En lo profundo de la superficie del Mar de Saltón, un lago poco profundo en el Condado Imperial de California, se encuentra una inmensa reserva de metales críticos que, si se desbloquea, podría alimentar la economía verde del estado en los próximos años.
Estos metales naturales se disuelven en salmuera geotérmica, un subproducto de la producción de energía geotérmica. Ahora la carrera está en marcha para desarrollar la tecnología para extraer eficientemente uno de los metales más valiosos de la salmuera producida por las plantas geotérmicas cerca del Mar de Saltón: el litio.
El litio es un ingrediente clave de la mayoría de las baterías, y a medida que los vehículos, los edificios, la red eléctrica y otros sectores se van electrificando cada vez más, se espera que la demanda mundial de litio se dispare en los próximos años, creciendo diez veces para 2030. Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) están trabajando con dos compañías para evaluar y analizar sus tecnologías de extracción de litio. Ambos proyectos han recibido recientemente subvenciones de la Comisión de Energía de California (CEC):
6 millones de dólares a Berkshire Hathaway Energy para un proyecto de demostración en una instalación de energía geotérmica existente en Calipatria para producir carbonato de litio de grado de batería.
1,46 millones de dólares para Controlled Thermal Resources’ (CTR) Hell’s Kitchen Geothermal LLC para el diseño, la construcción y el funcionamiento de una unidad de extracción de metales base a escala piloto que funcionará aguas arriba de una unidad de extracción de litio.
Además, la CEC concedió al Berkeley Lab 1,7 millones de dólares para un proyecto diseñado para demostrar cómo los datos sísmicos y electromagnéticos pueden cartografiar los depósitos geotérmicos y crear imágenes mejoradas de sus características estructurales para localizar y colocar mejor los pozos de producción. Estos proyectos se llevarán a cabo en The Geysers, el campo geotérmico de producción más grande del mundo ubicado en los condados de Sonoma, Lake y Mendocino; y en el Salton Sea, el segundo campo geotérmico más grande de los Estados Unidos.
La energía geotérmica – una fuente de energía limpia y renovable en la que los depósitos subterráneos de agua caliente son llevados a la superficie – proporciona algo menos del 6% de la generación total de energía eléctrica de California. Pero el potencial geotérmico del estado es mucho mayor, y la CEC está trabajando para aumentar ese número para ayudar a cumplir con los objetivos de energía limpia de California.
«Si hay un buen proceso para extraer el litio y otros minerales valiosos de los fluidos geotérmicos, eso mejoraría el cálculo económico para la producción de energía geotérmica», dijo el científico del Laboratorio de Berkeley, Will Stringfellow, quien está dirigiendo el trabajo del Laboratorio en los proyectos de extracción de litio.
«En el Laboratorio de Berkeley tenemos una amplia experiencia en sistemas geotérmicos, modelado geoquímico y caracterización de las reacciones químicas. Para estos proyectos estamos ayudando con el diseño experimental, la recolección y análisis de datos, la validación de procesos y el análisis tecno-económico», agrega Will Stringfellow.
El interés en los materiales críticos se extiende también al nivel federal. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) anunció recientemente 30 millones de dólares de financiación para las tecnologías de próxima generación para la extracción, separación y procesamiento de elementos de tierras raras y otros materiales críticos de batería utilizados en las tecnologías de energía limpia.
«El desafío no es simplemente la extracción de litio. Es una compleja maraña de cuestiones químicas, de ingeniería, económicas y de la cadena de suministro», dijo Peter Fiske, director del Instituto de Investigación de Resistencia al Agua y la Energía del Laboratorio de Berkeley.
«Como laboratorio nacional multidisciplinario, tenemos sólidos programas de investigación que abarcan todo el ecosistema de almacenamiento de energía: desde la energía geotérmica hasta la tecnología de baterías de iones de litio y el análisis de sistemas de energía. Nuestra experiencia es muy adecuada para afrontar este desafío y proporcionar seguridad nacional en un mineral crítico necesario para el almacenamiento de energía, que es esencial para nuestro futuro energético», agrega Peter Fiske.
