Purification des émissions provenant du recyclage et de la production des batteries

La transition des combustibles fossiles vers des formes d'énergie plus vertes entraîne une expansion considérable de la production et de la capacité de recyclage des batteries lithium-ion en Europe.

Les filtres à charbon actif de DESOTEC offrent des solutions simples et efficaces pour traiter les émissions atmosphériques et les eaux usées dans l'industrie des batteries.

 

Le marché et les moteurs

D'ici 2040, la demande de batteries pour les véhicules électriques (VE) produits en Europe devrait atteindre 1 200 GWh par an. Pour la seule UE, le "Green Deal" de la Commission européenne décrit les batteries comme un pilier majeur de la neutralité climatique en 2050, non seulement pour les véhicules électriques à batterie, mais aussi pour le stockage de l'énergie éolienne, solaire et hydroélectrique destinée aux réseaux nationaux européens. Pourtant, à l'échelle mondiale, la production annuelle de batteries n'était que de 100 GWh en 2021. Toutefois, des capacités de production de plus de 450 GWh par an seront nécessaires à partir de 2030 pour atteindre les objectifs de l'UE.

En outre, au cours de l'année écoulée, on a pris conscience de la nécessité de recycler les batteries usagées pour éviter une future crise énergétique. Le Green Deal de l'UE, la loi sur l'économie circulaire et la directive sur les batteries renforcent également la nécessité de développer rapidement les capacités de recyclage. Selon une étude de Greenpeace réalisée fin 2020, près de 13 millions de tonnes de batteries de véhicules électriques arriveront en fin de vie entre 2021 et 2030. Pendant cette période, la production de batteries consommera 30 % des réserves de cobalt connues dans le monde, et l'utilisation du lithium augmentera également de façon spectaculaire.

Bien que la grande majorité des grandes installations de production de batteries dépassant une production de 1 GWh par an (gigafactories) se trouvent actuellement en Asie, l'Europe rattrape rapidement son retard et devrait atteindre 600 GWh d'ici 2030. Les préoccupations relatives à la rupture de la chaîne d'approvisionnement et à la durabilité incitent également les constructeurs automobiles européens à construire des installations de production et de recyclage de batteries plus près de chez eux. Au début de l'année 2022, plus de 40 gigafactories ont été annoncées pour ouvrir dans toute l'Europe d'ici 2030, tandis que plus de 50 installations de recyclage étaient prévues, également dans toute l'Europe.

 

Émissions polluantes

La production et le recyclage des batteries provoquent tous deux des émissions contaminées qui doivent être traitées avant d'être rejetées dans l'environnement. Dans le cas de la production de batteries, les émissions atmosphériques contaminées constituent le problème le plus important, tandis que dans le cas du recyclage, l'air pollué et les eaux usées peuvent constituer une préoccupation.

 

Polluants importants provenant de la production et du recyclage des batteries :

  • N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) du processus de revêtement ;
  • Les esters d'acide carbonique tels que le carbonate de diméthyle (DMC) et le carbonate d'éthylméthyle (EMC) comme solvants d'électrolyte dans le processus de remplissage des cellules.
  • Fluorure d'hydrogène (HF) lorsque les sels conducteurs, par exemple LiPF6 , entrent en contact avec l'humidité ou que le liant PVDF se dégrade, notamment lors du processus de recyclage.

 

Le NMP est classé comme une substance extrêmement préoccupante en raison de sa toxicité. Il est donc soumis à des limites d'émissions très strictes, souvent bien inférieures aux limites standard de COV. Pour faire face à ces émissions, les entreprises doivent soit installer un système de purification efficace, soit passer à des molécules alternatives. Aujourd'hui, le NMP est le solvant de revêtement préféré en raison de sa capacité de traitement éprouvée. Des solvants alternatifs pour le processus de revêtement, tels que le phosphate de triéthyle (TEP) ou l'acétoacétate d'éthyle (EAA), peuvent être moins nocifs, bien que leur exploitabilité à grande échelle ne soit pas encore prouvée. Bien qu'ils ne soient pas soumis à des limites d'émissions aussi strictes que celles du NMP, ils restent une source de préoccupation pour les entreprises pour des raisons de durabilité.

Les DMC et EMC sont moins dangereux mais très volatils et photosensibles. Tout comme les émissions du processus de revêtement, ils doivent être éliminés. Le HF est corrosif et toxique et doit donc être purifié.

 

BREFs pertinents relatifs au recyclage des piles

 

Il n'existe pas de document de référence (BREF) sur les meilleures technologies disponibles (MTD) pour le recyclage des batteries. Par conséquent, le BREF Traitement des déchets (catégorie 16 - Déchets non spécifiés ailleurs) peut être considéré comme la source pertinente pour les meilleures technologies disponibles - niveaux d'émission associés (MTD-NAE) pour le contrôle des émissions [5,6]. En plus des conclusions générales sur la minimisation des émissions (MTD 1-25), les MTD des différentes catégories de traitement des déchets peuvent également être prises en compte, telles que celles pour :

  • Traitement mécanique des déchets métalliques dans les broyeurs (MTD 26-28)
  • Traitement des DEEE contenant des VFC et/ou des VHC (MTD 29-30)
  • Traitement physico-chimique des déchets solides et/ou pâteux (MTD 40-41)
  • Traitement thermique du charbon actif usé, des catalyseurs usagés et des sols contaminés excavés (MTD 48-49).

