Energies renouvelables et métaux

Article de Alain Vaillant publié dans la revue de Nord Nature Environnement n° 149, décembre 2012

Publiée en mars 2011, la revue « Le Soleil, notre énergie » (1)aboutissait à la conclusion : l’énergie solaire en flux nous arrive à notre porte en quantités considérables et pour quelques milliards d’années. Mais « Il y a cependant une limitation au développement massif des outils permettant de capter l’énergie solaire, c’est la quantité de matériaux à utiliser pour cela. La fin annoncée des ressources minérales (minerai de cuivre, d’aluminium, …) et la nécessaire solidarité de partage de ces biens communs à l’humanité sont des éléments essentiels à prendre en compte. ». Cet article propose de regarder d’un peu plus près la finitude des ressources métalliques (2)par rapport au développement des ENR qui, demain, remplaceront en totalité les hydrocarbures et l’uranium.

1) Préserver les ressources
1.1) le stock : notre vaisseau spatial appelé la Terre transporte avec lui du minerai de fer, de cuivre, …. Touts ces réserves sont finies. Le stock mondial est constitué des réserves encore sous terre et du métal en circulation. Chaque année, le stock en circulation :
• augmente de la quantité produite
• diminue des quantités perdues par des usages dispersifs : le non recyclage, l’utilisation de métaux comme colorants (par exemple l’oxyde de titane, colorant blanc), les fertilisants, phytosanitaires (par exemple la « bouillie bordelaise avec le sulfate de cuivre), …
Ces pertes sont variables d’un métal à l’autre :
• l’or : très peu de perte
• le zinc : chaque année, c’est 30 à 40% du poids de métal extrait qui est dispersé (déchets des procédés de production, acier galvanisé, alliages, …)
Mais, en fonction des taux de croissance économique passés et projetés, nous devrions ainsi « produire » en l’espace d’une génération, (c’est à dire extraire de la croûte terrestre), une quantité plus grande de métaux que pendant toute l’histoire de l’humanité. Du délire !
1.2) la concentration des minerais : pour des raisons économiques, ce sont les gisements à plus forte concentration qui sont exploités en premier (mises à part les considérations géopolitiques). Petit à petit, ce sont des gisements de moins en moins concentrés qui fournissent les métaux. Il va donc falloir de plus en plus d’énergie pour extraire la même quantité de métal (à cause des masses de minerai à déplacer et traiter). Simultanément, notre consommation énergétique augmente et, pour la satisfaire on utilise de plus en plus de métaux notamment à travers les énergies renouvelables (voir § 3) . Consommation d’énergie et de métaux vont de pair.
1.3) où sont les réserves ?
Actuellement, l’Union Européenne importe de 50 à 100 % des métaux qu’elle utilise


Concentrés métalliques et minerais (3) : importation en % de la consommation apparente (4)
dans l’Union Européenne (5)

Ces importations massives ne signifient pas nécessairement que nous n’avons presque plus de ressources. Par exemple, en Lorraine, nous avons encore de la « minette » (minerai de fer), mais son exploitation a été abandonnée car on trouvait du minerai plus riche en fer et moins cher sur le marché international. Mais, globalement, notre développement technologique gros consommateur de ressources ayant commencé depuis plus d’un siècle, nous avons déjà utilisé les ressources métalliques faciles à extraire de notre sous sol.

Les technologies actuelles utilisent des métaux très spéciaux et parfois assez rares. Exemples :
• le Gallium, métal très rare est utilisé pour les LED d’affichage, certaines cellules photovoltaïques à haut rendement …
• le lithium et le cobalt utilisés pour le stockage de l’électricité (une automobile électrique contient 4kg de lithium et 3kg de cobalt pour une autonomie de 300 km)

A l’évidence, la dépendance de notre mode de vie actuel aux importations de métaux stratégique est une source de conflit qui sera attisée par ceux qui ne veulent pas changer de mode de vie
1.4) Les pics de production :
Nous connaissons déjà l’effet du « pic de production du pétrole » (5): son prix augmente et va continuer d’augmenter au fur et à mesure de l’épuisement de la ressource. On a le même phénomène sur toutes les ressources minérales, en particulier les métaux. A partir des réserves connues et au rythme de consommation actuel, on peut estimer la durée d’épuisement des stocks. Selon les métaux, cela varie de quelques décennies (zinc, étain, …) à quelques siècles (cobalt, platine, …). Pour chacun d’eux, le pic de production précèdera cette échéance inéluctable. De plus, quand on va s’approcher du pic de production, puis le dépasser, cela va entraîner des tensions internationales voire des guerres pour la possession de ces ressources

