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HORIZONS
Feuilleton
Les matériaux pour
la transition énergétique,
un sujet critique
Une analyse des principaux matériaux
et métaux nécessaires au déploiement
des EnR électriques et des véhicules
Ce document est édité par l’ADEME ADEME 20, avenue du Grésillé BP 90406 | 49004 Angers Cedex 01 Retrouvez les scénarios ADEME en ligne sur www.transitions2050.ademe.fr Crédits photo : Getty Images Conception éditoriale et graphique : bearideas Rédaction : Marie Sauze et Stéphane Barbusse Brochure réf. 011761 ISBN : 979-10-297-1945-5 Dépôt légal : © ADEME Éditions, février 2022 Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art. 122-5) les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par le caractère critique, pédagogique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L. 122-10 à L. 122-12 du même Code, relatives à la reproduction par reprographie.
FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
SOMMAIRE
1. Transition(s) 2050 : 4. Quelle consommation
quels besoins en unitaire des 7. Un travail d’estimation
matériaux et métaux technologies ? Les à affiner
pour les grandes filières de la transition
technologies de la utilisent les matériaux 35
transition énergétique ? différemment
8. Annexe : généralités
4 10 et problématiques
des matériaux et
2. Les messages clés 5. Quels besoins à métaux pour certaines
l’horizon 2050 ? Les technologies de la TE
6 véhicules utilisent plus
de métaux stratégiques 36
3. Une estimation des que les EnR dans tous les
besoins en matériaux et scénarios 9. Références
métaux contrainte par bibliographiques
de nombreuses limites 21
38
8 6. Comparaison avec
la situation actuelle
28
3 Transition(s) 2050
FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
1. Transition(s) 2050 :
quels besoins en matériaux
et métaux pour les grandes
technologies de la transition
énergétique ?
Afin d’alimenter les débats de l’élection présidentielle Les travaux déjà publiés par l’ADEME ont permis de
de 2022 et ceux de la future Stratégie française dimensionner quatre systèmes énergétiques sous-
énergie-climat (SFEC), l’ADEME a publié en jacents à ces scénarios, tous atteignant la neutralité
novembre 2021 un exercice de prospective inédit, carbone avec des recours assez contrastés aux dif-
présentant, via quatre scénarios de société férents vecteurs énergétiques et aux puits de carbone
volontairement contrastés, quatre chemins vers une biologiques ou technologiques. Au-delà des enjeux
France neutre en carbone en 2050 [1]. Ces scénarios énergétiques et climatiques, déjà bien traités,
explorent les aspects sociétaux, énergétiques et l’ADEME va publier dans le courant de l’année 2022
climatiques des grands sous-systèmes impliqués dans une analyse des besoins en matériaux des quatre
ces changements : bioéconomie-alimentation- scénarios incluant un calcul d’empreinte.
agriculture-forêt-sols ; aménagement du territoire-
bâtiments-mobilité ; industrie-matériaux-économie Le présent document vise, en amont de cette publi-
circulaire ; systèmes énergétiques décarbonés. cation, à réaliser une analyse spécifique des besoins
en métaux et principaux matériaux pour les techno-
Chaque scénario est nourri par un récit, assumant la logies à fort potentiel de déploiement que sont les
représentation du monde et les dimensions sociétales véhicules, les EnR électriques et le nucléaire. Cette
et politiques. Ces quatre scénarios se distinguent, analyse se justifie car certains matériaux et métaux
d’un bout à l’autre du spectre par : peuvent s’avérer à enjeu concernant leur disponibi-
lité, comme cela est explicité dans l’annexe « Géné-
l’appel plus ou moins fort aux leviers de la sobriété ralités et problématiques des matériaux et métaux pour les
(S1-S2) et/ou de l’innovation par les technologies énergies renouvelables et les véhicules ».
– efficacité (S2-S3) et décarbonation (S3-S4) ;
une gouvernance locale (S1 et S2) à une société
mondialisée (S4) en passant par une forte présence
de l’État (S3) ;
des impacts environnementaux plus ou moins
maîtrisés (S1 à S4).
4 Transition(s) 2050
FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Figure 1 Les 4 scénarios en un clin d’œil
Leviers
Sobriété +++ ++ +
Efficacité ++ +++ ++
Gouvernance Local Global
Impacts
Éviter les impacts Réparer les impacts
environnement
• Frugalité contrainte • Coopérations entre • Métropoles • Technologies incertaines
• Low-tech territoires • Technologies • Consommation de masse
• Localisme • Modes de vie soutenables de décarbonation • Captage du CO2 dans l’air
• Villes moyennes • Gouvernance ouverte • Consumérisme vert • Étalement urbain
et zones rurales • Économie du partage • Biomasse exploitée • Économie mondialisée
• Rénovation massive • Mobilité maîtrisée • Hydrogène • Intelligence artificielle
• 3x moins de viande • Fiscalité • Régulation minimale • Agriculture intensive
• Nouveaux indicateurs environnementale • Déconstruction/
de prospérité • Réindustrialisation ciblée reconstruction
5 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
2. Les messages clés
L’ADEME a réalisé dans ce document une évaluation analyse (90 % pour l’aluminium et de 75 % pour le
des besoins bruts 1 des principaux matériaux et cuivre), les besoins représentent entre 25 % et 53 %
métaux nécessaires au déploiement des technologies de la consommation actuelle française pour
de production d’électricité et des véhicules l’aluminium et entre 18 % et 36 % pour le cuivre,
électriques dans ses quatre scénarios Transition(s) mais viennent se substituer en partie à des
2050. Les besoins ont été évalués en valeur absolue consommations actuelles dans le secteur de
sous forme d’une moyenne annuelle des besoins de l’automobile. Les quantités annuelles nécessaires
la période 2020-2050, puis rapportés à la production croissent de S1 à S4 en lien avec les ventes de
française actuelle et enfin comparés à la production véhicules neufs et les évolutions de leurs
mondiale afin de les mettre au regard de la part de caractéristiques (gabarit et technologie de traction).
