Recyclage des batteries au lithium et bilan environnemental

By 3 August 2012

II.1.4. Bilan environnemental et recyclage des batteries au lithium

Il est assez curieux de voir que dans l’ensemble de la littérature sur le sujet des voitures électriques, l’accent est souvent mis sur la question du lithium au détriment des autres matières présentes dans les batteries. Une étude réalisée par le Laboratoire Fédéral suisse de la Science et Technologie des Matériaux traite spécifiquement de la question de l’impact environnemental total de la batterie [Notter, 2010]. Mais cette étude élude en partie la question en faisant le choix d’analyser une batterie au lithium où le nickel et le cobalt sont remplacés par le manganèse (plus abondant et meilleur marché) alors que ce choix technologique est spéculatif et ne reflète pas la majorité des batteries actuelles même si certains constructeurs automobiles ont décidé d’y avoir recours. Il est donc très difficile de connaître l’impact environnemental d’une forte augmentation de la quantité de batteries à produire dans le cas d’une vaste électrification des automobiles. Les auteurs qui se posent la question de l’extraction des matériaux utiles à la construction de la batterie se concentrent sur le lithium (en reconnaissant parfois cette limite) et c’est ce que nous commencerons par faire.

Le lithium est un élément chimique qui n’est pas présent à l’état pur dans la croûte terrestre. On ne le trouve en concentration importante que dans très peu d’endroits sur Terre. Pour cette raison son extraction n’est économiquement rentable que sous la forme soit de chlorure de lithium (LiCl) et de carbonate de lithium (Li2CO3) et qu’on trouve principalement dans les déserts de sel d’Amérique latine qui sont en fait d’anciens lacs préhistoriques évaporés. Soit lorsqu’il est sous la forme minérale de silicate, à savoir le spodumène (LiAlSi2O6) ou la pétalite (LiAlSi4O10). On le trouve également dans l’eau de mer, dont la grande quantité sur Terre a pu faire dire à certains que son approvisionnement ne serait jamais problématique. Cependant la concentration dans l’eau de mer est si faible et la quantité d’énergie pour l’extraire si importante que cette solution semble aujourd’hui peu crédible, même si des projets de recherche sont toujours en cours.41 La source la plus probable de lithium dans le cas d’une forte demande due à l’industrie automobile est une zone assez circonscrite couvrant trois pays (Bolivie, Chili et Argentine) et regroupant les déserts de sels (salar) d’Uyuni, d’Atacama et d’Hombre Muerto. Cette zone contient d’après Tahil environ 80% des réserves de lithium à haut degré de pureté dont l’industrie automobile a besoin pour fabriquer des batteries.

Mais l’exploitation de ces réserves n’est pas sans poser des questions sur l’impact environnemental, puisque la moitié environ de la reserve base se trouverait dans une zone abritant un écosystème unique au monde. Le salar de Uyuni en Bolivie est une des plus vastes étendues planes du monde (le dénivelé n’est que d’environ 1 m sur sa surface totale de plus de 10.000 km²), et est considérée comme le paysage terrestre le plus brillant visible depuis l’espace. C’est un lieu de reproduction des flamants roses et un écosystème riche et unique caractérise en outre la partie du désert la plus riche en lithium. Ce lieu où les eaux de la rivière adjacente créent un lagon permanent est le refuge de nombreuses espèces d’oiseaux que l’exploitation mettrait certainement en péril. Le tourisme s’est d’ailleurs développé dans cette région pourtant très peu peuplée et quasiment dépourvue d’infrastructure d’accueil [Tahil, 2008].

D’autres auteurs estiment quant à eux que l’impact de cette exploitation est réduit [Evans, 2008] et qu’il est donc nécessaire de mener des études complémentaires pour clarifier cette question. Notons que deux auteurs en particulier, Tahil et Evans, se livrent à une guerre, par articles interposés, sur les réserves et l’impact environnemental de l’extraction du lithium. Tahil met en garde sur les réserves limitées, d’autant qu’une partie seulement est susceptible de fournir l’industrie automobile, et sur le possible aveuglement à vouloir tout miser sur le lithium. Outre les conséquences environnementales, il craint que ce pari ne conduise à se débarrasser de la dépendance au pétrole pour s’enchaîner à une autre dépendance, tout aussi limitée dans le temps et tout aussi circonscrite à un petit nombre de pays. Evans soutient la thèse inverse. Il a fait toute sa carrière de géologue (toujours en cours) dans l’extraction du lithium et ne considère pas les réserves comme étant limitées, et avec lui la majeure partie de la littérature sur le sujet, notamment parce qu’il considère l’ensemble des sources de lithium (y compris le spodumène et la pétalite) comme aptes à couvrir les besoins de l’industrie automobile. Par ailleurs il considère les menaces sur l’écosystème grandement exagérées [Evans, 2008a]. Son passé professionnel n’en fait pas un analyste impartial et on peut dès lors mettre en doute ses assertions, même s’il peut se targuer d’une connaissance approfondie du sujet.

