Approche stratégique visant l’innovation des batteries

Bureau de recherche
et de développement énergétiques

Also available in English under the title: Strategic Approach to Battery Innovation

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No de cat. M159-22/2024F-PDF / ISBN 978-0-660-73793-5

© Sa Majesté le Roi du chef du Canada, représenté par le ministre des Ressources naturelles, 2024

Table des matières

• Avant-propos
• Pourquoi élaborer une approche stratégique
• Contexte de l’innovation des batteries
  • L’incidence des batteries sur la transition énergétique
  • L’innovation est nécessaire pour répondre aux besoins du marché
  • Construire l’écosystème canadien de l’innovation des batteries
• Approche stratégique visant l’innovation des batteries
  • Pilier n° 1 : Soutenir l’innovation qui accélère la décarbonisation, la sécurité et la compétitivité de la chaîne de valeur des batteries
  • Pilier n° 2 : Soutenir le développement d’une infrastructure d’innovation de classe mondiale dans le domaine des batteries au Canada
  • Pilier n° 3 : Renforcer le réseau d’innovateurs canadiens dans le domaine des batteries et favoriser la croissance d’entreprises canadiennes de classe mondiale dans la chaîne de valeur des batteries
  • Priorités en matière d’innovation des batteries
• Cadres permettant de mieux comprendre les vecteurs de l’innovation
  • Cadre de durabilité des batteries
  • Cadre de l’anatomie d’une batterie
  • Cadre de performance des batteries
  • Cadre de mise à l’échelle et du niveau de maturité technologique
  • Cadre de la chaîne de valeur des batteries
• Annexe A : Possibilités d’innovation pour les intervenants
• Références

Avant-propos

Ce document est complémentaire des processus de planification et de responsabilité du Bureau de recherche et de développement énergétiques (BRDE), tels que le Cadre ministériel des résultats et le Profil d’information sur le rendement, qui articulent et alignent les objectifs et les activités du programme avec les responsabilités essentielles, les résultats et les priorités du ministère. Il s’agit d’un document évolutif qui doit refléter les priorités actuelles et répondre aux besoins changeants de la filière énergétique.

Pourquoi élaborer une approche stratégique

La filière énergétique est complexe et en constante évolution. Le BRDE utilise des « missions » pour concrétiser un avenir axé sur l’énergie propre et un secteur durable des ressources naturelles. Ses principales activités consistent à financer des projets d’énergie propre et à mettre en place des partenariats avec des parties prenantes dans le but de réduire les émissions nocives et de soutenir l’innovation et les possibilités économiques dans le secteur de l’énergie. Chaque mission du BRDE comprend des domaines d’intervention dans le domaine des technologies de l’énergie, énumérés dans Figure 1. L’Approche stratégique visant l’innovation des batteries (ASIB) rassemble des éléments de quatre domaines d’action au service de deux missions, comme indiqué ci-dessous, en grande partie en faisant progresser les thèmes intersectoriels de la science et de la technologie. L’ASIB propose une synthèse approfondie des travaux du BRDE dans le domaine de l’innovation des batteries à l’intention des innovateurs du monde universitaire, de l’industrie et des gouvernements. Les cadres décisionnels utilisés pour élaborer l’ASIB sont diffusés au profit d’autres intervenants de l’écosystème de l’innovation des batteries au Canada.

Version texte

Les missions du BRDE :

• Améliorer l’efficacité et les procédés énergétiques afin de réduire les émissions attribuables à l’utilisation finale de l’énergie
• Accélérer l’électrification et maximiser les avantages du chauffage et de l’électricité renouvelables
• Développer des filières de carburants plus propres
• Réduire la dépendance au diesel dans les collectivités rurales, éloignées et autochtones

Domaines d’intervention soutenant ces missions:

• Infrastructure de soutien et véhicules efficaces
• Décarbonisation industrielle
• Réseau résilient carboneutre et préparation du réseau pour une électrification abordable
• Électrification du transport

Thèmes transversaux:

• Matériaux de pointe et procédés de fabrication
• Numérisation et exploitation de la science des données, de l’apprentissage automatique et de l’IA pour l’énergie
• Incidences sur la fin de vie
• Obstacles non techniques et soutien aux politiques, marchés et règlements
• Modélisation de la filière nette zéro
• Abordabilité du stockage d’énergie

Contexte de l’innovation des batteries

Le contexte suivant décrit la dynamique du marché de haut niveau et les caractéristiques de l’écosystème des batteries qui sous-tendent les interventions requises pour faire progresser l’innovation vers la commercialisation et la croissance d’une industrie des batteries hautement novatrice au Canada.

L’incidence des batteries sur la transition énergétique

Plusieurs technologies propres joueront un rôle déterminant dans la transition énergétique. Les batteries sont l’une des rares à avoir déjà fait une différence notable en compensant directement les émissions des véhicules à moteur à combustion interne et en facilitant les réductions d’émissions liées à l’électricité. Parce que les batteries peuvent recevoir, stocker et libérer de l’énergie électrique sur demande, elles représentent un outil précieux et très flexible au service d’une énergie propre et fiable. La demande mondiale cumulée de batteries dans le seul secteur du transport routier devrait multipliée par 90 entre 2023 et 2050, afin de rester sur la bonne voie et atteindre l’objectif d’une consommation nette nulle d’ici 2050^{Note de bas de page 2}, sans solution innovante, la capacité de la chaîne d’approvisionnement à répondre à la demande sera de plus en plus mise à l’épreuve.

