extraction remplies d'un adsorbant qui élimine sélectivement le lithium de la saumure. Le projet s'est terminé avec succès par la production des premiers kilogrammes de carbonate de lithium de qualité batterie à partir d'eau géothermique européenne.
La séparation membranaire, en particulier l'osmose directe (FO), est considérée comme un axe de recherche clé. Les membranes de lithium sélectives, telles que le LISICON, démontrent une pureté de Li+ supérieure à 95 %, mais nécessitent des apports énergétiques élevés (environ 5-10 kWh/kg Li).
Le projet Ageli, développé par Eramet en partenariat avec Électricité de Strasbourg (ÉS), combine la performance de l'énergie géothermique avec l'un des procédés d'extraction de lithium de qualité batterie les plus efficaces au monde, breveté par Eramet. Ce procédé adapte la technologie développée pour les saumures géothermiques d'Alsace, en tenant compte des conditions de fonctionnement, notamment la pression et la température. Un pilote d'extraction directe de lithium sera installé sur la branche de réinjection d'un puits géothermique existant. Le lithium est ensuite récupéré par circulation d'eau légèrement saumâtre à travers des colonnes. Le résultat est une solution de lithium concentrée, qui est purifiée avant l'étape de précipitation du carbonate de lithium de qualité batterie.
Les méthodes électrochimiques peuvent également être utilisées pour extraire le lithium, mais elles impliquent souvent une consommation d'énergie significative. L'extraction par solvant, une autre technique, utilise des solvants organiques pour extraire sélectivement le lithium de la saumure.
L'extraction de lithium à partir de saumures géothermiques présente plusieurs avantages distincts par rapport aux méthodes traditionnelles :
Malgré ses avantages prometteurs, l'extraction du lithium géothermique est encore confrontée à des défis. Les concentrations de lithium dans les saumures géothermiques sont généralement plus faibles que dans les lacs salés. Les conditions de haute température et de forte salinité des saumures géothermiques posent des exigences techniques supplémentaires pour les matériaux et les équipements. Le développement de technologies d'extraction rentables et efficaces à l'échelle industrielle reste un objectif majeur.
Le projet UnLimited, financé par le ministère fédéral allemand de l'Économie et de l'Énergie, vise à développer la base technique et économique de l'extraction du lithium des eaux géothermiques chaudes en Allemagne. Des essais en laboratoire ont montré la faisabilité technique, et l'étape suivante consiste à tester la mise en œuvre sur le terrain et à déterminer la viabilité économique à plus grande échelle.
L'objectif final est de démontrer que l'extraction du lithium à partir de l'eau géothermique est durable et économiquement viable, tout en garantissant la qualité du lithium et en évitant tout rejet nocif dans l'environnement. L'estimation du volume de lithium dans le sous-sol géologique nécessite une compréhension approfondie des processus de libération du lithium dans le réservoir géothermique et de la taille du réservoir.
L'intégration industrielle de l'extraction du lithium géothermique et son association avec d'autres industries devraient façonner les tendances futures. La recherche continue et les projets pilotes, tels que ceux menés en Europe et aux États-Unis, sont essentiels pour surmonter les défis actuels et exploiter pleinement le potentiel de cette ressource renouvelable et stratégique. L'accent est mis sur la création d'une chaîne de valeur du lithium européenne durable, respectueuse de l'environnement et créatrice d'emplois, contribuant ainsi à la transition énergétique mondiale.
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