En ce qui concerne l’ensemble de l’impact environnemental des batteries au lithium-ion, revenons à l’étude du laboratoire suisse [Notter, 2010]. Celle-ci consiste en une analyse cycle de vie (ACV) selon 4 méthodes de calcul42 d’une voiture électrique, en la comparant à une voiture thermique de même catégorie. Lors de cette étude, l’accent est mis tout particulièrement sur la batterie qui est l’élément qui pose actuellement le plus question quant aux impacts sur l’environnement. Pour le véhicule électrique, l’équipe suisse a retenu une consommation de 0,17 kWh par km (en prenant soin d’inclure les consommations hors moteur) et pour la production d’électricité a utilisé le mix énergétique européen type de l’UCTE.43 L’étude conclut que seuls 7 à 15% des impacts (selon qu’on retienne la méthode Cumulative Energy Demand ou l’ecoindicator 99 H/A) de la voiture électrique sont dus à la batterie, et que de ce pourcentage seuls 2,3 % sont dus au lithium contenu dans celle-ci. Les aspects générant le plus d’impact sont la fabrication de l’anode et de la cathode, et tout ce qui entoure les éléments chimiques (système de gestion de la batterie, câbles, boîtier en acier pour protéger ces éléments, etc.). Par ailleurs les pollutions atmosphériques ayant essentiellement des effets locaux, on peut considérer que la pollution d’une voiture thermique en ville risque d’avoir un impact sur la santé d’un plus grand nombre d’habitants que la fabrication de batteries et la génération d’électricité qui a lieu généralement dans des zones moins densément peuplées. Pour autant il ne faudrait pas tomber dans le piège de solutionner le problème des villes polluées en ne faisant que déplacer la pollution ailleurs, dans des zones souvent habitées par des populations socialement défavorisées ou dans des pays en développement. Nous reviendrons sur ces questions.

Une autre étude se penche sur les impacts environnementaux des batteries pour voitures, en comparant différentes technologies entre elles, également par le biais d’une analyse cycle de vie ACV [Matheys, 2008]. Ses conclusions portent principalement sur une série de recommandations concernant la méthodologie à suivre pour faire une analyse cycle de vie ACV de batterie de véhicule. Cependant, la comparaison entre différents types de batteries indique que celles au lithium-ion (Li-ion) et les batteries sodium chlorure de nickel (NaNiCl) ont moins d’impacts environnementaux que les trois autres envisagées (à savoir plomb, nickel-cadmium et nickel-hydrure métallique). Le score Eco-Indicator 99 points étant au moins 40 % plus bas pour les batteries Li-ion et NaNiCl que pour la moyenne des trois autres types de batteries. Elle prévoit même que les batteries au lithium ont un potentiel de diminution d’impact important avec la mise en place d’une filière de recyclage.

Comme nous l’avons vu, une des différences majeures entre une voiture électrique et une voiture thermique est la présence d’une batterie de grande capacité. Celle-ci représente un surcoût important à l’achat et devra sans doute être remplacée une fois sur la durée de vie du véhicule. D’après les résultats préliminaires d’une récente étude de l’Université d’état de l’Ohio,44 c’est en fait l’âge de la batterie qui est le principal facteur de dégradation. Plus que les cycles de chargement ou les conditions d’utilisation, les chercheurs ont remarqué que les batteries les plus anciennes perdaient de leur capacité en raison d’une diminution de la concentration de la cathode en lithium dû à la combinaison irréversible d’une partie du lithium avec les composants de l’anode.

Il est cependant utile de préciser que la batterie ne devient pas subitement inutilisable et garde au contraire une certaine capacité à stocker de l’énergie, même après des années d’utilisation. Les deux constructeurs automobiles majeurs qui proposent déjà des voitures électriques à la vente, Nissan et General Motors (GM), offrent tous deux une garantie de 8 ans ou 160.000 km45 sur la batterie,46 ce qui montre une certaine confiance en sa capacité à durer. Des projets de recherche pour étudier les possibilités de seconde vie des batteries automobiles sont par ailleurs en cours. GM s’est ainsi par exemple associé à ABB pour tester la possibilité d’utiliser les batteries dans le cadre des réseaux électriques intelligents (smart grids voir plus loin) pour stocker l’électricité produite de façon intermittente par les sources d’énergie renouvelables (éolien et solaire).47 Il convient de rappeler que ces sources non constantes sont parfois difficiles à intégrer dans la consommation d’électricité et présentent donc le risque d’être gaspillées, notamment l’éolien durant la nuit. D’autres projets sont également à l’étude pour les batteries déclassées pour l’automobile mais conservant une certaine capacité à stocker l’énergie. Les engins de manutention utilisés dans les hangars où des moteurs électriques sans émission sont indispensables, sont par exemple une piste prometteuse pour cette application. La question se pose cependant de savoir à quel point les besoins sont susceptibles d’absorber toute l’offre prévue en cas d’adoption massive de VE. Il y a d’ailleurs une grande incertitude quant à la valeur d’une voiture électrique après la période de garantie de la batterie, du fait du coût important qu’entraine son remplacement. C’est donc également un domaine où des études sont en cours pour pouvoir envisager des utilisations de la batterie. La société anglaise de conseils CAP, qui s’est penchée sur la question, avoue ignorer totalement à l’heure actuelle comment attribuer une valeur monétaire à un véhicule électrique d’occasion.48

