Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature

22/12/2018
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-5:24908
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Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature

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76 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES All energy transition scenarios are relying on the strong development of new renewable, fluctuating means of power production and alternative mobility. This is why more electricity storage systems will be required to make this transition happen. Battery Energy Storage Systems (BESS) and battery-electric vehicles (BEV) are seen as promising solutions to meet these needs. But they are not free of environmental impacts, including on climate change. What are these impacts? This is what this article is dealing with. It focuses on the Li-ion techno- logy, when inserted in a mature grid, stationary or movable. First we address the impact of individual battery units, through the analysis of two extensive scientific literature reviews dealing with this topic. Then we consider the environmental footprint of services that BESS or BEV could bring to the community compared to traditional alternatives. As a conclusion, we draw a path to improve this environmental footprint, not only dealing with climate change aspects but also with other systemic risks such as raw material depletion. This way towards an effective sustainable energetic landscape mainly relies on more transparency and collaboration along the value chain in order to define the most relevant use cases for BESS. Tous les scénarios de transition énergétique reposent sur le développement de nouveaux moyens de production d’électricité d’origine renouvelable et va- riables, ainsi que sur les formes alternatives de mobilité. C’est pourquoi il faudra davantage de systèmes de stockage de l’électricité pour que cette transition se réalise. Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (SSEB) et les véhicules électriques à batteries (BVE) sont considérés comme une solution prometteuse pour répondre à ces besoins. Mais ils ne sont pas exempts d'impacts environ- nementaux, y compris sur le changement climatique. Quels sont ces impacts ? Cet article se concentre sur la technologie Li-ion, fixe ou mobile, lorsque le stoc- kage est inséré dans un réseau électrique mature. Nous abordons d’abord l’impact des unités de batteries individuelles, en analy- sant deux revues approfondies de la littérature scientifique traitant de ce sujet. Ensuite, nous comparons l'empreinte environnementale des services que SSEB ou BVE pourraient apporter à la communauté à celle des alternatives tradition- nelles. En conclusion, nous traçons la voie pour améliorer cette empreinte environne- mentale, non seulement en prenant en compte les aspects liés au changement climatique, mais également d’autres risques systémiques, tels que l’épuisement des matières premières. Cette voie, vers un paysage énergétique durable et efficace, repose principalement sur plus de transparence et de collaboration tout au long de la chaîne de valeur afin de définir les cas d'utilisation les plus pertinents des SSEB. Salar de Uyuni, lieu d’extraction du lithium. Source : Martin St-Amant - Wikipedia - CC-BY-SA-3.0. Anne-Sophie Desaleux Guillaume Busato RTE Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature Introduction Nous assistons aujourd’hui à l’avè- nement des batteries chimiques de grande capacité, technologie réputée nécessaire à la transition énergétique. Toutefois, elle n’est pas exempte d’une empreinte environnementale significa- tive, y compris sur l’aspect climatique. Cette apparente contradiction mérite donc d’être discutée. C’est l’ambition du présent article. Il se concentre sur les batteries Li-ion car c’est la techno- logie actuellement la plus utilisée et qu’elle est appelée à se développer, et aussi parce qu’elle a été l’objet de REE N°5/2018 Z 77 Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature nombreuses études. Seule l’insertion desdites batteries dans un système électrique parvenu à maturité est