Le tableau3.13présente la comparaison entre les principaux flux déterminés à partir de l’utilisation des PIOT et à partir de la SFA pour l’année 2003.
Table 3.13 : Résultats de la SFA et des PIOT pour l’année 2003 en France.
MFA PIOT Ecart
Gg/an Gg/an Importation 1161, 18 1135 2 % Exportation 814, 65 723 11 % Production 452, 26 820 −81 % Déchets 283, 54 314 −11 % Ajout au stock 282, 03 - - Émissions 17, 86 16, 1.10−3 100 %
On constate que les écarts les plus importants concernent la production et les émissions. En ce qui concerne les émissions, la différence importante peut être expliquée par le fait que dans le modèle Forwast, seules les émissions dans l’air sont non-nulles. Par contre, la production obtenue avec les PIOT est presque deux fois plus importante. Cela s’explique par le fait que la production
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a été calculée en considérant tous les flux de catégories contenant des produits finis dans la table des “supply”, alors qu’en réalité une partie non négligeable de ses flux est réutilisée en tant que produit intermédiaire, ce qui peut se voir en regardant la consommation de ces produits dans la table des “use”. Par exemple, on peut lire dans la table des supply que l’activité 68 (Electrical machinery n.e.c.) produit 291 Gg de cuivre dans les produits 68, et dans la table des “use” on peut voir que cette même activité utilise 65 Gg de produits 68. Dans la comptabilité PIOT il est ainsi difficile de déterminer les flux de produits finis et de les distinguer par rapport aux flux de produits intermédiaires, alors qu’avec la méthode MFA il est assez aisé de retrouver les flux de produits finis mais il est difficile de trouver des informations sur les flux intermédiaires.
3.7
Conclusion
L’application de ces deux méthodes confirme les conclusions indiquées dans la littérature : les tables entrées-sorties permettent d’obtenir une représentation des flux avec un lien fort avec la comptabilité monétaire. Il est rapide et facile de passer de la table des flux totaux à une table pour une substance. Cependant, la construction de ces tables peut s’avérer longue, notamment si un travail sérieux est conduit pour fiabiliser au maximum les coefficients de désagrégation et ainsi réduire les incertitudes. la lecture des tables donne une bonne connaissance des consommations intermédiaires et dans le cas de la raréfaction d’une ressource elle permet de mettre en évidence les compétitions possibles entre secteur pour l’approvisionnement.
En ce qui concerne la SFA, la représentation des flux à l’échelle des pays est claire et facile à comprendre et exploiter. La collecte des données peut cepen- dant être très longue, voire, en fonction des pays, quasi impossible. En effet il est aujourd’hui plus facile d’obtenir des données monétaires que physiques. Il est d’ailleurs à noter que, dans la SFA, il a été nécessaire de s’appuyer sur les résultats des PIOT pour évaluer les importations et exportations de produits finis. Pour l’application à la France, cette méthode donne toutefois des résul- tats plus fiables que les PIOT car de nombreuses données sont disponibles. Ce chapitre a notamment illustré comment le couplage SFA et réconciliation de données peut donner des informations relativement fiables sur la situation d’une ressource spécifique à l’échelle d’un pays. En effet, les données statis-
3.7 Conclusion
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tiques issues d’organismes institutionnels et d’industries sont souvent diffé- rentes les unes des autres, et l’utilisation de la redondance de l’information pour obtenir des données plus précises est nécessaire.
Ainsi, la mise en œuvre de ces deux démarches nous a permis d’évaluer de façon assez précise les flux de cuivre en France. Cette première étude a montré que les émissions de cuivre vers l’environnement ne représentent qu’une très petite source de perte, alors qu’une importante quantité de débris est exportée ou éliminée. Suite à ce constat, un travail important a été conduit sur la caractérisation des flux de déchets, qui a montré que la plupart des débris de cuivre vient des WEEE mais que les autres sources de débris de cuivre ne peuvent pas être ignorées sans entraîner des pertes significatives. Ces résultats permettent de conclure qu’une amélioration de la gestion du cuivre en France passe principalement par l’amélioration de la gestion des déchets.
