De Dichtheid van Water Cruciaal voor Duurzame Lithiumwinning, Onderzoek Toont Aan

Open water in de zoutvlaktes is cruciaal voor veel verschillende soorten dieren.

Een van de grootste obstakels op de weg naar een koolstofarme energie toekomst wordt veroorzaakt door het zeldzame aardmetaal lithium, een essentieel onderdeel voor de batterijen die de overvloedige en duurzame energie van hernieuwbare bronnen kunnen opslaan.

Het element komt van nature voor als zout in zoute oases, genaamd salares, in enkele van de meest onherbergzame omgevingen ter wereld, waaronder de “Lithiumdriehoek” hoog in het droge Altiplano van Zuid-Amerika. Het mijnen van lithium heeft het potentieel om al gevoelige omgevingen te destabiliseren die zeldzame flora en fauna herbergen, evenals de inheemse gemeenschappen die deze plaatsen al lange tijd hun thuis noemen.

Uit eerder onderzoek van de Universiteit van Massachusetts Amherst bleek dat algemeen aanvaarde cijfers over de hoeveelheid water die uit salares kan worden onttrokken, de beschikbare hoeveelheid water met meer dan een factor tien overschatten. Een recent onderzoek, geleid door UMass Amherst afgestudeerde Daniel Corkran, onthult de voorheen onbekende fysieke mechanismen die duurzaam watergebruik beheersen. Het werpt ook een nieuw licht op enkele van de gangbare aannames over wat telt als duurzaam lithium mijnen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Water Resources Research. Het draait allemaal om locatie en waterdichtheid. “De vraag die deze studie echt aandreef, draait om een debat tussen twee verschillende partijen in deze droge bassins,” zegt Corkran.

“Sommigen beschouwen de soorten water die beschikbaar zijn in deze bassins—vers, brak en lithiumhoudend zoutwater (brine)—als één continue watervoorziening. Dit betekent dat wanneer lithiumbedrijven enorme hoeveelheden brine uit de salares pompen, ze een enorme hoeveelheid water gebruiken. Ze beweren dat dit gebruik grote gevolgen zal hebben voor alle andere waterbehoeften, zowel ecologisch als menselijk.”

“Aan de andere kant hebben lithiumbedrijven erop gewezen dat de brine 200 keer zouter is dan zeewater en dus geen leven kan ondersteunen. Daarom is alleen het vers water in deze salares van belang, en aangezien lithium niet voorkomt in de verse waterdelen van de salares, is er niets om je zorgen over te maken. Gezien de grote kloof tussen de twee conceptualisaties en de implicaties voor duurzaam watergebruik, hebben we besloten beide hypothesen te testen.”

Om dit te doen, ontwierpen Corkran en zijn co-auteurs, waaronder leden van David Boutt’s Hydrogeology Group aan UMass Amherst en samenwerkingspartners van de Universiteit van Alaska Fairbanks en de Universiteit van Dayton, eerst een reeks extreem complexe model simulaties om de effecten van lithium- en freshwater-pompen over de komende 200 jaar te projecteren, over een breed scala aan klimatologische scenario’s en geologische instellingen.

Vervolgens controleerden ze hun gemodelleerde resultaten aan de hand van satellietgegevens van salares in twee verschillende regio’s van de Lithiumdriehoek, de bron van meer dan de helft van de wereldwijde lithiumbronnen. Elk van deze salares steunt op een andere manier van lithiumwinning: de traditionele verdampingsmethode, waarbij brine wordt verdampt, en directe lithiumextractie (DLE), die de brine behoudt maar tot 200% meer vers water kan gebruiken.

“Corkran’s systematische evaluaties onthulden twee nieuwe processen,” zegt Boutt, professor in de aardwetenschappen, geografische en klimaatswetenschappen aan UMass Amherst en de senior auteur van het artikel.

Het eerste betreft “waar” in de salar mijnbouwbedrijven hun water pompen. De traditionele opvatting over de relatie tussen water en duurzaamheid houdt in dat je verantwoord slechts zoveel water kunt gebruiken als er binnenkomt, en dat het beter is om dit nieuwe water te gebruiken, niet het oudere water dat in de aquifer is opgeslagen.

Maar salares bestaan uit zowel verse waterdelen, gelegen aan de rand van het bekken nabij de plaatsen waar vers grondwater de wetlands aanvult, als zoute delen in het centrum van het bekken, met een overgangszone ertussen. Corkran ontdekte dat hoe dichter een bedrijf bij het verse water pompt, des te groter de impact is op de wetlands van de salar en des te sneller de kusten ervan terugtrekken.

“Het verse water is wat we niet zouden moeten aanraken,” zegt Boutt, die erop wijst dat zowel de lokale landbouw als bedrijven die andere edelmetalen zoals koper mijnen, evenals de nieuwere DLE-methoden voor het verzamelen van lithium, mogelijk een buitensporige impact op de salares hebben.

“In plaats daarvan,” zegt Corkran, “moeten bedrijven water pompen van de zoutere delen die ze kunnen vinden.” Dit brengt ons bij de verrassende speler in dit verhaal—dichtheid.

Denk na over wat er met water gebeurt wanneer je het bevriest. Vul een glazen pot met vers kraanwater, sluit deze goed af en leg deze vervolgens een nacht in de vriezer. Wanneer je ’s ochtends kijkt, zie je een gebroken pot omdat vers water dichter is dan ijs. Terwijl het water bevroor, breidde het uit, won het aan volume, verloor het aan dichtheid en brak de pot, hoewel het aantal watermoleculen in de pot hetzelfde bleef.

Iets soortgelijk gebeurt in de salares. Zoutwater is dichter dan vers water. Per gewicht neemt het minder ruimte in het salar in beslag. Dit betekent dat wanneer mijnbouwbedrijven dichte, laagvolume zoutwater uitpompen, de effecten op de waterstanden worden afgezwakt. Maar als ze minder dicht, hoogvolume vers water uitpompen, worden de effecten op de waterstanden vergroot.

Met andere woorden, je kunt meer zoutwater pompen met minder effect; maar als je vers water pompt, lijken de op grondwater afhankelijke wetlands van de salar te smelten.

Corkran en zijn collega’s bevestigden deze conclusie met metingen van twee wetlands gelegen in verschillende salares: de Diffuse South Tumisa Discharge Zone in Salar de Atacama en de Rio Trapiche Vega in Salar del Hombre Muerto.

“Wat dit alles betekent,” zegt Boutt, “is dat we ons niet al te veel zorgen hoeven te maken over het pompen van brine. Maar we moeten heel voorzichtig zijn met elk gebruik van vers water—of het nu voor mijnbouw, landbouw of een ander gebruik is. En als we besluiten om volop in te zetten op DLE-technologie voor lithium, moeten we rekening houden met de behoefte aan vers water.”