Les véhicules électriques (VE) étaient considérés comme les symboles de la transition écologique. Mais des critiques récentes concernant les dommages environnementaux liés à l’extraction du lithium, ainsi que le fait que la production de VE émet plus de CO₂ que les véhicules à moteur à combustion interne, ont amené le monde à se demander si les VE sont vraiment écologiques. Si ce n’est pas le cas, comment les rendre plus écologiques ?
Selon certaines estimations, environ 40 à 60 % de l’empreinte carbone d’un VE provient de la production de sa batterie. Cela est donc devenu un point crucial pour réduire l’empreinte carbone des fabricants d’équipement d’origine (OEM) et des fabricants de batteries. De plus, l’article 7 et l’annexe II de la réglementation européenne sur les batteries imposent la disponibilité publique, d’ici février 2025, d’une analyse de cycle de vie (ACV) vérifiée par un tiers révélant l’empreinte carbone de chaque batterie par fabricant. Cela fait partie d’un effort plus large à l’échelle de l’UE pour mettre en place des « passeports pour les batteries » pour toutes les batteries de VE et industrielles vendues dans l’UE d’ici 2027. Idéalement, ce passeport deviendrait le point de données central pour fixer, atteindre et vérifier des objectifs ambitieux afin de rendre les batteries plus écologiques.
Au moment de la rédaction de cet article, seuls 3 des 15 principaux fabricants de batteries de l’UE ont divulgué publiquement leur empreinte carbone – Northvolt : 33 kg CO₂e/kWh (pour leur batterie NMC), Gotion-HighTech : 85 kg CO₂e/kWh (pour l’ensemble de l’entreprise) et Magna Energy Storage : 73,4 kg CO₂e/kWh (du berceau à la tombe pour leur cellule de batterie BTS 1,2 kWh ‘Robusta’). Il existe encore des réserves concernant le type de divulgation, notamment comme le LCA de Gotion qui est pour l’ensemble du groupe plutôt que par type de batterie. Un autre exemple est le plus grand fabricant de batteries au monde, CATL, qui ne divulgue que les émissions des scopes 1 et 2 au lieu d’un LCA total incluant le scope 3.
La combinaison de la sensibilisation accrue à l’empreinte carbone des batteries des VE et des réglementations fait de 2024 une année difficile et passionnante pour les OEM et les fabricants de batteries. En plus des prix compétitifs, les OEM devront désormais également examiner l’empreinte carbone de leurs fournisseurs de batteries pour garder leur chaîne de valeur sous contrôle.
Toutes les batteries ne sont pas égales…
Vous avez peut-être entendu parler de différents types de batteries lithium-ion comme NMC-811, NMC-622 et LFP ou même des batteries au sel (sodium). Chacune de ces batteries a une chimie de cathode différente qui définit son nom, comme NMC qui signifie oxyde de nickel, manganèse et cobalt de lithium. Les chiffres représentent les proportions molaires des matériaux respectifs dans la cathode – une NMC 811 contient 80 % de nickel, 10 % de manganèse et 10 % d’oxyde de cobalt, pour chaque part de lithium.
La cathode des batteries contient des « matériaux actifs » qui sont rares dans la nature et difficiles à trouver et à traiter. Cela rend la production de cathodes l’un des processus les plus intensifs en carbone dans la production de batteries. La chimie de la cathode est donc l’un des principaux facteurs de l’empreinte carbone d’une batterie.
En 2023, environ 60 % des batteries de voitures électriques produites étaient des batteries NMC (oxyde de nickel, manganèse et cobalt de lithium), dont 54 % de variantes à haute teneur en nickel et 6 % de variantes à faible teneur en nickel. Bien que les batteries NMC aient une densité énergétique plus élevée (et donc une meilleure autonomie de conduite) et des cycles de charge plus rapides, l’extraction du cobalt et du nickel (ayant une intensité carbone plus élevée) est très polluante pour l’environnement. En moyenne, les batteries NMC ont une empreinte carbone de 79 kg CO₂eq/kWh, dont la production de cathodes contribue à environ 59 % (46,6 kg CO₂eq/kWh).
Les batteries LFP (phosphate de fer et de lithium) présentent un cas fort avec leur approvisionnement abondant, leur composition non toxique et donc leur coût inférieur. Mais le compromis ici est que les batteries LFP ont actuellement une densité énergétique légèrement inférieure à celle des batteries NMC. En moyenne, les batteries LFP ont une empreinte carbone de 54,7 kg CO₂eq/kWh (environ 70 % de l’empreinte carbone des batteries NMC), dont la production de cathodes ne contribue qu’à 31 % (17 kg CO₂eq/kWh). Cet effet de réduction est dû à l’intensité des GES liée à la forte consommation d’électricité lors de l’extraction et du raffinage du nickel.