En 2023, les ventes mondiales de véhicules électriques (VE) atteindront 14 millions d’unités, soit 18 % de l’ensemble des nouvelles voitures vendues à travers le monde^{Note de bas de page 2}. La même année, les installations mondiales de stockage stationnaire ont approché les 100 GWh, avec une croissance annuelle composée de 21 % attendue jusqu’en 2030^{Note de bas de page 3}. Au Canada, 185 000 VE ont été vendus en 2023, ce qui représente une part de 11 % des ventes de nouvelles voitures à l’échelle nationale^{Note de bas de page 2}, et les installations de stockage stationnaire ont augmenté de plus de 50 % par rapport à l’année précédente pour atteindre 0,54 GWh^{Note de bas de page 4}.

L’innovation est nécessaire pour répondre aux besoins du marché

Pour parvenir à la carboneutralité d’ici 2050, le rythme d’adoption des batteries doit s’accélérer^{Note de bas de page 5}. La hausse de l’adoption des batteries au cours de la dernière décennie s’est accompagnée d’une réduction de 90 % du coût total. L’innovation en matière de performances technologiques a été le principal vecteur de la réduction du prix des batteries observée entre la fin des années 1990 et le milieu des années 2010 — la plus grande partie de cette innovation provenant de la recherche-développement publique et privée, suivie par les économies d’échelle de production^{Note de bas de page 6}. Les entreprises disposant d’un avantage concurrentiel se sont fortement appuyées sur l’innovation pour conquérir des parts de marché croissantes et sur des stratégies d’intégration verticale pour accélérer le développement et l’essai de solutions de batteries dans tous les segments de la chaîne de valeur^{Note de bas de page 7}. Par conséquent, des solutions prenant en compte l’ensemble de la chaîne de valeur sont nécessaires pour répondre à la demande et réduire les coûts de fabrication, ce qui sous-tend la stratégie commerciale de la plupart des concurrents dans ce domaine.

Construire l’écosystème canadien de l’innovation des batteries

Le Canada possède une solide réputation en matière d’innovation des batteries, et ce, grâce à ses contributions avant-gardistes à l’avancement de la technologie des batteries. Au cours des quarante dernières années, les universités, l’industrie et le gouvernement canadiens ont apporté des contributions majeures à l’innovation dans le domaine des batteries, qui ont aujourd’hui un rayonnement mondial^{Note de bas de page 8}.

De nombreuses institutions publiques et privées au Canada soutiennent la production et l’innovation des batteries tout au long de la chaîne de valeur et en fonction du niveau de préparation technologique. Ce soutien s’effectue principalement par le biais de programmes axés sur les technologies propres et l’innovation énergétique, notamment le développement technologique, la mise à l’échelle de la fabrication et le recyclage. D’autres programmes ciblent la chaîne d’approvisionnement en amont de ces technologies, qui incluent les batteries dans un portefeuille plus étoffé, en soutenant le développement des chaînes d’approvisionnement en minerais stratégiques, tant pour l’extraction que pour le raffinage. Depuis 2022, le Canada a annoncé une série de Crédits d’impôt à l’investissement (investissements dans les technologies propres, fabrication de technologies propres et investissements dans l’électricité propre) pour soutenir le déploiement commercial et la fabrication de technologies propres, y compris les batteries.

Les investissements en R-D-D dans l’ensemble de la chaîne de valeur des batteries contribuent à faire progresser les niveaux de préparation technologique et offrent aux innovateurs canadiens de ce domaine des moyens de se faire une place dans l’écosystème et conclure des ententes de distribution, pour finalement les relier aux chaînes de valeur connexes des transports et de l’électricité.

Approche stratégique visant l’innovation des batteries

L’Approche stratégique visant l’innovation des batteries (ASIB) du BRDE soutient la vision d’un écosystème de batteries propre, compétitif et innovant au Canada et s’articule autour de trois piliers présentés dans la Figure 2. Outre cette analyse du contexte établie ci-dessus, les piliers ont été inspirés par l’examen et la consultation de l’industrie, notamment la feuille de route pour l’innovation dans la filière batterie pour le Canada^{Note de bas de page 9} (pilotée par Accelerate Alliance Inc.), ainsi que par les engagements des parties prenantes sur une initiative fédérale en matière de batteries qui a débuté en 2019. Il a été révélé que le Canada a la possibilité de tirer parti de ses atouts en matière d’innovation des batteries, permettant ainsi de produire une valeur économique, sociale et environnementale pour les Canadiens au cours de la transition énergétique. Le produit de l’analyse et les connaissances de l’industrie sont consignés dans le Cadre de durabilité des batteries (Figure 5) élaboré par le BRDE pour organiser les priorités en matière d’innovation en fonction de quatre facteurs clés : l’équité énergétique, les avantages pour l’environnement, la compétitivité économique et la sécurité énergétique.

