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Le lithium cours ENSMP 29092021v2.pdf
- 1. Sophie Lebouil Research Engineer Sourcing metals for the energy transition PRODUCTION DE LITHIUM à partir de GISEMENTS DE TYPE SALAR (saumures) Gisement de Centenario, Argentine Ecole des Mines de Paris, 29 Septembre 2021 Christophe THILLIER, Département Exploration - ERAMET
- 2. INDEX 01 Eramet en un clin d’oeil 02 Le marché du lithium 03 Gisements Rocheux & Saumures 04 Le gisement de Centenario, Argentine 05 Annexes
- 4. Eramet en un coup d’œil 4 4 3,55 Md€ de chiffre d’affaires 13 000 collaborateurs dans 20 pays 39 sites industriels Données 2019 Priorité à la sécurité de tous Notre capacité à opérer nos activités en toute sécurité est notre priorité absolue. Nous le devons à nos employés, à nos sous-traitants et à l’ensemble de nos partenaires. Eramet est un acteur majeur dans l’extraction et la valorisation des métaux, ainsi que l’élaboration et la transformation d’alliages de haute performance. Eramet développe également des activités à fort potentiel de croissance, telles que le traitement du lithium, la diversification vers les produits pour batteries des véhicules électriques ou le recyclage des batteries Lithium-ion, appelées à jouer un rôle clé au service de la transition énergétique.
- 5. Une présence industrielle globale 5 PROJETS SITES MINIERS Manganèse TRANSFORMATION Aubert & Duval Nickel Sables minéralisés Lithium Erasteel ESPAGNE 1 site SUEDE 3 sites CHINE 1 site INDE 1 site ROY. UNI 1 site NORVEGE 3 sites 1 site SENEGAL Diogo GABON Moanda NOUVELLE CALEDONIE Doniambo, Kouaoua, Népoui, Poum, Thio, Thiébaghi ETATS-UNIS 1 site 1 site ARGENTINE Salar de Centenario- Ratones* 2 sites 1 site 1 site FRANCE 12 sites Asie 36% 16% 35% Am. du Nord Europe 9% France 4% Autres Chiffre d’affaires 2020 par zones géographiques Titre de la présentation - 00/00/00 Classification : INDONESIE Weda Bay * Projet sous cocon
- 6. Division Alliages Haute Performance Deux divisions, cinq business units BU Manganèse BU Sables minéralisés BU Nickel BU Lithium (projet sous cocon) BU Produits longs forgés et laminés BU Pièces matricées (Aubert & Duval) BU Aciers rapides et Recyclage (Erasteel) Réseau commercial Innovation et R&D Li Applications Construction, automobile, chimie, batteries, engrais et pigments de peinture Céramiques, chimie, Matériaux réfractaires, fonderie Pigments et titane métal Acier inoxydable et alliages à base de nickel Batteries Aéronautique, véhicules électriques et stockage d’énergie Aérospatial, turbines terrestres, pétrole, défense et recyclage Aérospatial, aciers rapides, outillage et recyclage 6 Titre de la présentation - 00/00/00 Classification : Division Mines & Métaux
- 7. Entreprise citoyenne, engagée et contributive Assurer la Sécurité et la Santé des salariés et des sous-traitants Acteur économique responsable Acteur engagé pour la planète Acteur engagé pour les femmes et les hommes 1 5 2 3 4 6 10 7 8 9 Renforcer les compétences, promouvoir les talents et le développement de carrière Renforcer l’engagement des salariés Intégrer et favoriser les richesses de la diversité Être un partenaire apprécié et contributif de nos communautés hôtes Réduire nos émissions atmosphériques 11 12 13 Préserver la ressource en eau et accélérer la réhabilitation de nos sites miniers en favorisant la biodiversité Réduire notre empreinte énergie et climat 7 Être un des leaders des métaux de la transition énergétique Agir activement pour le développement de l'économie circulaire Être une référence en matière de respect des droits humains dans notre sphère d’activité Être un partenaire éthique de choix Être une entreprise responsable de référence dans la filière de la mine et la métallurgie