la France dans le PIB mondial (1 % actuellement), ce Il en résulte une évolution contrastée en fonction
qui permet en première approche de qualifier le des scénarios : pour l’aluminium, les consommations
caractère plus ou moins critique de leur utilisation. totales baissent dans S1 et S2, mais les besoins pour
Dans cette synthèse, l'ADEME distingue les matériaux les véhicules contribuent majoritairement à
utilisés en grande quantité (plus de 50 kt/an) soit le l’augmentation de la consommation, de 55 %
béton, le cuivre, l’aluminium et le verre que nous dans S3 et 88 % dans S4. Le développement du
appellerons « grands matériaux et métaux », ceux recyclage de ces métaux peut cependant permettre
utilisés dans de petites quantités (moins de 50 kt/an) une nette diminution de ces besoins.
que nous appellerons « petits matériaux et métaux ».
Il ressort de l’analyse les principales conclusions Pour les « petits matériaux et métaux » : des
suivantes : approvisionnements à sécuriser en terres rares pour
les éoliennes en mer et en matières pour les batteries
Pour les « grands matériaux et métaux » : des des véhicules (lithium, cobalt, nickel et graphite)
consommations négligeables pour le béton, l’acier (Graphique 2).
et le verre mais qui peuvent, pour l’aluminium et le
cuivre des véhicules, contribuer de façon prédomi- Pour l’ensemble des scénarios, les véhicules
nante à l’augmentation des besoins français en 2050 consomment davantage de nouveaux matériaux
(Graphique 1). spécifiques à la transition énergétique (lithium,
cobalt , graphite) que le déploiement du
La consommation moyenne annuelle sur les 30 ans photovoltaïque, de l’éolien ou du nucléaire. Ceci
de béton, principalement liée aux fondations des reste à mettre au regard des technologies et des
centrales photovoltaïques et de l’éolien, reste faible capacités de recyclage existantes et à développer.
comparée à la production française, et, du fait de
la baisse des consommations dans les autres Concernant le silicium, l’argent et le titane, les
secteurs de l’économie, la consommation totale consommations pour la transition énergétique
évolue globalement à la baisse. restent inférieures à la part de la France dans le PIB
mondial.
De même, la consommation moyenne annuelle
d’acier pour la transition énergétique, qui provient Concernant les terres rares, certains éléments
à 60 % des besoins de véhicules, est largement intervenants dans la fabrication des aimants
compensée par la baisse de consommation d’acier permanents peuvent être plus critiques. En effet,
dans tous les secteurs de l’économie, si bien que la sans même prendre en compte les besoins éventuels
consommation globale baisse dans tous les pour les moteurs de traction des véhicules, le besoin
scénarios, sauf dans S4. français pour les éléments néodyme, praséodyme
et dysprosium en 2050 (pour 47 GW d’éolien en
Pour le verre, la consommation moyenne annuelle mer) pourrait représenter à lui seul 1,7 % de la
pour la transition énergétique représente entre 2 % production actuelle mondiale de ces éléments, ce
et 6 % de la consommation actuelle française. Sa qui s’avère supérieur à la part de la France dans le
consommation étant liée à 70 % au développement PIB mondial. Il est donc important que les fabricants
du photovoltaïque, elle croît de S1 à S4 dans la poursuivent leurs efforts de substitution de ces
mesure où le parc installé augmente. éléments dans les génératrices d’éoliennes en mer
et les moteurs des véhicules.
Pour l’aluminium et le cuivre, dont l’utilisation est
essentiellement le fait des véhicules dans cette
1 Sans prise en compte du recyclage.
6 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Les besoins annuels en métaux (lithium, cobalt, d’une relocalisation de certaines productions et du
nickel) et graphite des batteries des véhicules, développement du recyclage.
augmentent également au-delà de notre part dans
le PIB mondial : jusqu’à environ 3 % pour cobalt, Pour le nucléaire, le manque de disponibilité de
nickel et graphite et jusqu’à 10 % pour le lithium. données publiques sur les intensités matières ne
Pour faire face à cette criticité potentielle, le soutien permettent pas de conclure sur la disponibilité de
à la recherche pour favoriser le recyclage des l’offre des différents matériaux requis, ni de comparer
batteries en fin de vie est indispensable2. les besoins annuels avec ceux des autres filières.
Dans la logique d’une industrialisation en France des Ces résultats ne tiennent pas compte des évolutions
composants qui utilisent le cobalt, le lithium, le technologiques qui permettraient de diminuer la
graphite, le cuivre et les terres rares pour la filière des demande pour tel ou tel matériau ou métal ou à
véhicules, il serait important de mettre en place des l’inverse, faire apparaître des besoins nouveaux pour
stratégies adéquates soit en fiabilisant les un autre métal. De même, les performances du
importations soit en développant une diplomatie recyclage peuvent également diminuer la demande
des métaux en lien avec des partenaires européens en matières premières vierges au profit des matières
au travers de contrats sécurisés d’approvisionnement premières de récupération. Les principales limites
ou de prise de participation dans des industries aux conclusions sont exprimées dans la section
minières. Cette stratégie pourrait se faire en parallèle suivante.
