Quelle est l’utilisation des terres rares dans les Enr ? Notamment dans le Solaire et l’éolien ? Lumière sur le rôle et les solutions envisagées.

Le contexte autour des terres rares et les problématiques soulevées :

Alors que l’accent est mis de plus en plus sur le changement climatique, plusieurs pays mettent en œuvre des stratégies vertes et passent rapidement à des technologies énergétiques propres. Cela entraîne une augmentation de la demande de matériaux utilisés pour fabriquer les composants clés de ces technologies, et la Commission européenne a déjà identifié plusieurs de ces composants comme des matières premières critiques, ce qui suscite des inquiétudes quant à la sécurité de l’approvisionnement. Parmi les exemples de matières premières critiques, on peut citer les éléments de terres rares, qui sont nécessaires à la fabrication d’aimants permanents pour les générateurs d’éoliennes et les moteurs de véhicules électriques, ainsi que pour plusieurs applications dans d’autres domaines. Ces éléments sont actuellement fournis principalement par la Chine, et la demande augmentant rapidement, on craint des goulets d’étranglement dans le cadre de tensions géopolitiques. D’un autre côté, après la crise des terres rares du début des années 2010, des efforts accrus ont été déployés en termes d’exploration géologique et de développement de technologies alternatives, ce qui peut atténuer les risques d’approvisionnement.

Estimation de la demande mondiale de néodyme, de praséodyme, de dysprosium et de terbium pour les générateurs d’éoliennes, les moteurs de véhicules électriques et d’autres secteurs, selon des scénarios de demande faible et élevée.

Le rôle des terres rares dans l’énergie éolienne

En ce qui concerne l’énergie éolienne, les éléments de terres rares sont principalement utilisés comme matières premières pour la fabrication d’aimants permanents, qui sont utilisés dans les générateurs des éoliennes et les moteurs de traction des véhicules électriques.

Ces aimants contiennent généralement quatre éléments de terres rares différents : le néodyme, le praséodyme, le terbium et le dysprosium. Le néodyme et le praséodyme contribuent à la force magnétique, tandis que le dysprosium et le terbium améliorent la résistance à la démagnétisation, notamment à haute température.

Des progrès sont également réalisés pour réduire la teneur en terres rares dans les générateurs à aimant permanent des éoliennes. Siemens Gamesa Renewable Energy et Goldwind ont réduit la teneur en dysprosium de leurs générateurs à moins de 1 % (Wind Power Monthly, 2018). Plus radicalement, GreenSpur Renewables a développé des prototypes de générateurs à aimant permanent à base de ferrite qui ne contiennent pas de terres rares et, après plusieurs années de tests, elle réalise les premières étapes de la commercialisation de ces prototypes (GreenSpur Renewables, 2020). Actuellement, les prototypes ont été testés avec succès pour des générateurs allant jusqu’à 12 MW, et des générateurs de 20 MW sont attendus d’ici 2022 (Snieckus, 2019).

Bien que de nombreux progrès aient été réalisés pour réduire l’utilisation des différents éléments, nous sommes encore loin de développer des aimants viables sans terres rares qui peuvent avoir des performances compétitives (Coey, 2020). Les deux sections suivantes fournissent des informations sur les options alternatives potentielles pour la fabrication de générateurs et de moteurs qui ne contiennent pas d’aimants permanents et sont donc exempts de terres rares.

Depuis 2005, les générateurs à aimant permanent ont gagné en popularité, notamment dans les turbines offshore, car ils permettent d’obtenir une densité de puissance élevée et une petite taille avec le meilleur rendement à toutes les vitesses, offrant ainsi une production annuelle d’énergie élevée avec un faible coût sur la durée de vie. La plupart des turbines à entraînement direct sont équipées de générateurs à aimant permanent qui contiennent généralement du néodyme et de petites quantités de dysprosium. Il en va de même, bien qu’à une échelle différente, pour plusieurs conceptions de réducteurs.
En 2018, des générateurs contenant des aimants permanents étaient utilisés dans presque toutes les éoliennes offshore en Europe et dans environ 76 % des éoliennes offshore dans le monde (JRC, 2020c). Cependant, il peut être possible de remplacer les générateurs à aimants permanents, au moins pour les applications terrestres, où le besoin de générateurs puissants avec une taille et un poids réduits n’est pas aussi strict.

Les alternatives potentielles aux générateurs à aimants permanents sont les générateurs synchrones multipolaires, tels que ceux utilisés par ENERCON (Enercon), et les générateurs à induction à cage d’écureuil. À l’avenir, les alternatives pourraient également inclure des générateurs à base de supraconducteurs, tels que ceux testés avec succès dans le cadre du projet EcoSwing (EcoSwing, 2019), qui a été financé par l’UE.

Une autre option consiste à utiliser des générateurs à entraînement hybride, qui utilisent un aimant permanent plus petit que celui utilisé dans les systèmes standard. Cela pourrait permettre de réduire l’utilisation du néodyme, du praséodyme et du dysprosium jusqu’à deux tiers par turbine (Centre for Sustainable Energy, 2017).
Cependant, bien que prometteurs, la plupart des remplacements des aimants permanents sont moins efficaces et moins performants et ne sont donc pas des alternatives viables (Rabe et al., 2017).

Le rôle des terres rares dans l’énergie solaire

Un nouveau rapport de l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe) montre que les minéraux de terres rares sont peu utilisés dans les technologies d’énergie solaire et de stockage des batteries. Et malgré leur nom, ils ne sont en réalité pas si rares que ça.

« Leur criticité est principalement liée au quasi-monopole actuel de la Chine pour l’extraction et le traitement », indique l’agence, qui rappelle que le pays a assuré 86 % de la production mondiale de minéraux de terres rares en 2017.

