Problématique des terres rares

Les terres rares sont un ensemble de 17 éléments chimiques dotés de propriétés catalytiques, optiques, ductiles, magnétiques et autres.

Ces métaux regroupent les 15 lanthanides (situés dans les deux dernières lignes du tableau périodique de Mendeleïev) auxquels on ajoute l’yttrium et le scandium. On les qualifie de rares car la production annuelle mondiale est inférieure à 100 000t. Certains de ces métaux rares sont assez répandus dans l’écorce terrestre (l’abondance du Cérium par exemple) est du même ordre que celle du cuivre. Ils sont par contre répartis très inégalement à la surface de la Terre

Les oxydes et alliages métalliques de ces éléments sont utilisés dans notre quotidien dans de très nombreuses applications, allant des écrans LCD, gsm, voitures hybrides, ampoules basse consommation, batteries, à certaines éoliennes :

Noms et symboles des éléments rares

La lantanum Tb terbium
Ce cerium Dy dysprosium
Pr praseodymium Ho holmium
Nd neodymium Er erbium
Pm promethium Tm thulium
Sm samarium Yb tterbium
Eu europium Lu lutetium
Gd gadolinium Y yttrium
  Sc scandium

 

Terres rares et éolien: aspects technologiques

Le composant principal d’une turbine est la génératrice, dont le but premier est de produire un courant électrique. Il y a deux grands types de génératrices : synchrone et asynchrone. La génératrice asynchrone a besoin d’électricité du réseau (ou d’autres éoliennes du même parc) pour entrer en fonction. Pour la génératrice synchrone, la production d’électricité est générée par le mouvement d’un aimant. L’aimant utilisé est soit constitué d’électroaimants (bobine de cuivre) ou d’aimants permanents. Les oxydes de terres rares (OTR) sont utilisés dans certaines éoliennes, pour l’équipement de ces génératrices à aimants permanents.

Alors que les électroaimants ont besoin d’un peu de courant pour entrer en fonction et créer le champ magnétique nécessaire, les aimants permanents, grâce aux propriétés magnétiques naturelles des métaux rares qui les constituent, n’ont pas besoin d’un apport électrique externe, ce qui rend les génératrices utilisant ces aimants plus efficaces.

Les OTR principalement utilisées dans l’éolien sont le néodyme (Nd2O3, Oxyde de Néodyme) et le dysprosium.

C’est l’alliage néodyme/fer/bore qui est particulièrement intéressant dans le cas de l’éolien mais il doit être dopé au dysprosium pour pouvoir travailler dans des gammes de températures larges (il perd ses propriétés magnétiques en deçà d’une certaine température).

Selon les études réalisées à ce jour, une éolienne utiliserait de 600 à 700 kg d’aimants par MW de capacité, dont 25 à 29% de néodyme et 4% de dysprosium dans l’aimant permanent de la génératrice. 

Les avantages qui découlent de l’utilisation des terres rares pour les génératrices à aimants permanents sont multiples:

  • Les aimants permanents peuvent être utilisés dans les éoliennes avec ou sans boîte de vitesse ;
  • Les génératrices à aimants permanents sont plus compactes (la taille de la nacelle est plus petite) ;
  • Les propriétés des aimants permanents permettent d’atteindre une bonne efficacité, même à des vitesses de vent faibles ;
  • Les coûts de maintenance sont inférieurs : le temps entre deux pannes est plus long par rapport à un moteur à induction à boite de vitesse. Cet élément est particulièrement important pour les capacités installées en offshore où la maintenance est coûteuse.

Ci-dessous figure une liste (fournie par la Fédération EWEA) des principaux constructeurs d’éoliennes utilisant des aimants permanents :


Source : EWEA Research Note 02/2010: “Supply of Rare Earth Elements to the Wind Turbine Industry”

Il est intéressant de croiser cette information avec un panorama de la technologie installée en Wallonie pour constater qu’aujourd’hui, l’essentiel de la technologie implantée sur sol wallon est exempte d’aimants permanents.

Le constructeur allemand ENERCON (53% de part de marché en Wallonie) utilise une autre technologie qui ne requiert pas de néodyme pour ses aimants permanents. La Vestas 112 n’est pas implantée en Wallonie. Repower, Fuhrlander et Nordex ne semblent pas utiliser la technologie des aimants permanents. La Dewind D6 implantée en Wallonie et d’une technologie antérieure à celle reprise dans le tableau.

La seule turbine utilisant la technologie à aimants permanents installée en Wallonie semble être la General Electric de 2,5 MW de puissance, pour un peu moins de 8% de la puissance installée totale (au 31/12/2013).

 

Marché des terres rares

La Chine est aujourd’hui le premier producteur de terres rares. Plus particulièrement, en 2010, 81% des alliages métalliques pour aimants permanents étaient extraits et raffinés en Chine[1]. La stratégie industrielle chinoise aujourd’hui est de restreindre les exportations (par des quotas) pour développer, autour des terres rares, d’autres segments de la chaîne de valeur. Cette stratégie a des effets sur les prix des terres rares (voir tableau ci-dessous).


