Recyclage des matières premières : la recherche et l’industrie cherchent de nouvelles solutions

28. octobre 2021 | Technologies

L’UE veut renforcer l’économie circulaire et le recyclage. Mais ce n’est pas si simple. Jusqu’à présent, seul un pour cent des terres rares est recyclé.

Se contenter de jeter les matières premières des appareils en fin de vie est « la chose la plus stupide que l’on puisse faire », écrit le journaliste économique Helmut Martin-Jung dans le Süddeutsche Zeitung. Et l’homme a raison, bien sûr. Les métaux stratégiques et les terres rares provenant des produits dits « en fin de vie », c’est-à-dire des équipements qui ne sont plus utilisables, sont non seulement complexes et coûteux à extraire et à traiter. L’appétit de nombreuses industries pour ces matières premières s’accroît à mesure que leurs utilisations potentielles augmentent. Qu’il s’agisse de semi-conducteurs, de photovoltaïque, d’énergie éolienne ou d’électromobilité, les métaux stratégiques tels que le lithium, le manganèse, le cuivre et le gallium, mais aussi les terres rares comme le néodyme et le praséodyme, jouent un rôle décisif dans un nombre croissant de technologies d’avenir. Les matériaux convoités sont dans les LED, les écrans, les smartphones, les iPads et les ordinateurs portables, ils sont dans les turbines et les moteurs. Et ils sont dans les moteurs électriques et les batteries des voitures électriques. 

Une économie circulaire fonctionnelle et l’extension massive des quotas de recyclage sont donc au centre de nombreuses réflexions actuelles de la part de la politique et de l’industrie. Fin 2020, l’UE a également présenté une proposition visant à  moderniser la législation européenne sur les batteries dans le cadre du New Green Deal (pacte vert). Celle-ci prévoit, entre autres, une augmentation du potentiel de recyclage des batteries, une part obligatoire de matières premières secondaires (c’est-à-dire l’utilisation de matières premières recyclées) et une harmonisation des exigences relatives aux produits pour les batteries. Ce dernier point est important pour pouvoir mieux normaliser et dimensionner les processus de recyclage à l’avenir. La nouvelle réglementation européenne doit être appliquée à partir de janvier 2022.

Matières premières secondaires présentant des problèmes de qualité

Cependant : selon la matière première et le domaine d’application, le recyclage est tout sauf simple. Cela s’explique principalement par le fait que les matériaux sont presque toujours utilisés comme alliages ou dans des composés chimiques avec d’autres matières premières. Il est difficile de séparer ces matériaux dans le processus de recyclage, ou de le faire dans une qualité réutilisable, ou encore cela est tellement coûteux et long que les processus – du moins jusqu’à présent – ne peuvent être réalisés qu’en laboratoire. Les terres rares en particulier, qui se trouvent toujours dans des alliages et seulement en très petites quantités dans les produits en fin de vie, n’ont quasiment pas été recyclées jusqu’à présent. Pour être plus précis, il s’agit de moins d’un pour cent, le FAZ cite une équipe de chercheurs dirigée par Simon Jowitt de l’Université du Nevada à Las Vegas dans un article de synthèse de 2018. Dans un message de l’Association allemande de la ferraille, des déchets électroniques et du recyclage automobile (BVSE), il est écrit : « Non seulement la récupération des produits reste difficile, mais il faut aussi séparer les éléments chimiquement similaires les uns des autres. » Malgré cela, ou peut-être à cause de cela, de plus en plus de scientifiques en Allemagne recherchent de nouvelles technologies de recyclage des terres rares. Mais nous en reparlerons plus tard.

L’e-mobilité met les chercheurs au défi

Il n’est guère surprenant que l’UE accorde une attention particulière aux batteries dans le cadre du New Green Deal. Après tout, dans une comparaison internationale, l’Union européenne est dans une position particulièrement mauvaise ici. « De grandes quantités de batteries produites pour le recyclage en Europe sont exportées en Asie et y sont recyclées », selon l’étude actuelle « Rohstoffe für die E-Mobilität » (Matières premières pour l’électromobilité) publiée par l’Institut fédéral des géosciences et des ressources naturelles (BGR) en collaboration avec la Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ). Selon l’étude, la Chine occupe la première place du classement mondial pour le recyclage des cellules, des cathodes et des anodes. Alors qu’environ 70 % des cellules de batterie ont été recyclées par des entreprises chinoises en 2018, ce chiffre était inférieur à 5 % en Europe. Selon l’étude, cela est dû en partie au fait que la Chine dispose déjà d’un grand marché, que le recyclage est encouragé par l’État et que les entreprises ont un bon accès aux matériaux recyclables. « Le ministère chinois de l’industrie et des technologies de l’information (MIIT) exige des fabricants de véhicules électriques qu’ils mettent en place et normalisent les installations de recyclage des batteries », peut-on lire dans l’étude.

