Trváme-li na elektromobilitě jako cestě k dekarbonizaci dopravy, bez lithia se nepohneme. Opakovaně jsem na blogu České lithium zdůraznil, že není nutné (ani racionální) těžit lithium z jeho velmi komplikovaného zdroje, např. zinnwalditu. Jednou z možností, o níž je relevantní v Evropě přemýšlet, je jeho recyklace.

Proč recyklace?

Těžit lithné minerály v Evropě (nejen zinnwaldit, ale i jiné lithné slídy nebo třeba také boritany) je - a pravděpodobně i dlouhodobě bude - ekonomicky a energeticky nevýhodné (více ve starším článku). Ekonomické bilanci ani podpoře obyvatel nepřidají ani přísná enviromentální nařízení a taky nízká vstřícnost obyvatel hustě osídleného kontinentu.

Zbývá tedy poslední argument: Surovinová soběstačnost, energetická bezpečnost, geopolitika - to všechno pracuje jak s faktem, že řadu strategických materiálů těží nebo zpracovává Čína, případně jiný, k zemím globálního severu (nebo Západu) nepříliš vstřícný stát, tak i s pocitem ohrožení plynoucím z nedaleko probíhajících válečných konfliktů.

Čím dál víc omílaným slovem je proto cirkularita: Pracujme s odpadem jako se surovinou. Dává to smysl nejen proto, že jsme do Evropy už velké množství dovezli, ale taky proto, že tím potenciálně snižujeme energetickou/uhlíkovou náročnost. Dobře to ukazuje graf ze studie konzultační firmy McKinsey & Company:

Kolik lithia jezdí po světě

Nejprve se podívejme na tržní potenciál: Je v Evropě vůbec tolik baterií, aby se recyklace vyplatila?

Graf z Wikipedie ukazuje, že prodej elektroaut dosahuje cca 2 milionů kusů ročně (před rokem 2020 je prodej zanedbatelný). 

Obsah lithných iontů v baterii je cca 160 g na 1 kWh; na trhu jsou auta s bateriemi řádově od 20 do 200 kWh. Budeme-li počítat se střední hodnotou asi 20 kg lithia na jednu baterii, každý rok se v elektroautech prodá v Evropě asi 40 milionů kg, tj. 40 000 tun lithia. Jejich životnost se pohybuje mezi 8 a 20 lety, počítejme 10.

V kombinaci s výše uvedeným grafem můžeme krátce po roce 2030 (10 let po 2020) očekávat výrazné množství lithiových baterií z elektroaut k recyklaci.

Úvahu nezávisle potvrzuje již zmíněná predikce McKinsey & Company:

Nejbližších pět až deset let tedy nelze čekat velký boom recyklačního byznysu, jednoduše proto, že nebude co recyklovat. Respektive, nevyplatí se budovat velké kapacity, protože by neměly co zpracovávat. Až ten boom ale do deseti let začne, bylo by skvělé, kdyby na to Evropa byla připravena.

Dosavadní zkušenosti a smělé plány

Prakticky všichni velcí hráči na poli elektromobility (anebo obecněji: výroby a akumulace energie) si nechtějí nechat ujet vlak a už nyní, často jen experimentálně, do recyklace investují. Podívejme se na konkrétní příklady.

Švédský výrobce baterií pro elektroauta Northvolt (o kterém už jsme se zmiňovali taky jako o prvním výrobci sodík-iontové baterie v Evropě) spustil recyklační projekt Revolt.

Finská státní elektrárenská společnost (“finský ČEZ”) Fortum udělal totéž.

Největší evropská automobilka Volkswagen spustila na počátku roku 2021 v německém Salzgitteru recyklační linku.

V Česku se o pouhý rok později přidaly také Kovohutě Příbram. Své plány má (stejně jako ve Finsku) i polostátní ČEZ: Na veřejných prezentacích (odkud pochází i následující schéma) zástupci Geometu mluví v souvislosti s recyklací o joint venture, tedy společném podniku či partnerství. Kdo konkrétně by měl samotné zpracování zajistit, ČEZ zatím neříká.

Problémy

Obecně se dá říct, že ve velkém lithiové baterie zatím nikdo nerecykluje, a to jednak proto (jak jsem už popsal), že jich zatím není dost, ale také proto, že to je technologicky náročná činnost. 

Je běžně známým faktem, že Li-iontové baterie mohou vzplanout, nejčastěji vinou mechanického poškození (to je důvod, proč řada dopravců nechce přepravovat elektrokola nebo posílat baterie do nich; pokud už vám někdo baterii posílá poštou, pak obvykle v obřím balíku, z něhož většinu objemu tvoří ochrana před poškozením). Když se elektrody dostanou blízké k sobě, hrozí požár (detailněji o tom třeba na webu Popular Science).

