Conférence Evernity Les matériaux critiques dans les nouvelles technologies : enjeux et perspectives Eric Drezet – EcoInfo – CNRS Orléans - 01/2012 1

Plan  EcoInfo et les matériaux critiques pour les TICs 1  Situation de la métallurgie  Définitions et exemples  Ressources et réserves  Raréfactions  La problématique énergétique  Les conflits de l’eau  Le recyclage  Conclusion (1) Technologies de l’Information et de la Communication 2

EcoInfo et les matériaux critiques pour les TICs  EcoInfo, groupe de travail du CNRS :  Impacts environnementaux et sociaux générés par les TICs  Dans ce cadre, entre autres, étude de l’épuisement des ressources  Articles publiés sur : les terres rares, le silicium, le lithium, le rapport de l’UE sur les 41 matériaux d’accès jugé critique (07/2010)  Site web : 3

 La raréfaction de matériaux indispensables aux nouvelles technologies  étude plus large des ressources naturelles :  d’autres matériaux (dépendances)  énergies (extraction, transport, traitement…)  l’accès à l’eau EcoInfo et les matériaux critiques pour les TICs 4

Situation de la métallurgie  En France : secteur stratégique d’excellence mondiale  Désindustrialisation : moins de formation, moins de R&D, moins de production 1  Pourtant, les métaux sont incontournables : 60 métaux dans un téléphone portable 2  Notre demande en métaux différents x 3 en 20 ou 30 ans pour les industries de haute technologie 3 5 (1)La Métallurgie science et ingénierie, A Pineau, Y. Quéré, Académie de Sciences, Académie des Technologies, EDP Sciences 2011 (2)UNEP 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010

Situation de la métallurgie  Les industries de hautes technologies tirent la demande en métaux rares : 6 Métaux concernés Principales utilisations Écrans LCD Leds blanches (éclairage) Transistors SiGe ou portables (Wifi) Cellules solaires photovoltaïques Aimants permanents (éoliennes, moteurs hybrides) Batteries Superalliages

Définitions et exemples  Ressources et réserves  Les 3 types de raréfaction des ressources :  Absolue  Peu probable mais…  Temporaire ou « criticité »  L’indium, le lithium, les terres rares  Structurelle  les sous-produits du Cu, Pb, Zn, Ni, Pt, Sn et Al 7

Ressources et réserves 1 8 Ressource : concentration naturelle de matériau solide, liquide ou gazeux dans une forme et une quantité telles que les conditions économiques de l’extraction sont actuellement ou potentiellement faisables (1) USGS (2009) Réserve base : la part d’une ressource identifiée qui respecte des critères physiques et chimiques minimaux liés à une extraction selon des pratiques de production courantes Réserve : la part de la réserve base qui pourrait être économiquement extraite ou produite au moment de la détermination

La raréfaction absolue  déplétion des ressources de minerai économiquement extractibles  la demande de ce métal excède la production minière :  Tension sur les prix  Extractions profondes, techniquement difficiles et de gisement à faible teneur (1) « Sustainable Resource Management in the Production Chain of Precious and Special Metals », C. Hagelüken, (2011)  Peu probable dans un futur prévisible 1 9

La raréfaction absolue  Mais… la concentration en métaux des minerais est en forte diminution : 55 t minerai1 t de cuivre t minerai1 t de cuivre 2010 (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, t minerai10 g d’or t minerai5 g d’or 2010Afrique du Sud

La raréfaction absolue  Mais… plus la concentration diminue, plus les quantités d’énergie et de matériel pour extraire augmentent 1 :  En 1984, les mines d’or sud africaines consommaient 18 milliards de kWh soit 20% de la production d’électricité du pays  Cette diminution de la concentration ne peut qu’aggraver la situation : cercle vicieux 1  La grande majorité des éléments a des réserves comprises entre 30 et 60 ans 1  Imprécision due : au calcul (/conso. actuelle), à la production, au prix, au recyclage, à la demande, aux données confidentielles (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon,

La raréfaction absolue  Premiers métaux à échéance proche :  Les industriels doivent s’adapter : recyclage, substitution  Note : In, Ga, Ge et Ta : recyclage > 25% durant la production des matériels électroniques (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 (2)Metal stocks and recycling rates (UNEP, 2011) 12 Réserves 1 (années) Part TIC de la prod. mondiale UtilisationRecy- clage Substi- tution %Leds<1% 2 Faible %Wifi<1% 2 Silicium > 50%Ecrans LCD<1% 2 Graphène, mat. organ.