Graphique 1 Besoins annuels en grands matériaux et métaux en tonnes pour les différents scénarios
3 500 000
3 000 000
2 500 000
2 000 000
1 500 000
1 000 000
500 000
0
S1 S2 S3EnR-offshore S3Nuc S4
Béton Acier Cuivre Aluminium Verre
Graphique 2 Besoins annuels en petits matériaux et métaux en tonnes pour les différents scénarios
80 000
1 500
60 000
1 000
40 000
500
20 000
0 0
S1 S2 S3Nuc S3EnR S4 S1 S2 S3Nuc S3EnR S4
Silicium Lithium Cobalt Nickel Graphite Titane Terres rares Argent
2 Voir Lettre ADEME recherche de janvier 2022 : https://infos.ademe.fr/article-recherche/lademe-soutient-linnovation-pour-
ameliorer-le-recyclage-et-la-reincorporation-des-materiaux/.
7 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
3. Une estimation des besoins
en matériaux et métaux contrainte
par de nombreuses limites
L’exercice d’estimation permet d’avoir des ordres de les besoins matières considérés sont uniquement
grandeurs des besoins moyens annuels pour certaines les besoins directs, c’est-à-dire les matières immo-
infrastructures énergétiques, avec cependant bilisées dans la structure et non les matières néces-
quelques limites importantes : saires sur l’ensemble du cycle de vie. Les besoins
matières liés aux procédés d’extraction/purification,
la disponibilité des données et leur représentativi- transport, fabrication, démantèlement et gestion
té. En effet, l’étude SURFER [2] a montré une grande des matières ultimes ne sont pas estimés. Pour le
hétérogénéité dans la disponibilité des données de nucléaire, l’uranium en tant que combustible est
base, dans la qualité des références utilisables et cependant ajouté à ces besoins directs ;
dans le nombre de références très variables suivant
les technologies. Cette hétérogénéité diminue la les besoins en matières ou matériaux pour les tech-
fiabilité des comparaisons réalisées ; nologies de production d’EnR thermiques, des
combustibles liquides et des gaz renouvelables
l’état actuel des connaissances. Les technologies (hydrogène4, méthane5), ou d’autres capacités de
évoluent et l’innovation dans les procédés de fa- production d’électricité (hydroélectrique, turbine
brication modifie les besoins matières avec à la clé à gaz, biomasse…) n’ont pas été évalués, bien qu’en
des besoins qui souvent diminuent en particulier 2050 ces technologies couvrent généralement plus
dans les technologies des EnR3 ; de 50 % de la demande finale énergétique dans
tous les scénarios ;
le fait que les matières sont généralement mobili-
sées et pas consommées, c’est le cas des minéraux les besoins en matières ou matériaux liés à la nu-
et des métaux notamment. Pour la plupart des mérisation des réseaux d’énergies (électricité, gaz,
technologies des filières EnR, les matières mobilisées chaleur/froid, carburants/combustibles liquides)
restent majoritairement accessibles pour être réu- n’ont pas été évalués, bien qu’en 2050 ces techno-
tilisées ou recyclées et permettent d’envisager un logies soient essentielles pour les gérer ;
usage à long terme pour reconstituer, rénover et
pérenniser les mêmes infrastructures énergétiques les besoins en matières ou matériaux liés aux in-
ou d’autres. C’est le cas également pour des maté- frastructures réseaux (câbles, postes de raccorde-
riaux comme l’acier ou l’aluminium pour les véhi- ment pour les EnR, aux réseaux routier, tubes et
cules. Or, les bénéfices du recyclage, qui ne sont sous stations des réseaux de chaleur, etc.), aux
pas égaux pour toutes les matières et dans l’en- batteries stationnaires6 ou aux infrastructures de
semble des filières, ne sont pas mesurés ; recharge des véhicules électriques n’ont pas été
évalués ;
le fait que l’estimation des besoins en matières
n’apporte pas une vision complète des impacts les matières nécessaires pour la maintenance (ré-
environnementaux, notamment sur la biodiversité, paration d’équipements…) ne sont pas comptabi-
les sols et les paysages. Les résultats de ce travail ne lisées ;
permettent donc pas d’évaluer directement l’en-
semble des impacts environnementaux des diffé- la part des besoins matières liés à l’approvisionne-
rents systèmes de production énergétique sur leur ment, la préparation du combustible, le traitement
cycle de vie, bien qu’un lien fort existe entre extrac- et l’enfouissement des déchets nécessaires dans la
tions des matières premières et impacts environ- filière nucléaire, n’a pas pu être prise en compte
nementaux ; par manque de données ;
3 La consommation du polysilicium dans les panneaux photovoltaïques a diminué du fait de l’affinement de la tranche et de
l’amélioration des procédés de découpage. En 20 ans cela représente une division par 5 du besoin en silicium par kWc [3].
4 Dans ce cas, le platine, le nickel, l’iridium et le titane pourraient être considérés comme des matières à enjeux.
5 Biogaz, méthane de synthèse.
6 Dans les 4 scénarios modélisés, le stockage stationnaire pour le mix électrique représente en 2050 un maximum de 12 % des
consommations électriques du parc de batteries dans les véhicules électriques.
