Les batteries au lithium pour stocker l’énergie verte
Alors que le monde progresse vers les énergies renouvelables, des problèmes de stockage se profilent. Le défi : les piles du futur se doivent d’être aussi vertes que l’énergie qu’elles emmagasinent.
Une chute vertigineuse du coût des énergies renouvelables
Ces dernières années, les sources d'énergie renouvelables comme le solaire photovoltaïque et les éoliennes sont devenues parmi les sources d'énergie mondiale les moins chères. Mais aujourd’hui, le souci est le suivant : comment le soleil et le vent peuvent-ils fournir un flux d’énergie ininterrompu même par temps calme et nuageux? L'énergie solaire et éolienne a connu une augmentation spectaculaire au cours des dernières décennies pour devenir une partie intégrante du réseau énergétique mondial. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), l'essor des énergies renouvelables ne fait que commencer, car elles devraient représenter 95 % de l'augmentation de la capacité énergétique mondiale d'ici 2026.
Cette croissance est accompagnée par une chute vertigineuse du coût des énergies renouvelables. Une analyse de l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA) a révélé que le coût des projets éoliens terrestres avait chuté de 13 % au cours de la décennie précédant 2020, tandis que le coût du « solaire photovoltaïque (PV) à l'échelle des services publics » avait chuté de 85 %.
Produire un flux constant d'énergie est l'objectif de tous les réseaux électriques, quelle que soit la source de cette énergie. Et ce n'est pas seulement une question d'éviter les désagréments, mais, dans certains cas, une question de vie ou de mort. Cette fiabilité a été un défi pour le solaire photovoltaïque en particulier, car la demande de pointe d'électricité survient après le coucher du soleil dans la plupart des endroits, ce qui nécessite une capacité de stockage afin que l'énergie produite pendant les périodes de faible demande puisse être libérée pendant les heures de pointe.
Des petites piles lithium-ion (lubydust / E+ / Getty Images)
La batterie lithium-ion, indispensable pour le moment?
Actuellement, le manque à gagner causé par « l'intermittence » du solaire photovoltaïque et de l'éolien est comblé par des compléments provenant d'autres sources, souvent de l'énergie dérivée de combustibles fossiles. Dans un monde net zéro, les énergies renouvelables devraient assurer la fiabilité sans cette sauvegarde à forte intensité de carbone, grâce à une combinaison de production d'énergie à grande échelle et de stockage d'énergie efficace. Ce modèle est déjà en place avec l'utilisation de piles. De nombreux types de batteries sont utilisés dans le secteur des énergies renouvelables, mais la batterie lithium-ion (Li-ion) est préférée en raison de sa densité énergétique élevée et de sa longévité.
Déjà la batterie de choix pour les véhicules électriques – et courante dans les téléphones portables, les appareils électroménagers, les jouets et les outils électriques – les batteries Li-ion offrent de nombreux avantages. Selon le Clean Energy Institute de l'université de Washington, les batteries Li-ion ont « l'une des densités d'énergie les plus élevées de toutes les technologies de batterie aujourd'hui » et peuvent fournir une tension trois fois plus élevée que la plupart des batteries courantes. Les batteries Li-ion rechargeables sont également préférées pour leur sécurité et leur durée de vie. Utilisées dans les véhicules électriques, elles ont une durée de vie de trois à sept ans, mais de nouvelles recherches – et les affirmations du géant de l'automobile Tesla – suggèrent qu'une durée de vie de 25 ans est à venir. Bien que ces batteries restent plus chères que certains types de batteries, leur coût a chuté de 90 % depuis 2010.
Cette technologie est si prometteuse que les trois chimistes dont les recherches ont conduit au développement et à l'amélioration des batteries Li-ion ont remporté le prix Nobel de chimie en 2019. Déjà, les batteries Li-ion stockent l'énergie produite par les énergies renouvelables dans des projets à la fois petits et gros. À Moss Landing, en Californie, « la plus grande installation de stockage d'énergie par batterie au monde » stocke suffisamment d'énergie pour alimenter environ 563 000 foyers ; la batterie Li-ion « la plus grande du monde » à la Hornsdale Power Reserve, en Australie-Méridionale, réagit « rapidement et avec précision » pour éviter les pannes lorsque la région est isolée du reste du réseau.
