Nous avons vu dans notre dernier article qu’il y a des inquiétudes justifiées à court terme en ce qui concerne l’approvisionnement en lithium, en raison de la croissance exponentielle des véhicules électriques (VÉ). À moyen terme, en 2040, l’Agence Internationale de l’Énergie (IEA) prévoit que la demande en lithium va augmenter d’un facteur 40 par rapport à 2020 suivant le scénario de développement durable (voir le rapport de l’IEA intitulé The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, 2021).
Depuis la sortie de ce rapport, CATL, le géant chinois des batteries, a annoncé la commercialisation des batteries sodium-ion (Na-ion), heureusement. Toutefois, la production de ces batteries Na-ion à grande échelle doit d’abord faire ses preuves, en incluant les chaines d’approvisionnement. Sans compter qu’elles ne pourront remplacer les batteries Li-ion dans l’ensemble des applications, dû à leur faible densité d’énergie. En fait, le facteur 40 d’augmentation de la demande de lithium, avancé par l’IEA pour 2040, fait réaliser l’ampleur de la demande en minéraux devant nous, pas seulement pour le lithium, dans un laps de temps dont il ne reste que 17 ans!
Il y a donc urgence pour mettre en opération de nouvelles mines de lithium. Mais, ce ne sera pas facile rapidement, car il faut également tenir compte de l’impact sur l’environnement et obtenir les permis des gouvernements sur cette question épineuse, ce qui prend en général plusieurs années. Or, à cet égard, il faut savoir que les méthodes traditionnelles d’extraction du lithium, que nous examinerons dans cet article, suscitent de plus en plus de préoccupations environnementales déjà aujourd’hui.
Prenons le temps de regarder tout cela de plus près avant de foncer tête baissée. Il faut bien dire, toutefois, que de nouvelles technologies d’extraction du lithium, en développement présentement, sont prometteuses pour diminuer l’emprunte écologique de cette étape d’exploitation minière et de raffinage. Ces nouvelles technologies feront l’objet de notre prochain article.
L’extraction du lithium se fait essentiellement à partir de trois ressources différentes : les roches dures (minerais), les nappes d’eau salée souterraines (saumures) et les roches sédimentaires (argiles). Seules l’extraction du lithium des saumures et des minerais s’effectuent à grande échelle. L’extraction des argiles n’en est présentement qu’à des projets pilotes. Nous nous restreindrons donc aux saumures et aux minerais dans le présent article. L’extraction des minerais est concentrée en Australie (52,3% du lithium mondial), alors que l’extraction des saumures se retrouve essentiellement au Chili et en Chine (24,5% et 13,2% du lithium mondial respectivement). Ces données viennent du site Visual Capitalist qui a publié un graphique très explicite sur la production mondiale de lithium durant les 25 dernières années, en décembre 2022 (voir ci-dessous).
Chaque filière a ses avantages et des inconvénients concernant l’environnement. Voici ce qu’il en est.
L’extraction et le raffinage du lithium à partir des saumures
Description de la technologie
L’extraction du lithium des saumures se fait principalement en Amérique du sud, dans ce qu’on appelle le triangle du lithium, une région aride dans les Andes, où se rencontrent les frontières du Chili, de la Bolivie et de l’Argentine. Les saumures se retrouvent dans des aquifères sous d’anciens lacs salés asséchés appelés salars. Le sol y est plat.
La première étape de l’extraction consiste à forer un puit pour rejoindre un aquifère et pomper l’eau très salée dans des grands bassins artificiels peu profonds pour faire évaporer l’eau par le Soleil.
Les différents sels présents dans l’eau ont des solubilités différentes. Lorsque l’eau s’évapore, la concentration des sels augmente jusqu’à ce que le moins soluble, le chlorure de sodium (NaCl), précipite au fond du bassin. Après cette première précipitation, on transfert l’eau salée du dessus dans un deuxième bassin où va se précipiter, après plus d’évaporation, le chlorure de potassium (KCl). On transfert à nouveau l’eau salée restante dans un troisième bassin pour faire précipiter, cette fois, de l’hydroxyde de magnésium en ajoutant de la chaux à l’eau de ce bassin, le chlorure de magnésium ne pouvant précipiter par évaporation. On se retrouve alors avec une saumure riche en chlorure de lithium (environ 6% par poids) qui est acheminée vers une usine de séparation-purification par camions citernes ou pipeline. Le temps requis à partir du remplissage du premier bassin d’évaporation jusqu’à l’acheminement de la saumure de lithium à l’usine est typiquement de 18 à 24 mois au Chili.
