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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Deuxième partie. Quelques aspects fondamentaux

13. Matière et énergie : stocks et cycles

Bruno Goffé

Texte intégral

1La croissance de la population mondiale crée des besoins toujours accrus en ressources et en énergie. La question de leur renouvellement se pose actuellement avec acuité. On peut dire d’une ressource qu’elle est renouvelable quand son renouvellement au cours du temps par les processus naturels équilibre au moins sa consommation par l’homme. Dans le domaine de l’énergie, on considère ainsi comme renouvelables les énergies issues directement ou indirectement du Soleil, des forces de gravité et de la chaleur de la Terre (enSoleillement, biomasse, vent, courant, marée, hydraulique, géothermie) dont les valeurs disponibles dépassent encore largement celles de la consommation. Les ressources énergétiques dites « fossiles » comme les hydrocarbures (gaz et huiles), le charbon, mais aussi les ressources minérales, sont considérées comme non-renouvelables car, au premier ordre, renouvelées par les processus terrestres plus lentement que leur consommation. Au sein de ces ressources, les minéraux et les métaux qui en sont issus tiennent une place particulière en ce sens qu’ils ne sont pas une matière première énergétique (à l’exception de l’uranium) mais permettent la construction (acier, aluminium, cuivre, béton…) des dispositifs de production de l’énergie et de son transport (Cu, Al…), quelle qu’en soit son origine, renouvelable ou non. Si les énergies renouvelables ne consomment pas de matière énergétique, elles nécessitent, lors de la construction ou du renouvellement des dispositifs, la disponibilité d’éléments spécifiques, comme par exemple, les terres rares utilisées dans les aimants des moteurs et générateurs électriques à haut rendement (cf. II.14). Certaines technologies actuelles du renouvelable utilisent aussi, à puissance égale, plus de matière première métallique que les autres systèmes de production d’énergie.

2À l’exception du premier milliard et demi d’années durant lequel les conditions sur Terre ont permis l’apparition de concentrations minérales uniques qui ne pourront plus se reproduire (exemple des grands gisements de fer des Banded Ironstone Formations, les plus anciens), la concentration, la distribution et le renouvellement des matières premières à la surface sont assurés par la dynamique de la Terre animée par deux sources d’énergie : le Soleil (122 000 TW absorbés, cf. V.17), et la chaleur de la Terre interne (46 TW, cf. II.12). Par l’action de processus se déroulant en profondeur ou à la surface, des cycles, de durée très variable depuis les temps géologiques jusqu’à l’échelle humaine, font apparaître et disparaître des stocks de matière. Ce sont ces stocks que nous exploitons quand ils nous sont accessibles.

Fig. 1 – Représentation schématique des matières premières nécessaires à la production d’énergie, de leur temps de renouvellement et de l’âge des stocks à partir de sources carbonées et non carbonées en fonction des compartiments où ils sont disponibles pour action (surface, profondeurs de la terre, anthroposhère). Le terme « métaux de base » recouvre les métaux les plus abondants (Fe, Cu, Zn, Pb…) ; le terme « High Tech » recouvre des éléments tels que les terres rares (In, Pt, Li…). Le CO2 est potentiellement recyclable

3Depuis la préhistoire, cette exploitation et cette utilisation des ressources fossiles et minérales ont favorisé l’accumulation (de plus en plus intense) de carbone, de métaux et d’éléments chimiques rares dans l’anthroposphère. Des stocks de matière totalement nouveaux dans l’histoire de la Terre se constituent ainsi. De ce fait, l’homme a maintenant la capacité d’intervenir significativement dans les cycles de la matière sur Terre. Ses moyens d’action sont l’optimisation de la consommation, sa réduction, la réutilisation de la matière et son recyclage (figure 1).