ici considérée. La première partie met en perspec- tive les résultats d’études relatives à l’empreinte propre des batteries, sur la base de deux revues bibliographiques. Les objets de consensus ou de diver- gences y sont mis en exergue, ils repré- sentent de fait les pistes d’optimisation. Si les batteries Li-ion rendent ou ren- dront bien des services techniques ou économiques, la deuxième partie de l’article explore la question du service « environnemental » qu’elles peuvent également rendre, comparé à l’em- preinte de solutions alternatives répon- dant aux mêmes besoins. La conclusion se concentre sur le besoin d’améliorer cette empreinte en- vironnementale, qui ne doit pas seule- ment se lire à travers le prisme d’une production d’énergie toujours plus décarbonée. En effet, l’urgence et la contrainte en budget carbone mais aus- si en consommation de ressources mi- nérales nous imposent de considérer la réalité de l’ensemble des impacts pos- sibles de la phase de « transition » vers un monde soutenable. Empreinte propre Deux revues bibliographiques ré- centes, l’une commandée par le Parlement européen [1] et l’autre réa- lisée par l’institut de recherche en envi- ronnement suédois [2], comparent les résultats de nombreuses études rela- tives à l’empreinte des batteries Li-ion, pour une meilleure appréhension de l’intérêt environnemental des véhicules électriques (VE). Très claires, complètes et factuelles, elles incluent également des recommandations. Comme elles s’attardent surtout sur les phases de fa- brication et de recyclage, les résultats sont largement applicables à tout usage de batteries Li-ion. Ces études convergent d’abord quant à l’analyse critique de la fiabilité des ré- sultats. Elles regrettent notamment : s UN MANQUE DE TRANSPARENCE DES IN- dustriels sur les étapes des procédés de production et de recyclage, qui li- mite la capacité des spécialistes en environnement à évaluer les impacts ; s UNMANQUEDEDONNÏESPRIMAIRESSUR ces phases, les études réutilisant très souvent des données d’études anté- rieures ; s PARFOIS UN MANQUE DE TRANSPARENCE sur la modélisation et les hypothèses de cadrage des études ACV (analyses de cycle de vie). Elles mettent en avant des éléments de consensus et de divergence sur les deux fortes préoccupations relatives à l’empreinte des batteries : les émissions de GES et la consommation de matières premières (MP). Concernant les émissions de GES, on peut relever les points suivants : s LES DIVERGENCES SONT NETTES SUR LEM- preinte de la phase de production des batteries, celle-ci pouvant varier de 1 à 10 selon les études, ce qui ne s’ex- plique pas uniquement par des mix électriques différents. Les évaluations les plus fiables donnent une plage de 140 à 200 kg de CO2 e/kWh pour cette phase, soit de fortes émissions de 3,4 à plus de 4,5 t de CO2 e par pack de 24 kWh. La fabrication représenterait la majeure partie de l’impact de la phase de production, notamment la fabrica- tion des cellules qui, extraction com- prise, s’élèverait à environ 50% du to- tal ; l’empreinte de la phase d’usage est bien sûr très corrélée au facteur d’émission de la production d’électri- cité qui alimente les batteries ; s TRÒSPEUDÏTUDESALIMENTENTLEDÏBAT pour la phase de fin de vie, car trop peu de données sont disponibles, sur des procédés par ailleurs très disparates ; s SILATRANSITIONÏNERGÏTIQUEESTMISEEN œuvre, l’ensemble des facteurs d’in- fluence va dans le sens d’une amélio- ration de cette empreinte (ndlr : à l’ex- traction des métaux près ?). Concernant les métaux, rappelons que leur extraction a un impact impor- tant sur la pollution et les conditions sa- nitaires et sociales locales. Cette ques- tion se double de la question de l’accès technique mais aussi économique et géopolitique à ces métaux : s ILYADESINQUIÏTUDESAUTOURDELAPPRO- visionnement en cobalt et en lithium ; s SILENICKEL LECOBALT LECUIVREETLACIER sont toujours récupérés, l’aluminium, le manganèse et le lithium le sont beaucoup plus rarement. Le graphite ne l’est jamais. Seules des considéra- tions économiques conduisent à ces décisions car la directive sur le recy- clage des batteries exige