Ressources minérales et transition énergétique

Après avoir pris connaissance des 3 exemples ci-dessus, répondez aux questions ci-dessous avec l'aide de ressources complémentaires du site Planet-Terre et d’ailleurs.

1. Qu’est-ce qu’une substance dite “utile”, et sous quelles formes peut-elle se présenter ? Qu’est-ce qu’un minerai ?
2. Quand on parle d’une substance exploitée, quelle est la différence entre ses ressources et ses réserves ?
3. Qu’est-ce qui peut faire varier dans le temps les ressources / les réserves en une substance exploitée ?
4. [Subsidiaire] Quelles sont les grands types de ressources minérales ?

1. Au sens large, une substance utile est une matière utile voire essentielle à la société en raison de ses propriétés physiques ou chimiques, d’où sa recherche et son exploitation.

   Cette substance utile peut être un élément (Cu, Au…), une molécule plus ou moins complexe (pétrole, bitume…), un minéral (gypse, quartz gemme…), une roche (granulat, pierre de construction…). On peut aussi penser à la forme liquide et à l’eau souvent vue comme une ressource à part, mais pour laquelle les questions de ressources, réserves, exploitation… sont partagées avec les autres types de substances évoquées.

   Un minerai (du latin minera = mine) est un matériau solide naturel, une roche, contenant une ou plusieurs substances utiles en concentration suffisante pour en permettre l’extraction et le traitement, technologiquement et économiquement parlant (notion de rentabilité).

2. La ressource ou les ressources en une substance donnée correspond à la quantité totale potentiellement accessible estimée de manière plus ou moins précises. Ces estimations sont basées sur les sites d’extraction connus (en volume et concentration) mais aussi sur les travaux d’exploration (repérages de sites potentiels), de prospection (quantifications locales), d’observations indirectes par géochimie et/ou géophysique… et d’extrapolations possibles.

   Les réserves correspondent à la part des ressources identifiées dont l’exploitation est technologiquement et économiquement (rentabilité) possible à un instant donné.

3. La connaissance de la géologie de la formation des minerais et gisements, la localisation (exploration) et la quantification (prospection) de nouveaux sites (ou l’amélioration de la connaissance de sites connus) augmentent les ressources en une substance donnée (et donc potentiellement ses réserves), au fil des découvertes et travaux de recherche. La technologie et la mise au point de nouveaux procédés d’extraction et de traitement des minerais peut augmenter les réserves (augmentation du rendement ou utilisation possible de nouveaux minerais). La balance entre l’offre (capacités d’extraction et/ou de traitement) et la demande (variation des usages et des quantités désirées) influe sur la rentabilité d’une exploitation et donc sur les réserves. La consommation de la substance diminue de fait les réserves (et les ressources) connues. L’utilisation de “déchets” comme “minerais secondaires” pour tout (recyclage) ou partie (valorisation) des usages peut diminuer la demande en minerai primaire… Ce “recyclage” dépend aussi du cout du minerai primaire et des éventuelles normes environnentales concernant les déchets. L’évolution des normes sanitaires et environnementales peuvent engendrer des couts supplémentaires pour l’extraction et le traitement des minerais… et donc faire varier la rentabilité de l’exploitation de certains sites.
4. Plusieurs classification des ressources minérales existent dont certaines selon les types et usages de ressources. On y distingue alors les ressources énergétiques (tourbe, hydrocarbures, uranium), les ressources métalliques (ferreuses – Fe, Cr, Ni…, non ferreuses – Al, Pb…, précieuses – Au, Ag…) et les ressources non métalliques (gemmes – pierres précieuses et pierres fines, minéraux industriels  – barytine, kaolin, feldspath…, matériaux de construction  – sable, granulats, pierre de construction…).

Après avoir lu l’article ci-dessus, répondez aux questions ci-dessous avec l'aide de ressources complémentaires du site Planet-Terre ou d’ailleurs.

1. Choisissez cuivre, fer, aluminium ou éventuellement un autre métal d’intérêt particulier pour vous (intérêt local). Pour cet élément, donnez un type de gisement et son mode de formation, les modalités d’extraction-traitement de l’élément choisi à partir de son minerai, et un usage possible. Après cet exemple concret, pour ce même élément, donnez d’éventuels autres types de gisements, autres modalités d’extraction-traitement et autres usages. Si possible, dites si cet élément est / a été exploité en France et quels sont les principaux pays producteurs actuels. Merci de citer les sources consultées.
2. [Subsidiaire] Même travail (ou ébauche) avec l’un des autres éléments.

Après avoir lu l’article ci-dessus, répondez aux questions ci-dessous avec l'aide de ressources complémentaires du site Planet-Terre ou d’ailleurs.

