Les métaux dans la transition énergétique, Jean-Pierre Heloir*

À la veille de la COP 26, l’Agence internationale de l’énergie a réitéré son avertissement du mois de mai 2021 sur le retard des investissements des pays de l’OCDE nécessaires pour atteindre l’objectif d’une économie décarbonée en 2050. Un rapport paru également en mai 2021 concernant les besoins en matières premières était passé largement inaperçu(1).

Par Jean-Pierre Heloir, géologue

L’augmentation de la production d’électricité, fondement de la transition énergétique, fait surgir des besoins nouveaux en substances minérales. Éoliennes, panneaux photovoltaïques, véhicules électriques sont gourmands en métaux. Barrages, nucléaire, biomasse sont moins concernés.
Le lithium, le cobalt, le nickel, indispensables aux batteries performantes, font la une des médias.
Les terres rares nécessaires aux éoliennes et aux véhicules électriques ont connu leur heure de gloire quand la Chine a diminué drastiquement ses exportations pour répondre à ses besoins intérieurs. L’intermittence des énergies renouvelables entraîne un développement des réseaux électriques, comme on le voit en Allemagne, et de ce fait la demande en aluminium et en cuivre est multipliée. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), les objectifs, insuffisants, que ce sont fixés les États impliquent une hausse de 90 % des besoins en lithium, de 40 % de ceux en cuivre ou en terres rares. Atteindre 0 émission de CO2 en 2050 exigerait de multiplier par 40 la production de lithium, par 20 celle de cobalt ou de nickel, par 2 celle de cuivre. Ces métaux, comme les terres rares, sont dits « critiques ».

QU’EST-CE QU’UN METAL CRITIQUE ?

Un minerai ou un métal est jugé critique quand :

– il est indispensable à court terme et ne peut être remplacé ;

– ses réserves sont insuffisantes ;

– son exploitation actuelle ne permet pas de faire face à la demande à venir.

Ainsi, on estime que les mines existantes et les projets en cours couvriraient 50 % des besoins en lithium et en cobalt, et 80 % des besoins en cuivre.

La notion de criticité se superpose à celle de stratégique, qui s’applique à des gisements rares, très localisés ou concentrés en quelques mains.

Sortir de la criticité peut être obtenu grâce à différents moyens :

– l’ouverture de nouveaux gisements, ce qui demande une forte anticipation. On évalue à une moyenne de seize ans le délai entre la mise en évidence d’un gisement métallifère et sa mise en exploitation.

– l’innovation technologique qui va diminuer les besoins en un métal ou permettre l’utilisation de métaux de substitution plus abondants.

– le recyclage des métaux usagers.

QUELQUES METAUX CRITIQUES

Le cobalt

La production de cobalt est dominée par la République démocratique du Congo (RDC). Selon l’US Geological Survey (USGS, agence scientifique du gouvernement états-unien), les réserves mondiales sont estimées à 7,1 millions de tonnes. La RDC en possède 3,6 millions, l’Australie 1,4, Cuba 0,5.

Le cobalt est le plus souvent extrait comme sous-produit des exploitations de cuivre et de nickel. La production globale a été de 143 000 t en 2019, dont 95 000 (60 %) pour la seule RDC : à comparer avec le deuxième producteur, l’Australie et ses 5 700 t (4 %). La Nouvelle-Calédonie, quant à elle, représente 3 % de la production mondiale grâce à ses mines de nickel.

La concentration extrême des gisements et de la production rend ce métal critique pour la fabrication de batteries. La Chine, premier fabricant de batteries au monde et premier constructeur de véhicules électriques l’a bien compris : ses participations à l’exploitation et au développement des mines en RDC sont très nombreuses. La Chine compte aussi pour 50 % du tonnage de cobalt métal produit dans le monde, le reste étant produit pour une grande part par la société Umicore dans ses usines de Belgique, du Canada et de Finlande.

La ressource en cobalt, 25 millions de tonnes, pourrait être largement consommée d’ici à 2050 dans le cadre de l’objectif de 0 % émission de CO2. Cependant, les innovations techniques permettant de diminuer, voire de supprimer, l’utilisation de ce métal dans les batteries pourraient empêcher une pénurie possible.

L’artiste Dillon Marsh photographie des mines et y ajoute par photomontage le volume de métal qui en a été extrait. Ici, la mine de Palabora en Afrique du Sud et la représentation des 4,1 millions de tonnes de cuivre qui en ont été extraites.

Le cas du lithium

Le lithium est un métal indispensable aux batteries rechargeables Li-ion.

Les gisements de lithium sont de plusieurs types :

– roches dures, c’est le cas des gisements australiens ;

– salars sédimentaires (triangle Chili-Bolivie-Argentine) ;

– eaux géothermales (fossé rhénan, dont la plaine d’Alsace).

Les réserves mondiales ont été réévaluées par l’USGS en 2021 : elles sont de 21 millions de tonnes ; la ressource, elle, est estimée à 86 millions de tonnes. Trois pays, le Chili, la Bolivie et l’Argentine, détiennent plus de 60 % des réserves mondiales, l’Australie 7 %, la Chine 5 %.