seulement un taux de recyclage global d’au moins 50 % de la masse de la batterie, sans exigence métal par métal. Pourtant les solutions de recyclage sont aujourd’hui technologiquement matures ; s LES MATÏRIAUX RELATIFS Ì LÏLECTRONIQUE sont presque systématiquement ou- bliés et pourraient compter. Dans l’attente de disposer d’une énergie moins carbonée, il en découle naturellement les recommandations suivantes pour réduire l’empreinte des batteries : s MIEUX COMMUNIQUER  SUR TOUTE LA chaîne de valeur, et aussi avec la re- cherche et les administrations, pour mieux comprendre et évaluer, et coo- pérer sur des solutions d’amélioration ; s DISPOSERDUNEPRODUCTIONPLUSEFlCACE en diminuant l’énergie nécessaire à la production des cellules, et aussi par le choix judicieux d’implantation des usines (facteur d’émission du mix mais aussi climat sec plutôt qu’humide) ; s AMÏLIORERENCORELESBATTERIES PRODUIT encore jeune ; s LES UTILISER BEAUCOUP ET DONNER UNE réalité à la seconde vie des batteries des VE ; 78 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES s ACCÏLÏRERLEDÏVELOPPEMENTETLAGÏNÏ- ralisation des techniques de recyclage les plus propres ; extraire les compo- sants sans les ramener à leur forme élémentaire ; L’étude [1] en appelle enfin à choi- sir (responsabilité) ou imposer (régle- mentation) que l’impact environnemen- tal soit autant considéré que l’incitation économique. Les batteries Li-ion ne sont donc pas aujourd’hui en soi un objet évident d’une société soutenable. Elles ne peuvent l’être qu’à travers le service qu’elles rendent, ou celui qu’elles ren- dront demain dans un monde décarbo- né et sobre en matériaux. Bénéfices et limites environ- nementales de leur insertion dans le système électrique Aujourd’hui, il est possible de réper- torier les services suivants demandés aux batteries, certains étant cumulables entre eux : sPERMETTRELAMOBILITÏÏLECTRIQUE s ÐTREPLUSAUTONOMEGRÊCEAUSTOCKAGE de l’énergie produite en autoconsom- mation ; s ÏVITER LÏCRÐTEMENT DES ÏNERGIES RE- nouvelables ; s FOURNIR UN SERVICE RÏSEAU DÏQUILIBRE court-terme (régulation de fréquence, gestion de tension) ; s LEVERLESCONGESTIONSDERÏSEAUX s DÏPLACER LÏNERGIE SUR CRITÒRE ÏCONO- mique ; s CONTRIBUER AU DIMENSIONNEMENT Ì LA baisse du parc de production (on parle de flexibilité). Toutes les capacités ins- tallées contribuent a priori à ce service dès lors qu’elles peuvent être prises en compte dans les prévisions d’équilibre offre-demande (EOD). Ils servent des intérêts et des acteurs différents. Les bénéfices environnementaux se mesurent par référence aux solutions existantes qui rendent ces mêmes ser- vices, ou à l’apport de services envi- ronnementaux inédits. Différentes études ou éléments factu- els permettent d’apporter des éléments d’évaluation par rapport à l’empreinte en- vironnementale de la collectivité. Mobilité électrique : un bénéfice fortement lié à la capacité à mettre en œuvre la transition énergétique dans sa globalité Les VE apportent sans conteste une meilleure qualité de l’air en ville et ré- duisent le bruit ambiant. Qu’en est-il pour la protection du climat ? L’analyse de cycle de vie réalisée dans le cadre français en 2017 [4] corrobore les résultats des revues [1] et [2] : le déploiement des véhicules électriques n’a de sens pour la préservation du cli- mat que s’il s’accompagne de la mise en œuvre de la transition énergétique c’est à dire d’une décarbonation du mix élec- trique. La participation orchestrée des batteries à la flexibilité (V2G) pourrait de son côté accélérer cette transition. En attendant, aujourd’hui, l’em- preinte globale d’un VE peut selon le lieu d’usage être meilleure, ou pire, que celle d’un véhicule thermique. Avec le mix électrique européen moyen, la très grande majorité des études conclut à un avantage modéré des VE sous l’hy- pothèse d’une utilisation à hauteur d’au moins 150 000 km [1]. Ces résultats soulignent la fragilité de la certitude des gains par rapport à l’empreinte GES des véhicules thermiques. Outre le facteur d’émission GES des mix lors des phases de fabrication et d’usage, trois facteurs d’influence l’expliquent : la masse du