La rareté de certains métaux peut-elle freiner le développement des énergies renouvelables ?

La rareté d’un métal dépend à la fois de l’état de ses ressources, mais également de ses différents usages. Certains métaux utilisés dans les énergies renouvelables peuvent ainsi être considérés comme rares. Un (trop) rapide raisonnement serait de conclure à l’impossibilité d’un essor significatif des renouvelables, manquant de matières premières pour être fabriquées. Qu’en est-il ? Ces métaux rares sont-ils indispensables au développement des énergies renouvelables ?

La rareté d’un métal dépend à la fois de l’état de ses ressources, mais également de ses différents usages. Certains métaux utilisés dans les énergies renouvelables peuvent ainsi être considérés comme rares. Un (trop) rapide raisonnement serait de conclure à l’impossibilité d’un essor significatif des renouvelables, manquant de matières premières pour être fabriquées. Qu’en est-il ? Ces métaux rares sont-ils indispensables au développement des énergies renouvelables ?

L’industrie photovoltaïque est souvent pointée du doigt pour sa présumée consommation importante de « terres rares ». Or cette industrie ne consomme pas de terres rares, mais seulement des métaux dits rares, principalement pour les panneaux utilisant les technologies de couches minces qui représentent moins de 10 % du marché photovoltaïque.

Dans l’éolien, seules certaines technologies – essentiellement dans la filière des éoliennes offshore à génératrice synchrone à aimants – utilisent des terres rares, correspondant là aussi à une minorité du parc installé (environ 5 %).

La rareté de ces métaux spécifiques et les menaces associées de rupture d’approvisionnement, ne sont donc nullement un frein au développement de l’éolien et du photovoltaïque, et encore moins aux autres sources d’énergies renouvelables (biomasse en particulier), qui n’en requièrent pas.

Les seuls métaux pouvant être considérés comme rares utilisés de manière importante dans les énergies renouvelables sont le cuivre et l’argent. Loin d’être réservée au secteur des renouvelables, une pénurie de ces métaux aurait un impact dans d’innombrables autres secteurs industriels. Il est donc nécessaire d’anticiper dès maintenant un éventuel déclin de leur production et de mettre en place des filières appropriées de récupération et de recyclage, avec l’immense avantage de métaux recyclables à 100 %.

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Métaux rares : de quoi parle-t-on ?

La forte hausse du cours des matières premières observée il y a quelques années a mis sur le devant de la scène la problématique de la finitude des ressources de ces matières. À l’instar des énergies fossiles, les matières premières utilisées dans l’ensemble des secteurs industriels sont pour la plupart issues de stocks limités.

Ce constat est particulièrement vrai pour certains types de matériaux, appelé terres rares.

La famille chimique des terres rares comporte dix-sept éléments

On distingue :

  • les terres rares légères : lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium ;
  • les terres rares lourdes, dont les concentrations dans les gisements sont encore plus faibles : scandium, yttrium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutétium.

Ces métaux ont des caractéristiques particulières, souvent présents sous forme de mélange dans les minerais. Bien que relativement abondants dans la croûte terrestre, on ne les trouve qu’exceptionnellement dans des concentrations assez élevées pour pouvoir être exploités pour eux-mêmes de manière rentable. Leurs propriétés catalytiques, électriques, magnétiques, chimiques et optiques sont très recherchées, et bien que souvent utilisées en petites quantités, elles sont indispensables à la miniaturisation de certains équipements ainsi qu’à beaucoup de produits de haute technologie.
Après avoir dominé la production mondiale de terres rares depuis la seconde guerre mondiale, les États-Unis se sont vu dépassés par la Chine au cours des années 1990, alors même que le géant asiatique ne possède que le tiers des réserves mondiales1.

En plus des terres rares, d’autres métaux peuvent être sujets à certaines tensions technico-économiques, sociales ou géopolitiques. Le risque de rupture d’approvisionnement d’un métal (terres rares ou non) peut être causé par divers facteurs :

  • un stock relativement faible au regard des niveaux de consommation ;
  • un événement inattendu comme le développement d’un produit consommateur de métaux rares créant des tensions sur les approvisionnements ;
  • un problème technique, social, environnemental ou climatique sur la production ou l’approvisionnement. Rappelons que les enjeux environnementaux liés à la production de terres rares sont très lourds : dégagements de gaz toxiques (acides sulfurique et fluorhydrique), d’eau acide et de déchets radioactifs ; la mine de Mountain Pass, en Californie, avait été fermée en 2002 notamment pour des questions environnementales. Les conditions de travail effrayantes, dans certains mines chinoises, sont également susceptibles d’engendrer des revendications sociales ;
  • une concentration des zones de production, pouvant là aussi laisser craindre des tensions sur les approvisionnement ; à titre d’exemple, certains pays producteurs ont déjà eu l’occasion de mettre en place des mesures de restriction sur l’exportation de métaux, engendrant des conséquences fortes, leur production étant très concentrée2 dans quelques pays.

