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Des véhicules “propres” aux batteries pas si nickel

Savez-vous ce qui se cache derrière vos batteries ? Le master MTI a tenté d’en savoir plus : boom des véhicules électriques, enjeux environnementaux, recyclage, seconde vie et innovation sont autant de sujets que nous abordons dans cet article.

Credit : Romane Creancier

8 milliards. C’est le montant que le gouvernement français a alloué cette année pour relancer la filière automobile de l’hexagone. L’ambition est louable car au-delà de sauver le secteur et ses emplois, il s’agit de renouveler le parc automobile français en faveur des véhicules dits propres.

Concrètement, cela se traduit par l’augmentation de la prime à la conversion et un bonus écologique allant jusqu’à 7 000€ pour l’achat d’un véhicule “propre”. En tant que consommateur, on est tenté de se dire “c’est moins cher, bon pour la planète et bon pour mon pays : je fonce !”. Et ça marche plutôt très bien. En juin, on a enregistré une augmentation record de 231% des véhicules électriques (VE) et hybrides rechargeables. Ainsi il ne règnera bientôt plus que le doux silence de ces véhicules planet-friendly dans les rues de nos villes.

Nickel, non ?

Et bien justement, c’est par ce jeu de mot malhabile qu’on voudrait vous parler du nickel nous. Ainsi que du lithium, du cobalt, et tout autre “confrère” métaux rares qui composent les batteries des VE.

En effet, l’explosion de la demande de VE signifie l’explosion de la demande des matériaux qui composent la batterie et donc de leur extraction et in fine une hausse proportionnelle de la production de déchets.

En 2019, 15 000 tonnes de déchets de batteries des VE ont été générés. Si les estimations sont justes, on atteindrait 50 000 tonnes en 2027 et 700 000 tonnes en 2035 ! En somme, on va très probablement multiplier nos déchets de batteries de VE par 46 alors qu’on n’a pour l’instant absolument pas les capacités de recycler des volumes de la sorte (1). À vrai dire, depuis sa création et le prix nobel qui lui a été attribué il y a 50 ans, les capacités de recyclage de la batterie lithium-ion n’ont pas évolué aussi vite que ses capacités de production.

Alors certes des batteries il y’en a partout : dans nos téléphones, ordinateurs, tablettes, pace-makers, scooters, vélos électriques, prothèse auditives, et j’en passe. Mais si l’explosion de la demande des véhicules électriques est aussi inquiétante c’est parce que l’échelle est tout autre. À titre d’exemple, une batterie de Tesla Model S (70kWh) équivaut en lithium à 10 000 téléphones (63Kg de carbonate de lithium soit 12Kg de lithium pur).

Ce n’est donc pas un mince sujet auquel on s’est attaqué en choisissant la batterie. Un nombre incalculable de variables sont à prendre en compte. Cependant, nous nous sommes assez naturellement penchés sur le sujet du recyclage, du surcyclage (“upcycle”) et plus globalement de l’économie circulaire des batteries qui va, on le pense, donner lieu à des innovations majeures afin de surpasser les limites du modèle actuel.

Les enjeux sociaux et environnementaux

Les nombreux travaux analysant l’impact environnemental des véhicules électriques, tout au long de leur cycle de vie, peinent à s’accorder. Ces études dressent le bilan carbone du véhicule du berceau à la tombe, de la fabrication à la mise au rebut et au recyclage en passant par la phase d’utilisation. L’objectif est de déterminer à partir de quel kilométrage un véhicule électrique devient plus écologique qu’un véhicule thermique classique.

La complexité de l’exercice tient au fait que le choix des hypothèses impacte fortement le résultat, notamment le mix énergétique de la zone étudiée (charbon, pétrole, nucléaire, renouvelable). Ainsi, selon l’ONG Transport & Environnement (2), il faudrait plus de 27 000Km à une E-Golf pour avoir un bilan carbone inférieur à celui Golf thermique en Europe alors qu’il en faudrait plus de 125 000 selon Volkswagen (3)! Un comble…

Credit : Volkswagen — From the well to the wheel

Néanmoins, un point ne fait désormais plus débat : produire un véhicule électrique est plus polluant qu’un équivalent thermique. Environ deux fois plus de CO2 est émis pour produire un véhicule électrique et ce, expliqué en très grande partie par la production et l’assemblage d’un unique élément : la batterie.

Les impacts environnementaux de la fabrication de batteries sont multiples et concernent diverses étapes de production. La Renault Zoé, l’électrique la plus vendue en Europe, transporte 326Kg de batteries (capacité de 52kWh) (4) tandis que la Tesla Modèle S en transporte jusqu’à 600Kg (100kWh) (5).