La production mondiale a été de 82 000 t en 2020. L’Australie est actuellement le premier producteur mondial, devant le Chili et l’Argentine. La Bolivie, bien que détenant les plus grosses réserves, n’est pas encore présente : le projet porté par le gouvernement d’Evo Morales a subi d’importants retards du fait du coup d’État qui l’a destitué en 2019.

En France, la production est réduite à un petit gisement du Massif central. De grands espoirs sont fondés sur la récupération de carbonate de lithium dans les eaux chaudes sous la plaine d’Alsace. La société Eramet, en partenariat avec Électricité de Strasbourg, a installé une usine pilote sur le forage géothermal de Ritterhoffen. Les tests publiés en mai 2021 sont positifs. Les réserves pourraient être de l’ordre de 10 à 40 millions de tonnes. La production pourrait atteindre 15 000 t/an, ce qui répondrait aux besoins nationaux en fabrication de batteries.

Même si les besoins en lithium étaient multipliés par 40, un manque de réserves à l’échelle mondiale n’est pas à craindre. Les ressources sont importantes, et les travaux de recherche devraient permettre de les transformer en réserves exploitables. La Chine, premier consommateur mondial de lithium, est aussi le premier raffineur. Ainsi, l’Australie envoie en Chine l’essentiel de sa production de minerai.

La Chine a intégré l’ensemble de la chaîne qui va de l’extraction (prise de participation dans des entreprises minières) à la fabrication, en passant par la production de lithium métal.

Une éolienne offshore a besoin de 9,6 t de cuivre par mégawatt installé, contre 5 t pour une éolienne terrestre.

STRATÉGIQUES PLUTÔT QUE CRITIQUES : LES TERRES RARES

Sous le nom de terres rares sont regroupés 17 métaux : les 15 lanthanides (numéro atomique [Z] de 57 à 71), plus le scandium (Z = 21) et l’yttrium (Z = 37).

Les premières utilisations importantes de terres rares ont été liées à la fabrication des écrans couleurs, aux lasers, aux disques durs et aux ampoules LED. La remarquable capacité d’aimantation du néodyme (Z = 60) et du praséodyme (Z = 59) en fait des éléments incontournables pour les éoliennes et les véhicules électriques. Une éolienne type de 2 MW requiert entre 400 et 600 kg de ces métaux, un véhicule électrique entre 3 et 4 kg.

Si les pays conservent la trajectoire actuelle mise en évidence par le recensement des engagements des États par l’AIE, la consommation de terres rares devrait être multipliée par 2,5. Atteindre une énergie décarbonée en 2050 exigerait une multiplication par 10.

La production mondiale a été de 213 000 t en 2019. Les réserves mondiales sont évaluées à 120 millions de tonnes. Les principaux producteurs sont la Chine, 132 000 t ; les États-Unis, 26 000 t, le Myanmar, 22 000 t.

D’un point de vue minier, les terres rares ne sont pas vraiment critiques. Ces métaux sont jugés stratégiques par les États-Unis, le Japon et l’Union européenne du fait de la prédominance de la production chinoise. La Chine a produit jusqu’à 97 % des terres rares, puis a décidé de baisser fortement ses exportations pour satisfaire ses besoins intérieurs, ce qui a entraîné un rééquilibrage, d’autant que les États-Unis ont rouvert leur mine historique de Mountain Pass.

La prospection s’est développée et de nouveaux gisements sont en cours d’évaluation.

Si elle ne représente plus que 60 % des minerais extraits, la Chine, en raison de son savoir-faire, pèse pour 90 % dans la production des métaux rares. La production des États-Unis est ainsi traitée en Chine… et l’usine de valorisation prévue à Mountain Pass se construit avec une participation chinoise. En Europe, les études ont repris pour les anciens gisements scandinaves. D’importantes réserves ont été découvertes au Groenland.

Pour la France, les petits gisements de Bretagne ne semblent pas offrir d’intérêt économique. Le Bureau de recherches géologiques et minières développe des essais de récupération sur les aimants permanents des éoliennes et sur les disques durs. Solvay recycle déjà les ampoules LED. Les smartphones sont un autre gisement potentiel, chacun contient environ 3 g de terres rares. On évalue à 100 millions les anciens smartphones qui dorment dans les tiroirs français2. Reste à organiser la collecte…

LE CUIVRE

Exploité depuis 10 000 ans, le cuivre joue un rôle considérable dans l’économie actuelle. Avec une extraction minière de 20,9 millions de tonnes métal en 2018, c’est le minerai le plus exploité après le fer et l’aluminium. Indispensable aux énergies renouvelables, sa demande va croître fortement. Une éolienne terrestre a besoin de 5 t de cuivre par mégawatt installé, contre 9,6 t pour une éolienne offshore.

