Les enjeux industriels des terres rares

Photo Patrice Christmann / Directeur adjoint, direction de la stratégie, responsable de la stratégie Ressources minérales, BRGM / February 12th, 2013

Parmi les ressources minérales critiques, les terres rares occupent une place à part, car elles sont au cœur de nombreuses technologies d'avenir : voitures électriques, smartphones, éoliennes. Les ressources sont aujourd'hui concentrées entre les mains de quelques acteurs. Cette situation peut-elle s'inverser ? Quels sont les risques pour les secteurs industriels situés en aval de la production ?

Les « terres rares » sont un motif d’inquiétude pour certains industriels. Mais sont-elles vraiment rares ?

Les terres rares font partie des métaux rares, c’est-à-dire que leur production mondiale est inférieure à 100 000 tonnes par an, très inférieure pour certaines d’entre elles. Les terres rares représentent un ensemble d’éléments, au nombre de 15, 16 ou 17 selon les points de vue. Tous ces éléments sont situés dans les deux dernières lignes, tout en bas du tableau périodique de Mendeleïev : les 15 lanthanides (les terres rares officielles) auxquels certains tiennent à rajouter deux éléments : l’yttrium et le scandium.

terresraresmendel
(source: ActuEnvironnement)

Paradoxalement, en dépit de leur nom, des gisements de terres rares, il y en a beaucoup. Même en France, on connaît des indices à terres rares en Ille-et-Vilaine et ailleurs en Bretagne. En novembre 2012, on dénombrait 442 projets d’exploration dans 37 pays à travers le monde, réalisés par 260 sociétés, pour la plupart des juniors minières.

Alors, quel est le problème ?

La principale caractéristique des terres rares, c’est qu’elles constituent un marché de niche. Équivalant au total à environ huit milliards de dollars, des sommes faibles par rapport à l’industrie du fer, de l’aluminium ou du zinc. En outre, c’est une industrie compliquée. Une fois le gisement découvert, l’exploitant est loin d’être au bout de ses peines. Il ne suffit pas de fabriquer du concentré de monazite, c’est-à-dire un minéral contenant des terres rares. Cela, c’est assez facile à faire. Ce qui se valorise, ce que l‘industrie demande, concernant les terres rares ce sont des poudres luminophores qui permettent de fabriquer des écrans vidéo, des ampoules basse consommation, ou bien des aimants permanents au néodyme–fer–bore, auxquels on rajoute parfois du dysprosium.

La fabrication de ces produits nécessite des technologies très pointues pour séparer et purifier les terres rares contenues en mélange dans les minerais, puis pour fabriquer l’alliage magnétique ou les poudres luminophores en fonction des spécifications des utilisateurs industriels. C’est un monde de haute technologie, nourri par la recherche de pointe en métallurgie et en science des matériaux, des domaines où la recherche est particulièrement dynamique en Asie. L’Europe et les Etats Unis, qui ont été à l’origine de tant de découvertes ont beaucoup baissé la garde. Heureusement, la négociation du budget européen (2014-2020) qui vient de se conclure, ne réduit pas l’effort de recherche et d’innovation européen dans le cadre du futur programme-cadre de recherche « Horizon 2020 ». La dimension européenne est essentielle pour répondre à des défis qui sont globaux. Cela ne se fera pas sans moyens, notamment pour attirer les jeunes vers la recherche et l’innovation.

Les technologies vertes, et en particulier les batteries de voitures hybrides ou électriques, consomment beaucoup de terres rares, dont l’extraction, soit dit en passant, pollue beaucoup.

Nos voitures modernes abritent des cellules catalytiques réduisant les émissions de CO2, d’oxydes d’azote (NOx) er de particules. Elles comportent du cérium, une terre rare. En 2013, 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 hybrides comme la Toyota Prius contient plus de 10 kg de lanthane encore une terre rare. Heureusement elle est assez abondante dans l’écorce terrestre.

C’est dans ce secteur des « technologies vertes » que les premières pénuries pourraient intervenir ?

Oui, car les quantités consommées sont sans commune mesure avec celles dont l’industrie avait besoin il y a quelques années. Le secteur le plus gourmand, c’est celui des aimants permanents frittés à base d’alliage néodyme/fer/bore avec des spécifications très précises, pour les éoliennes. Cet alliage permet de créer des aimants de toutes les formes. Il a un point de Curie (température au-delà de laquelle il perd ses propriétés magnétiques) relativement bas. Pour améliorer la gamme de température opérationnelle des aimants, il faut doper l’alliage avec, dans ce cas précis, 4% de dysprosium. Or, dans tous les gisements, les terres rares sont mélangées entre elles dans des proportions extrêmement différentes. En moyenne, vous trouvez 42 % de Cérium et 24 % de lanthane. Mais seulement 1 % de dysprosium !