A titre d’exemple, une batterie de 70kWh de Tesla contient environ 12Kg de lithium, 45Kg de graphite mais aussi du cobalt, du manganèse, du nickel, des terres rares…

« Il faut beaucoup de sale pour faire du propre »

Guillaume Pitron, journaliste et auteur du livre « La guerre des métaux rares », en entrevue pour France Info

L’extraction et le raffinage de ces matériaux sont principalement réalisés dans des pays où les normes environnementales sont très peu regardantes. Ces procédés sont extrêmement polluants. Selon les métaux extraits, ils contaminent les sols et rapidement les populations locales. Ils sont consommateurs de grandes quantités d’eau, assèchent les rivières, les nappes phréatiques, la végétation et amenuisent les réserves d’eau douce de zones déjà arides.

D’un point de vue social, les pratiques ne sont pas plus encadrées. Les conditions de travail et de sécurité des mines sont rudimentaires et le travail d’enfants régulièrement dénoncé. Quelques exemples illustrent ces propos :

  • 75% des ressources mondiales en lithium sont concentrées dans « le Triangle du Lithium » constitué de l’Argentine, du Chili et de la Bolivie (6). Pour le produire, à Atacama, au Chili, les mineurs prélèvent 200 millions de litres par jour en plein désert (7).
  • 65% de la production de cobalt vient de la République Démocratique du Congo (6). En 2015, Amnesty International publiait une première enquête dénonçant le travail d’enfants dans certaines mines et démontrant que ces matériaux se retrouvaient dans nos smartphones et véhicules. Suite à ce rapport, la Bourse des métaux de Londres a également ouvert une enquête.
  • 97% de la production de terres rares est contrôlée par la Chine, qui, alors qu’elle ne possède que 50% des ressources mondiales, a acquis un monopole par les prix (8). Dans les « villages du cancer » comme à Baotou, en Mongolie-Intérieure, les eaux polluées provenant des usines de traitement forment un lac de 10Km2 chargé de substances toxiques et de boues radioactives. Sur place, une grande partie de la population locale souffre de maladies de la peau et du système respiratoire et le nombre de cancer a explosé depuis l’arrivée de ces activités industrielles.
  • 10 des plus grands fabricants de cellules de batteries sont des industriels asiatiques cumulant près de 80% du marché mondial (9). Ces procédés d’assemblage sont très énergivores et réalisés dans des pays où le mix énergétique est encore fortement carboné.
Lac toxique aux abords de Baotou (Mongolie Intérieure) / Credit : Liam Young — Unkown fields

Ce constat vous a-t-il surpris ? Alarmé ? Effrayé ? Il n’a en tout cas surement pas dû vous laisser indifférent.

L’objectif n’est ici pas de blâmer. Il est simplement de mettre en avant le fait qu’il est plus difficile de justifier le caractère écologique des véhicules qu’on nous vend comme verts. L’analyse environnementale en cycle de vie complet est indispensable. Délocaliser la production des batteries, c’est délocaliser la pollution, ce n’est pas la réduire.

Le recyclage, un modèle à perfectionner

Une fois collectée, les batteries sont vidées de leur énergie résiduelle puis désossées. On isole les éléments électroniques, plastiques et métalliques de l’ossature qui seront gérés par les filiales de recyclage correspondantes. Ne restent que les centaines de cellules, prêtes pour la phase cruciale de séparation des métaux stratégiques qui la constituent (lithium, cobalt, manganèse et tutti quanti…).

La méthode la plus employée est la pyrométallurgie. Les métaux sont portés à très hautes températures dans des fourneaux. Ils sont séparés à mesure que le four se réchauffe car leur température de fusion sont différentes. Une seconde méthode, l’hydrométallurgie permet de séparer les métaux convoités par procédé chimique après que les cellules aient été broyées. D’après les recycleurs, elle afficherait des rendements bien supérieurs avec jusqu’à 90% de matières recyclées.

Un bémol : ces deux méthodes présentent des bilans carbone élevés en raison des gaz et effluents toxiques à traiter. Ces impacts sont encore mal mesurés. Par conséquent, même si les bienfaits environnementaux du recyclage semblent indéniables, il est encore difficile de statuer comparativement au bilan de la filière primaire.

Malgré une certaine maturité technologique le recyclage des batteries reste un processus complexe, coûteux et encore insuffisamment employé . Plusieurs observations résument la situation.

