Le lithium géothermal
Le lithium géothermal
Le lithium géothermal désigne le lithium (Li) extrait à partir de saumures géothermales : des eaux souterraines chaudes très riches en minéraux dissous. Ce processus se déroule dans des régions où les interactions entre l'eau et les roches en grande profondeur peuvent enrichir naturellement ces saumures en lithium.
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Le contexte de cette extraction est marqué par la demande croissante de lithium, un élément crucial pour la fabrication de batteries, notamment pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie renouvelable. Les enjeux sont multiples : réduire la dépendance européenne aux importations de lithium, minimiser l'empreinte carbone associée à son extraction traditionnelle, et développer une filière locale et durable !
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Les projets actuellement en cours de développement visent à optimiser les technologies d'extraction de Li et à intégrer la production de cet élément dans les infrastructures géothermales appropriées, qui indiquent un fort potentiel en Li, contribuant ainsi à une transition énergétique plus verte et autonome.
Les enjeux
Le secteur des batteries représente aujourd’hui environ la moitié des volumes de lithium consommés dans le monde, dont un tiers est dédié aux seuls usages liés aux véhicules électriques selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE).
Chaque batterie a besoin d'environ 5 kilos de Li. Dans ce secteur, la hausse de la consommation de Li est la plus forte, avec une croissance estimée à environ 20% par an (source AIE). Selon l’AIE, le lithium est le matériau critique dont la demande connaîtra la plus forte augmentation ces prochaines années, passant de 165 000 tonnes de lithium non raffiné en 2023 à 500 000 tonnes en 2030 (+200%) et 1,3 million de tonnes en 2040 au niveau mondial. Cette forte demande pourrait entraîner une pénurie d'offre dès 2027-2028.
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Actuellement, 87% (source) de ce matériau est produit en Australie, au Chili, en Chine et en Argentine, soit par excavation minière dans des roches riches en lithium, soit par l’exploitation de saumures provenant de lacs salés. Une fois extrait, les deux tiers de ce lithium sont aujourd’hui raffinés en Chine (source AIE).
Dans le contexte de l'électrification des transports et de la lutte contre le changement climatique, sécuriser un approvisionnement local et durable en lithium est un enjeu stratégique de souveraineté, tant nationale qu’européenne !
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L’Association française des professionnels de la géothermie évalue aujourd’hui la coproduction possible de Li en Alsace à 2 800 tonnes par an sur une dizaine de sites géothermiques (source AIE) et pourrait représenter 15 à 20% des besoins en France, estimés entre 15 000 et 20 000 tonnes de Li/an, à l’horizon 2035.
Aller plus loin :
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Connaissance des énergies : Où en est la France dans la course mondiale à l’approvisionnement
Co-production pour un lithium bas carbone
Ce lithium géothermal est un lithium bas carbone qui ne manque pas d’atouts car il est associé à un procédé déjà connu et maîtrisé : l’utilisation de la ressource géothermale pour produire du chaud ou du froid pour des bâtiments de tous types, ou de l’électricité.
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Grâce à un système appelé doublet géothermique, un premier puits dit producteur extrait de l'eau chaude souterraine. Cette eau est ensuite utilisée pour chauffer via un échangeur thermique un fluide destiné à alimenter un réseau de chaleur, ou pour produire de l’électricité. Cette même eau, une fois délestée de ses calories, circule dans un système permettant d’en capter le lithium, avant d’être réinjectée dans le sous-sol par un second puits dit injecteur. Le lithium extrait lui, est soumis à des procédés de purification afin d’améliorer sa concentration et d’éliminer ses impuretés.
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Des atouts multiples
Ce mode d’extraction local permet de renforcer la souveraineté énergétique de la France. Associé à la production renouvelable de chaleur, il a un impact réduit sur l’environnement tant en utilisation de la ressource d’eau, de génération de déchets ou encore d’émissions carbone. Les bénéfices économiques sont également importants en matière de dynamisation de l’emploi local associé à ce secteur d’activité.
Les acteurs
À ce jour, aucune installation industrielle de production de lithium géothermal n’est opérationnelle dans le monde. Cependant, plusieurs projets visant à extraire le lithium des saumures géothermales sont en cours de développement, tant en Europe qu’à l’international.
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En France
En France, les principaux acteurs incluent des institutions de recherche comme le BRGM et l'IFPEN, des entreprises industrielles telles qu'ERAMET et des opérateurs comme Lithium de France, ES, ou encore, Vulcan Energy France.
Pour l’instant, les projets se concentrent sur le Fossé rhénan alsacien, mais pourraient s’élargir à d’autres régions comme le Massif central.
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Le projet EuGeLi (European Geothermal Lithium Brine) a été une initiative européenne pionnière visant à développer un procédé industriel pour extraire du lithium de qualité batterie à partir de saumures géothermales situées dans le Fossé du Rhin, à la frontière franco-allemande. Cette région représente un réservoir important pour ces saumures, actuellement exploitées pour la production d'électricité et de chaleur. Ce projet, coordonné par ERAMET et soutenu par l'Institut Européen d'Innovation et de Technologie (EIT Raw Materials), a réuni neuf partenaires français, allemands et belges de 2019 à 2021. L'objectif était de créer une filière européenne de production de lithium à partir de ressources non conventionnelles, réduisant ainsi l'empreinte carbone des installations de production de lithium industriel.