2) Eviter les pertes
2.1 Recyclage à 100% ?
Développer le recyclage au maximum permet, en principe, de limiter les pertes.
Actuellement, dans les pays développés et pour les métaux très utilisés, les taux de recyclage sont élevés. En France par exemple :
• 85% pour le fer
• 80% pour le cuivre et l’aluminium (dans les transports, l’aluminium est recyclé à presque 100%, mais pour les emballages c’est seulement 60%)
Au niveau mondial, ces taux de recyclage sont bien plus faibles :
Plomb : 72% ; Aluminium : 49% ; Or : 43% ; Germanium : 35% ; Nickel : 35% ; Cuivre : 31% ; Etain : 26% ; Zinc : 26% ; Chrome : 25% ; Tantale : 20% ; Gallium : 0% ; Indium : 0% ; Phosphore : 0% ; Platine : 0% ; Uranium : 0% (7)
Mais le recyclage a ses limites :
+ 2.1.1 la dispersion :
3 exemples :
• le recyclage de l’aluminium sous forme de lingots se fait avec une « perte au feu » de 1 à 2%
• le titane est utilisé à 98% sous forme d’oxyde qui est un colorant blanc … irrécupérable
• le nano argent utilisé comme désodorisant pour les chaussettes est définitivement perdu après un usage pour le moins discutable …



les plaquettes de pilules comportent une face aluminée collée au plastique

 


1 couvercle d’emballage de margarine, c’est 1g d’aluminium
définitivement perdu dans nos déchets mal triés-recyclés.

+ 2.1.2 la dégradation par l’usage :
Le plastique des bouteilles d’eau est recyclé en table de jardin, mais pas en bouteille d’eau. Ce phénomène est vrai pour le verre et pour de nombreux métaux transformés en alliage. Il faudra améliorer les processus de fabrication pour, par exemple, accepter des métaux moins purs dans les fabrications de nouveaux objets

En fait, le recyclage à 100% est impossible. C'est-à-dire que le recyclage ne fait que repousser une échéance, à long terme, inéluctable : la dispersion complète (8) qui rendra ce métal totalement inutilisable. Ceci est vrai, à plus ou moins long terme pour tous les métaux

2.2 La substitution :
Dans des pots d’échappement catalytiques, on a remplacé le platine par du palladium qui coûte nettement moins cher
Le plombier : il ne travaille déjà plus le plomb, il travaillera beaucoup moins le cuivre et travaillera plus les plastiques. On peut même imaginer le remplacement de toutes les distributions d’eau domestiques en cuivre par du plastique … si on le fait assez tôt et qu’il y a encore du pétrole pour fabriquer ce plastique..