Le non-renouvelable et les cycles longs

4Les processus de la Terre interne contribuent fortement aux cycles des ressources non renouvelables. Les mécanismes de la tectonique des plaques* comme la subduction*, l’accrétion océanique, la formation des bassins et des chaînes de montagne assurent les mouvements verticaux, horizontaux et les déformations nécessaires à la circulation de la matière entre le manteau et la croûte, et au sein de la croûte (cf. II.12). Ces mouvements sont lents. Ils varient de quelques mm/an pour les verticaux et jusqu’à une dizaine de cm/an pour les mouvements horizontaux. Au cours de cette dynamique, les processus chimiques sous l’influence des gradients de température, les variations au cours du temps de la température et de la pression, la déformation des roches, la présence d’eau ou de gaz carbonique, entraînent la ségrégation des phases minérales pouvant donner lieu à des gisements de matières premières exploitables : ce sont les minerais. La durée de production d’une matière première, son expression à la surface peut se compter en millions d’années pour des processus purement verticaux intervenant à 10 - 20 km de profondeur (gisements de cuivre andins) et à des centaines de millions ou parfois milliards d’années pour des phénomènes impliquant une trajectoire horizontale importante et un événement géologique spécifique comme l’accrétion d’un océan au sein d’un continent (amas sulfurés intracontinentaux d’origine océanique). Ces processus ont généré la plupart des grands gisements actuellement exploités sur les continents pour les métaux de base et de leurs sous-produits rares utilisés dans le domaine de l’énergie.

Fig. 2 – Schéma illustrant les temps de transfert de la matière pour la genèse des grands gisements de minerais

5Les processus de surface comme l’érosion, la sédimentation, l’altération, sous l’influence du climat et de la gravité, ont aussi un rôle important dans les cycles longs des matières premières. L’érosion élimine la matière qui arrive à la surface et de fait limite ainsi la taille des stocks. Le transport des sédiments* et la sédimentation redistribuent et parfois reconstituent les stocks de matière première. L’altération dans les sols, sous les climats tropicaux, lessive les roches en laissant sur place un résidu riche en aluminium, parfois aussi enrichi en éléments rares, constituant ainsi les latérites et bauxites exploitées pour ces éléments. La dérive des continents, ayant permis à tous les continents de traverser les tropiques, assure une distribution des bauxites et latérites sur l’ensemble des continents. Le temps de renouvellement de ces roches aux tropiques est de plusieurs centaines de milliers à quelques millions d’années, tandis que le renouvellement à l’ensemble des continents dépasse le milliard d’années (temps de retour d’un continent à l’équateur).

6Les processus de surface et ceux de la terre interne interviennent parfois conjointement. C’est ainsi le cas du lithium, qui a un rôle croissant dans les batteries (et donc aussi dans le développement des énergies renouvelables). Il dépend, selon la nature des gisements, soit de la géologie soit du climat. Dans le premier cas, constituant des silicates*, il est renouvelé au rythme de la formation des chaînes de montagne. Dans le second, sous forme de sel dans les salars andins (déserts de sel), il résulte d’événements climatiques isolés, localisés et anciens (évaporation* de lacs dans des bassins fermés, il y a 10 000 à 15 000 ans).

7C’est surtout le cas du carbone organique fossile, issu de la biomasse ancienne, qui est impliqué dans ces cycles longs par la sédimentation et l’enfouissement dans les bassins. L’enfouissement provoque sa maturation en formant des huiles, des gaz et le kérogène* (cf. III.1). Huiles et gaz peuvent migrer, s’échapper à la surface, être piégés dans les réservoirs ou rester confinés dans la roche-mère avec le kérogène*, formant ainsi des ressources en énergie fossile. Les durées de formation pour les hydrocarbures et les charbons sont de quelques millions d’années avec des temps de résidence dans le sous-sol de l’ordre de la centaine de millions d’années pour les huiles qui se dégradent en gaz.

Le renouvelable et les cycles courts

8Le plus connu est l’enSoleillement à la surface de la Terre qui renouvelle la biomasse par la photosynthèse, en utilisant principalement O, H et C comme éléments chimiques principaux. Les durées de renouvellement varient de quelques mois (algues, organismes – cf. V.7) à la centaine d’années (forêts).

9Moins connue, est la production de métaux, d’hydrogène et de méthane abiotique par réaction entre l’eau de mer et les roches du manteau au fond des océans, le long des rides médio-océaniques où le flux de chaleur de la Terre est le plus intense. Ces sites sont aussi un lieu de production de biomasse hors du flux solaire par chimiosynthèse en utilisant principalement H2O, CH4, CO2 comme matière première. C’est un processus permanent, mal connu, mais qui potentiellement peut être une ressource considérable et renouvelée de métaux (amas sulfurés) et d’énergie (hydrogène, méthane ; cf. V.30). Sur des sites hydrothermaux actifs, ils sont produits par des sources – appelées les fumeurs noirs – sur lesquelles est installée une vie profonde exceptionnelle. La production de sulfures métalliques y est considérable, estimée à 1,5 million de tonnes en cent ans pour une cinquantaine de fumeurs. Avec la dérive des continents, ces sites meurent, laissant un amas de sulfures très riches en métaux divers (cuivre, zinc, or, argent, cobalt et métaux rares) qu’il est question d’exploiter. Ces dépôts de plusieurs millions à dizaines de millions de tonnes sont équivalents en taille à leurs homologues anciens localisés au sein des continents. Le temps d’évolution du site sous-marin actif au site inactif n’est pas connu, il est probablement de quelques milliers ou dizaines de milliers d’années pour les plus éloignés de la ride.