Silicon Valley 2.0: «Valle del Litio»
El Campo Geotérmico del Mar de Saltón (SSGF) tiene un recurso potencial de litio inferido de 15 millones de toneladas métricas. Según un informe de la CCA de marzo de 2020 titulado «Recuperación selectiva de litio de las salmueras geotérmicas», el SSGF puede producir más de 600.000 toneladas de carbonato de litio por año; a 12.000 dólares por tonelada, eso es 7.200 millones de dólares por año.
El desarrollo de fuentes adicionales de energía geotérmica proporcionará beneficios ambientales a la región, incluida la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Se espera que los ingresos procedentes de los arrendamientos de tierras y la recuperación de minerales apoyen los proyectos de restauración del medio ambiente, que algunas fuentes estiman que pueden costar entre 3.000 y 9.000 millones de dólares, según el informe.
Figura 1. Una de las 10 plantas geotérmicas operadas por CalEnergy de Berkshire Hathaway Energy en el Mar de Salton. (Cortesía de Berkshire Hathaway Energy)
No es de extrañar que muchos apoden a la industria emergente como «Valle del Litio».
Aunque los Estados Unidos no han sido un gran actor en el mercado mundial del litio, eso podría cambiar si las empresas pueden desarrollar tecnologías para extraer lo que se estima que es una inmensa cantidad de litio en el oeste de los Estados Unidos, incluyendo Arizona, Nevada y California.
«El Valle del Litio de California tiene el potencial de abastecer el 40% de la demanda mundial de litio. La CEC está comprometida a apoyar esta industria emergente y la cadena de suministro de baterías», dijo el presidente de la CEC David Hochschild.
Aunque separar el litio de la salmuera que sale a la superficie durante el ciclo de producción geotérmica suena simple, es todo lo contrario. Por un lado, la salmuera contiene un gran número de metales y minerales disueltos, algunos de los cuales son valiosos, como el manganeso y el zinc, pero la mayoría no lo son.
«Pensaba que el agua producida era compleja», dijo Stringfellow, un ingeniero medioambiental experto en aguas residuales industriales y agrícolas, incluyendo el agua producida, que es un subproducto de la producción de petróleo y gas. «Las salmueras geotérmicas son un nivel de complejidad totalmente distinto. Es un 30% de sólidos en algunos casos».
Varias empresas están trabajando en tecnologías de extracción de litio -que a menudo implican un proceso de pretratamiento, luego la separación del litio mediante un absorbente inorgánico, y luego una mayor purificación- pero ninguna ha sido probada a escala comercial.
CalEnergy de Berkshire Hathaway Energy opera 10 plantas geotérmicas en el Mar de Saltón. Con el premio CEC, pretende demostrar su tecnología de separación de litio a escala piloto, procesando de forma rentable al menos 100 galones de salmuera geotérmica por minuto y luego convirtiendo el litio en carbonato de litio de grado de batería. El objetivo de la empresa es que las centrales geotérmicas existentes reduzcan el costo de producción de energía hasta en un 35% mediante la producción y venta de compuestos de litio.
«La producción exitosa de litio a partir de salmuera geotérmica traerá otra fuente de ingresos a estas plantas geotérmicas y podría convertirse en el catalizador para revivir la industria de la energía geotérmica del Valle Imperial, que tiene décadas de antigüedad, no sólo creando nuevos puestos de trabajo sino también haciendo que el precio de la energía geotérmica de carga base sea mucho más rentable en beneficio de los contribuyentes californianos», dijo Jonathan Weisgall, vicepresidente de Berkshire Hathaway Energy para relaciones con el gobierno, en la reunión de negocios de la CCA del 20 de mayo para aprobar la subvención.
La empresa Controlled Thermal Resources (CTR), con sede en el Valle Imperial, ha desarrollado un proceso de pretratamiento para eliminar selectivamente los metales básicos de la salmuera antes de extraer el litio. La extracción de litio se realizará entonces utilizando una tecnología de resina de intercambio iónico de Lilac Solutions. CTR tiene como objetivo demostrar que puede producir carbonato de litio de grado de batería a un costo de producción de menos de 5.000 dólares por tonelada métrica.
