Recyclage des piles
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Recyclage des batteries au plomb

Un paradigme pour le recyclage des piles dans une économie circulaire

Le recyclage des batteries, en particulier des batteries au plomb, est un modèle pour l’industrie du stockage de l’énergie. Nous sommes tous conscients du concept et des avantages de l’économie circulaire. L’élément le plus important est de disposer non seulement de processus de recyclage des biens usagés, mais aussi d’une infrastructure établie et sûre pour la collecte et le transport des matériaux de rebut. Avec l’utilisation croissante de batteries pour de nombreuses applications commerciales et industrielles, notamment les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie, l’approvisionnement en matières premières pour les batteries et la recyclabilité de ces dernières suscitent de plus en plus d’inquiétudes. Il est assez évident que leur recyclabilité et la disponibilité des matières premières pour leur fabrication sont inextricablement liées.

Les batteries au plomb sont les produits les plus recyclés de la planète !

Il existe plusieurs technologies de stockage électrochimique qui représentent actuellement la majorité des fabricants et des utilisateurs de batteries dans le monde.
Figure 1. La proportion des différentes chimies de batteries vendues dans le monde en fonction des MWh.
Fig. 1 montre la répartition approximative par ventes mondiales de MWh des différents types de batteries produites annuellement. Il est clair que la batterie au plomb et la batterie au lithium-ion sont deux technologies qui dominent les marchés actuels des batteries. Le taux de croissance très rapide des batteries li-ion est tout aussi évident, et ce taux de croissance suscite des inquiétudes. L’un d’entre eux est l’absence de processus de recyclage commercial pour les piles au lithium, ce qui peut entraîner des problèmes d’élimination en fin de vie.

D’autre part, il se peut qu’il n’y ait pas assez de matériaux pour fabriquer des batteries répondant à la demande croissante. Les deux sont inextricablement liés et dans ce blog, nous examinerons comment la chimie du plomb-acide pourrait servir de modèle pour le recyclage des batteries de tous les types de systèmes de stockage électrochimique.
L’une des vertus qui distinguent la chimie du plomb, c’est son ancienneté. C’est pourquoi nous avons mis au point des méthodes de recyclage et de réutilisation de tous les matériaux de construction, à tel point que nous pouvons prétendre à un taux de récupération de presque 100 % de la batterie complète.

Comment fonctionne le recyclage des piles ?

Cette statistique impressionnante ne dépend pas seulement des méthodes mécaniques et chimiques utilisées pour briser, classer et raffiner les matériaux, mais aussi de l’existence d’un réseau de collecte et de distribution. Le processus de fonte et d’affinage du plomb est connu de l’homme depuis plusieurs milliers d’années. Cependant, les attributs mêmes du plomb, qui favorisent le recyclage des batteries, c’est-à-dire son faible point de fusion et son manque de réactivité, sont ceux qui réduisent son activité électrochimique et donc sa densité énergétique. Cette recyclabilité est un facteur important dans l’acceptation du plomb comme matériau de construction pour les batteries, et ce malgré sa toxicité connue. C’est la toxicité qui est actuellement préoccupante, tant pour les fabricants que pour les recycleurs de piles.

C’est pourquoi des méthodes alternatives aux techniques pyrométallurgiques traditionnelles polluantes sont développées. Ces méthodes reposent sur la dissolution de la matière active de la batterie dans des solvants, puis sur l’extraction du plomb sous diverses formes chimiques. Nous examinerons les avantages et les inconvénients de ces deux approches dans le prochain blog et donnerons notre avis sur leurs mérites respectifs. Mais dans le cas présent, nous nous concentrons sur la technologie plomb-acide et sur les infrastructures et méthodes de recyclage actuellement utilisées. À ce stade, il serait utile d’aborder brièvement les principes généraux du recyclage afin d’apprécier les obstacles à surmonter pour recycler efficacement et commercialement tous les types de piles.

