« C’est le premier carbonate de lithium géothermal produit en Europe à une échelle représentative du point de vue industriel. Et il est sans CO2 ! », s’enthousiasme Sophie Lebouil. Pour la cheffe de projet R&D chez Eramet, l’expérimentation Eugeli (acronyme pour «lithium européen à partir de saumures géothermales» en anglais) est un franc succès. Une bonne nouvelle pour le géant minier et les huit partenaires au projet – parmi lesquels le BRGM, l’Ifpen ou encore la filiale d’Electricité de Strasbourg (ES) géothermie et le chimiste allemand BASF.
De janvier 2019 à décembre 2021, ils ont collaboré pour mettre au point une solution technologique capable d’extraire efficacement du lithium des eaux de sous-sol du bassin Rhénan. La réussite a été concrétisée par l’extraction de plusieurs kilos de lithium de qualité suffisante pour produire des batteries au cours de la dernière phase du projet. Alors que la demande pour ce métal ne faiblit pas, le pilote industriel installé dans l'usine géothermique de Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin) pourrait préfigurer de futures installations d’extraction de lithium en Europe.
Produire au fil de l’eau
Avec 3,9 millions d’euros en poche, financés à 85% par la section matières premières de l’Institut Européen d’Innovation et de technologies (EIT Raw Materials), le projet Eugeli affichait un objectif clair : offrir une alternative locale au lithium issus des mines australiennes ou des lacs salés (salars) d’Amérique du Sud, dont l’extraction, la purification et le transport vers l’Europe sont sources d’émissions de carbone. Une volonté qui a nécessité d’identifier une ressource disponible, puis de développer une méthode pour l’extraire.
Répondre au premier point était simple : cela fait des années que les géologues ont identifié le fossé Rhénan comme une réserve importante de lithium. «C’est un système de failles naturelles dans lesquelles les eaux de surface s’infiltrent en profondeur, décrit Romain Millot, géochimiste qui a suivi le projet pour le compte du Service géologique national (BRGM). Au cours de cette circulation lente, l’eau capte de la chaleur mais vient aussi s’enrichir naturellement en lithium au contact de grès et de micas qui en contiennent de manière abondante.» Un constat d'autant plus intéressant que l’Alsace dispose de plusieurs installations géothermiques dédiées à la production de chaleur et d’électricité. Soit autant de terrains idoines pour brancher de nouvelles installations et extraire le lithium sans construire de coûteuses infrastructures de pompage.
Vermicelles actifs
Restait à imaginer ces installations. Eramet a fait le choix d’adapter un procédé de captage initialement développé pour ses activités en Argentine, nommé adsorption directe. Le principe ? Ne pas faire patienter les saumures chargées en lithium 18 mois au soleil en comptant sur l'évaporation, mais utiliser un matériau actif, capable de capter les ions lithium passant à proximité. Baptisé du doux nom d'hydroxyde d’aluminium, ce dernier a été développé par Eramet et l’Ifpen et « ressemble à de petits vermicelles utilisés en décoration pâtissière, de couleur blanche », décrit Sophie Lebouil.
Entassés dans des colonnes au sein desquelles passent les saumures, les vermicelles opèrent «comme des petites éponges à lithium», continue la chimiste. Dans le détail, une réaction chimique insérer dans le matériau des ions lithium (Li+) et chlore (Cl-). Une fois le matériau actif saturé, il suffit ensuite de lui faire passer un simple lavage à l'eau (dit élution) pour qu'il relâche le métal capturé sous forme de chlorure de lithium. De quoi obtenir de bons rendements tout recyclant 60% de l'eau utilisée pour l’extraction du lithium, chiffre Eramet, qui construit actuellement une usine sur ce modèle en Argentine.
Adapter le procédé
Le projet Eugeli s'est attaché à adapter ce procédé, pensé pour des salars ultra-concentrés en lithium, aux conditions alsaciennes. «Dans les eaux géothermales proches de Strasbourg, la concentration en lithium est de 180 mg/L, soit 5 à 10 fois moindre que celle de certains salars d’Amérique du Sud», chiffre Romain Millot, ajoutant que «la présence d’impuretés, par exemple de bore, peut aussi diminuer l’efficacité du matériau de captage». Les scientifiques ont aussi étudié la bonne tenue du matériau sur la durée malgré la haute pression (20 bars) à laquelle circulent les saumures d'origine géothermale.
D’où un long travail de test et d’adaptation, d’abord en laboratoire, puis sur deux sites du Bas-Rhin opérés par Electricité de Strasbourg : au sein de la centrale géothermique de Rittershoffen début 2021 d'abord, puis de celle de Soultz-sous-Forêts en fin d’année. «Ce dernier pilote a fonctionné de septembre à octobre, avec comme volonté d’être représentatif d’un dispositif industriel, qu’il s’agisse de taille ou de pilotage», décrit Sophie Lebouil. Concrètement, le pilote est branché en fin d’installation géothermique, c’est-à-dire une fois les calories des eaux profondes (qui sortent à plus de 200 °C) extraites. Mis au point avec l’aide de la société rochelaise Seprosys pour l'ingénierie et l’automatisation, il est composé de trois colonnes d’extraction d’un mètre de haut (pour une capacité d’une dizaine de litres) chacune. A tour de rôle, ces dernières extraient le lithium de l’eau refroidie, avant que la saumure ne soit réinjectée en profondeur, délestée du précieux métal.
Répondre à 20 ou 30% de la demande européenne
Attention : «pour avoir le produit final, de qualité batterie, un certain nombre d’étapes aval sont nécessaires pour concentrer, purifier et précipiter le sel carbonate de lithium», prévient Sophie Lebouil. Un travail technique de filtration, puis de chauffe des saumures restantes, qu'Eramet a réalisé dans son centre de R&D et d'innovation situé à Trappes (Yvelines), et qui serait réalisé à proximité des sites d'extraction en fonctionnement industriel.
Les résultats du projet sont encourageants juge Romain Millot, qui note que l’extraction de lithium des saumures géothermales ne semble pas diminuer la qualité du gisement, et que ce dernier pourrait répondre à 20 ou 30% de la demande européenne pour le métal. Alors qu'Eramet évalue encore la rentabilité de son procédé avant de se lancer dans l’exploitation commerciale, d’autres acteurs en Europe développent des technologies similaires, à l’instar de l’allemand Vulcan Energy Resources ou du français Adionics, qui a lui fait le choix d'une éponge à lithium liquide (baptisée AquaOmnes) pour se distinguer.