La situation est en effet particulièrement difficile avec les batteries de traction, c’est-à-dire ces grandes batteries puissantes qui sont utilisées dans la mobilité électrique en pleine expansion. Si le recyclage des petits appareils tels que les smartphones progresse plutôt bien – Apple, par exemple, utilise désormais 99 % de tungstène recyclé et 98% de terres rares recyclées dans son iPhone 12, le taux de recyclage des batteries de traction semble plutôt maussade. Outre le recyclage, des recherches sont donc également menées sur les systèmes de dépôt et de prêt, les possibilités de substitution et, surtout, les solutions de seconde vie.

Utilisation stationnaire d’accus usagés

« Les batteries qui ne sont plus assez puissantes pour être utilisées dans les voitures ne sont en aucun cas sans valeur », écrit l’ADAC. En règle générale, elles ont encore un contenu énergétique de 70 à 80 % de leur capacité initiale après environ 1 500 à 2 500 cycles de charge. Il n’est donc ni économique ni écologique de les éliminer dans cet état. Au lieu de cela, les batteries pourraient être utilisées dans « ce qu’on appelle une seconde vie, c’est-à-dire en fonctionnement stationnaire ». Des séries de mesures correspondantes des processus de vieillissement en laboratoire ont montré que la seconde vie pourrait durer encore 10 à 12 ans. Et l’ADAC connaît également un exemple remarquable : dans l’usine BMW de Leipzig, où est construite la BMW i3, l’entreprise a mis en place une installation de stockage stationnaire composée de 700 batteries i3 reliées entre elles. L’énergie solaire et éolienne produite par l’usine BMW serait stockée dans cette installation de stockage à grande échelle, puis utilisée pour la production.

Mais la « seconde vie » n’est pas toujours une solution adaptée. Surtout pas si les batteries en usage stationnaire ne sont pas utilisées sur place ou par le même producteur, comme c’est le cas pour BMW. L’étude du BGR et de la GIZ citée plus haut indique : « Les cellules qui ne peuvent plus être utilisées pour les véhicules électriques peuvent être utilisées comme unités de stockage d’énergie stationnaire à petite ou grande échelle, par exemple comme unités de stockage d’énergie pour les énergies renouvelables dans les bâtiments résidentiels. Les composants individuels peuvent également être retirés et revendus comme pièces de rechange. » Toutefois, a-t-il ajouté, ces processus nécessitent une main-d’œuvre importante, et les différentes méthodes de fabrication et d’emballage des piles (en fonction des réglementations anti-incendie, entre autres) compliquent le réusinage et l’automatisation.

La substitution crée de nouveaux problèmes de recyclage

Une autre façon d’économiser les précieuses ressources en matières premières est la substitution, c’est-à-dire le remplacement de certaines matières premières par d’autres. Cette méthode joue également depuis longtemps un rôle important dans les moteurs de traction. Les recherches portent principalement sur les moyens de réduire la teneur en cobalt. Par exemple, la teneur en cobalt d’une cathode NMC111 est d’environ 20 %, alors que celle d’une cathode NMC811 plus moderne n’est que de 6 %. La batterie NCA de Tesla a une teneur en cobalt d’environ 9 %.

Cependant, cela crée de nouveaux problèmes pour le recyclage. En effet, la teneur réduite en cobalt rend littéralement les batteries moins précieuses et donc moins intéressantes pour le recyclage. « La batterie lithium-cobalt-oxyde, qui était disponible dans le commerce de 1990 à 2010 environ et qui n’est plus utilisée, avait une valeur d’environ 8 euros par kilogramme en raison de sa forte teneur en cobalt », indique l’étude BGR/GIZ. La batterie moderne NMC, en revanche, ne vaut que 4,70 à 5,50 euros par kilogramme. Les batteries sans cobalt valent 2 euros par kilogramme. C’est une autre raison, concluent les auteurs de l’étude, pour laquelle « les exigences légales des produits concernant l’utilisation proportionnelle des matières premières secondaires auraient une influence majeure sur la demande et la rentabilité du recyclage ».