3) L’exemple du cuivre et des énergies renouvelables
Le Soleil en flux constitue une ressource énergétique colossale, en France, et pour quelques milliards d’années. Pour transformer cette énergie lumineuse en électricité, chaleur, hydrogène,… directement utilisable, il va falloir construire des panneaux photovoltaïques, des éoliennes, des panneaux solaires thermiques, … . Dans ce but, on va utiliser des métaux en quantités importantes.
Parmi les métaux non précieux, le cuivre est celui qui permet de transporter l’électricité avec le moins de pertes. C’est la raison pour laquelle on le retrouve dans les éoliennes ainsi que dans les onduleurs et transformateurs utilisés pour vendre l’électricité d’origine photovoltaïque à EDF.
A l’échelle de la France, et pour ce qui est du cuivre, a-t-on assez de cuivre en stock ? Ou faudra-t-il en importer 2 fois plus qu’actuellement durant 20 ans ? Ou le stock mondial de cuivre sera-t-il insuffisant ? ou … ?
Pour se faire une idée, on va estimer la quantité de cuivre qu’il faudrait pour produire toute l’électricité que l’on consomme uniquement avec des éoliennes.
Bien sûr, on n’envisage pas de produire toute notre électricité avec des éoliennes ; on veut juste regarder de près si les énergies renouvelables sont un mythe ou une perspective réaliste.
On fera ensuite, dans la même optique le calcul des quantités de cuivre qu’il faudrait pour produire toute notre électricité avec des panneaux photovoltaïques
3.1) Calculs pour les éoliennes :
+ Une éolienne de 3 MW, à multiplication de vitesse par engrenage, consomme, en 2006 pour sa fabrication et son installation, environ 0,4 T de cuivre par MW lors de sa fabrication.
+ En 2011, la consommation d’électricité en France a été de 488 TWh (9)
+ On va estimer le facteur de charges de ces éoliennes à 20% (10)
+ Il faudra donc, avec des éoliennes de 3 MW (de type Vestas V 90) pour produire exactement la quantité d’électricité que l’on a consommé en 2010 un tonnage de cuivre de 111.600 T
Limites de ce calcul :
+ pour relier une grande partie de ces éoliennes au réseau RTE, il faudra créer des lignes électriques qui consommeront du métal supplémentaire. En particulier, le développement de l’éolien offshore nécessitera encore plus de cuivre à cause des longueurs des câbles électriques pour les relier au réseau de distribution
+ depuis 2006, pour augmenter le rendement des éoliennes, on a remplacé les engrenages de la multiplication de vitesse par un ensemble électrique et finalement, le poids de cuivre se trouve multiplié par 5 ! (11). Plus récemment, on diminue à nouveau le poids de cuivre, en ajoutant des « super aimants » fabriqués à partir de Terres Rares qui, comme leur nom l’indique ne pourront peut être pas se généraliser (12). Ces consommations supplémentaires de cuivre ou de Terres Rares ne sont pas une fatalité : les éoliennes de 2006 avec engrenages fonctionnaient très bien !
+ Il est possible que des progrès techniques diminuent les quantités de métal nécessaire

3.2) Calcul pour le photovoltaïque :
+ 1MWc de panneaux photovoltaïques en silicium consomme environ 4T de cuivre(13) pour sa fabrication et son installation
+ 1MWc de panneaux photovoltaïques produit en moyenne en France 1000 MWh par an
+ Il faudra donc pour produire, en 1 an la consommation électrique de 2010 environ 2.000.000 T de cuivre
Limites de ce calcul :
+ Là aussi, une partie de ces panneaux photovoltaïques sera reliée au réseau et cela nécessitera des lignes électriques qui consommeront du métal supplémentaire
+ Le rendement des panneaux photovoltaïques a été nettement amélioré, mais cela se fait en utilisant des matières premières particulières qui ne permettent pas une généralisation de ces technologies
+ Il est possible que des progrès techniques diminuent les quantités de métal nécessaire

3.3) Et la production de cuivre ? :
• Au rythme mondial de production et de consommation actuelles, les gisements de cuivre exploitables à la technique et au prix actuel dureront 40 ans. Ensuite, il y en a encore pour 70 ans d’exploitation à des coûts de plus en élevés1. Et c’est tout ! Avec l’augmentation de la consommation mondiale (notamment les pays « émergeants : Chine, Inde, Brésil, …) ces durées seront diminuées (au cours des 20 dernières années, la consommation de cuivre a doublé)
• La concentration de cuivre dans les mines exploitées est passée de 1,8% en 1930 à 0,8 % aujourd’hui. La dépense énergétique pour l’extraction du cuivre va continuer d’augmenter.
• C’est aussi le cuivre qui permet les meilleurs échanges de chaleur. C’est ainsi que l’on retrouve le cuivre dans le solaire thermique (chauffe eau solaire, méthanisation pour chauffage, …) et la géothermie.
• A cause de l’intermittence propre aux énergies renouvelables, il faudra que notre parc de production d’électricité ait une capacité totale de production nettement supérieure à notre consommation instantanée maximum car la plupart du temps les différentes méthodes de production d’électricité ne seront pas toutes opérationnelles en même temps
• La France a très peu de minerai de cuivre et elle en importe donc tous les ans. L’importation française de cuivre raffiné a été en 2008 de 480.455 T (14).


Manifestement, les énergies renouvelables éolien et/ou photovoltaïque ne pourront pas satisfaire notre consommation actuellement boulimique d’énergie.


