Зелёный литий

Нефтяные компании сегодня работают с сильно обводнёнными скважинами, в огромных объёмах извлекая на поверхность и снова закачивая под землю пластовые жидкости. Используя наработанные в этой сфере технологии, американский стартап Alma Energy надеется создать бизнес нового типа.

Геотермальная энергетика в чистом виде не получила широкого распространения из-за больших капитальных затрат, высоких технологических рисков и удалённости подходящих участков недр от центров потребления энергии. Однако сегодняшняя стоимость лития и прогнозы на его цену способны кардинально изменить экономику геотермальных электростанций (ГеоТЭС). Alma Energy предлагает совместить геотермальное энергетическое производство с добычей лития из подземных вод и попутным производством водорода.

Переворот

Для успеха проекта необходимо соблюсти три условия: высокие температура (более 150 °C) и энтальпия на досягаемых для буровиков глубинах, хорошая проницаемость пластов (читай: возможность прокачивать через них большие объёмы жидкости) и большое содержание солей лития. Сотрудники Alma Energy проанализировали территорию США на соблюдение этих условий и нашли участки, перспективные для размещения производственных объектов. Такие участки находятся в местах нефтегазодобычи, что облегчает задачи геологической доразведки, бурения и обустройства добывающих и нагнетающих скважин. Вся необходимая для этого инфраструктура там есть, присутствуют и конкурирующие поставщики оборудования и услуг. Во многих случаях доступны подробные геологические данные.

Снизить риски

Источник тепловой энергии, по которому мы ходим ногами, огромен и практически неисчерпаем. Его разработке мешают трудности с оформлением лицензий и юридическая неопределённость. Например, в США владелец земли считается владельцем и находящихся в ней полезных ископаемых, но в законодательстве ничего не сказано о том, кому принадлежит тепловая энергия, заключённая в разогретых породах.

В распоряжении Alma Energy имеется старая карта с распределением подземных литийсодержащих солей, и сегодня компания организует проект по сбору проб воды на всей территории страны ради обновления этой карты. Впрочем, на старой карте отмечено немало мест, где в литре жидкости содержится свыше 400 мг лития. Не секрет, что на юге Калифорнии есть целые солончаковые поля, где уже идут работы по добыче редкого металла обычным способом, но команда Alma Energy стремится минимизировать площадь добывающего предприятия и снизить ущерб природе, а заодно - получить дополнительное конкурентное преимущество.

Команда Alma Energy рассмотрела варианты попутного производства разных товаров. В случае невысокой потребности в электроэнергии можно генерировать товарный водород путём электролиза воды либо производить питьевую воду. Ещё один вариант - предоставление системных услуг по стабилизации энергосети: раз уж энергопредприятие получает основной доход от продажи сырья, то совсем не обязательно, чтобы его электростанция работала в базовом режиме.

Технология

Литий из рассола предлагают выделять с помощью хлорно-щелочного электродиализа, заодно извлекая из атмосферы и связывая углекислый газ в небольшом количестве. Электроды создают градиент напряжения в электрохимическом реакторе, который используется как для производства водорода, так и для повышения концентрации солей лития. Для разделения катионов и анионов разных химических элементов, например Mn²⁺ и Li¹⁺, применяются ионообменные мембраны. Конкретно литий выделяется из концентрированного рассола благодаря разным химическим свойствам гидроксильных минералов и карбонатов. Предложенный метод получения ценного сырья можно подстраивать под меняющийся состав рассола.

Команда Alma Energy проработала модельный производственный модуль, получающий в сутки сто тысяч баррелей солёной воды с температурой 165 °C и содержанием лития 300 мг/л (см. рисунок). Эта вода проходит через теплообменник, где отдаёт энергию рабочему телу, используемому в бинарном термодинамическом цикле.

Гибридное производство геотермальной энергии и карбоната лития
по проекту Alma Energy

Энергетическая эффективность ГеоТЭС невелика - порядка 13%, что вполне допустимо в условиях, когда основной доход предприятию приносит продажа лития. Для увеличения КПД потребовалось бы пробурить скважину на глубину более четырёх тысяч метров, что чревато большими капитальными затратами.

Турбогенератор с установленной мощностью 8 МВт при 90-процентной загрузке ежесуточно производит приблизительно 156 МВт·ч электроэнергии; из этого количества от 39 до 52 МВт·ч поступает в блок электродиализа, куда подаётся соляной раствор с температурой около 90 °C, прошедший через теплообменник. Блок электродиализа в сутки выдаёт 470 кг гидроксида лития или почти полторы тонны карбоната лития. Количество водорода, которое было бы выгодно производить и закачивать в баллоны для поставки потребителям, зависит от конкретного проекта. На этом же рисунке изображён топливный элемент, который преобразует выделяющийся водород в дополнительную электроэнергию, выдаваемую во внешнюю сеть. На выходе топливного элемента также получается чистая вода.

«Мы создадим интегрированную "зелёную" энергетическую систему гораздо меньшей площадью в сравнении с полями солнечных испарителей на литиевых промыслах где-нибудь в Чили», - говорит руководитель компании Герман Лебит.

Расходы

По предварительным технико-экономическим расчётам исходя из цен 2022 года описанный производственный модуль обеспечит годовой доход от продажи лития в 31 млн долл. Стоит учесть, что многие аналитики прогнозируют на ближайшие годы кратный рост стоимости лития, а понижения цен никто не ожидает.

В текущие производственные затраты входят периодическая замена расходуемых электродов и мембран, ремонт насосов, очистка теплообменного оборудования, бурение новых скважин. Операционные расходы на блок электродиализа оцениваются примерно в 10 тыс. долл. на тонну получаемого карбоната лития. При этом его рыночная цена сегодня колеблется на уровне 20 тыс. долл. за тонну. Капиталовложения в строительство предприятия оцениваются в десятки миллионов. Они вернутся только благодаря производству лития - на продажах одной электроэнергии в конкуренции с бестопливной солнечной энергетикой выйти в плюс нереально.