6 solutions aux défis des minéraux de batterie

By Amory Lovins

Un flot d'articles récents, spontanés ou coordonnés, cherche à discréditer les énergies renouvelables, les véhicules électriques et d'autres éléments de la transition énergétique respectueuse du climat. Les critiques vont de la fiabilité du réseau à l'utilisation des terres, de l'économie à l'équité. L'une des affirmations les plus répandues et les plus conflictuelles est qu'il est extrêmement destructeur, voire impossible, de trouver suffisamment de minéraux pour fabriquer toutes les batteries dont une flotte mondiale de véhicules électriques (VE) aura besoin. Ces préoccupations minérales ne sont certes pas anodines, mais sont souvent exagérées. Je vais décrire ici comment ils peuvent devenir gérables si nous incluons des solutions souvent négligées.

Les matériaux de batterie comme le lithium, le nickel et le cobalt sont un cas particulier d'une dynamique plus large. Lorsqu'on s'attend à ce qu'un matériau extrait devienne rare, son prix augmente. Ce signal suscite une utilisation, un recyclage, une substitution, une exploration, une innovation et d'autres réponses du marché plus efficaces, comme je l'ai décrit pour terres rares. (Illustrant la thèse de substitution de cet article, le nitrure de fer les superaimants qu'il a mentionnés il y a quatre ans comme une ambition expérimentale sont maintenant arrivés à marché; ils ne contiennent pas de terres rares et pourraient théoriquement devenir deux fois plus puissants que les meilleurs aimants de terres rares.)

La rareté des minéraux peut être réelle ou médiatisée – par exemple, pour réduire la concurrence des véhicules électriques avec le pétrole, ou pour augmenter les prix des matières premières ou des actions minières pour les spéculateurs. Certains minerais peuvent soulever des préoccupations légitimes en plus de la rareté, comme le travail des enfants, la corruption et d'autres abus dans l'extraction artisanale du cobalt ; une dépendance excessive vis-à-vis des minerais et des usines de traitement chinois ; ou l'utilisation de l'eau et les dommages environnementaux de l'exploitation minière.

Les vraies préoccupations peuvent également avoir besoin de contexte - comme une remarque récente, dont la validité dépend de nombreuses hypothèses, selon laquelle la culture des amandes de Californie nécessite six fois plus d'eau par livre que l'extraction du lithium dans le désert. Les amandes, elles aussi, ne peuvent être appréciées qu'une seule fois, mais une fois extraites, le lithium peut continuer à procurer des bienfaits plus ou moins permanents. Et bien sûr, les véhicules électriques à énergie renouvelable remplacent les véhicules à pétrole qui nuisent considérablement à la terre, à l'air, à la santé et au climat.

Bien qu'il y ait des préoccupations légitimes concernant l'exploitation minière des minéraux de la batterie, il existe également de nombreuses solutions puissantes et multiplicatives que les projections conventionnelles sous-estiment ou ignorent souvent, exagérant les futurs besoins miniers. Explorons maintenant six parties successives et multiplicatives de l'espace des solutions.

1. Stocker plus d'énergie par kilogramme

L'amélioration de la composition, de la fabrication, de la conception, des contrôles et de la recharge des batteries peut stocker beaucoup plus d'énergie par unité de matériau. Depuis 2010, les cellules de batterie lithium-ion ont presque triplé leur stockage d'énergie par kilogramme. Leur baisse de prix de 89% au cours de la même décennie est due en partie à leur utilisation plus économe des matériaux. D'autres gains importants sont attendus au cours de cette décennie; comme un exemple parmi tant d'autres, anodes de silicium augmenteraient la densité énergétique des batteries lithium-ion de 20 %. IRM évalue que les technologies doublant collectivement la densité d'énergie des batteries lithium-ion pourraient entrer en production d'ici 2025. Journée de la batterie 2020 de Tesla présentation a annoncé des améliorations majeures qui s'intensifient maintenant pour la production de masse en 2022. Ainsi, les projections basées sur les anciennes densités d'énergie surestiment considérablement l'exploitation minière nécessaire.

2. Durer plus longtemps, puis être "réincarné"

Les batteries durent également plus longtemps à mesure que la conception, les matériaux, la fabrication et l'utilisation s'améliorent. Juste un nouveau profil de charge peut inverser migration du lithium réduisant la vie. Des batteries d'un million de kilomètres font leur apparition, leur durée de vie pourrait donc bientôt devenir un problème aussi important que la vitesse de votre modem. Plus les batteries durent longtemps, plus leurs matériaux peuvent supporter de kilomètres-véhicules.

