Le lithium des voitures électriques n’est pas une ressource renouvelable (partie 2/2)

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Comme l’expliquait la première partie de cet article [1], les producteurs de batteries deviendront bientôt les premiers consommateurs de lithium. Ce sont eux qui créent la croissance de la demande que l’on observe actuellement et la filière est galvanisée par les ambitions politiques, comme celles du président Obama par exemple : au moins 1,5 milliard de dollars ont été dépensés aux Etats-Unis pour aider au financement de 26 des 30 usines de production de composants de véhicules électriques, dont 9 usines de batteries [2] [3].

Dans ce contexte, de nouveaux projets d’extraction du lithium sont mis en place/étudiés afin d’augmenter le nombre d’acteurs (entreprises de la branche et pays producteurs). Mais reprenons l’histoire dans le bon sens : combien de lithium les voitures consommeront-elles et quelles sont les ressources disponibles identifiées sur Terre ?

Estimation de la demande en lithium pour le secteur automobile

Remarque : Nous ne considérerons ici que les applications automobiles, cependant la demande chinoise pour d’autres batteries de traction est importante (deux-roues, mobilité des personnes handicapées, voiturettes, etc) [4].

L’estimation de la demande en lithium présuppose l’évaluation d’une part du contenu en lithium nécessaire dans un véhicule électrique et d’autre part de la demande en véhicules électriques - avec distinction des sous-divisions "tout-électrique", hybride rechargeable et hybride-.

=> Combien de lithium une batterie contient-elle ?

La quantité de matériaux d’une batterie est reliée à la quantité d’énergie qu’elle peut contenir, c’est pourquoi on cherchera à identifier combien de lithium est nécessaire pour stocker un kilowatt-heure. Des chiffres qui varient presque d’un facteur dix sont évoqués dans la littérature, comme le montre le graphique ci-dessous.


Certaines références bibliographiques discutent de valeurs générales tandis que d’autres comme celles de l’Argonne National Laboratory dans l’Ilinois précisent la technologie de batteries (cathode et anode) à laquelle leur valeur se réfère. Dans un document bien étayé, le cabinet de conseil Meridian International Research explique pourquoi la valeur qui devrait être retenue se situe entre deux et trois kilos de carbonate de lithium* par kilowatt-heure [11]. D’après celui-ci :

1. En considérant uniquement le potentiel de stockage théorique de l’élément lithium, c’est-à-dire en négligeant toutes les pertes de fonctionnement, le contenu nécessaire est de 385g Li2CO3/kWh.

2. Puisque la capacité massique réelle des batteries Li-ion est de 70-120 Wh/kg soit le quart de la quantité théorique (400-450 Wh/kg), il faut en réalité environ quatre fois plus de lithium que la quantité théorique pour faire fonctionner une batterie**. Cette différence importante entre capacité théorique et capacité réelle est due à la vitesse de décharge désirée, aux éléments constitutifs (par exemple à la baisse de potentiel de l’anode au cours de la décharge), à la cinématique de la réaction et à la perte de performance après cyclage. Les batteries des voitures tout-électrique conçues pour fournir un service en énergie sont plus affectées par la perte de capacité que les batteries des voitures hybrides, qui sont dimensionnées en puissance.

3. Afin de palier à la perte de performance et de garantir une même autonomie constante du véhicule, avec une baisse de 20% de leur performance, les constructeurs surdimensionneraient la capacité initiale (c-a-d la capacité installée pourrait être de 25% supérieure à la capacité nominale).

4. Enfin, la quantité de lithium contenue dans un kilowatt-heure de batterie ne renseigne pas sur les étapes de transformation antérieures : le rendement industriel du procès permettant de retirer le sodium présent dans le carbonate de lithium et d’obtenir une pureté suffisante serait d’environ 70% (80% en laboratoire).