1. Rappelez ce qu’est un métal en général, et plus particulièrement un métal ferreux et un métal non ferreux.
2. Définissez ce que sont les terres rares et quels sont parmi leurs usages, ceux à rapprocher de la transition énergétique.
3. L’électrification est le principal phénomène de la transition énergétique. Expliquer en quoi l’usage (pas la fabrication) d’un véhicule électrique plutôt que d’un véhicule thermique, en l’état actuel des choses, peut sembler une amélioration écologique mais aussi une aberration énergétique. Nuancer ces propos.

1. Dans la classification des éléments, un métal est un élément chimique dont les atomes s’unissent par des “liaisons métalliques” (type de liaison chimique), solide à l’état ambiant (sauf le mercure, Hg), doté d’un éclat particulier dit “métallique”, bon conducteur de la chaleur et de l’électricité. On distingue les métaux alcalins (Li, Na…), les métaux alcalino-terreux (Mg…), les métaux de transition (Fe, Cr, Cu, Co, Ni, Pt…), les métaux “pauvres” (Al, Pb…) les lanthanides (La, Nd, Lu…), les actinides (Th, U, Pu…). Les métalloïdes (B, Si, Te…) partagent certaines propriétés des métaux (aspect “métallique) mais sont plus fragiles à l’état solide et moins bons conducteurs électriques et thermiques..

   Un métal est aussi un matériau, corps simple ou plus souvent alliage à base de métaux. On peut distinguer les métaux dit ferreux, contenant principalement du fer, et de ce fait généralement magnétiques (on peut les “séparer” avec un aimant car le Fe, comme le Co et le Ni, sont les métaux courants magnétiques dans les conditions ambiantes) et sujets à la corrosion, des métaux non ferreux, ne contenant pas (très peu) de fer (Al, Cu… et alliages), moins solides, plus malléables, plus légers et résistant plus à la corrosion.

2. Les terres rares sont au sens le plus strict, les 15 lanthanides (du lanthane, La, au lutétium, Lu), éléments de numéros atomiques allant de 57 à 71, auxquels on ajoute souvent l’yttrium (Y) aux propriétés chimiques telles que cet élément est toujours associé aux gisements de lanthanides / terres rares. Parfois, le scandium y est ajouté mais ses propriétés chimiques diffèrent suffisamment pour qu’il ait des gisements généralement distincts, c’est pourquoi on ne le considère “plus” comme une terre rare (et, de plus, ses usages sont différents).

   Dans les domaines intéressant la transition énergétique, on utilise le lanthane pour des électrodes des batteries NiMH (nickel métal hybride), batteries moins couteuses mais aussi moins performantes que les batteries Li-ion qui les “remplacent”. Le premier usage consommateur de terres rares reste celui des aimants permanents car les alliages utilisés permettent d’avoir des aimants plus petits à performance égale et/ou d’avoir des aimants permanents plutôt que des électro-aimants (turbines). Ces aimants sont utilisés pour les moteurs électriques, les générateurs électriques (blocs générateurs des éoliennes, par exemple), certains capteurs de position. Les éléments utilisés sont le praséodyme (Pr), le néodym), le (Nd), le samarium (Sm), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb) et le dysprosium (Dy).

   Si on considère le nucléaire comme élément de la transition énergétique (comme énergie de période de transition, comme considéré par l’Union européenne, au même titre que le gaz naturel), on peut aussi rappeler l’usage du samarium (Sm), de l’europium (Eu), du gadolinium (Gd) et du dysprosium (Dy) dans les barres de contrôle des réacteurs nucléaires du fait de leurs propriétés d’absorption des neutrons.

   Certaines terres rares sont aussi utilisées dans les écrans et lampes à LED et dans les piles à combustible (filière hydrogène). L’amélioration des capacités des panneaux photovoltaïques par incorporation de certaines terres rares (Ce) est possible mais des questions de stabilité se posant, des travaux sont encore en cours.

3. La voiture électrique n’émet pas de CO₂ en roulant contrairement à la voiture dite thermique. Cette non émission parait essentielle dans l’optique d’une société “zéro carbone net” (pas d’émission de CO₂, ou plutôt compensation totale des émissions “résiduelles”) afin, au moins, de limiter le réchauffement climatique. Cependant, la production d’électricité mondiale est encore aujourd’hui très majoritairement “carbonée”… Le CO₂ qui n’est pas émis par la voiture l’est par la centrale qui lui fournit l’électricité. Le “modèle” français avec une production électrique à 75 % nucléaire produit tout de même du CO₂ (extraction de l’uranium en congelant les sols, fabrication du combustible, gestion à court terme des déchets…) mais moins que le thermique (tant qu’on ne compte pas le démantèlement des centrales et la gestion de déchets pendant 100 000 ans – pas facile de chiffrer correctement et “impartialement” des procédés “théoriques” non encore réalisés). Mais si l’on passait à l’échelle mondiale des 10 % d’électricité “nucléaire” aux 75 % français, on diviserait alors par environ 7 les réserves d’uranium (on passerait de 100-200 ans à environ 30 ans d’utilisation). Les énergies dites renouvelables sont les seules sources bas carbone envisageable pour non seulement émettre moins de carbone (il y a toujours une émission résiduelle par exemple pour la construction, le béton…) mais avoir une solution relativement pérenne. Voiture électrique ? Pourquoi pas, mais alors en changeant en parallèle le mode de production d’électricité (avec une incontournable période de transition, on ne peut pas sortir de terre une production “propre” en 5 ans)… voire le rapport aux transports (fret, particuliers) pour économiser des “kilomètres” et donc des émissions de CO₂ même sans changements technologiques.

