L'UE entend renforcer l'économie circulaire et le recyclage. Mais ce n'est pas si simple. À ce jour, seules 1 % de terres rares sont recyclées.
Le simple fait de jeter les ressources minérales des appareils en fin de vie est “la chose la plus stupide que l'on puisse faire”, a écrit le journaliste économique Helmut Martin-Jung à la mi-août dans la revue Süddeutsche Zeitung. Et bien sûr, il a raison. La récupération et le traitement des métaux stratégiques et des terres rares contenus dans ce que l'on appelle les produits en fin de vie, c'est-à-dire les appareils devenus inutilisables, ne sont pas seulement complexes et coûteux. La soif de ces ressources minérales dans de nombreuses industries s'accroît avec l'augmentation des possibilités d'utilisation. 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, ainsi que les terres rares telles que le néodyme et le praséodyme, jouent un rôle décisif dans un nombre croissant de technologies futures. Les matériaux recherchés se trouvent dans les LED, les écrans, les smartphones, les iPads et les ordinateurs portables, ils sont dissimulés dans les turbines et les groupes électrogènes. Ils sont également utilisés dans les moteurs électriques et les batteries des véhicules électriques.
Une économie circulaire fonctionnelle et l'expansion massive des taux de recyclage sont donc au centre de nombreuses considérations actuelles au niveau politique et industriel. Fin 2020, dans le cadre du New Green Deal, l'UE a présenté une proposition de moderniser la directive européenne sur les batteries. Il prévoit notamment une augmentation du potentiel de recyclage des piles, une proportion obligatoire de matières premières secondaires (c'est-à-dire l'utilisation de ressources minérales recyclées) et une harmonisation des exigences relatives aux produits pour les piles. Ce dernier point est important pour pouvoir améliorer la normalisation et le dimensionnement à l'avenir. La nouvelle réglementation européenne doit entrer en vigueur en janvier 2022.
Matières premières secondaires présentant des problèmes de qualité
Cependant, le recyclage est loin d'être simple : Selon la ressource minérale et le domaine d'application, le recyclage est loin d'être simple. Cela est principalement dû au fait que le matériau est presque toujours utilisé en tant qu'alliage ou dans un composé chimique avec d'autres ressources minérales. La séparation homogène ou en qualité réutilisable dans le processus de recyclage est soit presque impossible, soit associée à des niveaux de complexité et de coûts si élevés que les processus - du moins jusqu'à présent - ne peuvent être décrits qu'en laboratoire. À ce jour, les terres rares, en particulier, qui sont toujours présentes dans les alliages et toujours en petites quantités dans les produits en fin de vie, n'ont pratiquement jamais été recyclées. En effet, moins de 1 %, comme l'indique la FAZ cite l'équipe de recherche travaillant avec Simon Jowitt de l'université du Nevada à Las Vegas dans un article publié en 2018. A rapport de l'association fédérale allemande pour la gestion des déchets et des déchets électroniques et le recyclage des véhicules (BVSE), déclare : “Non seulement la récupération des produits reste difficile, mais la séparation des éléments chimiquement similaires l'est tout autant”. Malgré cela, ou peut-être pour cette même raison, de plus en plus de scientifiques allemands recherchent de nouvelles technologies de recyclage pour les terres rares. Mais nous y reviendrons plus tard.
L'e-mobilité, un défi pour les chercheurs
Il n'est pas surprenant que, dans le cadre du New Green Deal, l'UE s'intéresse tout particulièrement aux piles, car, en comparaison internationale, l'Union européenne fait particulièrement piètre figure. D'après la dernière étude, “de grandes quantités de batteries mises au rebut en Europe sont exportées vers l'Asie et exploitées dans cette région”. ”Ressources minérales pour l'e-mobilité“ publié par l'Institut fédéral allemand des géosciences et des ressources naturelles (BGR) en collaboration avec l'Agence allemande pour la coopération internationale (GIZ). Il en ressort que la Chine occupe la première place dans le classement des pays de l'UE.st place dans le classement mondial pour le recyclage des cellules, des cathodes et des matériaux d'anode. Alors qu'environ 70 % de cellules de batteries ont été recyclées par les entreprises chinoises en 2018, ce chiffre était inférieur à 5 % en Europe. Selon l'étude, cela s'explique par le fait que la Chine dispose déjà d'un marché important, que le recyclage bénéficie d'aides publiques et que les entreprises ont un bon accès aux matériaux recyclables. L'étude précise que “le ministère chinois de l'industrie et des technologies de l'information (MIIT) oblige les fabricants de véhicules électriques à mettre en place et à normaliser des usines de recyclage pour les batteries”.
