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Y-a-t-il assez de lithium sur terre pour fabriquer des batteries pour l'automobile ?

Grégory Launay - Dernière mise à jour : 29 décembre 2009

 

Une des polémiques autour de l’électrification du parc automobile concerne la disponibilité de la ressource de lithium nécessaire à la fabrication des batteries. Cette technologie au lithium, parce qu’elle offre des performances meilleures que les technologies précédentes, est celle retenue par tous les projets en cours de développement dans l’industrie automobile. C’est cette même technologie qui est déjà largement utilisée pour les applications portables : téléphones, ordinateurs, appareils photos …

Les besoins de l’automobile peuvent faire changer radicalement les ordres de grandeurs sur les besoins de lithium. Sur ces questions, comme pour les réserves de pétrole, il faut bien différencier le problème du stock et celui du flux. On peut donc légitimement poser deux questions distinctes :

  • les réserves de lithium permettent-t-elles d’envisager dans l’absolu une production significative de véhicules (tension sur le stock) ?
  • les prévisions de production de véhicules sont elles compatibles avec la production prévisible de lithium (tension sur le flux) ?

 

De quoi parle-t-on ?

Le lithium est un métal, c’est même le plus léger de tous. Il fait partie des métaux dits « alcalins » (la première colonne du tableau périodique de classification) qui sont caractérisés par un unique électron sur leur couche externe … Dit autrement le lithium n’aime pas se balader tout seul dans la nature, il préfère s’assembler avec d’autres éléments pour être stable. Il n’existe donc pas sous forme pur, on le trouve dans la nature comme impureté dans les sels d’autres métaux alcalins.

Il en existe deux formes principales. La première est un sel, le chlorure de lithium que l’on trouve dans les saumures (lagons en cours d’assèchement) ou les déserts de sel. Ce type de ressource est appelé un dépôt évaporitique ou dépôt salin. Elle se forme lorsqu’une mer ou un lac s’assèche, les éléments contenus dans l’eau se concentrent et se déposent sur le sol (exactement comme le sel de table !). Le lithium peut donc se trouver dans un désert de sel (l’assèchement est terminé) comme c’est le cas dans le désert de l’Atacama au Chili et celui du Uyuni en Bolivie ou dans des lacs salés (appelés saumures, l’assèchement n’est pas terminé) comme c’est le cas au Tibet.

La seconde forme est un silicate d’aluminium et de lithium (appelé spodumène) que l’on trouve sous forme solide dans des roches magmatiques appelées pegmatites … ils apparaissent sous forme des nervures incrustées dans la roche.

Ces différentes formes naturelles impliquent des procédés, des coûts de production (économiques et énergétiques), et des formes commercialisées différentes … elles ont donc un impact sur la structure du marché.

 

Quid du stock ?

Comme pour le pétrole on différencie ici les notions de « ressource », de « réserve » et de « réserve ultime » autrement appelée « réserve de base » par l’USGS. Commençons par préciser ces termes :

  • la ressource englobe l’ensemble de la matière qui existe sur terre (même sous la forme la plus dégradée)
  • la réserve est la fraction de la ressource qui est exploitable par l’homme techniquement et économiquement à l’instant où l’on donne le chiffre
  • la réserve ultime est une extension de la réserve, c’est la fraction de la ressource que l’on pense exploitable à un horizon prévisible à partir des données techniques et économiques connues

En d’autre termes la réserve c’est ce qui est rentable tout de suite, la réserve ultime c’est ce qui sera probablement rentable demain ! A terme, si on ne fait pas de trop grosses erreurs, le chiffre de la réserve doit tendre vers celui de la réserve ultime. Pas de généralités pour autant, les grosses erreurs de prévision sont probables (la dernière « crise » devrait vous en convaincre), il ne faut donc pas prendre les réserves ultimes pour argent comptant !

Pour le lithium, qui nous concerne ici, la réserve ultime est donnée entre 11 millions de tonnes (chiffres de l’USGS, 2009) et 28 millions de tonnes (étude K.Evans, 2008). Elle est à 80% présente sous forme de dépôts salins et à 20% sous forme de silicates. On compte parfois en masse de carbonate de lithium (c’est le produit final commercialisé) qui est environ 5 fois plus lourd, cela donne alors entre de 58 et 150 millions de tonnes.