Les concentrations BAT-AEL sont les valeurs qui sont généralement reprises par les législateurs nationaux et incluses dans les exigences d'émission pour la délivrance d'un permis d'exploitation. Le tableau 1 montre que l'adsorption des polluants sur du charbon actif en grains est considérée comme l'une des meilleures technologies disponibles. On peut également constater que les niveaux d'émission des composants susmentionnés des batteries au lithium sont très faibles. Dans la plupart des diagrammes de processus, une combinaison de technologies telles que le lavage alcalin humide suivi de l'adsorption sur charbon actif est utilisée pour atteindre ces faibles niveaux.

 

Tableau 1 : Polluants réglementés pertinents pour le recyclage des piles au lithium, meilleure technologie disponible et concentration de gaz propre réalisable [6].

Polluant

Fréquence de mesure

BAT

Technologie

BAT-AEL / mg/Nm³

CFCs

6 mois

BAT29

Adsorption, condensation cryogénique

0,5-10

poussière

6 mois

BAT41

Lavage humide, filtre, cyclone

2-5

HF

-

BAT49

Adsorption, épuration par voie humide

5-15

métaux

12 mois

BAT25

Lavage humide, filtre, cyclone

2-5

TVOC

6 mois

BAT 29/41

Adsorption, condensation cryogénique, filtre en tissu, lavage humide.

3-15

 

Émissions dans l'air

Production de batteries : Plusieurs étapes du processus de production sont à l'origine d'émissions atmosphériques contaminées.

Il s'agit notamment de la mise à l'air libre des réservoirs de solvant (NMP, DMC/EMC), du revêtement des cathodes (NMP), de l'injection d'électrolytes dans la batterie (DMC/EMC) et du recyclage interne des batteries déjà remplies qui libère généralement du DMC et de l'EMC.

Les débits varient entre les différents étages mais peuvent être élevés, jusqu'à 30-40 000 m³/h. Les concentrations dans ces flux d'air sont généralement faibles, de l'ordre de 2-30 mg/Nm³. Toutefois, des limites d'émission de 1 mg/Nm³ de NMP et de 10 mg/Nm³ de DMC/EMC ont été observées sur le marché.

DESOTEC a installé des filtres de différentes tailles pour certaines des différentes étapes, à savoir plusieurs Aircon 2000 et 3000, deux AIRCON V-XL et Aircon V-L avec système Airconnect dans des installations européennes de production de batteries pour traiter les émissions susmentionnées.

 

Recyclage des batteries :  Là encore, les émissions peuvent être libérées à plusieurs étapes. Le processus de broyage est une source importante. Il s'agit de séparer les solides des liquides en broyant les batteries pour en faire des granulés, puis en évaporant les gaz acides comme l'acide fluorhydrique et les solvants. Cependant, surtout en présence d'humidité ou d'oxygène, des gaz acides comme l'acide fluorhydrique ou le trifluorure de phosphore se forment, par exemple à partir du sel conducteur LiPF6 ou de polymères comme le PVDF. Les composés organiques comme le liant, la feuille et les électrolytes peuvent conduire à une émission de produits de décomposition complexes, contenant par exemple de l'éthène. C'est pourquoi les laveurs alcalins humides sont souvent utilisés pour éliminer le HF. L'élimination efficace des composés organiques volatils peut alors être obtenue par l'application en aval de charbon actif.

Les débits sont faibles, généralement de l'ordre de quelques centaines de m³/h, mais les concentrations de COV sont élevées, souvent de l'ordre de 1 à 10 g/m³.

Les solvants de l'électrolyte évaporés (DMC/EMC, etc.) peuvent être condensés et stockés dans des réservoirs, qui libèrent des émissions par des évents. Le granulat séché (souvent appelé masse noire) contient des métaux, notamment de l'aluminium, du nickel, du cobalt, du lithium et également du graphite. Les métaux sont extraits de la masse noire par des procédés thermiques ou hydrothermaux. Dans ce dernier traitement hydro-métallurgique, des solvants sont utilisés et peuvent se retrouver dans les émissions atmosphériques et aquatiques.

Alors qu'aujourd'hui, le recyclage se concentre d'abord sur les métaux lourds, le contrat vert de l'UE et la directive sur les batteries ont fixé des objectifs de recyclage ambitieux pour traiter également le lithium. Cependant, de nombreuses entreprises évaluent également la faisabilité de la récupération des électrolytes et du graphite.  Au cours du processus d'extraction des métaux, des solvants ou des modificateurs de solubilité peuvent également être utilisés, ce qui peut se retrouver dans les émissions atmosphériques. Il s'agit d'une autre application potentielle de la filtration sur charbon actif.

