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Enjeux/Débats
05/04/2017

Chères ressources minérales : quelles stratégies adopter pour la transition énergétique ?

Dans le cadre du Laboratoire d'excellence VOLTAIRE, le Laboratoire d’Economie d’Orléans (LEO) vient d'organiser avec l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO) et le Bureau de Recherche Géologiques et Minières (BRGM) une journée d’études sur l’économie des ressources minérales et la transition énergétique. Une approche par scénarios à partir de quelques "terres rares" utilisées pour la fabrication de cellules photovoltaïques et de rotors d'éoliennes. Le recyclage est une économie qui offre aussi d'importantes perspectives. Reste à faire les bons choix politiques, ce qui n'est pas si simple dans un contexte d'approvisionnement en ressources globalement incertain et un contexte technologique très évolutif...

Matière grise

Cette journée d’études a été l’occasion de faire se rencontrer chercheurs, enseignants chercheurs et professionnels en économie et en géosciences pour échanger sur les contraintes que font peser les ressources minérales sur la réalisation de la transition énergétique, et sur leur traduction en termes économiques.

Réunir des géologues et des économistes, c’est une première, souligne Xavier Galiègue, Maître de Conférences en Sciences Economiques et membre du LEO. Or, le croisement des connaissances et des compétences n’est pas superflu pour mieux analyser et mieux comprendre des situations qui s’avèrent en réalité complexes.
Les approches interdisciplinaires deviennent indispensables pour bien comprendre, bien faire comprendre, voire proposer des pistes d’action.

Quelles prévisions des besoins en ressources minérales dans la transition énergétique ? Et quelle trajectoire économique pour la transition énergétique ?
C’est la partie dont nous présentons la synthèse.

Une deuxième partie à mis un accent particulier sur le développement des nouveaux outils permettant de mieux évaluer l’impact économique de l’exploitation des ressources minérales et sur les mécanismes qui permettent d’en minimiser le coût à long terme.

Ne pas oublier l’énergie grise

Olivier Vidal, de l’Isterre (CNRS Grenoble) qui a dirigé le réseau européen Era Min, décrit un contexte de demande croissante en matières premières, notamment pour l’énergie : ciment, acier, aluminium, cuivre…
La consommation des ressources minières a explosé, notamment en Chine, ainsi que celle des "terres rares" pour fabriquer les éoliennes, les cellules photovoltaïques ou les équipements high tech (ordinateurs, téléphones, téléviseurs, etc.)

Olivier Vidal attire en outre l’attention sur la consommation d’énergie grise : le fait qu’il faut aussi de l’énergie pour produire et fabriquer, ce qui occasionne 50% de la production de CO2 au niveau mondial.

De même, produire des énergies renouvelables nécessite de l’énergie et des matières premières primaires, parfois des métaux rares, ce qu’il faut prendre en compte lorsque l’on veut évaluer leur efficience et leur rentabilité.

Il y a même là des intensités matières plus importantes que pour la construction d’infrastructures (usines, voies ferrées, ponts, bâtiments, etc.).

Du coup, des scénarios ont été élaborés pour évaluer les quantités de matières qui seraient nécessaires au niveau mondial d’ici 2030.

Scénarios autour du cuivre

Olivier Vidal fait un focus sur la production de cuivre. Il n’y a pas qu’un problème de stock mais aussi de flux, c’est-à-dire de capacité de production. Reste que si le stock de matière première primaire (minerai) n’est pas infini (quoique, dirons certains !) il peut s’épuiser. Et en tout cas, ses conditions d’extraction ou d’obtention peuvent devenir trop compliquées.

La plus grande mine de cuivre dans le monde, en Utah (USA) a nécessité l’extraction de 6 milliards de tonnes de roche depuis le début pour obtenir 18 millions de tonnes de minerai. Or, il faudra théoriquement 78 millions de tonnes de cuivre d’ici 2050 pour satisfaire les besoins estimés, soit quatre fois plus que ce qui a déjà été extrait !
Les problématiques sont similaires pour l’aluminium et l’acier.

Heureusement, dirons-nous, il y a l’opportunité du recyclage.

Avant d’envisager le recours à des matières de substitution - si tant est que cela soit possible, mais on l’a fait dans la plomberie domestique par exemple - le recyclage est la solution pour "reconstituer" une bonne partie du gisement et le mettre à disposition du marché.
Cependant, en 35 ans il faudra tripler les volumes recyclés pour répondre aux besoins estimés.


