La course à la décarbonation électrique

L'une des principales propositions de valeur des véhicules électriques (VE) pour les consommateurs – et la planète – est leur empreinte carbone ultra-faible une fois en fonctionnement. Contrairement aux voitures et aux véhicules utilitaires équipés de moteurs à combustion interne, les véhicules électriques ne produisent pas d'émissions directes d'échappement en brûlant du diesel et de l'essence. Mais les véhicules électriques alimentés par batterie ont leur propre défi majeur en matière d'émissions : la production des batteries elles-mêmes est un processus à forte intensité de carbone.

Cet article est un effort collaboratif de Martin Linder, Tomas Nauclér, Stefan Nekovar, Alexander Pfeiffer et Nikola Vekić, représentant les points de vue de la pratique automobile et assemblage de McKinsey.

En effet, la production des grandes batteries lithium-ion utilisées pour alimenter les véhicules électriques est la plus grande source d'émissions embarquées pour les voitures et les camions électriques, représentant environ 40 à 60 % des émissions totales de production, selon notre estimation. En d'autres termes, la fabrication de batteries peut générer autant d'émissions que la production de tous les autres matériaux qui entrent dans la fabrication d'un VE, voire plus (Figure 1).

Alors que la pression pour décarboner augmente et que la demande de véhicules électriques augmente à l'échelle mondiale, les fabricants se précipitent pour relever ce défi en matière d'émissions. Plus de 100 équipementiers de l'industrie automobile et leurs fournisseurs se sont engagés à réduire les émissions dans le cadre de l'initiative Science Based Targets1.

Les décisions individuelles des FEO peuvent faire une différence substantielle. Les niveaux d'émissions de la production de batteries pour véhicules électriques dépendent de divers facteurs, notamment les choix de conception, le type de véhicule, l'autonomie et les exigences de transport, ainsi que les lieux de production et d'approvisionnement. Les sources d'énergie utilisées pour produire divers composants de batterie sont l'un des principaux facteurs expliquant la grande variation de l'empreinte carbone des différents équipementiers.

La bonne nouvelle est que de fortes réductions des émissions de carbone provenant de la production de batteries pour véhicules électriques sont possibles au cours des cinq à dix prochaines années. Cet article explique pourquoi la production de batteries pour véhicules électriques est une activité à si fortes émissions et ce qui peut être fait pour réduire son empreinte carbone.

Un véhicule électrique a environ le double de l'empreinte de production d'un véhicule à moteur à combustion interne (ICE) typique. Les deux ont des émissions de production intégrées similaires provenant, par exemple, de la production de la carrosserie du véhicule, qui représente entre cinq et dix tonnes d'émissions de CO2e, selon sa taille et son lieu de production. En plus de cela, cependant, la production d'un véhicule électrique typique (avec une batterie de 75 kWh) émet plus de sept tonnes d'émissions de CO2e sur la batterie seule.

Les matériaux et l'énergie nécessaires pour produire des batteries de VE expliquent en grande partie sa lourde empreinte carbone. Les batteries des véhicules électriques contiennent du nickel, du manganèse, du cobalt, du lithium et du graphite, qui émettent des quantités importantes de gaz à effet de serre (GES) dans leurs processus d'extraction et de raffinage. De plus, la production de matériaux actifs d'anode et de cathode nécessite des températures élevées et énergivores pour certains procédés. La chimie des batteries, la technologie de production, la sélection des fournisseurs de matières premières et les voies de transport sont d'autres facteurs déterminants pour la quantité de carbone de production intégré.

Les décisions d'approvisionnement, y compris pour l'énergie utilisée, ont un impact important sur les émissions, selon que l'on utilise des énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne ou des combustibles fossiles tels que le gaz naturel. Les producteurs utilisant de l'électricité renouvelable ont déjà une empreinte carbone significativement plus faible dans leur production de batteries que ceux utilisant des combustibles fossiles. La figure 2 met en évidence la grande variation des émissions liées aux batteries en fonction des choix de chaîne de valeur.

Pour l'instant, la plupart des batteries sont fabriquées en Asie : la Chine domine le marché avec une part de marché de plus de 70 % et possède les processus de production les plus émetteurs. En revanche, la Suède a maintenu un niveau relativement faible d'émissions provenant de la production de batteries, représentant en moyenne moins de la moitié de celui de la Chine.

