SYNTHESE PROJET ABATTRELIFE AUTOMOTIVE BATTERY RECYCLING AND SECOND LIFE
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SYNTHESE PROJET ABATTRELIFE
AUTOMOTIVE BATTERY RECYCLING AND SECOND LIFE
octobre 2015
COORDINATEUR TECHNIQUE : Maxime PASQUIER, Département Véhicules électriques et
hybrides, Infrastructures de recharge, Electromobilité, Direction Service Transports et Mobilité,
ADEME, Valbonne
Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Remerciements
ADEME
MEDDE
ELECTROMOBILITY + / ERANET
Ainsi que tous les partenaires du projet
Peugeot Citroën Automobiles SA
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Nederlandse organisatie voor toegepast natuurwetenschappelijk onderzoek
KEMA Nederland B.V.
Fraunhofer-Gesellschaft zur Foerderung der angewandten Forschung e.V
Technische Universität München
Technische Universität Freiberg
Bayern Innovativ
Pôle Véhicule du Futur
Université De Technologie De Belfort-Montbéliard
Université de Technologie de Troyes
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relatives à la reproduction par reprographie.
ADEME 2
Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Sommaire
1 Rappel des objectifs et finalités du projet ................................................................................................. 6
1.1 Description......................................................................................................................................... 6
1.2 Structure du projet ............................................................................................................................ 6
2 WP1 : Comportement et dégradation des batteries ................................................................................. 7
2.1 Rappel des objectifs........................................................................................................................... 7
2.2 Résultats ............................................................................................................................................ 7
3 WP2 : Solutions 2nde vie ............................................................................................................................. 9
3.1 Rappel des objectifs........................................................................................................................... 9
3.2 Résultats ............................................................................................................................................ 9
4 WP3 : Solutions de recyclage et unité pilote ........................................................................................... 12
4.1 Rappel des objectifs......................................................................................................................... 12
4.2 Résultats .......................................................................................................................................... 12
5 WP4 - 1 : Analyse de cycle de vie ............................................................................................................ 16
5.1 Rappel des objectifs......................................................................................................................... 16
5.2 Résultats .......................................................................................................................................... 16
6 WP4 - 2 : business models ....................................................................................................................... 22
6.1 Rappel des objectifs......................................................................................................................... 22
6.2 Résultats .......................................................................................................................................... 23
7 Communication et publications .............................................................................................................. 29
ADEME 3
Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Résumé et conclusions générales
Le projet ABattReLife a été mené dans le cadre du programme ERANET + sur une durée de 3 ans et s’est
clôturé en Septembre 2015. Le projet a rassemblé 11 partenaires de trois Etats Membres (France,
Allemagne, Pays-Bas).
Axé sur l’élément essentiel du véhicule électrique qu’est la batterie, le projet évalue les obstacles
technologiques pour une meilleure durée de vie de la batterie ainsi que les technologies les plus appropriées
pour assurer une ré-utilisation optimale des batteries post-usage automobile et pour un recyclage final. Ainsi,
l'accent principal dans le projet a été mis sur le comportement au vieillissement des batteries de véhicules
électriques, leur réutilisation dans des applications-2e-vie, le développement de techniques de recyclage.
nde
Les scénarios de 2 vie et de recyclage seront de plus évalués d’un point de vue économique et
environnemental.
Le rapport ci-joint présente les principales conclusions des différents work-packages du projet. L’ensemble
des livrables est disponible sur la plateforme ERANET. Les conclusions générales du projet sont rappelées
ci-dessous.
En ce qui concerne le comportement au vieillissement des batteries de véhicules électriques, les analyses
nde
ont montré la présence de «caractéristiques de vieillissement non linéaires" ce qui compromet une 2 vie
simple à mettre en œuvre pour ces batteries. En réduisant les courants de charge et profondeur de
ère
décharge aussi bien en 1 vie automobile que pour les applications stationnaires, et en évitant des
températures trop élevées, il a été montré que les caractéristiques de vieillissement non linéaires peuvent
nde
être réduites. Ces conditions favorisent la perspective d’une utilisation plus aisée des cellules en 2 vie.
L’impact des conditions de charge et décharge sur le vieillissement des batteries Li-ion a également été
évalué. Dans les véhicules électriques, une capacité résiduelle de l’ordre de 80% est généralement définie
comme le passage en fin de vie automobile de la batterie. Le vieillissement non linéaire doit donc être pris
en compte lors de la deuxième vie de la batterie et les facteurs de stress identifiés doivent être évités.
Le vieillissement de la batterie dans son application véhicule a été également étudié au travers de simulation
et caractérisation laboratoires. Les résultats montrent que le vieillissement est fortement influencé par les
types d’usage caractérisés par le kilométrage moyen par an, les types de charges et décharges (fréquence,
puissance de recharge, …). L’atténuation du vieillissement peut être obtenue par une gestion intelligente de
la charge qui est ainsi optimisée pour minimiser la dégradation de la batterie et favoriser une utilisation
future.
nde
Les solutions potentielles d’utilisation en 2 vie ont été évaluées et deux applications ont été identifiées
comme les plus prometteuses d’une point de vue technicoéconomique : le stockage d'énergie en habitation
et l’utilisation pour des services auxiliaires. Une évaluation économique sur l’usage en habitation a mis en
évidence des scénarios économiques favorables pour les consommateurs.