Lorsque la batterie sera complètement inutilisable, il sera alors possible de la recycler. Le recyclage nécessitera d’abord que les batteries vivent en circuit fermé, c’est-à-dire qu’elles soient récupérées dans un lieu ad hoc lorsqu’elles sont remplacées ou que le véhicule est en fin de vie. Ensuite il faut une expertise technique pour procéder au recyclage et il se trouve que de nombreuses entreprises se sont lancées dans l’aventure. Enfin il faudra, en l’absence de réglementation ou d’incitants, que les conditions économiques soient réunies pour qu’une industrie viable se mette en place. Voyons ce qu’il en est à l’heure actuelle.

Pour ce qui est de la collecte des batteries, elle se réalise déjà pour les batteries au plomb des voitures thermiques qui sont très largement collectées dans les pays industrialisés. Dans les pays de l’Union européenne, la réglementation de la directive 2006/66/EC49 prévoit des taux de collecte pour les batteries de tous types devant atteindre 45 % pour 2016. Pourtant, la filière de recyclage des voitures étant déjà largement en place dans les pays de l’OCDE, on s’attend à ce que ce pourcentage soit largement dépassé pour les batteries automobiles [BERR, 2008]. Il ne devrait pas être extrêmement difficile de récupérer les batteries remplacées qui devront l’être, à cause de leur poids et de leur emplacement dans le véhicule, par des techniciens formés pour cette activité. En ce qui concerne les voitures électriques en fin de vie, si elles suivent la filière normale de recyclage, leurs batteries seront collectées.

On ne peut pas dire par contre que le recyclage des batteries au lithium soit une activité largement pratiquée. Malgré l’annonce de la construction de quelques sites (y compris en Europe), la récupération des métaux contenus dans les batteries au lithium n’est pas encore une réalité aujourd’hui. Pourtant, des procédés industriels sont prêts à être déployés. Citons par exemple une recherche du Japan Battery Recycle Centre qui prévoit de récupérer environ 60 % du lithium contenu dans une batterie. Il est cependant utile de noter que le lithium en question ne sera pas utilisable pour la fabrication de batteries [cité par Zimmer, 2009 : 29]. Par ailleurs la société belge Umicore a développé un procédé permettant de récupérer 70 % des matériaux présents dans les batteries Li-Ion et 60 % dans les batteries NiMH. Le reste des composants étant l’électrolyte qui est évaporée après filtration des composés organiques volatils [Van Damme, 2009]. Ce qui a fait obstacle jusqu’ici est à fois la faible concentration des métaux économiquement rentables à récupérer dans des batteries de petite taille et le prix du lithium [BERR, 2008].

Les conditions économiques ne sont pas encore véritablement réunies pour que les batteries soient recyclées et il faudra donc sans doute dans un premier temps compter sur l’intervention des pouvoirs publics pour soutenir l’activité. Car même si certains métaux comme le cobalt et le nickel rendent le recyclage des batteries économiquement attractif, le prix du lithium reste quant à lui encore trop bas pour justifier les investissements. On arrive donc à une situation paradoxale : pour que les voitures électriques soient largement adoptées il faut que le prix des batteries baisse puisqu’elles représentent environ la moitié du prix d’achat et le seul surcoût d’une voiture électrique. Pour que le prix des batteries baisse, il faut que le prix du lithium n’augmente pas trop, même si il ne représente pas une part très importante du prix de la batterie.50 Mais pour que le lithium soit recyclé il faut que son prix augmente, pour justifier économiquement le coût de son recyclage.