On peut le vérifier sur la figure3.12, qui récapitule de façon plus schématique les principaux flux moyens de cuivre en France pour une année, à savoir :
– la production de produits finis ; – la production de déchets par type ;
– les principales importations ou exportations nettes (importation - expor- tation) ;
– le flux de recyclage ;
– les pertes dues à l’enfouissement des déchets.
Figure 3.12 : Représentation schématique des principaux flux de cuivre en France.
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On peut voir que le bilan matière n’est pas tout à fait respecté sur ce schéma, cela s’explique par le fait qu’il vise à donner une compréhension générale des flux : les données reportées sur ce schéma sont des moyennes et les flux margi- naux ne sont pas représentés. Ainsi on peut voir que la France, pour satisfaire la demande intérieure, a besoin de 400 kt/an de cuivre et 100 kt/an d’alliages (contenant de 50 à 90 % de cuivre). De plus, chaque année environ 300 kt de cuivre contenus dans les déchets en fin de vie doivent être gérés. Sans mo- dification majeure de comportement, on considère qu’il n’est pas possible de modifier ces quantités. En revanche, actuellement la France ne recycle presque que des débris purs, pour la plupart importés, et exporte la majeure partie des débris collectés sur son territoire. De plus, une quantité non négligeable de cuivre est perdue chaque année (correspondant à environ 10 % des besoins), soit parce que le cuivre était contenu dans des déchets qui ont été enfouis ou incinérés, soit parce que les déchets n’ont pas été collectés correctement (WEEE dans les MSW, décharge sauvage d’ELV, etc.). La mise en place d’une filière de retraitement des déchets efficace en France permettrait de corriger cette situation.
Afin d’étudier la possibilité de la mise en place d’une filière de recyclage du cuivre, il est nécessaire d’étudier les procédés disponibles et de les comparer pour choisir les mieux adaptés. Cette étude fait l’objet du chapitre 4.
Modélisation du recyclage des
débris de cuivre
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Table des matières
4.1 Introduction . . . 106 4.2 Le recyclage des déchets de cuivre . . . 107 4.3 État de l’art des procédés de fabrication de cuivre raffiné . 109 4.4 Construction des flowsheets de recyclage du cuivre . . . 120 4.5 Modélisation des procédés de recyclage . . . 128 4.6 Conclusion . . . 135
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NOMENCLATURE Cp : chaleur spécifique
E, S : désignent respectivement l’entrée et la sortie des procé- dés
H : l’enthalpie de l’ensemble du système
hi(T ) : l’enthalpie molaire du constituant i à la température T
KT : constante d’équilibre de la réaction
LSXEW : Extraction par solvant et électrolyse (Leach-Solvent eXtraction-ElectroWin)
T cmin : Vecteur des concentrations minimales en chaque consti-
tuant N0
i : le débit molaire du constituant i dans l’alimentation
NRk
i : le débit molaire du constituant i après que la réaction k
a eu lieu
Nc : le nombre de constituants
N RJT : Matrice contenant les consommations énergétiques et de
matières (électricité, fioul, O2, SiO2, eau) associées à
chaque flowsheet conduisant à la production de cuivre raffiné
P f : Matrice contenant les compositions et débits de cathodes de cuivre (ou cuivre raffiné) obtenues pour chaque flow- sheet utilisable
P I : Produit Intermédiaire
Qpertes : les pertes thermiques sur l’ensemble du procédé
R : constante des gaz parfaits
rc : un réactif clé choisit dans la réaction (en général le réactif limitant)
Sc0 : Composition et débit du courant d’entrée
SFproduct : Fraction de chaque constituant en entrée qui passe dans
le courant du produit désiré
SFwaste1 : Fraction de chaque constituant en entrée qui passe dans
le courant des déchets solides et liquides
SFwaste2 : Fraction de chaque constituant en entrée qui passe dans
le courant des déchets gazeux
Sp0 : Propriétés physiques du courant de sortie
T : la température
T cmax : Vecteur des concentrations maximales en chaque consti-
tuant
T cmin : Vecteur des concentrations minimales en chaque consti-
tuant
