Batteries : objets incontournables de la transition énergétique, mais à utiliser avec modération

Cet article a initialement été publié en deux parties dans nos newsletters Décryptage Mobilité du 1er et 20 avril 2021. Pour recevoir par mail les prochains articles dès leur publication, abonnez-vous dès maintenant.

Les batteries défraient la chronique depuis quelques années, car elles constituent un maillon technologique essentiel à la transition écologique :

Dans le secteur des transports avec l’avènement du véhicule électrique ;
Dans le secteur de l’énergie, car elles permettent de pallier l’intermittence de certaines énergies renouvelables (éolienne, solaire).

Ces débouchés ne sont pas de même taille : les batteries destinées à l’électromobilité devraient représenter la grande majorité du marché (85% de parts de marché de la batterie en 2030, selon Avicenne [1]), alors que les batteries stationnaires de stockage d’énergie ainsi que le reste des usages de batteries Li-ion (ordinateur, téléphone portable, outils médicaux, etc.) seront assez minoritaires (respectivement 3% et 12% de parts de marché en 2030). Tout d’abord, rappelons quelques éléments généraux :

S’agissant de produits de haute technologie avec des temps de développement long, il est illusoire d’espérer une révolution des performances de batteries en quelques années. Selon les dires d’experts, il faut au minimum 15 ans pour passer d’une idée à l’état de R&D préliminaire à sa matérialisation commerciale à large échelle. Il faut donc se méfier des effets d’annonces, et des promesses alléchantes de nombreux industriels du secteur.
Ainsi, s’il existe une grande diversité de technologie de batteries, la technologie Li-ion va prédominer dans la décennie 2020-2030, à minima dans l’électromobilité et dans une large mesure pour les batteries stationnaires, car elle offre la meilleure réponse au besoin de densité énergétique à la fois massique et volumique (capacité à concentrer un grand volume d’énergie dans un objet petit et léger). De plus, il existe de fortes barrières à l’entrée pour les technologies alternatives, de qualité (être capable produire en grande série des produits répondant à des exigences élevées) et financiers (les investissements nécessaires dans les actifs de production pour atteindre les effets d’échelle sont considérables, environ 1,5 Md€ pour une usine de 15 GWh de capacité de production annuelle).
Par ailleurs, la production industrielle de batteries Li-ion augmente très rapidement (production multipliée par 5 à 6 entre 2010 et 2018, de 30 GWh à 165 GWh /an [1]), et a vu ses coûts et empreinte carbone unitaires fortement diminuer, principalement grâce aux effets d’échelle : entre 2010 et 2020, division par 8 des coûts (de 1100 $/kWh à 137 $/kWh selon BNEF [2]).

Un élément clé de la décarbonation du transport Concentrons-nous sur l’électromobilité qui capturera la part du lion du marché de la batterie. En matière d’empreinte carbone les performances s’améliorent. Et en conjuguant la diminution rapide de l’empreinte carbone unitaire d’une batterie (principalement grâce à l’amélioration de l’efficacité des usines par effet d’échelle), et la décarbonation plus ou moins intense, passée et à venir, des mix électriques européens (ex : l’Allemagne a diminué de 16% les émissions unitaires de son électricité entre 2018 et 2019), force est de constater que notre étude sur le véhicule électrique ainsi que notre publication avec la FNH, pourtant récentes, sont déjà à réactualiser. Ainsi, voici les estimations les plus à jour pour un véhicule vendu en 2020, issue de notre publication sur les motorisations alternatives pour le transport routier.

Empreinte carbone moyenne sur la durée de vie d'un véhicule compact (segment B) vendu en 2020, UE | gCO2e/km

Même en Pologne, pays célèbre pour son électricité c(h)arbonnée, un véhicule compact électrique à batteries vendu aujourd’hui et roulant jusqu’en 2031 serait 33% moins émetteur que son équivalent essence (l’électricité de la Pologne est encore très émissive avec un facteur d’émission à 809 gCO2e/kWh en 2018, mais cela devrait diminuer avec la décarbonation progressive du mix électrique d’ici à la fin de l’usage du véhicule en 2031). Et en France, où l’électricité est déjà bas carbone, un véhicule compact électrique permet de diviser l’empreinte carbone par 3 (à modèle équivalent et avec une taille de batterie raisonnable, ici 50 kWh). La décarbonation est donc encore plus radicale ! Le véhicule électrique à batteries est donc une solution réellement décarbonante pour le transport routier. Si on ajoute à cela les mobilités douces (vélos électriques), le transport ferroviaire (tramways, trains), voire le transport aérien (hybridation électrique des avions régionaux), l’électrification du transport grâce aux batteries est indéniablement une solution répondant aux enjeux climatiques avec le bon niveau d’ambition. Et ceci sans compter les autres atouts environnementaux des motorisations électriques : véhicules beaucoup moins bruyants, avec moins de pollution locale de l’air (il subsiste toutefois une pollution de l’air pour tous les véhicules, liée à l’usure des pneus et des freins, nul n’est parfait !). La batterie, le remède miracle ? Si les batteries ne contiennent pas de « terres rares* » comme on l’entend souvent, elles utilisent des métaux à forte criticité : le cobalt et le lithium, dont la production est de plus en plus destinée aux batteries (65% de la production de cobalt et 75% de la production de lithium devrait servir pour la production de batteries d’ici à 2025) [3]. Les batteries Li-ion mobilisent également des métaux moins critiques comme le nickel, le graphite, ou encore le cuivre, mais qui pourraient le devenir compte tenu des trajectoires de production exponentielle de batteries attendues (1 200 GWh en 2030 selon Avicenne, 2 000 GWh selon la BNEF, soit 7 à 12 fois plus qu’en 2018 !). S’il n’y a pas de risque identifié de manque physique de ressources à cet horizon de temps - la seule ressource véritablement limitante serait le cobalt, mais de nouvelles chimies de cathodes (NMC811, NMC9.5.5 vs. NMC111 initialement) permettent de réduire drastiquement l’utilisation de ce métal – la forte croissance de la demande pourrait induire des risques d’approvisionnement et des déséquilibres sur le marché, et vis-à-vis des autres secteurs dépendants de ces métaux. Par ailleurs, l’extraction minière a intrinsèquement des conséquences environnementales lourdes [4], car elle implique entre autres :