C’est inquiétant pour les éoliennes !

Le département américain de l’Énergie estimait fin 2011 qu’il existait un vrai risque pour la production des éoliennes à moteur synchrone basé sur des aimants permanents à terres rares dopés au dysprosium. Ces moteurs sont très demandés car ils sont nettement plus efficaces que les moteurs à induction au cuivre. Ils permettent de construire des éoliennes qui fonctionnent avec un bon rendement, y compris par vent faible. Et puis leurs coûts de maintenance sont inférieurs : le temps moyen entre deux pannes pour une éolienne à aimant permanent, est donné à 8000 heures, contre 1500 heures pour un moteur à induction à boite de vitesse. D’où le succès des moteurs à terres rares pour les grandes éoliennes jusqu’à 6 MW de capacité installés en off-shore, où la maintenance est très chère. Il faut 600 kilos d’aimants permanents par mégawatt de capacité, dont environ 25 % de néodyme et 4 % de dysprosium. Il y a donc une vraie tension sur le dysprosium : la demande augmente de 10 % par an et le déficit en dysprosium va rester un problème aigu jusqu’en 2020, au moins. Voilà un domaine où l’innovation est nécessaire pour s’affranchir de cette dépendance au dysprosium.

Si on ajoute l’autre enjeu, les terres rares lourdes (europium, terbium et yttrium) pour les poudres luminophores des écrans vidéo et des ampoules à basse consommation, le monde est très déséquilibré pour l’accès à ces ressources.

terresrareslocalFRA
(source: BRGM)

Prenons les deux marchés en tension, c’est-à-dire les aimants permanents et les poudres luminophores. La Chine produisait en 2010 81 % des alliages magnétiques pour aimants permanents, 13 % étant fabriqués au Japon et en Asie du Nord Est, 2% aux Etats-Unis sur licence étrangère et 4 % dans le reste du monde y compris l’Europe. Pour les poudres luminophores, 65 % sont produites en Chine, 23% au Japon et en Asie du Nord Est, 6 % aux Etats-Unis et 6 % dans le reste du monde dont l’UE et la France. Le verdict est sans équivoque : l’industrie transformatrice des terres rares, celle qui compte, est localisée en l’Asie, surtout la Chine et le Japon. Dans le cas de la Chine, il s’agit d’une stratégie industrielle particulièrement avisée, dont l’un des enjeux est de profiter de la production locale pour développer d’autres segments de la chaîne de valeur. Les Chinois n’ont pas hésité à restreindre leurs exportations pour développer les secteurs industriels utilisateurs de terres rares.

Les pays européens et les Etats-Unis, par contraste, ont péché par manque de vision. On a laissé filer des connaissances et un savoir-faire qui avaient longtemps été largement occidentaux, car développé en France et aux États-Unis. La chimie séparative des terres rares a été développée en France, à partir de la fin du XIXe siècle grâce aux travaux de Lecoq de Boisbaudran (1838-1912, découvreur du samarium et du dysprosium), et d’Urbain (1872-1938, découvreur du lutétium et inventeur de la séparation des terres rares par cristallisation fractionnée) puis aux Etats-Unis dans le cadre du projet Manhattan de mise au point de la bombe atomique (les travaux de Spedding ayant conduit en 1947 à la mise au point du procédé hydro-métallurgique par échange d’ions, suivis par la mise au point d’un procédé par échange de solvants lancé en 1953). Les physiciens américains du projet Manhattan se sont fait la main sur la séparation des lanthanides avant de se lancer dans la séparation des actinides radioactifs. Heureusement, en Europe nous avons pu maintenir le savoir-faire industriel de la séparation et de la purification des terres tares et de la production de certains semi-produits, grâce à Solvay et son usine de La Rochelle.

Vous décrivez souvent la situation de l’Europe et de la France en matière de terres rares comme « préoccupante ». L’extraordinaire domination de la Chine dans la production est-elle durable, réversible ? Il semble que ce pays va bientôt devenir importateur, ce qui aggravera encore la situation.

Pour beaucoup de matières premières sensibles, l’étape de criticité, dans la chaîne qui court de la connaissance géologique en amont à l’exploitation minière puis à la métallurgie et à la science des matériaux en aval, se situe dans les phases d’extraction des métaux, de purification et de production de semi produits. En 2013, beaucoup de savoir-faire métallurgiques de pointe sont en Asie. Il ne faut pas se faire d’illusions. Le nerf de la guerre, la technologie, est de plus en plus contrôlé par la Chine. C’est fâcheux car si une entreprise veut devenir un ténor du recyclage ou des hautes technologies, il existe un moment où la métallurgie, que ce soit l’hydrométallurgie ou la pyrométallurgie, est un apport fondamental et incontournable. Si vous manquez du savoir-faire, vous pouvez toujours accumuler des tonnes de minerai, ce n’est pas vous qui récolterez la valeur ajoutée.

