Résumé de Module 5 « Développement Durable »

Au début de 2017, je me suis inscrit à Coursera pour le cours « Développement Durable » qui consiste en huit modules : l'économie, la démographie, l'énergie, les ressources minérales, le climat, l'eau, l'agriculture et finalement un module de devoirs.

Les ressources minérales jouent un rôle clé dans le développement de la technologie. Ce module traite les métaux courants, les métaux "rares" et les terres rares. On présente d’informations sur leurs réserves et leurs applications. On introduit les notions de ressources, de réserves bases et de réserves. On présente deux concepts, le risque d’approvisionnement et l’importance économique, pour exprimer la criticité de la disponibilité de métaux rares.

On conclut qu’il n’y a pas de danger imminent d’un manque de ressources globales pour les métaux courants. Pourtant, un virage vers le recyclage et l’économie circulaire reste nécessaire pour éviter des problèmes de pénurie plus tard. Pour les métaux rares et les terres rares, la situation est un peu plus urgente. Les réserves sont petites ou leur production est presque totalement contrôlée par un seul pays, la Chine.

Module 5  Ressources minérales

L’utilisation de carburants fossiles mène aux émissions de CO2. En 2013, le CO2 atmosphérique se trouvait déjà à un niveau de 400 ppm et il est impératif de ne pas dépasser 450 ppm en 2050 pour éviter une augmentation moyenne de température de 2°. Cette cible sera probablement très difficile à atteindre.

Le pic du pétrole correspond au point où la moitié des réserves a été extraite. À partir de ce pic, les quantités extraites diminuent. Aujourd’hui, on pense, d’une part, que le pic du pétrole se situe autour de 2080 à 2100, mais, d’autre part que le pic du pétrole pour les ressources conventionnelles a déjà eu lieu (entre 2007 et 2010).

Depuis 2009, le gaz et de pétrole non conventionnel sont arrivés, notamment le gaz et de pétrole de schiste qui sont obtenus par fracturation hydraulique, essentiellement aux États-Unis. Le grand avantage de l’utilisation de gaz de schiste : les émissions de CO2 sont beaucoup plus faibles pour le méthane que pour le charbon. Cependant, il est nécessaire d’effectuer le forage dans de bonnes conditions de sécurité. On doit appliquer des normes sévères en ce qui concerne l’étanchéité du puits. On doit avoir une connaissance approfondie des conditions géologiques du sous-sol afin d’éviter des risques séismiques, et, finalement, on doit maîtriser les émissions de méthane et les eaux usées.

Disponibilité des carburants fossiles (années)

Les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, largement utilisés aujourd’hui, nécessitent un isotope particulier de l’uranium, l’uranium 235. Cet isotope correspond à moins de 1 % de l’uranium naturel. En effet, sur cette base, il n’y aurait que pour environ 100 ans d’uranium disponible pour cette technologie. Par contre, les surgénérateurs fonctionnent avec un autre isotope d’uranium, l’uranium 238, beaucoup plus abondant, et dans ce cas il y aurait suffisamment d’uranium pour 5 000 ans de fonctionnement. De plus, il existe aussi des projets de réacteurs qui fonctionneraient au thorium. En bref, il ne semble pas y avoir de risque de pénurie de combustible radioactif.

Les ressources minérales : les métaux courants.

Le tableau ci-dessous montre l’abondance, l’énergie pour la production, l’émission de CO2/kg et la production mondiale. L’abondance ne correspond pas complètement à la réalité minière, mais donne une idée de ce qui est potentiellement disponible. L’abondance est un critère, mais un autre qu’il faut prendre en compte est l’énergie nécessaire pour réduire le minerai, souvent des oxydes, en métal.

Métaux courants : leur abondance, énergie pour la production,
émission de CO2/kg et production mondiale 

Dans la période de 2000 à environ 2010, des monopoles miniers se sont formés par rachat et fusion de différentes compagnies. Associé à cette période il y a également eu des spéculations fortes. Elles se sont traduites par de très fortes augmentations des prix des métaux de base et aussi de très fortes fluctuations de prix.