Davantage de producteurs de batteries ont établi une capacité en Europe, ce qui a contribué à faire baisser la moyenne mondiale des émissions par kWh, car l'électricité a une intensité de carbone inférieure en Europe que dans la plupart des pays asiatiques, en raison d'une part plus élevée de sources d'énergie renouvelables. En supposant que la poussée mondiale vers la décarbonisation des réseaux électriques se poursuive, y compris en Chine, notre modèle suggère que la moyenne mondiale des GES provenant de la production de batteries pourrait baisser à 85 kg CO2e/kWh d'ici 2025. Cette réduction résulterait en grande partie d'une production d'électricité moins émettrice dans les réseaux des pays producteurs de batteries.

Un nombre croissant d'OEM s'attendent à ce que la production de batteries à faible émission de carbone devienne un avantage concurrentiel. Certains acteurs de premier plan visent déjà à réduire les émissions en dessous de 20 kg CO2e/kWh, soit jusqu'à près de dix fois moins que les équipementiers les plus intensifs en émissions aujourd'hui. Tout écart continu entre les meilleurs et les moins performants de leur catégorie offrira aux dirigeants des opportunités de différencier leurs offres.

Pour prendre la tête des produits à faible émission de carbone, les fabricants de cellules de batteries et de matériaux actifs devront non seulement envisager de décarboner leurs propres opérations, mais également de lutter contre les émissions des matériaux et composants qu'ils achètent auprès de leurs fournisseurs.

Selon nos estimations, la production d'une batterie de VE moyenne aujourd'hui émet jusqu'à 100 kilogrammes (kg) d'équivalent CO2 par kilowattheure (CO2e/kWh).

Les acteurs ambitieux ont la capacité de réduire l'empreinte carbone de la production de batteries jusqu'à 75 % en moyenne au cours des cinq à sept prochaines années, mais cela nécessitera une action sur l'ensemble de la chaîne de valeur.

Diverses stratégies peuvent aider à la réduction. Ses coûts dépendront fortement des technologies existantes et de facteurs externes tels que la géographie. Certaines de ces stratégies permettront de réduire les coûts, tandis que d'autres auront un coût considérable. Les facteurs clés influencent la compétitivité des batteries à faible émission de carbone, notamment le lieu de production et le marché cible. Dans certains cas avantageux, il pourrait être possible de décarboner jusqu'à 80 % à un coût supplémentaire minimum pour le client final.

Des changements réglementaires tels que le mécanisme d'ajustement carbone aux frontières (CBAM) de l'Union européenne et la loi sur la réduction de l'inflation (IRA) aux États-Unis peuvent attirer l'attention sur les changements nécessaires et potentiellement aider à réduire les coûts technologiques pour les réaliser. La CBAM, par exemple, est une taxe aux frontières qui rend plus coûteuse l'importation de produits à haute teneur en carbone dans l'Union européenne. Cela peut donner aux acteurs locaux à faibles émissions de carbone un avantage concurrentiel, même s'ils ont une base de coûts de production plus élevée. Aux États-Unis, l'IRA subventionne la production locale de batteries ainsi que les composants nécessaires à leur fabrication. Une partie de la subvention est accordée si les producteurs respectent les exigences de contenu local, de sorte qu'un certain pourcentage de minerais ne peut provenir que des États-Unis ou de pays avec lesquels les États-Unis ont conclu un accord de libre-échange. Cette exigence encourage directement une production ou un recyclage plus local de minéraux et de composants et conduit indirectement à des batteries plus durables.

Les réglementations incitent également de plus en plus les équipementiers à réduire les émissions des batteries. Par exemple, la stratégie de l'UE sur les batteries durables récemment convenue introduira l'étiquetage de l'empreinte carbone d'ici 2024 et imposera d'autres exigences de durabilité telles que le contenu recyclé, les performances et la durabilité.

L'impact le plus important sur l'une ou l'autre de ces stratégies proviendrait du passage à des sources d'électricité renouvelables ou du lancement d'accords d'achat d'énergie verte (AAE) à chaque maillon de la chaîne de valeur. Pour une réduction totale des émissions de l'électricité, le type et la qualité du PPA sont importants.3 "Décarbonisation du réseau avec des accords d'achat d'énergie propre 24/7", McKinsey, 11 mai 2022.