La raréfaction temporaire 1  l’offre en métal n’est pas capable de faire face à la demande pendant une certaine période :  nouveaux développements technologiques  Exemple : l’indium  forte croissance du marché dans des applications existantes  Cas du lithium  achats spéculatifs d’investisseurs  développements politiques, conflits armés  désastres naturels ou d’autres contraintes (1) Cette notion est partiellement reprise sous le terme de “criticité” dans le rapport « Critical raw materials for the EU »,

Raréfaction temporaire passée : l’indium  Entre 2003 et 2006, l’émergence de la technologie LCD  forte demande en In (couche conductrice transparente ITO)  Les prix ont été X 10  20% de l’In finit dans la couche ITO  recyclage  A partir de 2006 la production primaire  et le recyclage    Chute des prix 14

Raréfaction temporaire passée : l’indium  Et dans le futur proche ?  L’indium est un sous-produit d’autres métaux (zinc, plomb, étain et cuivre dans une moindre mesure)  faible élasticité de la production  Il pourrait donc souffrir à nouveau d’une demande en rapide augmentation tirée par l’éclairage LED, le photovoltaïque  De plus, la Chine détient 44% de la production mondiale et ses exportations sont limitées  Des pays comme le Japon ont commencé à stocker l’indium 1 (ainsi que d’autres métaux critiques) 15 (1) USGS, 2010

Raréfaction temporaire future (?) : le lithium  Au rythme actuel de production, les réserves sont estimées à plus d’un siècle et demi 1  Elles passent à plus du double avec les réserves base  L’eau de mer contient d’énormes quantités de lithium mais à un coût environnemental et financier beaucoup trop élevés  Des travaux sont en cours pour recycler le lithium des batteries à 50% 16 (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010  Actuellement, 20% du lithium produit est utilisé dans la fabrication de batteries 1

Raréfaction temporaire future (?) : le lithium  L’exemple de la voiture électrique :  Le parc automobile actuel mondial transformé en véhicules électriques consommerait toutes les réserves assez pures (80% des réserves)  Il est en forte progression (pays émergents)  Quid des autres secteurs ?  La production annuelle de lithium ne représente que 2% des réserves  il faudrait 50 ans pour uniquement les besoins des batteries automobiles ! 17 (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010

La « criticité »  Le rapport de l’UE 1 sur les 41 matériaux d’accès jugé critique d’ici à 2030 pour les industries high-tech introduit la notion de « criticité » :  La disponibilité géologique n’est pas prise en compte  Risque de baisse de l’approvisionnement basé sur :  La disponibilité : stabilité politico-économique des pays producteurs, niveau de concentration de la production, possibilités de substitution et taux de recyclage  La protection de l’environnement : évaluation des impacts sur l’approvisionnement en matières premières causé par la mise en œuvre de mesures de protection de l’environnement dans des pays de faible performance environnementale (1) « Critical raw materials for the EU »,

La « criticité »  Antimoine (Sb, 51)  Béryllium (Be,4)  Cobalt (Co, 27)  Fluorite  Gallium (Ga, 31)  Germanium (Ge, 32)  Graphite  Indium (In, 49)  Magnésium (Mg, 12)  Métaux du groupe du Platine  Niobium (Nb, 41)  Tantale (Ta, 73)  Terres rares  Tungstène (W, 74)  Les 14 matériaux (éléments et minerais) jugés particulièrement critiques dans le rapport de l’UE 1 : (1) Source : 19

La « criticité » 20

(1)« Critical raw materials for the EU », 2010 (2)La demande passe de « très faible » en 2006 à 345 t en 2030 x 22,5 x 8 x 7 x 2,5 x 3 x 2 x 3,5 x 4 x 3,6 Note 2 batteries li-ion couches minces photovoltaïques couches minces photovolt.,écrans fibre optique, infrarouge aimants perman ts, laser Evolution de la demande et principales technologies émergentes tirant la demande 1 : catalyse, désalini- sation eau de mer micro-condensa- teurs, médical pile à combus- tible, catalyse RFID, soudure sans plomb moteurs électriques efficaces, RFID désalinisation eau de mer, implants 21 La « criticité »