Afin de terminer le cycle de vie de la batterie, une étape de recyclage est obligatoire. Le projet s’est attaché
à développer un processus de recyclage mécanique pour récupérer les matières premières de valeur des
batteries Li-ion en fin de vie. Un procédé a été mis au point en combinant broyage et étapes de tri
mécanique avec un débit de 1 t / h et un taux de recyclage supérieur à 50% en masse de la batterie. En
raison des opérations mécaniques, le processus présente un coût modéré. Au préalable, lors de l’étape de
démantèlement de la batterie, les dangers électriques et chimiques ont été maitrisés. La majorité des
matériaux peut ainsi être recyclée et revendue. D'autres recherches sont à poursuivre sur le traitement des
effluents.
Les études pour le développement du processus de recyclage ont été initialement réalisées en laboratoire
puis les étapes majeures du processus ont été déployées à petite échelle pilote. Les résultats obtenus sont
comparables. On note que l’économie du process est fortement influencée par l'évolution de la technologie
de la batterie et du marché (taux de pénétration VE, durée de vie). Un changement dans les matériaux qui
composent la batterie nécessite également une adaptation du processus de traitement. Afin d’optimiser
l’ensemble des scénarios de fin de vie, la logistique inverse ainsi que les critères d’acceptation du produit
doivent être étudiés et optimisés dans une approche holistique.
Pour compléter les analyses techniques, une évaluation des impacts environnementaux a été conduite sur la
base de la réalisation d’une analyse de cycle de vie. Un scénario technique de référence a été sélectionné
nde
en accord avec les résultats des différents travaux précédents : scénario de 2 vie en stockage d’énergie
en habitation puis recyclage mécanique. De nombreuses hypothèses ont été nécessaires pour réaliser cette
ADEME 4
Synthèse projet ABattReLife 08/2015
analyse ce qui rend difficile une conclusion définitive sur les impacts environnementaux engendrés par ces
nde
scénarios fin de vie. La mise en œuvre de la 2 vie semble positive sur chacun des indicateurs d’impact
environnementaux et en particulier l’indicateur de consommation des ressources. De plus, une analyse des
facteurs influant a été réalisée permettant de mettre en évidence l’importance d’éco-concevoir les batteries
nde
en prenant en compte les conditions de reconditionnement et de type d’usage en 2 vie. De plus, nous
pouvons conclure que les phases de transport des pack batteries que ce soit au niveau de la distance
parcourue ou des normes d’émissions prises en compte, ont un impact marginal sur la filière fin de vie.
Une analyse des business models associés à la fin de vie des batteries a également été conduite. A partir
d’une revue de la littérature sur les modèles économiques, plusieurs configurations technico-économiques
de la seconde vie et du recyclage des batteries des VE ont été identifiées. La chaine de valeur et la
logistique de ces configurations sont présentées et analysées. Les capacités de stockage restant
disponibles à la fin de vie des batteries au sein des VE sont estimées grâce à une analyse du
développement du VE et de son acceptabilité sociale. Enfin, sur ces bases, deux scénarios de business
models pour la seconde vie et le recyclage des batteries des VE sont proposés et une analyse de leur
pertinence en lien avec les stratégies des acteurs, a été conduite.
Les travaux réalisés dans le cadre du projet ont ainsi permis d’améliorer la connaissance des conditions de
fin de vie des batteries à la fois pour un usage seconde vie et pour un recyclage matières ultime. Les travaux
ont en particulier permis d’identifier les conditions favorables à une réutilisation en seconde vie par une
analyse des conditions de vieillissement des batteries et également par l’identification des conditions
d’usage adaptées aux capacités résiduelles de ces batteries. La mise en œuvre d’un procédé de recyclage
mécanique a permis de démontrer la faisabilité technique et économique du recyclage d’une partie
importante des matières constitutives des batteries. Afin de compléter ces différentes évaluations
technologies, une évaluation environnementale a été conduite sur ces phases de fin de vie, mettant en
évidence des facteurs influençant l’empreinte environnementale des scénarios de recyclage et de seconde
vie, analyse complétée également par l’évaluation des business models associés.
Ces travaux interdisciplinaires ont donc permis d’appréhender les conditions optimales de développement
de la seconde vie et du recyclage des batteries des véhicules électriques. Il s’agit d’un enjeu majeur du
développement de l’électromobilité, pour lequel la compréhension les facteurs technico économiques et
environnementaux est essentielle.