Décarbonisation, sécurité et compétitivité de la chaîne de valeur

Promouvoir le leadership dans la décarbonisation de l’ensemble de la chaîne de valeur
Cibler l’innovation dans les applications critiques des batteries qui réduisent la dépendance à l’égard des chaînes d’approvisionnement peu sûres
Soutenir la croissance commerciale intérieure axée sur l’innovation afin de créer des avantages économiques à long terme pour le Canada

Piliers de l’ASIB et objectifs connexes

Pilier n° 1 : Soutenir l’innovation qui accélère la décarbonisation, la sécurité et la compétitivité de la chaîne de valeur des batteries.

Ce pilier est transversal et dépend de l’infrastructure d’innovation (pilier n° 2) et des innovateurs et entreprises forts (pilier n° 3) qui croissent au Canada pour être réalisé de manière durable. En d’autres termes, l’établissement d’une chaîne de valeur entièrement décarbonée pour les batteries, qui soit sûre et compétitive, exige que le Canada dispose de l’infrastructure novatrice nécessaire à la mise en place d’une expertise et de solutions locales, ainsi que d’entreprises nationales pour commercialiser ces innovations.

En promouvant le leadership dans la décarbonisation de l’ensemble de la chaîne de valeur, cette approche stratégique s’appuie sur l’écosystème d’innovation existant pour optimiser les batteries en vue de la transition vers l’énergie propre.

En ciblant les innovations qui réduisent la dépendance à l’égard des chaînes d’approvisionnement peu sécuritaires, cette approche stratégique assure que les infrastructures essentielles et les produits de base résistent aux fluctuations de la dynamique du marché mondial.

En soutenant la croissance commerciale intérieure axée sur l’innovation, cette approche stratégique engendre des avantages économiques à long terme pour le Canada.

Pilier n° 2 : Soutenir le développement d’une infrastructure d’innovation de classe mondiale dans le domaine des batteries au Canada.

Ce pilier confère à l’infrastructure d’innovation le statut de bien public au service d’un secteur des batteries innovant et en pleine croissance. Cela comprend l’infrastructure physique et technologique, les ressources qualifiées et collaboratives, ainsi que les installations qui favorisent la conception de nouvelles idées en encourageant la pensée avant-gardiste et la prise de risque. Les activités relevant de ce pilier soutiennent les efforts de prospection, de recrutement et de maintien en poste de personnel hautement qualifié (PHQ), les investissements ainsi que les activités d’entreprises et d’investisseurs nationaux et internationaux.

Le soutien aux projets canadiens d’infrastructure d’innovation à chaque étape de la chaîne d’approvisionnement permet à l’innovation de niveau de maturité technologique (NMT) faible à moyen de réduire les risques des investissements futurs et de permettre la recherche, le développement et la démonstration (R-D-D) sans investissements massifs dans des équipements et des installations d’essai. Cela permet d’innover dans des domaines autrement coûteux ou à haut risque.

La nature collaborative de l’infrastructure d’innovation soutient le perfectionnement de la main-d’œuvre canadienne dans le domaine des batteries, en établissant les besoins et les occasions de former des PHQ et des métiers spécialisés. Il s’agit d’un facteur favorable à la transition vers des énergies propres.

Intégrée aux pôles d’innovation, l’infrastructure d’innovation peut promouvoir et mettre en relation les innovateurs canadiens avec des partenaires internationaux, et favoriser la collaboration au sein de la communauté locale et mondiale de l’innovation.

Pilier n° 3 : Renforcer le réseau d’innovateurs canadiens dans le domaine des batteries et favoriser la croissance d’entreprises canadiennes de classe mondiale dans la chaîne de valeur des batteries.

Ce pilier concerne le développement et la croissance d’entreprises canadiennes innovantes tout au long de la chaîne de valeur des batteries. Les activités menées dans le cadre de ce pilier favorisent l’établissement de liens entre les entreprises nationales afin qu’elles partagent leurs connaissances, leurs besoins et leurs idées. Un réseau sain qui relie les entreprises canadiennes, les universités, les associations industrielles, les utilisateurs et les laboratoires fédéraux permettra de mieux définir les forces, les perspectives et les risques inhérents au Canada, tout en promouvant l’innovation et le savoir-faire canadiens. Ce réseau peut également tirer parti des avantages naturels du Canada pour répondre à des cas d’utilisation propres au pays. Il s’agit notamment de solutions adaptées aux différentes communautés et aux différents climats du Canada afin d’assurer une transition équitable vers l’énergie propre pour l’ensemble de la population.

En renforçant les liens, le BRDE prévoit que : le développement de la propriété intellectuelle canadienne sera étayé et soutenu par des considérations stratégiques entre les parties prenantes à un stade précoce; la collaboration entre les innovateurs canadiens en matière de batteries issus de l’industrie, des universités, des laboratoires fédéraux et des utilisateurs sera renforcée; et des conditions favorables seront réunies pour que les entreprises canadiennes puissent se maintenir dans l’écosystème des batteries au Canada.