8 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
les qualités de produits finis sont souvent spéci- les chiffres de consommation française ou de pro-
fiques (par exemple, le verre pour le PV n’est pas le duction mondiale des matières comprennent tous
même que pour les vitrages de véhicules) et il n’a les niveaux de qualité des produits finis alors qu’en
pas été possible de quantifier les consommations réalité, certains usages comme le silicium des pan-
ou productions pour chacun des produits spéci- neaux solaires, le lithium des batteries ou le béton
fiques ; des centrales nucléaires par exemple sont des pro-
duits spécifiques.
9 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
4. Quelle consommation unitaire
des technologies ? Les filières
de la transition utilisent
les matériaux différemment
L’utilisation de toutes les énergies (fossiles, fissiles et sités matières (IM) permettent d’estimer les flux et
renouvelables) nécessite des matériaux et des métaux stocks de matières mobilisées selon différents scé-
soit pour construire les infrastructures (puits de pé- narios, mais aussi d’analyser les risques d’approvi-
trole, pipelines, réseaux, tankers, mâts d’éoliennes, sionnement associés. Une recherche bibliographique
socles des modules photovoltaïques en centrale…), a été effectuée pour identifier des données originales
soit pour les équipements (numérique, batteries, de type « composition matière » pour les technolo-
aimants permanents, chaudière…), soit pour les com- gies de la transition énergétique mais également
bustibles (notamment mines d’uranium, infrastruc- pour des filières énergétiques conventionnelles (gaz,
tures d’enrichissement et d’enfouissement…), sans pétrole, charbon, nucléaire). Ce rapport est dispo-
compter le béton et l’eau. Les académies des sciences nible dans la Librairie ADEME [2]. Ces IM qui sont
et des technologies détaillent les éléments néces- détaillées pour plusieurs sous-technologies sont en-
saires à la transition énergétique [4]. suite moyennées pour obtenir une valeur par maté-
riaux et par filière avec un souci de représentativité
Les besoins en matières ou matériaux dans la transi- des installations en France, dans la mesure du pos-
tion énergétique méritent d’être précisément évalués sible. Les choix et les valeurs obtenues sont détaillés
pour les technologies susceptibles de connaître une dans une note qui sera publiée en 2022 [5]. Elles sont
croissance importante dans les quatre scénarios : ensuite appliquées sur les chroniques de déploie-
soit pour l’éolien terrestre, l’éolien posé en mer, l’éo- ment des différentes filières énergétiques dans
lien flottant, le PV sur bâti, le PV au sol, le nouveau les quatre scénarios de l’ADEME (cf. feuilleton Mix
nucléaire (EPR2) et les véhicules particuliers et utili- électrique).
taires.
Ces IM pour les filières électriques sont complétées
Pour les énergies renouvelables (EnR) électriques et par les besoins en matière des véhicules particuliers
la mobilité, les principaux métaux utilisés sont le fer, et utilitaires légers, toutes motorisations confondues,
le cuivre, l’aluminium, le nickel, le lithium, le cobalt, à partir d’hypothèses de composition proposées par
le plomb, le manganèse, le zinc, le titane, les plati- l’ADEME et s’appuyant sur des travaux antérieurs et
noïdes, les métaux des terres rares (néodyme (Nd), sur le travail de dimensionnement des parcs de vé-
dysprosium (Dy) ou praséodyme (Pr) principalement hicules, leur structuration en taille, en masse et les
pour l’éolien en mer), le molybdène, l’indium et capacités de stockage d’énergie pour les véhicules
l’argent, auxquels il faut ajouter le graphite. En ce qui électriques et hybrides rechargeables (cf. [1] chapitre
concerne les matériaux, le béton et le verre sont les 2.1.3. Mobilité des voyageurs et transport de marchandises).
plus massivement utilisés dans le déploiement de
ces filières. Les 14 matières et métaux considérés dans le présent
chapitre sont le béton, l’acier, le cuivre, l’aluminium,
Pour les technologies associées, les besoins ont été les terres rares, le silicium, l’argent, le verre, le titane,
évalués à partir des intensités matières calculées le lithium, le graphite, le nickel, le cobalt et l’ura-
dans le cadre du projet SURFER. Il visait à fournir des nium. Ce chapitre présente les principales hypo-
éléments de réponse sur la faisabilité de la transition thèses d’intensité matière utilisées pour la sélection
énergétique française au regard des besoins en ma- des technologies considérées. Dans les travaux de
tières minérales, en matières énergétiques, en eau scénarios prospectifs, il n’y a pas de précisions sur
et en sols. À cette fin, le travail a porté sur la carac- le type de fondation ou parfois sur la technologie
térisation des « intensités matières » de certaines de la filière (renouvelable ou nucléaire) qui seront
technologies du système énergétique (principale- privilégiés. Il est donc nécessaire d’estimer des
ment électrique), c’est-à-dire la quantité de matière moyennes de besoins directs en matières par filière
mobilisée pour une performance donnée. Ces inten- de production.