ADEME 5
Synthèse projet ABattReLife 08/2015 1 Rappel des objectifs et finalités du projet 1.1 Description Le développement de véhicules électriques est devenu un défi pour l’ensemble de la filière automobile mondiale. Dans ce cadre, le projet ABattReLife vise à accroître les connaissances en matière de cycle de vie des batteries. Le projet se concentrera sur le développement et l’exploitation d’une base de connaissances sur la détérioration des batteries de traction à haute tension, sur la définition d’un système de gestion du recyclage des batteries mais également sur le développement de stratégies et la sélection de technologies pour le recyclage et la réutilisation des batteries. Le projet rassemble 11 partenaires de trois Etats Membres (France, Allemagne, Pays-Bas) proposant une collaboration afin: 1- De développer ou sélectionner une technologie permettant d’optimiser la récupération des matériaux émanant des batteries. 2- De mettre en place une structure de gestion et des processus pour la réutilisation et le recyclage des batteries de véhicules électriques. 3- De fixer des conditions aux limites pour l'utilisation de batteries dans la première étape du cycle de vie (compromis entre l'efficacité et la durée de vie des batteries). 4- De définir les développements complémentaires permettant d’assurer la viabilité économique d’une seconde vie des batteries (développement d’outils spécifiques, sécurité de stockage, etc.) 5- De déterminer les premiers utilisateurs d’une seconde vie des batteries (collectivités, opérateurs énergie, ...) 1.2 Structure du projet Afin de s’assurer que les analyses et études réalisées dans le cadre du projet seront en adéquation avec les besoins du marché, une première analyse des besoins des utilisateurs finaux sera réalisée au commencement du projet (WP4). Après une analyse approfondie du comportement et des phénomènes de dégradation des batteries (WP1), le consortium évaluera en parallèle les options permettant l’utilisation des batteries de véhicules électriques en seconde vie sous forme de nouvelles applications (WP2) et les technologies de recyclage disponibles en fin de vie de la batterie (WP3). Des scénarios seront définis afin d’évaluer les nouveaux modèles économiques favorisant le déploiement de l’électromobilité au travers de l’optimisation de sa fin de vie et grâce à une réduction de l’impact environnemental (WP4), avant de mettre en place une étude de faisabilité permettant de tester les approches et technologies retenues (WP5). Afin d’assurer une parfaite intégration de l’ensemble des partenaires et composantes du projet, une coordination et une gestion du projet sera mise en place dans un lot spécifique (WP0). Ce lot sera complété par des activités de communication internet et externe permettant non seulement de promouvoir les résultats du projet mais également de collecter des opinions des acteurs de la chaine de valeur (WP6). ADEME 6
Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 1 : Structuration des WP dans le projet
2 WP1 : Comportement et dégradation des batteries
2.1 Rappel des objectifs
Afin de mieux appréhender la fin de vie des batteries des véhicules électriques, il est nécessaire d’analyser
leur comportement au vieillissement. L’objectif est d'acquérir de nouvelles connaissances dans les
mécanismes de vieillissement sur la base de tests de cellules lithium-ion. La cible étant entre autre
d’identifier les comportements et caractéristiques des cellules qui pourraient empêcher leur réutilisation dans
des applications 2e-vie.
Les tests réalisés sont des tests vieillissement accéléré ainsi qu’une analyse post-mortem détaillée de la
dégradation de la batterie.
2.2 Résultats
Tests de vieillissement accéléré :
Des tests de vieillissement accéléré ont été menés sur des cellules de batterie MINI E.
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Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 2 : Procedure of different ageing tests in the ABattReLife project
Deux différents types de vieillissement accéléré artificiels ont été conduits sur les cellules. Les effets et les
résultats de ces tests ont été comparés aux batteries dégradées après un usage réel sur des Mini E. Les
nde
conclusions des tests de vieillissement accéléré montrent que pour pouvoir réutiliser les cellules en 2 vie
ère
mais également pour améliorer la performance en 1 vie automobile, les paramètres de profils de charge
doivent être abaissés.
En complément, différents modèles de vieillissement ont été définis ainsi que différents scénarios permettant
de couvrir un large panel des conditions d’utilisation de la batterie. Chaque scénario a ainsi été simulé,
prenant en compte les années d’utilisation automobile, jusqu’à ce que la batterie atteigne les conditions de
fin de vie (à savoir 80% de sa capacité initiale).
Les résultats au niveau de la cellule confirment une forte sensibilité du vieillissement de la batterie aux
conditions de températures, aux états de charge (SoC), profondeurs de charge (DoD), et régime de
décharge (C-Rate). Ces résultats sont également visibles au niveau du véhicule. Cependant, des contraintes
spécifiques accentuent certains des facteurs de stress.
Les usages automobiles ont été définis pour couvrir de larges plages de facteur de stress des batteries.