L’extraction des terres rares a un impact toxicologique important sur l’environnement, selon la nature des réserves. Selon l’Ademe, la présence de thorium et d’uranium dans les gisements peut signifier que les terres rares créent un type de pollution radioactive différent des autres types de déchets. Cependant, l’agence a finalement conclu que le secteur des énergies renouvelables n’utilise en fait pratiquement pas ces matériaux.

Actuellement, les terres rares telles que le néodyme et le dysprosium sont principalement utilisées dans les aimants permanents des éoliennes offshore. Les éoliennes terrestres les utilisent également, comme c’est le cas pour les turbines d’environ 3% des parcs éoliens en France, mais des alternatives existent. Par exemple, il serait possible de fabriquer des générateurs asynchrones ou synchrones sans aimants permanents, afin de réduire les besoins en terres rares. Mais sans solutions alternatives dans les 10 prochaines années, le secteur éolien pourrait finir par représenter 6 % de la production annuelle de néodyme et plus de 30 % de la production annuelle de dysprosium, sachant que le secteur éolien offshore mondial devrait à terme atteindre 120 GW de capacité cumulée.
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Dans le secteur des batteries, l’Ademe précise que les terres rares ne sont pas utilisées, ou si elles le sont, c’est en très faible quantité, et parfois éventuellement en tant qu’additif. Seules les batteries nickel-métal-hydrure (NiMH) comportent un alliage de terres rares dans la cathode. Cependant, comparées aux batteries lithium-ion, elles sont coûteuses et « leur utilisation restera très marginale dans la transition énergétique« , a déclaré l’Ademe, ajoutant que les technologies photovoltaïques disponibles dans le commerce n’utilisent pas de terres rares.

« L’Ademe apporte des informations concrètes et factuelles à cette discussion sur les terres rares, un sujet sur lequel de nombreuses contre-vérités circulent aujourd’hui dans le débat public », a déclaré Jean-Louis Bal, président du Syndicat des énergies renouvelables (SER), un organisme commercial spécialisé dans les énergies propres en France.

Toutefois, l’absence de terres rares ne signifie pas que les composants des modules solaires sont inoffensifs. Les technologies photovoltaïques à couches minces, par exemple, contiennent des métaux potentiellement critiques tels que le tellure, le cadmium, l’indium et l’argent.

Les issues envisagées :

Les éléments de terres rares, et plus particulièrement le néodyme, le praséodyme, le néodyme et le terbium, joueront un rôle dans l’avenir des actions climatiques et de la transition verte. Bien que les éoliennes et les véhicules électriques ne représentent que 10 % de la demande totale de ces éléments, ils peuvent grandement influencer les futurs équilibres entre l’offre et la demande, d’autant plus qu’ils sont au cœur de nombreuses stratégies politiques. Ainsi, les tendances futures ne seront pas uniquement basées sur la dynamique du marché.

Si le monde entier dépend actuellement de la Chine pour l’extraction et le traitement des terres rares, cela pourrait changer dans un avenir proche, le Canada et l’Australie apparaissant comme des sites alternatifs pour l’exploitation minière. Cela pourrait entraîner une diversification positive du marché et, à long terme, contribuer à établir de plus en plus d’étapes de la chaîne de valeur en dehors de la Chine.

La demande devrait également augmenter dans tous les scénarios possibles, tout comme l’offre. Cependant, alors que les projections de l’offre montrent peu de différences entre les perspectives d’offre élevée et faible, il existe une différence de plus de 10 fois entre les scénarios de demande faible et élevée. Cela s’explique principalement par la dynamique complexe de la demande, qui est fortement influencée non seulement par la dynamique du marché, mais aussi par les évolutions technologiques et les ambitions climatiques et politiques.

Dans un scénario de faible demande prenant en compte une augmentation maximale de la température de 2,7 °C et des perspectives positives en termes d’impact sur la recherche et l’innovation, aucun problème d’approvisionnement n’est attendu. Toutefois, dans l’hypothèse de plans de décarbonisation plus ambitieux et de peu ou pas d’améliorations dans l’utilisation des matériaux et la durée de vie des produits, l’offre pourrait rapidement se retrouver derrière la demande. La difficulté de remplacer les terres rares dans les aimants permanents ne rendra pas la situation plus facile, même si de nombreuses activités de recherche sont menées dans ce domaine et que l’on fait encore plus pour développer des technologies alternatives.

À court terme, le moyen le plus efficace d’assurer un équilibre entre l’offre et la demande est de freiner la demande, en tirant parti du large éventail de scénarios possibles et en orientant l’avenir en conséquence. Cela pourrait se faire en encourageant la recherche et l’innovation, en tenant compte des technologies vertes alternatives dans la réalisation des ambitions climatiques et en poussant le marché vers des produits contenant de plus petites quantités d’éléments de terres rares. Cette dernière solution est toutefois potentiellement risquée, car elle pourrait entraîner des distorsions du marché dans une activité déjà peu diversifiée.

À long terme, il reste important d’investir dans l’offre, surtout dans une perspective européenne. Pour l’instant, l’UE n’a que peu ou pas d’accès direct aux terres rares, et le seul territoire qui devrait contribuer de manière significative à l’approvisionnement est le Groenland. Cependant, toutes les opérations dans cette zone sont contrôlées par des entreprises non européennes. Le renforcement de l’offre pourrait provenir de deux courants d’actions distincts. D’une part, l’exploration géologique et les projets miniers devraient être encouragés. D’autre part, il sera important de développer un système de recyclage efficace, en investissant non seulement dans le développement de technologies de recyclage mais aussi dans des infrastructures dédiées à la collecte, au démantèlement et à la séparation des produits contenant des terres rares.

Sources : Ademe, J R Science for Policy Report (comission Européenne)