Qui détient les brevets sur la séparation et la transformation des terres rares ?

Le sujet est vaste et je ne détiens pas toutes ces informations. En ce qui concerne les aimants permanents au néodyme-fer-bore, leur découverte a été annoncée indépendamment en 1982 par General Motors (USA) et Sumitomo (Japon). Les principaux brevets sont aujourd’hui détenus par deux entreprises.

D’abord, Magnequench, initialement une filiale de General Motors, qui a été créée en 1986 pour la production d’aimants permanents Nd-Fe-B dans l’usine d’Anderson (Indiana). Elle a été vendue en 1995 à Sextant Group, une société américaine contrôlée par deux entreprises chinoises San Huan New Material et China National Non-Ferrous Metals Import and Export Corporation. La ligne de production de l’usine a été transférée en Chine en 1998, et l’usine américaine fermée. Depuis, Magnequench est devenue une division de Neo Material Technologies, une société de droit canadien rachetée en 2012 par Molycorp, un producteur américain de terres rares, à partir de la mine de Mountain Pass (Californie), dont les concentrés nécessaires à la production d’aimants permanents sont toujours exportés vers la Chine. La réouverture de cette mine, fermée en 2002, n’a pas changé la donne pour les États-Unis qui sont toujours dépendants de la Chine pour leurs besoins en néodyme-fer-bore.

Ensuite, le japonais Hitachi. À l’origine, les brevets étaient détenus par Sumitomo, découvreur de divers procédés nécessaires à la production d’aimants Nd-Fe-B, et notamment des aimants frittés, les plus performants. Ces brevets sont devenus la propriété de Hitachi (Japon), qui les exploite activement depuis la fusion, en 2007, entre Sumitomo Special Metals Co. et Hitachi Metals. En 2007, Hitachi détenait 615 brevets relatifs aux aimants frittés au Nd-Fe-B. La société a accordé des licences à divers producteurs, dont plusieurs en Europe : Vacuumschmelze GmbH et Magnetfabrik Schramberg GmbH, en Allemagne, Neorem Magnets Oy, en Finlande.

Pour compliquer encore le tableau, il existe également des accords croisés entre Hitachi et Magnequench.

Puisque la pénurie semble une menace réelle, où en est la recherche pour trouver des produits de substitution aux matières premières minérales et aux terres rares qui pourraient venir à manquer ?

Il n’y pas de réponse simple car chaque élément possède des propriétés physiques et chimiques particulières qui lancent un défi unique si on veut le substituer. Développer une substitution à l’échelle industrielle, dans la mesure où c’est possible, peut prendre de dix à vingt ans. Pour les terres rares, on cherche des matériaux magnétiques aussi performants, voire plus, que les aimants permanents à base de terres rares.

Hitachi a annoncé en 2008 avoir la maîtrise du fer amorphe, un matériau magnétique aux excellentes propriétés magnétiques. La production de fer amorphe nécessite la mise en œuvre d’un procédé complexe permettant au fer fondu de refroidir suffisamment vite pour que ses atomes n’aient pas le temps de s’organiser en fonction de la structure cristalline propre au fer. On rajoute quelques gros atomes supplémentaires qui provoquent de l’anisotropie et un effet magnétique considérable. Des aimants permanents au fer amorphe sont le cœur d’un prototype de moteur électrique présenté par Hitachi en 2008 avec une puissance de 250 W, puis en 2012 avec une puissance de 11 KW, mais on est encore loin de la puissance nécessaire à une voiture, même petite, et a fortiori à une éolienne.

En 2013, on ne sait toujours pas si on pourra fabriquer de gros aimants permanents à base de fer amorphe. Tout le problème est de passer à l’échelle supérieure. Divers laboratoires de recherche, dont Hitachi, étudient aussi en laboratoire la synthèse du nitrure de fer, qui a des caractéristiques magnétiques encore plus intéressantes que le Nd-Fe-B.

More on paristech review

By the author

  • Matières premières minérales : faut-il craindre une pénurie ?on February 12th, 2013
  • Les enjeux industriels des terres rareson February 12th, 2013

www.paristechreview.com

This content is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 License
You are free to share, copy, distribute and transmit this content

Logo creative commons

5 quai Voltaire 75007 Paris, France - Email : contact@paristechreview.com / Landline : +33 1 44 50 32 89