véhicule, fortement liée à la présence d’une batterie de grande capacité, la durée de vie de la batterie, qui offre la bonne surprise de dépasser les pré- visions initiales, et le nombre de kilo- mètres parcourus qui doit être impor- tant pour compenser l’impact lié à la fabrication. Sans une information cor- recte du consommateur, le risque de gaspillage est grand. Enfin, il semble que l’empreinte liée à la mise en œuvre de la toute nouvelle infrastructure nécessaire à l’alimentation des véhicules soit systématiquement omise dans les études, pour un poids pourtant certainement significatif. Pour compléter cette analyse, il fau- drait d’une part étudier les bénéfices relatifs des autres mobilités électriques innovantes (transport de personnes) : bus, scooters, vélos (qui se comptent par centaines de millions dans le monde [1]) et, un jour peut-être, les avions. Et il faudrait d’autre part considérer les alternatives : train, routes électrifiées (permettant des véhicules avec des batteries réduites), carburants issus de biomasse, hydrogène, … Recherche d’autonomie : dégradation de l’empreinte environnementale Tant qu’elle ne peut pas être prise en compte dans les prévisions EOD, une batterie répondant à un désir d’autono- mie en autoconsommation d’énergie re- nouvelable présente une empreinte né- gative si elle est raccordée à un réseau suffisamment dimensionné. En effet, elle se traduit par un surplus de maté- riel installé, et donc de matériel produit avec tous les impacts que cela induit, pour une fonction qui est déjà assurée par ailleurs. Même lorsque les batteries sont prises en compte dans l’EOD, il manque aujourd’hui une étude pour établir dans quelles conditions locales ou globales elles pourraient représenter une solu- tion pour l’environnement plus perti- nente que l’actuel système électrique. On comprend en effet que cette utili- sation induirait des impacts négatifs au- delà d’un certain seuil d’expansion de la pratique : en France par exemple, la puissance installée du parc de produc- REE N°5/2018 Z 79 Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature tion est aujourd’hui quatre fois infé- rieure à la puissance souscrite par les consommateurs de petite puissance, et CEGRÊCEAUFOISONNEMENTPERMISPARLE réseau. Flexibilité/dimensionnement du parc : des études complé- mentaires sont nécessaires Les batteries sont un objet nouveau de l'exploitation du système électrique car, à la fois : s ELLES PEUVENT ÐTRE CONSOMMATRICES ou productrices selon l’heure, et par- fois mobiles sur le réseau. Ainsi, les véhicules rechargeables consomment de l’énergie sur le réseau sans prévi- sibilité sur le niveau de puissance, le temps de charge et la localisation de cet appel. Par ailleurs, les particuliers possesseurs de batteries stationnaires possèdent, eux, un profil de courbe de charge inédit, qui peut être très diffé- rent d’une situation à l’autre et selon le choix d’optimisation (CO2 , coût, ab- sence d’optimisation, ...) ; s DgAUTRE PART Ì LEXCEPTION DES BATTE- ries stationnaires de grande taille, dites « de réseau », elles ne sont pas au- jourd’hui pilotées, et donc non prises en compte dans la gestion de l’EOD. Ce sera vrai au moins encore pendant toute la phase d’apprentissage et de montée en puissance du nombre de batteries pendant laquelle le foisonne- ment ne permettra pas de prévoir sta- tistiquement les appels de puissance. Lorsque ces batteries sont pilotées ou statistiquement prévisibles, elles constituent une des réponses possibles aux besoins de flexibilité du réseau. Elles jouent un rôle « d’amortisseur » en réponse aux fluctuations de la pro- duction et de la consommation, notam- ment celles introduites par le déploie- ment des énergies renouvelables de flux. Elles se substituent à la mise en place de capacité de production ou de réseau et permettent des économies de combustible. Il reste alors à vérifier si leur empreinte sur le cycle de vie est et sera moins importante que celle de la capacité à installer ou à activer, ou d’un autre moyen de flexibilité qui aurait ré- pondu à la même fonction, en prenant en compte la dynamique d’évolution du mix électrique. En