La course mondiale à l’approvisionnement en batteries

Pour préserver son indépendance vis-à-vis de l’Asie, l’Europe doit construire plusieurs gigafactories (usine de fabrication de batteries).

Ce sera une entreprise industrielle gigantesque. Voici l’épisode 4 de notre série sur l’avenir de la voiture et de la mobilité.

par Philippe Chain et Frédéric Filloux

L’alimentation par batterie est le talon d’Achille des véhicules électriques. Pour l’instant. La façon de le surmonter et de soutenir l’adoption des VE par le public sera un investissement de plusieurs milliards de dollars dans des installations de production de batteries.

Actuellement, les véhicules électriques à batterie représentent environ 4 % des ventes de voitures neuves (par exemple en Europe au cours du premier semestre 2020). Selon les prévisions, cette part devrait atteindre 10 % en 2023, 28 à 30 % en 2030 et 58 à 60 % en 2040.

Les disparités entre les différentes régions resteront toutefois importantes, car la transition sera beaucoup plus rapide en Chine et en Europe.

  • La première est motivée par des préoccupations essentielles concernant la pureté de l’air
  • et la seconde par les réglementations et la pression de l’opinion publique.

Les États-Unis pourraient être à la traîne pendant un certain temps, avant de reprendre le dessus. Voici quelques prédictions de Bloomberg New Energy Finance (les valeurs comprennent Battery EV+plug-inEV) :

Plus les lignes de ces cartes s’allongent, plus le besoin de piles augmente. L’ajustement de l’offre de batteries nécessitera un effort industriel important, car la demande devrait être multipliée par 14 pour atteindre une capacité annuelle estimée à 1 800 GWh d’ici 2030. C’est à peu près l’équivalent de 40 à 60 grandes installations comme celle exploitée par Tesla dans le désert du Nevada.

Une augmentation aussi massive nous amène à deux tensions imminentes : le déséquilibre de la production mondiale de batteries et l’accès aux minéraux essentiels.

À l’heure actuelle, la Chine possède le jeu.

En termes bruts, d’ici à 2030, 72 % des ventes de VE se feront en Europe et en Chine. Dans le même temps, parmi les 115 grandes installations qui devraient entrer en production d’ici là, 88 seront situées en Chine. Certaines voix sonnent déjà l’alarme, comme celle de Caspar Rawles, responsable de l’évaluation des prix au sein de la société de recherche Benchmark Mineral Intelligence :

« Alors que la Chine reste la locomotive, l’industrie automobile européenne est très préoccupée par la disponibilité à grande échelle de cellules de batterie lithium-ion de première catégorie de haute qualité, qui constituent un obstacle majeur à l’accélération des VE ».

En termes de complexité et de portée, la fabrication de batteries pour les voitures électriques n’a rien à voir avec la fabrication de moteurs électriques. Alors que la fabrication des moteurs est maîtrisée et internalisée par les constructeurs automobiles du monde entier, les batteries nécessitent des usines et des chaînes de montage d’une ampleur unique.

Le terme « Gigafactory » a été inventé par Elon Musk. Le préfixe fait référence au gigawatt-heure (un milliard de watt-heures) et donne également une idée de la taille « gigantesque » de l’usine.

En 2013, à peine un an après le lancement du modèle S, le fondateur et PDG de Tesla a présenté le calcul suivant à ses dirigeants : avec l’objectif de produire 500 000 voitures par an avant la fin de la décennie et en supposant une capacité de batterie de 100KWh par voiture, Musk a constaté que la production de Tesla était susceptible d’absorber toute la production disponible dans le monde. À la fin de son discours, il s’est tourné vers l’ingénieur chargé de l’approvisionnement en batteries et lui a demandé quel type d’usine il faudrait pour être autosuffisant. L’ingénieur lui a répondu : « Ce serait une installation gigantesque ». Comme prévu, Musk a aimé l’idée. Il a commandé une étude complète et a ensuite décidé de faire équipe avec Panasonic, à l’époque le plus grand fournisseur de batteries lithium-ion, pour construire une installation de taille record – et supporter la moitié de l’investissement de 5 milliards de dollars.