=> Projections du nombre de véhicules électriques

Comme nous l’avions souligné dans un article précédent [12], le niveau d’incertitude est également élevé en ce qui concerne la vitesse à laquelle les véhicules électriques pénétreront le marché automobile. Si l’on suit l’hypothèse de Carlos Ghosn, PDG de Renault, la part de marché serait de 10% en 2020 [13]. Quant au nombre total de voitures vendues cette année là, il pourrait être selon les analystes de 62 millions [5], 71 millions [14], 89 millions [15] ou même 107 millions [16]. Par ailleurs, la répartition des segments a également de l’importance, puisqu’une voiture hybride comporte environ 1-2 kWh de batteries, une voiture hybride rechargeable plutôt 10-15 kWh et une voiture tout-électrique 20-40 kWh [17] [18].

A l’horizon 2020, le cabinet Dundee Capital Markets prévoit 14% de voitures tout électriques, 29% de voitures hybrides rechargeables et 57% de voitures hybrides [5], tandis que le cabinet JD Power and Associates prévoit un tiers de véhicules tout-électriques et deux-tiers de véhicules hybrides, sans plus de précisions [14]. D’autre part, si on se réfère au récent rapport du Department of Energy sur le million de voitures électriques qui circuleront aux Etats-Unis en 2015, on observe que les voitures produites sur le territoire auront en moyenne 21 kWh de batteries [19]. Ceci est bien supérieur à ce qui ressortirait avec les parts de marché au niveau mondial citées précédemment.

En conclusion, si l’on considère que 7,5 millions de voitures électriques sont produites en 2020 avec chacune 15 kWh de batteries contenant 2 kgLi2CO3/kWh, la demande annuelle à cette date pour l’industrie automobile serait de 225.000 tonnes de carbonate de lithium. A titre de comparaison, la demande globale était d’environ 150.000 tonnes en 2008 [6].

Estimation de l’offre en lithium

=> Quantités disponibles (en tonnes de carbonate de lithium)

Nous utiliserons les définitions et les termes de Philippe Bihouix et Benoît de Guillebon pour différencier les types de ressources de lithium [6] :
- Les "réserves" sont les ressources identifiées et dont l’exploitation est rentable.
- La "réserve base" désigne une ressource identifiée et explorée que l’on ne peut extraire au prix actuel.
- Les réserves "déduites" (ou inferred reserves en anglais) indiquent un potentiel géologique identifié mais non exploré.

L’ensemble de toutes ces réserves est appelé ressources "identifiées". En y ajoutant le potentiel géologique non identifié, on obtient les ressources "ultimes".

D’après les dernières estimations de l’US Geological Survey publiées en janvier 2011, les réserves identifiées sont composées de 33 millions de tonnes de carbonate de lithium [20]. Or, une grande pureté des matériaux est nécessaire pour produire des batteries et seulement 80% des réserves pourraient satisfaire à ces exigences de qualité [6] : ainsi, 26 MtLi2CO3 seraient "éligibles".

Si 70% de cette quantité était utilisée uniquement pour la fabrication de batteries au lithium, cela correspondrait à 616 millions de voitures (avec les mêmes hypothèses que précédemment, soit 15 kWh/voiture à 2 kgLi2CO3/kWh).

=> Dimension stratégique de l’approvisionnement - exemple de la Bolivie

Dans un contexte de ressource limitée dont la distribution géographique n’est pas homogène et limitée pour le moment à quelques producteurs, les états et les constructeurs de batteries éprouvent le besoin de sécuriser leur approvisionnement tandis que les investisseurs parient sur les mines de lithium [21].

Entre un tiers et la moitié des réserves bases de lithium se trouvent par exemple dans le salar d’Uyuni qui s’étend sur plus de 10.000 km2 en Bolivie, un état gouverné depuis 2006 par Evo Morales.


Depuis quelques années, le nouveau président se fait courtiser par les puissances gouvernementales et industrielles étrangères. D’après [5], le Japon propose de l’aide économique au pays en échange de lithium et de terres rares. Le groupe français Bolloré, dont la "Blue Car" sera utilisée par la ville de Paris pour "Autolib" et qui va ouvrir une usine de production de batterie au lithium polymère [22], a manifesté son intérêt pour la Bolivie à plusieurs reprises en 2008 et 2009 [23], de même que la Corée du sud, le Vénézuela et d’autres sans doute.

