Les batteries sont bien connues pour leur utilisation dans les smartphones et les voitures électriques. Elles jouent des rôles cruciaux, allant des opérations militaires extrêmes à l’exploration spatiale de longue durée.
Aujourd’hui, les batteries révolutionnent aussi l’intégration des énergies renouvelables, particulièrement dans les systèmes photovoltaïques (PV). En combinant le stockage d’énergie et les panneaux photovoltaïques, les systèmes avec batteries stabilisent et optimisent l’approvisionnement en énergie solaire. Ils répondent ainsi de manière plus efficace et adaptable aux besoins énergétiques actuels.
Evolution du marché des batteries
2023 a été une période de croissance et de grands changements dans l’industrie mondiale des batteries. Le coût de fabrication des cellules de batterie a considérablement diminué, principalement en raison de la baisse des prix des matières premières.
Par exemple, le prix du lithium a chuté de 80 % depuis son pic à la fin de 2022. Cette baisse a entraîné une réduction de 16 % du prix des cellules, à 107 $ par kWh. Plusieurs facteurs ont contribué à cette décrue des prix :
- l’augmentation des investissements dans l’extraction minière a renforcé l’offre de matériaux pour batteries sur le marché
- la croissance de la demande en véhicules électriques et en batteries a ralenti par rapport à 2022
- le marché chinois a été caractérisé par des stocks élevés depuis le début de l’année ;
- la transition continue vers les batteries à phosphate de fer lithium (LFP) a réduit la demande en nickel et en cobalt, des matériaux traditionnellement très demandés pour les batteries.
Batteries lithium-ion
La capacité des batteries lithium-ion est prévue pour augmenter de manière constante jusqu’en 2030. Cela est principalement dû à la demande croissante pour les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie (ESS). Ces applications sont au cœur de l’expansion rapide de la capacité des batteries li-ion.
Par exemple, Northvolt est une entreprise qui fabrique des batteries et qui s’oriente vers une production utilisant de l’énergie propre. Leur mission est de fournir des batteries dont l’empreinte carbone est réduite de 90 % par rapport à celles produites avec de l’énergie au charbon. Récemment, ils ont levé 5 milliards de dollars afin d’accroître leurs capacités de production de batteries.
Selon les annonces actuelles, la capacité de fabrication mondiale devrait atteindre environ 7 térawattheures (TWh) d’ici 2030, la Chine représentant 68,5 % de cette capacité.
Pour mieux illustrer ce que représente 7 TWh, nous pouvons les comparer à la consommation électrique moyenne d’un foyer, par exemple 5000 kWh par an. Ainsi, 7 TWh pourraient alimenter environ 1,40 million de foyers français pendant un an.
Info : L’année dernière, l’Amérique du Nord et l’Europe ont également émis des directives officielles pour augmenter la sécurité de l’approvisionnement en minéraux. Elles visent également à créer une chaîne d’approvisionnement plus durable. Ces efforts cherchent à réduire la dépendance envers les sources extérieures et à promouvoir des pratiques écologiques dans le cycle de vie des batteries, depuis l’extraction des matières premières jusqu’au recyclage des batteries usagées.
Comparaison batterie véhicule électrique vs systèmes de stockage d’énergie par batterie
Dans le domaine des systèmes de stockage d’énergie, il existe des différences notables entre les applications pour véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS).
Critères prioritaires pour les véhicules électrique
Alors que les VE mettent l’accent sur la densité énergétique et le taux de charge des batteries pour maximiser l’autonomie et réduire les temps de charge.
Prenons l’exemple du véhicule électrique Tesla Model 3. Ce modèle est capable de parcourir jusqu’à 629 km sur une seule charge, grâce à une batterie offrant une capacité utile de 78,8 kWh. Il peut également être rechargé jusqu’à 80 % en environ 30 à 40 minutes. Cette performance permet aux utilisateurs de recharger rapidement leur véhicule, réduisant ainsi les temps d’attente lors de longs trajets.