10 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
4.1. L’éolien en mer
Les données d’intensités matières de l’étude SURFER Les valeurs moyennes de besoins matières présentées
pour l’éolien en mer donnent les résultats suivants dans le Graphique 4 seront utilisées pour estimer les
(Graphique 3). besoins matières de l’éolien en mer posé dans les
scénarios de déploiements. Les besoins en terres
Les besoins matières présentés dans le graphique ne rares (néodyme, praséodyme et dysprosium) sont
tiennent pas compte des gravats nécessaires pour estimés à 0,2 t/MW.
certaines fondations en complément du béton. Les
besoins varient du simple au triple en fonction des Pour les besoins matières de la filière éolien en mer
fondations mises en œuvre. Les fondations gravitaires flottant, les besoins matières des flotteurs ont été
sont déjà très peu répandues dans le monde et leur estimés en dehors du projet SURFER. À dire d’expert,
utilisation tend à diminuer. Par conséquent, nous les flotteurs acier devraient représenter 75 % du
proposons pour représenter la filière éolienne en déploiement par rapport aux flotteurs béton. Le
mer et estimer les besoins matières de cette filière, Graphique 5 représente les besoins des éoliennes en
de prendre la moyenne entre les fondations jacket mer flottantes en pondérant avec les deux types
et monopieu. de flotteurs.
Graphique 3 Besoins matières des éoliennes en mer selon leur fondation en tonnes/MW
Jacket
Gravitaires
Monopieu
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Béton Acier Cuivre Aluminium
N.B. : cette présentation et les suivantes selon les technologies considérées ne comportent pas toutes les 14 matières mentionnées
précédemment. Par exemple le silicium, l’uranium ou le verre ne sont pas dans les besoins directs des filières éoliennes.
Graphique 4 Besoins matières moyens des éoliennes en mer posées en tonnes/MW (hors gravats)
ZOOM
0 40 80 120 160 200 240 280 320 0 0,05 0,10 0,15 0,20
Béton Acier Cuivre Aluminium Néodyme Praséodyme Dysprosium
11 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Graphique 5 Besoins matières moyens des éoliennes en mer flottantes (tonnes/MW)
ZOOM
0 100 200 300 400 500 600 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Béton Acier Cuivre Aluminium Néodyme Praséodyme Dysprosium
Les deux graphiques précédents peuvent laisser 4.2. L’éolien terrestre
penser que les éoliennes flottantes ont des besoins
en matières nettement supérieurs aux éoliennes en Les données d’intensités matières de l’étude SURFER
mer posées, or ce n’est pas le cas car les gravats ne pour l’éolien terrestre donnent les résultats suivants
sont pas comptabilisés pour ces dernières. (Graphique 6).
Graphique 6 Besoins matières des éoliennes terrestres selon les technologies et le modèle de tour en tonnes/MW
Tour béton – asynchrone
Tour béton – synchrone rotor
Tour béton – synchrone aimant
Tour acier – asynchrone
Tour acier – synchrone rotor
Tour acier – synchrone aimant
0 200 400 600 800 1000
Béton Acier Cuivre Aluminium Néodyme Praséodyme Dysprosium
12 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Les variations sont faibles entre technologies mais Les éoliennes à aimant permanent représentent
la composition de la tour fait varier de manière seulement 6 % des éoliennes terrestres installées en
importante (d’un facteur 1,3) l’intensité matière. France et tendent à disparaitre [6]. Ainsi, pour estimer
les besoins matières de la filière éolienne terrestre
Les éoliennes avec une tour en béton sont rares et en France, nous proposons de faire la moyenne entre
ne sont plus installées actuellement. Nous proposons les besoins matières des éoliennes à rotors synchrones
donc de sélectionner uniquement les tours en acier et asynchrones qui sont très proches.
pour modéliser les besoins matières de la filière.
Graphique 7 Besoins matières moyens de la filière éolienne terrestre en tonnes/MW
ZOOM
0 100 200 300 400 500 600 0 2 4 6 8 10 12
Béton Acier Cuivre Aluminium
4.3. Photovoltaïque
Les données d’intensités matières du livrable SURFER N’ayant pas d’information sur le modèle de fondation
pour le photovoltaïque en centrale au sol fournissent le plus répandu, une moyenne des deux besoins en
trois technologies de support et deux possibilités de matières a été prise en compte par la suite.
fondations. En effet, il en existe deux types qui ont
des consommations en béton très différentes : Ceci permet d’obtenir les estimations des besoins
longrines 1 150 kg/kWc et pieux vissés 5 kg/kWc. en matières du photovoltaïque au sol (Graphique 8).
Graphique 8 Besoins matières du photovoltaïque au sol Avec ou Sans Onduleurs (AO et SO respectivement)
et selon leur mode de fixation (tonnes/MWc)
SO-support fixe
SO-tracker 1 axe
SO-tracker 2 axes
AO-support fixe
AO-tracker 1 axe
AO-tracker 2 axes
0 300 600 900 1 200 1 500
Béton Acier Cuivre Aluminium Silicium Argent Verre
13 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
L’hypothèse prise pour l’intensité matière des Les données d’IM pour les fixations des panneaux
onduleurs a été de considérer 80 onduleurs de 10 kWc sur bâtiments ou ombrières ne sont pas disponibles.