Les forces motrices pour la consommation des matières premières sont clairement identifiées et ce sont des forces à long terme. Il s’agit essentiellement de la croissance de la population mondiale et de la croissance de la classe moyenne, qui est consommatrice d’infrastructures et de produits.

La fiche sur le cuivre indique la production mondiale (environ 15 millions de tonnes par an), ainsi que les réserves, environ 540 millions de tonnes. On peut donc penser qu’on aurait assez de cuivre pour 30 à 40 ans, et pas plus. En termes de ressources, il semblerait qu’il n’y aurait pas de pénurie définitive de cuivre (raréfaction absolue).

On voit donc que lorsque le prix augmente on développe d’une part des nouvelles capacités minières, et d’autre part on cherche des substitutions qui seraient soit plus performantes soit moins coûteuses. En effet, les ressources terrestres sont d’au moins 130 millions de tonnes et avec la production actuelle, il n’y en aurait que pour environ 50 ans. De plus, il faut faire attention aux nouvelles applications qui feraient appel au nickel.

Pour conclure cette partie concernant les métaux courants, on peut penser que, mis à part le cas spécifique du nickel, il n’y a pas de risque majeur de pénurie de ressources à court terme. Les prix ne resteront pas stables, il y a fort à parier que les fluctuations de prix seront fortes et que les prix des matières premières suivront des augmentations tendancielles.

Les ressources minérales : « métaux rares » et stratégiques

Le risque d’approvisionnement
 et l’importance économique

La situation des autres éléments qui sont considérés comme étant soit rares soit stratégiques sera maintenant examinée. Ce sujet a provoqué beaucoup d'inquiétude en 2010 lorsque la tension sur ces éléments est devenue forte et que les prix ont beaucoup augmenté. L’Union Européenne a produit un rapport en 2014 sur les métaux critiques. La criticité d’éléments est définie en termes de risque d’approvisionnement et d’importance économique. L’importance économique veut dire quel serait le coût à payer si ces éléments venaient à manquer. Le risque d’approvisionnement comprend la notion d’abondance ou de rareté et des aspects de stabilité politique des pays producteurs et d’éventuels monopoles géographiques.

Les métaux rares: le risque d’approvisionnement et l’importance économique

On trouve que les terres rares lourdes présentent des risques d’approvisionnement élevé. Par contre, des métaux comme le chrome ou le tungstène présentent un risque d’approvisionnement plus faible, mais une importance économique plus importante.

Le rapport présente aussi une liste des 21 matières premières critiques qui comporte non seulement des métaux tels que le chrome, le cobalt, l’indium, mais aussi des semi-conducteurs et, par exemple, d’autres ressources comme le charbon pour la production d’acier, la magnésie pour la production de briques réfractaires et les phosphates pour l’agriculture et la chimie.

Les 21 matières premières critiques de l'Union Européene

L’antimoine utilisé comme retardateurs de flamme. La Chine est le premier producteur d’antimoine et le risque d’approvisionnement est en termes de prix et de quantité. Le recyclage et presque impossible, car l’utilisation conduit à sa dispersion. C’est aussi pour le gallium et le germanium que la Chine est le premier producteur ; 75 % de la production mondiale proviendraient de Chine. Il existe donc un risque pour l’approvisionnement.

L’indium n’est pas extrêmement rare (0,2 ppm), mais il se trouve associé à la production de zinc et presque toujours en toute petite quantité. En 2007, les réserves d’indium étaient très faibles (seulement 6 000 t). Évidemment, dès que des nouvelles applications sont arrivées, il y a eu un début de pénurie d’indium et donc une très forte augmentation du prix. Aujourd’hui, presque 60 % de l’indium produit est utilisé dans la fabrication des écrans plats.