T pmax : Valeurs maximales des propriétés physiques (taille des
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T pmin : Valeurs minimales des propriétés physiques (taille des particules et humidité) acceptables par le procédé T pout : Valeurs des propriétés physiques en sortie du procédé
U f : Matrice contenant les compositions et débits de produits ayant des caractéristiques tels qu’ils ne peuvent plus être traités mais n’ont pas la pureté suffisante pour être consi- dérés comme du cuivre raffiné ainsi que les flowsheets qui ont abouti à la production de tels produits
W 1f : Matrice contenant les compositions et débits des flux de déchets solides et liquides associés à chaque flowsheet produisant du cuivre raffiné
W 2f : Matrice contenant les compositions et débits des flux de déchets gazeux associés à chaque flowsheet produisant du cuivre raffiné
ΔfHi,T0 : l’enthalpie de formation du constituant i à la tempéra-
ture T
ΔrG0T : l’enthalpie libre du système à la température T
ΔrHT0 : l’enthalpie de réaction à la température T
ΔrST0 : l’entropie de réaction à la température T
ΔRkh
0 : l’enthalpie de réaction liée à la réaction k
τRk : le taux de conversion de la réaction k, k∈ [1; 10]
νRk
i : le coefficient stœchiométrique algébrique du constituant
Chapitre
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4.1
Introduction
Comme cela a déjà été souligné, en France, beaucoup de cuivre contenu dans les déchets est exporté ou perdu, alors que lors de son utilisation, une grande partie du cuivre ne se dégrade pas et peut donc être recyclée. On estime en effet que 85 % du cuivre en circulation est récupérable et que sa durée moyenne d’utilisation est de 30 ans (de quelques années dans les applications en électronique et jusqu’à plus de 100 ans dans la construction) (SCF, 2012). Le cuivre recyclé est soit raffiné, soit réutilisé directement (dans le cas des câbles électriques, de certains alliages ou des chutes neuves de fabrication). En 2008, sur une consommation mondiale annuelle de 24 M t de cuivre raffiné, 6 M t proviennent de cuivre recyclé après simple fusion et 2,7 M t de déchets de cuivre ayant subi un raffinage, soit au total une part du cuivre recyclé dans la consommation mondiale de 36,2 %. La part du recyclage est de 41,4 % en Europe, 33,5 % en Asie et 29,5 % en Amérique du Nord.
La France est absente d’une grande partie du cycle du cuivre, en particulier de la métallurgie et du raffinage, contrairement par exemple à l’Allemagne et la Belgique. En revanche, elle possède une importante industrie de première transformation à partir de cuivre raffiné. Ainsi, la production de demi-produits en 2008 a atteint 387 000 t (-9,6 % par rapport à 2007), dont la moitié sous forme de fils et câbles, à partir de cathodes importées ou de cuivre recyclé (SCF,2012).
D’un point de vue technique, de nombreux procédés différents ont été dé- veloppés pour le recyclage des métaux avec des technologies assez efficaces. Ainsi, selon le Bureau International du Recyclage (BIR, 2013), le recyclage du cuivre permet une économie d’énergie de 85 % et une réduction des émissions de gaz à effet de serre de 65 % en comparaison avec la production de cuivre primaire. Différents travaux sont toujours conduits pour améliorer l’efficacité du recyclage sur des chaines de procédés spécifiques, notamment concernant le recyclage des WEEE (Johansson and Luttropp, 2009; Yamane et al., 2011;
Zhang and Forssberg, 1998), catégorie de déchets qui contient la plus grande fraction de débris de cuivre.
La nécessité de développer les capacités de recyclage du cuivre en France a déjà été soulignée, ce chapitre vise donc à étudier les solutions de recyclage exis- tantes et à les caractériser aussi précisément que possible. Le paragraphe 4.2
4.2.2 Opérations de prétraitement 107
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présente la problématique du recyclage du cuivre, puis un état de l’art des procédés de recyclage est réalisé dans la section 4.3. La partie 4.4 détaille l’approche suivie pour la modélisation des flux de recyclage, et enfin le para- graphe4.5 propose des pistes pour modéliser plus précisément les procédés de recyclage.