Comment la géothermie pourrait transformer la production de lithium en Europe

Sur la voie de la neutralité climatique, l’Europe aura besoin de grandes quantités de lithium pour les systèmes de stockage d’énergie par batteries. Cependant, jusqu’à présent, sa part dans le volume mondial d’extraction de lithium n’a été que d’un pour cent. C’est pourquoi des chercheurs du KIT étudient des méthodes pour extraire le lithium à partir de sources géothermiques.

Potentiel de la production de lithium géothermique

« En théorie, les centrales géothermiques de la vallée du Rhin supérieur et du bassin nord-allemand pourraient couvrir entre 2 et 12 % de la demande annuelle de lithium en Allemagne », déclare Valentin Goldberg de l’Institut des géosciences appliquées (AGW) du KIT. Lui et son équipe ont calculé ce potentiel sur la base d’une analyse de données approfondie.

Cependant, il n’était pas clair pendant combien de temps l’extraction serait possible. Une autre étude des chercheurs offre maintenant une perspective optimiste.

« Selon nos résultats, l’extraction de lithium sera possible pendant de nombreuses années avec un faible coût environnemental », affirme Goldberg. « Le modèle développé pour notre étude décrit l’extraction de lithium dans la vallée du Rhin supérieur. Mais les paramètres sont choisis de manière à pouvoir être transférés à d’autres systèmes de jointure. »

Modélisation de la production de lithium géothermique

L’extraction du lithium à partir des eaux thermales n’est pas un type d’exploitation minière conventionnel. C’est pourquoi aucune méthode conventionnelle n’a pu être appliquée pour l’analyse.

« Le lithium dissous dans l’eau existe dans un réseau complexe de joints et de cavités dans la roche. Cependant, il ne peut être accessible qu’à certains points via des puits individuels », explique le Dr Fabian Nitschke, AGW, qui a également participé à cette étude. « La dimension du réservoir dépend donc de la quantité d’eau qui peut être extraite hydrauliquement par les puits. »

Pour calculer le potentiel de production de lithium, les chercheurs ont dû prendre en compte le volume potentiel d’extraction d’eau, sa concentration en lithium et l’extraction de lithium par unité de temps.

« Nous utilisons un modèle de transport dynamique adapté aux conditions souterraines de la vallée du Rhin supérieur. Il couple les processus thermiques, hydrauliques et chimiques. Des modèles similaires sont connus dans l’industrie pétrolière et gazière, mais n’ont pas encore été appliqués au lithium », souligne Nitschke.

Extraction continue de lithium possible pendant des décennies

Lors de l’utilisation de l’énergie géothermique, l’eau extraite est réinjectée dans le sol par un second forage. Les chercheurs voulaient savoir si la concentration en lithium de l’eau profonde diminuait avec le temps. Les résultats montrent que la concentration en lithium dans le puits d’extraction diminue de 30 à 50 % au cours du premier tiers de la période d’investigation de 30 ans, car l’eau profonde est diluée par l’eau renvoyée. Ensuite, la concentration en lithium reste constante.

« Cela peut être attribué au système de jointure ouvert qui approvisionne continuellement en eau profonde fraîche provenant d’autres directions », explique Nitschke. La modélisation suggère que l’extraction continue de lithium sera possible pendant des décennies.

Investissement judicieux pour un avenir durable

Thomas Kohl, de l’AGW, qui dirige les activités de recherche correspondantes en tant que professeur d’énergie géothermique et de technologie des réservoirs, considère les résultats de la recherche comme un argument supplémentaire en faveur d’une large utilisation de l’énergie géothermique.

« Nous savions déjà que les sources géothermiques peuvent fournir de l’énergie renouvelable capable de répondre à la demande de base pendant des décennies. Notre étude révèle maintenant qu’une seule centrale dans la vallée du Rhin supérieur pourrait couvrir jusqu’à 3 % de la consommation annuelle de lithium en Allemagne. »

Le groupe de Kohl travaille maintenant sur des solutions pour la mise en œuvre pratique. Récemment, il a publié une étude dans Desalination sur le traitement préliminaire de l’eau thermale pour l’extraction des ressources.

« La prochaine étape consiste maintenant à transférer cette technologie à l’échelle industrielle », conclut Kohl.

En synthèse

Les recherches du KIT montrent que l’extraction de lithium à partir de sources géothermiques pourrait contribuer à répondre à la demande en lithium en Europe, avec un faible coût environnemental. Les modèles développés suggèrent que l’extraction continue de lithium sera possible pendant des décennies, offrant une perspective optimiste pour l’avenir de la production de lithium et de l’énergie géothermique.

Pour une meilleure compréhension

1. Quel est le potentiel de la production de lithium géothermique en Europe ?

Les centrales géothermiques de la vallée du Rhin supérieur et du bassin nord-allemand pourraient couvrir entre 2 et 12 % de la demande annuelle de lithium en Allemagne.

2. Comment fonctionne l’extraction de lithium à partir de sources géothermiques ?

Le lithium dissous dans l’eau existe dans un réseau complexe de joints et de cavités dans la roche. Il peut être extrait à certains points via des puits individuels.

3. Quelle est la durée de l’extraction de lithium à partir de sources géothermiques ?

Les chercheurs ont découvert que l’extraction de lithium sera possible pendant de nombreuses années avec un faible coût environnemental.

4. Comment la concentration en lithium évolue-t-elle au fil du temps ?

La concentration en lithium dans le puits d’extraction diminue de 30 à 50 % au cours du premier tiers de la période d’investigation de 30 ans, puis reste constante.

5. Quelles sont les prochaines étapes pour la mise en œuvre pratique de cette technologie ?

Les chercheurs travaillent actuellement sur des solutions pour la mise en œuvre pratique de l’extraction de lithium à partir de sources géothermiques à l’échelle industrielle.

Légende illustration principale : Épandage d’eau thermale appauvrie en lithium autour du puits d’injection le long de la zone de faille après 30 ans. (Graphiques : Valentin Goldberg et Fabian Nitschke)

Publications

Goldberg, V.; Dashti, A.; Egert, R.; Benny, B.; Kohl, T.; Nitschke, F.: Challenges and Opportunities for Lithium Extraction from Geothermal Systems in Germany – Part 3: The Return of the Extraction Brine. Energies, 2023. DOI: 10.3390/en16165899 |

Goldberg, V.; Winter, D.; Nitschke, F.; Held, S.; Groß, F.; Pfeiffle, D.; Uhde, J.; Morata, D.; Koschikowski, J.; Kohl, T.: Development of a continuous silica treatment strategy for metal extraction processes in operating geothermal plants. Desalination, 2023. DOI: 10.1016/j.desal.2023.116775