 Principales recommandations du rapport de l’UE sur les matériaux critiques :  Suivre ce dossier au niveau européen  Promouvoir la recherche de gisements et augmenter l’efficacité de l’extraction  Diminuer la consommation  Chercher des substituts  Augmenter le recyclage  Le CNRS coordonne le projet européen ERA- MIN sur les métaux critiques (11/2011) 1 22 (1) Source CNRS :

La « criticité » : les terres rares 23  Les terres rares sont incontournables dans les industries de haute technologie :  Industries « vertes » : voitures hybrides, éoliennes  Industrie électronique : DD, écrans LCD, écouteurs  Applications militaires (guidage), nucléaire

La « criticité » : les terres rares 24  La Chine a éliminé ses concurrents mondiaux :  Par une politique de prix bas  Au mépris des règles environnementales et sociales  Voir notre article sur les terres rares : 

La « criticité » : les terres rares  Profitant de sa situation de leader mondial, la Chine limite ses exportations depuis 2006  Elle veut la valeur ajoutée : implanter les usines sur son sol en échange de l’accès aux terres rares (Apple) 25

La « criticité » : les terres rares  La réplique s’organise :  Constitution de stocks de métaux  Réouverture de mine en Australie (Mount Weld) en 2007, aux USA (Mountain Pass) fin 2012 et un projet à Kvanefjeld au Groenland pour 2015  Recherche de nouveaux gisements 1  Unités de recyclage (Umicore, Rhodia) 2 à partir de :  Ampoules basse consommation (yttrium, terbium, europium)  Aimants des éoliennes, des véhicules électriques ou des disques durs (néodyme, praséodyme, dysprosium, terbium)  Batteries rechargeables NiMh (cérium, lanthane, néodyme et praséodyme) 3 26 (1)Cas du Japon dans l’océan Pacifique (AFP, 07/2011) (2)Rhodia (10/2011) (3) Rhodia (06/2011)

La raréfaction structurelle  Certains métaux ne sont pas extraits pour eux- mêmes, mais sont des sous-produits de l’extraction d’autres métaux 1  Une demande en augmentation  une hausse des prix des métaux sous-produits  Mais cela n’influera pas sur la production du métal principal tant que sa propre demande n’augmentera pas  Quelques exemples de grands métaux et leurs sous-produits : Cu, Pb, Zn, Ni, Pt, Sn et Al (1) Wellmer,

La raréfaction structurelle : les sous-produits du Cuivre 1 (1) Hagelüken et Meskers, 2010 (2) Métaux du Groupe du Platine (3) USGS 2011 (4) « Critical raw materials for the EU », 2010 (5) « Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 MGP 2 Production mondiale 2010: 16,2 Mt 3 1 er producteur : Chili (34%) 3 Réserves : 40 ans 4 Recyclage : 15% 5 Pic de production : 1 à 2 décennies 5 Te et Se principalement issus de l’extraction du Cu (et Ni) 3 Utilisation : semi-conducteurs, couches minces photovoltaïques Te et Se principalement issus de l’extraction du Cu (et Ni) 3 Utilisation : semi-conducteurs, couches minces photovoltaïques Prod. mondiale Pt: 183 t 1 er prod : Af. Sud (75%) 3 Substitution et recyclage : limités Prod. mondiale Pt: 183 t 1 er prod : Af. Sud (75%) 3 Substitution et recyclage : limités 28

La raréfaction structurelle : les sous-produits du Plomb 1 Production mondiale 2010 : 4,1 Mt 2 1 er producteur : Chine (43%) 2 Recyclage : > 50% 3 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Metals Recycling Report », UNEP 2011 (4)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, % de l’Ag extrait est un sous- produit d’autres métaux (Pb, Zn, Cu, Au) 4 Utilisation : contacts, soudure 70% de l’Ag extrait est un sous- produit d’autres métaux (Pb, Zn, Cu, Au) 4 Utilisation : contacts, soudure 29

La raréfaction structurelle : les sous-produits du Zinc 1 Production mondiale 2010: 12 Mt 2 1 er producteur : Chine (29%) 2 Recyclage : > 50% 3 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Metals Recycling Report », UNEP 2011 (4)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 (5)« Critical raw materials for the EU », 2010 Ge (comme In) est principalement un sous-produit du Zn 4 Réserve : 10 à 15 ans 4 Utilisation : infrarouge, optique Recyclage : 30% 5 Ge (comme In) est principalement un sous-produit du Zn 4 Réserve : 10 à 15 ans 4 Utilisation : infrarouge, optique Recyclage : 30% 5 30

