Det geotermiska fältet Salton Sea i Kalifornien har potentiellt tillräckligt med litium för att tillgodose alla USA:s inhemska batteribehov, med till och med tillräckligt mycket över för att exportera en del av det. Men hur mycket av det litiumet kan utvinnas på ett hållbart och miljövänligt sätt? Och hur länge räcker resursen? Det här är bara några av de frågor som forskare hoppas kunna besvara i ett nytt projekt som sponsras av det amerikanska energidepartementet (DOE).

Det finns för närvarande 11 kommersiella anläggningar vid Salton Sea-fältet som producerar geotermisk energi, en ren, förnybar energiform där heta vätskor pumpas upp från djupet under jorden och värmen sedan omvandlas till elektricitet. Normalt skulle den kylda vätskan helt enkelt återinjiceras under jorden, men tanken är att först extrahera litiumet från saltlösningen innan det injiceras tillbaka.

Med påtryckningar från Kalifornien och många andra stater och länder för att utöka användningen av elfordon (EVS), kommer efterfrågan på batterier – och det litium som behövs för att tillverka dessa batterier – att skjuta i höjden. Med nästan 1,2 miljoner USD i stöd från DOE:s Geothermal Technologies Office kommer forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Riverside och Geologica Geothermal Group, Inc. att arbeta tillsammans för att både kvantifiera och karakterisera litiumet i denna hypersalthaltiga geotermiska reservoar, belägen långt under jordens yta nära Saltonhavet i Imperial County.

Projektet är det första omfattande vetenskapliga försöket att kartlägga Kaliforniens så kallade "Lithium Valley" och försöka få en detaljerad förståelse av den mineralrika underjordiska saltlösningen vid Saltonhavets geotermiska system. Med hjälp av ett elektronmikroskop och andra avancerade analysverktyg hoppas de till exempel lära sig litiums mineralkällor och om stenarna kommer att "ladda om" saltlaken med litium efter att den har extraherats från de producerade vätskorna.

Projektgruppen kommer också att undersöka potentiella miljöpåverkan – för att kvantifiera hur mycket vatten och kemikalieanvändning som behövs för litiumutvinning, luftkvalitet under utvinningsprocessen och potentiell inducerad seismicitet från den tillhörande geotermiska energiproduktionen.

"Vi är glada över att finansiera Berkeley Lab för att utveckla denna rika och detaljerade analys av litiumresurspotentialen vid Saltonhavet. Detta projekt kommer att ge kritiska insikter om underytan som kommer att hjälpa oss att säkra en inhemsk litiumförsörjningskedja med hjälp av de mest miljömässigt ansvarsfulla, datadriven väg", säger Alexis McKittrick, programchef för hydrotermiska resurser på DOE:s geotermiska teknologikontor.

"Saltonhavets geotermiska system är den primära potentiella geotermiska resursen för litium i USA, och det är en resurs i världsklass", säger Pat Dobson, forskare från Berkeley Lab som leder projektet. "Men det finns ett brett utbud av uppskattningar när det gäller storleken på resursen, och inte heller en stor förståelse för var litiumet kommer ifrån, den hastighet med vilken det skulle minska över tiden med utvinning av litium från de geotermiska saltlösningarna, och om det skulle fyllas på av kvarvarande litium i värdstenarna."

För närvarande bryts det mesta av världens litiumförråd antingen från dagbrott, som är vanliga i Kina och Australien, eller utvinns från löneavlagringar, eller saltsjölägenheter, i Sydamerika. Litium erhålls från dessa enorma fyndigheter (den största lönen, som ligger i Bolivia, är lika stor som den "stora ön" Hawaii) helt enkelt genom att pumpa upp det grunda grundvattnet och låta det sitta i ett eller två år medan solen förångar vattnet .

