Lithium rất quan trọng cho quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo, nhưng việc khai thác rất tốn kém về mặt môi trường. Giờ đây, một nguồn lithium bền vững hơn đã được tìm thấy sâu dưới chân chúng ta.
Hạt Cornwall ở miền Nam nước Anh năm 1864. Một suối nước nóng được phát hiện gần 450m dưới mặt đất ở Wheal Clifford, một mỏ đồng nằm ngay bên ngoài thị trấn khai thác Redruth thuộc hạt Cornwall. Các chai thủy tinh được ngâm đến tận cổ trong nước sủi bọt của nó, được niêm phong cẩn thận và gửi đi kiểm tra. Kết quả là việc phát hiện ra một lượng lớn lithium – gấp 8 hoặc 10 lần so với lượng lithium được tìm thấy trong bất kỳ suối nước nóng nào được phân tích trước đây – đến nỗi các nhà khoa học nghi ngờ “nó có thể có giá trị thương mại lớn”.
Nhưng nước Anh ở thế kỷ 19 có rất ít nhu cầu về nguyên tố này, và nước giàu lithium ở nhiệt độ 122oC này tiếp tục sôi trong bóng tối trong hơn 150 năm. Nhanh chóng chuyển tiếp sang mùa thu năm 2020 và một địa điểm gần Wheal Clifford ở Cornwall được xác nhận là có một số loại lithium cao nhất thế giới trong vùng nước địa nhiệt. Việc sử dụng thương mại cho lithium trong thế kỷ 21 trở nên rõ ràng hơn.
Nó không chỉ được tìm thấy bên trong smartphone và laptop, mà hiện nay rất quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng sạch, đối với các loại pin cung cấp năng lượng cho ô tô điện và lưu trữ năng lượng để năng lượng tái tạo có thể được giải phóng ổn định và đáng tin cậy. Nhu cầu đã tăng vọt trong những năm gần đây khi các nhà sản xuất ô tô chuyển sang sử dụng ô tô điện, khi nhiều quốc gia bao gồm Anh, Thụy Điển, Hà Lan, Pháp, Na Uy và Canada tuyên bố loại bỏ ô tô động cơ đốt trong.
Trên thực tế, lượng lithium nhiều hơn gấp 5 lần so với lượng lithium được khai thác hiện nay sẽ là cần thiết để đáp ứng các mục tiêu khí hậu toàn cầu vào năm 2050, theo Ngân hàng Thế giới (WB). Nhưng có một vấn đề lớn. Việc thu được lithium bằng các phương pháp thông thường sẽ gây ra tổn thất về môi trường, hay đúng hơn là 3 vấn đề lớn: phát thải carbon, ô nhiễm nước và đất. Lithium hiện có nguồn gốc chủ yếu từ các mỏ đá cứng, chẳng hạn như ở Úc, hoặc các hồ chứa nước muối ngầm dưới bề mặt lòng hồ khô, chủ yếu ở Chile và Argentina.
Khai thác đá cứng – nơi khoáng sản được khai thác từ các mỏ lộ thiên – để lại những vết sẹo trong cảnh quan, đòi hỏi một lượng lớn nước và thải ra 15 tấn CO2 cho mỗi tấn lithium – theo một phân tích của toàn bộ quá trình sản xuất lithium bởi các chuyên gia nguyên liệu Minviro. Phương án thông thường khác, chiết xuất lithium từ các hồ chứa dưới lòng đất, dựa vào nhiều nước hơn để chiết xuất lithium – và nó diễn ra ở những nơi thường rất khan hiếm nước trên thế giới, khiến các cộng đồng bản địa đặt câu hỏi về tính bền vững của chúng.
Việc chiết xuất lithium từ các vùng nước địa nhiệt – không chỉ được tìm thấy ở Cornwall, mà cả Đức và Mỹ – có một dấu ấn môi trường rất nhỏ so với môi trường, bao gồm lượng khí thải carbon rất thấp. Nước muối địa nhiệt là một dung dịch muối đậm đặc, nóng đã lưu thông qua các tảng đá rất nóng và trở nên giàu các nguyên tố như liti, bo và kali. Nói cách khác, quá trình khai thác lithium từ đá rắn tốn nhiều năng lượng được cung cấp năng lượng địa nhiệt tự nhiên. Nước muối trong các mỏ ở Cornish có nồng độ lên tới 260 miligam/lít, chảy với tốc độ từ 40-60 lít (8,1 đến 13,7 gallon) mỗi giây.