La situation est particulièrement difficile en ce qui concerne les batteries de traction, ces grandes batteries de stockage à haute performance utilisées dans le domaine en pleine expansion de l'électromobilité. Alors que dans certains cas, le recyclage des petits appareils tels que les téléphones intelligents progresse bien - Apple, par exemple, utilise désormais du wolfram recyclé à 99% et des terres rares recyclées à 98% dans l'iPhone 12 - le taux de recyclage des batteries de traction semble plus sombre. Dans ce domaine, des recherches sont donc également menées sur les systèmes de consigne et de location, les options de substitution et, surtout, les solutions de seconde vie.
Applications stationnaires pour les anciennes batteries d'accumulateurs
“Les batteries d'accumulateurs qui ne sont plus assez puissantes pour les automobiles ne sont en aucun cas inutiles”.” écrit l'ADAC. En règle générale, même après environ 1 500 à 2 500 cycles de charge, ils ont encore un contenu énergétique de 70 % à 80 % de leur capacité d'origine. Il n'est donc ni économique ni écologique de s'en débarrasser dans cet état. Au contraire, les batteries d'accumulateurs peuvent être “réutilisées dans ce que l'on appelle la seconde vie, c'est-à-dire dans des applications stationnaires”. Des séries d'essais correspondants sur les processus de vieillissement en laboratoire ont montré que la seconde vie peut durer 10 à 12 ans de plus. L'ADAC connaît également un exemple marquant : Dans l'usine BMW de Leipzig, où la BMW i3 est construite, l'entreprise a mis en place une unité de stockage stationnaire composée de 700 batteries d'accumulateurs i3 interconnectées. L'important réservoir d'énergie solaire et éolienne généré par l'usine BMW est stocké dans ce système et utilisé ensuite pour la production.
Mais la seconde vie n'est pas toujours une solution appropriée. En particulier lorsque, contrairement à ce qui se passe chez BMW, les batteries d'accumulateurs utilisées dans des applications stationnaires ne peuvent pas être utilisées sur place par le même producteur. L'étude de BGR et GIZ citée plus haut indique : “Les cellules qui ne peuvent plus être utilisées dans les véhicules électriques peuvent être utilisées comme unités de stockage d'énergie stationnaires à petite ou grande échelle, telles que les unités de stockage d'énergie pour l'énergie renouvelable dans les bâtiments résidentiels. Les composants individuels peuvent également être retirés et revendus en tant que pièces détachées.” Ces processus nécessitent toutefois une main-d'œuvre importante, et les différentes méthodes de fabrication et d'emballage des batteries (notamment en ce qui concerne la conformité aux réglementations anti-incendie) rendraient le recyclage et l'automatisation plus difficiles.
La substitution crée de nouveaux problèmes de recyclage
La substitution, c'est-à-dire le remplacement de certaines ressources minérales par d'autres, est une autre possibilité d'économiser des ressources minérales précieuses. Cette méthode joue également un rôle important depuis longtemps dans les moteurs de traction. Les recherches portent surtout sur les possibilités de réduire la proportion de cobalt. Par exemple, la proportion de cobalt d'une cathode NMC111 est d'environ 20 %, celle d'une cathode NMC811 plus moderne de seulement 6 %. La batterie NCA de Tesla présente une proportion de cobalt d'environ 9 %.
Mais cela pose de nouveaux problèmes de recyclage. En effet, la réduction de la teneur en cobalt rend les accumulateurs littéralement moins précieux et donc moins intéressants pour le recyclage. “Les batteries au lithium-cobalt-oxyde, qui étaient courantes entre 1990 et 2010, mais qui ne sont plus utilisées, valaient environ 8 euros par kilogramme en raison de leur forte teneur en cobalt”, selon l'Agence européenne pour l'environnement. Étude BGR/GIZ. Les batteries NMC modernes, quant à elles, ont une valeur de seulement 4,70 à 5,50 euros par kilogramme. Comme l'indiquent les auteurs de l'étude dans le résumé, “les exigences légales en matière de produits concernant l'utilisation de matières premières secondaires ont également eu un impact majeur sur la demande et la rentabilité du recyclage”.