Narozdíl od zpracování jiných surovin, jak je třeba železný šrot, je recyklace lithiových baterií výrazně jemnější práce: Než baterii rozdrtíte, je třeba ji důkladně vybít a částečně rozebrat. Teprve pak může přijít na řadu těžké strojírenství a nakonec chemie: hydrometalurgické procesy velice podobné zpracování vytěženého minerálu. 

Recyklační provoz tak je komplikovanou továrnou s několika velmi odlišnými způsoby práce, v prvních etapách zpracování s vysokým rizikem požáru a s velkými energetickými a surovinovými nároky (vody, reaktanty, jako jsou minerální kyseliny ad.). Proces - snad až příliš zjednodušeně - ilustruje fotografie z webu Northvoltu: Na začátku vidíme baterie, pak drť, nakonec dva produkty: oxid manganičitý a v baňce nějakou nikelnatou sůl.

Stejně jako zpracování lithné slídy ani recyklační linku nebude chtít moc Evropanů mít hned za domem. Výhodou ovšem je, že narozdíl od závodu na zpracování zinnwalditu není nutné, aby recyklační závod v takové těsné blízkosti obytných domů byl. 

Pět let na přípravu

V reakci na blogový příspěvek o technologii zpracování krušnohorského zinnwalditu na uhličitan lithný jsem z řad poučených čtenářů opakovaně dostal dotazy ke zpracování hydroxidu lithného. Z akademické debaty se zrodil nápad s nečekaným bonusem: Má-li se lithná slída těžit a zpracovávat, nechť se to dělá co nejzeleněji. A to hned dvakrát.

Lithium bez kyseliny sírové

Opakovaně si na blogu České lithium připomínáme, že lithné ionty jsou v zinnwalditu vázány obzvlášť důkladně a přetvořit je na rozumný obchodovatelný a na baterie zpracovatelný produkt stojí hodně energie a surovin. Metod je navrženo nebo vyzkoušeno hned několik; Geomet si (pravděpodobně z ekonomických důvodů) vybral síranovou metodu, německo-kanadská firma připravující těžbu na saské straně hranice metodu sádrovou. Česká volba vede k ceněnějšímu produktu, je ale energeticky i surovinově velmi náročná (desítky tisíc tun kyseliny sírové ročně!). Německý těžař zvolil méně nebezpečnou technologii vedoucí k levnějšímu produktu, konkrétně k hydroxidu lithnému. Rozdíl v cenách mezi dražším uhličitanem a levnějším hydroxidem lithným je řádový. Nabízí se proto otázka, zda nejde hydroxid na uhličitan převést.

Jde - a měl by to zvládnout student nejpozději druhého ročníku gymnaziální chemie:

2 LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O. Jak taková reakce ale běží v realitě? A jak v průmyslovém měřítku?

Absorpce oxidu uhličitého alkalickými hydroxidy

Reakce skutečně běží, stejně jako analogicky funguje i v případě jiného zásaditého (alkalického) hydroxidu, totiž hydroxidu vápenatého (hašeného vápna) při tvrdnutí betonu.

Hydroxid lithný se zase používá na zachytávání oxidu uhličitého na vesmírných stanicích - jinak by se astronauti brzy udusili produktem vlastního dýchání.

Kinetika toho procesu je popsána přinejmenším 50 let. V roce 2022 vyšel článek v Nature, který testoval absorpci v poloprovozních podmínkách.

Teoreticky bychom na jednu tunu uhličitanu mohli spotřebovat až 595 kg oxidu uhličitého. Z uvedeného výzkumu ale plyne, že rovnováha té reakce je mnohem méně příznivá, účinnost vychází na zhruba 24 %. I tak ale pořád platí, že reakce běží a je průmyslově využitelná: Pokud by navržený návod na zpracování cínovecké rudy měl produkovat asi 25 kilotun uhličitanu lithného, mohl by na to využít asi 3 500 tuny oxidu uhličitého. To - pro srovnání - odpovídá (při emisích 95 g CO2 na km) asi 37 milionům kilometrů v běžném osobním autě.

Právě teď je čas na ten zajímavý bonus: Jak je zřejmé, sádrovou metodou zpracování zninwalditu bychom méně hodnotný hydroxid přetvořili na dražší uhličitan, ale zároveň tím z atmosféry odstranili oxid uhličitý coby skleníkový plyn.