À l’usine, plusieurs procédés sont utilisés pour séparer et concentrer le lithium du reste de la saumure. On parle essentiellement de filtrations, de traitements chimiques utilisant des solvents et des réactifs, suivi de précipitations et de séchage, pour aboutir au carbonate de lithium ou à l’hydroxyde de lithium de grande pureté.
Pour de l’information complémentaire, vous pouvez consulter le blogue Prime Movers Lab, où Carly Anderson a publié, le 4 janvier 2022, l’article « Lithium : From Rocks into Roadsters » qui traite de l’extraction et du raffinage du lithium. On peut également trouver d’autres informations intéressantes concernant l’extraction et le raffinage du lithium sur le site de la compagnie Condorchem Envitech.
Préoccupations environnementales
Gaz à effet de serre et pollution atmosphérique. Puisqu’une bonne partie de l’énergie requise pour la séparation du lithium est fournie par le Soleil (évaporation), ce procédé d’extraction est bien moins énergivore que celui de l’extraction à partir des minerais de lithium dans la roche dure. Il n’y a pas de transport par gros camions de la mine à l’usine de concentration, ni concassage et meulage de la roche, ni chauffage à 1050 °C. Il y a donc bien moins de carburants fossiles consommés d’où moins de gaz à effet de serre (GES). Selon le site de la compagnie Vulcan Energy, on aurait 5 tonnes de CO2 émis pour chaque tonne d’hydroxyde de lithium produit avec l’extraction-raffinage par évaporation des saumures. C’est trois fois moins que l’extraction-raffinage à partir des minerais de lithium comme le spodumene, dans les mines à ciel ouvert.
La consommation d’eau. Si L’extraction du lithium par évaporation des saumures gagne des points au niveau des GES, là où le bât blesse avec cette méthode c’est au niveau de la consommation d’eau dans un milieu quasi désertique comme les salars des Andes au Chili, d’où provenait le quart du lithium de la planète en 2021 (voir le graphique plus haut). Plusieurs études et articles ont été publiés pour dénoncer l’impact négatif de l’extraction du lithium dans les Andes sur la contamination et l’épuisement des ressources en eau douce pour la population locale, affectant sérieusement les conditions de vie des habitants de la région. Ceux-ci ne peuvent plus élever d’animaux ni cultiver comme le faisaient leurs parents et souvent dépendent de camions citernes pour les approvisionner en eau potable. C’est ce que nous rapporte, entre autres, l’étude du Natural Resources Defense Council (NRCC) intitulée Exausted : How we Can Stop Lithium Mining from Depleting Water Resources, Draining Wetlands, and Harming Communities in South America, avril 2022.
Ce qu’il faut comprendre, c’est que 95% de l’eau sortie des aquifères salins est ensuite évaporée. Et c’est sans compter l’eau douce nécessaire pour les opérations de l’exploitation. Or, l’eau douce de surface n’est pas uniquement alimentée par la pluie et le ruissellement des montagnes avoisinantes, les précipitations ne sont que de quelques millimètres par année sur le salar d’Atacama, le plus exploité pour le lithium des saumures souterraines. Des chercheurs en géologie de l’Université du Massachusetts ont découvert, après dix années de recherche, qu’une bonne partie de l’eau douce de surface de cette région provient d’aquifères souterrains. Les chercheurs précisent que l’hydrologie est complexe et qu’on ne peut prendre comme acquis que les aquifères d’eau salée et ceux d’eau douce ne s’influencent pas, surtout en présence de perturbations importantes comme les forages et le prélèvement de grandes quantités de saumures. Imaginons maintenant qu’on multiplie par 10 l’exploitation des saumures… Et, n’oublions pas qu’on est dans un climat très aride où nécessairement le problème d’eau douce de bonne qualité est d’autant plus fragile.