4) Conclusions :
Il n’y aura pas que l’électricité à fabriquer à partir du soleil, il nous faudra de l’eau chaude sanitaire et du chauffage, ce qui utilisera aussi beaucoup de métal.
Incinérer des déchets insuffisamment triés, comme c’est le cas actuellement, est une hérésie car certains métaux qui les constituent deviennent alors irrécupérables (15).
Nos décharges où durant des dizaines d’années nous avons jeté tous nos déchets seront nos gisements métallifères de demain. On les rouvrira pour récupérer les métaux
La difficulté la plus importante pour le passage de nos sociétés au « tout renouvelable énergétique » ne sera pas le manque d’énergie mais bien l’épuisement de nos réserves métalliques.
Là comme dans d’autres domaines, il est indispensable de penser la Terre comme notre vaisseau spatial avec, embarqués à bords une certaine quantité d’eau, de métaux, … et qu’il faut, comme on dit familièrement, « faire avec ».
L’énergie solaire abondante, gratuite et qui arrive à notre porte au quotidien permettra d’accéder à une certaine autonomie (= indépendance par rapport aux marchands d’énergie), mais il faudra absolument diminuer la quantité d’énergie consommée actuellement pour espérer « s’en sortir ». Cette diminution est à mettre en œuvre dès maintenant pour faciliter la transition énergétique vers les renouvelables.

Notes :

1. Il est possible de se procurer cette revue au secrétariat de Nord Nature Environnement ou de la télécharger gratuitement sur www.soleil-energie.eu .
2. Des informations de cet article sont issues de l’ouvrage « Quel futur pour les métaux ? Raréfaction des métaux, un
nouveau défi pour la société » de Philippe Bihouix et Benoît de Guillebon ; 2010 ; éditions EDP sciences
3. De gauche à droite : Antimoine, Cobalt, Molybdène, Niobium, Platine, Terres rares, Tantale, Titane, Vanadium,
Manganèse, Minerai de fer, Minerai d’aluminium, Etain, Zinc, Chrome, Cuivre
4. Consommation apparente = production des mines + importations - exportations
5. Figure extraite d’une Communication au Parlement Européen et au Conseil : « The raw materials initiative – meeting
our critical needs for growth and jobs in Europe » publiée en 2008
6. C’est l’époque où la mise en exploitation de nouveaux gisements ne compense plus la fermeture de ceux que l’on
a épuisés
7. Source : citation d’un article publié par Eric Drezet du CNR
S : http://www.ecoinfo.cnrs.fr/spip.php?article129#nb48. On a ici un cas particulier de ce que l’économiste Nicolas
Georgescu Roegen a conclu à partir de la loi de la thermodynamique sur l’entropie : la contradiction entre la
deuxième loi de la thermodynamique, la loi de l’entropie – c’est-à-dire la dégradation inéluctable, suite à leur usage,
des ressources naturelles utiles à l’humanité – et une croissance matérielle sans limites. Il appelait à une décroissance
pour tenir compte de la loi physique de l’entropie. Il a écrit sur le sujet l’ouvrage « La décroissance, entropie, écologie,
économie » publié aux éditions Sang de la Terre en 2006 (réédition).
9. Selon RTE
10. En 2010, le facteur de charge du parc éolien français a été de 20,6% selon RTE
11. Estimation réalisée à partir de « Evaluation de cycle de vie des centrales éoliennes terrestres basées sur des
turbines Vestas V112-3.0 MW » publié en 2011
12. 95% des gisements de Terres Rares sont situés en Chine
13. Cette estimation vient du croisement des données :
+ Le rapport pour 2010 de l’Institut Européen du cuivre : http://www.nord-nature.org/doc/EOL_Cu_2010_annualReport_ eurocopper_v14.pdf
+ L’association HESPUL a publié en 2009 « Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental » :
http://www.photovoltaique.info/IMG/pdf/PV_Fab_Envt_ final_26082009.pdf
14. Source : http://www.societechimiquedefrance.fr/extras/ Donnees/metaux/cu/texcu.htm
15. Le zinc, par exemple, se vaporise à 907 °C alors que dans un incinérateur d’ ordures ménagères cette température est parfois dépassée

 

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