Critères prioritaires pour les batteries de stockage
Pour les BESS, qui sont généralement des systèmes stationnaires, la densité énergétique et le taux de charge sont des métriques relativement secondaires. En effet, ces systèmes ne nécessitent pas de se déplacer et sont souvent conçus pour stocker de grandes quantités d’énergie provenant de sources renouvelables ou pour fournir de l’énergie pendant les pics de demande. Ainsi, la capacité à stocker plus d’énergie dans un espace restreint ou à charger rapidement n’est pas aussi cruciale que pour les VE.
Par exemple, un BESS pourrait être utilisé pour stocker l’énergie solaire produite pendant la journée pour alimenter un bâtiment la nuit. Ce système privilégie la durabilité et la capacité à fournir de l’énergie de manière constante sur une longue période, plutôt que la capacité à charger ou décharger rapidement.
En revanche, la durée de vie des cycles, le coût et la sécurité sont les critères les plus importants pour les BESS. Ces systèmes doivent pouvoir fonctionner de manière fiable sur de longues périodes pour être économiquement viables, notamment parce qu’ils sont souvent utilisés pour amortir les investissements initiaux sur plusieurs années. La sécurité est également une préoccupation majeure, car tout incident lié à la batterie peut entraîner des conséquences significatives sur la continuité du service énergétique et sur l’environnement.
Systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS)
Le marché des systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS) est encore naissant mais connaît une croissance rapide : les investissements dans les BESS ont triplé pour atteindre 5 milliards de dollars en 2022 par rapport à 2021, et on estime que le marché mondial des BESS atteindra environ 120 à 150 milliards de dollars d’ici 2030. Les systèmes BESS sont utilisés dans toute la chaîne de valeur énergétique, offrant des solutions adaptées aux besoins spécifiques des différents segments du marché.
Réseau électrique – amont du compteur
Dans le secteur des services publics, en amont du compteur, les BESS permettent l’arbitrage des prix, assurent des paiements de capacité à long terme, réduisent les risques liés à la production d’énergie renouvelable et retardent les investissements nécessaires à l’expansion des infrastructures. Ces applications sont cruciales pour stabiliser les réseaux en intégrant des sources d’énergie intermittentes telles que le solaire et l’éolien.
Exemple :
Prenons l’exemple d’une centrale photovoltaïque. La production d’énergie solaire est par nature intermittente : elle varie en fonction de l’ensoleillement et n’est pas disponible la nuit.
Pour optimiser l’utilisation de cette énergie et la rendre disponible selon les besoins, un système de stockage d’énergie par batteries (BESS) peut être intégré au site.
Fonctionnalité possible avec l’ajout d’un BESS dans ce contexte :
- Stockage de l’énergie excédentaire : Pendant les périodes de forte production, surtout en milieu de journée quand la demande d’électricité est peut-être plus basse, l’énergie excédentaire générée est stockée dans le BESS au lieu d’être immédiatement envoyée sur le réseau.
- Arbitrage des prix : Le gestionnaire de la centrale utilise les prévisions des prix de l’électricité pour décider des meilleurs moments pour stocker ou revendre l’énergie. L’énergie est stockée lorsque les prix sont bas et vendue sur le réseau lorsque les prix augmentent, maximisant ainsi les revenus.
- Stabilisation du réseau : Le BESS peut libérer de l’énergie pendant les heures de pointe ou lorsque la production solaire baisse soudainement à cause de conditions météorologiques, aidant ainsi à stabiliser le réseau en fournissant une source d’énergie constante et fiable.
- Réduction des risques et retardement des investissements : En utilisant le BESS pour gérer la production et la consommation d’énergie, la centrale peut éviter des investissements coûteux dans de nouvelles infrastructures de réseau et minimiser les risques financiers associés à la volatilité des prix de l’énergie.
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Secteur commercial et industriel – aval du compteur
Pour le secteur commercial et industriel, en aval du compteur, les BESS facilitent l’intégration des énergies renouvelables, notamment les panneaux photovoltaïques, fournissent une alimentation électrique ininterrompue, optimisent les coûts d’énergie et soutiennent l‘infrastructure de recharge pour les véhicules électriques.