Cependant, certaines valeurs sont peu atteintes dans la réalité. On peut supposer par exemple que les
conducteurs ne conduiront jamais jusqu’à décharger complètement la batterie de leur véhicule. Ce
comportement de l’usager est constaté dans les tests sur la Mini E où dans la plupart des cycles le DoD
reste inférieur à 30%. Un DoD maximum de 80% a donc été pris comme hypothèse dans les scénarios.
Outre les facteurs de stress au niveau de la cellule (DoD, T°, moyenne SoC et C-rate), le nombre total de km
qu’un véhicule électrique peut parcourir avant que la capacité de la batterie atteigne 80% de sa valeur
initiale, est fortement impacté par le kilométrage parcouru par an. Plus encore, le kilométrage annuel module
l'effet que les facteurs de stress individuels ont sur la dégradation globale de la batterie. Une charge
intelligente peut aider à maintenir une valeur de SoC moyenne à faible, ce qui limite le vieillissement de la
batterie.
Une stratégie de gestion thermique plus sophistiquée permet également de mieux gérer le vieillissement,
avec une augmentation moyenne du kilométrage de 33%. Le nombre de Km parcourus par an joue
également un rôle, car influençant les conditions thermiques appliquées à la batteries ce qui contribue à son
vieillissement. Cela est en accord avec les dernières conceptions des constructeurs automobile où la gestion
thermique est un axe clé de la conception.
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Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Rappel des livrables fournis sur le WP1 :
Del n° Deliverable name
1.0 Final report
1.1 Design of accelerated ageing tests
1.2 Report of battery non-linear end of life behaviour
1.3 Determination and Modelling of deterioration behaviour
1.4 In-Vehicle diagnostics and quick tests
1.5 Energy management on vehicle level
3 WP2 : Solutions 2nde vie
3.1 Rappel des objectifs
nde
L’objectif de ce WorkPackage est d’étudier les applications potentielles de 2 vie des batteries des
véhicules électrifiés.
Les batteries des véhicules hybrides n’ont pas été prises en compte dans le projet, car elles ne sont pas
nde
adaptées pour le moment à des applications de 2 vie en raison de leurs caractéristiques techniques
(énergie, puissance).
nde
Ces applications de 2 vie correspondent à un nouvel usage des batteries en fin de vie automobile et
présentent l’intérêt d’étendre la valeur économique de la batterie du véhicule électrique après sa période
d'utilisation initiale.
nde
Afin d’envisager une 2 vie pour ces batteries, il est cependant nécessaire de vérifier la correspondance
des exigences techniques de la demande hors automobile et des capacités des batteries en fin de vie de
dans les véhicules.
3.2 Résultats
Réparation des packs batteries :
Une première phase d’analyse a été réalisée dans le but d’évaluer la réparabilité des batteries et en
particulier la possibilité de procéder à des changements de cellules.
Dans ces travaux de recherche, différentes analyses ont été menées sur les modules et cellules de batteries
de MINI E afin d’identifier les éventuelles défaillances des cellules et modules et d’évaluer les possibilités de
changer une cellule à l’intérieur d’un module.
A partir des analyses réalisées sur les modules de batteries de MINI E, trois conclusions ont été tirées :
- Les cellules analysées ont été utilisées moins de 4 ans dans des VE. Le module utilisé sur la plus
longue durée, présente la plus grande variabilité des paramètres des cellules. Cependant, il n’a pas
été constaté de défaillance sur ces modules et cellules. En conséquence, les cellules unitaires ne
nécessitaient pas d’être changées sur les modules analysés. Cependant, il n’est pas possible de
généraliser cette conclusion à tous les types de packs et usages associés, notamment sur des
durées de vie plus longues.
- Logiquement, on constate que la gestion thermique influence le paramètre de distribution.
- Pour le moment, seules de grandes pièces peuvent être changées sur les packs batteries. Jusqu’ici
le remplacement de cellules unitaires n’est possible et utile que lorsque les cellules ont une taille
(capacité énergétique) importante. En effet, procéder à l’échange de grandes cellules est similaire à
l’échange de modules contenant de petites cellules. Pour des modules constitués de nombreuses
petites cellules la connexion électrique et mécanique est en grande partie réversible, donc seuls des
changements de modules complets sont possibles.
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Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Finalement, la nécessité de changer des cellules unitaires montées en parallèle n’a pas été démontrée dans
cette analyse. De plus, le design actuel des packs batteries ne permet pas de changer de petites unités du
pack. Seuls un module ou une grande cellule peuvent être remplacés mais pas de petits formats de cellules.
nde
Utilisation des batteries en 2 vie : analyse technique
nde
Afin d’identifier le potentiel de réutilisation en 2 vie des batteries, une analyse de marché a été réalisée sur
les applications de stockage d’énergie. Sur la base des marchés concernés et des besoins en stockage
nde
d’énergie, les applications les plus intéressantes pour la réutilisation de batteries VE en 2 vie ont été
identifiées.
Figure 3 : Market size for energy storage, indicated by the size of the bubbles (indicative)
Au final, deux de ces applications ont été choisies pour évaluer si les conditions techniques et économiques
nde
de ces usages correspondent aux caractéristiques des batteries automobiles en 2 vie : le stockage
d'énergie à domicile et les services auxiliaires.