Et pourtant, c’est finalement l’Iran que la Bolivie a choisi pour l’aider en apportant appui matériel, technique et formation, a-t-on appris fin 2010 à une conférence de presse où les présidents Ahmadinejad et Morales étaient présents. Il ne s’agira pas simplement d’extraire et de vendre du lithium brut mais de mettre en place une filière industrielle complète permettant la production de batteries et d’autres produits. De surcroît, l’Iran apportera $200 millions en crédit renouvelable et ouvrira son marché alimentaire aux produits boliviens [24].

Le marché bolivien apparaît donc difficile d’accès pour les états et les constructeurs automobiles étrangers, ainsi des constructeurs français tels Bolloré se dirigeront vers des partenariats complémentaires en Argentine [25].

=> Le recyclage comme réserve supplémentaire

Les batteries plomb-acide, qui sont les plus répandues actuellement, sont composées pour 60% à 80% de matériaux recyclés et 90% d’entre elles sont recyclées en fin de vie avec un procédé bien maîtrisé [26] [27]. Dès lors, on peut imaginer une structure de "cycle" similaire pour les batteries au lithium dans le futur mais pour l’heure le recyclage du lithium n’est pas rentable. En effet le coût du lithium représente 3% du coût total de fabrication d’une batterie et il est moins cher que le cobalt ou le nickel qui sont, eux, récupérés. De plus, il représente un faible pourcentage du poids.

Néanmoins, le recyclage est pressenti - d’après le cabinet de conseil Frost& Sullivan [28] - comme la principale source d’approvisionnement en lithium dans le futur. Il jouera un rôle important lorsqu’un nombre important de batteries commenceront à être jetées dès 2016 et la valeur de ce marché pourrait atteindre environ $2 milliards d’ici à 2022 (avec 500.000 batteries disponibles pour être recyclées).

Le premier projet de recyclage des piles au lithium-ion a débuté en 1992 initié par Sony et Sumitomo Metals un an après la commercialisation de piles [29] [30]. Depuis, plusieurs compagnies ont des procédés de recyclage qui pourraient isoler le lithium et permettre la réutilisation de presque la quasi-totalité du matériau, notamment Kinsbursky Brothers aux Etats-Unis (société mère de Toxco implanté en Californie) et Umicore en Belgique.

Leurs méthodes diffèrent :
- Dans les usines de Kinsbursky Brothers, les batteries sont écrasées puis les débris sont triés sélectivement. Un procédé de cryogénisation permet de refroidir les batteries à environ -200°C avec de l’azote liquide pour les désactiver [31].
- Umicore quant à lui utilise une fonderie dont les échappements de gaz sont traités et les métaux mis sous forme de granulés puis récupérés [32].

Bien évidemment, les constructeurs automobiles refléchissent déjà au recyclage de leurs batteries, comme le californien Tesla Motors qui fera appel aux deux sociétés évoquées (cf schéma ci-dessous).


Notons la présence de Recupyl, société française, sur le segment du recyclage de batteries (dont Li-ion) aux Etats-Unis [33]. Enfin, une start-up nommée OnTo Technology a développé un procédé intéressant qui permet de récupérer les matériaux de cathode et d’anode pour qu’ils soient réutilisés directement dans des batteries. Ce processus innovant qui évite de repasser par le stade élémentaire serait moins énergivore [34].

Conclusion

La transition des véhicules à essence vers les véhicules électriques semble bien amorcée. Les gouvernements s’engagent en ce sens dans le but non seulement de réduire les émission de gaz à effet de serre mais aussi pour atténuer leur dépendance envers les pays pétroliers.

Cependant, si un pays comme les Etats-Unis qui bénéficie de ressources importantes en lithium pourra assurer son indépendance, d’autres non producteurs de Lithium tels que la France seront importateurs de cette ressource stratégique. Le risque d’un nouvelle alliance de pays producteurs et exportateurs de lithium, semblable à l’OPEP, est évoqué par Umicore [35]. En effet, les ressources limitées du lithium et la demande croissante de pays importateurs pourront pousser les prix à la hausse. Pour éviter une possible spéculation et une dépendance non soutenable vis à vis de cette denrée, une diversification des technologies de batteries utilisées dans l’industrie automobile sera nécessaire.