Theo ước tính của Cornish Lithium, điều đó tính ra khoảng đủ lithium cho một pin điện thoại thông minh điển hình (2-3g) đi qua quy trình sản xuất vài giây một lần. Nhu cầu đối với lithium có ảnh hưởng đến môi trường thấp hơn dường như đang tăng lên. Alex Keynes, giám đốc Liên đoàn Giao thông và Môi trường châu Âu (thường được gọi là Giao thông & Môi trường – T&E) có trụ sở tại Brussels (Bỉ), cho biết các nhà sản xuất ô tô bao gồm Mercedes-Benz và Volkswagen đang bắt đầu suy nghĩ về tác động môi trường và xã hội của chuỗi cung ứng ô tô điện của họ.
Keynes cho biết sử dụng lithium đã được lưu hành – từ pin tái chế và thiết bị điện tử – sẽ thích hợp hơn để khai thác nhiều hơn. Keynes cho biết: “Với nhu cầu khổng lồ mà chúng ta có thể thấy trong những năm tới, [điều đó] có nghĩa là chúng ta cần một số chiết xuất và việc thu hồi lithium từ nước muối địa nhiệt có vẻ rất hứa hẹn”.
Khám phá năm 1864 về lithium cuối cùng có thể sắp đơm hoa kết trái. Cornish Lithium, một công ty được thành lập bởi cựu giám đốc ngân hàng đầu tư Jeremy Wrathall vào năm 2016, đang thực hiện kế hoạch khai thác các nguồn lithium quan trọng tiềm năng từ nước muối trong các mỏ nổi tiếng của khu vực gần Redruth. Nó có 2 địa điểm chính đang được phát triển – trong đó một là tại nhà máy địa nhiệt sâu, nơi nó đang hợp tác với nhà phát triển năng lượng Geothermal Engineering.
Các công ty năng lượng đã lên kế hoạch để sản xuất nhiệt zero-carbon và năng lượng từ nước nóng cùng có chứa lithium. Nước tại địa điểm này cũng có hàm lượng hợp chất natri và magiê thấp, đây là một dấu hiệu đầy hứa hẹn vì những khoáng chất này khiến việc khai thác lithium trở nên khó khăn và tốn kém hơn. Vào tháng 8.2020, dự án đã giành được 4 triệu bảng Anh (5,3 triệu USD) từ Chính phủ Anh, cho phép một nhà máy khai thác lithium thí điểm được xây dựng trong vài năm tới. Các địa điểm địa nhiệt lithium thứ hai nằm bên cạnh các dự án United Downs, và đánh giá về tiềm năng khai thác lithium ở độ sâu nông khoảng 1km đang được tiến hành.
Công ty cũng đang khám phá tiềm năng khai thác lithium từ đá granit ở vùng đất sét của Cornwall, gần St Austell. Lucy Crane, nhà địa chất cao cấp của Cornish Lithium, cho biết việc khai thác lithium từ các vùng nước địa nhiệt của Cornwall đã có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ công nghệ trong cả thăm dò và khai thác. Nhóm nghiên cứu đang sử dụng nhiều nguồn dữ liệu khác nhau để xác định các vị trí có thể có của lithium.
Crane nói: “Cornwall có một di sản khai thác tuyệt vời cách đây 4.500 năm, có nghĩa là có rất nhiều thông tin về bề mặt dưới đáy biển. Một số bản đồ lịch sử được vẽ bằng tay trên những mảnh vellum lớn (da động vật được sử dụng trong lịch sử để viết). Các nhà lưu trữ của Cornish Lithium chụp ảnh nó và ghép nó với nhau bằng kỹ thuật số để thông tin địa chất có thể được ghi lại ở dạng 3D.
Điều đó cho phép dữ liệu từ những năm 1860, 1900 và 1960 được kết hợp và phủ lên thông tin hiện đại từ vệ tinh và máy bay không người lái. Crane nói: “Đây là một cách thực sự mạnh mẽ để kết hợp các bộ dữ liệu và cho phép bạn nhắm mục tiêu hiệu quả nơi bạn muốn thực hiện khám phá trên mặt đất. Sau đó, khi bắt đầu khoan, chúng tôi chắc chắn sẽ tìm thấy thứ gì đó. Điều đó tốt hơn từ quan điểm kinh tế, nhưng cũng giảm thiểu tác động đến môi trường của quá trình thăm dò”.