Priorités en matière d’innovation des batteries

Le BRDE a répertorié neuf priorités à court terme en matière d’innovation dans le domaine des batteries, dont il peut se faire le maître d’œuvre pour réaliser les piliers de l’ASIB et ses objectifs. Ces dernières multiplient les possibilités d’investissement et de soutien à court terme qui auront le plus grand effet sur la réussite à long terme dans le cadre de chacun des trois piliers. En d’autres termes, cette approche stratégique guide la planification du travail du BRDE, où les piliers et les objectifs sont soutenus par des priorités à court terme, qui sont utilisées pour sélectionner l’outil ou l’activité du BRDE le plus efficace pour atteindre les objectifs.

• Matériaux, composants, cellules et blocs de batteries nouveaux et améliorés qui augmentent les performances tout en réduisant les coûts et l’empreinte écologique.
• Méthodes nouvelles et améliorées pour la production de matériaux, la fabrication de cellules, l’intégration verticale et la production de batteries de haute qualité.
• Détermination et analyse de nouveaux types de batteries, cas d’utilisation, modèles commerciaux et marchés prometteurs.
• Nouvelles connaissances et détermination des possibilités de circularité et de réduction des déchets dans la chaîne de valeur des batteries.
• Des outils d’analyse améliorés et utilisables pour évaluer la demande nationale et régionale en batteries et pour définir les exigences de performance pour les applications de batteries dans l’environnement canadien (notamment les VML, le stockage d’énergie de courte et de longue durée, le fonctionnement à basse température).
• Des outils améliorés et utilisables de modélisation des batteries, de cycle de vie et d’analyse techno-économique pour évaluer les concepts de batteries à tous les niveaux de maturité technologique et en fonction des incidences économiques, environnementales et sécuritaires.
• Analyse et évaluation des besoins en matière de renforcement des capacités, de compétences et de ressources humaines afin d’accélérer l’innovation dans le domaine des batteries au Canada.
• Des mesures nouvelles et améliorées de mise en réseau, de partage de données, de coordination, de recherche de consensus et de soutien à la propriété intellectuelle pour les entreprises canadiennes qui innovent dans le domaine des batteries.
• Renforcer l’infrastructure d’innovation des batteries au Canada afin d’accélérer le déploiement et la mise à l’échelle de concepts de batteries nouveaux et améliorés.

Il est important de noter que ces priorités à court terme répondent à de multiples besoins ou possibilités d’innovation sur le cercle extérieur du Cadre de durabilité des batteries (Figure 5) et sont ciblées plus concrètement à travers l’application des quatre autres cadres. Cela illustre comment le BRDE travaille dans les cadres présentés ci-dessous et comment les parties prenantes de l’écosystème de l’innovation des batteries peuvent également recourir à ces cadres pour aider à définir les priorités en matière d’investissement.

Cadres permettant de mieux comprendre les vecteurs de l’innovation

Les piliers de l’ASIB définissent la manière dont le BRDE influencera le rythme et l’orientation de l’innovation dans le domaine des batteries. Comme décrit ci-dessus, les piliers ont été établis à partir d’une analyse du contexte canadien et mondial ainsi que des perspectives de l’industrie, tandis qu’une analyse plus poussée a permis de dégager les principales possibilités d’innovation des batteries et les principaux vecteurs de l’innovation des batteries au Canada. Cette analyse itérative s’est appuyée sur cinq cadres conceptuels et techniques qui caractérisent la progression de l’innovation et les problèmes rencontrés par le secteur canadien des batteries. Ces cadres sont communiqués afin que chacun comprenne les considérations complexes et multiples qui entrent en jeu lors de la prise de décisions stratégiques au sein de l’écosystème de l’innovation des batteries, qu’il s’agisse d’une discipline scientifique, d’ingénierie, d’économie ou d’une politique publique.

Version texte

Une représentation visuelle des cadres pour comprendre les vecteurs de l'innovation. Elle se compose de 5 sections :

1. Durabilité des batteries - représentée par un symbole de recyclage circulaire.
2. Description détaillée des batteries - symbolisée par une icône de batterie avec un signe '+' et '-'.
3. Performance des batteries - affichée sous forme de liste de contrôle.
4. Niveau de maturité technologique et mise à l’échelle - illustré par un graphique de performance croissante.
5. Chaînes de valeur des batteries - indiquées par des flèches horizontales pointant dans des directions opposées.

Les sections sont unifiées par une flèche courant horizontalement en dessous, étiquetée « Cadres pour comprendre les vecteurs de l'innovation ».

Cadre de durabilité des batteries

Ce cadre est dérivé du Trilemme énergétique mondial et des cadres de durabilité, enrichis de références à la chaîne de valeur des batteries. Il tient compte du fait que la transition du secteur de l’énergie est soutenue par l’innovation des batteries et qu’elle la soutient réciproquement sur de multiples fronts. Par conséquent, le processus de raisonnement stratégique intégrant les facteurs d’équité, d’environnement, d’économie et de sécurité doit occuper une place prépondérante dans la prise de décision relative aux programmes d’innovation des batteries.

Équité : la volonté de fournir un accès abordable à l’énergie pour
tous les Canadiens grâce à des possibilités tout au long de la chaîne
de valeur des batteries.

Environnement : la volonté de décarboniser les transports et
l’électricité au Canada.