L’argument du choix du stockage d’énergie dans des habitations, est qu’il s’agit d’un marché existant, où les
nde
batteries en 2 vie peuvent remplacer des batteries neuves. La taille des batteries attendue (de 2 à 6 kWh)
correspond à la taille des modules de batteries des VE.
L’argument pour une utilisation dans des services auxiliaires est que le pack complet d’une batterie VE
pourrait être utilisé tel quel. De plus la rémunération pour ce type d’usage pourrait être élevée, ce qui
suppose un retour rapide sur investissement.
nde
Sur cette base d’options de 2 vie, des tests ont été menés sur des modules de batteries MINI E afin
d’analyser la capacité de ces modules à être utilisés après une vie automobile pour une nouvelle application
de stockage d’énergie.
Pour la simulation du profil d’usage en 2nde vie, deux types de cycles ont été testés :
- 50%-test: utilisation de seulement 50% de la capacité de la batterie disponible,
- 80%-test: utilisation de 80% de la capacité disponible.
De manière générale, il peut être conclu que le test de cyclage à 50% de la capacité, semble être le plus
prometteur pour obtenir une durée de vie suffisamment longue lors de l’application 2nde vie. Ce test est
ADEME 10Synthèse projet ABattReLife 08/2015
ère ère
aussi comparable avec l’utilisation moyenne en 1 vie. En général une utilisation 1 vie est supposée durer
nde
8 à 10 ans. On peut supposer que la durée de vie en 2 utilisation soit équivalente. Cependant d’autres
cyclages sont nécessaires pour confirmer les résultats de ces 1ers essais.
Pour un stockage d’énergie dans une habitation nécessitant en 3 et 5 kWh, entre 9 et 15 modules sont
nécessaires pour un usage à 50% de la capacité des batteries. D’un point de vue technique cela semble être
une bonne solution.
Pour un stockage d’énergie pour des services auxiliaires d’1 MW, près de 12 000 modules sont nécessaires
pour un usage à 50%. Les entreprises qui offrent ces services ont aujourd’hui suffisamment d’espace
disponible dans leurs unités de production d’énergie pour construire de telles installations.
nde
Utilisation des batteries en 2 vie : analyse économique
Une analyse économique a été menée sur le scénario d’utilisation de la batterie en 2nde en stockage
d’énergie en habitation (HES).
La tendance à la baisse des prix de rachat de l’électricité, incite à une self consommation de l’énergie
produite à partir de panneaux photovoltaïques (PV). Une analyse économique a été conduite à partir de
différents niveaux de consommation, production des PV, tailles de batteries et différents scénarios de prix de
l’électricité ont été considérés.
Tableau 1 : Overview of variables in the electricity flow simulations and economics calculations
L’utilisation d’une batterie de stockage permet d’augmenter la consommation en autonomie. Cependant,
l’augmentation de la consommation autonome n’est pas proportionnelle à la taille de la batterie.
Logiquement, cette consommation autonome peut être davantage augmentée pour un ménage ayant une
part faible de production issue de PV. Cela implique également, qu’avec une grande batterie, un profit plus
élevé peut être obtenu, mais cela induit également des risques économiques plus élevés.
Les profits liés à l’achat d’une batterie peuvent être obtenus plus facilement avec des consommations
élevées, en raison de la plus grande flexibilité de ces profils de charge. La part de production du PV
comparée à la consommation totale est aussi un facteur important pour le profit potentiel issu de l’achat de
la batterie. Les gains pour un ménage utilisant 100% de l’énergie issue des PV sont approximativement
deux fois plus élevés que les gains d’un ménage utilisant 50% de l’énergie issue des PV.
Le prix de l’installation de la batterie est aussi un facteur important contribuant au montant des gains. Les
analyses menées ont montré qu’un prix de batterie de 100 €/kWh ou inférieur pouvait être intéressant pour
les consommateurs.
Tableau 2 : Battery prices used in the economic calculations
Les gains dépendent également du prix de l’installation. Quand le prix de rachat de l’électricité est élevé, il
est plus intéressant de revendre l’électricité produite par le PV plutôt que d’acheter une batterie. Plus la
différence entre le prix de consommation de l’électricité et son prix de rachat est élevée, plus il est
intéressant d’acheter une batterie. On estime qu’une prime mini de 0,18 €/kWh serait nécessaire pour
rentabiliser l’usage des batteries, et serait également acceptable du point de vue des consommateurs pour
ADEME 11Synthèse projet ABattReLife 08/2015
un prix d’achat de batterie de 100 €/kWh. Dans les scénarios les plus favorables, cette prime baisse à 0,11
nde
€/kWh, rendant encore plus intéressant l’usage de ces batteries de 2 vie. En général, pour la plupart des
ménages la taille optimale de la batterie est de 2 à 6 kWh.