D’éventuelles pénuries de matériaux peuvent potentiellement entraîner une forte hausse du coût des produits finis, voire dans certains cas l’impossibilité à terme de fabriquer ces produits si aucune solution alternative n’est envisagée. La criticité d’un matériau dépendra donc à la fois de son risque de rupture d’approvisionnement et de son importance.

La figure suivante illustre la criticité des différents matériaux utilisés dans l’industrie européenne, en distinguant, les deux composantes de la criticité.

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Figure 1 : Les matériaux critiques pour l’Union européenne – Source : Commissariat général à la stratégie et à la prospective, 2013

Consommation de terres rares dans les énergies renouvelables

L’éolien, seule technologie concernée, mais de façon limitée

Hormis l’éolien, les autres sources d’énergie renouvelable n’utilisent pas spécifiquement de terres rares. Par exemple, contrairement à une idée reçue, les panneaux photovoltaïques ne contiennent pas de terres rares. Le développement de cette filière d’énergie solaire n’est donc pas lié aux éventuelles tensions sur les approvisionnement de ces matériaux.

Les éoliennes sont basées sur des alternateurs pour produire du courant. L’alternateur est un moteur électrique fonctionnant à l’envers : la rotation du rotor génère un courant dans le stator – on parle de générateur. L’utilisation de cette technique est la même pour l’éolien (le vent fait tourner le rotor), l’hydraulique (c’est l’eau qui entraîne le rotor), mais aussi les centrales thermiques (charbon, nucléaire, fioul ou gaz, où c’est la vapeur qui entraîne une turbine qui fait tourner le rotor).

Parmi les alternateurs en usage dans l’éolien, on distingue :

  • les générateurs asynchrones : ils ont le gros avantage de supporter de petites variations de vitesses (rafales de vent) mais exigent par contre la présence de multiplicateurs de vitesse (pour créer des rotations de plusieurs centaines de tours/minute nécessaires pour activer la génératrice), ce qui augmente la maintenance et le poids et empêche un démarrage à faible vitesse de vent (frottement). Ces générateurs sont simples, bien maîtrisés et relativement économiques à construire, et ils sont les plus utilisés dans l’industrie éolienne. Ils n’utilisent pas de terres rares mais sont basés sur des bobinages de cuivre classiques.
  • les générateurs synchrones : ils peuvent se passer de multiplicateurs, en utilisant par exemple – mais ce n’est pas une obligation – des systèmes à aimants permanents. Ces systèmes (où le rotor est un aimant permanent) sont de plus en plus utilisés dans certaines éoliennes car ils cumulent des avantages de faible maintenance, de poids et de durée de vie allongée (pas de multiplicateur) ainsi que de rendement. Ces aimants contiennent des terres rares (en priorité du Néodyme, ainsi que du Terbium et du Dysprosium, qui donnent un alliage conservant ses propriétés magnétiques à haute température).

À l’heure actuelle, les éoliennes à générateurs asynchrones – et donc sans terres rares – sont très largement majoritaires dans le parc mondial installé. Pour les éoliennes à générateur synchrone, plusieurs fabricants (comme Enercon, un des cinq premiers constructeurs européens) ont fait le choix de ne pas utiliser d’aimants permanents – le rotor est un bobinage de cuivre – et donc de se passer de terres rares. Les éoliennes contenant des terres rares pour leurs aimants permanents représentaient moins de 5 % du parc en 20103.

Aucune modification majeure de cette structuration du parc d’éoliennes terrestres n’est envisagée dans les prochaines années / décennies ; leur développement ne devrait donc pas être menacé par une éventuelle pénurie de terres rares.