Une définition générale du recyclage serait la suivante :

  • « L’action ou le processus de transformation des déchets en matériaux utilisables. »
  • Cette définition peut être affinée et divisée en deux volets : le recyclage en circuit ouvert et en circuit fermé.
Fig 1 Worldwide battery market
Figure 1. Taille du marché mondial des batteries
Fig 3. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
Figure 2. Les avantages du recyclage des accumulateurs au plomb pour l'économie circulaire

Recyclage en boucle ouverte & Recyclage en boucle fermée

Fig. 2 donne les principes généraux des deux types. La boucle fermée signifie que les matériaux récupérés sont réutilisés dans leur but initial, par exemple les bouteilles en verre usagées sont recyclées en d’autres bouteilles en verre. Le recyclage en boucle ouverte consiste à réutiliser les matériaux récupérés pour un usage différent, et probablement unique, avant de finir en déchets inutilisables. Par exemple, l’incinération des déchets domestiques pour fournir un chauffage local à un centre commercial. Les sous-produits, essentiellement des gaz tels que les NOx, SOx et CO2, seraient considérés comme des polluants. Tout sous-produit solide serait également un déchet inutilisable, qui finirait dans une décharge.

Le recyclage des piles est-il rentable ?

Si les définitions du recyclage données ci-dessus sont bonnes à des fins de discussion, il faudrait ajouter un mot : « économiquement » entre la transformation et les déchets, afin d’avoir un processus financièrement viable. C’est important. Sans ce facteur clé, aucune entreprise n’assumerait les processus laborieux et coûteux nécessaires à la collecte et au transport des déchets, ainsi que le coût et les frais d’extraction et de récupération des matériaux requis. En règle générale, il ne fait guère de doute qu’il est techniquement possible de récupérer et de recycler presque tout ce qui se trouve dans chaque composant manufacturé sur Terre. La technologie et le savoir-faire existent. Le problème est de savoir combien cela coûte.

En gardant ces principes à l’esprit, nous pouvons nous pencher spécifiquement sur le recyclage des piles. Fig. 3, est un diagramme schématique, illustrant la pratique circulaire et officielle de recyclage des batteries au plomb.

Fig 3a. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
Figure 3. Références en matière de recyclage des batteries au plomb dans le cadre de l'économie circulaire
Fig 4. Recycling efficiency for lead acid batteries in European Nations
Figure 4. Efficacité du recyclage des batteries au plomb dans les pays européens

Que se passe-t-il lorsque vous recyclez des piles ?

Il en ressort qu’il existe un parcours bien établi et bien informé de la fabrication à l’élimination et à la valorisation des piles. Il existe des points de collecte où le détaillant d’origine ou des points de recyclage de piles privés et publics ont utilisé les piles retournées par le consommateur dans le but spécifique de les recycler en nouvelles piles. Il convient de noter que le transport des piles usagées nécessite un confinement approprié en raison de leur nature dangereuse. Ces procédures et pratiques de travail font référence aux organisations officielles de recyclage des piles, qui se composent de sociétés de collecte et de livraison, d’organisations de vente au détail, de fonderies et de raffineries de plomb (souvent appelées « recycleurs »), qui sont unies par la colle de la législation et de la réglementation relatives à la collecte, au stockage et au transport des matières dangereuses.

Comment fonctionne le recyclage des piles ?

Cependant, comme il est largement reconnu, il existe aussi un secteur informel qui fait du recyclage en batterie en dehors des contraintes légales coûteuses des voies officielles.

Si cette situation est connue dans des pays comme l’Afrique, l’Inde et l’Amérique du Sud, on pense que les nations plus industriellement développées, comme l’Europe, n’auraient pas recours à des éléments informels dans ce processus en boucle fermée. Si tel est le cas, l’efficacité du recyclage des piles devrait être proche de 100 % dans les pays européens.

Pourquoi est-il important de recycler les piles ?