Lorsqu'un véhicule électrique prend finalement sa retraite (ou tombe en panne), son bloc-batterie peut être «réincarné» dans un stockage stationnaire précieux qui continue de fournir une grande valeur, non pas en déplaçant un véhicule, mais en soutenant le passage mondial à l'énergie renouvelable (réduisant ainsi l'extraction des combustibles fossiles et émissions). Ainsi La Maison de la Mobilité (Zürich) gagne déjà environ 1000 13 € par pack de batteries EV par an en vendant environ 21 des 2018 services potentiels des packs de batteries EV stationnaires ou en stationnement au réseau électrique de plusieurs pays européens. (Par exemple, en XNUMX, l'entreprise a autorisé un VE en tant que première centrale électrique sur roues d'Allemagne, capable de vendre des services de stabilisation de fréquence au réseau.)

La coordination de l'immense capacité de stockage et d'autres capacités des véhicules électriques du monde, stationnés environ 95 % du temps et souvent rechargeables à des horaires flexibles, apparaît comme un catalyseur majeur et lucratif de la croissance rapide des énergies renouvelables variables - l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie éolienne. Le stockage à l'échelle des services publics et derrière le compteur sera en concurrence non seulement l'un avec l'autre, mais également avec le stockage d'électricité intégré au réseau et basé sur les véhicules électriques. Cela et huit d'autres types de ressources de flexibilité du réseau sans carbone signifient que les batteries à l'échelle des services publics sont utiles mais pas essentielles pour maintenir le réseau fiable à mesure qu'il devient renouvelable (un autre conversation). Ainsi, les batteries pour VE et pour réseaux ne sont pas additif exigences mais complémentaires, partagés et souvent successifs utilisations des mêmes matériaux, ce qui réduit les besoins miniers totaux.

3. Recyclage des piles

Les cellules de batterie au lithium recyclées sont environ 17 fois plus riches en nickel, 4 à 5 fois en lithium et 10 fois plus riches en cobalt que leurs minerais naturels respectifs. « Mining » cette ressource de recyclage se porte déjà bien en cours. J'ai récemment visité Redwood Materials du cofondateur de Tesla, JB Straubel usine à Carson City, Nevada - le principal recycleur de batteries aux États-Unis et un leader mondial émergent. L'usine recycle plusieurs chargements de semi-remorques par jour de batteries extrêmement diverses - toutes sortes, formes, tailles et utilisations, les récupérant souvent auprès de grands détaillants qui les obtiennent des clients. L'usine convertit toutes ces batteries, avec une efficacité généralement supérieure à 90 %, en matériaux purs qui retournent directement dans de nouvelles batteries.

En effet, Redwood Materials est une «mine» bénigne, non polluante et à émissions quasi nulles produisant du lithium, du nickel, du cobalt, du cuivre et du graphite, avec d'autres produits à venir. Grâce à sa conception brillante, il ne produit aucun déchet - seulement de la valeur. Pour l'instant, il utilise un peu de gaz naturel pour démarrer plusieurs jours de traitement continu alimenté par des électrolytes et des réactions auto-entretenues. Les processus futurs essoreront également ce gaz et capteront le carbone solide.

Le traitement rapporte déjà de l'argent sur la base des flux de trésorerie, même si la capacité augmente rapidement, avec 20,000 2021 tonnes d'entrée par an attendues en 2021. Même d'ici mai 45,000, l'usine pourrait récupérer suffisamment de matériaux de batterie chaque année pour construire 0.7 2021 packs EV. L'augmentation de capital de 14 milliard de dollars de la société en juillet 2021 a été sursouscrite. Le XNUMX septembre XNUMX, Redwood Materials a annoncé plans pour une usine de fabrication d'électrodes de batterie avancées, de plus en plus à partir de matériaux recyclés - assez pour environ un million de véhicules électriques par an d'ici 2025, puis quintuplant d'ici 2030. Une semaine plus tard, Ford a annoncé une alliance élargie pour développer une chaîne d'approvisionnement nord-américaine en boucle fermée. .

Une source majeure de batteries recyclables pour Redwood Materials est la Tesla Gigafactory à une demi-heure de route - une autre des conceptions de JB. Il envoie deux camions par jour de production défectueuse et de ferraille et récupère des matériaux recyclés pour fabriquer plus de batteries. Les deux plantes sont symbiotiques, comme un lichen. D'autres grandes usines de batteries qui montent dans le monde gagneront organiquement des partenaires de fermeture de boucle similaires. La récupération des matériaux beaucoup plus importante mais plus tardive (pour les voitures, souvent au moins une décennie plus tard) proviendra des batteries vendues et utilisées.