Les résidus. Comme nous l’avons vu dans la description de la méthode d’extraction, de grandes quantités de sels de sodium, de potassium et de magnésium se retrouvent au fond des bassins d’évaporation, sans compter la chaux qu’on ajoute et possiblement d’autres réactifs. Ces résidus présentent un risque indéniable de contamination du sol et de la nappe phréatique d’eau douce, la rendant éventuellement impropre aux cultures et à la consommation.
Taux de récupération du lithium. Les réserves de lithium sur la planète correspondent au lithium qui peut être extrait à un prix acceptable. Le dernier relevé du US Geological Survey concernant les réserves mondiales de lithium les établie à 22 millions de tonnes métriques en 2021. La ressource, elle, est estimée à 89 million de tonnes à l’échelle mondiale. Mais, la quantité de lithium disponible dépend du taux de récupération du lithium avec un précédé donné. Selon la compagnie International Battery Metals, le taux de récupération des méthodes traditionnelles de bassins d’évaporation des saumures, incluant le raffinage, se situe entre 20% et 40%. C’est donc dire que 60% à 80% du lithium est perdu! C’est une sérieuse préoccupation environnementale d’inefficacité! L’efficacité énergétique fait partie du développement durable.
Comment diminuer l’empreinte écologique
Tous les points de préoccupation que nous avons mentionné pour l’extraction du lithium à partir de saumures, concernant l’environnement, peuvent être grandement améliorés avec ce qu’on appelle l’extraction directe du lithium (technologies DLE dans la littérature anglophone). Ces technologies DLE feront l’objet du prochain article.
Mais, disons qu’il d’agit de pomper la saumure et en extraire le lithium directement dans une usine, en quelques heures, avant de retourner la saumure restante dans l’aquifère salin. Les taux de récupération du lithium dépassent 80%, il n’y a peu près pas de résidus, la consommation d’eau est très faible, de même que les émissions de gaz à effet de serre. Plusieurs projets pilotes sont en opération présentement un peu partout, en particulier avec les saumures prélevées des centrales géothermiques. Ce n’est pas encore réellement commercial mais très prometteur.
L’extraction et le raffinage du lithium à partir des minerais
Description de la technologie
La courte vidéo YouTube The lithium mine (FR), version française, publiée sur la chaine du chimiste Marc Montangero, offre un exposé visuel concis du processus d’extraction du minerais de spodumene (le principal minerais contenant du lithium), à la mine de Greenbushes en Australie.
La mine est à ciel ouvert. On utilise des explosifs pour désagréger la roche qu’on transporte avec de gros camions, en remontant quelques centaines de mètres afin de sortir de l’énorme fosse qui constitue la mine (voir la photo ci-dessous), pour les apporter à l’usine de concentration du minerais. Les blocs de roche sont d’abord réduits en cailloux par des broyeurs mécaniques puissants et ensuite transformés en poudre fine dans des moulins à billes. Les particules de spodumene sont alors concentrées en éliminant les particules de la roche mère et les impuretés à l’aide de mécanismes de séparation physique comme la flottation (différence de densité), de séparation magnétique (grâce à des aimants) ou encore de séparation électrostatique.
Le produit qui sort de la mine Greenbushes est une poudre fine de concentré de spodumène (contenant 63% à 94% de ce minerais) qui est acheminé vers les usines d’extraction et de raffinage du lithium, principalement en Chine. Ces raffineries produisent, à un haut degré de pureté, le carbonate de lithium et l’hydroxyde de lithium utilisés dans les batteries Li-ion.
Pour extraire le lithium de son minerais de spodumene, il faut d’abord le chauffer à plus de 1 050 °C, dans le but d’opérer un changement de sa structure cristalline. Le spodumene ainsi modifié va alors devenir attaquable par de l’acide sulfurique concentré, à environ 200 °C, pour produire du sulfate de lithium, soluble dans l’eau.
Ensuite, les techniques d’hydrométallurgie sont utilisées pour récupérer et purifier le sulfate de lithium et le transformer en carbonate de lithium désiré, grâce, notamment, à la filtration, à l’ajout de produits chimiques, à la précipitation et aux échanges ioniques. Un petit document de la compagnie SGS donne plus de détails.