En 2023, 40 % des batteries de voitures électriques étaient des LFP. Plus de 95 % d’entre elles sont présentes en Chine et le reste aux États-Unis. ElevenEs a démarré sa première usine de batteries LFP en Europe (Serbie) qui est devenue opérationnelle au troisième trimestre 2023.
Une autre alternative aux batteries lithium-ion comme LFP et NMC sont les batteries sodium-ion. Le sodium est plus de 1000 fois plus abondant que le lithium et largement disponible dans le monde entier, contrairement au lithium qui est concentré dans des pays comme la Chine et l’Australie, ce qui rend la production des batteries sodium-ion beaucoup moins chère. Mais la densité énergétique plus faible les rend plus appropriées pour le stockage stationnaire que pour les VE. Certaines études ont révélé que les batteries sodium-ion émettent plus de GES lors de la production que les batteries lithium-ion, car plus de matériaux nécessitent un traitement. Mais avec les avancées technologiques et les économies d’échelle, on s’attend à ce que les batteries sodium-ion deviennent plus écologiques que les batteries au lithium.
Alors que les batteries LFP et NMC mentionnées ci-dessus ont une cathode à base de liquide/gel, il y a l’émergence de nouvelles batteries avec une cathode solide appelée batteries à électrolyte solide (SSB). Le passage des cathodes liquides aux cathodes solides n’est pas un simple changement de matériau, mais un changement fondamental dans l’architecture interne d’une batterie. Les SSB ont une densité énergétique plus élevée, des possibilités de recharge plus rapides et une durée de vie plus longue par rapport à leurs homologues à base de liquide/gel. Mais les défis liés à l’extraction et au traitement des matières premières ainsi qu’à la production des batteries maintiennent l’empreinte carbone des SSB à des niveaux similaires ou supérieurs à ceux de leurs homologues à base de liquide/gel lors de la phase de production. Cependant, la durée de vie plus longue et la densité énergétique plus élevée réduiront considérablement leur empreinte carbone pendant la phase d’utilisation. La question de savoir si les émissions réduites de la phase d’utilisation inciteront les fabricants de batteries et les OEM à se tourner vers les SSB est un point de débat crucial.
Facteurs contribuant à l’intensité carbone des batteries de VE –
Bien qu’il soit clair que les chimies des cathodes affectent l’intensité environnementale de chaque batterie, cela ne signifie pas que toutes les batteries de la même chimie ont des émissions de GES similaires. Pour une chimie donnée, il y a deux facteurs majeurs contribuant à l’empreinte carbone dans la production de batteries de VE : a) le processus d’approvisionnement/extraction des métaux et des matériaux ; b) l’électricité utilisée (provenant de sources non carbonées, comme le vent et le solaire ou dépendant des combustibles fossiles, comme le charbon et la lignite).
Approvisionnement : fait référence au choix du fournisseur pour un matériau donné, divers fournisseurs utilisant différentes méthodes d’extraction, exploitant des gisements de nature géologique différente, avec le matériau actif de la batterie trouvé à différentes concentrations. Ces trois critères posent les bases des émissions de GES de l’approvisionnement.
Par exemple, le lithium extrait en Australie génère 15-20 tonnes de GES par tonne de lithium produite. En revanche, le lithium extrait de la plaine saline d’Atacama au Chili n’émet que 4 tonnes de GES. Cela est en partie dû au fait que le lithium australien est produit par extraction de roche dure, tandis que le lithium chilien se trouve sous forme de saumures (lacs salins souterrains), ces différentes formes nécessitant des méthodes d’extraction et de purification différentes. De plus, le délai entre les décisions d’investissement et la première production pour l’extraction de saumures peut être aussi long que 7 ans, mais ne prendrait que 4 ans pour le lithium de roche dure.
Même pour les minerais métalliques de même forme, la méthode d’extraction a un impact sur l’intensité carbone du métal. Le nickel, un métal qui représente 15 à 25 % de la masse d’une batterie NMC, lorsqu’il se trouve sous sa forme latéritique, peut être traité de deux manières, HPAL (lixiviation acide à haute pression) et NPI (nickel pig iron). Alors que le traitement avec la méthode HPAL émet 19 tonnes de GES, le NPI émet un étonnant 59 tonnes de GES par tonne de nickel produite, selon les estimations de l’IEA.
De plus, prenons l’Atacama en Argentine et au Chili, qui ont tous deux des réserves de lithium dans les saumures, mais la concentration de lithium dans les saumures brutes est de 0,05 % et 0,15 % respectivement. La concentration plus faible de Li en Argentine nécessite des temps de traitement plus longs, ce qui entraîne des émissions de 7 à 8 tonnes de GES par tonne de lithium produite.