Des alternatives technologiques spécifiques peuvent réduire les émissions et, dans certains cas, réduire les coûts (Figure 3). Les domaines ayant le plus d'impact sont les suivants :

Extraction et raffinage des matières premières. En moyenne, l'extraction et le raffinage des matières premières représentent environ un quart des émissions totales de production de batteries, le lithium et le nickel étant responsables de plus de la moitié. Les émissions de nickel de qualité batterie varient d'un facteur d'environ dix.4 "Pressure to decarbonize: Drivers of mine-side emissions", McKinsey, 7 juillet 2021. L'emplacement, le type de minerai et la technologie de traitement expliquent cette grande variation. L'approvisionnement en métal auprès de producteurs durables - ceux qui pourraient déjà être passés à des équipements miniers électrifiés ou à des sources d'énergie renouvelables pour l'électricité, par exemple - peut entraîner une réduction des émissions dans certains cas allant jusqu'à 30 % par cellule de batterie créée.

Fabrication de matériaux actifs (anode et cathode). Pour les matériaux actifs de cathode et les matériaux actifs d'anode, la plupart des émissions proviennent du traitement à haute température. Dans ces étapes, des chaudières et de l'électricité sont utilisées pour précipiter et sécher les matériaux et les exposer à une forte chaleur pendant plusieurs heures. Étant donné que ces processus nécessitent de l'électricité, des efforts supplémentaires sont nécessaires pour assurer la stabilité et la continuité du processus. Une solution rapide consisterait à faire passer la consommation d'électricité actuelle à un PPA propre 24 heures sur 24 avec une correspondance à 100 % entre l'offre et la demande ; cela réduirait jusqu'à 25 % des émissions totales de fabrication de la mine à la cellule.

Fabrication de cellules. Les entreprises peuvent complètement électrifier le processus de production. La plupart des émissions non électriques dans la fabrication des cellules proviennent aujourd'hui du processus de séchage des électrodes, qui nécessite une chaleur à température moyenne comprise entre 50 °C et 160 °C. Les fabricants de cellules typiques utilisent des lignes de séchage d'électrodes au gaz naturel, mais des versions électrifiées de cette technologie existent. De plus, des innovations telles que le revêtement à sec ou le passage de liants conventionnels tels que le fluorure de polyvinylidène (PVDF), un plastique spécial, à des alternatives solubles dans l'eau lors de la fabrication des électrodes pourraient réduire considérablement la consommation d'énergie ainsi que les émissions et les coûts associés. L'approvisionnement d'un processus de fabrication de cellules entièrement électrifié avec de l'électricité à faible émission de carbone 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 entraîne, en moyenne, une réduction de 25 % des émissions totales de fabrication de la mine à la cellule.

Des mesures supplémentaires au-delà du traitement du processus de production primaire peuvent également faire la différence. Il s'agit notamment d'utiliser des matériaux recyclés plutôt que des matières premières vierges, d'améliorer les émissions logistiques tout au long de la chaîne d'approvisionnement, de choisir la chimie des matériaux utilisés pour la batterie et éventuellement de repenser la taille des batteries elles-mêmes.

Recyclage. Le recyclage n'est pas seulement un remède à long terme à la future pénurie probable de matières premières pour batteries telles que le lithium et le nickel, mais aussi un levier fondamental pour réduire les émissions des batteries et réduire la dépendance des marchés de l'UE et des États-Unis vis-à-vis des régions minières à forte intensité de carbone. Avec la montée en puissance de nombreuses nouvelles usines de batteries dans le monde, de grands volumes de déchets de production deviendront disponibles, augmentant la pertinence d'une chaîne de valeur de recyclage fonctionnelle avant même qu'un plus grand nombre de véhicules électriques n'atteignent leur fin de vie dans cinq à dix ans. Aujourd'hui, l'empreinte carbone des matériaux de batterie recyclés est généralement quatre fois inférieure à celle des matières premières provenant de sources primaires. Augmenter la part des matériaux recyclés dans la production est donc une étape importante vers la décarbonation.

