L'impact environnemental des batteries
Si les batteries gagnent en popularité, c’est notamment grâce à la demande croissante de véhicules électriques. Face aux effets climatiques des carburants fossiles, de plus en plus de véhicules leur substituent une batterie — avec une croissance des ventes d’environ 100 % en un an. Mais quels sont les effets de l’usage des batteries en retour ? Sont-elles réellement une alternative moins polluante ?
La question est difficile, mais tentons d’y répondre. Nous examinerons la fabrication, l’usage et le recyclage des batteries, sous les angles de l’énergie, de l’effet sur le réchauffement climatique et des matériaux.
Quel est l’impact de la fabrication d’une batterie ?
L’impact de la demande d’énergie
Le premier angle à considérer est la quantité d’énergie consommée par la production d’une batterie. Extraire et raffiner les matériaux, les transporter et les assembler en batterie demande beaucoup d’énergie. On peut répartir cette énergie sur les batteries produites par une usine, puis la diviser par leur capacité pour obtenir une énergie relative en MJ/Wh. Moyennée sur la capacité produite, elle donne un indicateur utile : la demande cumulée d’énergie, mesurée en MJ/Wh.
Cette étude relève une large fourchette de demande cumulée, selon la chimie de la batterie mais aussi selon la méthode d’évaluation. La valeur moyenne trouvée est de 1,182 MJ/Wh. Autrement dit, et en changeant d’unité : il faut 328 Wh d’énergie pour produire 1 Wh de capacité de batterie !
Demande cumulée d’énergie pour différentes chimies et méthodes de calcul.
Produire une batterie de 640 Wh, la taille qu’on trouve sur un vélo électrique, demanderait donc environ 756 MJ d’énergie — à peu près ce que contiennent 20 L d’essence. La batterie de 100 kWh d’une grande Tesla en demande l’équivalent de 3 200 L, soit environ 57 pleins d’un véhicule thermique. Ces chiffres peuvent paraître modestes, mais ils ignorent les besoins en matériaux : ils ne sont donc pas vraiment comparables à une consommation d’essence.
Sur la méthode de calcul
La variance est forte, non seulement selon le type de batterie considéré mais aussi selon la méthodologie de l’étude. 1,182 MJ/Wh est la moyenne sur l’ensemble des travaux, à ne pas prendre pour une valeur absolue. La demande d’énergie se calcule soit en répartissant la demande totale d’une usine entre ses activités de production de batteries (méthode dite descendante), soit en suivant les batteries dans l’usine sans considérer le reste de la production (méthode dite ascendante). La première produit des estimations plus élevées que la seconde.
Sur la comparaison avec les carburants
Les 756 MJ correspondent à l’énergie contenue dans 20 L d’essence, sans tenir compte des rendements ni des pertes. C’est purement illustratif. Les chiffres qui comparent plus loin batteries et carburants s’appuient, eux, sur des données d’usage réelles. Comparer une batterie à un carburant est presque impossible, tant leurs natures diffèrent : l’une est un moyen de stockage, l’autre une source chimique. Les nombres donnés ici illustrent un coût énergétique. Imaginez un grand feu qui brûle pour fabriquer une batterie.
L’impact des matériaux
Pour construire une batterie, il faut plusieurs choses : une cathode, une anode, un électrolyte, un boîtier, et divers liants et matériaux de support. Tout cela doit être soit extrait de sources primaires (extraction et raffinage), soit récupéré sur des déchets.
Les cathodes sont particulièrement en cause : elles contiennent fréquemment des oxydes de cobalt, de nickel, de fer, de cuivre, de tantale et de manganèse, ainsi que le lithium lui-même. Ces métaux sont issus de l’extraction minière et doivent être transformés. L’ensemble entraîne l’épuisement de ressources inorganiques non renouvelables.
Épuisement des réserves de matériaux par kg de batterie produite, par chimie.
Résumer ce coût au seul épuisement serait déraisonnable : l’extraction minière a bien d’autres conséquences sociales et environnementales. L’extraction du cobalt et du tantale dans des régions comme la RDC et le Rwanda a des effets profondément négatifs — travail des enfants, exploitation, pollution, santé dégradée — parallèlement aux apports économiques qu’elle peut représenter pour les travailleurs comme pour les États.