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ERAMET et l'IFPEN ont développé un procédé innovant utilisant des colonnes d'extraction remplies d'un adsorbant qui capture sélectivement le lithium de la saumure. Ce procédé permet d'extraire le lithium avant de réinjecter l'eau souterraine, tout en exploitant la ressource géothermale. Le projet a abouti à la production des premiers kilogrammes de carbonate de lithium de qualité batterie à partir d'eau géothermale européenne, démontrant la viabilité de l'extraction de lithium de qualité batterie à partir de ces ressources et marquant une avancée significative vers une production durable et locale de lithium en Europe.
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En Europe
Dans le reste de l’Europe, l’entreprise Dupont et l’opérateur Vulcan Energy Resources (VER) ou l’institut KIT et l’opérateur EnBW AG cherchent à développer des projets en Allemagne, principalement dans le Fossé rhénan (projet UnLimited, par exemple). Les compagnies anglaises Cornish Lithium et Geothermal Engineering Limited (GEL) explorent le site d’United Downs, en Cornouaille, en Angleterre, dans le cadre du projet GeoCubed.
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Dans le monde
Les principaux autres projets dans le monde se trouvent aux États-Unis, en Californie, sur le site de Salton Sea ou dans l’Imperial Valley (Hell’s Kitchen project, Geothermal Lithium Recovery Demonstration project), ou bien encore au Canada, en Alberta (Clearwater project).
Les ressources
Les ressources de lithium géothermal en Europe sont principalement concentrées dans des régions où les saumures géothermales, enrichies en Li par des interactions eau-roche en profondeur, sont exploitées pour la production d'électricité et de chaleur.
La carte de la figure 1 illustre les principales régions européennes où les saumures géothermales riches en lithium sont présentes. Ces zones incluent le Fossé rhénan, mais aussi d'autres réservoirs potentiels en France, en Allemagne, en Italie et en Angleterre. Les projets en cours, comme EuGeLi et Ageli, sont des exemples concrets de l'engagement européen à développer une filière locale et durable pour l'extraction du lithium.
Le Fossé rhénan est l’une des régions les plus prometteuses pour l’exploitation du lithium géothermal en Europe et dans le monde : c’est l'un des réservoirs les plus importants de ces saumures, avec une concentration moyenne de l’ordre de 174 mg/L (fig. 2), offrant un potentiel significatif/élevé pour l'extraction de Li.
D’après l’état actuel des connaissances, le lithium proviendrait principalement de la dissolution des micas des grès et des granites dans des saumures issues d’un mélange d’eau de mer ancienne évaporée et d’eau météorique. Cet élément serait libéré à des températures de l’ordre de 225 ± 25°C et à des profondeurs supérieures à 5-6 km dans ces saumures, qui seraient plutôt localisées au centre du Fossé rhénan et migreraient ensuite vers les bordures de ce fossé, à travers un réseau de failles complexe de directions principales E-O et N-S.
Des premiers travaux du BRGM, en 1991, avaient permis de réaliser une estimation grossière de la ressource potentielle en lithium, rien que sur les saumures des formations sédimentaires du Muschelkalk et du Buntsandstein sur une surface de 900 km2, qui était comprise entre 300 000 et 2 000 000 de tonnes de Li, avec une valeur moyenne de 1 000 000 de tonnes de Li. Des estimations récemment faites par le BRGM intégrant cette fois-ci les nouvelles connaissances géoscientifiques du Fossé rhénan et les saumures du socle granitique, sur une surface élargie à 2 400 km2, donnent plutôt un potentiel compris entre 1 000 000 et 16 000 000 tonnes de Li, avec une valeur moyenne de 6 250 000 tonnes de Li.
L’un des principaux défis sera de trouver, pour chaque site d’exploitation, les meilleures zones d’implantation des forages afin d’avoir accès à des volumes et des débits suffisamment importants de saumures profondes pour que les projets soient économiquement rentables. Pour tout projet, il sera aussi primordial de veiller à maîtriser les risques et les impacts environnementaux et sociétaux.
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En Alsace, des initiatives comme le projet Ageli visent à industrialiser ce processus, avec l'objectif de produire 10 000 tonnes de carbonate de lithium par an d'ici 2030, répondant ainsi à une part importante des besoins européens en Li.
Le projet de Lithium de France ambitionne également de produire 10 000 tonnes de carbonate de lithium par an d’ici 2031. Ces efforts s'inscrivent dans une stratégie plus large visant à sécuriser l'approvisionnement en matières premières critiques et à réduire la dépendance de l'Europe aux importations. Et les productions de lithium géothermal en Alsace pourraient représenter environ 40% de la demande en Li français à l’horizon 2030-2031.