Réserves ultimes de Lithium – Source : K.Evans, Mars 2008

Pour ce qui est de la réserve, les chiffres vont de 4 millions de tonnes (USGS, 2009) à 6,6 millions de tonnes (étude du cabinet « Meridian International Research », 2007).

Notons deux facteurs limitant qui ne permettent pas de compter aujourd’hui une part de la réserve ultime dans la réserve. Le premier est que l’exploitation des silicates n’est pas rentable car beaucoup plus énergivore que l’exploitation des dépôts salins. Alors même que cette ressource fut exploitée par le passé, son procédé d’exploitation ne permet plus de la considérer aujourd’hui comme une réserve. Le second facteur est le taux de récupération dans les exploitations des dépôts salins. Ils sont aujourd’hui autour des 40% au Chili (dans le désert d’Atacama). Ils dépendent de caractéristiques physiques de la source : concentration en lithium, concentration en magnésium, climat de la région, etc. Ce facteur élimine de fait directement la moitié des réserves ultimes !

Enfin certains observateurs notent que le lithium est un élément chimique beaucoup plus présent que cela sur la terre. Il y en a notamment de très grandes quantités dans les océans. Il aurait même été montré en laboratoire que ce lithium est récupérable … qu’en penser ? Mention n’est jamais faite du coût économique mais surtout énergétique d’un tel procédé. La concentration du lithium dans l’eau de mer est très faible (à priori 174 mg/litre soit ~0.17 partie par million). Pense-t-on sérieusement que l’on puisse considérer cela comme une réserve naturelle ? La Corée du Sud s’est lancée dans une usine prototype qui devra déterminer si un procédé peut être économiquement rentable … ou pas. Réponse dans quelques années.

 

A quoi ressemble le marché actuel ?

La principale forme sous laquelle le lithium est commercialisé est le carbonate de lithium (Li2CO3). Il représente environ les 2 tiers de la production (en équivalent massique de lithium métallique). Le niveau de la production se monte à environ 29.000 tonnes en équivalent lithium métallique. La production cumulée avoisine les 500.000 tonnes.


Production de lithium dans le temps - Estimation de l’auteur à partir des données USGS 2009

Cette production est en croissance assez rapide depuis le milieu des années 90. Elle est tirée par la demande pour les applications mobiles (téléphones et ordinateurs portables, appareils photos, etc.). La production de batteries consomme ainsi 25% de la production mondiale (et ce chiffre est en croissance forte, 22% de croissance moyenne entre 2000 et 2008).

Répartition de la production de lithium par usage - Source : USGS, 2009

La production de carbonate de lithium a été assurée jusqu’en 1996 par l’exploitation des silicates (spodumène) en Australie, en Russie, aux Etats-Unis, au Canada, etc. A cette date sont arrivés à maturité des procédés permettant l’exploitation du chlorure de lithium présent dans les dépôts salins. Ces sites ont alors été mis en exploitation et ont permis une production à moindre coût énergétique et économique. C’est ce type de production qui domine aujourd’hui. Le Chili est à présent le premier producteur mondial, la Chine joue également un rôle majeur.


Production de lithium en 2009 par pays - Source – USGS 2009, chiffre 2005 pour les Etats-Unis

L’évolution du prix de la tonne de lithium permet de bien comprendre le passé récent.

Prix du lithium - Source : USGS, 2009

On y voit la baisse des cours consécutive à la mise en exploitation des dépôts salins puis la remontée suite à la tension offre / demande suscitée par une demande en croissance rapide.

 

A quoi pourrait ressembler le marché de demain ?

Dans l’absolu, le lithium est une ressource aujourd’hui relativement peu exploitée. Le rapport entre les réserves ultimes et la production annuelle est de 380 (avec une réserve ultime à 11 millions de tonnes). Dit autrement au rythme actuel les réserves ultimes représentent 380 ans de production. Pour le pétrole nous en sommes à 40 ans … Oui mais voilà comme pour le pétrole ce raisonnement est limité. Au delà du stock, c’est le flux qu’il faut regarder.

La demande se développe de manière importante … La production aussi, en Chine notamment au travers des ressources dont elle dispose dans les lacs salés du Tibet. Les regards sont aussi tournés vers la Bolivie qui dispose des plus grandes réserves mondiales et qui sont aujourd’hui totalement inexploitées. Une projection à horizon lointain, dans l’hypothèse d’un développement relativement rapide de la production, nous laisse anticiper quelques dizaines d’années de tranquillité avant un pic de production.