Économique : la volonté d’assurer la transition de l’industrie
énergétique canadienne et d’être compétitif sur la scène mondiale du
marché des batteries.

Sécurité énergétique : la volonté de garantir des chaînes
d’approvisionnement résilientes pour les batteries canadiennes.

Ces facteurs centraux ouvrent la voie, au cours de la prochaine décennie, à un écosystème d’innovation des batteries capable de participer et de prospérer dans le cadre d’une économie carboneutre en 2050. Ces voies sont indiquées sur le cercle central du Cadre. L’anneau extérieur définit les besoins et les possibilités d’innovation ^{Note de bas de page 10} tout au long de la chaîne de valeur, en réponse aux vecteurs centraux. Ce cadre conceptuel est présenté sur Figure 5.

Ce cadre est fondamental pour l’ASIB, car les vecteurs définissent ce qui doit être réalisé, puis à partir de là, le BRDE détermine les piliers de son approche stratégique en sélectionnant les éléments du cercle central qu’elle peut directement soutenir par le biais de mesures d’innovation des batteries. Ces éléments influencent les programmes et permettent de trouver des investissements à fort potentiel, ainsi que d’autres initiatives non financières que le BRDE peut soutenir et qui répondent à de multiples besoins ou initiatives indiqués sur le cercle extérieur.

Figure 5 : Cadre de durabilité des batteries

Version texte

• Facteur d’innovation 1 – Résilience de la chaîne d’approvisionnement
  • Voie (Sécurité énergétique) – Gérer les risques liés à la chaîne d’approvisionnement des batteries à l’échelle mondiale
    • Besoin – Matériaux critiques pour les batteries et chimies
    • Besoin – Matériaux abondants pour les batteries et chimies
  • Voie (Sécurité énergétique) – Gérer le risque de dépendance à l’égard des ressources de la batterie
    • Possibilité – Partenariats commerciaux et initiatives internationales
    • Besoin – Dissociation des chaînes d’approvisionnement peu fiables
• Facteur d’innovation 2 – Transformation et compétitivité industrielle
  • Voie (Économique) – Soutenir l’infrastructure d’innovation
    • Possibilité – Conception et chimie
    • Besoin – Développement de prototypes et mise à l’échelle
  • Voie (Économique) – Faire prospérer les entreprises innovantes
    • Possibilité – Marchés et chaînes de valeur
    • Possibilité – Compétitivité et collaboration à l’échelle mondiale
  • Voie (Équité) – Soutenir une transition équitable
    • Besoin – Main d’œuvre compétente
    • Besoin – Abordabilité des batteries
    • Besoin – Cas d’utilisation canadiens non desservis
• Facteur d’innovation 3 – Transport et électricité décarbonés
  • Voie (Environnement) – Décarboniser les chaînes d’approvisionnement en batteries
    • Besoin – Décarbonisation industrielle
    • Besoin – Circularité des batteries
    • Besoin – Apports d’électricité propre
  • Voie (Environnement) – Soutenir les applications net zéro
    • Besoin – Stockage stationnaire
    • Besoin – Applications de mobilité hors route
    • Besoin – Applications de mobilité sur route

Ce Cadre de durabilité des batteries place l’équité au cœur de la transition économique. Bien qu’elle s’inscrive dans le cadre d’un facteur économique, elle s’applique à tous les facteurs de transition vers une énergie propre. Pour favoriser l’accessibilité et le caractère abordable des technologies et des possibilités offertes par l’industrie des batteries, chaque segment du Cadre de durabilité doit appliquer une optique d’équité énergétique afin de trouver des possibilités profitant à tous les Canadiens. Par exemple, en appliquant cette optique à la croissance des entreprises innovantes, on peut garantir des options équitables d’investissement et promouvoir les entreprises détenues par des Autochtones et des groupes sous-représentés, ou soutenir le transfert de compétences vers une population diversifiée de Canadiens. Dans un autre exemple, l’application de cette optique au soutien des applications net zéro peut garantir l’accès régional à des solutions abordables qui répondent aux besoins de cette collectivité (p. ex. peuples autochtones, région éloignée, mal desservie ou en proie à la pauvreté énergétique). Cette optique s’applique également à la résilience de la chaîne d’approvisionnement afin de garantir que les matériaux proviennent de communautés qui veillent à ce que les droits de la personne figurent au premier plan de leurs industries, tant pour le personnel que pour les communautés avoisinantes.

Ce vecteur appuie les engagements du gouvernement du Canada en matière de réconciliation, d’équité entre les sexes et de réduction du racisme et de la discrimination; et la Stratégie ministérielle de développement durable (SMDD)^{Note de bas de page 11} de RNCan qui dirige la Stratégie fédérale de développement durable (SFDD)^{Note de bas de page 12} pour l’objectif 7 « Accroître l’accès des Canadiens à l’énergie propre » tout en contribuant à l’objectif 5 « Champion de l’égalité entre les sexes », et à l’objectif 8 « Encourager une croissance économique inclusive et durable au Canada ». L’ASIB soutient l’engagement en faveur des objectifs 7 et 8 en accélérant le développement de technologies énergétiques propres pour répondre aux divers besoins du Canada.