  • Une faiblesse réglementaire : Au niveau mondial, seule l’Europe, le Japon et quelques États américains et canadiens s’appuient sur le principe de Responsabilité Élargie du Producteur pour contraindre les industriels à la collecte et au recyclage. C’est en Europe que les mesures sont les plus contraignantes. Elles semblent pourtant bien légères au regard des enjeux associés. La directive 2006/66/CE impose au producteur européen le recyclage d’uniquement 50% du tonnage des batteries Lithium-ion collectées.
  • Un modèle économique pas encore à l’équilibre : L’équation économique n’est aujourd’hui pas simple pour les recycleurs. L’activité nécessite de conséquents investissements matériels et les coûts d’exploitation notamment liés à la collecte et à la limitation des émissions carbone sont élevés. Les revenus sont générés par la revente des métaux collectés et varient fortement selon la chimie de la batterie. Seules les chimies contenant beaucoup de cobalt, de nickel et de terres rares sont profitables, ces matériaux étant les plus onéreux à la revente. Néanmoins, d’importants effets d’échelles sont attendus de la hausse des volumes à recycler, ils devraient viabiliser le modèle sur le long terme.

Quels leviers ? Quelles solutions ? Quelles alternatives soutenables ?

Constater les problèmes c’est bien, trouver des solutions c’est mieux. Nous avons répertorié les possibilités actuellement explorées qui nous semblent pertinentes, pour ne pas dire essentielles à mettre en place afin d’assurer la viabilité d’une demande toujours plus forte.

Nous avons ainsi recensé 4 solutions majeures et complémentaires en faveur de l’éco-conception de la batterie.

L’éco-conception ? Il s’agit du fait de concevoir un produit selon deux principes très simples : préférer les ressources renouvelables pour l’alimenter ainsi que favoriser la valorisation du produit en fin de vie par le réemploi, la réparation ou le recyclage.

Le levier réglementaire pour le recyclage

Comme expliqué plus tôt, le levier réglementaire semble indispensable. Au niveau mondial, il est nécessaire d’élever les exigences en matière d’éco-conception et d’imposer aux constructeurs automobiles la question environnementale dans leur modèle économique.

Pouvez-vous imaginer les tonnes de déchets batterie qui finissent enfouis sous nos pieds ? Aujourd’hui, 300 tonnes mais en 2035 14 000 tonnes si les estimations de la SNAM — acteur principal du recyclage des batteries de VE en Europe — sont avérées (10).

Ainsi, une réglementation beaucoup plus marquée en faveur de plus de recyclage semble urgente. Par exemple, une hausse progressive des quotas obligatoires de collecte et de recyclage de batterie pour passer de 50% à 100% sur une échelle de 10 ans paraît plus qu’envisageable. Nous pouvons aussi imaginer une mesure à plus court-terme avec l’interdiction nette et entière de l’enfouissement et donc beaucoup plus de déchets à gérer d’un coup pour les recycleurs pour qui l’Etat pourrait également financer une partie de leurs coûts d’opération, notamment les coûts de collecte.

L’innovation en la matière ne peut réellement se faire selon nous sans l’intervention de l’Etat pour rendre la batterie durable non plus envisageable pour les entreprises mais obligatoire.

La relocalisation de l’extraction des ressources minières

Si l’on remonte beaucoup plus en amont de la chaîne de valeur et que l’on se penche sur l’extraction , aujourd’hui la France importe 100% de ses métaux dont le lithium.

Or, aussi étonnant que cela puisse paraître, le Massif Central concentre plus de lithium que de Saint-Nectaire. Moins appétissant certes, mais de quoi faire de la France un acteur phare de de la filière européenne de la batterie en devenir. Ainsi, le potentiel de valorisation des roches sources de lithium a été identifé (rapport du BRGM en 2018) mais nécessite d’importantes innovations dans les procédés soutenables d’extraction et de traitement.

Toutefois, cela nécessite également d’arrêter de fermer les yeux sur les conditions d’extraction et de raffinage plus que lamentables dans les pays qui les pratiquent aujourd’hui. En effet, prendre pleine conscience de cet enjeu sociétal et environnemental sera, nous le pensons, un moteur pour la recherche et l’innovation.

L’Union Européenne s’est donné le pari de lancer un “Airbus des batteries” (11) afin de concurrencer les pays asiatiques et notamment la Chine. Elle prévoit de le faire avec un budget total de 3,2 milliards d’euros de la part de 7 États et ce pour un objectif de 20 à 30 usines géantes sur le sol européen (12). Sont déjà financés certains projets de recherche comme celui de FRAME par GEOERA sur les matériaux critiques européens.

L’ambition et les finances sont là mais il reste maintenant à apprendre à produire localement et durablement du lithium et autres métaux rares.

L’homogénéisation et la transparence des composants

Les chimies des batteries lithium-ion, notamment le contenu de la cathode varie d’un producteur à l’autre avec plus ou moins de cobalt, plus ou moins de manganèse et plus ou moins de nickel, etc. Pour des raisons de secrets industriels, ces compositions restent assez opaques. Ainsi, il n’est pas évident pour le recycler d’identifier correctement la chimie employée et ainsi d’adapter au mieux le procédé de recyclage. Autant de chimies différentes c’est autant de complexité et de coûts pour le recyclage.