Les ressources minérales : « Terres rares » et stratégiques

Les Terres Rares sont une famille d’éléments qui se situent au milieu du tableau périodique. Les Terres Rares ne sont pas toutes rares : le lanthane a une abondance de 34 ppm, le cérium de 60 ppm et le néodyme de 33 ppm. Ces valeurs ne sont pas très éloignées de valeurs d’abondance pour le cuivre ou nickel. Les Terres Rares ne sont pas produites dans l’Union Européenne et la Chine détient environ 97 % de la production.

Les terres rares

Pour les Terres Rares il y a un ensemble d’applications, chacune ayant des aspects spécifiques, souvent dédiés à des préoccupations liées à une transition énergétique. Il y a peut-être un problème potentiel pour les terres rares. Il est donc possible qu’il y ait des tensions pour quelques éléments de la famille des Terres Rares, et notamment les terres rares lourdes. Pour comprendre ce qui s’est passé, il convient de comprendre que les activités minières sont, en général, polluantes. Il faut extraire de grandes quantités de roches et de terres et ensuite séparer les éléments recherchés, souvent par des procédés également polluants.

Dans les années 1990, lorsque la demande de Terres Rares n’était pas encore forte, la Chine est arrivée sur le marché en proposant des Terres Rares relativement peu chères. Les activités minières polluantes restaient en Chine (ainsi que la pollution engendrée) et le monde disposait de Terres Rares. L’inévitable s’est produit. Les mines existantes, notamment la mine de Mountain Pass aux États-Unis, ont été fermées et la Chine s’est retrouvée avec 97 % de la production mondiale.

Quelques commentaires

Ressources, Réserves Bases et Réserves

Il y a trois concepts à prendre en compte. Ce sont les notions de ressources, de réserves bases et de réserves.

• Une ressource, c’est la concentration naturelle de matériaux dans une forme ou une quantité telle que dans les conditions économiques données (qui peuvent varier en fonction des technologies et de la demande) est actuellement ou potentiellement accessible de manière réaliste.

• La réserve base c’est la part d’une ressource identifiée qui respecte les critères physiques et chimiques minimaux liés à l’extraction avec les pratiques de production courante.

• La réserve correspond à la part de la réserve de base qui peut être économiquement extraite ou produite au moment de la détermination.

À propos de l’exploitation minière, il y a un aspect qui est très important à réaliser. C’est la constante de temps. Si une nouvelle mine doit être démarrée, en supposant que l’exploration préalable ait été réalisée, il faut compter au moins de 15 à 25 ans entre le début du chantier et les débuts de l’exploitation. Il y a une très forte déconnexion entre le temps nécessaire pour l’exploration et l’exploitation et les variations des cours des métaux que l’on constate. Ces dernières années, ceci a conduit à une extrême volatilité des prix.

Il semble qu’il y ait un consensus auprès des géologues pour dire, qu’aujourd’hui, l’exploitation minière a à peine grattée la surface de la Terre. On pourrait donc penser qu’il n’y a presque pas de limites sur la production et donc la consommation de matières premières. Tous des nouvelles manières d’exploitation, les mines profondes, l’exploration sous-marine, les exploitations spatiales, ont besoin de plus d’énergie que les premières mines exploitées. Cette consommation d’énergie se traduira, au moins dans l’immédiat, par des émissions de CO2. Peut-être que la vraie limite pour l’accès aux matières premières est donnée par la quantité de CO2 nécessaire pour accéder à une ressource.

En général, les minerais de meilleure qualité sont exploités en premier. En fonction de la durée d’exploitation, la qualité chute, et il faut extraire plus de matière pour obtenir la même quantité de métal. Les améliorations technologiques et les gains de productivité font qu’il encore possible d’extraire de manière économique des métaux de minerais à faible teneur. Mais, d’une part, il y aura des limites (ne serait-ce qu’en termes d’énergie et CO2 émis) et d’autre part il faudra adapter la métallurgie extractive à ces nouvelles conditions. Car, c’est la métallurgie qui permet de passer du minerai au métal avec le degré de pureté nécessaire. Le développement continu de cette métallurgie est essentiel, car on peut s’attendre à une dégradation de la qualité des minerais. Il sera nécessaire d’adapter la métallurgie extractive pour ces nouvelles ressources minérales. La démarche est également valable pour le recyclage.

