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Le développement durable à découvert

 | 
Agathe Euzen
, 
Laurence Eymard
, 
Françoise Gaill

Quatrième partie - Les sociétés

15. Les terres rares, entre pénurie organisée et enjeux environnementaux paradoxaux

Claude Weisbuch

Texte intégral

1Les terres rares sont un ensemble de 17 éléments chimiques situés vers le bas du tableau de Mendeleïev*, comprenant les 15 lanthanides*, auxquels on ajoute le scandium et l’yttrium, car ils ont été découverts dans les mêmes minerais et qu’ils ont des propriétés voisines. En réalité, ces éléments ne sont pas particulièrement rares, mais, de par leurs propriétés géochimiques, ils sont dispersés sur le manteau terrestre.

Impact dans l’énergie et les technologies de l’information

2La position des terres rares dans le tableau de Mendeleïev est due au remplissage particulier des couches successives d’électrons dans les atomes. La couche externe est la même pour tous – raison pour laquelle ils ont des propriétés chimiques très semblables – mais le nombre d’électrons varie dans les couches intermédiaires, ce qui explique leurs propriétés physiques remarquables. En optique, par exemple, ces électrons internes sont protégés du milieu extérieur, ce qui leur confère un rendement d’émission de lumière souvent proche de 100 %, car les électrons internes, une fois excités, ne peuvent pas se désexciter en cédant leur énergie par interaction avec les atomes de la matrice dans laquelle ils sont insérés. Les terres rares sont donc des matériaux essentiels dans la fabrication des tubes fluorescents, des lampes fluocompactes et des diodes émettrices de lumière pour la conversion de la lumière blanche, ou dans la fabrication des amplificateurs ultrarapides et à très grand débit pour les télécommunications par fibre optique.

3Le très fort magnétisme, autre propriété essentielle des terres rares, provient lui aussi des électrons internes, nombreux et non appariés comme dans les autres éléments chimiques. Ils forment, en alliage avec d’autres métaux, des aimants exceptionnels et permettent de fabriquer des moteurs électriques et des générateurs électriques (alternateurs) compacts et légers, avec un très haut rendement par rapport aux machines opérant par induction, pour lesquelles le champ magnétique est produit électriquement et, donc, consomme de l’énergie. Ces moteurs à aimant permanent sont au cœur du véhicule électrique. La Toyota Prius contient, ainsi, 1 kg de néodyme dans son moteur, en plus des 10 kg de lanthane dans sa batterie. Les éoliennes offshore les plus performantes et les plus fiables utilisent des moteurs à entraînement direct et nécessitent un alternateur à aimant permanent. Chaque éolienne contient donc environ 600 kg de terres rares (dysprosium et néodyme) par Mégawatt de puissance (cf. IV.18).

Une pénurie organisée temporaire ?

4Grâce à leurs propriétés inégalées, l’exploitation des terres rares a explosé, et leur consommation est passée de 10 000 tonnes dans les années 1960 à 125 000 aujourd’hui, et 200 000 tonnes prévues en 2015. Elles sont entrées dans toutes les listes de matériaux critiques pour l’énergie et les technologies futures (figure). Sur la même période, les contraintes environnementales sont devenues très lourdes pour un secteur minier qui, malgré les impacts économique et énergétique, ne représente qu’environ un milliard de dollars, alors qu’il nécessite des investissements lourds (cf. IV.19). Les sociétés minières occidentales se sont dégagées du secteur, laissant le champ libre à la Chine et à sa quasiabsence de réglementations. La Chine a atteint 97 % de la production mondiale en 2009, et a imposé en 2010 des quotas d’exportations de plus de 50 %, au nom de la préservation des ressources et de l’environnement, tout en permettant l’exportation sans limite des produits chinois incorporant les terres rares. S’en est suivi un décuplement des prix, revenus à « seulement » 300 % d’augmentation en 2012, suite à l’adaptation du marché, suscitée en particulier par une chute de 50 % de la demande.