Rappel des livrables fournis sur le WP2 :
Del n° Deliverable name
2.1 Overview of battery systems
2.2 Technical specifications of EV batteries at end of life
2.3 Modelling results to determine these specifications
2.4 Overview State of Health
2.5 Overview 2nd life applications
2.6 Match between batteries and 2nd life applications
2.7 Evaluation of batteries and 2nd Life applications
2.8 Scenario analysis
4 WP3 : Solutions de recyclage et unité pilote
4.1 Rappel des objectifs
Afin de prendre en compte le cycle de vie complet de la batterie, la phase de recyclage matières a été
modélisée, au travers du développement d'un processus de recyclage mécanique. L’objectif est d’identifier
et de valider à l’échelle laboratoire et pilote, des solutions mécaniques de séparation des différentes
matières constitutives de ces batteries en fonction de leur intérêt économique.
4.2 Résultats
Sur la base des véhicules électriques commercialisés par les partenaires automobiles, différents types de
packs batteries et cellules Li-ion ont été testés et analysés lors de ce travail.
Procédé de traitement mécanique mis en œuvre et matériaux recyclés :
Les conditions de séparation des différentes matières, les propriétés de broyage, la mise en sécurité lors du
broyage ont été évalués lors du traitement des cellules de la batterie.
Les différents composants de la cellule ont été caractérisés, en particulier les matériaux des électrodes et
les fluides électrolytes (contenant du Li).
ADEME 12Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Tableau 3 : Components of a battery pack
Figure 4 : Materials in battery packs
L’objectif visé est que le procédé soit capable de gérer différents types de technologies de batteries
(différentes chimies de cellules) afin d'être compétitif. On note que dans les trois batteries analysées, une
batterie présente une composition en écart avec les deux autres ce qui permet de tester la variabilité des
technologies.
Une combinaison de technologies de séparation mécanique (broyage, criblages, séparations aérauliques) a
été mise au point pour le recyclage des batteries Li-ion avec un débit de 1 t / h et un taux objectif de plus de
50% de recyclage conformément aux objectifs réglementaires.
Grâce aux types de technologies utilisés (procédés mécaniques) le processus présente un faible coût.
Les défis associés au développement de ce procédé étaient également de maitriser les dangers électriques,
mécaniques et chimiques.
Figure 5 : Process flow sheet and system boundaries for the recycling of Li-ion battery cells
ADEME 13Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Des essais ont été réalisés à partir de différents types de batteries. Les résultats pour la batterie ci-dessous
sont présentés :
Tableau 4 : Characteristics of battery cell type that was mechanical recycled according to the
developed process flow sheet
Tableau 5 : Overview product contents and yields
Au final, pour la majorité des composants de la batterie, une solution de recyclage des matériaux est
possible et les produits sortants peuvent être commercialisés compte tenu du niveau de pureté obtenu à
l’issue du procédé. Il est en outre possible de produire un noir de carbone utilisable ultérieurement dans
d’autres procédés métallurgiques.
En dehors des composants de valeur tels que le cobalt et le nickel qui peuvent être récupérés à l’issue de ce
procédé, des impuretés comme le carbone hydrophobe, les fluorures et les solvants organiques jouent un
rôle crucial. En effet, leur séparation représente un facteur de coût important. Si il est possible de diminuer la
teneur en ces impuretés à un minimum acceptable à l'aide de procédés mécaniques convenables, les coûts
peuvent être diminués et les débits augmentés.
Optimisation de l’étape de démantèlement du pack batterie :
Un démantèlement manuel du pack batterie est réalisé préalablement à l’étape de recyclage des cellules.
Ce démontage représente un temps de main d’œuvre et donc un coût associé. Au final, les étapes critiques
de démantèlement ont été identifiées et les opportunités de les remplacer par des opérations automatiques
ont été étudiées avec un partenaire industriel.
ADEME 14Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 6 : Dismantled battery pack of cell type 1 from pack to cell level
Afin de traiter différents types de batteries le procédé doit être adaptable aux différentes architectures de
packs.
Mise en sécurité des batteries : décharge
Afin d’assurer la sécurité des opérateurs et du procédé, les cellules doivent être complètement déchargées
avant d’entrer dans le procédé de recyclage.
Avec la méthode actuelle, une cellule issue d’un VE en fin de vie comprenant un maximum de 20% de SoC
peut être déchargée via un court-circuit en environ 2 minutes. Cependant, certains nouveaux types de
cellules Li-ion contiennent des équipements de sécurité qui conduisent à un dysfonctionnement du
processus de décharge. Des tests d’évaluation du SoC des cellules, en ligne, ont été réalisés. Les cellules
critiques peuvent ainsi être détectées et éjectées. Un débit maximum de 1 t/h peut être envisagé. Ceci
constitue une réponse pertinente pour les centres de traitement des véhicules hors d’usage dans le futur, car
ils ne sont pas aujourd’hui en mesure de décharger les batteries comme peuvent le faire des points de vente
constructeurs.