Le recyclage des BIL est extrêmement complexe

L’Agence allemande des matières premières (DERA) décrit la complexité du recyclage des batteries lithium-ion (BIL), en particulier celui des grandes batteries de traction, dans une brochure thématique intitulée « Matières premières pour batteries pour l’électromobilité » publiée en mars 2021. On peut y lire ce qui suit : « Des processus de séparation complexes en plusieurs étapes sont nécessaires, en raison des différentes chimies des cellules et des conceptions de batteries, aucune normalisation n’est possible jusqu’à présent. Le nombre de cellules et de modules dans une batterie de traction varie considérablement, en fonction de la puissance de la batterie, du type de batterie ainsi que du fabricant. » Par exemple, le poids d’une seule cellule peut aller d’environ 50 g à 2 kg. Dans une batterie de traction d’une capacité de plus de 80 kWh, plusieurs milliers de cellules pourraient être interconnectées. La conséquence : « La majorité des processus sont encore en cours de mise en place et ne sont exploités qu’à petite échelle », précise la DERA. Le cas échéant, la récupération des métaux économiquement précieux que sont le cobalt, le nickel et le cuivre serait mise en œuvre jusqu’à présent.

Algues, virus et chimie – l’avenir du recyclage des terres rares

Les méthodes de récupération des terres rares relèvent presque entièrement du domaine de l’architecture de laboratoire. Comme déjà décrit, de nombreux obstacles ralentissent actuellement une approche économiquement et industriellement attrayante. Selon de nombreux chercheurs, cela pourrait toutefois changer à l’avenir.

À Krem, en Autriche, par exemple, des scientifiques travaillent à dissoudre les terres rares contenues dans les déchets électroniques et à les recycler. Et ils le font avec l’aide des algues. S’adressant à la chaîne de télévision ORF, Dominik Schild, professeur de biochimie à l’université des sciences appliquées de Krems, explique : « Les déchets électroniques, par exemple les micro-puces des téléphones portables, sont broyés en une poudre blanche-jaunâtre. Celle-ci est ensuite mise dans la solution, qui contient des algues ou des levures. Les algues attirent alors les terres rares et les absorbent dans leurs cellules. » Les terres rares devraient ensuite être extraites des cellules de l’algue, pour faire simple, en premier lieu, par le décollage de l’enveloppe extérieure de la cellule, puis par la brisure de l’enveloppe intérieure. La recherche est financée, entre autres, par le pot de financement européen pour le développement régional « Interreg ». Toutefois, le projet n’en est encore qu’à ses débuts.

Cela vaut également pour un projet dont il était question dans un reportage du Mitteldeutscher Rundfunk (MDR) en janvier. Selon le reportage, l’Helmholtz-Institut Freiberg pour la technologie des ressources étudie une méthode de recyclage des terres rares à l’aide de bactériophages. Ces virus, qui infectent en fait les bactéries, contribuent à produire les plans d’une sorte de bio-agencement à partir d’une grande variété de peptides (protéines) dans un processus complexe. Avec leur aide, les chercheurs ont pu « repêcher » diverses terres rares dans un bouillon où elles avaient été préalablement dissoutes. « La protéine se connecte à la particule de terre rare un peu comme une clé s’adapte à une certaine serrure », dixit le MDR. Pour l’instant, les chercheurs n’en sont toutefois qu’à l’étape deux sur cinq du développement. Mais d’ici sept ans environ, estiment-ils, la technologie pourrait être prête pour une utilisation industrielle.

Dans « Nachrichten aus der Chemie », la chimiste Lena Daumann décrit deux nouvelles méthodes possibles pour récupérer les terres rares dans les processus de recyclage. Par exemple, les Iiquides ioniques pourraient mobiliser sélectivement le phosphore Yox à partir de l’yttrium et de l’europium provenant des déchets de lampes à économie d’énergie. « Dans des conditions optimisées, le Y2O3 dopé à l’europium peut être séparé des liquides ioniques, ce qui permet de le réutiliser comme luminophore », explique Mme Daumann. Les bactéries qui adsorbent les terres rares offrent une autre stratégie de recyclage et de séparation, a-t-elle ajouté. Mme Daumann : « La surface de la bactérie immobilisée Roseobacter sp. peut lier diverses terres rares et les libérer en fonction du pH. À un pH de 2,5, seuls les trois éléments les plus lourds, le thulium, l’ytterbium et le lutécium, restent liés et sont donc séparés de toutes les autres terres rares. »

Conclusion : le recyclage des matières premières est incontestablement un énorme défi pour la politique, la recherche et l’industrie. La demande croissante de métaux stratégiques et de terres rares encourage la recherche de nouvelles méthodes de recyclage. Toutefois, il ne faut pas s’attendre à des changements fondamentaux rapides à l’heure actuelle.

Photo: iStock/SERGEY ALESHIN

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