pour un parc de 1 MWc (soit 80 % de la puissance Nous proposons donc de retirer les besoins en acier
crête installée) afin d’être représentatif des règles de et en béton estimés pour les centrales au sol, de
dimensionnement des onduleurs pratiquées en celles relatives à une implantation du photovoltaïque
France. Il y a très peu de différences entre les systèmes sur bâti ou ombrières. Ce choix arbitraire peut
avec et sans onduleurs car les 80 onduleurs de 10 kWc conduire à sous-estimer les besoins en béton et acier
représentent un besoin matières de 1,6 tonne ce qui d’une part et d’autre part à surestimer les besoins
est trop faible pour faire une différence entre AO et en cuivre du fait de besoins en câblage moins
SO dans le graphique. important sur toiture qu’au sol. Ainsi, nous pouvons
aboutir à des besoins matières pour le photovoltaïque
Le Graphique 8 montre que les variations des besoins sur bâti ou ombrières tel que décrit en Graphique 10.
matières sont également très importantes selon le De l’acier est toujours présent du fait de sa nécessité
choix de la fixation pour les centrales au sol. Pour les dans les onduleurs.
scénarios prospectifs, les besoins matières pour les
centrales photovoltaïque au sol seront pris avec
onduleurs et sur supports fixes (Graphique 9).
Graphique 9 Besoins matières moyens de la filière photovoltaïque au sol en tonnes par MWc (l’argent représente 0,02 t/MWc)
ZOOM
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Béton Acier Cuivre Aluminium Silicium Argent Verre
Graphique 10 Besoins matières du photovoltaïque sur bâti en toiture et sur ombrières (avec onduleurs) en tonnes/MWc
ZOOM
0 10 20 30 40 50 60 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Acier Cuivre Aluminium Silicium Argent Verre
14 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
4.4. Nucléaire
La filière nucléaire présente des besoins matières Un autre extrait de l’étude SURFER montre qu’il n’y
directs et indirects dont SURFER [2] a tenté de pré- a pas de données dans la littérature pour toutes les
ciser le périmètre en termes de besoins directs de la infrastructures dans les périmètres des encadrés en
centrale et de besoins indirects liés à l’approvision- pointillés violets de la Figure 2 : « Ainsi, dans les faits,
nement en combustible et à la gestion des déchets. la recherche de données pour caractériser les besoins
en matière n’a pas abouti pour l’approvisionnement
« La Figure 2 schématise les frontières théoriques ain- en combustible ni pour la gestion des déchets. »
si définies pour l’inventaire des besoins de la filière
électronucléaire. Néanmoins, il convient de garder Ces deux points rendent la comparaison des filières
en tête qu’il s’agit d’un périmètre théorique, que les énergétiques avec la filière nucléaire quasiment im-
données collectées ne permettent pas nécessaire- possible, mais il s’agit des seules données disponibles
ment de couvrir en termes de quantités de matières publiquement à ce jour et sur lesquelles nous pou-
mobilisées. » vons nous appuyer pour faire des comparaisons avec
les autres filières.
Figure 2 Extrait du livrable intensités matières du projet SURFER pour la filière nucléaire
Construction
Matières Besoins directs
Énergie Eau Sols
premières Opération
Besoins directs de
Fin vie
l’approvisionnement
Génie civil Génie civil, conventionnel
en combustible
et nucléaire
Bâtiments Centrale Installations ou sites
ordinaires nucléaire Bâtiments ordinaires
Équipement Turbines et alternateurs : Centrales
composants électromécaniques nucléaires
(EDI)
Mine et installation Équipement électrique et
de concentration électronique d’une centrale Branchement
au réseau transport
Transport Yellowcake Mines uranium
Bateau et train (monde)
Déchets
maintenance
Usines conversion Production électricité
Chargement par la filière
et enrichissement
combustible électronucléaire
uranium t
or
sp ble française (EDF)
Transport Orano an sti X Combustible
UF6 (installations FR) Tr bu MO
m
co uf et irradié
Usine fabrication ne Mise à disposition
de 384 TWh (2016)
combustible
d’énergie électrique
Tra
Orano (FR) ou plu nspo ort
Westinghouse ton rt nsp Fusion
ium Tra
Déchets incinération
Installations démantèlement Transport
déchets CENTRACO
retraitement
Orano
Filière traitement
Installations déchets BTP classique
entreposage déchets
Plateformes, carrières
EDF, Orano
Stockage définitif :
CIRES, CSA et CIGEO ANDRA
N. B. : les pointillés violets représentent les besoins indirects liés à l’approvisionnement en combustible, les pointillés rouges représentent les
besoins directs de la centrale.
15 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Par ailleurs, les intensités matières du livrable SURFER concernant notamment les périmètres violets et
pour la filière nucléaire concernent uniquement le rouges de la Figure 2.
nucléaire historique, sur la base essentiellement de
données recueillies dans la littérature internationale La filière nucléaire utilise un combustible, l’uranium.
accessible. De plus, il faut aussi noter que le déploie- Il s’agit d’un besoin matière qu’il faut prendre en
ment d’EPR dans le cadre de la transition énergétique, compte comme pour toutes les filières non renou-
devrait éventuellement se faire sur la base d’EPR2 velables, car cette matière est consommée. La don-
pour lesquels aucune donnée matières n’est dispo- née utilisée sera de 19,2 tonnes/TWh8. Dans le cadre
nible à ce jour. Compte tenu de ces limites fortes, de Transition(s) 2050, les besoins matières évalués
les besoins matières retenus sont présentés dans le concernent uniquement les nouvelles centrales nu-
Graphique 11. cléaires à construire (EPR2 ; en supposant que les
besoins matières de ces centrales sont les mêmes
Il faut comparer les données du Graphique 11 avec que ceux du nucléaire historique). Les consomma-
précaution aux données pour les autres filières à tions matières liées au prolongement de la durée de
cause du manque de données dans la littérature, vie du parc historique ne sont pas évaluées car il n’y
tout particulièrement en ce qui concerne les don- a pas de données disponibles dans la littérature, que
nées relatives à la France7 et en lien avec l’incerti- ce soit pour la France ou à l’international.
