Le 22 décembre dernier, le Département de l'Energie (DoE) publiait une mise à jour de sa Stratégie pour les Matériaux Critiques [1]. Ce rapport, qui fait suite à la première édition parue en décembre 2010, entend évaluer la criticité de matériaux-clés - notamment les terres rares - pour le développement de technologies "vertes", telles que les éoliennes, les véhicules électriques ou les ampoules électriques à basse consommation, à l'instar de ce qu'à déjà fait l'Union Européenne [2].
"Ce rapport fournit des éléments afin de faciliter la transition vers les énergies "propres" [et] d'identifier des stratégies pour pouvoir faire face à de possibles pénuries de matériaux critiques dans les années à venir" déclare le secrétaire à l'énergie Steven Chu.
Les terres rares, un sujet d'inquiétude pour les autorités américaines
Parmi ces matériaux stratégiques, les terres rares sont souvent présentées comme particulièrement problématiques. Les terres rares constituent un groupe de 17 éléments chimiques comme le néodyme, le samarium ou le terbium, indispensables à la fabrication de nombreux composants électroniques de pointe, en particulier dans le domaine de l'armement et des technologies vertes [3].
En matière de production des terres rares, la Chine se trouve en position "quasi-monopolistique" en contrôlant 95% de la production mondiale. Dans le but de relancer la production de terres rares hors de Chine, plusieurs mines sont actuellement en développement, la plus avancée étant celle de Mountain Pass en Californie, qui devrait atteindre 20000 tonnes en 2012. Cependant, les analystes prédisent qu'il faudra 5 à 10 ans avant que ces installations soient capables de rivaliser avec leurs concurrents chinois.
Les pays développés craignent que cette situation ne fasse peser à court terme des risques importants sur leurs approvisionnements. La décision de la Chine de réduire significativement les exportations de terres rares (-40% en 2010) a amené les autorités américaines à prendre conscience de la précarité de leur situation.
En conséquence, celles-ci ont pris des mesures afin d'évaluer précisément la portée du risque et d'envisager plusieurs solutions pour tenter de remédier au problème. Au Congrès, où cette question fait l'objet d'un certain consensus, l'approvisionnement en terres rares a fait l'objet de plusieurs propositions de lois depuis 2010. L'administration Obama a également chargé le Département de la Défense et celui de l'Energie d'établir des stratégies pour les domaines militaires et civils.
Une analyse de marché détaillé
Le rapport du DoE présente une analyse de marché détaillée des matériaux stratégiques, avec une estimation de la production et de différents scénarios d'évolution de la demande pour chaque matériau étudié.
Au cours de la dernière décennie, les prix ont été très volatils, et la croissance de la demande a été très rapide, tirée par le développement des énergies propres et par celui des appareils électroniques grands publics (télévision écran plat, téléphone portable...). Par contraste, l'offre n'a pas suivi l'évolution de la demande. Malgré une volonté politique forte, de nombreux facteurs s'opposent à une diversification de la production, notamment le manque de compétitivité économique et de main-d'oeuvre compétente pour relancer la production en dehors de Chine.
Certains matériaux plus critiques que d'autres
Parmi les résultats présentés dans le rapport, ceux de l'analyse de criticité permettent de distinguer aisément quels matériaux stratégiques sont susceptibles de poser des problèmes. Réalisée sur 16 matériaux jugés essentiels au développement des technologies vertes - terres rares ou autres, l'analyse note de 1 à 4 le risque sur l''approvisionnement et l'importance au secteur des énergies propres, afin de déterminer le "niveau de criticité" de chaque matériau. Les résultats sont présentés sous forme de "matrices de criticité" du risque à court terme et à moyen terme (cf. ci-dessous).
"Ce rapport fournit des éléments afin de faciliter la transition vers les énergies "propres" [et] d'identifier des stratégies pour pouvoir faire face à de possibles pénuries de matériaux critiques dans les années à venir" déclare le secrétaire à l'énergie Steven Chu.
Les terres rares, un sujet d'inquiétude pour les autorités américaines
Parmi ces matériaux stratégiques, les terres rares sont souvent présentées comme particulièrement problématiques. Les terres rares constituent un groupe de 17 éléments chimiques comme le néodyme, le samarium ou le terbium, indispensables à la fabrication de nombreux composants électroniques de pointe, en particulier dans le domaine de l'armement et des technologies vertes [3].