Source: Lynas corporation, Annual Report 2013

Un rapport européen du Joint Research (Institute for Energy and Transport) anticipe que la demande du secteur éolien en néodyme à l’horizon 2020 s’élèverait à 1,8 à 3,5% (1,1 à 4% en 2030) alors que la demande en dysprosium couvrirait 1,9 à 3,6% en 2020 (1,1 à 4,2% en 2030).

Le rapport se base sur les données d’offre de 2010, sans faire d’hypothèses quant à l’augmentation de l’offre de ces matériaux, ce qui est plutôt conservateur.

On peut donc en conclure que l’industrie éolienne ne devrait pas faire face à un défi en termes quantitatif même si le contexte montre une demande croissante de l’ensemble des industries utilisant des alliages métalliques à aimants permanents (voir graphique ci-dessous).


Source : Lynas corporation, Annual Report 2013

 

Environnement et responsabilité sociale des entreprises

Les techniques d’extraction et de purification actuellement mises en places pour les terres rares sont polluantes pour le sol et l’eau. Elles nécessitent des procédés hydrométallurgiques et des bains d'acides qui rejettent des métaux lourds, de l’acide sulfurique ainsi que des éléments radioactifs (uranium et thorium).

La Chine représente actuellement plus de 95% de la production de terres rares dont 70% sont traités à Baotou en Mongolie. Un bassin de 10km2 y a été construit pour recueillir les effluents de l’industrie du traitement des terres rares. Les eaux du bassin recèlent de nombreuses substances chimiques toxiques, mais aussi des éléments radioactifs, comme du thorium (dont l'ingestion provoque des cancers). En l’absence d’autre traitement que le stockage à l’air libre, ces substances percolent dans les terres et les nappes phréatiques aux alentours, provoquant des dégâts pour la santé des paysans et la productivité de leurs terres.

Les conditions de travail sur les sites d’extraction sont également nuisibles pour la santé des travailleurs. Le marché de l’extraction des terres rares est donc souvent pointé du doigt pour le manque de responsabilité sociale et environnementale des entreprises qui y sont actives, à l’image du secteur de l’aluminium par exemple.

 

Conclusions

Pour des raisons tant environnementales qu’éthiques, il serait souhaitable de s’affranchir de notre dépendance des oxydes de terres rares.

Leur utilisation dépasse de loin l’éolien et imposerait de se passer de nombreuses technologies : écrans LCD, gsm, smarphones, GPS et véhicules (hybrides ou non) ou de trouver des alternatives techniques à leur utilisation.

A titre d’exemple, une voiture d’entrée de gamme à combustion thermique nécessite huit éléments du groupe des terres rares pour sa production. Pour un véhicule électrique de haute technologie, la quantité de certaines terres rares nécessaire pourrait croître sensiblement en raison des alliages utilisés pour l’anode des batteries nickel hydrure métallique (NiMh) : la batterie d’une voiture hybride comme la Toyota Prius contient plus de 10 kg de lanthane.

En ce qui concerne l’éolien, le bilan montre qu’il est possible de se passer des oxydes de terres rares, de nombreux constructeurs n’y ayant pas recours. Dans certains cas, les aimants permanents restent néanmoins particulièrement intéressants, notamment en offshore.

Pour approcher de leurs propriétés avec d’autres moyens, la recherche et développement sont en cours. Des essais par exemple de maîtrise du fer amorphe semblent prometteurs en termes de propriétés magnétiques. Des prototypes (Hitachi) existent pour des petites puissances (jusqu’à 11kW). Le défi de la recherche est maintenant de monter en puissance. La synthèse du nitrure de fer est également à l’étude en laboratoire, ses caractéristiques magnétiques semblent intéressantes.

 

Bibliographie

  • Supply of Rare Earth Elements to the Wind Turbine Industry, EWEA Research Note 02/2010.
  • Les enjeux industriels des terres rares, Enerzine, 16 février 2013.
  • En Chine, les terres rares tuent les villages, Le Monde, 19 juillet 2012
  • Neodymium a bone of contention in wind turbines, Renewables International, 25 mai 2011,
  • R.L. Moss, E.Tzimas, H. Kara, P. Willis and J. Kooroshy (2011) “Critical Metals in Strategic Energy Technologies Assessing Rare Metals as Supply-Chain Bottlenecks in Low-Carbon Energy Technologies”, JRC – Institute for Energy and Transport, Oakdene Hollins Ltd, The Hague Centre for Strategic Studies
  • Lynas corporation, Annual Report 2013
     

[1] 13% sont fabriqués au Japon et en Asie du Nord Est, 2% aux Etats-Unis. Les 4% restants se répartissent dans le reste du monde.