Những tiến bộ công nghệ cũng đang giúp cho việc chiết xuất lithium từ nước muối. Nhóm đang có kế hoạch sử dụng một kỹ thuật được gọi là Khai thác Lithium Trực tiếp (DLE), đã được phát triển bởi các công ty khác nhau ở Mỹ, Đức và New Zealand. Có tới 60 biến thể của công nghệ DLE, theo Jade Cove, một công ty tư vấn có trụ sở tại San Francisco theo dõi công nghệ khai thác và năng lượng mới. Nhưng quy trình cơ bản liên quan đến việc sử dụng các kỹ thuật như lọc nano hoặc nhựa trao đổi ion – hoạt động giống như một cái rây hóa học để thu gom chọn lọc chỉ lithium clorua (dạng chính mà lithium được tìm thấy trong nước muối), để lại các muối khác trong nước.
Ví dụ, clorua lithium được lấy ra từ sàng bằng cách rửa các hạt nhựa bằng nước tinh khiết và bơm nước còn lại vào lòng đất qua các lỗ khoan. Sau đó, clorua lithium được tinh chế và cô đặc để tạo ra hiđroxit liti, được sử dụng để sản xuất pin. Nhưng đây không phải là cách duy nhất để lấy lithium từ nước muối địa nhiệt. Tại Mỹ, William Stringfellow, Giám đốc Chương trình Nghiên cứu Kỹ thuật Sinh thái tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab – LBNL) ở Mỹ, đang tiến hành nghiên cứu cho Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) về các phương pháp khác nhau để chiết xuất lithium từ nước muối.
Một cách tiếp cận là chiết xuất lithium từ nước muối bằng cách sử dụng dung môi được thiết kế để thu thập các ion lithium, trong khi các phương pháp khác bao gồm việc sử dụng các màng chỉ cho phép các ion lithium đi qua và tách điện hóa, nơi các ion lithium được hút tới các điện cực tích điện. Stringfellow nói: “Vì vậy, DLE không nhất thiết phải là công nghệ duy nhất, nhưng đó là công nghệ đầu tiên được áp dụng. Mỗi phương pháp đều có một trở ngại chính để điều hướng – chỉ đưa lithium ra khỏi nước”.
Có rất nhiều vật liệu khác trong nước muối có khả năng gây trở ngại cho quá trình chiết xuất lithium [như natri và magiê], vì vậy bạn phải kiểm soát và loại bỏ chúng. Mỹ và Đức cũng là những điểm nghiên cứu và phát triển về khai thác lithium địa nhiệt. Khu vực xung quanh Biển Salton, một hồ nước nông ở trung tâm California và là cánh đồng địa nhiệt lớn thứ hai ở Mỹ, được mệnh danh là “thung lũng lithium”.
Ủy ban Năng lượng California đã ước tính rằng mỏ này có thể cung cấp 40% nhu cầu lithium toàn cầu. Trong nghiên cứu được công bố vào tháng 3-2020, ủy ban dự báo nguồn cung lithium cacbonat của khu vực là hơn 600.000 tấn một năm, có thể tạo ra 7,2 tỷ USD một năm vào khoảng 12.000 USD một tấn. Hy vọng là việc khai thác lithium không chỉ có thể cung cấp nguồn lithium nội địa, sạch hơn cho pin, nhưng cũng cải thiện đáng kể tính kinh tế của việc sản xuất điện tái tạo từ các nguồn địa nhiệt, hiện chỉ sản xuất 6% điện năng của California và rất tốn kém để phát triển.
Stringfellow nói: “Mọi người đều có rất nhiều ngôi sao trong mắt họ, nó giống như một cơn sốt tìm vàng mới. Đây là một khu vực kinh tế suy thoái, vì vậy mọi người rất vui mừng về thực tế là nếu họ bán lithium, nó sẽ dẫn đến sự bùng nổ kinh tế”. Cũng có một dự đoán tương tự ở Đức, nơi Thung lũng Rhine là trung tâm của ngành công nghiệp địa nhiệt lithium non trẻ của đất nước. Nhà phát triển điện lithiumvà địa nhiệt Vulcan Energy Resources có kế hoạch bơm nước muối địa nhiệt nóng lên bề mặt và sử dụng nhiệt để cung cấp năng lượng cho quá trình khai thác lithium của nó, và cung cấp lại lượng dư thừa vào lưới điện.
Vào tháng 11-2020, Vulcan Energy Resources thông báo rằng địa điểm chính của họ có trữ lượng đáng kể, với nồng độ lithium là 181 miligam/lít. Nó sẽ thực hiện một nghiên cứu khả thi đầy đủ vào năm 2021, với mục tiêu mở rộng quy mô sản xuất thương mại hoàn toàn lithium vào năm 2023-2024. “Chúng tôi có một nguồn lực đủ lớn để đáp ứng một lượng rất lớn nhu cầu ở các thị trường châu Âu ở đây trong nhiều, nhiều năm tới”, giám đốc điều hành của Vulcan, Francis Wedin, nói trong một hội nghị ngành vào tháng 10-2020.