Nous pensons qu’une bonne solution serait d’augmenter les normes en faveur d’une standardisation accrue des batteries. Toutefois, nous ne sommes pas dupes, cette solution présente de sérieuses limites en matière de coopération des acteurs présents : elle nécessiterait l’aval des producteurs de batterie, qui ne sont pas localisés en France, ainsi que l’aval des constructeurs automobiles, qui souhaitent se différencier par leurs performances. La standardisation des batteries apparaît donc compliquée à mettre en place mais reste intéressante à envisager si ce n’est totalement, au moins partiellement sur certains composants.

En faveur de plus de transparence, nous pensons qu’il serait judicieux d’envisager la création d’une autorité compétente qui fasse figure de tiers de confiance au même titre que la FIA en Formule 1 qui assure en même temps le maintien du secret industriel.

En effet, en Formule 1, l’importance de protéger le secret pour assurer la compétitivité via la performance est essentielle. Le moteur par exemple, étant un des 5 facteurs de performance de la voiture d’après la FIA, sa composition n’est bien évidemment pas rendue publique. Mais la FIA a accès à ses informations et remplit le rôle de tiers de confiance entre les différentes écuries afin d’assurer la bonne pratique du sport.

Nous pourrions imaginer une configuration similaire avec une autorité de coordination qui assurerait le lien entre les producteurs de batteries, les constructeurs automobiles et les recycleurs.

Avant le recyclage : la seconde vie des batteries

“Last but not least”, notre solution préférée est la revalorisation des déchets par la transformation de leurs usages. En somme, il s’agit de donner une seconde vie aux batteries avant leur recyclage.

Lorsque la capacité de stockage d’une batterie de VE passe sous le seuil de 70–80% de sa capacité originelle, elle doit alors être changée par une batterie neuve car elle n’est plus assez performante en matière d’autonomie pour être utilisée sur un VE. Pour autant, passé ce seuil, les batteries des VE sont loin d’être en fin de vie. Elles continuent malgré tout d’offrir des capacités de stockage intéressantes pour d’autres usages, notamment pour le stockage stationnaire.

Le stockage stationnaire permet comme son nom l’indique de stocker l’électricité dans les batteries et ce pour des habitations individuelles ou des bâtiments collectifs.

Plusieurs exemples sont à citer dont celui du stade de football Johan Cruijff ArenA à Amsterdam alimenté par 148 anciennes batteries de Nissan Leaf (13). L’installation permet de stocker l’énergie produite par les 4.200 panneaux solaires installés sur le toit du stade et ainsi délivrer jusqu’à 2,8 Mégawatts par heure. Cela permet notamment d’aplanir les pics de demande en énergie lors des matchs ou concerts qui y sont donnés.

Stockage stationnaire du stade Yoann Cruyff Arena (Amstardam) / Credit : Motor1.com

En 2018, Nissan avait déjà innové sur le sujet avec des lampadaires alimentés par d’anciennes batteries Leaf dans la ville de Namie, très touchée par la catastrophe de Fukushima en 2011. L’objectif de ce dispositif est donc aussi de répondre à un besoin en cas de coupure d’électricité pour fournir un éclairage suffisant.

Dans le cas de l’utilisation domestique, on retrouve également de nombreux exemples de constructeurs qui ont déployés des solutions innovantes tels que Tesla et son Powerwall ou encore Renault et son Powervault. Alors entre le “mur électrique” et le “coffre électrique”, l’objectif est le même : favoriser l’auto-consommation et l’utilisation des énergies renouvelables au sein de la maison. Comme pour le stade d’Amsterdam, elles vont permettre de stocker l’énergie de panneaux photovoltaïques et garantir une certaine autonomie du système électrique du domicile en cas de coupure de courant dans le quartier par exemple. Comme il s’agit d’un usage quotidien, l’installation permet ici de répondre au problème d’intermittence des énergies renouvelables tout en réduisant leurs frais d’électricité. D’après Renault, leur Powervault “pourrait permettre de prolonger la durée de vie des batteries de voitures électriques de 5 à 10 ans” (14).

Ces solutions innovantes sont, nous le pensons, très inspirantes dans la façon dont la filière peut parvenir à réutiliser l’existant de manière intelligente, et répondre à des enjeux environnementaux et sociétaux par la même occasion. Elles permettent d’allonger considérablement la durée de vie des batteries et ainsi d’amortir l’impact de leur production sur un plus long terme.

Romane Créancier & Hugo Legrand

Les propos tenus dans cet article n’engagent que leurs auteurs et non le MTI Review.

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