Malheureusement, ce n’est pas le cas, et Fig. 4 montre le statut du recyclage des piles pour la majorité de l’Europe. On constate ici que seuls 8 pays sur 30 ont atteint une efficacité de recyclage des piles supérieure à 90 % en 2018, et que seuls 4 pays ont atteint ou sont sur le point d’atteindre un taux de récupération et de recyclage des piles de 100 %. Toutefois, de nombreux facteurs sont à l’origine de ces statistiques, notamment les critères de déclaration et l’objectif mouvant consistant à faire correspondre les niveaux de vente annuels actuels avec la durée de vie des batteries et la quantité de déchets disponibles provenant des ventes des années précédentes. Le mouvement et la distribution des batteries usagées en Europe peuvent parfois, malgré la législation, se faire par des moyens informels, voire illégaux.

Pourquoi recyclons-nous les piles ?

Cela est particulièrement vrai lorsque la demande est élevée et que l’offre est faible.
Cela nous amène au point suivant, à savoir la confusion autour de la statistique souvent citée selon laquelle les batteries au plomb sont recyclées à presque 100 %. Cela est vrai lorsque l’on parle de la quantité de matériaux de piles récupérés dans le processus, et non de la quantité totale de piles recyclées. Cela signifie que la quasi-totalité du plastique, du plomb et de l’acide contenus dans la batterie finit par servir de matière première pour la fabrication d’autres batteries. Dans certains cas, il peut s’agir de matières premières pour d’autres matériaux, comme l’acide sulfurique utilisé pour fabriquer des engrais.

En tout état de cause, il n’est pas techniquement possible de récupérer 100 % de quoi que ce soit, car certaines pertes se produiront inévitablement, même si elles sont inférieures à 1 %. Le détournement de l’acide sulfurique vers d’autres utilisations, comme mentionné, signifie également que les procédures de récupération ne répondent pas complètement au modèle circulaire qui est joyeusement présenté sur les sites web des organisations de plomb et des entreprises de recyclage des batteries. Il faut également ajouter à cela les inévitables émissions toxiques et les déchets (scories) qui peuvent être générés par les méthodes pyrométallurgiques de recyclage des batteries au plomb.

Pour comprendre les taux de recyclage des batteries, les pertes éventuelles dans les processus et les déchets générés, nous devons examiner à la fois les matériaux d’une batterie au plomb et les principes chimiques et techniques des processus de récupération. Fig. 5 est un diagramme schématique du processus de récupération utilisé dans le recyclage des batteries plomb-acide.

Qu'est-ce qu'une usine de recyclage de batteries ?

Fig 5. Processing route for collected lead acid battery scrap
Figure 5. Voie de traitement des déchets de batteries plomb-acide collectés
Fig 6. Lead acid battery scrap starting to be processed at a battery recycling plant
Figure 6. Début du traitement des déchets de batteries au plomb dans une usine de recyclage de batteries.

Processus de recyclage des piles

Dans ce cas, il s’agit des méthodes pyrométallurgiques actuelles, qui sont jusqu’à présent les seuls procédés disponibles sur le marché. Le schéma montre 4 étapes fondamentales après la collecte et la livraison au site de recyclage des piles. Ce sont :

  • La rupture et la ségrégation des batteries. Les déchets de batterie sont mis dans un broyeur à marteaux pour être brisés, puis séparés en pâte plombifère de base, en granules de grille métallique, en morceaux de plastique et en composants acides, Fig. 6.
  • Désulfuration. La pâte ou la matière active plombée est traitée avec du carbonate de soude pour éliminer le soufre.
  • Four de fusion (haut fourneau ou réverbère). La pâte désulfatée est ensuite fondue dans un haut fourneau ou un four à réverbère pour réduire les composés plombifères en lingots de plomb tendre ou dur, en fonction de la composition de la ferraille et du produit final envisagé (figure 1). 7.
Fig 7. Reverberatory furnace used for lead acid battery active material recycling
Figure 7. Four réverbère utilisé pour le recyclage des matières actives des batteries au plomb-acide
Fig 8. Schematic comparing two dissolution routes to lead acid battery active material recycling
Figure 8. Schéma comparant deux voies de dissolution pour le recyclage des matières actives des batteries au plomb-acide

Recyclage des déchets de piles

  • Raffinage du lingot de plomb. La méthode la plus courante est la calcination, qui permet de produire soit du plomb tendre (pur), soit du plomb dur (alliage).
    Ce diagramme soulève quelques points intéressants. Outre les composants recyclés en tant que produits, il y a aussi le problème des émissions à différentes étapes du processus.

