Métaux et terres rares : l’autre problème de la transition énergétique – Bruno Chaudret

Métaux et terres rares :

l’autre problème de la transition énergétique

Un problème très largement occulté par le débat sur les sources d’énergie de l’avenir, mais qui y est lié : l’épuisement des ressources en terres et métaux rares.

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Platine : élément stratégique majeur servant au raffinage du pétrole, à la fabrication de piles à combustible (batterie de stockage de l’électricité) ou encore d’injecteur pour moteurs à réaction (aviation).

 

Si l’on se réfère à la transition énergétique, les deux raisons qui la rendent nécessaire et urgente sont d’une part la raréfaction des hydrocarbures (pétrole et dans une moindre mesure gaz) et d’autre part la nécessité de trouver des énergies décarbonées pour limiter la production du dioxyde de carbone (CO2), l’élément principal du réchauffement climatique. Pour décarboner l’énergie, les pistes évidentes sont la conversion de l’énergie solaire, en chaleur ou en énergie électrique et la multiplication des éoliennes ou des barrages ou de dispositifs utilisant la force des marées, mais qui ont tous en commun, de convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. En parallèle, il est nécessaire de réduire la consommation énergétique, notamment dans tous les composants électroniques et dans les moteurs thermiques. Enfin, l’épuisement du pétrole nécessite de trouver des sources alternatives pour les produits de base que sont, par exemple, les polymères (matières plastiques) ou les médicaments. On peut penser à créer une industrie chimique plus respectueuse de l’environnement et basée sur des matières premières vertes, notamment pour les polymères. On peut également abandonner le moteur à explosion au profit des piles à combustible qui, en théorie, utilisent la réaction de combustion de l’hydrogène pour générer de l’électricité et ainsi alimenter un moteur électrique ; les preuves de concept existent. Tout ceci indique clairement les pistes à suivre, si l’on rajoute, quoi qu’on en pense à ce stade, la découverte aux États-Unis et dans d’autres pays de vastes réserves de gaz de schiste, il est tentant de penser que le problème est d’une actualité moins brûlante qu’on aurait pu le penser il y a quelques années. C’est d’ailleurs ce qui est officiellement ou officieusement la position des différents États : la transition énergétique peut attendre la fin de la crise ! On oublie généralement un point important, la conversion d’énergie nécessite des processus complexes que nous allons survoler et, par ailleurs, la miniaturisation des circuits électroniques implique l’emploi d’éléments de protection électromagnétique pour éviter les interférences entre les circuits (transmettre ses coordonnées GPS quand on vient de prétendre par téléphone être cloué au lit par une grippe…). Tout ceci a un point en commun. Il faut utiliser des systèmes complexes qui font appel à des matériaux stratégiques.