10Enfin, la gestion des stocks de matière première constitués par l’homme dans l’anthroposhère est certainement la meilleure façon d’adapter la consommation à la ressource et d’en assurer le cycle de vie. Car à l’exception des matières radioactives, le transfert dans l’anthroposphère de la matière première fossile ou minérale n’en a pas modifié la nature élémentaire (ainsi le carbone du charbon après combustion reste du carbone, même si on passe du C−C au CO2). Si, actuellement, les éléments extraits à partir de la matière première naturelle – que ce soit le carbone ou les métaux – sont bien concentrés pour leur usage dans des produits manufacturés, leur devenir (en fin de vie des produits) dans les émissions sont bien mal maîtrisés. Ainsi pour les métaux, la gestion des stocks et leur recyclage sont encore très insuffisants. Les métaux de base comme le fer, le plomb, le nickel, le chrome, l’aluminium, le cuivre et le zinc et les métaux rares comme l’or, le platine, le palladium, le rhodium, l’argent, le mercure, le tungstène et l’iridium sont recyclés à plus de 50 %. Les autres ont des taux de recyclage inférieurs, certains comme les terres rares et le lithium n’étant quasiment pas recyclés. Une gestion raisonnée de la matière, à l’image de ce que la Terre est capable de faire avec le carbone recyclés par la biomasse ou pour les métaux par les cycles hydrothermaux permet d’envisager la maîtrise des cycles de renouvellement par l’homme.

Conclusion

11Les énergies non renouvelables, tant pour la source d’énergie que pour les moyens de la produire, s’appuient totalement sur des ressources naturelles renouvelées par des cycles longs. Les énergies renouvelables, quant à elles, utilisent une ressource énergétique renouvelée par un cycle court mais restent aussi dépendantes des cycles longs pour la mise en œuvre et le renouvellement des dispositifs de production. Ainsi dans les deux cas, une consommation inconsidérée des ressources en matière première pourrait conduire à en limiter la disponibilité par épuisement de ressources concentrées facilement disponibles. L’accroissement des coûts d’exploitation et la pression environnementale pour accéder à des ressources de plus en plus diffuses et complexes à exploiter ou à traiter sont des freins potentiels à la mise en œuvre des technologies de production et d’utilisation de l’énergie, qu’elles soient renouvelables ou non. La question de la maîtrise par l’homme des matières premières minérales et fossiles accumulées dans l’anthroposphère est donc essentielle pour une maîtrise raisonnée de l’énergie.

Bibliographie

Références bibliographiques

• Y. FOUQUET et D. LACROIX – Les ressources minérales marines profondes, Étude prospective à l’horizon 2030, Éditions Quae, 2012.

Ressources minérales, contribution au sommet de la Terre 2012, La revue du BRGM pour une Terre Durable, BRGM Éditions, 2012.

• M. JÉBRAK et E. MARCOUX – Géologie des ressources minérales, Ressources naturelles et faune du Québec, 2008.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Représentation schématique des matières premières nécessaires à la production d’énergie, de leur temps de renouvellement et de l’âge des stocks à partir de sources carbonées et non carbonées en fonction des compartiments où ils sont disponibles pour action (surface, profondeurs de la terre, anthroposhère). Le terme « métaux de base » recouvre les métaux les plus abondants (Fe, Cu, Zn, Pb…) ; le terme « High Tech » recouvre des éléments tels que les terres rares (In, Pt, Li…). Le CO2 est potentiellement recyclable
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Fichier image/jpeg, 186k
Légende Fig. 2 – Schéma illustrant les temps de transfert de la matière pour la genèse des grands gisements de minerais
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© CNRS Éditions, 2013

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