La raréfaction structurelle : les sous-produits du Nickel 1 MGP Production mondiale 2010: 1,55 Mt 2 1 ers producteurs : Russie (17%), Indonésie (15%) 2 Nouvelle Calédonie : 6 e place (9%) 2 Réserves : 35 ans 3 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 (4)« Critical raw materials for the EU », 2010 La majorité du Co vient de l’extraction du Ni et Ni-Cu 3 Utilisation : batteries, aimants Substitution : limitée 4 La majorité du Co vient de l’extraction du Ni et Ni-Cu 3 Utilisation : batteries, aimants Substitution : limitée 4 31

La raréfaction structurelle : les sous-produits du Platine 1 Production mondiale 2010: 183 t 2 1 er producteur : Afr. du Sud (75%) 2 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 La majorité de l’Au vient de l’extraction du Pt 3 Utilisation : DD, piles à combustible, catalyse La majorité de l’Au vient de l’extraction du Pt 3 Utilisation : DD, piles à combustible, catalyse 32

La raréfaction structurelle : les sous-produits de l’Etain 1 Production mondiale 2010: 0,26 Mt 2 1 er producteur : Chine (44%) 2 Réserves : une vingtaine d’années 3 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 L’In est principalement un sous- produit du Zn, du Pb, Sn et Cu dans une moindre mesure 3 Réserve : 10 à 15 ans 3 Prod. Mond. Raffineries : 574 t 2 Utilisation : ITO (écrans LCD) Exportation : limitée L’In est principalement un sous- produit du Zn, du Pb, Sn et Cu dans une moindre mesure 3 Réserve : 10 à 15 ans 3 Prod. Mond. Raffineries : 574 t 2 Utilisation : ITO (écrans LCD) Exportation : limitée Un écran LCD de 15" nécessite 1g d'indium 33

La raréfaction structurelle : les sous-produits de l’Aluminium 1 Production mondiale 2010 : 41,4 Mt 2 1 er producteur : Chine (41%) 2 Réserves : plusieurs dizaines d’années 3 (1)Hagelüken et Meskers, 2010 (2)USGS 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 (4)« Critical raw materials for the EU », kg de bauxite  50 mg de Ga 2 Réserves : 10 à 15 ans 3 Production mond : 106 t 2 Utilisation : Electronique, CD, refroidissement CPU et transistors Exportation : limitée 4 1 kg de bauxite  50 mg de Ga 2 Réserves : 10 à 15 ans 3 Production mond : 106 t 2 Utilisation : Electronique, CD, refroidissement CPU et transistors Exportation : limitée 4 34

La problématique énergétique  Au 20 e siècle, l’extraction de combustibles fossiles x 12 1  Le pétrole conventionnel a passé son pic de production en , la production mondiale plafonnera d’ici à  Comme les autres matières premières, en se raréfiant, le pétrole devient plus difficile à extraire (6000 m de prof. en Guyane, sable bitumineux, pétrole de schiste,…)  Le taux de retour énergétique est passé de 100/1 (1930) à 35/1 (fin années ‘90) puis 20/1 (milieu des années 2000) 4  Risque d’une crise pétrolière très sérieuse dans la prochaine décennie  prix extrêmement élevés 3 (1) « Decoupling Natural Resource Use and Environmental Impacts from Economic Growth, PNUE, 2011 – (2) World Energy Outlook 2010 – (3) « C’est maintenant! » JM. Jancovici, A. Grandjean, 2010 – (4) Hall et al. (2009) 35

La problématique énergétique  En 2008 l’UE importait près de 70% de sa consommation de pétrole brut 1  Il faut s’attendre à un accroissement de la baisse des exportations des pays producteurs qui a déjà commencé 1  8 à 10% de l’énergie primaire mondiale  extraire ou raffiner des métaux 2  La dépense énergétique et matérielle  alors que la concentration des minerais  ce qui entrainera une hausse du coût des matières premières  En2008, crise énergétique en Afrique du sud  mines fermées (1)B. Durand, ancien directeur de la division Géologie-Géochimie de l'IFP (2)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon,

