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Nouvelles énergies 18/10/2021

Vers un approvisionnement responsable en métaux critiques et terres rares

Indium,  dysprosium,  terbium...ces noms  n’ont  rien  d’anciennes  villes  romaines,   mais   correspondent   à   quelques-uns des éléments sur lesquels se fonde le développement des énergies renouvelables.

Les technologies liées aux énergies renouvelables dépendent de matériaux soulevant des questions environnementales et sociales parfois importantes. Comment y répondre ? par Anne Prieur Vernat - ENGIE Lab Crigen et Élodie Le Cadre - ENGIE Research

Ce  sont  en  effet  des  composants essentiels des éoliennes et des panneaux solaires, mais aussi des dispositifs de stockage de l’énergie, en particulier les batteries. Ces technologies n’émettent pas de gaz à effet de  serre  lorsqu’elles  fonctionnent,  et  leur  bilan  carbone  est  seulement  lié  à  leur  fabrication,  et  dans une moindre mesure à leur maintenance et à  leur  fin  de  vie. 

(Photo de couverture : Le lithium est extrait des mines de sel, ici à Colchani, en Bolivie).

L'éolien ou le solaire sont des technologies prometteuses  pour  l’avenir du climat, mais elles peuvent être problématiques sous certains aspects. Lesquels ? Leur fabrication recourt à des éléments dont l’extraction  et  le  traitement  soulèvent  en  fonction  des  technologies des questions environnementales et sociales  importantes  : pollution,  conditions  de  travail déplorables dans les gisements, santé des populations locales détériorée...

Trois catégories de terres rares

À  ce  stade,  il  convient  de  distinguer  parmi  ces composants les « terres rares », les « minerais du conflit » et les « métaux critiques », toutes ces catégories formant un ensemble de métaux dont l’utilisation  est  tirée  par  le  développement  des  technologies de la transition énergétique.

  • Les « terres rares » regroupent 17 métaux (le scandium, l’yttrium et la famille des lanthanides dont  les  «  villes  romaines  »  du  début)  dont  les  propriétés thermiques, électriques, magnétiques... en ont fait des éléments incontournables dans le développement des technologies de la transition énergétique  et  numérique.  Leur  définition  vient  du tableau de Mendeleïev. Précisons que, contrairement à ce qu’indique leur nom, elles ne sont pas rares dans l’absolu dans la croûte terrestre. En fait, elles  tirent  leur  nom  du  faible  nombre  de  gisements exploitables économiquement.
  • Les "minerais du conflit" désignent quant à eux un  ensemble  de  minerais  dont  les  conditions  d’extraction portent atteinte aux droits humains. Ils  sont  issus  de  mines  situées  dans  des  zones  instables,  contrôlées  par  des  groupes  armés  et  faisant  appel  au  travail  forcé.  Les  principaux  métaux  de  cette  catégorie  sont  le  tungstène,  le  tantale, l’or et l’étain. Le cobalt, utilisé dans les batteries, est parfois associé à cette catégorie.
  • Les  "métaux  critiques"  sont  quant  à  eux  des  éléments qui présentent des risques (géologiques, techniques, géopolitiques...) en termes d’approvisionnement  et  dont,  de  surcroît,  une  pénurie  aurait  des  effets  économiques  importants. 

Les  minéraux du conflit  et les métaux critiques sont définis par les États. Détaillons  quelques  exemples.  Dans  la  production d’énergies renouvelables, les terres rares (principalement  le  dysprosium,  le  néodyme,  le  praséodyme  et  le  gadolinium)  ne  sont  utilisées  que pour les éoliennes à aimant dit « permanent » (par  opposition  aux  électroaimants).  Selon  le  BRGM, ces aimants représentent 20 % de l’utilisation des terres rares en tonnage et plus de 50 % en valeur. Les enjeux associés ne sont pas tant liés à  la  disponibilité  qu’à  des  questions  environnementales. En effet, les terres rares étant présentes en faible concentration dans la croûte terrestre, leur exploitation nécessite l’extraction et le traitement  d’une  grande  quantité  de  minerai.  Ces  opérations mobilisent beaucoup d’eau, d’énergie et de produits chimiques, et produisent de nombreux déchets toxiques. 