«CTR y nuestros consultores de ingeniería de proyectos en Hatch han completado un extenso trabajo de prueba y diseño para demostrar que la extracción directa de litio de la salmuera geotérmica de Salton Sea es competitiva a nivel mundial», señaló el CEO de CTR, Rod Colwell.
«La oportunidad de desarrollar instalaciones de extracción y conversión de litio que complementen los últimos avances en la ingeniería de plantas geotérmicas permitirá a nuestro equipo diseñar y construir instalaciones comerciales que ofrezcan resultados operativos y económicos superiores». Esperamos trabajar con el equipo del Laboratorio de Berkeley mientras nos preparamos para esta próxima evolución en la producción de energía renovable y minerales críticos en los Estados Unidos», agrega Rod Colwell.
Los científicos del Laboratorio de Berkeley, dirigidos por Stringfellow y Hanna Breunig, participarán en ambos proyectos para asegurarse de que se recogen y analizan los datos adecuados para ayudar a la CCA a evaluar las tecnologías.
Actualmente, la gran mayoría del litio del mundo se extrae en Argentina, Chile, China y Australia. El método dominante es la evaporación solar de las salmueras que se encuentran en los depósitos subterráneos de salmuera bajo la superficie de los lechos de los lagos secos. Aunque los costos de procesamiento son bajos, esta técnica tiene una serie de desventajas: El proceso es lento (toma hasta 24 meses), depende de las condiciones meteorológicas y tiene una eficiencia de extracción de sólo el 50%.
Parte del trabajo del Laboratorio de Berkeley implica la realización de un análisis tecnoeconómico, en el que colaborará con la UC Riverside. Aunque una tecnología de extracción de litio puede haber sido demostrada en el laboratorio, aún no se ha probado que pueda funcionar de manera económica en una gran instalación geotérmica.
«En última instancia, la CEC quiere ver beneficios para los contribuyentes», dijo Breunig, que está dirigiendo el trabajo tecnoeconómico. «No puede tratarse sólo de producir litio para los coches, sino que tiene que beneficiar a la red eléctrica y a los contribuyentes. Nuestro alcance va a estar muy centrado en demostrar si hay una eficiencia del sistema que se puede lograr y que nos hace competitivos frente a otras formas de producción de litio».
Hará que la energía geotérmica sea más rentable
Para el proyecto CEC que se lleva a cabo en The Geysers, los científicos del Laboratorio de Berkeley David Alumbaugh y Michael Commer se asociarán con colegas del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) y las empresas Array Information Technology y Jarpe Data Solutions para desarrollar y probar una novedosa tecnología de imágenes geofísicas.
La técnica de imágenes emplea una combinación de señales sísmicas y electromagnéticas para generar imágenes de alta resolución del subsuelo que delinean las regiones llenas de vapor frente a las llenas de líquido del depósito. Esto permitirá a Calpine, la compañía que opera la mayoría de las plantas geotérmicas en The Geysers, mejorar sus modelos de yacimiento.
«Cuanto más preciso sea, mejor podrán controlar la inyección de agua y la producción de vapor para optimizar su producción de energía», dijo Alumbaugh. «Eso les ahorra dinero a ellos y a los contribuyentes».
Si se puede demostrar la técnica, se puede aplicar en cualquier campo geotérmico que produzca vapor, dijo Alumbaugh. También podría ayudar en la colocación de nuevos pozos de producción; uno de los obstáculos para la expansión de la energía geotérmica es el alto costo inicial de la perforación de un nuevo pozo.
Casi la mitad de los recursos geotérmicos conocidos de California siguen sin ser explotados, según la CCA. Con estos proyectos, espera hacer la energía geotérmica más atractiva desde el punto de vista económico, lo que llevará a una mayor penetración de la energía renovable en California y hará que la red sea más estable y fiable.
Las subvenciones fueron financiadas a través del programa de la CCA Electric Program Investment Charge (EPIC), que se centra en la innovación de la energía limpia y el espíritu empresarial.
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