Les conflits de l’eau En 2005, l’industrie minière US a consommé près de 9 millions de m 3 d’eau 1 En 2007, Intel et Texas Instruments ont consommé près de 50 millions de m 3 d’eau dans la production de leur puces électroniques 3 Au Mali, la mine d’or de Sadiola : 5,6 millions de m 3 d’eau en 1an = conso.mmation de maliens 2 1,1 milliard d’humains n’ont pas accès à l’eau : ils seront 56 4 (x2) dont l’Inde qui sera alors le pays le plus peuplé 1998 : 28 pays en stress ou pénurie hydrique 4 industrie humanité (1)USGS - (2) « Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon, 2010 (3) « Watching water », JP Morgan, (4) « La guerre de l’eau », V. Shiva, 2003 (5) « L’eau douce, une ressource précieuse », dossier en ligne du CNRS 1/3 de l’humanité vit en état de stress hydrique 5 37

Les conflits de l’eau  Quelques définitions :  Crise hydrique grave 1 : la réserve d'eau disponible par habitant et par année est inférieure à 1000 m 3  En dessous de ce seuil, le développement économique et la santé de la population du pays sont fortement perturbés  Quand la réserve annuelle tombe en dessous des 500 m 3 par personne, la survie de la population gravement menacée 1  Quelles conséquences ?  Des conflits populations locales  Risques d’arrêt de production 38 (1) « La guerre de l’eau », V. Shiva, 2003

Les conflits de l’eau  Quelles solutions ? L’exemple d’Intel 1 :  Le recyclage de l’eau 39  Si l’objectif de faire passer la consommation d’eau/puce produite sous le niveau de 2007 est en bonne voie…  On voit par contre que la consommation globale continue de progresser  Note : attention aux chiffres à corréler avec le volume de production ! (1) 2010 Corporate Responsibility Report, Intel, 2011

Le recyclage  Alors que l’estimation du recyclage en fin de vie du fer et de l’acier se situe entre 70 et 90%, celui des métaux spéciaux 1 est < 1% 2 en fin de vie des équipements  Le recyclage est plus efficace dans les pays développés  Le recyclage revêt un intérêt multiple :  On réduit la pression sur les ressources  Pas de dépendance : on recycle nos déchets (mine urbaine)  Moins d’énergie pour obtenir le métal nécessaire 3 (Acier 25-40%, Al 4-5%, Cu 13-16%, Ni > 5-10%, Pb 35-38%, Zn 25-37%) (1)Lithium, béryllium, bore, scandium, vanadium, gallium, germanium, arsenic, sélénium, strontium, yttrium, zirconium, indium, tellure, baryum, hafnium, tantale, osmium, thallium, bismuth, lanthane, cérium, praseodymium, néodyme, samarium, europium, gadolinium, terbium, thulium, ytterbium, lutétium (2)« Metals Recycling Report » UNEP, 2011 (3)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon,

Le recyclage  Mais le recyclage a ses limites 1 :  Techniques et physiques : perte au feu (1-2% par cycle pour l’aluminium), dispersion dans l’environnement  Liées à l’usage : de plus en plus d’alliages employés dans des produits de plus en plus complexes (> 30 métaux dans un ordinateur portable, 10 types d’acier dans une voiture), des usages dispersifs (colorants, engrais, catalyse, pesticides, alimentation)  Les industries « high-tech » exigent un haut degré de pureté  disqualification des métaux recyclés  dégradation d’usage  Le recyclage doit être rentable car nécessite des investissement lourds pour les métaux rares employés en petites quantités et mélangés  leur raréfaction et donc leur prix sera le déclencheur (1)« Quel futur pour les métaux ? » Bihouix et de Guillebon,

Conclusion  La disponibilité des métaux est tributaire de nombreux facteurs complexes qu’il convient de prendre en compte 1 : (1) « Critical raw materials for the EU »,

Conclusion  Il faut anticiper la disponibilité des métaux rares à court, moyen et long terme  Pour les plus critiques (raréfaction absolue, temporaire ou structurelle) il faut chercher des substituts, réduire leur emploi et augmenter significativement leur recyclage  Dans le cadre de la mise en place d’un processus industriel, il faut également prendre en compte les contraintes énergétiques (risques d’arrêt de production) et d’accès à l’eau (conflits avec les populations locales)  Au niveau de la conception des produits, il faut repense la conception (éco-conception) et augmenter la durée de vie (bannir l’obsolescence programmée) (1) « Critical raw materials for the EU »,