Le recyclage des piles à combustible est extrêmement complexe
La complexité du recyclage des batteries lithium-ion (LIB), en particulier les grandes batteries de traction, est décrite par l'Agence allemande des ressources minérales (DERA) dans un rapport sur le recyclage des batteries lithium-ion. Numéro spécial “Ressources minérales des batteries pour l'e-mobilité“.“ qui a été publié en mars 2021. On peut y lire ce qui suit : “Étant donné que des processus de séparation complexes et multiphases sont nécessaires en raison des différentes chimies de cellules et conceptions de batteries, la normalisation n'a pas été possible jusqu'à présent. Le nombre de cellules et de modules dans une batterie de traction varie considérablement ; il dépend des performances de la batterie, du type de batterie et du fabricant. “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, des milliers de cellules peuvent être interconnectées. Conséquence : “La grande majorité des procédés sont encore en cours de développement et ne fonctionnent encore qu'à petite échelle”, selon la DERA. Là où elle a lieu, la récupération des métaux économiquement valorisables que sont le cobalt, le nickel et le cuivre est mise en œuvre.
Algues, virus et chimie : l'avenir du recyclage des terres rares
Les méthodes d'extraction des terres rares sont presque entièrement utilisées en laboratoire. Comme décrit ci-dessus, de nombreux obstacles empêchent actuellement une approche économiquement et industriellement attrayante. Mais de nombreux chercheurs pensent que cette situation devrait changer à l'avenir.
Dans la ville autrichienne de Krems, par exemple, des scientifiques travaillent à la libération et à la réutilisation des terres rares contenues dans les déchets électroniques. À l'aide d'algues. S'adressant à la chaîne de télévision ORF, Dominik Schild, professeur de biochimie à l'Université des sciences appliquées de Krems, a déclaré : “Les déchets électroniques, par exemple les micropuces des téléphones portables, sont broyés pour obtenir une poudre jaune blanchâtre : ”Les déchets électroniques, par exemple les micropuces des téléphones portables, sont broyés pour obtenir une poudre jaune blanchâtre. Celle-ci est ensuite ajoutée à une solution contenant des algues ou de la levure. Les algues attirent les terres rares et les absorbent dans leurs cellules“. Les terres rares doivent ensuite être retirées des cellules de l'algue - pour simplifier à l'extrême - en retirant d'abord l'enveloppe extérieure de la cellule, puis en brisant l'enveloppe intérieure. La recherche est financée, entre autres, par le Fonds européen de développement régional ”Interreg". Le projet n'en est toutefois qu'à ses débuts.
Il en va de même pour un projet sur lequel la chaîne Mitteldeutsche Rundfunk (MDR) en janvier. Selon ce rapport, l'Institut Helmholtz de Freiberg pour la technologie des ressources travaille sur une méthode de recyclage des terres rares à l'aide de bactériophages. Dans le cadre d'un processus élaboré, ces virus, qui s'attaquent en fait aux bactéries, aident à créer des plans pour une sorte de biopêche à partir de différents peptides (protéines). À l'aide de ces virus, les chercheurs sont en mesure de “pêcher” différentes terres rares dans un liquide trouble, exactement de la même manière qu'une clé s'insère dans une certaine serrure”, selon le rapport du MDR. Jusqu'à présent, les chercheurs n'en sont qu'à la deuxième étape sur cinq du développement. Mais d'ici sept ans environ, ils estiment que la technologie pourrait être prête pour une utilisation industrielle.
Dans les “Nachrichten aus der Chemie”, les chimiste Lena Daumann décrit deux approches possibles pour traiter les terres rares dans les processus de recyclage. Les liquides ioniques peuvent mobiliser sélectivement la substance luminescente yOx, composée d'yttrium et d'europium, contenue dans les ampoules à faible consommation d'énergie. “Dans des conditions optimales, l'Y203 stabilisé à l'europium peut être séparé par des liquides ioniques et utilisé à nouveau comme substance luminescente”, explique M. Daumann. Une autre stratégie de recyclage et de séparation est offerte par les bactéries qui adsorbent les terres rares. Daumann : “La surface de Roseobacter-sp. immobilisée peut fixer les terres rares et, en fonction du pH, les libérer. À un pH de 2,5, seuls les trois éléments les plus lourds, le thulium, l'ytterbium et le lutécium, sont liés et donc séparés de toutes les autres terres rares.”
Résumé : Le recyclage des ressources minérales représente sans aucun doute un défi énorme pour les décideurs politiques, les chercheurs et l'industrie. La demande croissante de métaux stratégiques et de terres rares stimule la recherche de nouvelles méthodes de recyclage. Toutefois, il est actuellement impossible d'anticiper des changements fondamentaux rapides.
Photo : iStock/SERGEY ALESHIN
