Besoins futurs en matières premières (et énergie)

(1)

Besoins futurs en matières premières (et énergie)

Olivier Vidal, CNRS, Isterreolivier.vidal@univ- grenoble-alpes.fr

Un rapide survol des paramètres contrôlant la demande et la production ... qui couvrent des champs disciplinaires (compétences) très variés

(2)

The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration (Anthropocene Review) 15 January 2015.

The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration (Anthropocene Review) 15 January

2015.

0 10 000 000 20 000 000 30 000 000 40 000 000 50 000 000 60 000 000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Cu Mn

Zn Al

?

(3)

Steel consumption (+ 6%/year 2000-2014)

Matières de "structure" – Ciment, acier et métaux d'alliage, Al, Cu

(1.06)^12years = 2

0 500000000 1E+09 1.5E+09 2E+09 2.5E+09 3E+09 3.5E+09 4E+09 4.5E+09

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Cement Steel x 2

+6%/year

+7%/year

(4)

Evolution logistique de la demande

"classique"

AutoGDP/capita

.7

.35

0

0 10000 20000 30000 40000

"GDP/capita"

Automobiles/hab

.00015

7.5e-5

0

0 10000 20000 30000 40000

AirCraftGDP/capita

2.0e-5 1.5e-5 1.0e-5 5.0e-6 0

0 10000 20000 30000 40000

"GDP/capita"

"AirCraft/capitaObs" : Current

"AirCrafts/CapitaWorldFIT" : Current

Locomotives/hab

Avions/hab

m2GDP/capita

60

30

0

0 10000 20000 30000 40000

"GDP/capita"

m2/capita

"Surface/CapitaObs" : Current m2BuildingCapitaFIT : Current

"m2residenciel/capita" : Current

m2/hab

PIB/hab PIB/hab

World

France

(5)

World France AutoGDP/capita

.7

.35

0

0 10000 20000 30000 40000

"GDP/capita"

Automobiles/hab

PIB/hab

World

France

AutoGDP/capita

.7

.35

0

1900 1930 1960 1990 2020 2050 2080

Time (Year) AutoGDP/CapitaWorld : Current

AutoGDP/CapitaFrance : Current

Automobiles/hab

Temps PIB

Temps

(6)

Aluminum Steel Copper

Une croissance exponentielle de la production ne peut pas

durer indéfiniment ... celle de la demande non plus !

(7)

Le futur de la demande globale en cuivre = f(PIB, population)

100 80 60 40 20 0 Mt/Year

1900 1960 2020 2080 2140 2200

Time (Year)

70 Mt/yr

20 Mt/yr Copper

(8)

Kennecott Copper Mine (Utah) 3.2 x 1.2 x 1.2 km³.

Since 1906, six billion tons of rocks have been removed from this pit to extract 18 million tons copper – equivalent to one year of global primary Cu production

44 en 30 ans

130 en 80 ans

272 en 180 ans

(9)

Les impacts environnementaux engendrent l'opposition sociale

Financial Time: 17/02/2019 The Guardian: 30/03/2017

Mining Technology: 17/01/2017

(10)

Le futur de la demande globale en cuivre = f(PIB, population)

Copper

Pourquoi ?

70 Mt/yr 20 Mt/yr

Northey et al. (2014)

(11)

grade(%) =8.1010exp(- 0.0125t) .

1900 2000 2100

Concentration (%) Amount(Mt)

740 Mt en 2017

Réserves (Mt)

Les réserves n'ont cessé d'augmenter depuis 1900...

Oui mais...

(12)

Energie = b.(1/Cmetal)

^v

Prix = a.(1/Cmetal)

^u

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Price(US$/t)

Time

Price vs me

Deflated price

Contrainte additionnelle : Le coût

1/Concentration 1/Concentration

Time

(13)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100

Price(US$/t)

Time

Price vs me

Price at cste technology

real price

Prix = a.(1/Cmetal)

^u

Energie = b.(1/Cmetal)

^v

Progrès

technologique

(14)

Regarder sur le long terme !

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

1900 1950 2000 2050 2100

Price ($/t)

Year

Cu

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

1900 1950 2000 2050 2100

Price ($/t)

Year

Ni

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000

1900 1950 2000 2050 2100

Price ($/t)

Year

Ag

A taux d'amélioration

technologique constant, on ne compense plus la dégradation des gisements après 2020...

l'énergie grise, les coûts et prix

augmentent

(15)

Demand e

Recyclag e

Primaire

Durée de vie = 20 ans, taux de recyclage constant

Si on ne peut pas compter sur la production primaire,

recyclons... (Cuivre)

(16)

Si on ne peut pas compter que sur la production primaire, recyclons... (Cuivre)

Mt/a

Doublement du recyclage

Il faut doubler le taux de recyclage d'ici 2100

Dépend du coût du recyclage/prod. primaire (design et process)

Demand Recyclag e

e

Primaire

(17)

Les nouveaux besoins... e.g. la transition énergétique

Les accords de Paris : 30% de renouvelable et atteinte de la neutralité carbone dans la seconde moitié du siècle. Cela

implique :

• de remplacer en 40 ans l'infrastructure de production, distribution, stockage et utilisation de l'énergie fossile

• de remplacer une énergie de stock et de haute qualité par des

énergies de flux, intermittentes et diluées

(18)