Préoccupations environnementales
Les gaz à effet de serre et la pollution atmosphérique. L’extraction du lithium à partir des minerais de ce métal consomme beaucoup d’énergie. Pensons d’abord au transport des roches hors de la fosse à l’usine de concentration et la transformation de ces roches en fine poudre par des machines mécaniques puissantes. Ensuite, il faut chauffer cette poudre à plus de 1050 °C.
L’énergie considérable consommée par ces étapes provient des carburants fossiles (transport et chauffage du minerais) et du réseau électrique (broyeurs, moulins mécaniques et machinerie de l’usine). Or, ce n’est pas partout dans le monde que l’électricité est aussi propre qu’au Québec (99 % d’énergie renouvelable). L’extraction du lithium à partir des roches dures émet donc beaucoup de gaz à effet de serre et d’émissions polluantes issues de la combustion des carburants fossiles. Sur le site de la compagnie Vulcan Energy, qui pilote un projet d’extraction de lithium dans des sources géothermales en Allemagne, on mentionne pour l’extraction du lithium à partir des roches dures des émissions de 15 tonnes de CO2 par tonne d’hydroxyde de lithium produite!
La poussière. Par ailleurs, il ne faudrait pas sous-estimer la quantité de poussières dues aux explosions pour désagréger la roche mère et aux machines mécaniques qui broient les roches. Ces poussières dans l’air peuvent être respirées par les animaux et les humains à proximité et se retrouvent au sol ultérieurement, avec possibilité de contamination par des matières qui étaient emprisonnées sous terre depuis des millions d’années.
Les résidus et les produits chimiques et la contamination des sols et de l’eau. Dans tout le matériel qu’on arrache à la terre dans une mine de roches dures, les minerais de lithium ne représentent qu’un faible pourcentage, quelques pourcents tout au plus. Il y a donc d’immenses tas de résidus à gérer, qui vont être lessivés par la pluie très longtemps. Sans compter que ces résidus ont été en contact avec des produits chimiques dont des traces peuvent contaminer les terres et cours d’eau à la longue. Ajoutons à cela le fait que dans ces résidus, qui étaient emprisonnés sous terre depuis des millions d’années, il y a potentiellement des éléments chimiques toxiques qui subitement se retrouvent à l’air libre, posant une autre préoccupation pour l’environnement.
La consommation d’eau. Certains procédés d’hydrométallurgie que nous avons mentionné, comme la flottation, impliquent une consommation d’eau importante que Vulcan Energy estime à 170 m3 par tonne d’hydroxyde de lithium produite. Une bonne partie de cette eau se retrouve en contact avec les différents résidus ou produits chimiques ajoutés. Même si cette eau est traitée, encore une fois il reste très difficile d’éviter des traces de contamination qui peuvent se retrouver dans les nappes phréatiques.
Taux de récupération du lithium. Les réserves mondiales de lithium pouvant être extrait à un prix acceptable par le marché sont de 22 millions de tonnes métriques, comme nous l’avons vu, selon le dernier relevé du US Geological survey pour 2021. Mais, la quantité de lithium disponible dépend du taux de récupération du lithium avec un précédé donné. Selon la compagnie Critical Elements, qui a un projet d’extraction de lithium à la Baie James au Québec, leur nouveau procédé de purification et transformation du minerais de spodumene en hydroxyde de lithium qualité batterie atteint un taux de récupération du lithium de 80% en laboratoire alors que la moyenne de l’industrie se situerait à 65%. Voir à ce sujet l’article dans Battery Metals / Investing News du 29 octobre 2018. Mais, il faut multiplier par le taux de récupération du minerais de spodumène à la mine à partir de la roche mère. On se retrouverait donc à un taux de récupération total du lithium, incluant l’extraction minière et le raffinage, autour de 50%. C’est donc dire que 50% du lithium serait perdu, possiblement plus! L’inefficacité de la récupération du lithium issu des minerais, selon la méthode traditionnelle, constitue donc une préoccupation environnementale qu’on ne peut négliger. Rappelons-le, l’efficacité énergétique fait partie du développement durable et le lithium est une ressource critique et finie.