Voici ce que Musk a dit en 2014 à sa biographe Ashlee Vance :

« Les concurrents sont tous en train de faire du caca à la Gigafactory. Ils pensent que c’est une idée stupide, que le fournisseur de batteries devrait juste aller construire quelque chose comme ça. Mais je connais tous les fournisseurs, et je peux vous dire qu’ils n’aiment pas l’idée de dépenser plusieurs milliards de dollars pour une usine de batteries. Vous avez un problème de poule et d’œuf, les constructeurs automobiles ne vont pas s’engager sur un volume géant parce qu’ils ne sont pas sûrs que vous puissiez vendre suffisamment de voitures électriques. Je sais donc que nous ne pourrons pas avoir assez de batteries au lithium-ion si nous ne construisons pas cette fichue usine, et je sais que personne d’autre ne construit ce truc. Quand la première Gigafactory non-Tesla sera-t-elle construite ? Probablement dans six ans au plus tôt. Les grands constructeurs automobiles sont tellement dérivés. Ils veulent la voir fonctionner ailleurs avant d’approuver le projet et d’aller de l’avant. Ils sont probablement plutôt à sept ans. Mais j’espère que je me trompe ».

Musk s’est légèrement trompé sur le calendrier de la réponse de l’industrie au concept de la Gigafactory. Six ans après ses prédictions, des fabricants de batteries comme LG Chem (Corée du Sud), CATL (Chine), BYD Co (Chine) et Panasonic (Japon) exploitent des installations comparables à celles de Tesla.

Épisodes précédents :

  • 01 : La voiture, réinventée. De zéro.
  • 02 : Votre prochaine voiture sera électrique
  • 03 : Comment Tesla a déchiffré le code de l’innovation automobile

Les prédictions de Musk étaient également un peu fausses en ce qui concerne la taille de la batterie. À Tesla, elle est maintenant plus proche de 60 KWh en moyenne, même si le mastodonte Cybertruck pourrait avoir une batterie de 250 KWh – mais c’est un extrême.

Mais il avait raison sur le reste : la Gigafactory s’est avérée essentielle pour assurer l’autosuffisance du constructeur automobile. Tesla semble être en bonne voie pour produire 500 000 véhicules cette année, et la capacité de la Gigafactory devrait atteindre 54 GWh, soit environ 8 millions de cellules produites chaque jour.

Quant à la première Gigafactory, elle est effectivement gigantesque : située à l’est de Reno, dans le Nevada, le bâtiment fait 500 mètres de long et couvre 200 000 mètres carrés, ce qui en fait l’une des plus grandes installations à toit unique au monde, seulement devancée par les usines d’assemblage d’avions.

Actuellement, l’offre mondiale de batteries de voitures penche clairement en faveur de l’Asie, en particulier de la Chine, qui contrôle plus de 70 % de la capacité mondiale :

Source : Benchmark Mineral Intelligence

Mais le paysage évolue rapidement, plusieurs projets d’usines étant déjà en cours en Europe. En Scandinavie, une société suédoise appelée Northvolt doit démarrer une grande usine l’année prochaine pour des clients tels que Volkswagen et BMW, et une autre usine située en Allemagne est prévue pour 2025. D’autres projets sont encore plus ambitieux, comme celui de 100 GWh de capacité envisagé par le constructeur chinois CATL en Allemagne.

Une chose est cependant inquiétante dans ce tableau qui montre les projets actuels en Europe

Source : Benchmark Mineral Intelligence et Monday Note

Sur les 14 projets prévus en Europe, 10 reposent sur la production d’électricité à forte intensité de carbone, avec des sites en Allemagne, en Hongrie et en Pologne. La France, qui produit 88 % d’électricité sans carbone, principalement grâce à ses 58 réacteurs nucléaires, n’a qu’une seule giga usine dans le pipeline – pour l’instant.

Lorsqu’il s’agit de se défaire de plusieurs milliards d’euros sur une installation industrielle, l’Allemagne est toujours plus attrayante, grâce à son savoir-faire industriel. Cependant, on peut soupçonner que les relations de travail en France, avec sa série de conflits sociaux très médiatisés, ont un effet dissuasif sur les investisseurs. À moins d’un changement de cap, cela pourrait avoir un terrible impact social : des milliers d’emplois liés à la fabrication de moteurs à combustion et de groupes motopropulseurs vont disparaître et il faut les compenser par la création de milliers d’emplois dans la fabrication de batteries.

Pour être juste, mentionnons le projet français ACC (pour Automotive Cell Company), une entreprise commune à 50/50 entre l’ancien fabricant de batteries Saft (qui appartient maintenant à Total) et le constructeur automobile français PSA, et son projet de construire une usine de batteries dans le nord de la France, puis une deuxième en Allemagne. Le gouvernement français a récemment demandé à Renault de se joindre à ce projet.

La fabrication de batteries à grande échelle est un processus qui consomme beaucoup d’énergie. Voici quelques chiffres pour vous donner une idée : la production d’un kilowatt-heure de capacité de batterie nécessite environ 60 kWh d’énergie brute ; une gigantesque usine d’une capacité de 45 GWh consommera 2,7 térawatt-heures par an. C’est l’équivalent d’un quart d’un seul réacteur nucléaire de 1300MW !