L’épuisement abiotique
L’épuisement des ressources inorganiques non renouvelables s’appelle l’épuisement abiotique, et se mesure en équivalents antimoine. La méthode employée ici (CML-rb) considère ce qui est extractible avec les technologies actuelles, sans tenir compte de l’économie ni des gisements totaux sur Terre. Le tantale n’est d’ailleurs pas utilisé dans les cellules, mais dans les condensateurs du BMS. Le BMS pèse en réalité très lourd dans les matériaux et les émissions d’une batterie.
L’impact social
Les effets de la fabrication des batteries et de l’extraction des ressources sont considérables. Le cas de l’extraction du cobalt en RDC illustre crûment les conséquences négatives de l’appétit mondial pour les minerais rares. Cela dit, les impacts à l’échelle mondiale sont très difficiles à quantifier.
L’impact de l’usage de la batterie
Au cours de sa vie, une batterie perd une certaine quantité d’énergie : même avec un rendement aller-retour élevé, autour de 80 % (énergie entrante puis ressortante), il faut environ 0,25 Wh d’énergie pour stocker 1 Wh.
Le rapport entre l’énergie restituée et l’énergie fournie s’appelle le rendement aller-retour.
D’où viennent ces pertes ? D’une part, la conversion de l’électricité du courant alternatif au continu et inversement, ainsi que les conversions de tension, en occasionnent. D’autre part, la chimie interne de la batterie ne restitue pas parfaitement tout ce qui y est entré. Enfin, l’ensemble des circuits et des électrodes provoque des pertes par échauffement.
Une batterie ayant une durée de vie de l’ordre de quelques milliers de cycles, sa consommation d’énergie cumulée finit par compter. Notre batterie de vélo pourrait tenir 1 000 cycles. La charger et la décharger autant de fois perdra environ 160 kWh — à peu près la consommation énergétique hebdomadaire d’un foyer européen.
Les effets sur le climat
À toute dépense d’énergie correspond une consommation implicite de carburants fossiles, donc des émissions de gaz à effet de serre et un potentiel de réchauffement. En Europe, produire 1 kWh d’électricité émet environ 230 gCO2e (grammes équivalent CO2) de gaz à effet de serre.
Reprenons notre batterie de vélo de 640 Wh. Sa production demande 210 kWh d’électricité, soit 48 kgCO2e émis. En l’utilisant sur 1 000 cycles, il faudrait produire 800 kWh d’électricité, ce qui émettrait environ 184 kgCO2e, dont 37 dus aux pertes de rendement. Total : 232 kgCO2e. Sur un vélo, cela représente environ 50 000 km parcourus. En voiture, vous émettriez autant sur un trajet de 2 000 km. Un tour de vélo, quelqu’un ?
Sur le remplacement des véhicules thermiques par des véhicules électriques, une étude a montré que l’électrique sort toujours gagnant en émissions de gaz à effet de serre sur l’ensemble du cycle de vie. Et à mesure que la production d’électricité se décarbone, la balance penche toujours davantage.
Sur la vie d’une voiture électrique, la production de la batterie ne représente qu’une petite part du total des émissions.
On peut résumer ainsi : les batteries coûtent cher à fabriquer et à exploiter. Beaucoup d’énergie et de matériaux, beaucoup de CO2 et de pollution. Mais bien employées — en particulier avec de l’énergie décarbonée et dans des usages qui évitent des émissions — elles compensent largement ce coût. Comme toute technologie, leur durabilité dépend d’un usage avisé.
Aider à bien les utiliser et prolonger leur vie est d’ailleurs la raison d’être de Bib.
Et quand elles ne peuvent plus servir ? Ce sera l’objet des prochains articles.
Références
[1] Jens F. Peters, Manuel Baumann, Benedikt Zimmermann, Jessica Braun, Marcel Weil, The environmental impact of Li-Ion batteries and the role of key parameters – review, Renewable and Sustainable Energy Reviews
[2] Child miners: the dark side of the DRC’s coltan wealth (2021), IssAfrica, dernier accès le 5 mai 2022
[3] Datu Buyung Agusdinata et al., Socio-environmental impacts of lithium mineral extraction: towards a research agenda (2018) Environ. Res. Lett. 13 123001
[4] Benjamin K. Sovacool, When subterranean slavery supports sustainability transitions? Power, patriarchy, and child labor in artisanal Congolese cobalt mining (2021) Extractive Industries and Society
[5] Georg Bieker (2021), A global comparison of the life-cycle greenhouse gas emissions of combustion engine and electric passenger cars, The ICCT.
[7] [Global EV Market Up 105% YoY in January - Times Asia]