- 8. Manganèse #2 minerai de manganèse à haute teneur #2 alliages de manganèse #1 alliages affinés de manganèse Nickel #1 ferronickel à haute teneur Un acteur majeur des sels de nickel de haute pureté Sables Minéralisés #4 zircon #5 matières premières titanifères Division Mines & Métaux 7 400 collaborateurs 2 878 M€* chiffre d’affaires Un producteur de rang mondial, des mines hautement compétitives * Données 2019
- 9. 2. Le marché du Lithium Revue Rapide
- 10. Le marché du lithium – coup d’oeil ▪ Le marché du lithium est fortement concentré et est dominé par 5 producteurs (the big five) partageant 70% de la production mondiale actuelle, soit 320kt LCE(*), pour une capacité de production de 375kt LCE ✓ Ganfeng Lithium (Chine) Market cap: US$69.99 billion ✓ Tianqi Lithium (Chine) Market cap: US$45.38 billion ✓ Albemarle (USA) Market cap: US$9.32 billion ✓ SQM (Chili) Market cap: US$3.7 billion ✓ Livent (ex FMC) (USA) Market cap: US$1.63 billion 10 ▪ Les pays producteurs : Australie, Chili,Chine Argentine, USA, Brésil ▪ La capacité de production des opérateurs actuels devrait croître de 390kt LCE dans les 5 ans à venir (765kt LCE) ▪ La demande à horizon 2025 est estimée à 970kt LCE, la difference (205kt LCE) devrait être produite et placée sur le marché par de nouveaux projets et de nouveaux acteurs. (*) LCE : Lithium Carbonate Equivalent, voir table conversion en annexe
- 11. Localisation des opérations Lithium / « Big Five » 11
- 12. Dynamique entre le lithium et la demande en véhicules électriques (Evs) Les prévisions de la demande sont majoritairement guidées par la marché des Evs 12
- 13. Prix moyens de la tonne LCE (contract & spot), 2008-2021 H1 (US$/t) [Copyright] La chute des prix (déséquilibre offre / demande) amorçée en septembre 2018 s’est expliquée en grande partie par : • La très forte hausse de la production de concentrés de spodumène australiens en 2018 a ainsi gonflé le marché de stocks (en attente d’être traités aux portes des usines de conversion chinoises). • Depuis début 2021, la forte pénétration des EVs sur le marché automobile, les politiques environnementales de certains pays grand pollueurs, l’après crise sanitaire (prise de conscience sociétale) participent au rebon des prix du lithium.
- 14. 20% de la demande en LCE proviendra de nouveaux projets 14 +/- 200kT LCE Une place à prendre ? Expansions de capacités Toutes réalisables ? vs contraintes environnementales ? Vs technologie ? Vs meilleure valorisation gisements
- 15. 3. Gisement Rocheux & Gisements de Saumures
- 16. 2 principales sources de Lithium 16 SAUMURES LITHINIFERES de SALAR 80-1570ppm Li PEGMATITES 0.9-1.6% Li2O
- 17. RESSOURCES MONDIALES en Lithium 17
- 18. Deux types de gisements / des coûts opératoires différents ✓ Le coût opératoire d’1 tonne de LCE(*) à partir d’un gisement de spodumène (gisement rocheux) est plus élevé que le coût opératoire d’1 tonne de LCE produite à partir d’un gisement de saumure >>> coût ombrelle pour les producteurs sud-américains (saumures). 18 ROCHEUX SAUMURES
- 19. 19 GREENBUSH MINE (AUSTRALIE) Opérée par TIANQUI (51%) et ALBERMALE (49%) 100,000t LCE / an Pit : 3km x 300m Spodumene Âge : 2,5 Mdsa
- 20. Process Conventionnel du spodumene pour produire du carbonate de lithium (Li2CO3) – récupération : 20 Roasting ~1000 °C Acid roasting 250°C Water leaching 6% Li2O conc. Li2SO4 solution Filtration H2SO4 Ca(OH)2 Precipita- tion 90°C Filtration Mining + Concentrator Impurities removal Na2CO3 Li2CO3 Na2CO3 solution OPEX élevé OPEX élevé La plupart du spodumène est exploité et concentré en Australie et transporté vers la Chine ou il est transformé. α → β Source: P. K. Choubey, M. Kim, R. R. Srivastava, J. Lee, et J.-Y. Lee, « Advance review on the exploitation of the prominent energy- storage element: Lithium. Part I: From mineral and brine resources », Minerals Engineering, vol. 89, p. 119-137, avril 2016. Conventional roasting and acid roasting process
- 21. 21 SALAR DE ATACAMA (CHILI) Opéré par : ALBERMALE SQM 80,000t LCE / an 70,000t LCE / an Surface Salar : 3000km 2 Saumure Âge : Quaternaire
- 22. Process Conventionnel de traitement des saumures (basé sur l’évaporation naturelle). 22 SO4 2- and Mg2+ Removal SX Boron Precipita- tion Filtration Pre- evaporation IX Na2CO3 OPEX élevé Li2CO3 NaOH, lime Solvent Potash Délais de process très longs ~18 months Precipitation Ca, Mg Post- evaporation • Capitaux élevés vs longs délais de process(12-18mois) • Récupération très moyenne du Lithium 40-50 % • Rentabilité fonction de la qualité de la saumure et des conditions météo Salar de Olaroz, Argentina. Image courtesy of Orocobre Limited.
- 23. Et pourtant … ✓ Les récentes augmentations de capacité réelles et mesurées se font d’avantage à partir des gisements rocheux 23 From: Lithium Outlook to 2030 Source: Roskill Created for: [User] / Eramet IP Address: 172.24.31.254 Refined production of lithium (first product) by source, 2013-2020e (kt LCE) • Les gisements rocheux (spodumene) sont des gisements miniers classiques (facile à modéliser et à exploiter et malgré des coûts opératoires plus élevés (mais avec un process maîtrisé). • L’incertitude sur la modélisation de gisements de salar, les limitations gouvernementales sur ce type de gisements au Chili, et surtout les défis technologiques associés au projets non conventionnels expliquent ce déséquilibre (la chimie des saumures est unique à chaque gisement). • La capacité de production à partir de gisements de saumures va pourtant augmenter dans les 3 à 5 ans grâce aux progrès technologiques et à un OPEX qui reste extrêmement compétitif.
- 24. 24 GISEMENTS de SAUMURES CHILIENS : Augmentations de capacités ralenties Les augmentations de capacités de production de Albermale et SQM, réalisées à base d’évaporation naturelle doivent être accompagnées d’une amélioration technologique pour : - amélioration de la récupération du Lithium (>70% min.), et donc meilleure valorisation des gisements. - réduction du volume de pompage des saumures et donc empreinte moins forte sur la balance hydrique LES TECHNOLOGIES NON CONVENTIONNELLES PEUVENT REPONDRE A CE DEFI ATACAMA SQM : 140kt LCE (2030) ? ALBERMALE : 100kt LCE (2025)
- 25. 4. Le Gisement de Centenario Argentine ERAMET
- 26. Lithium: diversification sur les métaux de transition énergétique Développement du gisement de Centenario en Argentine • 520 km2 de concessions minières assurées, obtenues par Eramet avec le soutien de REMSA. • Ressources drainables d'environ 10 millions de tonnes de carbonate de lithium • Étude d'impact environnemental approuvée par le ministère des Mines de la Province en mai 2019 • Capacité de production: 24 kt de carbonate de lithium par an • Investissement d'environ 500 M € dans un plan d'investissement triennal, de 2019 à 2021 • Ingénierie de détail réalisée, principaux équipement acheté, camp de base opérationnel • Pilote de démonstration en opération continue depuis janvier 2020. 26 * Lithium calculated in LCE (Lithium Carbonate Equivalent)
- 27. Histoire du Projet : depuis l’exploration à la construction Start of “Lithium triangle” exploration program Eramet starts to investigate lithium recovery processes from brines Eramet Research begins developing its proprietary adsorption process technology Perpetual mining rights granted Developed proprietary adsorption material in collaboration with IFP Energies Nouvelles and filed 10 patents Extensive laboratory tests completed with adsorption pilot plant successfully run for 6 continuous months with positive results Success in piloting the direct extraction process at a semi-industrial level Preliminary Feasibility Study performed Semi-industrial scale pilot in Eramet R&D center in France in H1 April 2019: End of Detailed Feasibility Study / Internal Project Validation; Start of construction End-2021: Commissioning and start of lithium production High return Expansion potential 2010–2012 Exploration Programme Focused on brine mineral resources characterisation 2013–2017 Exploration Programme Focused on hydrogeological and numerical groundwater modelling from the Cuenca deposit. Exploration program has proven that the deposit contains more than 9Mt of drainable LCE 2014 2010 2017 2018 2019 2021 2015 2014 2010 2009 2017 2013 Discovery of Centenario- Ratones salar 2012 Exploration and Development Process Technology 2019–2020 Exploration Programme Focused on exploring 12 additional wells centered on Centenario, in order to further validate high value creation potential for Phase 2 expansion 2020 2013 The direct extraction process was retained as the most efficient way and adapted to the Centenario salar in 2013 Start of Definitive Feasibility Study 2016 Construction has Commenced in 2019 after Successfully Completing a DFS – Mise en cocon mi 2020 Pilot Unit at Pastos Grandes (Argentina, 2013) Pumping Well at Ratones (April 2014) Evaporation Pool at Pastos Grandes (Argentina, 2013)
- 28. Le projet de Centenario implantée dans le triangle du Li 28 SALINAS GRANDES OLAROZ CAUCHARI PASTOS GRANDES POZUELOS CENTENARIO-RATONES HOMBRE MUERTO ANTOFALLA LLULLAILLACO POCITOS HOMBRE MUERTO RINCON
- 29. Salar de Centenario 29 Salar de Centenario + Salar de Ratones = Projet Centenario Longueur : 70km Largeur 4 à 6 km Altitude : 3900m snm
- 30. Profil géologique du Salar de Centenario 30 7 unité hydrogéologiques L’unité profonde “Sand-Gravel” constitue la “PAY ZONE » Measured Res. Polygon A B A B
- 31. Ressources & Réserves – Projet Centenario 31 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2014 2015 2017 LCE (ktons) Année estimation des ressources Measured Indicated Inferred Volume de saumures drainables 2358 * 106 m3 Lithium métal 921 kTonnes LCE (Lithium Carbonate Equivalent) 4903 kTonnes
- 32. Infrastructures planifiées 32 ERAMET | Lithium Project Champ de pompage eau industrielle (4 puits – 20 l/s) Champ de pompage saumures (19 wells @ 19 l/s) Lithium Carbonate Production Plant (24kT/an) Gas Pipe (33km from Fenix pipe) Infiltration Basin
- 33. Simulation Production – Projet Centenario Optimized Scheme : Pumping Field (2018, ESA) 21,5 22 22,5 23 23,5 24 24,5 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Time (yr) Projected LCE tonnage for production wellfield Seuil LCE Eramet ER_2018_A Li moy SO4 moy Cl moy HCO3 moy [mg/L] [mg/L] [mg/L] [mg/L] 415 150730 9842 900-1000
- 34. 34 . Etape du procédé d’Eramet en Argentine Préparation de la saumure Extracion Directe Nano-filtration et osmose inverse Concentration Extraction par solvant Echange Ionique Champ de pompage Li2CO3 Recirculation de l’eau ▪ Champ de pompage de 24 puits de 300 à 350 m de profondeur - la teneur en lithium de la saumure est 420 mg/L. ▪ Préparation de la saumure : filtrer les matières en suspensions (principalement oxyde de fer) et protéger les colonnes du procédé de sorption (ci-après). ▪ Extraction directe par sorption à l’aide d’un solide actif par succession de cycles ▪ de charge pour remplir le solide de lithium de la saumure, et ▪ d’élution pour libérer le lithium du solide actif et produire une solution de chlorure de lithium purifiée. ▪ Nano-filtration y osmose inverse afin d’éliminer les traces d’ion divalent (SO4 2-, Ca2+, Mg2+), de concentrer la saumure et de recycler l’eau dans le procédé. ▪ Concentration par évaporation forcée permet de concentrer d’avantage la solution lithium et de recycler l’eau dans le procédé. ▪ Extraction par solvant. Les traces de bore nécessite une étape spéciale pour être éliminées. ▪ Echange ionique de sécurité pour s’assurer de la qualité batterie du produit final avant l’étape de cristallisation du lithium sous forme de carbonate. Apport en eau Saumure épurée ❑ Le rendement lithium est proche de 90% et permet d’optimiser le bilan hydrique ❑ La saumure épurée et non contaminée retourne dans le milieu natutel ❑ Le procédé est protégé par des brevets au niveau mondial
- 35. Procédé d’extraction directe d’ERAMET 35
- 36. Etape Projet Centenario : Construction (mise en cocon) 36
- 37. Comparatif Process Extraction Directe vs Conventionnel (Evap) 37 Saumure Li = 0.5 g/L 1 300 m3/h saumure récuperable pour constituer l’apport en eau Rendement lithium : 90% ‘valorisation du gisement Eau 350 m3/h Rendement lithium : 45% 24 000 tpa LCE 24 000 tpa LCE Saumure Li = 0.5 g/L 2 600 m3/h Extraction Directe Evaporation traditionnelle 99,5 % Saumure evaporée ❑ Le bilan hydrique est meilleur dans le cas de l’extraction directe (volume de pompage inférieur, moins de sollicitation de l’aquifère, du fait de la meilleure récupération du Li) ❑ La saumure traitée n’est pas perdue complètement par évaporation : elle participe à la recharge de l’aquifère ❑ Le bilan hydrique peut encore être amélioré en recyclant l’eau de la saumure épurée à l’aide de techniques de traitement des eaux (en cours d’étude) 100 % de la saumure epurée restituée au salar Pas de saumure restituée au salar
- 41. ANNEXE 1 41
- 42. ANNEXE 2. : Différents ss-produits obtenus à partir des minerais rocheux et saumures 42
- 43. Formation d’un salar (andin) : conditions endoréiques 43 En hydrologie, l’endoréisme (du grec ancien : ῥεῖν / rheîn [« couler »] avec le préfixe endo- [« dedans »] et le suffixe -isme.) d'un cours d'eau ou d'un bassin versant est le fait qu'il ne se déverse pas dans une mer, mais est au contraire clos, retenant ses eaux (superficielles ou non) dans une cuvette fermée. Les pluies ou autre formes de précipitations qui l'alimentent ne peuvent quitter un bassin endoréique autrement que par évaporation ou infiltration.
- 44. ANNEXE 3 : TECHNIQUE EXPLORATION SALAR 44 En annexe 3, sont présentées les techniques communément utilisées pour explorer les saumures lithinifères présentes dans les salars
- 45. PROSPECTION / EXPLORATION (échantillonnage saumures) 45 La prospection basique commence par : Reconnaissance satellite pour identifier les zones d’évaporites ou des zones de dépressions topographiques où les évaporites peuvent être recouvertes par des alluvions et/ou éluvions. Echantillonnage de saumure dans des puits forés à la tarrière et/ou à la main. Récupération des saumures par bailers double-valve (pour éviter la contamination à la remontée du bailer). Mesure des paramètres physico-chimiques de la saulure échantillonnée (densité, température, conductivité, pH Mesure du niveau phréatique local (important au momento de definir l’effet de concentration natural par évaporation). Profondeur d’extinction du phénomène d’évaporation (cf diagramme à gauche) Campagnes géophisiques SEV (sondage electrique vertical) , CASAMT (magneto- tellurique) Estudios geofísicos: SEV, CSAMT, gravimétrie. Etapas del desarrollo de un proyecto de salmueras de Li - 01/09/20
- 46. PROSPECTION / EXPLORATION (la géophysique) 46 Controlled source audio-magneto telluric (CSAMT) La magnétotellurique ( MT ) est une méthode géophysique électromagnétique permettant de déduire la conductivité électrique souterraine du sous-sol à partir de mesures de la variation naturelle du champ géomagnétique et géoélectrique à la surface du sol. La profondeur de mesure varie de 300 m sous le sol en enregistrant des fréquences plus élevées jusqu'à 10 000 m ou plus avec des sondages de longue période.
- 47. PROSPECTION / EXPLORATION (le sondage) 47 DDH : forage diamant pour récupérer une carotte de terrain permettant l’identification de la lithologie et éventuellement de l’analyse de la porosité (K) Drain point : système permettant la récupération d’un échantillon de saumure
- 48. PROSPECTION / EXPLORATION (paramètres physico-chimiques et tests de pompage) 48 Lecture continue de la conductivité, de la densité et récupération d’un échantillon par bailer à plusieurs profondeurs pour comprendre l’enrichissement en Lithium avec la profondeur. La réalisation de lectures par micro-moulinet lors d’un pompage permet d’identifier les zones productives (aptes à délivrer plus facilement des saumures), donc d’installer les filtres des puits de production au niveau des zones favorables.
- 49. PROSPECTION / EXPLORATION (paramètres physico-chimiques BMR)-2 49 1/ capillary bound wáter : eau non drainable retenue par les forcesde capillarité 2/ clay bound water : eau non drainable retenue par les argiles (intra-feuillets) 3/ Sy : porosité effective : volumen d’eau pouvant être extrait BMR : BOREHOLE MAGNETIC RESO?NANCE : This tool provides an accurate characterization of pore structure in the subsurface by measuring signals from magnetic resonance. This measurement can distinguish fluid types, and determine rock porosity, fluid content and permeability.
- 50. PROSPECTION / EXPLORATION 50 Modèle conceptuel (Leapfrog) Modéle conceptuel pour definir les unités principales qui seront reportées dans le modèle dynamique pondérées par des caractéristiques hydrogéologiques différentes (K, epaisseur, etc ….) Ce modèle permet déjà d’estimer des volumes et des premiers niveaux de ressources supposées.
- 51. PROSPECTION / EXPLORATION (le pompage) 51 Le pompage reste la méthode infaillible pour tester un aquifère, pour le caractériser et pour finalement calibrer le modèle hydrodynamique. Essais de pompages prolongés (mesures de l’abattement de la nappe, observation du comportement des teneurs dans le temps). Tests de récupération Possibilité de tester par tracer (colorant) pour estimer les temps de transit des saumures entre puits de production (pompage) et puits d’injection (puits d’observation)
- 52. MODELE CONCEPTUEL (leapfrog) 52 Etapas del desarrollo de un proyecto de salmueras de Li - 01/09/20 Drilled Wells 17 DDH (Diamond Drill Holes) 47 DW (Rotary Wells) Drilled Metreage DDH : 2724.3 meters DW : 7676.9 meters Total Pumping Time 6,360 hours Total Samples 1,148 Brines Samples 81 Industrial Water Samples
- 53. EXPLORACION AVANCEE (le modèle dynamique) 53 Etapas del desarrollo de un proyecto de salmueras de Li - 01/09/20
- 54. ESTIMACION DE RECURSOS/RESERVAS (salmueras) 54 Variographie Cokrigging et Simulation Conditionnelle
- 55. PRODUCTION (saumures) 55 Evolutión dans le temps à partir de modèles moyen et long terme Champ de pompage Evolution de la saumure dans le temps Estimation des ratios clefs (Mg/Li, SO4/Li, Fe, CO3, etc) EVOLUCION EN EL TIEMPO ELEMENTO (mg/L) EVOLUCION EN EL TIEMPO ELEMENTO (mg/L) Etapas del desarrollo de un proyecto de salmueras de Li - 01/09/20
- 56. Hydrogéologie ou géologie pétrolifère ? Etapas del desarrollo de un proyecto minero de Li - 01/09/20 56 L’analyse et la modélisation hydrogéologique d’un salar exige l’utilisation d’outils spécifiques et adaptés à la géologie particulière des salars. Des adaptations d’outils de modélisation pétroliers ne suffisent pas. Il faut prendre en compte : Recharge du bassin Interface Saumures / eaux douces Conditions de bords La possibilité de simuler mes abattements ds niveaxu des aquifères.