Diminution de la qualité des minerais avec le temps d'exploitation

Pour pouvoir vraiment comparer les prix, encore faudrait-il prendre en compte correctement les externalités (coût d’enfouissement, coût de CO2…). Ensuite, il y a les réductions de consommation d’énergie du recyclage (par rapport à la production primaire) avec des conséquences sur le coût de production, mais surtout sur les émissions de CO2. C’est un aspect particulièrement important du recyclage.

Le recyclage

Aujourd’hui le recyclage marche bien pour les métaux très courants : acier, aluminium et cuivre sont couramment recyclés. Pour les métaux très coûteux par exemple pour l’or, le recyclage a toujours existé. Dès qu’il y a une valeur intrinsèque dans un matériau, le recyclage a été historiquement présent et a toujours existé.

Le recyclage primaire concerne les matériaux dès l’étape de fabrication et ce sont donc des chutes non mélangées et clairement identifiées. Ils sont faciles à recycler. Le recyclage de déchets plus ou moins mélangés, c’est le recyclage secondaire. C’est plus compliqué, car il faut trier, souvent grossièrement, et parfois il faut trier très finement. il y a tous les produits qu’ils sont multicomposants. Ici, il y a un problème d’identification, également de dispersion et ensuite de séparation.

Un aspect particulièrement important du recyclage concerne les réductions d’émissions de CO2, évoquées plus haut. Les chiffres sont clairs. La production d’une tonne d’acier à partir d’un haut-fourneau (par réduction de l’oxyde de fer par du coke) produit environ 2 500 kg de CO2. Si au contraire on recycle des ferrailles avec une aciérie électrique, il y aura environ 500 kg de CO2 produits pour un mix électrique moyen.

La durabilité des produits est une problématique scientifiquement bien définie. Les problèmes à traiter sont tout à fait identifiés : ce sont des problèmes d’oxydation, de corrosion, de fatigue et de fluage (les mécanismes de dégradation) et ses phénomènes conduisent au vieillissement et à la ruine d’un produit.

Pour conclure

Il ne semble pas y avoir de danger imminent (dans les 20 ans ?) d’un manque de ressources globales, au moins pour les métaux courants, avec la possible exception du nickel, bien que cet élément ne soit pas identifié comme étant critique dans le rapport de l’UE. Pour les métaux stratégiques, il existe des tensions, plus ou moins temporaires, et les conséquences de nouvelles applications sont insuffisamment prises en compte en amont. La visibilité est de l’ordre de 20 ans pour certains éléments et il faut agir rapidement, car la mise en place de nouvelles solutions nécessite du temps. Il va falloir prendre un virage clair vers le recyclage et l’économie circulaire. Il va falloir également aborder ce point avec des analyses de cycle de vie pour être sûr que la démarche conduit à des réductions d’émissions de CO2.

Il n’y a pas de relation simple entre disponibilité, ou plutôt existence de ressources globales, et leur prix. Les mécanismes d’offre et de demande, associée à la spéculation, conduisent à de très fortes fluctuations de prix qui ont des conséquences à long terme sur les investissements miniers. La tendance des prix des matières premières est fondamentalement haussière. Les mécanismes sous-jacents, augmentation de la population mondiale, associée à l’augmentation d’une classe moyenne consommatrice, conduiront mécaniquement à une augmentation de la demande, et probablement à l’augmentation des prix (et des coûts) des matières premières. La très forte hausse des matières premières récentes, suivies par des investissements importants dans le secteur des mines, suivi par la forte baisse des matières premières, a conduit à mettre en difficulté financière des groupes miniers de dimension mondiale.