Atlas européen indiquant les six principales zones géothermales avec des fluides riches en lithium (cercles rouges) et les gammes de concentration de Li dans de tels fluides. Les valeurs les plus élevées sont trouvées en Italie (mais aucun puits géothermique n’est actuellement disponible), en Allemagne et en France, notamment dans le Fossé rhénan (URG), où plusieurs sites géothermiques sont en exploitation (extrait de Sanjuan et al., 2022).
Figure 2: Carte géologique extraite de Dalmais et al. (IntechOpen book, 2022), dans laquelle ont été reportées les concentrations de Li mises à jour à partir des données de la littérature (en rouge) et les deux surfaces utilisées pour estimer le potentiel de lithium géothermal (rectangles verts), au cours du projet ANR-GLITER (Lerouge et al., 2024).
Aller plus loin :
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Bosia C., Kaymakci E., Koelbel Th., Sanjuan B., Gourcerol B., Millot R. (2021). La valorisation du lithium issu des eaux géothermales : le cas du Fossé rhénan. , n° 210, 103-109.
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Gentier S., Sanjuan B. (2023). Chaleur géothermique et lithium : un prélude dans le Fossé rhénan ?, 27, 6 p.
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Lerouge C., Lach Ph., Sanjuan B., Vidal J., Millot R., Aupart C. (2024). ANR-GLITER project. D2.1 Analysis report: Geochemical and mineralogical constraints on lithium source. , 57 p.
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Pauwels H., Lambert M., and Genter A. (1991). Valorisation des fluides géothermaux contenant du lithium en vue d’une production industrielle.
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Sanjuan B., Gourcerol B., Millot R. (2020). Les saumures géothermales: une nouvelle ressource en lithium ? , 44-48.
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Sanjuan B. Gourcerol B., Millot R., Rettenmaier D., Jeandel E., Rombaut A. (2022). Lithium-rich geothermal brines in Europe: An up-date about geochemical characteristics and implications for potential Li resources. , 101, 102385, 18 p. https://doi.org/ 10.1016/j.geothermics.2022.102385.
LES PROCESSUS D'EXTRACTION
Les technologies de DLE (Direct Lithium Extraction) pour les saumures géothermales marquent une avancée majeure dans le domaine de l'extraction du lithium.
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Ces procédés innovants reposent sur l'utilisation d'adsorbants sélectifs, d’extractions liquide-liquide ou de séparation par membranes spécialisées, permettant d'extraire directement le lithium des saumures (Stringfellow and Dobson, 2021).
Cette approche présente plusieurs avantages notables par rapport aux méthodes traditionnelles d'évaporation solaire. Tout d'abord, la DLE est beaucoup plus rapide : alors que l'évaporation solaire peut nécessiter jusqu'à 18 mois pour obtenir des résultats, la DLE permet une extraction en un temps considérablement réduit. La DLE offre par ailleurs des taux de récupération bien supérieurs (95%), ce qui en fait une méthode beaucoup plus efficace.
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Un autre avantage crucial de la DLE réside dans son impact environnemental réduit. En nécessitant moins d'eau et d'énergie, la DLE s'avère être une solution plus durable. Cette réduction des ressources nécessaires contribue à minimiser l'empreinte carbone associée à l'extraction du lithium, rendant le processus globalement plus respectueux de l'environnement.
Les technologies DLE ne sont pas sans défis et pour la plupart, sont encore en phase de test pour être adaptées au contexte géothermal (fluide salés, chaud et sous pression). L'un des principaux inconvénients des technologies DLE est leur sensibilité aux impuretés présentes dans les saumures, qui présentent une forte salinité et une chimie complexe. Des éléments comme le bore peuvent diminuer l'efficacité des matériaux de captage utilisés dans la DLE, ce qui peut compliquer le processus d'extraction. Les conditions spécifiques des saumures géothermales, telles que la haute pression et la température élevée, peuvent aussi affecter la performance et la durabilité des systèmes DLE. Ces conditions extrêmes peuvent entraîner une usure plus rapide des équipements et nécessiter des ajustements techniques pour maintenir l'efficacité du processus.
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En surmontant les obstacles actuels, la DLE pourrait devenir la méthode de choix pour une extraction de lithium responsable et durable à l'échelle mondiale. Sa capacité à offrir une extraction plus propre et plus efficiente est essentielle pour répondre à la demande croissante de batteries lithium-ion, composant clé dans la transition vers des énergies renouvelables et des technologies de stockage d'énergie plus durables.
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En France, les projets alsaciens illustrent parfaitement cette dynamique.
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Aller plus loin :
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Kölbel L., Kölbel Th., Herrmann L., Kaymakci E., Ghergut I., Poirel A., Schneider J. (2023). Lithium extraction from geothermal brines in the Upper Rhine Graben: A case study of potential and current state of the art. , 221, 15 p., 106131, https://doi.org/10.1016/ j.hydromet.2023.106131.
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Stringfellow W.T., Dobson P.F. (2021). Technology for the Recovery of Lithium from geothermal brines, 14, 72 p., https://doi.org/10.3390/en14206805 (6805).
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Warren I. (2021). Techno-economic analysis of lithium extraction from geothermal brines. , 39 p.