Les batteries jouent un rôle clé dans la décarbonisation des transports car elles offrent une solution de rechange aux combustibles fossiles en étendant la portée de l’électrification et son incidence, en particulier lorsqu’elles sont alimentées par des sources d’énergie non émettrices. Elles soutiennent l’énergie carboneutre en tant que ressource flexible permettant de concilier la hausse de l’offre d’énergie renouvelable et les pics de demande dus aux progrès de l’électrification des usages finaux de l’énergie. Pour avoir une incidence sur ce vecteur, les batteries sélectionnées pour des applications nettes zéro doivent provenir de chaînes d’approvisionnement décarbonées qui réduisent les déchets et les émissions provenant du traitement des matériaux et des composants. Cela nécessitera des outils permettant d’évaluer et de quantifier les efforts de décarbonisation et d’atténuer l’exposition au risque environnemental des chaînes de valeur des batteries au Canada.

L’écosystème mondial des batteries est en train de devenir un moteur économique majeur, qui sous-tend non seulement l’établissement et la croissance des industries de production de matériaux, de composants et de cellules de batteries, mais aussi l’avenir de l’industrie automobile et de l’industrie extractive. La maturité des technologies des batteries, associée à une forte croissance prévue, fait des batteries un investissement relativement peu risqué. Une fois les bases établies, l’innovation des batteries offre au Canada un avantage concurrentiel sur le plan sectoriel, en particulier dans les domaines de la science des matériaux et de l’innovation manufacturière.

Une vision ambitieuse de l’écosystème des batteries au Canada pourrait tirer parti de l’impératif d’innovation qui définit l’industrie mondiale et contribuer à générer des emplois de haute qualité et rémunérés de façon équitable, moins tributaires des apports de matières et du prix des produits de base. Les mesures qui soutiennent les liens entre les forces du milieu universitaire et industriel du Canada pour déployer les entreprises innovantes au niveau national pourraient capitaliser sur les atouts canadiens, en contrant les risques liés à la concurrence des marchés. De nouveaux atouts nationaux pourraient être exploités pour les infrastructures publiques et les capacités industrielles requises pour transformer les forces manufacturières existantes afin qu’elles s’orientent vers ce marché de croissance mondiale.

Plusieurs compétences se sont orientées vers le développement de chaînes d’approvisionnement et de valeur nationales pour l’innovation et la fabrication de batteries, à commencer par la stratégie nationale chinoise en matière de batteries publiée en 2013. En réaction, les états disposant des ressources et des technologies nécessaires pour être compétitifs à l’échelle mondiale ont mis en place leurs propres politiques publiques pour soutenir l’amélioration de la production des technologies des batteries. Aujourd’hui, la Chine est le premier producteur mondial de batteries, suivie par les États-Unis, l’Union européenne, la Corée du Sud et le Japon.

Les implications économiques et environnementales mondiales considérables décrites ci-dessus font des batteries et de leur innovation des enjeux de sécurité nationale. La demande de batteries est élevée, croissante et mondialisée, tandis que la chaîne de valeur des batteries est pour le moment dominée par un petit nombre d’entreprises et d’acteurs étatiques. Aujourd’hui, les matières premières des batteries sont regroupées en quelques endroits (dont le Canada), et de nombreux pays ont élaboré et mis en œuvre des stratégies industrielles adaptées aux batteries afin de tirer profit des avantages liés à la maîtrise de la chaîne d’approvisionnement des batteries.

La capacité d’un pays à s’approvisionner et à maintenir son autonomie dépend de sa capacité à répondre aux besoins nationaux en matière de batteries, en particulier pour les infrastructures essentielles comme les applications de réseau et de défense. Dans ce contexte, l’innovation nationale relative aux batteries, y compris les stratégies de mise sur le marché, de protection de la propriété intellectuelle et de collaboration internationale, devient un mécanisme indispensable à la résilience de la chaîne d’approvisionnement et à la compétitivité économique.

Cadre de l’anatomie d’une batterie

Ce cadre décrit les composants d’une batterie afin de comprendre les diverses possibilités d’innovation en fonction de plusieurs caractéristiques de conception. Fondamentalement, une batterie est capable de recevoir, de stocker et de libérer de l’électricité grâce à la sélection, à la disposition et à l’interaction de trois composants cellulaires – l’anode, la cathode et l’électrolyte, représentés schématiquement dans la Figure 6 pour une batterie lithium-ion typique.

La Figure 6 montre non seulement le principe de fonctionnement simple d’une batterie, mais aussi la relation stricte entre la quantité d’énergie électrique qui peut être stockée et la quantité de matériau d’électrode active nécessaire, démontrant ainsi que la technologie des batteries est intrinsèquement liée à l’intensité des matériaux. Par conséquent, l’innovation qui favorise la substitution de matériaux à partir de matières premières dont l’approvisionnement est limité et qui développe des chimies alternatives à partir de minéraux abondants sur terre peut réduire davantage les coûts de production des batteries et atténuer les goulets d’étranglement de la chaîne d’approvisionnement.

Le principe général de fonctionnement d’une batterie de la Figure 6 s’applique à plusieurs autres types de batteries, notamment les batteries métal-air, les batteries à l’état solide, les batteries sodium-ion et les batteries à flux, ce qui souligne l’importance d’évaluer les innovations en matière de batteries au niveau de la cellule, en plus du niveau de l’application d’utilisation finale.