Alors que les batteries plus denses en énergie utilisées dans les véhicules électriques plus efficaces concurrencent la part de marché croissante des véhicules électriques, ces opérations de recyclage peuvent déjà fournir de l'ordre d'un dixième des matériaux nécessaires au parc mondial de véhicules électriques. Avec le temps, le recyclage peut finalement évoluer pour atteindre un état stable, l'élimination poursuite de l'exploitation minière, à une très grande capacité industrielle de l'ordre de (très approximativement) 10 TWh / an - alors que la reprise retardée rattrape la saturation de la croissance mondiale des VE sur plusieurs décennies. Cette fermeture de boucle pourrait réduire de moitié le CO total des véhicules électriques₂ émissions. Sur des principes similaires, Apple vise d'ici 2030 à fabriquer des iPhones qui n'ont pas besoin d'être minés.

Une preuve de concept analogue, dans un système de batterie qui est déjà proche de la saturation du marché, est qu'environ les deux tiers du monde plomb neurotoxique et 99 % du plomb des batteries est déjà recyclé (environ la moitié correctement, la moitié de manière informelle ainsi que  dangereusement): dans presque tous les États américains, vous ne pouvez pas acheter une batterie automobile au plomb sans remettre l'ancienne, de sorte que cette boucle est déjà presque bouclée et que le plomb est désormais rarement extrait. Aujourd'hui, Redwood Materials et ses concurrents visent à "extraire" environ un milliard de piles usagées inutilisées dans les anciens ordinateurs portables, téléphones portables, etc. des foyers américains - des piles dont les métaux sont généralement plus précieux que le plomb et souvent riches en cobalt.

À mesure que la composition des batteries change, les flux recyclés ne se traduisent pas directement par une capacité de batterie identique. Ainsi, les batteries de smartphones ont généralement une teneur élevée en cobalt tandis que les fabricants de batteries automobiles réduisent rapidement la teneur en cobalt, de sorte que le recyclage des batteries de smartphones en batteries EV exploite environ 30´ de capacité de batterie supplémentaire par gramme de cobalt. Fabriquer une batterie de VE prend donc l'ordre de 10,000 300 batteries de smartphone pour le lithium mais seulement ~XNUMX pour le cobalt. Tesla, entre autres, prévoit de éliminé l'utilisation du cobalt de ses batteries, mais les fabricants qui ont encore besoin de cobalt pourront l'obtenir à partir d'anciens smartphones, et non d'enfants mineurs congolais.

4. Nouvelles chimies de batterie

Plusieurs entreprises ont fait la démonstration de nouveaux électrolytes (comme Matériaux ioniques' polymère solide) qui permettent des chimies comme les alcalins rechargeables. De telles chimies, comme le manganèse-zinc ou le manganèse-aluminium, n'ont pas besoin de matériaux rares, coûteux, toxiques ou inflammables. Ils pourraient ainsi déplacer le lithium ainsi que  nickel ainsi que  cobalt, au détriment des producteurs de batteries lithium-ion (notamment en Chine). Alors que cette chaîne de valeur des batteries lithium-ion présente certains aspects de « verrouillage », la batterie nationale indienne mission souligne neufs chimies (L'Inde se trouve également être riche en manganèse et en zinc), et comme d'autres efforts ailleurs, peut offrir des avantages distinctifs qui pourraient diversifier les chimies des batteries. Certains métaux de batterie, comme le fer et l'aluminium, sont parmi les éléments les plus abondants de la croûte terrestre. De nouveaux électrolytes pourraient également permettre batteries lithium-ion et lithium-soufre sûres adaptées même à l'aviation.

5. Véhicules efficaces

Une variable majeure négligée par presque tous les analystes est l'efficacité du véhicule qui est électrifié. Des réductions avantageuses de la masse, de la traînée aérodynamique et de la résistance au roulement - des améliorations de la physique du véhicule plutôt que de l'efficacité de son groupe motopropulseur électrique - peuvent réduire de 2 à 3 pouces la capacité de batterie requise pour la même autonomie. BMW 2013–22 i3, par exemple, a payé son corps ultraléger en fibre de carbone en nécessitant moins de batteries pour déplacer moins de masse, et par une fabrication plus simple (avec un tiers de l'investissement et de l'eau normaux et la moitié de l'énergie, de l'espace et du temps normaux). La capacité projetée de la batterie par véhicule n'est donc pas un nombre fixe mais doit être paramétrée en fonction de l'efficacité de la plate-forme. Quelle est la plage potentielle de cette variable non comptée ? En septembre 2021, 2–3′ – et plus tard cette année, plusieurs fois plus !