II.1.5. Conclusion

La technologie de batterie faisant usage du lithium semble la plus prometteuse à court et moyen terme pour une utilisation à des fins de stockage d’énergie à bord de VE. Pourtant, la question de savoir quel pourcentage du parc automobile actuel (et plus encore d’un parc futur en constante augmentation) pourrait être électrifié avec des batteries de ce type est sujet à controverse, eu égard à la difficulté de connaître les réserves disponibles de lithium qui semble être le facteur limitant pour ce type de batteries. Le type de batterie au lithium qui sera adopté reste aussi incertain d’autant que des questions de sécurité et de fiabilité restent en suspens. Les batteries actuelles imposant une autonomie réduite au véhicule électrique par rapport à une voiture thermique, différentes solutions s’offrent aux constructeurs pour réduire ce désavantage. Des solutions techniques : installation de bornes de recharges, hybridation (adjonction d’un moteur thermique qui fonctionne de concert avec le moteur électrique, le remplace pour la traction ou recharge la batterie une fois que celle-ci est déchargée), système d’information destiné à rassurer le conducteur, système d’échange rapide de batteries. Mais aussi des solutions comportementales, passant par une redéfinition de nos besoins en mobilité et de la façon dont celle-ci prend forme, comme nous le verrons dans la suite de ce travail.

La question du bilan environnemental des batteries au lithium reste aussi ouverte. Comme l’extraction est à l’heure actuelle encore relativement limitée, l’impact sur les écosystèmes (notamment les déserts de sel de Bolivie) reste méconnu. En ce qui concerne l’ensemble des impacts, des analyses cycles de vie ACV ont été réalisées et elles semblent indiquer que la batterie n’aggrave pas significativement le bilan de la voiture électrique. Ensuite le recyclage est techniquement au point mais non encore pratiqué à grande échelle pour des raisons de quantité de batteries obsolètes et de prix des matériaux récupérés. Il faut d’ailleurs rappeler que les batteries, même après leur utilisation pour un usage automobile, pourraient connaître une seconde vie dans d’autres applications, comme le stockage d’électricité produite à base de sources d’énergie renouvelables même si d’autres solutions semblent plus appropriées comme nous le verrons au chapitre suivant.

Lire le mémoire complet ==> (La voiture électrique : révolution ou fausse bonne idée ?)
Master en Sciences et Gestion de l’Environnement – Université Libre de Bruxelles
Institut de Gestion de l’Environnement et d’Aménagement du Territoire
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37 Voir http://green.autoblog.com/2010/07/22/chelsea-sexton-nissan-leaf-uses-information-as-gateway-drug/38 Voir Chapitre III.4, pour une présentation de la société : http://www.betterplace.com/
39 Voir http://www.betterplace.com/the-company-pressroom-pressreleases-detail/index/id/better-place-extends-tokyo- trial-for-additional-three-months
40 Il s’agit en fait plutôt d’un problème de fraude financière. Voir The Economist : http://www.economist.com/node/9719105?story_id=9719105
41 D’après le Financial Times, le Japon a ainsi abandonné un projet qui s’est étandu sur 30 ans en arrivant à la conclusion que l’extraction à partir d’eau de mer était 5 fois plus coûteuse que les méthodes traditionnelles. Pour autant la Corée du Sud continue les recherches en la matière. Voir http://search.ft.com/search?queryText=seawater+lithium&ftsearchType=type_news
42 Chacune mettant l’accent sur un des aspects suivants : potentiel de réchauffement climatique (GWP), demande cumulée en énergie non renouvelable (CED), l’écoindicateur 99 H/A (voir : http://www.pre.nl/eco- indicator99/default.htm) et potentiel de destruction des ressources abiotiques (ADP).
43 Voir http://www.ucte.org/
44 Voir http://www.mecheng.osu.edu/nlbb/files/nlbb/Battery_aging_09.pdf
45 Pour plus de facilité nous convertissons les miles en km en arrondissant à 1 mile = 1,6 km
46 Il n’a par contre bizarrement pas encore été annoncé quel pourcentage de sa capacité la batterie doit avoir perdue pour pouvoir être remplacée au frais du constructeur, ce qui est pourtant un élément essentiel de la garantie. On trouve généralement des chiffres de 20 % à 40 % de diminution de capacité à stocker l’énergie pour la batterie après 7 ans ou 160.000 km.
47 Voir http://www.abb.com/cawp/seitp202/d3e2f486303c1d47c12577a500479955.aspx
48 Voir http://www.cap.co.uk/PressCentre/CAPNews/2010News/tabid/357/articleType/ArticleView/articleId/169/Default.as px
49 Voir http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2006:266:0001:0014:fr:PDF
50 Au cours actuel qui est environ de 6000 $ la tonne, le lithium ne représenterait que 216 $ pour une batterie de 24 kWh, en se basant sur les estimations hautes de 1,5 kg de carbonate de lithium par kWh [Tahil, 2008]. Or on peut estimer que le prix de batteries de cette capacité se situe autour de 18.000 $ d’après le constructeur Nissan. Voir http://online.wsj.com/article/SB10001424052748704635204575242382820806878.html