Dans la plupart des cas, de détruire l’écosystème initialement présent, sachant que la surface d’une mine est de l’ordre d’une centaine d’hectares, avec des conséquences sur la biodiversité ;
Une énergie importante pour extraire et transformer le minerai dans les procédés pyro-métallurgiques, dans des sites souvent reculés donc plus disposés à s’alimenter en énergies fossiles ;
L’utilisation de produits chimiques pour séparer le métal du minerai dans les procédés hydro-métallurgiques, qui nécessite un stockage (à défaut de retraitement) des effluents pendant des années et potentiellement longtemps après la fin d’exploitation de la mine. Les accidents de type fuites ou rupture de digues de retenues arrivent malheureusement régulièrement dans le monde minier avec des impacts significatifs sur les écosystèmes (ex : barrage Brumadinho de Vale en janvier 2019, 270 morts et 7 Md$ de dédommagements payés par l’entreprise).

Face à cela, des acteurs miniers améliorent leurs pratiques. On peut noter par exemple un procédé d’extraction directe du lithium actuellement en train d’être développé et permettant de diminuer très significativement les impacts environnementaux de l’extraction et de la transformation de ce métal (consommation en eau, emprise au sol, etc.) [5]. Malgré cela, l’extraction minière demeure par nature une perturbation forte des écosystèmes, sans compter les impacts sociaux parfois importants, et qui apparaissent régulièrement dans la presse [6]. Et rappelons que ces impacts sont valables pour tout type de mines, y compris pour le charbon et les métaux plus communs comme le cuivre ou l’aluminium, que l’on retrouve dans bien d’autres objets du quotidien. Une voie crédible et nécessaire pour produire des métaux avec un impact socio-environnemental relativement faible est de massivement accroître le recyclage. Contrairement à une idée reçue courante, les batteries Li-ion sont recyclables, actuellement à hauteur de 50% par pyrométallurgie, et potentiellement jusqu’à 80-90% avec de nouveaux procédés hydrométallurgiques et mécaniques [7] [8]. La Commission Européenne a d’ailleurs proposé d’augmenter l’obligation actuelle du taux de recyclage (massique) des batteries de 50% actuellement à 65% en 2025 et 70% en 2030, avec des taux de recyclage spécifiques pour les métaux critiques (cobalt, nickel, cuivre, lithium) [9]. Pour autant, recyclable ne veut pas dire recyclé, et actuellement moins de 5% des batteries Li-ion en fin de vie le sont [10]. Et là encore, si le recyclage des batteries est loin d’être parfait, c’est aussi le cas de bien d’autres choses … notamment des véhicules thermiques. La tension à prévoir sur les matières premières pour la production de batteries devrait favoriser naturellement l’essor du recyclage comme approvisionnement alternatif. De plus, l’arrivée en fin de vie des premières batteries de véhicules électriques devrait massifier le gisement disponible et ainsi permettre à la filière de réaliser de véritables effets d’échelles, et rendre les matériaux recyclés aussi compétitifs que les matières premières [11]. Mais le recyclage, même s’il était réalisé de manière optimale, ne suffira pas à combler la demande, et toute augmentation de la production en batterie nécessitera une activité d’extraction minière additionnelle, qui cependant devrait être limitée pour assurer les justes besoins et avec les meilleurs procédés disponibles. La technologie batterie à coupler avec une plus grande sobriété d’usage En résumé :

Il y a un bénéfice climat certain pour l’usage des batteries, que ce soit dans l’électromobilité ou dans les batteries stationnaires ;
Il y a un impact environnemental certain à cause du besoin en matières premières issues de l’extraction minière très diverses et parfois critiques.

Ainsi, comme pour nombre de problèmes climatiques, une réponse à la hauteur des enjeux ne peut être purement technologique, et doit comprendre un volet sur l’efficacité et la sobriété. Pour limiter les impacts environnementaux, il faut impérativement stopper la course à la taille des batteries pour l’automobile, en limitant le poids et la puissance des véhicules (pour qu’ils soient moins énergivores), et en acceptant une autonomie suffisante pour 90% de ses déplacements sans rechercher le caractère « couteau suisse » des véhicules à essence/diesel. Une batterie de 40-50 kWh convient très largement pour la majorité des usages, et pour les mobilités exceptionnelles (départs en vacances), des alternatives peuvent être trouvées (charge rapide sur autoroutes, location d’une batterie supplémentaire sur remorque, voire la location d’un véhicule thermique de manière ponctuelle). Ainsi, les batteries offrent une solution technologique de premier plan dans la transition écologique, mais qu’il faut concilier avec une sobriété d’usage.

Article rédigé par Nicolas Meunier (Consultant Senior) nicolas.meunier@carbone4.com

*Groupe de 17 métaux aux propriétés voisines, pas forcément moins abondants que les autres métaux mais à l’utilisation dans les activités humaines plus récentes.

Sources : [1] Avicenne 2019 [2] BloombergNEF [3] European Commission, sourcing Avicenne 2018 [4] Institute for Sustainable Futures [5] Eramet [6] Business and Human Rights Centre [7] Li-Cycle [8] Fortum [9] Transport&Environment [10] International Institute for Sustainable Development [11] National Renewable Energy Laboratory