Krytycznie o metalach
Transformacja energetyczna, u progu której stoi Unia Europejska, wymaga dostępu do wielu surowców mineralnych (głównie metalicznych), uznanych przez UE za krytyczne (ang. CRM – Critical Raw Materials, pol. surowce krytyczne). Ich „krytyczność” wynika z tego, że są one niezbędne w rozwoju gospodarki wspólnoty europejskiej (w tym branż strategicznych, takich jak energia odnawialna, technologie cyfrowe, lotnictwo i obronność) i jednocześnie dostęp do nich jest znacznie ograniczony. W wielu przypadkach bowiem ma miejsce silna koncentracja ich produkcji w kilku zaledwie państwach świata. Obecnie w zdecydowanej większości są one importowane z krajów, w których etyka i bezpieczeństwo pracy oraz poszanowanie zasad zrównoważonego gospodarowania środowiskiem nie są respektowane. Sytuację pogarsza brak dobrych, przystępnych cenowo substytutów. Pierwsza – opublikowana przez Komisję Europejską w 2011 roku – lista surowców krytycznych obejmowała zaledwie 11 surowców. Ostatnia lista z roku 2023 została poszerzona do 34 pozycji. Na przestrzeni kilkunastu lat obserwujemy więc niezwykle szybko pogarszającą się sytuację w zakresie dostępności tych surowców mineralnych. W ostatnim czasie dostawy surowców krytycznych zostały dodatkowo obarczone ryzykiem z uwagi na niestabilną sytuację geopolityczną. Przykładowo – 79% światowej produkcji litu pochodzi z Chile, a 63% kobaltu z Demokratycznej Republiki Konga. Chiny odpowiadają za niemal całą produkcję REE i magnezu, a Republika Południowej Afryki zdominowała produkcję platynowców.
Jednocześnie aktualny popyt na surowce krytyczne jest najwyższy w historii i zgodnie z przewidywaniami w najbliższym czasie będzie wzrastał. Szacuje się, że popyt UE na metale ziem rzadkich wzrośnie sześciokrotnie do 2030 r. i siedmiokrotnie do 2050 r., a w przypadku litu – dwunastokrotnie do 2030 r. i dwudziestojednokrotnie do 2050 r. Obecnie Europa jest w przeważającym stopniu uzależniona od importu, często z jednego państwa, a niedawne kryzysy uwypukliły strategiczne zależności UE w tym obszarze. Bez wspólnych i terminowych działań zagrożony jest dobrze funkcjonujący jednolity i konkurencyjny rynek oraz wysiłki UE na rzecz osiągnięcia celów klimatycznych.
Alternatywne rozwiązania
W odpowiedzi na powyższe problemy, ostatnie kilka lat to rozwój projektów badawczych ukierunkowanych na pozyskiwanie surowców krytycznych z innych alternatywnych źródeł, w tym z roztworów geotermalnych. Obecnie rozwój wykorzystania energii geotermalnej koncentruje się na trzech głównych kierunkach: wykorzystanie bezpośrednie (np. balneoterapia, ciepłownictwo), produkcja energii elektrycznej oraz odzysk substancji mineralnych (np. SiO2, Na, K, Ca, Mg) i metali. O wyborze kierunku decyduje przede wszystkim temperatura (im wyższa tym wyższy potencjał do produkcji energii elektrycznej) oraz mineralizacja. Przez długie lata wody geotermalne o wysokiej mineralizacji (silnie zasolone) nie były atrakcyjne z punktu widzenia ich tradycyjnego wykorzystania. Ta mineralizacja bowiem stanowić mogła istotne utrudnienie w systemie wydobycia i niekiedy negatywnie oddziaływać na środowisko naturalne. W chwili obecnej jednak są one postrzegane jako alternatywne źródło pozyskania litu. W tym miejscu należy nadmienić, że ponad połowa obecnie wydobywanego na świecie litu pochodzi z odparowywania naturalnych solanek. Tak jest w Chile, Argentynie czy Boliwii.
Historia pozyskiwania surowców mineralnych (nie tylko metali) z roztworów geotermalnych jest stosunkowo długa i bogata. Wg Hajto (2021) już w VI wieku p.n.e. w Chinach pozyskiwano sól kamienną z solanek. W Europie sięgnąć należy do lat 30. IX wieku kiedy to we Włoszech zaczęto pozyskiwać kwas borowy oraz boraks z par geotermalnych. Wiele wieków później, bo w roku 1983 rozpoczęto pozyskiwanie NaCl i CO2 (w postaci suchego lodu) z wód geotermalnych na Islandii. Jednym z istotnych odkryć jest również okruszcowanie wód termalnych złotem, odkryte w Papui Nowej Gwinei. W latach 2002-2004 w Stanach Zjednoczonych działała pilotażowa instalacja odzysku cynku z wysoko zmineralizowanych wód geotermalnych. Na skalę przemysłową z wód i par geotermalnych pozyskuje się również krzemionkę w stanie kolidalnym w Japonii, Nowej Zelandii, USA, Rosji i Islandii.