   Le rendement d’un moteur thermique est de 35 à 42 %, celui d’un moteur électrique de 75 à 90 %. Le rendement d’un moteur électrique semble plaider pour lui en ce qui concerne la sobriété énergétique. Mais il faut prendre en compte que l’électricité n’est pas une énergie comme les autres (c’est en fait un “vecteur énergétique”) et qu’il faut la produire (avec un certain rendement), parfois la stocker et la déstocker (ne serait-ce que dans la batterie d’une voiture)… et qu’il faut donc faire le bilan à partir non pas de l’électricité “injectée” dans le moteur mais des énergies primaires à l’origine de cette électricité (et de son “parcours”). Le système énergétique français fournit actuellement une énergie électrique avec un rendement énergie électrique délivrée / énergie primaire consommée de l’ordre de 37 %, ainsi le rendement “réel” d’une voiture électrique “efficace” chargée en France est au mieux de l’ordre de 33 % (0,37×0,9)… soit moins bon qu’un moteur thermique même moyen. Cependant, on peut voir que cet état de fait peut évoluer en faisant évoluer le “rendement” de production de l’électricité en développant les énergies renouvelables et qu’on économise ainsi du “pétrole” qui est aussi une matière première utile dans d’autres domaines (pétrochimie).

Après avoir lu le premier article proposé et en vous aidant des deux autres ressources proposées et d’éventuelles ressources complémentaires répondez aux questions ci-dessous.

1. Quelles sont les différences entre lithium et cuivre expliquant leur indisponibilité envisagée à court ou moyen terme ?
2. Quels sont, selon Gourcerol et al., les critères de “criticité” d’une substance stratégique ? Quelle est la situation du lithium et du cuivre ? Quel élément est présenté comme le plus “critique” pour l’industrie française ?
3. En quoi la volonté d’ouverture / réouverture de mines de lithium en France s’inscrit-elle dans la politique européenne d’autonomie en matières premières critiques ? Quel intérêt écologique peut-on voir dans ce type de projet ?

1. Pour le lithium, les réserves semblent suffisante à moyen terme, par contre la demande croît fortement alors que la mise en place de nouvelles capacités de production sont lentes à mettre en place. L’offre risque d’être insuffisante du fait du retard à la mise en exploitation de nouveaux gisements.

   Pour le cuivre, la demande augmente aussi avec le développement de l’électrification et le souci est la raréfaction des réserves avec, de plus, l’obligation à passer à des extractions plus couteuses du fait du tarissement des gisements les plus facilement exploitables. L’offre risque d’être insuffisante par faute de réserves… sauf à exploiter de nouvelles ressources bien plus difficiles à traiter et donc à avoir un problème de cout du cuivre (augmentation à attendre de toute façon en cas de production insuffisante).

2. La criticité d’une substance est évaluée par Gourcerol et al. au regard de son importance stratégique industrielle [importance dans les industries-clés et absence de substitut] et des risques concernant l’approvisionnement [géopolitique, économie, environnement, dépendance forte à un acteur unique].

   D’après ces auteurs, Li et Cu sont d’importance stratégique forte à très forte pour l’industrie française ; le Li est à la limite entre les zones de moyenne et de forte criticité, le Cu étant dans la zone de moyenne criticité. Parmi les 24 substances étudiées et présentées par ordre de criticité, la plus critique est le tungstène (W), le lithium (Li) pointant en 9^e position, le cuivre (Cu) en 11^e position, et l’or (Au) étant la moins critique des substances répertoriées.

   

3. L’Union européenne a une politique d’amélioration de l’autonomie en matières premières critiques avec un objectif fort de ne plus dépendre d’un seul pays tiers à plus de 65 % pour une matière première jugée critique. Pour cela, et pour limiter globalement la dépendance de l’UE aux pays extra-communautaires pour ces matières, des objectifs sont fixés pour le développement de l’extraction, de la transformation et du recyclage au sein de l’UE. L’ouverture ou la réouverture en France (donc dans l’UE) de mines de lithium, matière stratégique pour la transition énergétique, répond donc à cette volonté d’autonomie, surtout si ensuite la transformation a bien lieu au sein de l’Europe… voire si des lignes de recyclage sont aussi mise en place (batteries).