Scenario de production future, délire de l’auteur

La panacée me direz-vous ? Probablement pas, à bien y réfléchir l’horizon de tranquillité est à peine plus lointain que pour le pétrole ... mais il faut garder à l’esprit que la problématique n’est pas tout à fait la même ! Si la technologie au lithium est la seule mature pour le marché aujourd’hui, il en sera peut être autrement dans 15 ou 20 ans. C’est bien sur les 15 ou 20 prochaines années que le problème est pertinent à poser.

Et la demande dans tout ca ? Pour l’automobile les technologies actuelles demandent entre 2 et 4 kg de lithium par véhicule (pour une batterie de 25kWh). Convertir la totalité du parc automobile à l’électricité du jour au lendemain demanderai 4 millions de tonnes de lithium (1 milliards de véhicules * 4 kg)… c'est-à-dire l’estimation des réserves selon l’USGS ! Ce scenario n’est évidemment pas possible, on s’en serait douté de toute façon.

Un scenario plus probable viserait par exemple à équiper 10% du marché à l’horizon 2020. Partons sur un marché à 70 millions de véhicules. Il faut donc 7 millions de batteries soit 28.000 tonnes de lithium … l’équivalent de la production actuelle. Pour rendre cela possible il faut donc au moins doubler la production d’ici là.

La production devra aussi prendre en compte les fortes augmentations pour les applications mobiles. Les ventes de PC portables sont ainsi passées de 46 millions en 2004 à 78 millions en 2007 et cette croissance se poursuit. De même les ventes les téléphones portables sont passées de 517 millions en 2003 à 1225 millions en 2007 … en supposant une multiplication par 3 de ces chiffres d’ici à 2020 on rajoute 15.000 tonnes à la demande. Au delà des réserves l’enjeu à court terme se situe bien au niveau du flux. L’augmentation de la production va-t-elle réussir à suivre la demande ?

Notons aussi que les réserves sont principalement situées en Amérique du Sud (70%) et en Chine (20%). La concentration géographique n’est en général pas un facteur facilitant la mise en place d’un marché détendu … La Chine ne va-t-elle pas être tentée de restreindre ses exportations ? Quelles sont les conditions que va exiger la Bolivie pour permettre l’exploitation de ces réserves ? Nous voyons que ce sont les considérations politiques et non physiques qui risquent d’êtres déterminantes …

Le coût du lithium étant aujourd’hui marginal dans le coût total d’une batterie, il y a peu de risque de voir des éventuelles tensions limiter les volontés de développement. Par contre des risques réels de manque épisodiques de ressources ne sont pas à exclure.

 

Recyclage, solution miracle ?

Et le recyclage me direz-vous, il suffirait de recycler pour s’affranchir de tous les problèmes. Oui mais voilà le recyclage n’est pas toujours possible et surtout pas souvent à des coûts économiques et énergétiques acceptables.

L’USGS note pour 2009 que la part du lithium recyclé est « insignifiante » sans donner le moindre chiffre. La totalité des batteries au lithium sont aujourd’hui valorisées en fin de vie par récupération du cobalt et du nickel mais pas du lithium … à cause des difficultés techniques, des coûts ? Probablement un peu des deux.

Une société française affirme avoir déposé un brevet permettant de recycler le lithium à 98% avec une empreinte énergétique faible. Une usine pilote serait en cours de réalisation à Singapour …. Encore une fois, la consommation énergétique et le coût seront déterminants pour le développement éventuel d’une filière.

La réalité est qu’aujourd’hui le lithium des batteries n’est pas recyclé. Si une filière se développe elle aura peu d’impact sur le niveau de production pendant de longues années. Il est donc très difficile d’imaginer que cela ait un impact sur les probables tensions entre l’offre et la demande.

 

Quelles conclusions ?

Dans un monde idéal où l’on souhaiterait substituer l’ensemble du parc automobile actuel par des véhicules électriques il se poserait un sérieux problème de ressources.

Par contre il ne semble pas y avoir de problèmes physiques allant contre une électrification progressive du parc. Poser la question aujourd’hui sur du plus long terme n’a pas vraiment de sens. D’autres technologies peuvent émerger, une filière de recyclage également … nous n’en sommes pas là. Par contre il semble tout à fait probable que des tensions sur le marché apparaissent comme une conséquence d’une croissance très soutenue de la demande …