L’éolien off-shore, consommateur potentiel de terres rares

Seul bémol à la conclusion précédente, le développement de l’éolien offshore, qui en est aujourd’hui à ses prémices, pourrait venir modifier à la hausse la consommation de terres rares dans l’éolien. Les technologies bénéficiant d’aimants permanents permettent en effet de diminuer nettement les besoins de maintenance, opérations particulièrement compliquées et coûteuses lorsqu’elles doivent être effectuées en pleine mer.

Dans l’hypothèse où l’éolien offshore – utilisant des terres rares – se développerait fortement dans les prochaines décennies, que se passerait-il ? Une étude menée par Ecofys4 imagine un scénario où 5 % de l’électricité mondiale serait produite à partir d’éoliennes offshore5, utilisant des terres rares. Même ainsi, la quantité totale de néodyme consommée par l’industrie éolienne entre 2015 et 2050 resterait marginale au regard des ressources existantes.


Figure 2 : Comparaison entre la consommation de néodyme de l’industrie éolienne dans le scénario Ecofys, et les réserves mondiales – Source : Ecofys, 2014

Qu’elles soient terrestres ou offshore, les éoliennes ne devraient donc pas dans les prochaines décennies être sujettes à une possible pénurie des ressources en terres rares.

Autres métaux « rares » utilisés dans les énergies renouvelables

Le cas du cuivre

Le cuivre est un matériau relativement abondant sur terre. Ses réserves mondiales sont estimées à près de 700 millions de tonnes, à comparer aux 13 millions de tonnes de lithium ou aux 50 000 tonnes d’or4. Mais ce haut niveau de réserve n’exclut pas une prochaine pénurie de ce matériau dans les prochaines décennies, puisque son niveau de consommation est lui aussi particulièrement élevé. Les propriétés intrinsèques de ce matériau ont facilité son utilisation dans de nombreux domaines : on en utilise environ 16 millions de tonnes chaque année, dans des secteurs aussi diversifiés que le bâtiment, le transport, l’électronique, les moteurs électriques, etc. Revers de la médaille : au rythme actuel de consommation, les ressources pourraient être taries d’ici 40 ans6.

Les énergies renouvelables n’échappent pas à l’engouement pour ce matériau. On le retrouve dans la majorité des rotors d’éoliennes, mais aussi dans certains échangeurs de chaleur (géothermie) ; et bien évidemment dans tout câble électrique.

Son importance est donc cruciale, mais ne se limite pas aux seules énergies renouvelables, loin de là. Le cuivre est un composant principal de l’ensemble du réseau d’électricité, mais également indispensable à d’innombrables autres usages. La baisse des ressources en cuivre est donc à anticiper dans l’ensemble des secteurs industriels ; pour cela différentes solutions sont envisageables, à commencer par la mise en place d’une filière de récupération et de recyclage de ce matériau, avec l’immense avantage d’un métal recyclable à 100 %.

L’argent, autre métal à risque

Contrairement aux réserves de cuivre qui cumulent des tonnages très importants, celles d’argent sont bien moins élevées, estimées à environ 500 000 tonnes4. Sa consommation annuelle étant d’un peu plus de 20 000 tonnes, les stocks pourraient être épuisés d’ici une vingtaine d’années.

L’argent est utilisé dans les cellules photovoltaïques issues de la filière cristalline – c’est-à-dire dans la majorité des cellules (cf. chapitres suivants). La forte progression de cette filière à travers le monde pourrait donc se heurter à une raréfaction de la ressource en argent. Mais, comme dans le cas du cuivre, cette technologie est loin d’être la seule à utiliser de l’argent. On retrouve ce métal dans de nombreuses applications industrielles, dans différents types de batteries, dans l’électronique, ou encore dans les bijoux. Dans de nombreux cas, des solutions de substitution existent et permettraient de limiter la consommation de ce précieux métal. Là aussi, une augmentation du taux de recyclage de ce produit permettrait de desserrer la contrainte sur les réserves existantes et d’enlever toute contrainte future sur la production de panneaux photovoltaïques.

Cadmium et Tellure, Indium, Gallium, Sélénium

Ces métaux aux noms peu courants se retrouvent dans certaines technologies de panneaux photovoltaïques, dites « à couche mince ».

