Analyse du cycle de vie de matériaux sélectionnés qualité batterie pour la transition énergétique : stratégies opérationnelles pour la génération et la collecte du données d’inventaire

Life cycle assessment of selected battery-grade materials needed for the energy transition: operational strategies for inventory data collection and generation

• Auteur / Autrice : Aina Mas fons
• Direction : Guido Sonnemann, Philippe Loubet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Analyse du Cycle de Vie et Chimie Durable (CyVi)
• Jury : Président / Présidente : Steven Young
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guido Sonnemann, Christoph Helbig, Philippe Loubet, Marjatta Louhi-kultanen, Eric Pirard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Steven Young, Christoph Helbig

Mots clés

Mots clés libres

Acv

Batteries

Simulations de procédés

Lithium

Nickel

Graphite

Lca

Batteries

Process simulation

Lithium

Nickel

Graphite

Résumé

Il est impératif de décarboner le système énergétique actuel pour atteindre les objectifs climatiques et notamment la neutralité carbone d’ici 2050. Les batteries, en particulier les batteries lithium-ion (LIB), sont un maillon essentiel de la transition énergétique, notamment pour la mobilité électrique et le stockage d'énergie. Par conséquent, la demande de matériaux spécifiques et cruciaux pour les LIB va largement augmenter dans le futur. A court terme, les capacités de recyclage semblent trop limitées pour répondre à cette demande, rendant l'extraction et le raffinage des matières premières encore nécessaires. Il est donc nécessaire d’évaluer les impacts environnementaux associés à la chaîne d’approvisionnement des matières premières pour s’assurer de la durabilité environnementale des LIBs. Par ailleurs, ces chaînes d'approvisionnement sont sujettes à des changements occasionnés par des facteurs tels que les variations de la teneur en minerai et des développements technologiques pouvant influencer les impacts environnementaux. Dans ce contexte, l'analyse du cycle de vie (ACV), en tant que méthodologie standardisée et largement utilisée, est adaptée pour évaluer les impacts environnementaux associés à toutes les étapes du cycle de vie d’un produit tel que les LIBs. Cependant, la fiabilité des résultats de l'ACV dépend fortement de la disponibilité de données, notamment pour évaluer les aspects futurs. La collecte et la génération de données d’inventaire du cycle de vie (ICV) est l'un des aspects les plus chronophages et exigeants en ressources lors de la réalisation d’ACV. C’est d’autant plus le cas lorsque les données d'inventaire doivent refléter les changements potentiels de la chaîne d'approvisionnement des LIB, et ainsi permettre une prise de décision éclairée sur la mise en œuvre de stratégies à long terme. Cette thèse explore les stratégies opérationnelles pour générer et collecter les données d'inventaire nécessaires pour les études ACV des matériaux pour les batteries, en tenant compte des facteurs actuels et futurs de la chaîne d'approvisionnement. La pertinence d’évaluer les matériaux à des niveaux de qualité « batterie » et à partir de données primaires des industriels, est tout d’abord étudiée via un cas d’étude portant l’utilisation de carbone (acétylène noir) en tant qu’additif conducteur. Ensuite, l’utilisation de résultats d’ACV issus de la littérature permet d’évaluer les compromis environnementaux entre le graphite naturel et synthétique de qualité batterie. Parmi les stratégies identifiées, un accent est mis sur la génération de données ICV via des simulations de procédés. Un état de l'art du couplage de la simulation des procédés et de l'ACV dans le secteur des matières premières minérales et métalliques est réalisé et fait l’objet d’une revue critique. Ainsi, la thèse explore dans quelle mesure la simulation des procédés peut être appliquée dans le cadre de l'ACV pour intégrer des facteurs tels que la diminution de la teneur en minerai ou des développements technologiques. La simulation des procédés est appliquée à deux études de cas: la production de carbonate de lithium à partir de diverses sources et teneurs en minerai, et la production de sulfate de nickel par lixiviation acide à haute pression ou bio-lixiviation, une technologie encore à un niveau de maturité faible. Enfin, la thèse discute des effets des principaux facteurs de production (actuels et futurs) des matériaux sur les impacts environnementaux d'une cellule de batterie en considérant plusieurs scénarios dans le contexte de la transition énergétique, et en utilisant les données générées et collectées pendant ces travaux. En conclusion, cette thèse souligne la pertinence de l'utilisation de données appropriées pour la production de matériaux de qualité batterie et met en lumière le potentiel du couplage de la simulation de procédés avec l'ACV.

A shift away from the current fossil-based energy supply and usage system is imperative to combat global warming. This energy transition prominently features the adoption of battery technologies, especially lithium-ion batteries (LIBs), which are considered key for enabling applications like electro-mobility and energy storage. This shift entails a surge in demand for specific materials crucial for LIBs. Closed-loop recycling, especially in the short term, will have limited capacity to meet this demand growth. Therefore, to maintain an overall supply-demand balance, mining and refining raw materials will be necessary. Conducting a comprehensive analysis of the environmental impacts associated with the LIBs supply chain is crucial for ensuring their environmental sustainability. In addition, the supply chain is subject to change, with factors like ore grade variations and technological developments potentially influencing environmental impacts. In this context, life cycle assessment (LCA) is the standardized and most widely methodology to assess the environmental burdens associated with products across all stages of their life cycle. Yet, the reliability of LCA results heavily dependent on the availability of appropriate data, particularly when considering future aspects. During the life cycle inventory (LCI) phase, the aim is to identify and quantify the inputs and outputs according to the defined system boundaries. Collecting and generating LCI data is one of the most time-consuming and resource-intensive aspects of LCA studies. However, inventory data that reflects the current state and the potential changes within the LIB supply chain is essential for informed decision-making, and long-term strategy implementation to mitigate environmental burdens within the battery industry. Therefore, this thesis delves into operational strategies for generating and collecting the necessary inventory data for LCA studies of battery-grade materials, considering both current and future supply chain factors. It examines the role of carbon in LIBs as a conductive additive and anode material, discussing the relevance of ensuring battery-grade quality consideration in the LCI and its influence on LCA results. The production of battery-grade acetylene black in Europe is evaluated using primary plant data. Additionally, the trade-offs between natural and synthetic battery-grade graphite are analyzed, with LCA results derived from literature data. Among the identified strategies, a significant focus is placed on the generation of LCI data via process simulations. The state-of-art of coupling process simulation and LCA within the minerals and metals raw materials sector is examined. Building on this, the thesis investigates the extent to which process simulation can be further utilized within the LCA framework to incorporate factors such as ore grade decline or technological developments. Process simulation is applied to two material case studies: the production of lithium carbonate from various sources and ore grades, and the production of nickel sulfate through high-pressure acid leaching or bio-leaching—a technology still at low readiness level. Finally, the thesis discusses the effects of key battery material production factors on the environmental impacts of a battery cell by considering multiple scenarios in the context of the energy transition, and using the data generated and collected within this research. In closing, this thesis underlines the relevancy of using appropriate data for battery-grade materials production and highlight the promising avenue of coupling process simulation with LCA.