Par ailleurs, si le lithium est, comme le pétrole, une ressource finie, il possède l’avantage d’être recyclable. Un pays se constituant un stock important au vu de ses besoins et maîtrisant des techniques de recyclage efficaces diminuera son risque vis-à-vis de l’approvisionnement en lithium. Donc, si la France décide d’investir dans la recherche sur les nouvelles technologies de batteries et sur le recyclage on pourra fièrement dire : "En France, on n’a pas de lithium mais on a des idées".

* Rappel : la conversion entre la quantité de carbonate de lithium et la quantité de lithium pur est de 5,3.

** D’autres chiffres sont parfois évoqués mais l’ordre de grandeur du rapport est comparable. Par exemple, le professeur Schoonman évoque dans ses cours à Stanford des capacités massiques de 500-550 kWh/kg en théorie et 150 kWh/kg en pratique pour les batteries li-ion/li-oxyde métallique [36].

A lire également :

Le lithium des voitures électriques n’est pas une ressource renouvelable (partie 1/2)
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65953.htm

Source :


- [1] Le lithium des voitures électriques n’est pas une ressource renouvelable (partie 1/2), BE Etats-Unis 237, 25 fév. 2011 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65953.htm
- [2] Investors Take Note : Lithium Batteries Are a Key Part of Obama’s Clean Energy Plan, Mining.com, nov-déc. 2010 - http://magazine.mining.com/issues/1011/Vol03-07-LithiumbatteriesCleanEnergyPlan-34-35.pdf
- [3] The U.S. Department of Energy Electric-Drive Vehicle Programs, DoE EERE program, 30 août 2010 - http://www.transportation.anl.gov/batteries/us_china_conference/docs/morning%20plenary/plenary3a_kelly.pdf
- [4] Electric Vehicles 2010-2020, IDTechEx, 3010 Q3 - http://www.bharatbook.com/detail.asp?id=130302&rt=Electric-Vehicles-2010-2020.html
- [5] Lithium : hype or substance ?, 28 oct. 2009 - http://research.dundeesecurities.com/Research/Lithium102809.pdf
- [6] Quel futur pour les métaux ?, Philippe Bihouix & Benoît de Guillebon, livre EDP Science 2010 - http://www.edition-sciences.com/quel-futur-pour-metaux.htm
- [7] Lithium-Ion Battery Recycling Issues, Argonne National Laboratory, 21 mai 2009 - http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/merit_review_2009/propulsion_materials/pmp_05_gaines.pdf
- [8] Known lithium deposits can cover electric car boom, Reuters, 11 fév. 2010 - http://www.reuters.com/article/2010/02/11/us-lithium-latam-idUSTRE61A5AY20100211
- [9] Electropaedia - Cell chemestry, consulté le 28 fév. 2011 - http://www.mpoweruk.com/chemistries.htm
- [10] Electric Cars : Plugged In, Deutsche Bank, 9 juin 2008 - http://www.inrets.fr/fileadmin/recherche/transversal/pfi/PFI_VE/pdf/deutch_bank_electric_cars.pdf
- [11] How Much Lithium does a LiIon EV battery really need ?, Meridian International Research, 5 mars 2010 - http://www.meridian-int-res.com/Projects/How_Much_Lithium_Per_Battery.pdf
- [12] La retraite à 80% de capacité pour les batteries ? Certainement pas !, BE Etats-Unis 229, 17 déc. 2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/65407.htm
- [13] Le véhicule électrique, la pierre angulaire dans la stratégie de Renault, Science et Avenir, 8 jan. 2011 - http://www.sciencesetavenir.fr/depeche/nature-environnement/20110106.AFP8944/le-vehicule-electrique-la-pierre-angulaire-dans-la-strategie-de-renault.html
- [14] Hybrids and EVs Will Remain Small Potatoes, Autopia, 28 oct. 2010 - http://www.wired.com/autopia/2010/10/jd-power-ev-hybrid-study