  • la conversion de l’énergie solaire fait appel au silicium, élément abondant qui peut être produit (moyennant beaucoup d’énergie) à partir du sable commun, cependant ses performances plafonnent autour de 20-25 % d’efficacité et d’autre part pour la miniaturisation et la généralisation des cellules solaires (sur votre portable) il faut faire appel à des cellules comportant d’autres éléments, par exemple Gallium, Indium, Arsenic, Phosphore… Ces éléments sont rares et en voie d’épuisement. Les nouvelles pistes contenant des matériaux mixtes font appel à des métaux précieux.
  • Les éoliennes et autres dispositifs mécaniques transforment l’énergie sur le principe de l’induction électromagnétique. Pour que ceci soit efficace, il faut des aimants aussi performants que possible, les meilleurs sont formés à partir de Fer/Néodyme, Bore. Le fer et le bore sont abondants. Le néodyme n’est pas vraiment rare bien que ce soit un élément des « terres rares » ou lanthanides de la classification périodique des éléments. Le problème de ces éléments est qu’ils se trouvent répartis à la surface de la terre en faible concentration et que l’exploitation des minerais a lieu essentiellement en Chine bien qu’on en ait découvert récemment au Canada. Ces éléments sont difficiles à extraire vu leur faible concentration et surtout ils se présentent comme un ensemble de 15 éléments qui ont à peu près les mêmes propriétés chimiques, ils sont donc très difficiles à séparer. De plus, ils ont des propriétés semblables aux « actinides », éléments lourds, comprenant entre autres le Thorium et l’Uranium et l’exploitation industrielle des terres rares entraîne la production de déchets faiblement radioactifs.
  • la miniaturisation des circuits électroniques et leur production de masse (plusieurs milliards de transistors produits chaque jour !) entraînent la nécessité de contrôler de plus en plus finement leurs propriétés. Il faut isoler les circuits des interférences électromagnétiques donc utiliser des matériaux magnétiques (le meilleur, le cobalt). Il faut isoler les circuits pour empêcher qu’il se forme des arcs électriques entre les différentes fonctionnalités : pour cela on va utiliser des isolants à base de niobium ou de tantale, dont les minerais, le coltan, est une source importante des guerres de l’Afrique de l’ouest. Il faut que les circuits soient les plus conducteurs possible donc il faut utiliser au moins du cuivre si ce n’est de l’or : métaux rares, chers et épuisables, même si les res- sources en cuivre sont encore abondantes.
  • enfin, il faut, pour avoir une industrie chimique moins consommatrice d’énergie, moins productrice de déchets et respectueuse de l’environnement utiliser des processus catalytiques. Les catalyseurs sont en grande partie des métaux précieux, « métaux de la mine du platine » car on les trouve mêlés au platine à l’état naturel et dont les plus importants sont le platine, le palladium, le ruthénium et le rhodium. Leurs propriétés catalytiques les font utiliser pour le raffinage du pétrole, pour l’industrie pharmaceutique, la conversion de la biomasse mais également dans des processus électrochimiques comme les piles à combustibles. Leur utilisation de masse les rend stratégiques car leurs réserves sont faibles.– en toute fin, le développement de la catalyse environnementale s’appuie largement sur des catalyseurs à base d’or.

UNE QUESTION STRATÉGIQUE

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Mine d’or à ciel ouvert en Australie

La société britannique de géologie a publié une liste des éléments stratégiques avec un classement de leur situation. La situation la plus critique concerne l’antimoine mais en numéro 2 on trouve les métaux précieux, puis ce dont on a parlé ci-dessus : Niobium, Tantale, Cobalt, Tungstène, Indium, terres rares etc… À quoi servira d’avoir des hydrocarbures ou de la biomasse s’il n’y a plus de catalyseurs pour les transformer ? À quoi servira d’avoir du vent ou du soleil si l’on ne sait plus transformer ces énergies ? Il est urgent de prendre conscience de ce problème…

QUELLES SONT LES PISTES ?

réserver les éléments stratégiques aux utilisations pour lesquelles ils n’ont pas d’équivalents,

développer la recherche pour trouver des alternatives, par exemple utilisation du fer, du nickel ou du chrome en catalyse (bien que ce dernier soit particulièrement toxique), utiliser du zinc plutôt que de l’indium ou du cadmium pour les dispositifs photo-voltaïques.

arrêter la gabegie et recycler les circuits électroniques

être économe de ces ressources.

Le dernier point est plus politique. On a vu dans la période récente que la politique extérieure des États-Unis se préoccupait uniquement de l’approvisionnement énergétique de son territoire. C’est ce qui a donné lieu aux deux « guerres du Golfe ». La mise au pas de l’Irak, la tutelle exercée sur le Moyen Orient et la découverte d’immenses gisements de gaz de schiste a fait baisser la pression dans ce secteur. Par contre, on a vu le développement de guerres et d’interventions en Afrique liées à l’uranium, au cobalt et au coltan. Ceci motive également, au moins en partie, la présence de la Chine en Afrique et le regain d’intérêt des États-Unis pour ce continent. Par ailleurs, les réserves de terres rares exploitables sont en Chine et celles de métaux précieux en Afrique du sud. Si on n’imagine pas une attaque frontale des États-Unis contre la Chine, il est à craindre que la présence des métaux précieux n’interfère avec le processus démocratique en Afrique du sud. La politique internationale et le risque d’interventions extérieures peuvent être liés à ces ressources. Il faudra une fois de plus décrypter les « interventions humanitaires » de nos dirigeants occidentaux. En conclusion cet article ne fait que survoler le problème d’épuisement des richesses minérales de la planète mais son ambition est d’alerter sur un sujet souvent ignoré.

*BRUNO CHAUDRET est directeur de recherche au CNRS et membre de l’Académie des Sciences.

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