Exemple :
Prenons l’exemple d’une entreprise de production en 3×8 ayant intégré des panneaux photovoltaïques sur les toits de ses bâtiments afin de réduire sa dépendance aux énergies fossiles et diminuer ses coûts énergétiques. Pour maximiser l’efficacité de cette installation solaire et renforcer sa durabilité énergétique, l’entreprise décide d’ajouter un système de stockage d’énergie par batteries (BESS).
Voici comment le BESS apporte des bénéfices tangibles à cette installation industrielle :
- Intégration des énergies renouvelables : Le BESS stocke l’énergie excédentaire générée par les panneaux photovoltaïques. Cette énergie stockée est ensuite utilisée pendant les périodes de faible production solaire ou la nuit, assurant ainsi un approvisionnement énergétique constant et réduisant la dépendance au réseau électrique externe.
- Alimentation électrique ininterrompue : Dans des secteurs où la continuité de l’alimentation est cruciale, comme dans les industries de fabrication ou centre hospitalier, le BESS peut fournir une alimentation de secours en cas de coupure de courant. Cela minimise les interruptions de production, ce qui est essentiel pour maintenir la productivité et diminuer la perte.
- Optimisation des coûts d’énergie : Le BESS permet à l’entreprise de pratiquer l’arbitrage énergétique. En stockant de l’énergie lorsque les tarifs sont bas (par exemple, lors de la production excédentaire de l’installation PV ou pendant les heures creuses) et en la consommant lorsque les tarifs sont élevés, l’entreprise peut significativement réduire ses coûts énergétiques.
- Support à l’infrastructure de recharge des véhicules électriques : Si l’entreprise dispose d’une flotte de véhicules électriques ou offre des stations de recharge pour les employés, le BESS peut fournir une source d’énergie stable et économique pour la recharge des VE, renforçant ainsi les initiatives de mobilité durable de l’entreprise.
Secteur résidentiel – aval du compteur
Dans le secteur résidentiel, également en aval du compteur, les batteries de stockage d’énergie permettent l’intégration domestique de solutions de recharge pour VE et l’utilisation d’énergies renouvelables à tout moment. Pour en savoir plus, cliquez ici.
Exemple :
Prenons l’exemple d’une famille vivant dans une maison individuelle équipée de panneaux photovoltaïques sur le toit. Pour maximiser l’utilisation de leur production d’énergie renouvelable et faciliter l’adoption de modes de vie plus durables, ils décident d’installer un système de stockage d’énergie par batteries à domicile.
Voici comment la batterie fonctionne dans ce contexte résidentiel :
- Stockage d’énergie photovoltaïque : Les panneaux produisent de l’électricité pendant les heures ensoleillées, souvent plus que ce que la maison ne consomme à ce moment-là. Le surplus d’énergie n’est pas perdu : il est stocké dans la batterie. Cela permet à la famille de continuer à utiliser cette énergie stockée pendant les périodes de faible ensoleillement ou pendant la nuit, réduisant ainsi leur dépendance au réseau électrique.
- Recharge des véhicules électriques (VE) : La famille possède également un véhicule électrique. Grâce à la batterie, ils peuvent recharger leur VE durant la nuit en utilisant l’énergie photovoltaïque accumulée pendant la journée, plutôt que de dépendre de l’électricité du réseau, qui peut être plus coûteuse et potentiellement moins écologique en fonction de la source d’énergie.
- Économies et autosuffisance : Avec la batterie, la famille peut minimiser l’achat d’électricité du réseau, surtout pendant les périodes de tarification de pointe, ce qui permet de réaliser des économies substantielles sur les factures d’électricité. De plus, en période de pannes ou de coupures de courant, la batterie peut automatiquement alimenter une partie de la maison, garantissant une continuité d’électricité sans interruption.
