Cet article fait partie des 112 cas de l’économie bleue.

Cet article fait partie d’une liste de 112 innovations qui façonnent l’économie bleue. Il s’inscrit dans le cadre d’un vaste effort de Gunter Pauli pour stimuler l’esprit d’entreprise, la compétitivité et l’emploi dans les logiciels libres. Pour plus d’informations sur l’origine de ZERI.

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Cas 92 : Cathodes en bois

Mar 9, 2013 | 100 Innovations, Autre

Le marché

Le marché mondial des matériaux cathodiques a été calculé en 2011 à 59 470 tonnes pour une valeur totale des ventes de 600 millions de dollars. La demande de lithium augmente à un rythme de 30 % par année et devrait maintenir ce rythme dans un avenir prévisible. En conséquence, les prix du lithium en 2005, principal matériau des batteries haute densité, étaient limités à un dollar par kilogramme et ont depuis décuplé pour atteindre 10 000 dollars la tonne. Étant donné que le nombre de véhicules électriques devrait passer à 500 000 d’ici à 2015, la base d’énergie électrique produite à partir de batteries devrait être portée à 15 milliards de kWh/an. Cela exerce une pression énorme sur l’approvisionnement en matériaux. Une petite batterie au lithium de 5 kWh pour une voiture compacte nécessite 300 grammes de lithium pour chaque kWh de capacité de stockage. Cependant, un SUV de grande taille utiliserait 3 kg de lithium pur par unité de puissance. En raison de sa haute densité énergétique, le monde entier adopte le lithium comme métal pour alimenter tous les appareils mobiles. Les ordinateurs portables et la plupart des appareils mobiles portables représentent le plus grand segment du marché en dépit de leur coût plus élevé. Cependant, le nouveau marché émergent est celui de la mobilité et du transport. L’Amérique latine contrôle environ 80 % des réserves mondiales de lithium avec le Chili (3 millions de tonnes), l’Argentine (2 millions de tonnes), la Bolivie (5,4 millions de tonnes) et le Brésil (<1 million de tonnes). La Chine occupe le quatrième rang avec 1,1 million de tonnes. Si le monde troquait le pétrole contre le lithium, l'Amérique du Sud deviendrait le nouveau Moyen-Orient et la Bolivie avec ses marais salants d'Uyuni – un écosystème unique et ancien – serait plus riche et politiquement plus puissante que l'Arabie saoudite ne l'a jamais été. Les Etats-Unis, l'Europe et le Japon compteraient à nouveau sur des sources extérieures tandis que la Chine pourrait garantir son autosuffisance grâce à ses propres réserves. Le plus grand producteur de lithium est SQM du Chili avec une production de 27 000 tonnes par an. Le principal concurrent local est SCL (contrôlée par Chemetall d'Allemagne) avec une production annuelle de 14 000 tonnes. FMC Lithium en Argentine est en concurrence avec Admiralty Resources of Australia et Sterling Resources de Chine. La majeure partie de l'approvisionnement futur en lithium devra provenir de lacs salés situés sur des chaînes de montagnes de 3 000 mètres d'altitude, où l'exploitation minière écologiquement sensible se fera dans des conditions difficiles, au risque de mettre en péril des ressources précieuses. L'absence totale d'infrastructures et les règles strictes en matière d'investissement en Bolivie et en Argentine limitent les schémas traditionnels d'investissement des sociétés multinationales.