Text version

Dans ce type de batterie, l’énergie est stockée dans des matériaux d’électrodes solides (dans les matériaux actifs de l’anode et de la cathode). Les ions lithium sont transportés par l’électrolyte liquide, qui conduit les ions (charges positives) mais pas les électrons (charges négatives) lesquels sont transportés entre l’anode et la cathode par le circuit externe, fournissant ainsi de l’électricité sur demande.

Cadre de performance des batteries

Les exigences de l’application finale d’une batterie peuvent se décliner en cinq paramètres clés de performance de la batterie : énergie, puissance, sécurité, durée de vie et coût. Les matériaux, les cellules et les blocs de batteries déterminent à terme le champ opérationnel de l’application finale, laquelle doit atteindre ou dépasser les objectifs définis par les exigences applicatives. Par conséquent, le défi de l’innovation consiste à établir un compromis entre les mesures de performance des matériaux, des cellules et des blocs en fonction de leur utilisation finale. Par exemple, Figure 7 établit un lien entre les performances des batteries et les exigences d’un véhicule électrique à passagers.

En définissant l’innovation dans le domaine des batteries en termes de réduction des écarts entre les performances des batteries et les exigences applicatives, les chercheurs et les décideurs pourront évaluer plus objectivement les projets et ouvrir la voie vers la commercialisation. C’est ce qui détermine la performance du produit final et, en fin de compte, sa capacité à être commercialisé.

Version texte

• Coût : Atteindre la parité des prix et, à terme, être moins cher que les véhicules à moteur à combustion interne en place détermine le coût cible de la batterie, qui est le facteur le plus important du coût global du VEB.
• Énergie : L’autonomie et la taille du véhicule déterminent les besoins en énergie.
• Puissance : Le temps de charge détermine la puissance d’entrée requise, et la propulsion du véhicule détermine la puissance de sortie requise.
• Sécurité : Les blocs et les batteries doivent satisfaire à des normes minimales de sécurité pour pouvoir être utilisés sur la route, résister aux chocs et être manipulés en toute sécurité pendant toute la durée de vie du produit.
• Durée de vie : La garantie du véhicule, exprimée en années et en kilomètres parcourus, détermine l’exigence de durée de vie.

Cadre de mise à l’échelle et du niveau de maturité technologique

La représentation graphique du développement des composants clés des batteries au fur et à mesure qu’ils sont adaptés à leur application prévue, en fonction du niveau de maturité technologique (NMT), contribue à définir les moteurs du marché et le niveau de risque financier pour les investissements dans les projets d’innovation. Ceci est dû à la conception modulaire des batteries et à la productibilité de masse qui a permis une avancée et une commercialisation rapides des technologies des batteries. L’investissement dans l’innovation en matière de batteries pour une application donnée dépend de cette évolutivité et du niveau de risque associé à chaque échelle. Ce cadre hybride est dérivé de deux modèles : le premier est un calibrage général des différentes applications des batteries et de leur demande prévue; le second, important pour tout programme d’innovation, est le niveau de maturité technologique (NMT).

Le premier modèle s’appuie sur le fait que les batteries ont des implications sur une gamme d’échelles couvrant plus de huit ordres de grandeur. Par exemple, Figure 8 montre comment, au niveau de l’application, un grand bloc-batterie de VEB peut contenir 100 kWh de capacité énergétique, une grande installation de stockage stationnaire peut représenter 1 GWh (équivalent à 10 000 grands blocs-batteries de VEB), et une giga-usine moderne de batteries peut produire environ 50 GWh par an (assez pour 500 000 grands blocs-batteries de VEB par an). Cela permet de comprendre la demande mondiale de batteries qui, en 2023, s’élevait à un peu plus de 1 TWh dans tous les secteurs, bien qu’elle provienne principalement des VEB. Cela correspond approximativement à la production annuelle de 20 giga-usines de batteries modernes. Dans le scénario de carboneutralité, la demande mondiale annuelle de batteries lithium-ion atteindra près de 10 TWh en 2035, soit une multiplication par 10 en 12 ans^{Note de bas de page 2}.

Le deuxième modèle utilisé dans le cadre est l’échelle du NMT, qui a été largement adoptée par les programmes d’innovation du gouvernement canadien. L’échelle du NMT est une mesure semi-quantitative et générique permettant d’évaluer la progression du niveau de maturité d’une technologie depuis la recherche fondamentale (NMT 1-2), la recherche appliquée et le développement (NMT 3-5), le pilote et la démonstration (NMT 6-8), et enfin l’adoption et la maturité du produit (NMT 9+). Chaque niveau comporte un certain degré de risque technique et financier, l’innovation à faible NMT ayant une plus grande tolérance au risque d’échec, tandis que l’innovation à un NMT élevé est plus vulnérable en raison du haut niveau d’investissement nécessaire pour une expérience à grande échelle.