- Optimisation de la consommation d’énergie : La batterie peut être géré par des contrôleurs intelligents qui optimisent la consommation d’énergie en fonction des habitudes de vie de la famille, des prévisions météorologiques et des tarifs d’électricité. Cela permet de maximiser l’utilisation de l’énergie verte tout en réduisant les coûts.
Technologie du BESS
Entre 2017 et 2023, l’industrie du stockage d’énergie résidentiel a vu une évolution notable dans la chimie des batteries utilisées par les principaux fournisseurs comme Pylontech, BYD, SUNGROW ou encore Tesla. Initialement, ces entreprises proposaient une variété de technologies de batteries, mais depuis 2023, il y a une tendance marquée vers l’adoption généralisée de la technologie Lithium Fer Phosphate (LFP).
La technologie LFP est privilégiée pour plusieurs raisons clés :
- Security : Les batteries LFP sont réputées pour leur stabilité thermique et chimique, ce qui réduit considérablement le risque d’incendies et d’explosions par rapport à d’autres technologies de batteries, telles que celles utilisant le nickel, le manganèse et le cobalt (NMC). Cette caractéristique de sécurité est particulièrement attractive pour les applications résidentielles, où la sécurité des occupants est primordiale.
- Durabilité : Les batteries LFP offrent une excellente durée de vie en termes de cycles de charge et de décharge, ce qui les rend idéales pour le stockage d’énergie domestique qui exige une utilisation fréquente et régulière.
- Coût : Bien que les batteries LFP aient traditionnellement offert une densité énergétique inférieure (moins d’énergie stockée par unité de poids ou de volume) par rapport à d’autres technologies, leurs coûts de production ont diminué grâce à des innovations et à des économies d’échelle. Cela les rend plus abordables pour les consommateurs résidentiels.
- Respect de l’environnement : Le phosphate de fer lithium est moins dépendant des métaux lourds comme le cobalt, qui sont souvent extraits dans des conditions controversées et posent des défis environnementaux. Cela rend les batteries LFP une option plus durable et éthique.
Ainsi, l’orientation vers la technologie LFP par des entreprises de renom dans le stockage d’énergie résidentiel reflète une stratégie visant à maximiser la sécurité, la durabilité, et la responsabilité environnementale tout en minimisant les coûts pour les utilisateurs finaux.
Motivation
Les facteurs clés influençant l’achat de systèmes de stockage incluent :
- le prix et la performance,
- la sécurité et la garantie,
- la facilité et le coût d’installation.
Ces aspects sont essentiels pour les consommateurs qui cherchent des solutions énergétiques durables et efficaces dans un marché de plus en plus orienté vers l’autonomie énergétique et la réduction des émissions de carbone.
Recyclage des batteries
La demande en batteries lithium est prévue d’augmenter considérablement, s’attendant à quintupler d’ici 2033 avec un taux de croissance annuel de 15 %. À court terme, le recyclage peut contribuer à satisfaire une partie de cette demande, offrant une sécurité marginale d’approvisionnement pour les régions ayant une faible production de métaux primaires. À long terme, le recyclage jouera un rôle crucial pour répondre aux besoins du marché.
D’ici 2040, le marché du recyclage des batteries en Europe devrait être décuplé par rapport à 2030, stimulé initialement par les déchets des gigafactories, et les batteries en fin de vie dont la quantité augmentera à partir de 2030. Avec la première génération de véhicules électriques arrivant en fin de vie en 2030, on s’attend à une croissance substantielle du marché du recyclage. En 2023, environ 110 GWh (soit 5,5 millions de tonnes) de déchets de batteries ont été générés, et ce chiffre devrait atteindre 480 GWh (environ 2,4 milliards de tonnes) d’ici 2033.
Europe
En Europe, le cadre réglementaire pour le recyclage des batteries a été renforcé en août 2023. Une révision de la Directive sur les batteries de 2006 a été réalisée pour inclure les batteries de véhicules électriques et réguler l’ensemble du cycle de vie de la batterie.