Thung lũng Rhine nằm ở trung tâm khu vực sản xuất ô tô của Đức, một vị trí sẽ mang lại lợi thế kinh doanh cho nhà máy lithium trong việc cung cấp các nhà sản xuất ô tô điện. Nhưng nó cũng làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon liên quan đến việc vận chuyển lithium từ nước ngoài, Wedin lưu ý. Do đó, công ty có kế hoạch tiếp thị lithium của mình là “không carbon”. Trở lại Cornwall, không carbon cũng là mục tiêu cho quy trình sản xuất của Cornish Lithium, quy trình mà nó hình dung sẽ được cung cấp năng lượng bằng nhiệt địa nhiệt.
Và nếu dự án thử nghiệm thành công, Cornish Lithium tin tưởng rằng các nhà máy có thể được phát triển trên toàn khu vực. Crane nói: “Tất cả các công nghệ sạch mà chúng ta cần để chống lại biến đổi khí hậu – cho dù đó là tuabin gió, tấm pin năng lượng mặt trời hay pin, chúng đều thực sự, thực sự giàu khoáng chất. Chúng ta cần đảm bảo rằng chúng tôi trích xuất những tài liệu này một cách có trách nhiệm nhất có thể, nếu không, nó sẽ giảm thiểu lý do để xây dựng những công nghệ này ngay từ đầu”. Nói chung, có thể vẫn còn vài năm nữa trước khi pin được sản xuất bằng “lithium không-carbon” cung cấp năng lượng cho ô tô của bạn hoặc các thiết bị khác.
Cơn sốt litthium trên toàn cầu
Những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm lượng khí thải đã thúc đẩy nhu cầu về công nghệ như ô tô điện, điều này đã làm tăng nhu cầu về lithium cần thiết cho pin. Ngoài việc sản xuất pin năng lượng, Lithium còn là thành phần trong hợp kim sản xuất máy bay, tàu điện, xe cộ các loại và áo giáp. Hợp chất của Lithium cũng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất gốm sứ và kính, chất làm lạnh, chất bôi trơn, pháo hoa và cả trong y tế.
Thành phần quan trọng nhất của bất cứ pin di động nào hiện nay là kim loại Lithium, tên hóa học viết tắt Li. Kim loại có màu xám bạc, mềm và là kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn. Pin Lithium có khả năng hoạt động với điện áp cao và mật độ lưu trữ năng lượng lớn. Ấn Độ cũng đang đẩy mạnh sản xuất pin lithium bằng cách đầu tư 4 tỷ USD vào 4 nhà máy sản xuất lithium. Nhu cầu gia tăng này đã khiến các công ty khai thác mỏ đầu tư mạnh vào các dự án khai thác lithium trên khắp thế giới, với hy vọng tận dụng sự chuyển dịch toàn cầu sang các công nghệ tái tạo.
Kể từ năm 2017, 6 mỏ lithium đã được mở ở Australia và một số mỏ lithium lớn nhất thế giới đang được phát triển để đảm bảo nguồn cung kim loại liên tục trong tương lai. Bo Normark, giám đốc điều hành chiến lược công nghiệp tại công ty đổi mới châu Âu InnoEnergy, cho biết: “Nhu cầu Lithium chắc chắn sẽ tăng lên khi sản lượng pin tăng lên.
Tuy nhiên, tăng trưởng nhu cầu sẽ bị kìm hãm do thời gian xây dựng các nhà máy mới tăng lên và sau đó đưa chúng vào hoạt động hết công suất. Dựa trên các kế hoạch hiện tại, dự kiến nguồn cung lithium sẽ theo kịp nhu cầu trong 5 năm tới. Sau đó, mối lo ngại ngày càng tăng, rằng sẽ có tình trạng cung không đủ cầu cho thị trường pin”. Benchmark cũng dự đoán rằng nhu cầu lithium sẽ đạt 2,2 triệu tấn vào năm 2030, nhưng nguồn cung lithium chỉ được dự báo đạt 1,67 triệu tấn, dẫn đến thâm hụt đáng kể.