Men båda dessa metoder har allvarliga miljöproblem förknippade med dem. "Vi tror att geotermiskt litium är ett av de minst miljöpåverkande sätten att erhålla litium", säger Dobson, expert på geotermisk energi och en viktig bidragsgivare till Berkeley Labs Lithium Resource Research and Innovation Center. "Vi vill förstå hur vi kan mildra eventuella miljöbiverkningar för att göra den ännu mer godartad."

"Lithiums Saudiarabien"

Den potentiella storleken på litiumtillgången vid Saltonhavet är häpnadsväckande. Guvernör Gavin Newsom kallade nyligen Kalifornien för "litiums Saudiarabien", och staten inrättade Lithium Valley Commission förra året för att undersöka och skriva en rapport om möjligheterna.

UC Riverside geokemist Michael McKibben, som har studerat Salton Sea geotermiska fält sedan 1970-talet, håller med om potentialen.

"Om du gör en baksida-av-kuvert-beräkning kan du övertyga dig själv om att det finns någonstans mellan 1 och 6 miljoner ton litium i det fältet," sa han. "Det skulle vara den största saltlösningskällan till litium i världen, större än någon enskild sydamerikansk löneinsättning. Så det är ett stort antal, och det betyder att potentialen finns där för — återigen, baksida-av-kuvertberäkningar — något i stil med 50 till 100 års litiumproduktion."

McKibben, professor emeritus, och Maryjo Brounce, biträdande professor vid institutionen för jord- och planetvetenskaper, leder UC Riverside-satsningen i detta projekt. Brounce, en petrolog till utbildning, kommer att använda instrumentering för att kartlägga var litiumet finns inom reservoarbergarterna och vilken form det är i. Denna geokemiska karakterisering kommer sedan att inkorporeras i modeller för att bedöma graden av återtillförsel av litium till geotermiska vätskor.

"Vi ska titta på hur snabbt du kan förvänta dig att resursen ska återskapas - är det århundraden? Decennier?" sa Brounce. "De kemiska reaktionshastigheterna kommer att bero på var i berget litium lagras ganska starkt, så det kan hjälpa till att skapa ett prediktivt verktyg."

Detta arbete kommer att komplettera geokemiska studier som utförs av forskare i Europa, som också undersöker potentialen hos geotermiska saltlösningar för att tillföra litium.

Starkt branschstöd

Flera företag har startat pilotverksamhet vid Saltonhavet för att utvinna litium, inklusive Berkshire Hathaway Energy (BHE) och Controlled Thermal Resources. (Berkeley Lab har projekt med båda under anslag från California Energy Commission.) För detta nya projekt kommer Berkeley Lab och UC Riverside att använda data från företag som är verksamma i området samt publicerade dokument och fältdata från delstaten Kaliforniens Geologic Energy Management (CalGEM) databaser.

"Vi behöver bättre data om saltlösningarnas kemi och deras litiuminnehåll och hur det är fördelat i termer av position och djup i det geotermiska fältet," sa McKibben. "Vi har bett geotermiska företag att dela sin saltlösningsdata med oss. Pat och hans grupp kommer att lägga det i en databas. Om vi ​​sedan kan använda databasen för att korrelera litiumkoncentrationen med saker som temperatur, kloritet och andra fysikaliska och kemiska parametrar kan vi faktiskt förutsäga hur mycket litium som kan finnas i saltlake i delar av fältet som inte har borrats helt ut ännu."

BHE har lovat att arbeta med forskargruppen. "BHE Renewables stöder denna forskningssatsning och ser fram emot att hjälpa Lawrence Berkeley National Laboratory med denna viktiga studie", säger Jonathan Weisgall, BHE:s vicepresident för regeringsrelationer.

Visionen är att litium från det geotermiska fältet som ligger nära Saltonhavet en dag kommer att utgöra grunden för en ny inhemsk batteriindustri i USA, som genererar välbehövlig ekonomisk tillväxt i Imperial County, länet med lägst inkomst per capita i Kalifornien.

"Vi måste få eleverna att förstå att de kan ha mycket lukrativa karriärer som involverar grön energi," sa McKibben. "Det här är en möjlighet att göra det."