DESOTEC peut fournir soit une grande unité de filtration, soit quelques filtres plus petits en série. Cela dépend largement des besoins du client, y compris de l'espace disponible sur le site.

 

Eaux usées

La pollution des eaux usées peut survenir lors du lavage et du rinçage des composants. Le ruissellement des eaux de pluie peut également entraîner une contamination. En raison de la nature hautement énergétique des batteries, la prise de feu est possible et les installations de recyclage peuvent donc avoir des écoulements de refroidissement ou d'extinction d'incendie dans les eaux de drainage.

Les eaux usées contiendront un mélange de composants d'électrolytes, de revêtements et de produits de nettoyage, de sorte que la contamination est mesurée en termes de niveaux globaux de demande chimique en oxygène (DCO).

 

Produits chimiques

Dans la production ou le recyclage des batteries, les solvants organiques ou les électrolytes qui se sont évaporés sont condensés et réinjectés dans la production. Toutefois, avec l'augmentation de l'efficacité de ce processus, il faudra utiliser moins de solvants ou d'électrolytes factices. Cela peut conduire à un enrichissement éventuel des impuretés dans les produits organiques en circulation, ce qui peut avoir un impact négatif sur le produit. Le charbon actif est connu pour éliminer efficacement les impuretés dans les solvants organiques comme les composés aromatiques ou halogénés.

La séparation hydro-métallurgique du lithium des métaux lourds par précipitation hydroxyle laisse une saumure contenant du sulfate de lithium avec des impuretés organiques provenant des électrolytes, des produits de décomposition contenant du fluor ou du phosphore mesurés sous forme de COT (carbone organique total). La filtration de cette solution avec du charbon actif avant un traitement ultérieur s'est avérée très bénéfique.

 

Les avantages des solutions DESOTEC

La production et le recyclage des batteries sont des secteurs en pleine évolution et en pleine croissance. La technologie ne cesse de s'améliorer, ce qui permet à la fois d'électrifier les flottes de transport et de récupérer des quantités croissantes de composants précieux à partir des batteries usagées. La connaissance de l'empreinte carbone des produits et des opérations, ainsi que la conformité dans les catégories dites de performance, sont clairement exigées dans la proposition d'amendement de la directive européenne sur les batteries.

Chez DESOTEC, nous soutenons ce secteur et fournissons déjà des filtres à deux installations européennes de production et de recyclage de batteries. Nos filtres sont idéaux pour les sites qui sont sous pression pour être opérationnels aussi rapidement, facilement et sûrement que possible. De plus, nous proposons des charbons actifs à faible empreinte carbone et, grâce à la réactivation des charbons actifs usagés, nous avons une visibilité claire et rapportable sur l'empreinte carbone de votre étape de nettoyage des émissions et de purification des produits.

Nos filtres sont mobiles et peuvent donc être installés très rapidement. De nombreuses technologies alternatives, comme les oxydateurs thermiques régénératifs (RTO), nécessitent plusieurs mois de planification et d'ingénierie, et peuvent être soumises à des retards dans la chaîne d'approvisionnement. En revanche, le délai de livraison de nos filtres est généralement de quelques semaines, voire plus vite en cas d'urgence. Les différentes tailles de nos filtres permettent une utilisation idéale de l'espace chez le client. Par ailleurs, la volatilité des prix du gaz naturel peut constituer un risque sur le coût d'exploitation des systèmes de traitement par oxydation thermique.

Nos filtres commencent à fonctionner immédiatement. Le charbon actif est une technologie simple : si une contamination est présente, les filtres l'adsorbent. Contrairement à d'autres technologies, il n'a pas besoin d'un flux constant pour fonctionner efficacement. Il est donc idéal pour les nouvelles usines où la production peut s'arrêter et redémarrer. Une fois que l'usine fonctionne sans problème, les filtres peuvent être optimisés si nécessaire.

DESOTEC prend en charge tous les déchets, ce qui permet aux entreprises de se concentrer sur la production. Le remplacement des filtres est simple et peut être effectué sans interruption de la production. Nos techniciens transportent ensuite le charbon usé hors du site du client dans l'unité de filtration fermée, ce qui constitue un processus sûr et sans problème. Il est réactivé dans nos installations en Belgique, ce qui permet de boucler la boucle et de renforcer la durabilité. DESOTEC connaît l'empreinte carbone de tous ses produits. Grâce à nos filtres mobiles, vous êtes paré pour l'avenir en vue de l'obligation de déclaration de l'empreinte carbone imposée par l'UE en 2024.

Contactez DESOTEC aujourd'hui

Pour plus d'informations, contactez dès aujourd'hui notre équipe d'ingénieurs.