Par conséquent, essayer de minimiser l’impact écologique fait partie intégrante de la construction de gigafactories. Pour sa « Giga-Nevada », Elon Musk envisage que la centrale soit neutre en carbone en exploitant toute la technologie disponible comme des réseaux massifs de panneaux solaires, des turbines éoliennes et des échangeurs de chaleur qui profitent des variations de température du désert pour refroidir à la fois les bâtiments et les équipements.

La grande majorité des projets européens de giga-fabriques ne seront probablement pas aussi verts. C’est une contradiction malheureuse, car l’Europe va adopter massivement les véhicules électriques, mais créer un réseau de giga-fabriques dépendant des modes de production d’électricité les plus polluants. C’est consternant car cela annule une grande partie des avantages environnementaux du passage aux VE.

Obtenir les minéraux, de manière responsable.

Avant d’approfondir ce sujet, disons un mot sur le processus de fabrication d’une pile de batterie. Une pile est constituée de couches de divers matériaux enroulées et enfermées dans un récipient légèrement plus grand qu’une pile AA standard :

Source : Tesla

Une fois construites, les cellules sont compactées dans un paquet scellé dans un solide boîtier en aluminium généralement situé sous le plancher de la voiture pour abaisser le centre de gravité. Selon le modèle, une Tesla contient entre 4000 et 7000 de ces cellules. L’ensemble pèse environ 300 à 500 kg. D’autres constructeurs automobiles peuvent utiliser différents formats de cellules, généralement des cellules prismatiques ou « en poche », d’une taille nettement supérieure à celle des Tesla, avec un nombre de cellules se chiffrant en centaines plutôt qu’en milliers ; mais le processus global est très similaire.

La décomposition du processus de fabrication et de ses différentes couches met en évidence l’importance de certains minéraux clés, comme le montre ce tableau tiré d’un document de recherche produit par l’Université de technologie de Sydney :

Contrairement à l’hypothèse répandue, il existe d’importantes ressources inexploitées de lithium. Il en va tout autrement pour d’autres minéraux clés, qu’ils soient destinés à la production brute ou au raffinage.

  • 60 % du cobalt, par exemple, provient de la République démocratique du Congo, mais il est principalement raffiné en Chine. Une fois de plus, grâce à ses ressources naturelles étendues et à sa capacité industrielle, la Chine est prête à contrôler le secteur des batteries pendant un certain temps, comme le montre cette carte qui, comme vous pouvez le voir, montre que la plupart des lignes convergent vers la Chine.

Avec la menace d’une pandémie et les perturbations qui planent, personne ne souhaite rester dépendant de la Chine pour un approvisionnement critique. Dans une certaine mesure, il y a des ressemblances avec la situation énergétique des années 1970, lorsque les pays occidentaux assoiffés de pétrole dépendaient du pétrole brut du Moyen-Orient et devaient subir des embargos et des crises dommageables.

Outre les incertitudes de la chaîne d’approvisionnement, aucun État ne peut contourner les conditions dans lesquelles les minéraux précieux sont déterrés. Et le tableau n’est pas joli, avec des violations flagrantes des droits de l’homme et une forte pollution en Afrique, en Amérique latine ou en Asie du Sud-Est. La pression sera forte pour améliorer cette partie de la chaîne d’approvisionnement sous une forme ou une autre.

Enfin, abordons une autre idée fausse liée aux véhicules électriques : le recyclage. En bref, le traitement des batteries des VE en fin de vie ne sera pas un problème. Tout d’abord, voici l’état du potentiel de recyclage des différents composants minéraux :

Source : Approvisionnement en minéraux pour les énergies renouvelables, UTS

Comme on peut le voir, s’il reste du travail à faire, il ne concerne qu’une fraction des composantes. Le problème sera résolu d’ici à ce qu’il se présente, et ce dans dix ans. D’ici là, les canaux de collecte des piles usagées seront en place, les technologies, comme l’hydrométallurgie nécessaire pour séparer et réutiliser les composants, existent déjà et seront largement déployées, grâce à des lois environnementales strictes.

Nous sommes entrés dans une période où la combinaison de la sensibilisation politique et publique à l’urgence environnementale ne sera plus considérée comme un obstacle au développement économique, mais comme une base fondamentale de celui-ci. Dans dix ans, les voitures électriques parcourant des centaines de milliers de kilomètres sans pratiquement aucun entretien seront la norme. Cela sera possible grâce aux batteries, qui seront plus vertes puisque la production d’électricité passera, à des rythmes différents, à une production à faible teneur en carbone. Les arguments ne manquent pas pour adopter une vision optimiste.

 

Philippe Chain
& Frederic Filloux

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