Dimensionnement de l’unité pilote :
nde
Concernant la réalisation d’un pilote sur une option de « recyclage » ou « 2 vie », la décision a été prise
de s’orienter vers la mise en œuvre de la solution de recyclage. En effet, l’opération de recyclage est
obligatoire d’un point de vue réglementaire et nécessite une optimisation économique ce qui pourrait être
réalisé grâce à ce procédé 100% mécanique.
Les développements réalisés à l’échelle laboratoire ont été réalisés sur un petit pilote. Les résultats
observés entre les deux échelles sont comparables. De plus, un partenaire de recyclage industriel potentiel
a été sélectionné et des échanges ont été menés avec lui afin d’identifier les conditions
technicoéconomiques de passage d’un pilote à une industrialisation.
Il est à noter que l'économie du processus est fortement influencée par l'évolution de la technologie de la
batterie et le marché des véhicules électriques (volumes de vente, durée de vie). Un changement dans la
composition des cellules nécessite une adaptation du procédé de traitement.
Plusieurs paramètres ont été définis pour obtenir un processus de recyclage plus flexible afin de recycler de
nombreux types de batteries permettant ainsi de réduire les coûts.
Conclusion sur la faisabilité technique et économique :
Les travaux ont permis de montrer que le recyclage mécanique des batteries Li-ion est possible mais
dépendant de la dynamique de marché et des futures technologies. Pour la mise en œuvre de l’unité de
recyclage telle qu’étudiée dans ce projet, un investissement d’environ 5 millions d’€ est nécessaire. Ces
coûts résultent des étapes de décharge et démantèlement des batteries, de l’équipement du process de
ADEME 15Synthèse projet ABattReLife 08/2015
recyclage (plusieurs unités et technologies différentes) et également de technologies annexes et dispositifs
amovibles pour les différentes fractions broyées.
Le coût total de traitement est de l’ordre de 500€/t.
Tableau 6 : spécifications pour l’unité de recyclage
Avec les revenus obtenus à partir de la vente des matières directement valorisables (Aluminium, cuivre,
matériaux du casing) de même qu’avec les coûts évités de mise en décharge, un bénéfice d’environ 230 €/t
est envisageable.
Rappel des livrables fournis sur le WP3 et le WP5 :
Del n° Deliverable name
3.1 Analysis from point of view raw materials contents of
different battery-packs in application
3.2 Sorting of housing materials for closing life cycle
3.3 Liberation and separation of lithium containing
electrolyte from housing materials
3.4 Evaluation of scale-up
5.1 2nd life solution implementation report
5.2 Recycling solution implementation report
5.3 Small scale pilot built-up and running
5 WP4 - 1 : Analyse de cycle de vie
5.1 Rappel des objectifs
Afin de compléter l’analyse technique des différents scénarios fin de vie envisagés, une évaluation
environnementale est conduite. L’objectif principal de cette étude n’est pas d’évaluer l’impact
nde
environnemental de tout le système mais de déterminer les paramètres clés pour les scénarios de 2 vie.
Dans cette étude la principale difficulté est de caractériser l’unité fonctionnelle qui est finalement définie en
référence à un service de production d’énergie.
5.2 Résultats
Les travaux engagés dans le cadre du projet s’inscrivent dans une démarche 3R : Réutiliser, Reconditionner
et Recycler. La modélisation envisagée nécessite de modéliser ces différentes solutions alternatives pour en
évaluer la pertinence environnementale.
ADEME 16Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 7 : Product- multiple use cycle phases approach
Identification des scenarios techniques et scénario de référence :
La 1ère étape du travail consiste à identifier les scenarios techniques qui serviront de base à l’évaluation
environnementale et notamment la définition de l’unité fonctionnelle conformément aux méthodologies
d’analyse de cycle de vie.
En effet de multiples scénarios sont envisageables dans le cadre de la fin de vie automobile des packs
batteries des VE.
Figure 8 : Lithium-Ion Battery Product Life Cycle Second Use Application (Multiple Scenarios)
En accord avec les conclusions du WP2, les solutions de réutilisation en 2nde vie ont été réduites et le
nde
champ de l’étude a été défini sur un scenario technique type prenant en compte un usage 2 vie dans une
habitation individuelle.
ADEME 17Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 9 : Lithium-Ion Battery Second Use Application on Home energy management systems (HES)
as a Reference Scenario
L'objectif principal de l'étude ACV n’a pas été d’évaluer l'impact environnemental de l'ensemble du système,
mais de déterminer les paramètres de définition clé pour le scenario de deuxième vie.