Logistique. En règle générale, seule une petite partie des émissions de GES des batteries (environ 5 % de l'empreinte globale) provient du transport des cellules de batterie ou de leurs composants. La décarbonation en cours du secteur des transports et le passage à des modes de transport à faibles émissions tels que les trains seront nécessaires pour une décarbonation profonde. En outre, un élan accru dans la localisation de la chaîne de valeur des batteries pourrait faire baisser les émissions dans les régions de production automobile telles que l'Union européenne et les États-Unis.

Chimie. Aujourd'hui, les fabricants de cellules et les équipementiers choisissent entre des cellules hautes performances au nickel-manganèse-cobalt (NMC) et au lithium-fer-phosphate (LFP). Notre analyse suggère que si les batteries NMC ont une densité d'énergie de 30 à 40 % supérieure, les cellules LFP ont une durée de vie du cycle de charge prévue plus longue et, en moyenne, des émissions de carbone inférieures de 15 à 25 %. Ceci est principalement dû à moins d'émissions de matériaux intégrés dans la cathode. Plusieurs équipementiers, producteurs de cellules et fabricants de cathodes étudient des chimies alternatives pour réduire les émissions et les coûts tout en maintenant ou en augmentant la densité énergétique. Lors de la production de cathodes lithium-nickel-manganèse-oxyde (LNMO), par exemple, l'objectif est de remplacer des matériaux coûteux et à forte intensité d'émissions tels que le nickel par des matériaux moins chers, abondants et plus durables tels que le manganèse.

Taille de la batterie. Pour l'instant, les fabricants de véhicules électriques se concentrent sur l'augmentation de la taille des batteries pour permettre aux conducteurs de parcourir de plus longues distances. En 2021, le véhicule électrique avec la plus longue autonomie a atteint 405 miles (652 kilomètres [km]) sur une seule charge de batterie5. "Au cours de l'année modèle 2021, le véhicule électrique avec la plus longue autonomie a atteint 405 miles sur une seule charge", Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 10 janvier 2022. En 2022, le nombre de véhicules électriques avec une autonomie supérieure à 300 miles (483 km) a triplé aux États-Unis .6 « Quatorze modèles de véhicules électriques légers de l'année modèle 2022 ont une autonomie de 300 miles ou plus », Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 29 août 2022. Pourtant, il existe un décalage entre la taille croissante des batteries et les distances que les conducteurs moyens parcourent quotidiennement, soit moins de 40 miles (64 km) aux États-Unis. Selon la Federal Highway Administration (FHWA), 95 % de tous les trajets étaient inférieurs à 30 miles (48 km), soit moins d'un dixième de la distance que le véhicule électrique à plus longue autonomie peut parcourir avec une seule charge. En raison de ce décalage entre innovation et application, les ressources limitées allouées à la production de batteries sont largement sous-utilisées. Une façon radicale de réduire les émissions serait donc de construire des batteries plus petites et davantage adaptées aux besoins des consommateurs. En Chine, par exemple, le véhicule électrique le plus vendu en 2021 était le Wuling Hongguang Mini EV, qui dispose d'une offre de batterie de 9 à 14 kWh et d'une autonomie de 75 à 106 miles (121 km à 171 km).

Pour construire des batteries zéro carbone, les acteurs de toute la chaîne de valeur doivent travailler ensemble et avec d'autres parties prenantes, y compris les gouvernements et les financiers. Pour réussir, ils doivent envisager d'agir dans cinq domaines :

Fournisseurs. Les producteurs peuvent envoyer aux fournisseurs un signal clair de demande de produits sans carbone tout au long de la chaîne de valeur. Par exemple, un OEM de véhicules électriques de premier ordre pourrait envoyer un signal à ses fournisseurs de cellules, qui à leur tour peuvent relayer cette demande à ses fournisseurs de matériaux actifs, et ainsi de suite, jusqu'à ce que la demande de ces matériaux remonte la chaîne de valeur jusqu'à l'extraction et le raffinage des matières premières. Cela peut être fait en établissant des partenariats d'approvisionnement pour développer conjointement des solutions à faible émission de carbone ou augmenter la demande de produits à faible émission de carbone.

Investisseurs. Les parties prenantes peuvent envisager d'aider les innovateurs dans leurs investissements en obtenant un financement. Par exemple, ils pourraient utiliser des engagements de volume à long terme pour une production durable afin de créer une nouvelle technologie de production à faibles émissions. Les subventions publiques pourraient potentiellement être bénéfiques pour atteindre ces objectifs, si les gouvernements sont disposés à les prendre en considération.