revanche, quand elles ne sont ni pilotées ni statistiquement prévisibles, elles apportent de l’incertitude et donc du besoin en capacité de production disponible. C’est le cas de la phase tran- sitoire actuelle, vers un nouveau sys- tème électrique mature, où les batteries deviennent présentes sans permettre encore de réduire l’investissement clas- sique sur le réseau. Même si la cible s’avérait la bonne, la question est de savoir si on peut se permettre cet im- pact environnemental transitoire dans le cadre d’une transition énergétique très contrainte en MP et CO2 . Services rendus au système électrique, réseau et écrête- ments compris : des bénéfices importants pour les premiers MW installés C’est sans doute là qu’est le plus gros gisement de valeur environnemen- tale à moyen terme. D’après l’étude [3], relative à la valorisation socio-éco- nomique des smart grids, les batteries fournissant un service réseau d’équi- libre court terme telle que la régulation de fréquence, auraient un bilan d’émis- sion GES sur leur cycle de vie très positif pour les premiers MW qui seront instal- lés, car elles libéreraient alors de la dis- ponibilité pour la production nucléaire. En pratique, ces batteries répondent à un cahier des charges contractualisé avec les gestionnaires de réseau, qui n’empêche pas leur utilisation pour d’autres services (au moins certains d’entre eux). Pour les autres services qu’elles pourraient rendre au système élec- trique (gestion du réseau et évitement de l’écrêtement compris), le bilan GES apparaît quasi-nul voire très légèrement négatif. L’effet est plus nettement néga- tif si la fabrication des batteries est si- tuée dans des pays au mix électrique très carboné. Déplacer l’énergie sur critère économique : une empreinte environnementale similaire ou dégradée L’étude [3] indique que les émis- sions de CO2 évitées par les déplace- ments d’énergie entre les périodes où les facteurs d’émission marginaux dif- fèrent, sont relativement faibles et ne parviennent pas toujours à compenser complétement le « coût » environne- mental de la fabrication des batteries. Ce sera plus efficace dans un pays où les variations du facteur d‘émission sont plus contrastées. Et de moins en moins utile au fur et à mesure de la mise en œuvre de la décarbonation de la pro- duction. Cette analyse est menée pour un arbitrage économique au profit de la collectivité. Pour un acteur économique indépen- dant, l’optimisation des coûts d’achats DÏLECTRICITÏ GRÊCE Ì UNE BATTERIE SERA sans doute encore moins pertinente pour l’environnement, en vertu de la même étude, puisque le facteur d’opti- misation n’est plus le facteur d’émission mais le prix. Et cela, même si le prix de l’électricité peut sembler relativement bien corrélé à son facteur d’émission. Multi-usages de la batterie : une très bonne pratique à généraliser Il est clair qu’une batterie multi-usages, qu’elle soit stationnaire ou mobile, per- mettra d’améliorer largement son impact environnemental, compte tenu du poids de la phase amont dans l’empreinte sur le cycle de vie. C’est une des pistes im- portantes de réduction d’empreinte qui 80 ZREE N°5/2018 DOSSIER 1 LE STOCKAGE PAR BATTERIES DANS LES RÉSEAUX ÉLECTRIQUES porte des projets très variés tels que V2G, V2x, autopartage, mutualisation d’auto- consommation, batteries stationnaires dimensionnées pour différents services réseaux… Synthèse L’empreinte environnementale des batteries est tout à fait positive pour le climat lorsque celles-ci rendent un ser- vice qui conduit à la réduction du dimen- sionnement et de l'usage de la produc- tion carbonée. Elles constituent également une alternative intéressante à la mobilité thermique quand les mix d’utilisation et de fabrication présentent un facteur d’émission carbone faible, et qu’elles présentent une bonne adéquation di- mension/usage. Mais, en dehors de ces schémas, les études et raisonnements indiquent que les batteries mises en œuvre pré- sentent une empreinte globale en gé- néral moins positive que les solutions existantes. Toutefois, des études supplémen- taires sont nécessaires pour mieux éva- luer ces impacts ou bénéfices et mettre en