Il s’agit généralement d’émissions atmosphériques et d’effluents de gaz (COx, SOx, NOx), de poussières plombifères et d’eaux usées contenant des contaminants tels que le soufre et le plomb. Ces émissions sont régies par des normes nationales et locales dans chaque pays où le recyclage du plomb est pratiqué. Les niveaux modernes sont très faibles et la contamination de l’air, du sol et de l’eau est généralement un problème du passé dans le secteur formel réglementé. Ce n’est toutefois pas le cas du secteur informel qui, selon l’OMS, a été, et est toujours, responsable d’une importante contamination des sols et d’une élévation des niveaux de plomb dans le sang dans certaines villes et villages.

Un autre développement du procédé pyrométallurgique est la récupération de contaminants métalliques dans les scories résiduelles, ce qui peut rendre cette fraction de déchets appropriée pour les projets de remblayage de terrains ou de routes.
Deux exemples de ces processus de dissolution sont les technologies brevetées d’Aurelius et de Citrecycle. Ces deux entreprises ont un procédé qui utilise l’acide citrique comme solvant pour dissoudre la pâte plombifère avant de la récupérer sous forme de divers composés de plomb pour un traitement ultérieur.

Le diagramme de flux Fig8 compare ces deux processus. Le diagramme montre que les déchets de batteries sont toujours brisés et séparés comme dans la méthode conventionnelle, mais que le processus de fusion et de désulfuration est absent. Il existe un produit commercialisable, le citrate de plomb séché, qui peut être vendu au secteur formel pour une transformation ultérieure dans des conditions contrôlées et réglementées. Il a été proposé que ce type de processus puisse être adopté sous forme modulaire, sous le contrôle des autorités locales, par le secteur informel actuel du recyclage. Elle aurait le double avantage de prévenir la contamination par le plomb et l’empoisonnement du sang, mais aussi d’attirer les recycleurs informels sous le contrôle du secteur formel du recyclage.

Les batteries au plomb sont les produits les plus recyclés de la planète ! - Fig.9

Fig 9. Status of global material recycling rates
Fig 9. Status of global material recycling rates

Le secteur du recyclage des batteries d’ accumulateurs au plomb est en effet un modèle d’économie circulaire et pourrait être considéré comme un modèle de première étape à partir duquel diverses itérations pourraient être dérivées et adaptées à différentes chimies de batteries. Cependant, il existe des difficultés liées à la toxicité du plomb et au contrôle des émissions et des déchets issus des méthodes actuelles de recyclage pyrométallurgique des batteries. Il convient d’améliorer la gestion du secteur informel qui ne remplit pas les exigences légales fixées par les gouvernements nationaux et locaux en matière de collecte, de stockage et de traitement des piles usagées. Cependant, de nouveaux procédés moins coûteux et plus respectueux de l’environnement, conçus pour résoudre les problèmes de pollution et de sécurité, sont sur le point d’être commercialisés.

Grâce à ces méthodes, qui sont plus sûres et moins polluantes, l’objectif de produire du plomb doux à quatre neuf à partir de déchets de batteries sera réalisable. L’économie et la politique mondiales influent sur l’approvisionnement en matériaux et en plomb utilisés dans la fabrication des batteries. Le recyclage complet de tous les déchets de batteries générés en interne, en utilisant des méthodes qui produisent moins de CO2, éliminent les scories et minimisent la pollution, est la voie à suivre. Bien que la situation actuelle du recyclage des batteries au plomb soit exemplaire, l’industrie s’efforce toujours de s’améliorer pour rendre tous ses processus plus propres, plus sûrs et plus respectueux de l’environnement.

Les nouvelles technologies qui espèrent atteindre cet objectif pourraient constituer une avancée significative, et Microtex, comme toujours, sera à l’avant-garde pour informer avec précision ses clients et partenaires des derniers développements technologiques en matière de batteries qui nous concernent tous directement.

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