Recyclage. Les acteurs de la chaîne de valeur pourraient intensifier la collecte et le recyclage des batteries, y compris la logistique, les tests et le démontage, le traitement et le suivi et la traçabilité numériques. Comme décrit ci-dessus, l'augmentation de la part de matériaux recyclés dans les nouvelles cellules de batterie aiderait non seulement à remédier à la pénurie d'approvisionnement prévue pour les matériaux de batterie, mais également à réduire considérablement l'empreinte CO2e de ces batteries.

Métrique. Les producteurs pourraient accroître la transparence en établissant des normes et des mesures. Une option serait un « passeport de batterie 8 », « Battery Passport », Global Battery Alliance, 15 mars 2022. qui a été récemment lancé par la Global Battery Alliance9.

Partenariats. Les acteurs de la chaîne de valeur peuvent souhaiter former des partenariats multilatéraux. Par exemple, un partenariat entre des entreprises de matières premières (comme le nickel, le cobalt, le lithium et l'aluminium), des producteurs de matières actives, des fabricants de cellules et des équipementiers pourrait aider à résoudre les problèmes tout au long de la chaîne de valeur. Ces partenariats pourraient envisager de s'engager conjointement à passer à des sources d'électricité renouvelables à chaque étape de la chaîne de valeur, par exemple.

Les entreprises de batteries de véhicules électriques qui cherchent à commencer à décarboniser leurs propres émissions en amont devraient créer un manuel de jeu. Une première étape pourrait consister à créer un aperçu complet de l'empreinte carbone de leur propre produit sur la base d'une compréhension détaillée de leurs émissions en amont. Cet aperçu pourrait présenter leur portefeuille de fournisseurs et d'autres acteurs avec lesquels ils travaillent tout au long de la chaîne de valeur. Les entreprises pourraient y parvenir en collectant des données primaires auprès de leurs fournisseurs (et à leur tour des fournisseurs de leurs fournisseurs) et en évaluant les options de décarbonisation disponibles aujourd'hui et dans le temps. Ces informations et cette transparence aideraient à définir le bon niveau d'ambition et aideraient les entreprises à choisir la bonne stratégie en fonction d'un examen attentif des opportunités, des coûts et des risques de différenciation.

Comme suivi possible, les entreprises peuvent vouloir élaborer un plan d'action concret pour atteindre leurs objectifs, y compris des gains rapides tels que le passage à des sources d'énergie renouvelables et des actions stratégiques à long terme tout au long de leur chaîne d'approvisionnement. Les actions stratégiques pourraient inclure l'établissement d'alliances et de partenariats avec les acteurs concernés tout au long de la chaîne de valeur. Enfin, les entreprises pourraient développer une stratégie pour se positionner face à des clients conscients du CO2 et chercher des moyens de se différencier de leurs concurrents, en extrayant potentiellement des primes de prix de durabilité à moyen terme.

Dans la course à la réduction des émissions générées par la production de batteries pour véhicules électriques, les équipementiers ont de nombreuses options pour aller de l'avant. Les technologies sont en place ou émergent rapidement et permettront de réduire considérablement l'empreinte carbone des batteries. Cela garantira que les véhicules électriques seront à la hauteur des espoirs que de nombreux consommateurs placent en eux et marqueront une percée dans la course plus large à la décarbonisation de la mobilité et de l'économie dans son ensemble.

Martin Linderest un associé principal du bureau de McKinsey à Munich,Thomas Nauclerest un associé principal du bureau de Stockholm,Stefan Nekovarest consultant au bureau de Londres,Alexandre Pfeifferest un partenaire associé du bureau d'Amsterdam, etNikola Vekićest consultant au bureau de Bruxelles.

Les auteurs tiennent à remercier Marcelo Azevedo, Andreas Breiter, Nicolò Campagnol, Jakob Fleischmann, Xènia Greenhalgh, Mikael Hanicke, Eric Hannon, Evan Horetsky, Raphael Rettig, Lina Romero, Jade Rossi, Nitin Shetty, Lukas Torscht, Alexandre van de Rijt, Marlene von Monschaw, Monica Wang et Ting Wu pour leurs contributions à cet article.