exergue les conséquences de l’évo- lution vers un mix décarboné, ainsi que l’impact attendu des effets d’échelle de la production de masse des batteries. Conclusion et perspectives Les batteries sont et resteront des acteurs de la transition énergétique car elles peuvent compléter utilement les éléments du système électrique et ré- pondent de plus au désir d’autonomie d’une part de la société. Cependant, du strict point de vue environnemental, et à la lumière des études aujourd’hui disponibles, les technologies Li-ion ne conduisent pas de façon univoque à un avenir moins carboné, moins consom- mateur en MP et plus soutenable, en tout cas dans les pays où les réseaux sont matures. Contrairement à ce qui est souvent entendu, leur intérêt est restreint à certains usages, condition- né à un fort taux d’utilisation, et en rap- port avec l’origine de l’énergie qu’elles stockent. Les perspectives d’avenir sont heu- reusement à la décarbonation des mix électriques, ce qui libérera des cas d’usage intéressants, mais la « transi- tion » vers un système énergétique du- rable représente un risque important de dépassement de nos « budgets » car- bone et ressources minérales, anéantis- sant tous les efforts. Il est donc de la responsabilité de tous de travailler à réduire l’empreinte globale des batteries Li-ion. Les axes d’amélioration sont de mieux en mieux CONNUSGRÊCEAUX!#6,EMONDEDELA recherche et les industriels de la produc- tion et du recyclage y travaillent plus ou moins selon leur sensibilité et selon la réglementation en vigueur. Axe évident de progrès pour la collectivité, cette ré- glementation est appelée à s’affermir au moins en Europe. Les consommateurs ont leur rôle à jouer et cela ne pourra se faire qu’à tra- vers une information active et transpa- rente de la part des professionnels sur les bonnes conditions de dimension- nement et d’usage. Cet axe important paraît aujourd’hui inexploité. Pourtant, il pourrait permettre d’augmenter la durée de vie des batteries et d’exploiter tout leur potentiel. Enfin, le pilotage ou la prise en compte effective des batteries dans l’équilibre offre-demande du système électrique, qui ne pourra se faire qu’avec un large déploiement, pourrait être un axe important d’amélioration du service environnemental rendu. Le dialogue et une communication ac- tive peuvent offrir une chance à un avenir soutenable. L’urgence de la nécessaire transition énergétique nous demande d’être efficaces et précis. La primauté de la question environnementale réclame LES AUTEURS Anne-Sophie Desaleux pilote la démarche d’éco- conception de RTE. Après une carrière technique dans le développement puis le contrôle-commande du réseau de transport d’électricité, elle a dévelop- pé une expérience RSE à EDF (effi- cacité énergétique et carbone) puis à RTE (développement durable). Guillaume Busato pilote le domaine éco-concep- tion du programme R&D Environnement de RTE. Après une carrière dans le traitement d’image et la géophy- sique, il a développé ses compé- tences en ingénierie et gestion de l’environnement à l’ISIGE Mines ParisTech avant de rejoindre RTE. REE N°5/2018 Z 81 Empreinte environnementale des batteries Li-ion insérées dans un système électrique mature notre entière attention à ces questions, dans une approche systémique. Bibliographie [1] Ellingsen, L. A-W. & Hung, C. R. 2018, Research for TRAN Committee – Resources, energy, and lifecycle greenhouse gas emission aspects of electricvehicles,EuropeanParliament, Policy Department for Structural and Cohesion Policies, Brussels [2] M. Romare et L. Dahllof (2017), “The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries”, (n° C243), IVL Swedish Environmental Research Institute [3] RTE (2017), « Réseaux électriques intelligents – valeur économique, environnementale et déploiement d’ensemble » – contribution de RTE, rapport complet [4] FNH (novembre 2017), « Quelle contribution du véhicule électrique à la transition écologique en France »? [5] J.L. Sullivan and L. Gaines, (2010), “A review of battery life-cycle analysis: state of knowledge and critical needs”, (No. ANL/ESD/10-7), Argonne National Laboratory (ANL)