En effet, un gain d'efficacité supplémentaire d'environ 2 à 4 ′ est démontré par une nouvelle génération de véhicules, entrant sur le marché en 2022, et si efficaces qu'ils peuvent alimenter un cycle de trajet normal uniquement grâce aux cellules solaires sur leur surface supérieure. (Divulgation: je conseille deux de ces entreprises - aptera.fr à 343 mpge avec deux sièges, et lightyear.one à 251 mpge avec cinq.) Les deux conceptions peuvent encore s'améliorer. Ces véhicules nécessitent des batteries proportionnellement plus petites et moins ou pas d'infrastructure de recharge. En chiffres ronds, ils sont 2 à 3 pouces plus efficaces que, disons, une Tesla Modèle 3, l'un des véhicules électriques les plus efficaces du marché. Ensemble, ces gains d'efficacité peuvent utiliser des batteries jusqu'à Un ordre de grandeur (environ un facteur dix) plus efficacement que de nombreux véhicules électriques actuellement sur le marché, et pourrait réduire leurs besoins en batterie en conséquence, le tout avec une sécurité sans compromis et des attributs de conducteur attrayants. L'Aptère JamaisCharger est un véhicule de niche, mais la société néerlandaise Lightyear est courante. Les deux sont importants, et il y en aura plus.

6. Mobilité efficace

Au-delà de la frontière du système du véhicule lui-même, une utilisation plus productive des véhicules, de nouveaux modèles commerciaux de mobilité, la mobilité virtuelle (envoyer des électrons, laisser des noyaux lourds à la maison), et une meilleure conception urbaine et une politique publique pour fournir un meilleur accès avec moins de conduite peuvent tous affectent considérablement les besoins futurs en matière d'automobiles et de conduite. Par exemple, Sam Deutsch rapports qu'"Atlanta et Barcelone ont un nombre de personnes et une durée de transport rapide similaires, mais les émissions de carbone de Barcelone sont inférieures de 83 % et la fréquentation des transports en commun est supérieure de 565 %."

Comme mon 2017 selon une analyse de l’Université de Princeton trouvé pour les terres rares, et il en va de même maintenant pour les minéraux de batterie,

… le substitut le plus efficace… dans les moteurs et les batteries, n'est pas un autre matériau exotique pour fabriquer des moteurs ou des batteries ; c'est une conception de voiture plus intelligente qui rend les moteurs plus petits et les batteries moins nombreuses. Ou, mieux encore, il pourrait s'agir de nouveaux modèles commerciaux - des services partageables comme Zipcar et GetAround, des opérations de mobilité en tant que service comme Lyft et Uber, ou des véhicules autonomes - qui transportent plus de personnes plus de kilomètres dans beaucoup moins de voitures à coût étonnamment inférieur, économisant finalement de l'ordre de 10 XNUMX milliards de dollars dans le monde (en valeur actuelle nette).

Ces options couvrent un large éventail de véhicules potentiellement évités, mais déjà dans certains noyaux urbains, les services de VTC déplacent plusieurs fois plus de véhicules qu'ils n'en utilisent. Avec une utilisation moyenne d'environ 4 à 5 % des voitures privées américaines, le potentiel est clairement beaucoup plus important. Combinez cela avec d'autres opportunités (avec des échelles de temps et des probabilités très variables) - ~ 2´ gains à court terme de la densité d'énergie de la batterie, plusieurs fois la durée de vie de la batterie, ~ 2–8⁺´ dans l'efficacité des véhicules et le déplacement potentiellement complet des matériaux rares dans la chimie des batteries - et les prévisions élevées de la demande de matériaux de batterie extraits semblent très incertaines et potentiellement erronées par des facteurs importants.

Conclusion

Nous avons encore plus de moyens d'économiser les matériaux de batterie préoccupants que d'augmenter leur offre, mais ces opportunités du côté de la demande sont largement ignorées. Concurrencer ou comparer TOUTE les options - dans une perspective de système global qui met l'accent sur les leviers de la demande autant que sur l'expansion de l'offre, et les compare ou les concurrencent - donneront de meilleurs choix, actions et impacts, et aideront à éviter les bulles d'actifs, l'offre excédentaire, les interventions inutiles et les risques inutiles . C'est pourquoi les discussions sur les matériaux de batterie, ou toute autre ressource supposée rare, doivent tenir compte non seulement des projections simplistes de la demande ou des mines inquiétantes, mais de l'ensemble du système - de bout en bout, linéaire à circulaire et pleinement engagé dans l'innovation, l'économie et Commerce.

Le physicien ; Amory B.Lovins est cofondateur et président émérite de RMI et professeur auxiliaire de génie civil et environnemental à l'Université de Stanford.

© 2021 Institut des Rocheuses. Publié avec permission. Publié à l'origine sur Prise IRM.

 

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Source : https://cleantechnica.com/2022/01/28/6-solutions-to-battery-mineral-challenges/