Question : est-ce que ce sera rentable ? C’est là où l’économie croise la technologie, et éventuellement l’écologie.
Car, l’un des enjeux est aussi, en filigrane, de lutter contre le dérèglement climatique occasionné par les rejets de CO2, résultant eux-mêmes de la combustion des énergies fossiles utilisées pour produire et fabriquer.

D’ailleurs, s’il n’y avait pas cet enjeu majeur, on ne se poserait certainement pas la question de la finitude au moins présumée des réserves de matières premières ni de la consommation des ressources fossiles.
De plus, un tiers des réserves de cuivre se trouvent dans des pays à gouvernance incertaine, ce qui induit non seulement la notion de dépendance mais aussi celle d’aléa.
Raison de plus pour recycler.


Certes, "historiquement, on a toujours diminué les coûts d’extraction, grâce à l’amélioration des process", fait remarquer Olivier Vidal. "Mais arrivera un stade où ces gains de productivité auront atteint leur limite".
Et l’on ne parle pas du coût énergétique de la production de matières premières secondaires.

Bien sûr, l’on pourrait envisager une multitude de scénarios, y compris les plus optimistes (comme dans un système de concurrence pure et parfaite) ou les plus alarmants (dans le cas d’une demande bien supérieure à l’offre, ou d’une pénurie totale).
En retenir un ou quelques uns permet à tout le moins de réfléchir à certaines problématiques qui se posent.

Le recyclage : une économie avec de larges perspectives
Il est difficile de modéliser ce que pourront ou pourraient apporter les évolutions technologiques par la R&D, pour limiter les besoins ou pour proposer des substitutions. Il existe des mâts d’éoliennes en bois, même si cela fait sourire !

Ancien géologue au BRGM, spécialiste en économie de la géologie, et représentant de la France à l’équivalent du GIEC pour la surveillance des pratiques de développement durable à l’échelle de la planète, Patrice Christmann se dit très réservé sur les aspects de modélisation.

Pour lui, les quantités d’atomes de cuivre et d’aluminium sont constants sur la terre. Et les perspectives de recyclage sont très vastes.
De plus, il existerait de gigantesques stocks de cuivre « cachés ». Donc, il n’y aurait pas d’inquiétude à avoir sur la disponibilité pérenne de ce élément.
D’autant moins que l’on pourrait réaliser de 20 à 30% d’économies d’énergie pour produire si l’on voulait mettre en œuvre des technologies existantes, rapporte-t-il. Incidemment, cela permettrait d’éviter des rejets de CO2. Si ce n’est pas fait c’est en raison des coûts d’investissement, jugés encore trop élevés.
Et tant que l’aléa climatique n’est pas davantage pris en compte, dirons-nous.


En outre, Olivier Vidal n’exclut pas que l’extraction de matières premières primaires soit abandonnée un jour si le recyclage s’avère moins onéreux . Selon lui, "l’intérêt de la modélisation n’est pas de prédire mais de comprendre les couplages".

Eolien et photovoltaïque, facteurs d’énergie électrique à la merci de "terres rares"

Justement, l’exemple du cuivre est à corréler avec un de ses sous-produits, le tellure.
Dans un premier temps
Patrice Christmann attire l’attention sur les perspectives de l’énergie électrique, qui représente environ 17% de la somme des énergies utilisées dans le monde.

Pour Patrice Christmann, utiliser l’énergie du soleil est une voie de progrès considérable.
D’autant que les coûts du photovoltaïque ont connu une chute vertigineuse depuis dix ans.
En outre, il souligne le dynamisme de la recherche dans ce domaine.

S’appuyant sur le scénario Bridge, de l’AIE (agence internationale de l’énergie), proposé en 2015, Patrice Christmann soutient qu’il va falloir installer des capacités de production importantes en éolien et en photovoltaïque.
Dès lors, quelle sera la conséquence sur la demande de métaux rares ?
Sachant toutefois qu’il existe différents types d’éoliennes, donc autant de scénarios possibles, et idem pour les capteurs photovoltaïques.

Plutôt que de raisonner à partir de la production de panneaux photovoltaïques à silicium, les plus répandus actuellement, Patrice Christmann retient volontairement les éoliennes à entraînement permanent, fonctionnant avec des aimants permanents, plus chères à construire mais moins onéreuses d’entretien.
La majorité de ces aimants sont fabriqués à partir d’alliage de Cobalt, Nickel, Fer, aluminium, Samarium et Néodyme.
Dès lors, quelle quantité de néodyme faudra-t-il produire
 ?
On peut aussi avoir besoin de dysprosium. Or, ce métal devient très rare.

Mais les "terres rares" seront-elles encore indispensables pour fabriquer les éoliennes du futur ? La question se pose lorsqu’on se réfère au démonstrateur expérimenté par Hitachi avec des métaux amorphes.