Zachytávání atmosférického uhlíku

Carbon Capture and Store (zkráceně CCS) je jedna z kýžených, ale stále spíš konceptuálních metod, jak na poslední chvíli odvracet změny klimatu v důsledky rostoucího množství skleníkových plynů (zejména tedy antropogenního oxidu uhličitého). Myšlenka je prostá: Spalováním fosilních paliv (nebo třeba výrobou cementu a oceli) sice vyšleme do atmosféry oxid uhličitý, ale vzápětí za zase odčerpáme a uložíme. Jak moc experimentální to je, dokazuje Global CCS Institute, který vede veřejně dostupnou databázi všech (!) provozů s CCS na světě. I když jejich počet roste, je zřejmé, že běžná technologie to není.

Velmi často takové pokusy vedou k paradoxu. Obvykle totiž vedou k ukládání pevného produktu zachytávání (třeba už zmíněného vápence) do země. To s sebou nese nejen další náklady (a taky uhlíkovou stopu) na dopravu, ale i zemní a důlní práce. Nezřídka se proto stává, že proces zachycení a uložení takového materiálu má větší uhlíkovou stopu, než kdyby se to nechalo být. 

Způsob, který je výše nastíněn, je o hodně zajímavější: Vzniklý produkt není třeba sypat do jámy. Navržená CCS vede k uhličitanu lithnému, produktu, který je žádaným artiklem, na konci svého životního cyklu je z vyrobené baterie znovu recyklovatelný.

Ekonomika

Při současných cenách emisních povolenek cca 68 eur za tunu CO2 (zhruba 1700 Kč) má uhličitan lithný z atmosférického uhlíku lepší i ekonomickou bilanci, a to asi o 6 milionů korun. Není to moc, ale při nízkých výkupních cenách pro zpracování do baterií může i tohle mít svou cenu.

Naděje?

Cínovecká slída se nikde na světě netěží a proto nezpracovává. Platí ale, že lithné ionty jsou v ní vázány obzvlášť dobře a dostat je do obchodovatelného produktu není vůbec snadné. Před šesti lety jsem avizoval, že zásadním otazníkem bude chemická technologie zpracování cinvalditu na uhličitan lithný. Geomet vybral síranovou metodu s fosforenčnanovým stupněm, což znamená desítky tisíc tun koncentrované kyseliny sírové za rok. Na německé straně hranice se taktéž chystají na těžbu; ve zpracování ale s kyselinou sírovou nepočítají. Jde to i bez ní?

Proces navržený firmou Zinnwald Lithium PLC je známá sádrová metoda. Ruda se spéká s vápencem a sádrou (odtud název) a pak se vyluhuje ve vodě, produktem je hydroxid lithný. Zástupci Geometu o stejném přístupu mluvili v roce 2017 v Českém rozhlasu, nyní od něj ustoupili. Důvody neznáme, můžeme maximálně tipovat:

Cena hydroxidu lithného logicky kopíruje křivku ceny uhličitanu lithného, je ale nižší. V polovině prosince 2023 je cena kilogramu uhličitanu asi 300 Kč za kg, zatímco hydroxid stojí cca 20 Kč za kilogram. Náklady jsou sice nižší, ale výnosy také, a to řádově.

Prakticky každá chemická výroba vyžaduje hodně vody. I zpracovatelský závod v osadě Dukla v Újezdečku u Teplic ji bude potřebovat, povede ji dvěma trubkami, mj. z dolu v Mariánských Radčicích. Sádrová metoda vyžaduje mnohem víc vody. A protože voda se bude čerpat, zase to nese náklady.

Výběr sádrové metody by nutně musel znamenat přenést zpracovatelskou chemičku někam blíž vodě (ideálně k nějaké řece). To by ale prodražilo dopravu materiálu z dolu (už teď má pás nebo lanovku asi 8 km) a možná přineslo problémy na jiných stranách, např. horší dopravní dostupnost.

Zdá se, že Geomet vybral metodu až na základě výběru lokality Dukla u Újezdečku. Z ekonomického hlediska jde o racionální kompromis: důl, voda, železnice jsou přiměřeně daleko. To ovšem limitovalo výběr technologie.

Má-li něco být role státu a samospráv, pak zajistit, aby si nenechali vnutit tuhle byznysovou logiku. Když inženýři Geometu na veřejné prezentaci říkají, že něco technologicky nejde, není to pravda. Měli by říkat, že firmě se to nevyplatí. Případná těžba ale musí být výsledkem dohody a akceptace všech stran. 

Zájmem občanů by mělo být, aby změnil metodu na sádrovou: ubude řádově vlak naložený kyselinou sírovou jednou za týden, nebude emise jedovatého oxidu siřičitého (který by museli zachytávat), závod se pravděpodobně přesune někam k Labi. 

Těžba a zpracování lithia se, ostatně jako každý jiný byznys, vyplatí tehdy, když ekonomické výnosy převýší její náklady. Pojďme se věcně podívat na to, jaké trendy nákladů a výnosů u potenciální těžby cinvalditu v Krušných horách můžeme očekávat a co to znamená pro ekonomiku celého podniku.