Cette mise à jour introduit des exigences de fin de vie, telles que les objectifs de collecte et de récupération, ainsi que la responsabilité élargie du producteur.
La réglementation révisée de l’UE fixe des efficacités de recyclage de 70% à partir de 2031. Elle prévoit aussi une augmentation de plus de 100% des objectifs de récupération et du niveau minimal d’utilisation de matériaux recyclés d’ici 2035.
Reste du monde
Aux États-Unis, aucune obligation légale n’impose encore le recyclage ou les taux de récupération des batteries. Cependant, la Chine et la Corée ont mis en place des réglementations avancées en matière de recyclage des batteries et des mandats d’efficacité. L’Asie, avec des régulations initiales depuis 2013, notamment en Corée du Sud et en Chine, est en tête dans ce domaine. Les taux actuels de recyclage des batteries atteignent environ 90%.
Comment fonctionne le recyclage des batteries?
Le recyclage des batteries via l’hydrométallurgie est devenu une méthode privilégiée pour récupérer les matériaux de valeur, car elle préserve efficacement la qualité des matériaux. Ce processus exige cependant des investissements en capital importants pour une mise à échelle.
Ongoing benefits
- Réduction de la génération de déchets : Cette méthode génère moins de déchets solides par rapport à d’autres techniques, ce qui contribue à une gestion plus durable des ressources.
- Consommation d’énergie réduite : L’hydrométallurgie est généralement moins énergivore que les méthodes alternatives comme la pyrométallurgie (recyclage thermique), ce qui réduit l’empreinte énergétique du processus de recyclage.
- Structure des coûts en capital modulaire : Bien que l’investissement initial puisse être élevé, la structure modulaire des coûts permet une adaptation plus flexible et évolutive selon les besoins de capacité et les innovations technologiques.
Défis
- Exigence de consistance des matières premières : Le processus nécessite une alimentation consistante et homogène en matière de composition et de qualité des batteries usées, ce qui peut être difficile à garantir étant donné la diversité des batteries et des conditions de fin de vie.
- Coût potentiellement plus élevé à petite échelle : Coûts plus élevés à petite échelle comparés à la pyrométallurgie, qui peut être plus rentable pour de petits volumes.
L’hydrométallurgie, malgré son efficacité et ses avantages environnementaux, doit surmonter ces défis pour devenir une solution viable à long terme dans le recyclage des batteries.
Défis du recyclage des batteries
- Augmentation de la production de batteries : À mesure que la production de batteries s’intensifie, la nécessité de développer des capacités de recyclage efficaces devient cruciale pour gérer le volume croissant de batteries en fin de vie.
- Réglementations plus strictes : Les gouvernements du monde entier renforcent les réglementations concernant le recyclage des batteries pour minimiser l’impact environnemental, imposant aux entreprises de suivre des pratiques de recyclage plus rigoureuses et coûteuses.
- Durabilité : Les consommateurs et les régulateurs exigent des pratiques plus durables, poussant l’industrie à améliorer l’efficacité du recyclage et à réduire son empreinte écologique.
Ces défis nécessitent des innovations et des investissements continus. L’objectif est d’améliorer les technologies de recyclage, de rendre le processus plus rentable et moins polluant, tout en respectant les réglementations et la demande croissante pour les matériaux recyclés.
Start-ups technologiques et entreprises établies rivalisent pour rendre le recyclage des batteries plus propre et économique. Cela attire des milliards d’investissements dans des installations de recyclage à l’échelle mondiale.
Pour une simulation et étude
sans engagement :
Conclusion
En conclusion, les batteries sont devenues omniprésentes dans divers domaines, témoignant d’une évolution constante dans leurs applications et cas d’utilisation. Elles transforment continuellement nos vies, en apportant des solutions innovantes pour les défis énergétiques actuels. Particulièrement utiles avec les systèmes photovoltaïques, elles optimisent l’usage de l’énergie. Si vous envisagez d’utiliser des batteries, ou si vous avez des questions, contactez-nous.
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