Pour ce qui est de la production d’énergie solaire photovoltaïque, elle est actuellement dominée par des matériels utilisant le silicium.
En couches minces, deux technologies sont en concurrence, dont celle au silicium amorphe, qui fait appel au cadmium et au tellure, des métaux « critiques ».

Le tellure est presque aussi rare que l’or, indique Patrice Christmann. De plus,
provenant du raffinage du cuivre (nous y voilà), le tellure requiert une industrie spécialisée.
Or, il y aura un déficit constant de cet élément d’ici 2030 si l’on regarde la production et la demande prévisionnelles.
Toutefois, si l’on se réfère aux volumes connus de production de cuivre, il existe très probablement une production masquée de tellure, en raison de l’enjeu stratégique.

N’empêche que cette technologie de fabrication de capteurs photovoltaïques est peut-être condamnée avant même qu’elle se développe. D’autant qu’il existe des recherches (apparemment prometteuses) sur des cellules photovoltaïques "à multi-jonctions", qui exploitent de façon très performante les différents parties du spectre lumineux.

"Le paysage technologique est extrêmement évolutif, avec des taux de conversion très variable", constate Patrice Christmann. Et pour éclairer sa remarque, il fait référence à l’évolution de l’éclairage depuis un siècle, de la bougie aux lampes à LED. Fonctionnant au gallium, ces dernières n’ont quasiment pas besoin de terres rares. 
En revanche, "Nous avons des technologies de plus en plus complexes, ce qui est un obstacle au recyclage", souligne Patrice Christmann.

Dans l’attente que ce paysage se précise, les industriels investissent plutôt sur l’efficacité énergétique, ce qui a un effet positif sur les quantités de CO2 produits par tonne d’acier ; idem dans la production de ciment.

Recyclabilité et productivité

Alors, compte tenu de ces incertitudes sur la disponibilité des ressources minérales, quel est le bon timing pour enclencher la transition énergétique, et à quelle vitesse développer les énergies renouvelables ? C’est le sujet développé par Francesco Ricci, de l’université de Montpellier, et par Mouez Fodha, un ancien du LEO.

La décision politique n’est pas toujours simple à prendre, et l’on peut d’ailleurs observer qu’elle est disparate.
Parce qu’il y a des coûts d’investissement, surtout lorsqu’il faut subventionner la recherche (en particulier dans les énergies renouvelables) au moins le temps de les rendre opérationnelles et compétitives, ce que préconise Francesco Ricci.
La perspective du recyclage d’une bonne partie des composants peut d’ailleurs inciter à accélérer le processus.

Encore faut-il s’assurer que l’économie du recyclage peut se mettre en place facilement.
Et il ne faut pas occulter le fait que le recours aux énergies renouvelables n’exclut pas toute pollution, ne serait-ce qu’en raison de l’énergie grise déjà mentionnée.

La décision politique, une inconnue déterminante

Par conséquent, de nombreuses inconnues et de nombreuses incertitudes imposent de rester prudent et pondéré. Ce qui ne facilite pas le travail des économistes... Ni l’élaboration des stratégies.
Car bien des évolutions dépendent et dépendront notamment de stratégies et de décisions politiques…
C’est pourquoi le fait de croiser économie, ingénierie, géologie, écologie, etc. devient nécessaire. En ajoutant la dimension géopolitique, quand on sait par exemple que la Chine produit la quasi-totalité des aimants permanents.

Pour autant, faut-il parler de malédiction des ressources naturelles ? Ce thème est abordé par Nicolas Clootens avec Djamel Kirat, qui ont exploité les données mondiales depuis plusieurs décennies pour tenter d’établir une corrélation entre abondance de ressources et niveau de vie. Il semblerait que la dépendance n’aurait pas eu d’impact négatif. Ouf !

Ressources minérales et Développement : malédiction ou bénédiction ? C’est aussi le sujet de
C. Turcu et Thaïs Nunez-Rocha, à travers la régulation des échanges, et de V. Girard et Rémi Bazillier, qui s’appuient sur le phénomène de ruée vers l’or au Burkina Faso.

Reste que la stratégie peut s’appuyer sur des nouveaux outils.
Ainsi,
le modèle EROI qui permet de mesurer l’impact de l’épuisement des métaux dans le cadre de la transition énergétique (présenté par F. Fizaine), ou les apports de la MFA (analyse des flux de matières)  pour juger de l’efficacité des ressources minérales (Dominique Guyonnet, directeur de la BRGM School). Raphaël Danino–Perraud illustre par une application à la filière Lithium Cobalt.

Patrice Dézallé


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