La consommation d’eau est particulièrement cruciale pour ces terres rares et pourrait devenir un facteur limitant là où le stress hydrique est intense, comme en Australie ou en Chine.

Les terres rares regroupent 17 métaux : le scandium, l’yttrium et les quinze lanthanides (lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutécium).



Qu’en est-il des secteurs du photovoltaïque et des batteries ? Ils ne consomment pas ou peu de terres rares. Les enjeux sont de différentes natures et concernent d’autres métaux : pour le premier, le silicium, l’indium, l’argent, le sélénium et le tellure ; pour les secondes, le cobalt, le lithium et le graphite. Ainsi, le cobalt est particulièrement critique à cause d’un risque géopolitique et social élevé dans les zones d’approvisionnement, principalement en République Démocratique du Congo. Quant au lithium, les enjeux sont d’ordre économique, car 85 % des ressources sont concentrées en Argentine, au Chili et en Bolivie, et les acteurs sur le marché sont peu nombreux. La consommation d’eau nécessaire à son extraction dans les déserts de sel est également un point d’attention fort. Pour le silicium des panneaux photovoltaïques, le principal enjeu concerne les impacts environnementaux potentiels liés à son extraction et à son raffinage : consommation d’eau, rejets toxiques et risque de pollution de l’eau si le processus est mal maîtrisé.

Préserver l'environnement

Comment s’affranchir de ces difficultés ? D’abord, dans le photovoltaïque, plusieurs améliorations et innovations voient le jour. Citons la diminution de l’épaisseur des plaquettes de silicium qui réduit les besoins en cet élément, la suppression des cadres en aluminium, la réutilisation des matériaux, la mise au point de nouvelles cellules photovoltaïques à base de pérovskite (des cristaux de type CH3NH3PbX3), en tandem ou non avec le silicium, dotées de meilleurs rendements…

Quant aux batteries, de nouvelles technologies émergent comme celles dans lesquelles l’électrolyte liquide est remplacé par un matériau solide comme un oxyde, un sulfure ou un polymère. Moins polluantes et moins coûteuses à fabriquer, elles ont une durée de vie plus longue et une plus grande densité énergétique. Les batteries dites « à flux » (ou piles d’oxydoréduction) offrent aussi de grandes capacités de stockage, de flexibilité et une durée de vie significative, autant de caractéristiques propres à diminuer l’impact environnemental.

Un autre axe de développement pour limiter les besoins en matières premières est le recyclage.  Aujourd’hui, 95 % de la masse d’une éolienne sont recyclables, fondations comprises. Ce qui reste correspond aux résines des pales et aux aimants permanents pour lesquels des technologies de recyclage émergent. Les futures pales pourront être aussi en fibres de carbone recyclables. Les volumes de déchets poussent la filière à structurer le recyclage et le développement d’aimants permanents sans terres rares notamment.

Les panneaux solaires sont, eux, recyclables à plus de 95 %, les matériaux étant isolés et redirigés vers d’autres applications. Cependant, si des filières de recyclage sont en place en Europe, elles font encore défaut dans d’autres régions du monde pour limiter la pression sur les ressources et l’environnement. Du point de vue réglementaire, des lois se mettent en place pour obliger les industriels à maîtriser les risques environnementaux et sociaux sur toute leur chaîne de valeur : il en va ainsi de la loi française sur le devoir de vigilance (2017), du Modern Slavery Act (2015) au Royaume-Uni ou de la réglementation sur la civilisation écologique en Chine. Ces cadres juridiques, combinés aux nouvelles technologies et à un recyclage plus performant, aideront à maîtriser et limiter l’ensemble des impacts sur l’environnement et la société des énergies renouvelables dans le monde. Elles seront alors vraiment vertes !

Références


Cet article a été écrit par :

Anne Prieur Vernat - ENGIE Lab Crigen

Élodie Le Cadre - ENGIE Research

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