L’unité fonctionnelle, pour le scénario de référence, a été définie en concertation avec les partenaires,
comme suit :
« Fournir 16 kWh stockage d'énergie pendant 10 ans dans la première application véhicule
électrique, puis fournir 6 kWh stockage d'énergie pendant 7 ans dans l'application de stockage
d’énergie pour une habitation individuelle »
Figure 10 : Functional unit graphic representation
Afin de pouvoir réaliser une comparaison des impacts environnementaux, deux scénarios ont été considérés
:
- Scénario 1 (scénario de référence) : impacts environnementaux générés par l’utilisation
séquentielle du pack batterie dans un véhicule électrique, suivi de l’utilisation en stockage d’énergie
pour habitation.
- Scénario 2 : somme des impacts environnementaux de 2 batteries utilisées chacune pour un usage
nde
respectivement pour la mobilité d’un véhicule électrique et l’usage 2 vie en stockage d’énergie
pour habitation.
Les frontières du système ont été définies pour le scenario de référence :
ADEME 18Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 11 : System boundaries applied for the reference scenario
Les durées d’usage totales considérées dans les 2 options sont les suivantes :
er
- 1 usage dans un véhicule électrique : 16kWh pendant 10 ans
ème
- 2 usage en stockage d’énergie pour une habitation : 6 kWh pendant 7 ans
La modélisation d’analyse de cycle de vie a été réalisée sur le logiciel GaBI et l’étude a fait l’objet d’une
revue critique réalisée par EVEA.
Les indicateurs sélectionnés ainsi que les méthodes associées sont précisés ci-dessous :
Tableau 7 : Impact categories and methods of calculus used in the study
Une analyse d’influence basée sur l’utilisation de la méthode des plans d’expérience a été réalisée afin
d’identifier les facteurs clé intervenant dans les résultats d’impacts environnementaux.
ADEME 19Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Les facteurs définis pour l’analyse sont les suivants :
Les valeurs testées sur chacun des facteurs, au travers de l’analyse d’influence sont les suivantes :
Tableau 8 : Range of expertise
Principaux résultats :
Seul le scénario de référence a fait l’objet d’une analyse de cycle de vie présentant des résultats d’impacts
environnementaux. Certaines limites et hypothèses ont été identifiées lors de la réalisation de cette analyse
de cycle de vie :
- La consommation d’énergie pour l’étape d’assemblage des batteries a été estimée sur la base de
données bibliographiques.
- La méthode des stocks a été considérée pour les matériaux issus du procédé de recyclage.
- Les performances de reconditionnement ont été validées avec le partenaire du projet KEMA en
accord avec les résultats du WP2. Ainsi il a été considéré qu’en fin de vie automobile 60% des
nde
cellules du pack servaient à l’assemblage d’une batterie 2 vie en HES.
- Les données associées à la phase de recyclage sont issues de données expérimentales
laboratoires et / ou pilote de l’université de Freiberg.
Compte tenu de ces hypothèses et limites, les conclusions de cette analyse ne peuvent être généralisées à
l’ensemble des scénarios fin de vie qui se développeront.
Les résultats de caractérisation d’impact obtenus sont présentés dans la figure suivante :
ADEME 20Synthèse projet ABattReLife 08/2015
Figure 11 : Contribution of each life cycle step within the Reference Scenario of Li-ion battery with
two consecutive uses to 8 impact indicators
- L'aluminium, le cuivre, l’anode et la cathode des cellules sont les principaux contributeurs aux
impacts environnementaux évalués.
- Pour l’étape d’utilisation dans le véhicule électrique, l’impact environnemental principal provient de la
distribution du pack batterie ainsi que de la consommation électrique de la batterie en phase d’usage
automobile.
- Pour l’étape de stockage d’énergie en habitation, la principale contribution pour toutes les catégories
d’impact est associée à la phase d’utilisation lors de la consommation de la cellule.
Comme précisé précédemment, l'objectif principal de l'étude ACV n’a pas été d’évaluer l'impact
environnemental de l'ensemble du système, mais de déterminer des paramètres de définition clé pour le
scenario de deuxième vie. Pour cela, nous avons procédé à une analyse d’influence basée sur l’utilisation
de la méthode des plans d’expérience.
Figure 12 : Example of the influence of each key factor of prospective scenario definition on chosen
environmental impact categorie
L’analyse d’influence basée sur l’analyse du plan d’expérience a mis en évidence les résultats suivants :
nde
- Deux paramètres importants du scénario de 2 vie ont été identifiés comme impactant les résultats
environnementaux. Il s’agit de la performance du reconditionnement, et de la capacité de stockage
d’énergie en habitation.
- Nous avons également identifié deux paramètres d’importance plus modérée, capacité résiduelle de
la batterie et taux de collecte des batteries pour recyclage.
- De plus, 4 paramètres mineurs ont été identifiés. Il s’agit de la distance parcourue entre le point de
vente et le lieu de reconditionnement, la distance parcourue entre l’unité de reconditionnement et le
client, le type de transport (Euro4 – Euro5) et la distance parcourue entre l’unité de
reconditionnement et l’unité de recyclage.
- Une interaction importante a été identifiée entre 2 paramètres : l’énergie pour l’habitation – la
performance de reconditionnement.
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