Comment diminuer l’empreinte écologique
La première chose à faire est d’éliminer le plus possible les carburant fossiles, en électrifiant les gros camions, les pelles mécaniques, les tracteurs à chenille et les machines de chargement, en plus d’utiliser de l’énergie renouvelable pour l’usine de concentration du minerais et l’usine de séparation-raffinage. Le chauffage à 1050 °C du minerais spodumene reste à examiner de plus près pour voir s’il est possible d’utiliser un four électrique ou un four à hydrogène vert (issu de l’électrolyse de l’eau avec de l’énergie renouvelable), ou encore partiellement à l’hydrogène vert.
Il ne semble pas y avoir grand-chose à faire pour les montagnes de résidus et la poussière résultant de la réduction par étapes de la roche mère en fine poudre.
Pour ce qui est de diminuer la consommation d’eau, il faudrait la traiter et la réutiliser. Améliorer le taux de récupération du minerais sera difficile, car travailler avec une poudre non soluble pour séparer physiquement le spodumene (flottation et autres) est plus difficile qu’avec des sels solubles dans l’eau.
Conclusion
Nous venons de voir que l’extraction du lithium avec les méthodes traditionnelles comme l’évaporation de saumures riches en lithium ou le dynamitage et concassage des minerais de lithium engendrent des conséquences environnementales importantes.
L’extraction traditionnelle des saumures par évaporation met en péril l’eau potable et les modes de vie des habitants locaux, en contribuant à rendre très difficile l’élevage et l’agriculture dans ces régions. Surtout que les sites riches en lithium dans les Andes subissent un climat très aride où l’eau douce est une denrée rare (quelques millimètres de pluie par année). À part les sels de lithium, les saumures contiennent plusieurs autres sels (de sodium, magnésium et potassium) qui demeurent des résidus, risquant fort de contaminer le sol et les aquifères d’eau douce. Enfin, le taux de récupération du lithium est seulement de 30% environ, ce qu’on peut difficilement qualifier de développement durable, compte tenu de l’inefficacité. N’oublions pas que les réserves sont finies.
L’extraction à partir des minerais, quant à elle, est très énergivore et génère beaucoup de gaz à effet de serre provenant de la combustions des carburants fossiles. Comme les minerais de lithium ne représentent que quelques pourcents de la roche mère excavée, il y a beaucoup de résidus. Or, ceux-ci ont étés en contact avec les produits chimiques utilisés dans les procédés de séparation et raffinage, et peuvent contenir des éléments toxiques qui étaient emprisonnés sous terre depuis des millions d’années. Les énormes quantités de résidus seront lessivés par la pluie pendant longtemps, avec une possibilité de contaminer les sols.
Il n’y a pas beaucoup de possibilité de réduire l’empreinte écologique de l’extraction traditionnelle des saumures par évaporation. Mais il y a de nouvelles méthodes bien mieux pour l’environnement qui se mettent en place. On parle d’extraction directe du lithium des saumures en quelques heures (au lieu de 2 ans) et de renvoi du restant des saumures là d’où elles proviennent (aquifères salins). Nous examinerons quelques projets pilotes dans notre prochain article.
Pour ce qui est de l’extraction des minerais de lithium à partir de la roche dure, on peut réduire considérablement les gaz à effet de serre en électrifiant les véhicules miniers et en utilisant de l’énergie renouvelable aux usines. Reste à voir si le chauffage des minerais à 1050 °C est possible avec l’électricité ou de l’hydrogène vert au lieu des carburants fossiles.
Il y a donc des solutions, mais elles ne seront pas opérationnelles à grande échelle avant plusieurs années. Dans une entrevue donnée par Eric Zaunscherb, le président du Conseil d’administration de la compagnie Critical Elements (qui gère un projet de mine de lithium à la Baie James), ce dernier mentionne qu’il a fallu 5 ans avant d’obtenir les permis du gouvernement du Canada et du gouvernement de la province de Québec.
À la lueur de tout ce que nous avons vu dans cet article, on constate qu’il va être pratiquement impossible, pour des raisons environnementales, d’accélérer la production du lithium au même rythme que l’augmentation exponentielle anticipée des véhicules électriques. Il va falloir mettre beaucoup d’emphase sur les batteries sodium-ion, en espérant que cette filière fonctionne bien et que cela soit suffisant.
Le problème n’est pas un manque de lithium, c’est la rapidité à laquelle il faut augmenter sa production en respectant l’environnement.
