Les batteries et l'enjeu des terres rares

Dans les médias et sur les réseaux sociaux, l’empreinte écologique des véhicules électriques est régulièrement pointée du doigt. L’utilisation de « terres rares » dans les batteries, fait notamment l’objet de débats. Entre rumeurs, contre-vérités et réalités, faisons le point.

Les terres rares ne sont pas rares !

Les terres rares (TR) ne sont en réalité pas des terres, mais des métaux et ils ne sont pas rares ! Il s’agit en fait du nom d’une famille de 17 éléments chimiques du fameux tableau de Mendeleïev que tous les lycéens ont un jour appris à connaître. Les plus utilisés sont le cérium (40,2 % des TR consommées), le lanthane (27,8 %) et le néodyme (17,6 %). Attention, il ne faut pas tout mélanger : certains autres métaux comme le lithium et le cobalt utilisés dans les batteries lithium-ion ne sont pas des terres rares. Bien qu’ils suscitent parfois la polémique également, leurs problématiques ne sont pas du tout les mêmes et nous ne les aborderons pas dans ce dossier.

Contrairement à ce que leur nom pourrait laisser penser, l’abondance des terres rares dans l’écorce terrestre est bien plus grande que celle de nombreux autres métaux d’usage courant : leur concentration est trois fois plus importante que celle du cuivre et deux fois plus que celle du zinc, deux métaux pourtant très utilisés dans l’industrie et présents dans de nombreux biens d’usage courant. Les terres rares sont par exemple 200 fois plus abondantes sur terre que l’or ou le platine. En d‘autres termes, les réserves exploitables de terres rares sont bien moins critiques que celles de nombreux autres métaux stratégiques.

Leur nom de famille « terres rares » vient du fait qu’on les a découvertes à la fin du 18^e siècle dans des minerais (d’où le nom de « terres »), peu courants en ces temps-là et difficiles à séparer les uns des autres avec les techniques utilisées à l’époque.

Une ressource répartie aux quatre coins de la planète

Historiquement les premières exploitations de terres rares dans les années 1940 étaient situées au Brésil et en Inde. Après la découverte dans les années 1950 de gisements importants en Afrique du Sud, ce pays a été le principal producteur jusqu’au début des années 1970 quand de nouvelles mines se sont ouvertes aux Etats-Unis (gisement de Mountain Pass) et en Australie notamment. Et puis, dans les années 1980, la Chine a commencé à produire des terres rares, et pratiqué un dumping des prix qui a finalement conduit à la fermeture, pour manque de rentabilité, des principales autres exploitations mondiales. Au début des années 2000 les chinois disposaient d’un quasi-monopole de la production avec une part de marché de près de 90 %. Puis ils ont décidé de réduire leurs quotas d’exportation ce qui a provoqué une remontée des prix et l’ouverture ou la réouverture de nouvelles mines dans le monde, aux Etats-Unis (Californie), en Australie, en Suède, au Brésil, au Vietnam, en Russie … Très récemment (fin 2017), un des plus riches gisements de la planète, celui de Gakara au Burundi est entré en exploitation. Au Brésil, un projet pilote financé par l’Allemagne étudie sous l’égide de l’Université de Clausthal la possibilité de récupérer des terres rares dans les résidus miniers des exploitations de phosphate.

A l’inverse de ce que l’on peut lire ci et là dans certains médias et sur le net, la Chine, bien que toujours premier producteur mondial de terres rares ne détient pas la majorité des réserves : seulement 30 à 40 % d’entre elles selon les estimations. Le Brésil (avec des réserves estimées à 22 millions de tonnes, soit plus de la moitié de celles de la Chine), l’Inde, les Etats-Unis, le Canada, le Groenland, la Russie, l’Australie, l’Afrique du Sud, le Vietnam, la Thaïlande et plusieurs pays en Afrique de l’Est, notamment, disposent d’importants gisements. La carte ci-dessous montre la distribution des principaux gisements de terres rares sur la planète. Comme on le voit, la ressource est bien mieux répartie que de nombreuses autres.