Différents risques liés à ces batteries
Mais il reste toutefois quelques inconvénients aux batteries Li-ion. D'une part, ces batteries géantes peuvent fondre, comme cela s'est produit sur le site de Moss Landing et en Corée du Sud, où un incendie a détruit un système de stockage d'énergie à Jecheon. Et parce que les batteries Li-ion nécessitent des matériaux autres que le lithium provenant de régions instables aux prises avec des violations des droits de l'homme (comme le cobalt de la République démocratique du Congo), on craint que la stabilité même que ces batteries sont censées fournir ne soit compromise par des interruptions de la chaîne d'approvisionnement et pénuries.
Cela pourrait être en partie résolu ici au Canada, car le budget fédéral de cette année prévoyait 3,8 milliards de dollars pour une stratégie sur les minéraux critiques, qui financerait des entreprises minières pour les minéraux essentiels aux batteries Li-ion, notamment le lithium, le cobalt et le nickel. Mais l'inquiétude était suffisante pour déclencher une étude sur la question de la chaîne d'approvisionnement par des chercheurs du MIT, de Berkeley et du Rochester Institute of Technology. Le problème de la chaîne d'approvisionnement – et les impacts polluants de l'extraction du lithium, qui provient en grande partie d'Amérique du Sud – pourrait également être atténué par le recyclage des batteries Li-ion.
Vers un recyclage intelligent
Pourtant, des recherches menées plus tôt cette année ont révélé que moins de 1 % des batteries Li-ion sont recyclées, pour diverses raisons, dont certaines sont aussi simples que le manque d'uniformité dans leur conception. Mais cela commence à changer. La société de Mississauga Li-Cycle a développé un « processus en deux étapes pour recycler tous les types de batteries lithium-ion », a déclaré le directeur de la stratégie de Li-Cycle, Kunal Phalpher, à The Weather Network (TWN).
Le processus, qui est capable de récupérer jusqu'à 95 % de tous les matériaux contenus dans les batteries lithium-ion, présente également des avantages financiers et environnementaux par rapport aux méthodes de recyclage traditionnelles et produit un minimum d'eaux usées et de faibles émissions, selon Phalpher. Il a ajouté : « Aucune mine au monde ne contient tous les métaux contenus dans une batterie – le recyclage peut être une méthode très efficace pour s'approvisionner en ces matériaux critiques. »
Le concepteur suédois de batteries Li-ion, Northvolt, prévoit également de commencer le recyclage des batteries dans son usine au nord de la Suède en 2023, dans l'espoir de traiter quelque 125 000 tonnes de batteries par an. Ces évolutions arrivent à point nommé. Phalpher s'attend à ce qu'un « tsunami » de batteries au lithium atteigne la fin de leur cycle de vie dans les décennies à venir. « On s'attend à ce qu'il y ait plus de quatre millions de tonnes de matériaux de batteries lithium-ion disponibles pour le recyclage par an d'ici 2030 », a-t-il déclaré.
« Le recyclage des batteries lithium-ion jouera un rôle crucial pour garantir que la quasi-totalité des matériaux précieux qu'ils contiennent puisse être renvoyée dans la chaîne d'approvisionnement des batteries lithium-ion. » Phalpher considère le recyclage des Li-ion comme un élément fondamental pour favoriser une électrification mondiale durable et faciliter la transition vers un système d'énergie renouvelable. « La révolution industrielle propre est déjà bien avancée. »
Adaptation d'un article de Neil Ever Osborne et M.A. Jacquemain de TWN. Image d'en-tête : photo prise le 12 mars 2021 montrant un travailleur qui fabrique des batteries d'auto électrique pour Xinwangda Electric Vehicle Battery Co. Ltd, à Nanjing en Chine. (STR / Contributor / AFP / Getty Images)