tude entourant les données dans les publications
Graphique 11 Besoins matières de la centrale nucléaire en tonnes/MW
0 100 200 300 400 500
ZOOM : sans acier et béton pour les métaux ZOOM : pour les métaux dont les besoins
dont les besoins sont supérieurs à 10 kg/MW sont inférieurs à 10 kg/MW
0 1 2 3 4 5 6 0 0,003 0,006 0,009 0,012 0,015
Béton Acier Aluminium Cuivre Zinc Plomb Argent
Magnésium Cadmium Zirconium Titane Étain Hafnium
Indium Niobium Vanadium Yttrium Tungstène
N. B. : ces besoins ne sont pas directement comparables avec ceux des autres filières dans ces graphiques car les périmètres considérés pour
définir les intensités matières ne sont pas les mêmes.
7 Il n’a pas été possible de trouver une analyse du cycle de vie complet du parc nucléaire français réalisée selon la norme
ISO 14040 qui seule permet d’assurer que l’ensemble du cycle de vie est bien pris en compte.
8 Voir https://www.connaissancedesenergies.org/sites/default/files/pdf-actualites/donnes_nucleaire_2016.pdf. En 2015, la France
a consommé 8 000 tonnes d’uranium pour une production d’électricité d’origine nucléaire de 415 TWh.
16 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
4.5. Véhicules particuliers
et utilitaires légers
Les besoins en matières des véhicules pour un scé- vie des véhicules mais uniquement les besoins directs.
nario prospectif donné ont été déterminés d’une Ainsi, les besoins matières concernant l’entretien et
part par la composition en matériaux du véhicule et les réparations ne sont pas comptabilisés.
d’autre part par la composition de la batterie pour
les véhicules électriques et hybrides rechargeables. Par ailleurs, comme évoqué dans la section 2, les es-
Nous nous limitons aux véhicules particuliers (VP) et timations portent sur la matière mobilisée et ne
utilitaires légers (VUL) qui représentent la majorité considèrent pas la forte recyclabilité et le réemploi
des besoins en matériaux (fort volume de vente, re- d’ores et déjà effectifs des matériaux les plus présents
nouvellement plus rapide que les matériels lourds comme les métaux ferreux (dont l’acier), les métaux
comme le ferroviaire ou le fluvial). Lors de ces esti- non ferreux hors et avec faisceau électrique (dont
mations, la prise en compte d’évolutions technolo- l’aluminium et le cuivre) ou le verre. Pour ces derniers,
giques a été réalisée pour la variation de masse des des filières sont existantes en réponse à la directive
véhicules (allégement plus ou moins marqué pour européenne 2000/53/CE sur le Véhicule hors d’usage
les scénarios S1 et S2, poursuite ou renforcement de (VHU) qui stipule un taux minimal de réutilisation et
la tendance à l’alourdissement pour les scénarios S3 de recyclage de 85 % en masse du VHU et même de
et S4). De même, ont été considérés les évolutions 95 % en réutilisation et valorisation. Les taux réalisés
de la composition matière des automobiles ainsi que effectifs de réutilisation et recyclage [7] pour les ma-
celles des densités énergétiques et teneur en maté- tériaux cités ci-avant se situent aujourd’hui entre
riaux des batteries. Toutefois, les besoins matières 38 % et 99 % comme présenté dans le Tableau 1 ci-
ne prennent pas en compte l’ensemble du cycle de après (cf. les deux premières colonnes) :
Tableau 1 Répartition par type de traitement de quelques matériaux d’un VHU
Valorisation
Réutilisation (%) Recyclage (%) Stockage/décharge (%)
énergétique (%)
Métaux ferreux 8,9 91,1 - 0,02
Métaux non ferreux 8,9 91,1 - 0,03
Faisceaux électriques 6,8 74,6 7,1 11,5
Verre 6,8 31,8 27 34,3
Il doit être également noté que les matériaux à forte et compte tenu des enjeux, de nombreux projets
valeur/criticité font également l’objet d’une attention technologiques (prototypes) et des validations tech-
particulière : c’est le cas pour les platinoïdes (platine, nico-économiques (démonstrateurs) sont lancés par
palladium, rhodium) des systèmes de post-traitement plusieurs acteurs en matière de réutilisation et de
catalytiques des émissions à l’échappement des au- recyclage. Nous pouvons citer la création d’un
tomobiles pour lesquels la réutilisation et le recyclage consortium ouvert porté par Renault avec Véolia et
(respectivement 20 % et 80 %) sont désormais qua- Solvay ; le projet « RelieVe » porté par Eramet en
si-totaux. La refonte de la directive Batteries en dis- partenariat avec Suez et BASF ; le projet « Recyvabat »
cussion dans les instances européennes [8] prévoit porté par Orano en partenariat avec Paprec, MTB
des ambitions élevées de recyclage et de récupéra- Manufacturing, la Saft et le CEA, et plus généralement
tion des matériaux des batteries Li-ion avec, dans un la démarche initiée par le Conseil National de l’In-
premier temps au 01/01/2027, une obligation d’incor- dustrie dans le cadre du Comité Stratégique de Fi-
poration minimum de matière recyclée pour le Co, lières Mines et Métallurgie en vue de l’élaboration
Li, Ni respectivement de 12 %, 4 %, 4 %. Puis à comp- d’une filière intégrée de recyclage des batteries
ter du 01/01/2030, ce taux d’incorporation passerait lithium [9].