En 2018, l’Institut d’études géologiques des Etats-Unis (USGS) estimait que les réserves mondiales d’oxydes de terres rares s’élevait à 130 millions de tonnes pour une production annuelle, cette année-là, de 170.000 tonnes. Un petit calcul rapide nous permet de comprendre qu’au rythme de la consommation actuelle nous en avons dès lors pour … plus de 750 ans ! Même en cas de forte croissance de la demande, il y a de quoi « voir venir ».

Première vérité à rétablir : les terres rares ne sont pas du tout rares, les réserves mondiales sont importantes, bien réparties dans les 5 continents et aucune pénurie n’est à craindre avant très longtemps. Si la Chine détient une part majoritaire de la production c’est uniquement parce qu’elle pratiquait un dumping des prix. Mais la croissance de la demande a amorcé un renversement de la tendance et de nombreuses nouvelles mines s’ouvrent aux 4 coins de la planète.

L’ utilisation des terres rares

Si, au début de leur exploitation, les terres rares servaient à fabriquer des pierres à briquet, des alliages réfractaires et des colorants pour des objets en terre cuite, la production s’est envolée à partir des années 60 avec leur utilisation dans les tubes cathodiques des télévisions couleurs. Aujourd’hui, leurs propriétés électroniques, magnétiques, catalytiques, optiques, luminescentes et mécaniques en font les vitamines de l’industrie technologique. Elles sont utilisées, par exemple, dans les écrans plats, les lampes économiques, les LED, les lasers, les radars, les disques durs des ordinateurs, les ailettes de turboréacteurs, les pompes à chaleur et les installations de conditionnement d’air, des applications frigorifiques, certains panneaux photovoltaïques, le polissage du verre, certains types de moteurs électriques, comme catalyseurs dans le raffinage du pétrole, l’industrie pétrochimique et les pots catalytiques des véhicules à moteur thermique … Bref, dans un très grand nombre d’applications industrielles.

Plus du quart (26 %) des terres rares utilisées dans le monde le sont en tant que catalyseurs dans l’industrie du pétrole et dans les pots catalytiques des voitures à moteur thermique. Leur utilisation dans la fabrication d’aimants permanents pour moteurs électriques est l’autre application la plus consommatrice (20 à 23 % des usages). L’intérêt des aimants à terres rares est que le volume et le poids nécessaires pour une performance magnétique équivalente est bien inférieur à celui des aimants fabriqués avec d’autres technologies. Ils permettent ainsi une miniaturisation intéressante pour les micromoteurs électriques dans l’automobile (lève-vitres, rétroviseurs, sièges réglables, …), les ordinateurs, les têtes de lecture des disques durs, etc. Bon à savoir : dans chaque ménage des terres rares sont utilisées dans les moteurs équipant nos frigos, aspirateurs, lessiveuses, lave-vaisselle et autres appareils électroménagers.

Il n’y a plus de terres rares dans les batteries des véhicules électriques

Il y a une quinzaine d’années, les premiers véhicules hybrides, notamment la Toyota Prius et la Honda, étaient équipés de batteries NiMH (Nickel Métal Hydrure) dont l’électrode négative (anode) était constituée d‘un alliage de lanthane-pentanickel (LaNi5). Ces batteries des véhicules hybrides de la première génération contenaient une dizaine de kilos de lanthane, qui est bel et bien une terre rare. Mais aujourd’hui cette technologie de batteries est dépassée : elle a été remplacée par la famille des batteries lithium-ion (Li-ion) aux performances bien plus élevées. Si certains modèles de Toyota hybrides vendus en Europe font encore exception en étant toujours équipés de batteries NiMH (mais ça ne devrait plus durer longtemps), la toute grande majorité des véhicules hybrides et électriques sont pourvues aujourd’hui de batteries Li-ion … qui ne contiennent pas de terres rares. Certes, elles contiennent du lithium, du cobalt et du nickel, mais comme indiqué plus haut, ces métaux ne sont pas des terres rares et ne posent pas les mêmes problèmes.