5L’accès aux terres rares répond à l’une des deux définitions de la « criticité » des matériaux posée par la Commission européenne : celle de matériaux dont l’approvisionnement n’est pas assuré à cause de la dégradation inacceptable de l’environnement qu’ils entraînent dans les pays producteurs. Reste à savoir quelle est la limite acceptable et comment protéger une industrie « propre » européenne…

Le paradoxe environnemental

6En raison de leur faible concentration, les minerais de terres rares sont plus difficiles à exploiter et à purifier que les minerais équivalents de métaux. Ils sont donc relativement chers par rapport aux métaux habituels. La diversité des applications fait que les tonnages sont très variés : de 300 tonnes/an pour l’europium à 40 000 tonnes/an pour le cérium. Les prix varient aussi fortement, de 10 à 800 dollars par kg.

7Suite aux quotas chinois, de nouveaux gisements se sont développés hors de Chine. Cependant, contrairement à leur utilisation souvent vantée comme ayant un impact environnemental positif – leur production pose problème. En effet, l’exploitation des mines présente, pour l’essentiel, les mêmes risques pour l’environnement que l’extraction minière de minerais et métaux. Ils sont liés aux effluents des opérations de concentration, d’extraction et de purification des terres rares. Mais, en plus, les minerais de terres rares renferment bien souvent du thorium radioactif. Notons que des éléments radioactifs se retrouvent dans beaucoup d’autres minerais, comme les phosphates, l’aluminium, le titane, les combustibles fossiles… Des éléments radioactifs préexistent partout dans l’écorce terrestre, mais l’activité humaine les extrait des profondeurs d’où ils n’avaient pas d’effet (car la plupart des rayonnements sont stoppés par un enfouissement de quelques mètres), puis les concentre de manière importante et les met sous une forme qui peut, par exemple, polluer des nappes phréatiques. Tous ces problèmes environnementaux peuvent être résolus, moyennant un coût important. Le problème sera la rentabilité des investissements menant à une production « propre », tant que subsisteront des producteurs majeurs ne jouant pas le même jeu.

8D’autres pistes sont possibles pour sortir de la crise. La première serait de substituer les terres rares par d’autres matériaux. Cela est possible dans certains cas, quitte à perdre un peu en performance (moteurs électriques), mais, dans beaucoup d’autres, les propriétés des terres rares les rendent irremplaçables. Une seconde piste, moins radicale, est d’utiliser moins de terres rares dans la fabrication des nouvelles technologies, comme c’est le cas déjà pour les diodes émettrices de lumière, très compactes, qui remplacent les tubes fluorescents. Enfin, le recyclage des terres rares déjà utilisées dans les véhicules électriques ou les éoliennes devrait être fortement considéré pour l’avenir. En effet, son impact sur l’environnement est bien plus faible que l’extraction des minerais. Il commence à peine, car la ressource actuelle est limitée et le plus souvent très diluée, mais elle sera tout à fait valorisable.

Un exemple de liste de matériaux critiques à moyen terme pour le Ministère américain de l’Énergie. Il y a 9 terres rares sur 16 éléments chimiques

Bibliographie

Références bibliographiques

• OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION DES CHOIX SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES – Rapport sur les enjeux des métaux stratégiques : le cas des terres rares, 2011.

• EUROPEAN COMMISSION – Critical Raw Materials for Europe, 2010.

• US DEPARTMENT OF ENERGY – Critical Materials Strategy, 2011.

• US ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY – Rare Earth Elements : a Review of Production, Processing, Recycling, and Associated Environmental Issues, 2012.

Table des illustrations

Légende Un exemple de liste de matériaux critiques à moyen terme pour le Ministère américain de l’Énergie. Il y a 9 terres rares sur 16 éléments chimiques
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/10721/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 185k

Auteur

Physicien, Directeur de Recherche émérite au CNRS, Professeur, École Polytechnique, Materials Department, University of California, Santa Barbara.
claude.weisbuch@polytechnique.fr

© CNRS Éditions, 2013

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