À mesure que nous avançons dans la transition écologique et que la demande de lithium explose, nous nous tournons vers les réserves restantes sur Terre qui ont une concentration de seulement 50 % à 33 % par rapport aux réserves actuelles que nous utilisons, rendant beaucoup plus intensif en carbone le traitement et la purification de ces matériaux.
L’approvisionnement en matières premières à faible teneur en carbone devient important pour les fabricants de batteries afin de contrôler les émissions. La majorité des fabricants de batteries ont déjà signé des accords/partenariats pour s’approvisionner en matériaux à faible teneur en carbone pour la production de nouvelles générations de batteries affectant les productions en amont. Par exemple, Panasonic Energy a signé un accord d’achat avec Redwood Materials pour des matériaux cathodiques recyclés et des feuilles de cuivre pour leur nouvelle usine. CATL a conclu un partenariat avec Volvo pour se procurer des matériaux recyclés auprès de recycleurs certifiés par Volvo à réutiliser dans la production de nouvelles batteries.
Électricité utilisée : Largement affectée par la localisation géographique de l’usine, l’empreinte carbone des batteries produites dans des pays dotés de réseaux décarbonés comme la Suède, la France, la Suisse est estimée à environ 60 % de moins que celles produites en Chine. Cela représente une économie estimée à 133 Mt de CO₂e si l’Europe peut produire des batteries localement pour répondre à la demande de 2024 à 2030.
À titre d’exemple, un autre facteur de l’empreinte carbone considérablement élevée de l’extraction de lithium en Australie est l’utilisation de combustibles à forte intensité de carbone comme le diesel dans l’extraction et presque tout le lithium est traité en Chine qui repose fortement sur le charbon et la lignite.
Avec la future augmentation de la demande de lithium et nous tournons vers les réserves restantes qui n’ont que 50 % à 33 % de pureté par rapport à nos réserves actuelles, il devient très important de déplacer la production vers une électricité plus verte pour maintenir l’empreinte carbone des batteries de VE au niveau le plus bas possible.
Il est à noter que les entreprises peuvent générer leur propre électricité et/ou s’approvisionner exclusivement en sources vertes, donc leur géographie bien qu’ayant un impact sur le type d’électricité pourrait ne pas être complètement représentative. Par exemple, InoBat a signé un partenariat stratégique avec ScottishPower, une filiale d’Iberdrola, pour leur projet d’usine au Royaume-Uni qui est en attente de finalisation de l’emplacement ou la nouvelle usine NorthVolt en construction à Heide, dans le nord de l’Allemagne, qui sera alimentée par l’énergie éolienne générée localement.
Conclusion
D’ici au deuxième trimestre 2025, nous devrions assister à une large disponibilité des ACV des batteries rendues publiques par les entreprises de l’UE. Cela pourrait inciter les fabricants de batteries et les OEM à pousser leurs fournisseurs, dans un premier temps, à disposer de mécanismes de suivi des GES (en particulier les fournisseurs non européens) et à aller plus loin pour réduire ces émissions. Un aspect intéressant à surveiller est la différence de prix des matériaux plus écologiques sur le marché. Coûteront-ils le même prix ? Y aura-t-il une « prime verte » ? Quelle sera la réaction des clients face aux coûts qui leur seront répercutés ?
Mais l’histoire ne s’arrête pas là ; l’intensité carbone via les émissions de GES n’est pas le seul impact environnemental que la production de batteries de VE (ou de tout bien manufacturé) a. Il existe encore une multitude de perturbations pour l’environnement telles que le travail des enfants et les conditions de travail désastreuses pour l’extraction de cobalt en République démocratique du Congo, les déversements de produits chimiques dans les cours d’eau provenant de l’extraction du cuivre étant fatals pour les oiseaux au Chili ou la contamination chimique de l’eau due à l’extraction de nickel affectant les communautés de pêcheurs et les récifs coralliens en Indonésie. Bien que ceux-ci ne relèvent pas du champ d’application des émissions de GES, ce sont des préoccupations majeures qui seront probablement (au moins) suivies avec le nouveau passeport des batteries de VE de l’UE en tant que référence croisée à un lieu de production.
Avertissement : Il est à noter que les ACV des entreprises mentionnées dans cet article sont auto-déclarées et ne font pas partie de la directive européenne, imposant des ACV publiquement disponibles. Celle-ci doit entrer en vigueur d’ici le deuxième trimestre 2025. De plus, les chiffres des émissions de GES de chaque batterie, comme le NMC, sont des moyennes sur différentes chimies de cathode, sur différentes méthodes d’extraction et différents types de purification. Les émissions de GES font référence aux émissions de CO₂e sauf mention explicite contraire.