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Le moteur de certains véhicules électriques contient des terres rares

Reste le cas des terres rares présentes dans les moteurs de certaines voitures électriques, principalement les hybrides qui doivent loger un moteur électrique à côté d’un moteur thermique et où le critère de place est donc plus important. Néodyme, dysprosium, samarium sont les terres rares les plus utilisées pour fabriquer les aimants permanents qui équipent les moteurs synchrones sans balais. Mais on peut très bien s’en passer ! Il suffit d’attribuer le rôle des aimants à une bobine d’excitation. Des modèles comme par exemple la Renault Zoé (la plus vendue en Europe) ou les Tesla Model S et Model X utilisent cette technologie et leur moteur ne contient donc pas de terres rares. D’autres aussi, probablement : nous n’avons pas ausculté les moteurs de tous les modèles actuellement en circulation. L’important est de comprendre que les voitures électriques peuvent très bien se passer de terres rares et que certaines, dont les plus vendues, n’en contiennent quasi pas. A l’exception peut-être des terres rares que l’on pourrait retrouver dans des micromoteurs tels que ceux des lève-vitres et essuie-glaces, qui ne sont pas spécifiques aux véhicules électriques.

En d’autres termes, l’avenir et le développement de la mobilité électrique ne dépend nullement de l’exploitation de terres rares. Par contre, le raffinage du pétrole et les pots catalytiques des voitures thermiques qui, eux, ne peuvent pas se passer de terres rares figurent parmi les plus gros consommateurs. Comme d’ailleurs de  nombreux appareils électroménagers, technologiques ou industriels qui, bizarrement, et à l’inverse des véhicules électrique n’ont, eux, jamais été montrés du doigt pour ce « vice ».

Impact écologique

Dans l’imaginaire véhiculé par certains médias en mal d’émotions ou à la recherche du buzz qui fera grimper les ventes, l’extraction de terres rares dans les carrières chinoises s’accompagne inévitablement d’une catastrophe écologique et sanitaire. Et le coupable est évidemment le véhicule électrique. Montrer une photo comme celle-ci fait toujours sensation :

On le sait, la Chine n’a jamais brillé pour la gestion écologique de son expansion industrielle. Ses mines de charbon, ses centrales électriques, son industrie lourde, sa gestion des déchets provoquent des catastrophes environnementales et d’innombrables décès prématurés. Que ses carrières de terres rares ne fassent pas exception n’est pas une surprise. Faut-il pour autant accuser les véhicules électriques d’être à l’origine de ces impacts écologiques quand on sait qu’ils n’utilisent qu’une infime partie des terres rares produites dans le monde et, qu’en outre, une liste établie en 2017 par l’U.E. montre que seulement 40 % des terres rares importées en Europe viennent de Chine ; les Etats-Unis (34 %) et la Russie (25 %) se répartissant le solde. Imputer les problèmes environnementaux posés par l’exploitation de terres rares en Chine aux véhicules électriques est aussi absurde que d’accuser les chemins de fer et le métro de produire des déchets radioactifs parce qu’ils utiliseraient de l’électricité produite par des centrales nucléaires.

Comme le montre la photo ci-dessous illustrant une exploitation de terres rares aux Etats-Unis, il est tout-à-fait possible d’extraire et de produire des terres rares en respectant des normes environnementales et sanitaires sévères.

Par ailleurs la situation évolue en Chine aussi : depuis décembre 2016 les autorités de Pékin ont inspecté plus de 400 compagnies actives dans l’extraction et la transformation de terres rares et fermé de nombreuses mines illégales.

Autre vérité à rétablir : l’impact écologique des carrières de terres rares en Chine n’est en rien imputable aux véhicules électriques.

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