En matière de production des terres rares, la Chine se trouve en position "quasi-monopolistique" en contrôlant 95% de la production mondiale. Dans le but de relancer la production de terres rares hors de Chine, plusieurs mines sont actuellement en développement, la plus avancée étant celle de Mountain Pass en Californie, qui devrait atteindre 20000 tonnes en 2012. Cependant, les analystes prédisent qu'il faudra 5 à 10 ans avant que ces installations soient capables de rivaliser avec leurs concurrents chinois.
Les pays développés craignent que cette situation ne fasse peser à court terme des risques importants sur leurs approvisionnements. La décision de la Chine de réduire significativement les exportations de terres rares (-40% en 2010) a amené les autorités américaines à prendre conscience de la précarité de leur situation.
En conséquence, celles-ci ont pris des mesures afin d'évaluer précisément la portée du risque et d'envisager plusieurs solutions pour tenter de remédier au problème. Au Congrès, où cette question fait l'objet d'un certain consensus, l'approvisionnement en terres rares a fait l'objet de plusieurs propositions de lois depuis 2010. L'administration Obama a également chargé le Département de la Défense et celui de l'Energie d'établir des stratégies pour les domaines militaires et civils.
Une analyse de marché détaillé
Le rapport du DoE présente une analyse de marché détaillée des matériaux stratégiques, avec une estimation de la production et de différents scénarios d'évolution de la demande pour chaque matériau étudié.
Au cours de la dernière décennie, les prix ont été très volatils, et la croissance de la demande a été très rapide, tirée par le développement des énergies propres et par celui des appareils électroniques grands publics (télévision écran plat, téléphone portable...). Par contraste, l'offre n'a pas suivi l'évolution de la demande. Malgré une volonté politique forte, de nombreux facteurs s'opposent à une diversification de la production, notamment le manque de compétitivité économique et de main-d'oeuvre compétente pour relancer la production en dehors de Chine.
Certains matériaux plus critiques que d'autres
Parmi les résultats présentés dans le rapport, ceux de l'analyse de criticité permettent de distinguer aisément quels matériaux stratégiques sont susceptibles de poser des problèmes. Réalisée sur 16 matériaux jugés essentiels au développement des technologies vertes - terres rares ou autres, l'analyse note de 1 à 4 le risque sur l''approvisionnement et l'importance au secteur des énergies propres, afin de déterminer le "niveau de criticité" de chaque matériau. Les résultats sont présentés sous forme de "matrices de criticité" du risque à court terme et à moyen terme (cf. ci-dessous).
Matrice de criticité à court terme (présent-2015). Abscisse : risque à l'approvisionnement. Ordonnée : Importance au secteur des énergies propres.Crédits : 2011 Critical Materials Strategy, U.S. Department of Energy
Matrice de criticité à moyen terme (2015-2025). Abscisse : risque à l'approvisionnement. Ordonnée : Importance au secteur des énergies propres.Crédits : 2011 Critical Materials Strategy, U.S. Department of Energy
5 matériaux - dysprosium, terbium, europium, yttrium et néodyme - sont considérés comme "critiques" à court et à moyen terme; ce sont les mêmes qui ont été identifiés lors de l'étude de 2010 (moins l'indium). Si le risque est également jugé important pour d'autres matériaux comme le cérium, le lanthane ou le tellure, il a tendance à décroitre au fil du temps.
Les aimants permanents et l'éclairage efficient, deux technologies menacées
Le rapport se focalise sur 3 secteurs technologiques particuliers, afin d'évaluer précisément leur vulnérabilité à un risque de rupture d'approvisionnement en matériaux stratégiques :
- Les terres rares jouent un rôle important dans le raffinage du pétrole : le lanthane est utilisé comme catalyseur pour le craquage des produits pétroliers, et sert ainsi à augmenter le rendement du raffinage du pétrole en carburant. Cependant, au vu de la capacité d'ajustement des raffineries et du moindre risque de rupture de l'approvisionnement, le risque reste limité.
- Le néodyme et le dysprosium sont utilisés dans la fabrication d'aimants permanents, composants indispensables des moteurs des éoliennes et des véhicules électriques. Le risque important qui pèse sur ces matériaux pousse les constructeurs à minimiser l'emploi d'aimants permanents et influence la conception de leurs produits. Ainsi, les fabricants de véhicules électriques ont désormais tendance à privilégier l'utilisation de moteurs à induction ou à reluctance variable plutôt que les moteurs à aimants permanents.