Le marché du solaire photovoltaïque se distingue en deux grandes catégories : les technologies cristallines (silicium monocristallin, polycristallin ou amorphe), qui sont de loin les plus utilisées aujourd’hui (plus de 90 % en 2014, cf. graphique ci-dessous), et les technologies « couches minces », utilisant des complexes de matériaux en fines couches. Objet d’une forte médiatisation il y a quelques années, ces dernières restent cependant largement minoritaires.


Figure 3 : Répartition de la production photovoltaïque, par type de technologie utilisée – Source : Fraunhofer ISE, 2015

La matière première principale des technologies cristallines est le silicium, deuxième matériau le plus abondant sur Terre après l’oxygène. Les autres composants sont l’aluminium (pour le cadre), ainsi que le cuivre (câbles) et l’argent (soudures). En dehors de ces deux derniers, aucun autre métal rare n’est employé.

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Module polycristallin (à gauche) et monocristallin (à droite) – Source : www.photovoltaique.info

Les technologies de couches minces, qui ne représentent donc que quelques pourcents des parts de marché photovoltaïque (moins de 10 % en 2014), sont basées sur l’utilisation du Cadmium et Tellure (CdTe), ou sur les technologies CIS (Cuivre-Indium-Sélénium)/CICS (Cuivre-Indium-Gallium-Sélénium). On retrouve certains de ces métaux dans la figure 1 listant les matériaux critiques pour l’Union Européenne ; le développement de ces technologies dites « à couche mince » pourrait dont être potentiellement freiné à moyen ou long terme par des tensions sur les approvisionnement. Mais ces technologies restent largement minoritaires dans le paysage photovoltaïque actuel, et la rareté de ces métaux ne représentera donc pas de frein au développement de la filière solaire photovoltaïque en général.

Les technologies utilisant des « terres rares » sont loin d’être prépondérantes dans les énergies renouvelables. On en trouve essentiellement dans la filière des éoliennes offshore à générateur synchrone ; elles ne représentent qu’une faible proportion du parc éolien installé. Leur potentielle rareté ne menace donc en aucun cas le développement de ces sources d’énergie.

Plus critique, la rareté du cuivre ou de l’argent pourrait, si l’on n’y prend pas garde, affecter la production éolienne ou photovoltaïque. Cette problématique est cependant loin d’être réservée à ces deux sources d’énergies. Le cuivre et l’argent sont présents dans d’innombrables objets de notre vie quotidienne. Dans certains cas, ces métaux peuvent être substitués par d’autres plus abondants. Il est par ailleurs nécessaire de mettre en place dès aujourd’hui des filières appropriées de récupération et de recyclage de l’ensemble de ces métaux, pour éviter de puiser plus que nécessaire dans les réserves existantes, avec l’immense avantage de métaux recyclables à 100 % . Enfin, il n’est pas interdit de questionner l’utilité – au sens de l’intérêt général – de certains produits fabriqués et de chercher à prioriser les besoins. Dans un monde aux ressources finies, le gaspillage de nos ressources ne pourra perdurer éternellement, que ce soit en termes de matériaux rares ou d’énergies fossiles aux réserves également limitées.

  1. Cette définition des terres rares est issue de : Approvisionnements en métaux critiques : un enjeu pour la compétitivité des industries française et européenne ?, Note d’analyse, Commissariat général à la stratégie et à la prospective, 2013, disponible sur : archives.strategie.gouv.fr/cas/system/files/2013-07-10-metaux-na03.pdf
  2. Export Restrictions on Strategic Raw Materials and Their Impact on Trade, OECD Trade Policy Papers, n° 95, OECD Publishing, J. Korinek and J. Kim, 2010, disponible sur : dx.doi.org/10.1787/5kmh8pk441g8-en
  3. Terres rares et enjeux économique, Note de l’ambassade de France au Royaume-Uni, Dr Maggy Heintz, 2011, disponible sur : www.ambafrance-uk.org/Terres-rares-et-enjeux-economiques
  4. Critical materials for the transition to a 100 % sustainable energy future, Ecofys, disponible sur : www.ecofys.com/files/files/wwf-ecofys-2014-critical-materials-report.pdf
  5. Fin 2014, 8 GW éoliens off-shore étaient installés en Europe – continent à fort potentiel en éolien off-shore – couvrant moins de 1 % de la consommation d’électricité européenne
  6. Sur la problématique de la finitude des ressources et d’échéance avant épuisement, voir notamment l’article consacré au pic pétrolier.
Crédit photo : Alain Bachellier CC BY-NC-ND 2.0