- [15] Auto 2020 - Passengers expertise, AT Kearney, jan. 2009 - http://www.atkearney.com/res/shared/pdf/Auto2020.pdf
- [16] Forecast Calls for Sharp Rise in Global Demand Through 2020, wardsauto.com, 17 fév. 2011 - http://wardsauto.com/ar/forecast_global_demand_110216/
- [17] Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles : the US value chain, Center on Globalization, Governance & Competitiveness Duke University, 5 oct. 2010 - http://www.cggc.duke.edu/pdfs/Lithium-Ion_Batteries_10-5-10.pdf
- [18] Batteries du Futur, Rapport d’ambassade, octobre 2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/rapports/smm10_043.htm
- [19] Quelle sera la quantité de batteries sur les routes américaines en 2015 ?, Blog de la mission scientifique de San Francisco, 2 mars 2011 - http://frenchsciencesf.wordpress.com/
- [20] Fiche matière première sur le lithium, U.S. Geological Survey, 2011
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2011-lithi.pdf
- [21] Lithium : The Commodity of the 21st Century, Seeking alpha, 15 fév. 2011 - http://seekingalpha.com/article/252920-lithium-the-commodity-of-the-21st-century
- [22] 2011, a good year for the Bolloré group, TechVehi, 18 jan. 2011 - http://www.technologicvehicles.com/en/green-transportation-news/439/2011,-a-good-year-for-the-bollor%C3%A9-group
- [23] Bolivia : French Firm’s Lithium Proposal Environmentally Friendly, Latin American Herald Tribune, 2009 - http://www.laht.com/article.asp?ArticleId=356211&CategoryId=149191
- [24] Iran "partner" in the industrialization of Bolivia’s lithium reserves, MercoPress, 30 oct. 2010 - http://en.mercopress.com/2010/10/30/iran-partner-in-the-industrialization-of-bolivia-s-lithium-reserves
- [25] Bolloré-Ermaet : Agreement to explore lithium deposits in Argentina, Communiqué de presse, 16 fév. 2010 - http://www.infomine.com/index/pr/Pa915460.PDF
- [26] Site de l’US Environmental Protection Agency - http://www.epa.gov/osw/conserve/materials/battery.htm
- [27] Lead Battery Recycling, Discovery Channel’s "HowStuffWorks", mis sur Youtube le 20 fév. 2009 - http://www.youtube.com/watch?v=oJj5iIwF8p4
- [28] Second life and recycling of EV batteries will ensure the completion of "green car" tag, Etude Frost & Sullivan, 16 nov. 2010 - http://www.frost.com/prod/servlet/market-insight-top.pag?docid=216476073
- [29] Recycling of Advanced Batteries for Electric Vehicles, DoE, 2 nov. 1999 - http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp ;jsessionid=C73559084F74C780E51BDCE6A4CC3189?purl=/14070-HUPGbA/webviewable/
- [30] Costs of Lithium-Ion Batteries for Vehicle, Argonne Laboratory, mai 2000 - http://www.transportation.anl.gov/pdfs/TA/149.pdf
- [31] Lithium Battery Recycling Gets a Boost, Technology review, 12 août 2009 - http://www.technologyreview.com/energy/23215/
- [32] Recycling of Li-ion and NiMH batteries via a unique industrial Closed Loop, Umicore, avr. 2010 - http://www.batteryrecycling.umicore.com/download/Processdescriptionforwebsite07042010.pdf
- [33] http://www.recupyl.fr (société grenobloise présente aux US)
- [34] A Review of Battery Life-Cycle Analysis : State of Knowledge and Critical Needs, Argonne National Laboratories, 1er oct. 2010 - http://www.transportation.anl.gov/pdfs/B/644.PDF
- [35] Li-ion and NiMH battery recycling, présentation d’Umicore, 2009
- [36] Sustainable Energy : Conversion and Storage - From fundamental concepts to device, Stanford Center for Professional Development, 2007

Rédacteur :

Pauline Caumon, deputy-stic.mst@consulfrance-sanfrancisco.org

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….