- Le secteur de l'éclairage efficient est en forte croissance, une tendance renforcée par la disparation programmée de l'éclairage à incandescence dans plusieurs pays, notamment en Europe et aux Etats-Unis à partir de 2012 [4]. Cependant, cette demande risque d'impacter négativement les ressources en europium, terbium et yttrium - utilisés notamment dans les lampes fluoro-compactes (CFL) - dans des proportions significatives, particulièrement à court terme. A moyen terme, les lampes à technologie LED - contenant une quantité bien plus faible de terres rares - devraient prendre plus d'importance sur le marché, et limiter les risques liés à l'approvisionnement.
Les priorités de la stratégie : diversifier, substituer, recycler
Le rapport permet également au DoE de présenter son "plan recherche et développement" (R&D) pour répondre aux problèmes d'approvisionnement en matériaux stratégiques. Celui-ci repose sur 3 piliers : diversifier les approvisionnements, développer des substituts et encourager le recyclage et la réutilisation.
Si la R&D n'est pas un facteur déterminant pour la diversification de la production, elle permet néanmoins d'améliorer les processus d'extraction et de séparation du minerai, afin de les rendre plus efficaces, plus compétitifs et plus respectueux de l'environnement. En revanche, la R&D joue un rôle primordial lorsqu'il s'agit de développer des substituts aux matériaux les plus critiques, comme les terres rares lourdes.
De par les quantités importantes de déchets électriques et électroniques (DEEE) produites chaque année, les Etats-Unis disposent de ressources potentielles considérables en matériaux stratégiques, qu'il est cependant difficile d'exploiter à l'heure actuelle. Afin de développer le recyclage et le réemploi de ces ressources actuellement gaspillées, un robuste programme de R&D est essentiel aussi bien en amont de la production (concevoir des produits avec moins de ressources) qu'en aval (développer des procédés plus efficaces pour recycler les produits).
A travers différents groupes de travail organisés au cours de l'année 2011, le DoE a mis l'accent sur la coopération internationale avec des pays dans une situation similaire (Union Européenne, Japon) ou qui cherchent à devenir producteur de terres rares (Canada, Australie).
Les efforts de R&D en matière de substitution progressent
La diversification des sources de production prendra nécessairement plusieurs années et le recyclage pose des problèmes aussi bien logistiques que techniques - il est pour l'heure difficile de recycler efficacement les terres rares présentes en faibles quantités dans les CFL. Mais la recherche pour trouver des éléments de substitution aux terres rares est en bonne voie.
Des chercheurs de l'université de Northeastern (Boston, Massachussets) ont récemment annoncé être parvenus à fabriquer un aimant permanent sans utiliser de terres rares. En place du dysprosium habituellement utilisé, l'équipe du professeur Don Heiman, professeur de physique à Northeastern, a réalisé un alliage nanoscopique de manganèse-gallium arrangé de telle manière à produire un champ magnétique suffisamment puissant pour pouvoir rivaliser avec celui des aimants à base de terres rares [5].
La plupart des programmes de recherche du DoE se concentrent sur la création d'aimants permanents avec peu ou pas de terres rares. Ainsi, par l'intermédiaire de son Agence pour la Recherche Avancée dans l'Energie (ARPA-E) et son programme REACT, le DoE finance 14 projets de recherche dans ce domaine pour un total de 31,6 millions de dollars (30 millions d'euros) [6].
Pour en savoir plus, contacts :
- [1] "US Department of Energy Critical Materials Strategy" - 22/12/2011 - 197 pp. - http://energy.gov/sites/prod/files/DOE_CMS_2011.pdf
- [2] "Critical raw materials for the EU" - European Commission - 30/07/2010 - 84 pp. - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/B2ir4
- [3] ""Terres rares et humanum est" : les Etats-Unis inquiets de leur dépendance envers la Chine" - Bulletins Electroniques Etats-Unis 221 - MARTY Gabriel, MAGAUD Marc - 01/10/2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/64638.htm
- [4] "New lighting Standards Begins in 2012" - US Department of Energy - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/EQCC2
- [5] "Large coercivity in nanostructured rare-earth-free MnxGa films" - Applied Physics Letters n°99 - NUMMY, T.J., BENNETT S.P., CARDINAL T., HEIMAN D. - 22/12/2011 - 3 pp. - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/6LO4Y (payant) - accessible gratuitement en pré-publication : http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1111/1111.6267.pdf
- [6] Liste des projets de recherché finances par ARPA-E - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/2Tg3d (mise à jour le 16/11/2011)
ORIGINE : BE Etats-Unis numéro 273 (13/01/2012) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/68791.htm
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