à 20 %, 10 % et 12 % au 01/01/2035. Dans cette optique
17 Transition(s) 2050FEUILLETON MATÉRIAUX DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE
Dans le cadre de l’analyse des consommations éner- CUIVRE POUR LES VP ET VUL
gétiques pour l’usage des véhicules abordées dans
le chapitre 2.1.3. Mobilité des voyageurs et transport de L’estimation de la composition en cuivre du véhicule
marchandises du rapport de novembre 2021 [1] les moyen (hors batterie) est estimée pour sa part, selon
diffusions des différentes technologies et des hypo- une donnée (kg Cu hors batteries) dépendante de
thèses (non détaillées dans le présent feuilleton) ont la taille des véhicules et de leurs technologies de
été prises pour les véhicules en différentes tailles et traction, que nous conservons sur la période pour
masses. tenir compte des deux évolutions antagonistes sui-
vantes : progrès sur matériaux et optimisation des
Pour la composition du véhicule, le cumul des im- quantités employées versus augmentation des com-
matriculations des véhicules particuliers et utilitaires posants électriques/électroniques et de la puissance
légers a été réalisé pour chaque scénario entre 2020 des machines électriques installées.
et 2050. La masse du véhicule moyen de chaque
scénario a été estimée en prenant en considération Pour mémoire, on notera que la première génération
la ventilation des ventes par gabarit (trois classes de de Nissan Leaf disposait par exemple de motorisation
tailles : small, medium, large) et l’appartenance à une de 80 kW pour des capacités de stockage batteries
des quatre familles technologiques suivantes : véhi- de 24 puis 30 kWh, tandis que la génération actuelle
cules thermiques (VTh) dont hybrides non rechar- se voit proposer avec les spécifications suivantes
geables (VHnR), véhicules hybrides rechargeables 110 kW/40 kWh et 160 kW/62 kWh.
(VHR), véhicules électriques (VE) et véhicules à hy-
drogène (VH2) sur la période 2020-2050. Des hypo- Les valeurs retenues ont été fixées à partir des élé-
thèses spécifiques de masse hors batteries de stoc- ments proposés dans le modèle GREET2 d’Argonne
kage pour les VE et VHR et hors système Pile à National Lab pour le cuivre hors batteries pour les
Combustible pour les VH2 pour chacune des caté- véhicules conventionnels et les SUV hors Pick-Up,
gories (3 tailles x 4 technologies) et leurs évolutions ainsi qu’une extrapolation pour le cas des véhicules
envisagées dans le temps ont été retenues. Par ail- de petite taille [13] et des écarts de contenu en cuivre
leurs, pour les véhicules utilitaires légers, les données selon les organes et type de chaîne de traction (VTh/
précédentes ont été réutilisées de manière simplifiée VHnR/VHR/VE) présentés par la Copper Alliance [14]
avec un facteur 1,3 pour majorer les masses et repré- Les quantités de cuivre hors batteries pour les véhi-
senter l’écart observé avec les véhicules particuliers cules particuliers et utilitaires sur la période sont
sur la dernière décennie (analyse ADEME sur les don- alors obtenus avec les volumes de VP et VUL neufs
nées de ventes). considérés dans les différents scénarios et sont ra-
menés en besoins annuels comme pour l’aluminium,
En pondérant avec les ventes par technologie et l’acier et le verre.
gabarit sur toute la période, nous obtenons un besoin
matières moyen annuel entre 2020 et 2050 pour MATÉRIAUX POUR LES BATTERIES :
chaque scénario. LITHIUM, COBALT, NICKEL, GRAPHITE,
ALUMINIUM ET CUIVRE
ACIER, ALUMINIUM ET VERRE
POUR LES VP ET VUL Dans un deuxième temps, la composition des bat-
teries a été estimée pour les véhicules électriques et
À partir de ces données et de la composition hybrides rechargeables. Les véhicules à piles à com-
moyenne des véhicules en matériaux selon un ratio bustibles ne sont pas pris en compte dans cet exer-
retenu par constituant au regard des travaux sur les cice, au regard de leur faible diffusion parmi les vé-
analyses de cycle de vie des véhicules électriques, hicules légers et des tailles limitées des batteries
thermiques [10] et hydrogène [11] que l’ADEME a pu tampons pour ces véhicules.
suivre récemment, ainsi que d’éléments prospectifs
envisagés par la Plateforme automobile (PFA) [12] Le besoin matière pour les batteries peut être évalué
nous pouvons estimer les besoins en matières pour à partir des capacités énergétiques installées dans
l’acier, l’aluminium et le verre de la totalité des véhi- les véhicules prévus dans les différents scénarios en
cules particuliers et utilitaires légers vendus entre utilisant des facteurs kg/kWh pour les matériaux des
2020 et 2050 pour chaque scénario. Ces besoins batteries selon la référence Transport et Environne-
pourront alors être comparés à ceux nécessaires à la ment 2021 [15] en prenant les valeurs en 2035 (mi-che-
production actuelle de véhicules comme cela est min entre 2020 et 2050) pour la composition des
présentée au 6.2. cellules, complétés dans le cas de l’aluminium et du
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