6 Mw, > 150 m, 1500 t steel 3t permanent magnet, 0.5t REE (Nd,

Dy, Sm, Gd, or Pr

)

700 éoliennes pour produire la même énergie (Wh) qu'une centrale nucléaire de 1300 MW

Steel intensity (t/MW capacity)

400

300

200

100

0

250

Wind

Les énergies renouvelables sont diluées => de grandes infrastructures sont nécessaires

60 Nuclear 40 Gas

70 Oil & Coal

(19)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Nuclear Gas

Gas CCS Oil

Coal Coal+CCS

W land W sea

PV roof PV fixed

PV tracker CSP Hydropower

concrete (t/MW)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Steel (t/MW)

Nuclear Gas

Gas CCS Oil Coal

Coal+CCS W land

W sea PV roof

PV fixed

0 20 40 60 80 100 120 140

Aluminium (t/MW)

Nuclear Gas

Gas CCS Oil Coal

Coal+CCS W land

W sea PV roof

PV fixed

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Copper (t/MW)

Nuclear Gas

Gas CCS Oil Coal

Coal+CCS W land

W sea PV roof

PV fixed

Concrete Steel

Aluminum Copper

Les intensités matière de la production d'électricité (t/Mw)

Renewable s

Renewable Renewable s

s

Renewable s

(20)

RTS (iea2017) B2DS (iea2017) TWh/yr

Production d'électricité

53000 TWh/yr in 2060 53000 TWh/yr in 2060

2000 2020 2040 2060 2000 2020 2040 2060

Time (Year)

100 4000400

50 2000200

Mt Besoins cumulés

1 (Fe) 2 (Al) 3 (Cu)

2015 consumption

2 (Fe) 4 (Al) 6 (Cu)

Cu

Al Fe

(21)

Co, Ga, In, Nb, Ta,W,

PGE, REE, Cu, Ni, Pb, Bi Li, Ag, Au

B, Nd, Dy

Ga, In, Se

Les nouveaux usages..."High-Tech" metals (≃ 0.1 Mt/an)

0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000 140 000 160 000 180 000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

REE Vn

Se x 40 Nb Pt x 100 Li x 0.25

≈10%/year

Li, Mn, Ni, Co, Graph

(22)

De nouveaux besoins pour de nouvelles technologies

Véhicule thermique: Cu = 20 kg; Véhicule électrique: Cu = 60-80 kg Batterie 50 kWh

=> Li: 10 - 20 kg (100 kWhTesla), Ni: 30 kg, Co: 10 kg, Mn: 10 kg, graphite: 50 kg Batterie PHEV (NiMH)

REE: 10 kg – Prius

x 1.3.10

⁹

d'automobiles aujourd'hui, environ 3.10

⁹

en 2050

^(iea)

(23)

200 M 150 M 100 M 50 M 0

2000 2012 2024 2036 2048 2060 Time (Year)

200 M 150 M 100 M 50 M 0

2000 2012 2024 2036 2048 2060

More high-tech metals for less vehicles

Mn, Li, Co

Ni Reserves 2018 Ni Reserves 2018

Cela dépend des scénarios envisagés...

Ni

LDV BEV

With 2-3W

NMC622-G

NMC811-G

3 B 2.4 B 1.8 B 1.2 B 600 M 0

2015 2024 2033 2042 2051 2060 Time (Year)

3 B 2.4 B 1.8 B 1.2 B 600 M 0

2015 2024 2033 2042 2051 2060 Time (Year)

NbreAutoThermic : Current NbreEqAutoHybrid : Current NbreAutoPHEV : Current NbreAutoElectric : Current

Nbre LDV

Gasoline

BEV Hybrid

RTS (iea2017) B2DS

BEV Hybrid

(24)

(25)

Autres technologie d’accumulateurs à Lithium sans cobalt : Lithium iron phosphate (LFP), lithium manganese oxide (LMO) and lithium titanate (LTO)

Autres technologies que les accumulateurs à Lithium (e.g. sodium)

(26)

Les industriels mettent la pression sur les politiques

(27)

Matières "critiques" en Europe : Super alliages (aéronautique), aimants

permanents, batteries, numérique et communication... rien pour les applications

"vitales" (habitat, transport, machinerie lourde)

En septembre 2020, l'UE dévoile son plan d'action pour sécuriser son

approvisionnement en matières premières "critiques"

(28)

La Chine va aussi chercher ailleurs ses matières premières...

(29)

China: Production Primaire

(pas de déchets à recycler)

France: Les déchets sont disponibles pour

recyclage

La Chine va aussi chercher ailleurs ses matières premières... avec

une vision différente de la criticité

(30)

Pour avoir une vision long-terme il

faut intégrer tout cela dans un modèle dynamique et partager des

compétences variées

(31)

Infrastucture Primary metal

Recycled metal

collecting x recycling rate

Discoveries, decrease of ore grade resources -

decreasing quality

Reserves

Primary Production

Capital I Revenues Costs

PriceI

Capital II Revenues Costs

PriceII Improvement

of Technology

Embodied energy

Geology

(metal distribution)

Life Time

Global Consumption

Population, GDP & techno

Scenario & material intensities

(32)

Economie-SHS Sciences de la Terre Ingénierie, nlles technologies – Process & matériaux