L’innovation

Aujourd’hui, si le parc automobile mondial d’un milliard de véhicules est remplacé à un rythme de 60 millions par an et si ces véhicules étaient remplacés par des véhicules hybrides ou électriques à batterie (VE), il est clair qu’il n’y a pas suffisamment de lithium disponible dans l’écorce terrestre pour soutenir le déploiement des VE à base de batteries lithium. Pire, dans cette hypothèse de remplacement, les taux d’épuisement des minerais de lithium dépasseront les taux actuels d’épuisement du pétrole et donc le passage d’une ressource non renouvelable à une autre ne résout pas le problème du carburant pour la mobilité, et même le bilan des émissions de carbone avec l’exploitation et le traitement comme c’est le cas actuellement reste contestable. Les technologies de batteries alternatives de ZnAir et NaNiCl ne sont pas aussi limitées en ressources mais n’offrent pas les performances recherchées par l’industrie. Grzegorz Milczarek est né à Gostynin, près de Varsovie, la capitale de la Pologne. Sa passion pour les sciences en général et la chimie en particulier est apparue dès l’école primaire. Il aimait jouer avec des pistolets à éclats et faire exploser des pétards et s’interrogeait sur les forces qui créaient ces bruits. Son désir de comprendre les explosifs l’a amené à se spécialiser en chimie à l’Institut de chimie et d’électrochimie technique de l’Université technique de Poznan où il a obtenu sa maîtrise en 1994. Après une période de recherche intensive, Grzegorz a superbement soutenu sa thèse sur les électrodes modifiées et a obtenu un doctorat en 1999. Des recherches l’ont également amené pendant deux ans au Japon. Il y a quelques mois, il a été élu vice-doyen de la faculté après que lui et ses collègues ont publié un article surprenant dans Science Magazine (23 mars 2012) qui – traduit en termes simples – proposait des piles en bois. Grzegorz et Olle Inganäs, son collègue du Département de physique, chimie et biologie de l’Université de Linköping (Suède) ont étudié l’utilisation potentielle de la liqueur brune, le déchet du traitement du papier. Ce mélange chimique de sulfites, de lignine et d’hémicellulose est souvent brûlé pour produire de la vapeur. Toutefois, compte tenu des volumes et des flux de déchets résiduels après incinération, l’équipe a recherché des applications à plus forte valeur ajoutée au-delà de l’électricité et de la chaleur. Grzegorz s’est inspiré de la photosynthèse et a étudié avec l’équipe comment la lignine pouvait être transformée en molécules conductrices de l’électricité qui transportent les électrons comme le font certaines molécules pendant la photosynthèse. En mettant la boue dans un polymère conducteur, ils ont créé une cathode peu coûteuse capable de supporter une charge. Cela a remarquablement bien fonctionné. Olle et Grzegorz ont ensuite créé un prototype qui a continué à se décharger lorsque la batterie n’était pas utilisée. Il fallait corriger cette situation et ils ont réussi à trouver le moyen de résoudre ce problème. L’équipe croit qu’elle est capable de transformer la lignine pour créer une batterie renouvelable à faible coût, créant ainsi une deuxième source de revenus provenant de la transformation du bois en papier – une batterie faite principalement de résidus de bois qui est aujourd’hui un gaspillage en abondance. Cela ressemble à une approche typique de l’économie bleue.

Le premier flux de trésorerie

Les inventeurs veulent stocker l’électricité renouvelable là où elle est produite, sans le réseau coûteux. Maintenant que les technologies solaires atteignent un coût compétitif (Cas 53), la clé du succès est de concevoir de nouveaux systèmes de stockage d’énergie basés sur des matières premières bon marché et renouvelables, évitant ainsi de nouveaux besoins miniers. La clé du succès a été la conception de ce film mince de 0,5 micron produit par l’équipe polono-suédoise à partir d’un mélange de dérivés de lignine extraits de la liqueur brune. Comme la lignine constitue 20 à 30 % de la biomasse d’un arbre et qu’elle est actuellement rejetée dans le processus de fabrication du papier, elle est une source inépuisable, ce qui soulage la pression sur les ressources en lithium qui diminuent. Olle et Grzegorz ont ensuite breveté leur prototype de deux centimètres carrés. Cependant, ils se sont vite rendu compte que la conception de la cathode n’est que la moitié de la solution pour un tout nouveau concept de batterie. Ils doivent également redessiner l’anode. Une équipe composée d’étudiants en doctorat travaille sur la façon d’obtenir un concept complet. La vision est d’avoir une batterie entièrement renouvelable. Entre-temps, ils font l’essai d’un polymère entièrement recyclable connu sous le nom de polypyrrole, un dérivé du pétrole recyclable à 100 % qui est connu de l’industrie depuis plus de trois décennies.

L’opportunité

Grzegorz ne limite pas son esprit créatif dans le monde des batteries. Il voit de multiples possibilités pour l’utilisation de la lignine résiduelle, démontrant de multiples revenus et avantages à partir d’une seule matière renouvelable mise au rebut. Il a conçu avec succès un capteur chimique fabriqué à partir de lignine pure extraite de la même liqueur noire. Ce capteur rapide et bon marché mesure le glucose dans le sang des patients diabétiques. Leurs recherches créatives portent également sur de nouvelles connaissances sur le système immunitaire des plantes qui ouvrent une vaste plate-forme à usages multiples pour l’une des ressources renouvelables les plus abondantes de la planète qui reste inutilisée dans notre société industrialisée et qui ne génère pas la valeur ajoutée, la ou les emplois qu’il pourrait offrir. Maintenant que la première partie de la conception du produit a été achevée avec succès, il est temps pour certains entrepreneurs visionnaires de se lancer dans le développement d’un tout nouveau concept de batterie et de mettre les capteurs sur le marché. L’industrie du papier et de la pâte à papier pourrait même être la première à en bénéficier en cette période où la consommation diminue et où le recyclage du papier atteint ses limites.

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