Ce cadre repose sur l’évolutivité des deux modèles, qui invite à harmoniser les échelles entre l’investissement, le NMT et la chaîne de valeur afin d’équilibrer les risques et l’investissement dans l’espace d’innovation. Figure 9 offre un exemple d’innovations en matière de développement et de fabrication de cellules, avec une estimation du niveau d’investissement. Adaptées de Frith et coll^{Note de bas de page 13}, les échelles du NMT pour les innovations le long d’un segment spécifique de la chaîne de valeur des batteries peuvent être corrélées avec l’augmentation de l’échelle de déploiement, de la taille des batteries et du niveau d’investissement requis. Cela signifie que l’innovation dans le domaine des batteries aura le plus grand retentissement si elle peut être mise à l’échelle, mais aussi si cette mise à l’échelle peut être prise en compte dans tous les NMT, quelle que soit l’utilisation finale.

Version texte

• Tolérance au risque
  • Haute
  • Basse
• Investissement
  • $k
  • $M
  • $G
• Innovation
  • Recherche fondamentale
  • Recherche appliquée
  • Démonstration
  • Prêt pour le marché
• Technologie (Example pour un cellule)
  • NMT 1: Idée
  • NMT 2: Preuve de concept
  • NMT 3: Pile bouton (mAh)
  • NMT 4: Petit prototype
  • NMT 5: Grand prototype (Ah)
  • NMT 6: Production de cellules
  • NMT 7: Intégration dans la batterie (kWh)
  • NMT 8: Démonstration mobile/stationnaire
  • NMT 9: Fabrication à grande échelle (GWh)
  • NMT 10: Production de masse (haute fiabilité)

Cadre de la chaîne de valeur des batteries

Parallèlement à l’essor des batteries Li-ion au cours de la présente décennie dans les applications mobiles et stationnaires, une chaîne d’approvisionnement mondiale en batteries s’est déployée en fonction des étapes de production. Il existe plusieurs représentations des chaînes d’approvisionnement ou de valeur des batteries à différents degrés de granularité. La représentation du BRDE de la Figure 10 est basée sur les niveaux les plus élevés représentant les sept principaux segments industriels de la chaîne de valeur des batteries qui suivent l’ensemble du cycle de vie du produit dans le temps. Il saisit l’orientation des flux de matières et d’énergie vers la production et le fonctionnement des batteries, et ces flux sont en corrélation avec la création de valeur économique et l’empreinte environnementale. Par ailleurs, les principaux intervenants et leurs relations dans l’écosystème national et mondial des batteries peuvent être classés par segment de la chaîne de valeur avec une relative facilité, mais cela deviendra plus difficile avec la tendance croissante à l’intégration verticale couvrant de multiples segments.

Version texte

La chaîne d’approvisionnement englobe l’extraction et le raffinage des minéraux des batteries, la production de matériaux et de composants pour les batteries, ainsi que la fabrication de cellules et de blocs-batteries. Comme l’offre d’intrants pour les batteries s’efforce de suivre la demande croissante, le recyclage des batteries et les efforts de circularité plus vastes sont nécessaires pour extraire une valeur maximale et minimiser les déchets, ce qui complète la chaîne de valeur.

Annexe A : Possibilités d’innovation pour les intervenants

Les intervenants de l’industrie pourraient envisager un certain nombre de possibilités d’innovation qui répondent aux facteurs décrits dans le Cadre de durabilité des batteries. Afin de faciliter les échanges avec les intervenants du secteur, ces possibilités sont décrites ci-dessous :

• Substitution des matériaux, chimies de batteries abondantes et batteries abordables. Innovation dans le domaine des batteries par la substitution de matériaux et de composants coûteux par des alternatives moins chères, plus abondantes et géographiquement plus diversifiées, tout en maintenant ou en améliorant les performances.
• Innovation en matière de batteries guidée par l’application. Prise en compte des exigences spécifiques des applications finales et des conditions de fonctionnement à tous les stades du processus d’innovation des batteries afin d’accélérer la mise en marché.
• Intégration verticale, traitement et fabrication de pointe de batteries. L’innovation dans le domaine des piles, qui tient compte des liens en amont et en aval, permet de réaliser des gains d’efficacité dans tous les segments de la chaîne de valeur, à la fois au plan de la réduction de l’intensité matérielle et énergétique de la production et de l’augmentation du rendement et de la qualité de la production.
• Données sur les batteries et approches de modélisation. Les approches de l’innovation par le calcul et les données permettent d’accélérer le rythme de la génération d’idées et le passage du concept à la mise en œuvre sur le marché.
• Circularité de la batterie L’innovation pour minimiser la production de déchets tout au long de la chaîne de valeur des batteries, notamment la production d’émissions dans les processus de fabrication et en amont de la production de batteries.
• Normes et réglementations relatives aux batteries. L’innovation pour accélérer la production, l’élaboration et l’adoption de normes et de réglementations sur les batteries afin de faire progresser l’interopérabilité, la sécurité, la traçabilité et les pratiques environnementales.
• Services et modèles commerciaux pour les batteries. L’innovation à l’appui du déploiement de nouveaux marchés et de nouveaux cas d’utilisation des batteries, notamment pour l’adaptation au climat, le stockage d’énergie de longue durée, les batteries en tant que service, l’échange de batteries et la conversion des véhicules au réseau électrique.

Références