La consommation mondiale a été de 30 millions de tonnes en 2019. Le recyclage a complété l’extraction minière par 9 millions de tonnes. Les besoins sont évalués à 70 millions de tonnes par an d’ici à 2050 si l’on veut atteindre une neutralité carbone. Les réserves mondiales ont été réévaluées à 840 millions de tonnes en 2019 (chiffres USGS). Stimulée par un cours élevé, l’augmentation des réserves est considérable. Elles étaient évaluées à 90 millions de tonnes en 1950 et à 280 millions de tonnes en 1970. Malgré cette réévaluation, les réserves connues seront insuffisantes pour satisfaire la demande mondiale au cours des trente prochaines années. Le recyclage du cuivre fournit déjà de quoi couvrir le tiers des besoins. Sur les 590 millions de tonnes extraites depuis 1900, 450 millions sont encore utilisées.

La durée moyenne de « fixation » du cuivre est environ trente ans (de quelques années en électronique à cent ans dans les bâtiments et les infrastructures). La ressource est donc importante, mais elle ne devrait pas suffire à répondre à la croissance de la demande.

Au-delà des réserves, les ressources identifiées sont de 2,1 milliards de tonnes. L’UGSC estime également qu’il y a encore 3,5 milliards de tonnes de ressources à découvrir.

Ces éléments montrent qu’il y a ur­gence à investir dans l’exploration et l’ouverture de mines. Il faut entre douze et seize ans pour mettre en exploitation une mine après la première évaluation d’un gisement.

La rançon de l’augmentation des réserves est la baisse de teneur en métal. Elle est passée de 1,34 % en 1990 à 0,67 % aujourd’hui. Cela n’est pas sans conséquence sur l’environnement. La taille des mines à ciel ouvert est gigantesque. La consommation d’énergie pour extraire 1 t de minerai puis 1 t de métal croît de façon exponentielle. N’oublions pas qu’une mine à ciel ouvert fonctionne avec un ratio maximal de 1 à 3, soit 1 t de minerai (à 0,67 %) pour 3 t de déblais stériles.

LE PROBLÈME DE L’EAU

Le lithium et le cuivre exigent beaucoup d’eau pour leur concentration. Nombre de gisements, comme ceux du Chili, se situent dans des régions désertiques. Dans la grande mine chilienne d’Escondida, la consommation d’eau est de 60 m3 par tonne de cuivre. Pour faire face à ces besoins, les entreprises minières d’Atacama ont ouvert une première usine de désalinisation de l’eau de mer, eau qui est remontée ensuite sur 180 km pour atteindre son lieu d’utilisation. Par ailleurs, pour répondre à la de­mande des populations, le gou­vernement chilien prépare une loi limitant la consommation d’eau dans les exploitations minières.

Ces contraintes environnementales ne sont pas sans conséquence sur le prix de revient du cuivre et pourraient peser sur la production mondiale : aujourd’hui, le Chili représente à lui seul 6 millions de tonnes de cuivre sur les 20 millions de tonnes extraites annuellement dans le monde.

RESERVES, COUPURES ET PROFITS

La teneur est la quantité de métal contenue dans un minerai.

Les ressources en minerai correspondent à un gisement dont la délimitation géologique est cartographiée. Quelques sondages espacés permettent d’affecter une teneur moyenne à ce gisement. Les ressources présumées sont souvent dans la continuité de gisements connus. Certaines ressources peuvent ne jamais être exploitables.

Les réserves sont des ressources techniquement et économiquement exploitables. Le prix des métaux est très spéculatif. L’évaluation des réserves pourra augmenter, ou diminuer, en fonction des variations de prix. Ainsi, les réserves de cuivre se sont considérablement accrues avec la hausse du cours de ce métal. La notion de réserve est donc une notion économique. La teneur de coupure définit la quantité optimale de métal récupérable en fonction des tonnages, de la typologie du gisement, du coût d’exploitation et du prix du marché. Plus le prix du marché est élevé, plus la teneur de coupure pourra être basse et plus les réserves seront élevées. Cela devrait encourager l’exploitation des gisements à faible teneur. C’est souvent le choix inverse qui est fait par les majors du secteur. En cas de prix du marché élevé, extraire les minerais les plus riches et les plus faciles à traiter permet de maximiser les profits immédiats. Dans de nombreux gisements mûrs, la teneur moyenne a baissé de façon importante du fait de ces pratiques d’écrémage.

PERSPECTIVES

Le mix énergétique envisagé par les grandes institutions internationales ou Réseau de transport d’électricité (RTE) pour atteindre une neutralité carbone en 2050 exige une hausse considérable de l’utilisation de certains métaux. Plus la part des énergies renouvelables sera grande dans le mix énergétique, plus cette hausse sera importante. Parmi ces métaux, celui qui risque de poser le plus de problèmes de production est le plus abondant, le cuivre. Développer les énergies renouvelables – éoliennes, photovoltaïque… – exige des investissements industriels considérables. La production minière, souvent oubliée, exige elle aussi de forts investissements si l’on veut éviter les risques de pénurie. L’augmentation nécessaire de cette activité aura des conséquences sur l’environnement et… la consommation d’énergie.

1. « The role of critical minerals in clean energy transition”, rapport AIE, mai 2021.
2. Marie-Christine Blandin, compte rendu de la mission d’évaluation, Sénat, 21 juillet 2016.

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