   L’“intérêt” écologique de l’extraction minière en France est multiple. On peut d’abord y voir une diminution des transports à travers le monde pour une consommation locale. Mais, surtout, les activités minières et de transformations étant potentiellement très impactantes sur l’environnement, on peut espérer que les “dégâts” environnementaux seront bien moindres du fait de règles environnementales bien plus strictes quand dans beaucoup de pays producteurs. Les dégâts seront certes locaux et visibles par les utilisateurs finaux (plutôt que lointains et invisibles)… et poseront la question de l’acceptation sociale de ces activités. Cela permettra aussi peut-être une meilleure prise de conscience de l’impact écologique de toute activité humaine et de la nécessité de limiter ces impacts (règles strictes utiles… si respectées), voire ces activités (consommation plus ”raisonnable” ou “raisonnée”).

Après avoir lu les articles ci-dessus et avec l'aide de ressources complémentaires du site Planet-Terre ou d’ailleurs, répondez aux questions ci-dessous.

1. Expliquez la source et l’usage du quartz ou du diamant. De même, expliquez la (les) source(s) et l’usage d’un autre minéral de votre choix.
2. Estimez, en expliquant la démarche, la teneur en silicium (Si) de la croute continentale ou d’un granite “moyen”. Expliquer la différence entre la composition chimique globale en SiO₂ et l’estimation de la teneur en silice minérale exprimée (quartz, opale…).
3. Quelle est la source (le minerai) de silicium ? Pourquoi seule cette source est-elle utilisée ? Quels sont les grands domaines d’usage du silicium ?

1. Quartz. Sable, filons hydrothermaux + quartz de synthèse pour gérer la forme et la pureté ou la taille (grains ultrafins). Abrasifs (dont des dentifrices), horlogerie et autres applications piézo-électriques.

   Diamant. Kimberlites + diamants de synthèse. Joaillerie, abrasifs, découpe, cellules à enclume de diamant (pour la résistance aux hautes pressions et température) et la transparence aux ondes (infrarouge, lumière visible, X, gamma), composant de bétons.

   Autres minéraux : ocre, galène, kaolin, barytine, sel, corindon/rubis, mica, zircon, talc, grenat… [nombreuses ressources existantes et données succinctes sur mindat.org, par exemple]

2. Si on a des analyses donnant une croute continentale “moyenne” à 60 % de SiO₂ ou un granite à 72 % de SiO₂ en masse, cela signifie que les analyses élémentaires ont été traduites en oxydes (les cations sont ainsi “compensés” par l’oxygène). Une mole de SiO₂ pesant 28+(2×16)=60 g, chaque gramme ou chaque pourcentage massique de silice correspond donc en fait à 28/60 de silicium et 32/60 d’oxygène. La masse de silicium est donc 28/60=7/15~0,467 de la masse de silice. On a alors une croute continentale à environ 60×28/60=28 % de Si ou un granite à 72×28/60=33,6 % de silicium, pourcentages massiques.

   Si on donne la composition minéralogique, attention, le quartz n’est pas la seule espèce à contenir du Si… Il y a tous les silicates ! Et, de plus, les pourcentages sont souvent donnés en pourcentages volumiques et non massiques… Donc pas de calcul simple de la teneur massique en silice à partir des compositions minérales volumiques.

   La teneur chimique en SiO₂ n’est qu’une manière d’exprimer la composition en s’exprimant en poids d’oxydes plutôt qu’en poids d’éléments. Ainsi SiO₂ est un manière d’appréhender la teneur en silicium constitutif des silicates (dont les formules peuvent être écrites en oxydes dans lesquelles ont retrouve SiO₂) et pas l’expression du poids de silice exprimée sous forme cristallisée (quartz, coésite, tridymite…) ou plus ou moins amorphe (opale, calcédoine…). Dans un basalte, on a de la silice (chimiquement parlant) mais pas de quartz.

3. La principale source de silicium est le quartz de filons, de galet ou de sable. Par fusion et réduction au carbone on récupère le silicium, l’oxygène est exporté avec le carbone sous forme de CO ou CO₂. Il y a du Si dans tous les silicates, mais alors, après fusion on a beaucoup d’autres éléments à séparer du Si, ce qui n’est pas aisé puisque certains ont des comportements chimiques proches du Si. Partir d’une phase “pure” est donc bien plus facile techniquement et énergétiquement parlant.

   Il existe trois grandes gammes de pureté du silicium selon les domaines d’utilisation. Qualité métallurgique (Si pur à 99 %) pour des alliages métalliques spéciaux. Qualité solaire (Si pur à 99,999 9  %) pour le photovoltaïque. Qualité électronique (Si pur à 99,999 999 99  %) pour l’électronique (microprocesseurs).