Náklady

Lithné ionty se vyskytují v několika různých sloučeninách: od halogenidů lithných (velmi blízkých příbuzných chloridu sodného, tedy kuchyňské soli) až po polymetalické slídy, komplikované materiály, které lithia obsahují obvykle velmi málo a ještě složitě vázaného.

Ty jednoduché soli jsou třeba v mořské vodě (0,18 g na tunu mořské vody) a hlavně ve vysoce mineralizovaných vodách v několika málo oblastech Argentiny, Chile a USA (100 až 7000 g na tunu roztoku!). 

Tou komplikovanou slídou je “náš” cinvaldit. Náš je jednak proto, že se jmenuje podle Cínovce, části pohraničního města Dubí v okrese Teplice, ale taky proto, že dvě třetiny jeho slušně velkého ložiska leží na české straně Krušných hor. Jeho prvkové složení  KLiFeAl(AlSi3)O10(OH,F)2 potvrdí, že v čistém minerálu jsou lithia zhruba dvě hmotnostní procenta. Osvobodit lithné ionty z komplikované krystalové mřížky stojí hodně energie a obvykle koncentrované kyseliny sírové. 

Produkovat lithné soli v Chile nebo Argentině je proto výrazně levnější, než v případě výroby z českého cinvalditu. Jiří Zachariáš (1) uvádí, že produkce uhličitanu lithného ze solanky vyjde cca na 2-3 americké dolary za kilogram, zatímco u cinvalditu 6-7 dolarů. To je přinejlepším 2x, ale možná taky více než 3x více.

Pro pochopení obřích nákladů je třeba uvážit, že jde o hlubinnou těžbu. Protože obsah minerálu (a žádaného kovu v něm) je malý, je třeba natěžit, rozdrtit, dopravit a zpracovat obří množství materiálů. Důl i následné zpracování (pece k zahřátí na 850 °C) tak spotřebuje obrovské množství elektřiny. V řádu desítek tisíc tun ročně se spotřebovává kyselina sírová, kyselina fosforečná, hydroxid sodný, soda. 

Výnosy 

Výnosy se odvíjejí od ceny uhličitanu lithného na světových trzích. Je faktem, že navržený technologický postup generuje několik vedlejších produktů (např. síran draselný prodatelný jako přísada do hnojiv); ekonomiku celého byznysu ale zásadně určuje právě uhličitan lithný.

V listopadu 2022 byla cena na maximu, nyní, o 13 měsíců později, je na na 16 % kulminační ceny. Tržní hodnota se vrátila na stabilní hodnota mezi 130 až 440 Kč za kilogram (v době maxima byla téměř na 1 900 Kč!).

Na grafu vidíme klasický cenový hype daný nízkou nabídkou a vysokou poptávkou, a to zejména ze strany čínského automotive průmyslu. Protože ale nabídka během necelých dvou let poptávku dohnala, cena začala strmě padat.

Čína je dlouhodobě tahounem v produkci i spotřebě elektroaut - a taky klíčový zpracovatel argentinské, chilské a australské suroviny (60 % veškeré produkce uhličitanu lithného vznikne v Číně). Jedna produkce ve středu Evropy takovou dominanci neohrozí. Cenově dokonce bude sama sobě podkopávat nohy: Jestli nabídneme další surovinu pro výrobu baterií, ještě tím srazíme cenu. Protože ale máme vysoké náklady, může být další pokles pro celý podnikatelský plán likvidační.

Faktor politika

Z uvedeného globálního kontextu i porovnání vysokých nákladů a nízkých výnosů vychází bez složitých počtů, že návratnost projektu těžby a zpracování českého lithia nedává v takové realitě ekonomická smysl.

Premiér Petr Fiala označil těžbu lithia jako strategickou prioritu, jako příležitost k ekonomickému rozvojil. Možná to tak mohlo být, kdyby vláda nepropásla příležitost postavit v Česku továrnu na baterie, kdyby zvládla dobře komunikovat se samosprávami a kdyby se to celé trefilo do období cenové horečky. Nic z toho se nepovedlo, přesto premiér a jeho vláda dál tvrdošíjně trvají na tom, že těžit se bude. 

Příště vysvětlíme, že rozhodnutí rozjet těžbu strategické není: Spíš je to rozhodnutí velmi riskantní v mnoha rovinách. Pokušení ale sebrat původně volební sólokapr Andreje Babiše, profilovat se jako vláda technologických inovací a možná taky sanovat díry v rozpočtu je ale příliš velké. 

A tak zatímco každý racionální obchodník by od projektu za stávající situace odstoupil, vláda se do něj bezhlavě vrhá. 

Zdroje: