ETD

• Cesano
• DLE
• LCA
• litio

The energy transition toward low-carbon systems requires an ever-increasing supply of lithium, a critical raw material for lithium-ion batteries used in electric mobility and stationary energy storage. Demand is projected to grow sharply over the coming decades, making it necessary to identify alternative sources beyond conventional ones, currently concentrated outside the European Union. Hypersaline geothermal brines represent an unconventional resource of potential strategic interest, as they allow the co-production of renewable energy and critical minerals, reducing dependence on geographically concentrated supply chains.
This thesis assesses the environmental profile of lithium carbonate (Li₂CO₃) production from the geothermal brine of the Cesano field (Lazio, Italy), within the framework of the Progetto Lazio promoted by Altamin Limited, using Life Cycle Assessment (LCA) according to ISO 14040/44. The study adopts a cradle-to-gate boundary, a functional unit of 1 kg Li₂CO₃, the Ecoinvent 3.7 database, and the Environmental Footprint 3.0 (EF 3.0) impact method, with particular focus on Acidification, Climate Change, Ecotoxicity, Human Toxicity, and Water Use. The work includes a geological characterization of the Cesano field within the Sabatine Volcanic Complex — covering its hydrothermal system, reservoir structure, and brine chemistry (Li ~0.01677 wt%, TDS ~350 g/L), and a systematic literature review of conventional and DLE-based Li₂CO₃ production methods. Conventional methods (solar evaporation and hard-rock mining) show well-established impacts but involve high land and water use or intensive energy demand; DLE technologies, including aluminium hydroxide-based selective adsorbents, the most documented family in the LCA literature, offer reduced processing times and lower water footprint, though industrial-scale inventory data remain scarce.
The LCI was built by adapting the models of Schenker & Pfister (2025), based on Featherstone et al. (2019), and Huang et al. (2021), based on Paramanthan et al. (2017), to Cesano brine chemistry, following a pretreatment stage to remove interfering ions. Four scenarios are assessed: LDH, CCIX, boric acid co-extraction (Wu et al., 2021), and LiOH conversion (Chordia et al., 2022). Results are comparable to Ecoinvent and literature benchmarks for many categories, but considerably higher for freshwater ecotoxicity, though this depends strongly on assumptions regarding deionized or recirculated water, for which methodological consistency across studies is lacking. The Schenker & Pfister (2025) model, despite its geothermal context, partially relies on natural gas as an auxiliary energy carrier, substantially increasing several impact categories. Key uncertainties include real-scale adsorber performance, spent brine management, and the removal of interfering ions present at exceptional concentrations in Cesano with no precedent in the available literature. This work contributes a site-specific environmental assessment for an emerging unconventional lithium source and a methodological foundation for future research within the Progetto Lazio.

La transizione energetica verso sistemi a basse emissioni di carbonio richiede un approvvigionamento sempre crescente di litio, elemento critico per la produzione di batterie agli ioni di litio destinate alla mobilità elettrica e allo stoccaggio stazionario di energia. La domanda proiettata in forte crescita nei prossimi decenni rende necessario identificare fonti alternative a quelle convenzionali, attualmente concentrate in pochi paesi produttori, al di fuori dell’Unione Europea e del territorio nazionale. In questo contesto, le acque geotermali ipersaline rappresentano una risorsa non convenzionale di potenziale interesse strategico, in quanto consentono di associare la produzione di energia rinnovabile all'estrazione di minerali critici, riducendo al contempo la dipendenza da catene di approvvigionamento geograficamente concentrate.
Il presente lavoro di tesi si propone di valutare il profilo ambientale della produzione di carbonato di litio (Li₂CO₃) dalla salamoia geotermica del campo di Cesano (Lazio, Italia), nel quadro del Progetto Lazio promosso da Altamin Limited. Lo studio è condotto mediante Life Cycle Assessment (LCA) secondo le norme ISO 14040/44, con approccio cradle-to-gate, unità funzionale pari a 1 kg di Li₂CO₃ prodotto e database Ecoinvent 3.7. La caratterizzazione degli impatti è effettuata con il metodo Environmental Footprint 3.0 (EF 3.0), considerando diverse categorie di impatto ambientale, in particolar modo: Acidification, Climate change, Ecotoxicity, Human Toxicity, Water use.
Il lavoro si articola in una componente di inquadramento geologico e una di revisione tecnologica, propedeutiche alla modellazione LCA e al confronto con gli impatti derivanti dai metodi tradizionali. Sul piano geologico, viene caratterizzato il campo geotermico di Cesano, inserito nel contesto del Complesso Vulcanico Sabatino (Lazio settentrionale): ne vengono descritti il sistema idrotermale, la struttura del reservoir e il potenziale della risorsa in termini di portata e composizione chimica della salamoia, con una concentrazione di litio di circa 0,01677% in peso e un contenuto di solidi disciolti totali (TDS) di circa 350 g/L. Viene discussa la rilevanza di tale risorsa nel quadro più ampio delle salamoie geotermali europee e delle politiche di approvvigionamento di materie prime critiche dell'Unione Europea.
Sul piano tecnologico, è stata condotta una revisione bibliografica sistematica dei principali metodi di produzione di Li₂CO₃, con l'obiettivo di confrontarne vantaggi e criticità ambientali. I metodi tradizionali, in particolare l'evaporazione solare da salamoie in bacini di accumulo, prevalente nel Triangolo del Litio sudamericano, e l'estrazione da minerali (spodumene), prevalente in Australia e Cina, presentano profili di impatto consolidati in letteratura e in Ecoinvent, ma comportano rispettivamente un elevato consumo di suolo e acqua nel primo caso, e un'intensa domanda energetica e di reagenti dall’elevato impatto ambientale nel secondo. Le tecnologie DLE emergono come alternativa promettente, consentendo di operare su salamoie diluite e ad alto TDS con tempi di processo significativamente ridotti e minore impronta idrica. Tra le famiglie di DLE analizzate (adsorbimento su materiali selettivi, scambio ionico, membrane elettrodialitiche e metodi elettrochimici) gli adsorbenti basati su idrossidi di alluminio risultano la tecnologia più documentata a livello di letteratura LCA, sebbene i dati di inventario a scala industriale restino ancora limitati.
L'inventario del ciclo di vita (LCI) è stato costruito adattando i modelli di riferimento di Schenker & Pfister (2025), basato sul brevetto Featherstone et al. (2019), e di Huang et al. (2021), basato sullo studio di Paramanthan et al. (2017), alla chimica specifica della salamoia di Cesano, dopo una fase di pretrattamento che ha lo scopo di eliminare gli ioni interferenti con i processi DLE applicata ad entrambi i modelli. La tecnologia DLE modellata si basa su adsorbenti selettivi nelle configurazioni LDH e CCIX. Lo studio include quattro scenari principali: (i) scenario LDH, (ii) scenario CCIX, (iii) scenario con co-estrazione di acido borico come sottoprodotto, modellata come processo indipendente sulla base di Wu et al. (2021), e (iv) scenario di conversione in idrossido di litio (LiOH·H₂O), basato sul modello di Chordia et al. (2022).
I risultati ottenuti sono stati confrontati con i dati disponibili in Ecoinvent e in letteratura relativi all'estrazione di Li₂CO₃ con metodi tradizionali e con altre tecnologie DLE. Per molte categorie di impatto i valori calcolati risultano comparabili con i benchmark di riferimento; per altre, in particolare l'ecotossicità delle acque dolci, i risultati sono sensibilmente peggiori, sebbene il valore effettivo dipenda in misura rilevante dalle assunzioni adottate riguardo all'acqua deionizzata o di ricircolo utilizzata nei processi, sebbene non vi sia piena coerenza metodologica nei vari studi presenti in letteratura. È da notare che il modello di Schenker & Pfister (2025), pur essendo riferito a un contesto geotermico, incorpora parzialmente gas naturale come vettore energetico ausiliario, determinando un incremento sensibile in alcune categorie di impatto rispetto agli scenari che adottano esclusivamente energia geotermica.
Lo studio mette in luce sia le potenzialità ambientali dell'estrazione di litio da risorse geotermali, sia i limiti metodologici connessi alla disponibilità di dati primari e alla rappresentatività dei proxy di inventario. Le principali fonti di incertezza riguardano i consumi energetici, i rendimenti reali degli adsorbitori DLE su scala industriale, la gestione della salamoia esausta, l’utilizzo di acqua di ricircolo per diminuire il consumo idrico e la rimozione di particolari ioni interferenti presenti nell’area di Cesano in concentrazioni eccezionali che non ritrovano precedenti nella letteratura disponibile. Il lavoro contribuisce alla letteratura emergente sull'LCA della produzione di litio da risorse non convenzionali, fornendo una valutazione ambientale specifica per il contesto geologico e tecnologico del campo di Cesano e una base metodologica per futuri approfondimenti nell'ambito del Progetto Lazio.