Để bù đắp cho sự thâm hụt nguyên liệu này, một số công ty khai thác và năng lượng đã đầu tư vào các giải pháp thay thế cho lithium để cung cấp năng lượng cho sự bùng nổ pin. Hơn một nửa nguồn tài nguyên lithium trên trái đất được xác định nằm ở “tam giác lithium” Nam Mỹ, đặc biệt tập trung ở những hồ trên cao và những mỏ muối trắng bạc đẹp như thiên đường nằm giữa Chile, Argentina và Bolivia.
Riêng Bolivia tuyên bố sở hữu 70% trữ lượng lithium thế giới, nguồn nguyên liệu rất quan trọng đối với các loại xe điện, chủ yếu ở vùng Salar de Uyuni, khu vực có độ cao 3.600m trên mực nước biển và có lượng mưa lớn. Điều kiện tự nhiên ở đây không phù hợp để khai thác lithium như các khu mỏ ở Sa mạc Atacama của Chile và vùng Hombre Muerto của Argentina.
Trong một báo cáo năm 2020, Ngân hàng Goldman Sachs đánh giá hợp chất Lithium carbonate chế tạo từ Lithium có giá trị kinh tế và chính trị tương đương với giá trị của nhiên liệu xăng trong thế kỷ XX. Cũng theo Goldman Sachs, chỉ cần gia tăng 1% sản lượng ô tô điện của thế giới sẽ kéo theo sự gia tăng hơn 40% nhu cầu sản lượng Lithium trên toàn cầu.
Trước ngã tư của phát triển công nghệ và đổi mới năng lượng sạch, sự quan tâm đến pin lithium tiếp tục thu hút được sức hút trên thị trường toàn cầu. Sử dụng kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, pin lithium có tiềm năng to lớn trong các lĩnh vực công nghệ xanh, sản xuất và lưu trữ điện năng. Với dung lượng sạc lớn và tuổi thọ kéo dài, pin lithium ngày càng được coi là công nghệ thay đổi cuộc chơi đối với một số ngành công nghiệp.
Các chuyên gia xác định pin Li-ion là “dẫn đầu thị trường trong các thiết bị điện tử cầm tay”. Các chuyên gia cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của công nghệ Li-ion trong cuộc trò chuyện về năng lượng sạch, vì “phần lớn lời hứa của công nghệ Li-ion đến từ các ứng dụng tiềm năng của chúng trong ô tô chạy bằng pin”. E3 Metals Corp, một công ty năng lượng sáng tạo được thành lập vào năm 1998 và đặt trụ sở tại tình Alberta miền tây Canada, tin rằng lithium là tương lai.
Chris Doornbos, Chủ tịch & Giám đốc điều hành của E3 Metals Corp cho biết: “Khi bạn có một ứng dụng di động, một chiếc điện thoại, một chiếc xe hơi, một công cụ điện năng. Nó nhẹ, mật độ năng lượng cao. Nó là pin của sự lựa chọn”. Sử dụng công nghệ chiết xuất lithium của riêng mình, E3 Metals có thể chiết xuất lithium từ nước muối trong hồ chứa Leduc với độ chính xác cao, tạo ra dung dịch giàu lithium hầu như không có tạp chất.
Công ty hiện đang theo đuổi việc thương mại hóa công nghệ này, điều này sẽ cho phép mở rộng hơn nữa sang nguồn tài nguyên phong phú ở Alberta này. Lợi thế của Alberta cũng đề cập đến cơ hội mà E3 Metals Corp có được để tái sử dụng cơ sở hạ tầng dầu khí hiện có để sử dụng cho việc khai thác và sản xuất lithium hydroxit cấp pin. Theo Doornbos, Alberta đang ở vị trí để đa dạng hóa và lấp đầy những khoảng trống hiện có trong nền kinh tế bằng cách chuyển đổi sang sản xuất lithium cùng với dầu và khí đốt, đồng thời sử dụng lực lượng lao động hiện có.
Ông nói: “Alberta có thể sản xuất cả hai và chúng tôi sẽ sản xuất cả hai trong một thời gian dài, và điều đó có nghĩa là chúng tôi sẽ có một nền kinh tế mạnh hơn, lành mạnh hơn mà không cần phải trang bị lại toàn bộ lực lượng lao động”. E3 Metals tin rằng năm 2020 sẽ là một năm của những câu chuyện về lithium, đặc trưng bởi sự mở rộng và phát triển hơn nữa các nguồn lithium của Alberta. Doornbos mong đợi sự phát triển không ngừng của E3 Metals Corp và làm việc với các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp khác, những người tin rằng pin lithium-ion có vai trò quan trọng trong tương lai chúng ta.