Z pośród 34 surowców uznanych za krytyczne dla UE, w wodach termalnych w ilościach przemysłowych występuje prawdopodobnie jedynie lit. Zresztą to właśnie ten metal jako pierwszy był pozyskiwany z roztworów (solanek) hydrotermalnych. Godne uwagi osiągnięcie zostało zainicjowane w Nowej Zelandii, a następnie trafiło do Stanów Zjednoczonych. Obecnie nie ma przemysłowej instalacji dużej skali, chociaż zidentyfikowanych zostało wiele obszarów o istotnym potencjale geologicznym, na których prowadzi się badania doświadczalne. Są to m.in. dolina górnego Renu (pogranicze Francji i Niemiec), Kornwalia (Wielka Brytania), Lacjum (Włochy), Kalifornia (USA). Prace prowadzone są również w Kanadzie, Nowej Zelandii, Chile i Kenii. Bazując na potencjale doliny Renu, w ramach projektu badawczego European EuGeLi project (European Geothermal Lithium Brine) w roku 2021 opracowywano technologię bezpośredniego wychwytu litu z występujących tam solanek geotermalnych. Proces ten wykorzystuje kolumny ekstrakcyjne wypełnione adsorbentem, który selektywnie usuwa lit z solanki. W konsekwencji uzyskano węglan litu o jakości, która umożliwia jego wykorzystanie w procesie produkcji baterii. Następnym krokiem jest optymalizacja modelu biznesowego produkcji litu do baterii w Europie jako uzupełnienia produkcji energii odnawialnej. Również w 2021 roku Geothermal Engineering Ltd (GEL) – firma stojąca za pierwszą w Wielkiej Brytanii (rejon wspominanej Kornwalii) elektrownią wykorzystującą głęboką geotermię, wykonała testy, które wskazały na rekordowe w skali świata zawartości litu na poziomie ponad 250 mg/l w tym regionie.
CRM – Geothermal
Analogiczne podejście prezentuje również projekt pod nazwą CMR Geothermal, finansowany z programu Horyzont 2020 i przewidziany do realizacji w latach 2022-2026. Projekt proponuje połączenie wydobycia metali uznanych za krytyczne (w tym przypadku głównie litu) oraz ciepła geotermalnego. Rozwiązanie technologiczne, opracowane przez CRM Geothermal, pomoże Europie wypełnić strategiczne cele Europejskiego Zielonego Ładu i Agendy na rzecz zrównoważonego rozwoju, jednocześnie zmniejszając zależność od importowanych CRM. Co więcej, takie zintegrowane podejście do eksploatacji niesie ze sobą inne korzyści w postaci minimalizacji wpływ na środowisko, również poprzez możliwość rezygnacji z dodatkowego użytkowania gruntów i niemal zerowy ślad węglowy. Tym samym wypełni lukę między brakiem akceptacji społecznej dla tradycyjnych procesów pozyskiwania surowców mineralnych a rosnącym zapotrzebowaniem społeczeństwa na te surowce.
Koordynatorem projektu jest GFZ German Research Centre for Geosciences, a konsorcjum tworzy łącznie 15 instytucji naukowo-badawczych.
Cele projektu
Stopień rozpoznania potencjału wód geotermalnych w Europie pod kątem zawartości metali użytecznych i możliwości ich wydobycia, wciąż jest niewystarczający. W związku z powyższym projekt rozwija:
- kompleksową bazę danych CRM w środowiskach geotermalnych w Europie,
- dedykowaną technologię wydobycia, która pozwoli na pozyskiwanie CRM z solanki o złożonym składzie i w określonych wysokich temperaturach przy jednoczesnym tradycyjnym wykorzystaniu wód geotermalnych,
- środowiskowo-społeczno-ekonomiczną ocenę wykonalności opracowanej technologii,
- terenową pilotażową instalację (w projekcie określoną jako „mini-instalacja), technologii ekstrakcji co najmniej jednego CRM wraz z kompleksową oceną ekonomiczną systemu.
Technologia wydobywcza oraz ocena ekonomiczna i środowiskowa wykonalności, będą testowane i oceniane w różnych regionach Europy i Afryki Wschodniej, które cechują zróżnicowane warunki geologiczne. Jako potencjalne obszary do badań w projekcie uwzględniono: wulkaniczne obszary geotermalne o wysokiej entalpii – Reykjanes (Islandia) oraz Tuzla (Turcja), niskozasolone wody w spękanych skałach krystalicznych – Kornwalia (Wielka Brytania), baseny sedymentacyjne w północnych Niemczech, alkaliczny obszar geotermalny – Olkaria (Kenia) oraz zmetamorfizowany flisz – Seferihisar (Turcja). Każdorazowo dostęp do tych wód można uzyskać za pomocą odwiertów wywierconych z powierzchni do określonej głębokości. Po wypompowaniu wody na powierzchnię możliwa jest selektywna ekstrakcja związków litu przy użyciu przyjaznych dla środowiska technologii bezpośredniej ekstrakcji litu. Dzięki wykorzystaniu energii geotermalnej do zasilania tego wydobycia, istnieje możliwość produkcji litu o zerowej emisji dwutlenku węgla
Szczegółowe informacje o projekcie oraz jego rezultatach znaleźć można na stronie: https://crm-geothermal.eu/.
Źródła: M. Hajto (2021). Stan wykorzystania energii geotermalnej w Europie i świecie w 2020 roku. Przegląd Geologiczny 69 (9)