Utilisation durable des ressources

Transcription

1 Métabolisme du cuivre dans le canton de Genève & Perspectives énergétiques du lithium à l échelle globale Emilia Suomalainen, doctorante Laetitia Carles, étudiante EPFL master en environnement

2 1ère étude de cas Métabolisme du cuivre dans le canton de Genève Emilia Suomalainen, doctorante

3 Plan Objectifs & méthodes Importance du cuivre Construction d un modèle dynamique pour le métabolisme du cuivre Modélisation de la production mondiale Indicateurs de durabilité Résultats préliminaires 3

4 Métabolisme du cuivre dans le canton de Genève Métabolisme : étude des stocks et des flux Objectif : analyser la durabilité de l utilisation du cuivre pour les prochaines décennies ( ) Intérêt : fournir des informations pour la prise de décision afin de prévenir le manque de ressources dans l avenir Méthode : 1. Construire un modèle dynamique pour les stocks et flux de cuivre à Genève 2. Modéliser la production mondiale Étude de cas 3. Analyser la durabilité de l utilisation de cette ressource 4

5 Cuivre Le troisième métal le plus utilisé (après le fer et l aluminium) Usages: construction, télécommunications, transports, appareils électriques et électroniques, etc. Principaux producteurs : Chili, États-Unis, Pérou, Chine La consommation mondiale augmente de manière exponentielle (4% par an) 5

6 Construction d un modèle dynamique Quelques notions Consommation nette : imports exports (produits) Besoins en cuivre primaire : imports exports (produits) exports (cuivre recyclé) 6

7 Construction d un modèle dynamique Métabolisme du cuivre dans le canton de Genève (année 2000) Analyse de flux de matériaux pour l année 2000 (Faist Emmenegger et al, 2003) Consommation nette : 7,9 kg/habitant Stocks de cuivre : 220 kg/habitant Taux de recyclage : 81% Cuivre recyclé / consommation nette : 53% Le secteur secondaire est le plus gros consommateur du cuivre 7

8 Construction d un modèle dynamique Modèle dynamique pour le métabolisme du cuivre Élaboration d un modèle stock-flux dynamique 11 stocks et 20 flux 8

9 Construction d un modèle dynamique Scénarios de consommation 1/4 4 scénarios pour la consommation future à Genève 1. scénario tendanciel «Business as Usual» Hypothèse : la consommation par habitant reste constante (7,9 kg) Projection de l OCSTAT pour l évolution démographique de 2004 à

10 Construction d un modèle dynamique Scénarios de consommation 2/4 2. scénario «Recyclage dans le bâtiment à 90%» Le taux de recyclage était de 75% en

11 Construction d un modèle dynamique Scénarios de consommation 3/4 3. scénario «Substitution du cuivre dans les toits et gouttières» Les toits et gouttières représentent 41% de l utilisation du cuivre dans les bâtiments 11

12 Construction d un modèle dynamique Scénarios de consommation 4/4 4. scénario «Transition vers la mobilité électrique» La quantité de cuivre dans les véhicules électriques est le double de la quantité dans les véhicules conventionnels à moteur à combustion interne Période de simulation :

13 Projections de la consommation Scénario «Business as Usual» La consommation nette augmente de 3,3 kt (2000) à 5,5 kt (2080) Les besoins en cuivre primaire atteignent 1,8 kt en 2080 (1,5 kt en 2000) Le ratio cuivre recyclé / consommation nette augmente de 55% à 67% Les stocks dans les secteurs économiques augmentent de 90 kt à 170 kt 13

14 Projections de la consommation Scénario recyclage La consommation nette identique au scénario «BaU» Les besoins en cuivre primaire 20% plus bas en 2080 que dans «BaU» Le taux de recyclage global est de 88% (80% dans «BaU») La quantité de cuivre dans les décharges est 35% plus petite que dans «BaU» 14

15 Projections de la consommation Scénario substitution Le cuivre recyclé couvre 80% des besoins de 2020 à 2050 mais ce pourcentage diminue après que les anciens stocks de cuivre ont été épuisés Suite à la substitution, les stocks de cuivre dans les secteurs économiques sont bien plus bas que ceux du scénario «BaU» Les besoins en cuivre primaire sont 30-60% plus bas que dans «BaU» 15

16 Projections de la consommation Scénario e-mobilité Les stocks et les flux de cuivre augmentent légèrement par rapport au scénario «BaU» Les besoins en cuivre primaire augmentent de 6%: la transition vers la mobilité électrique a une influence relativement limitée sur les besoins en cuivre annuels 16

17 Modélisation de la production mondiale 1/2 Modèle de type «pic de Hubbert» prédit l épuisement de la ressource Variantes: ressources de cuivre disponibles 1,6 Gt ou 4,3 Gt (USGS, 2009) Cas «1,6 Gt» : pic de la production mondiale en 2026 Cas «4,3 Gt» : pic de la production mondiale en 2066 La production mondiale était de 15,4 Mt en

18 Modélisation de la production mondiale 2/2 Hypothèse : la part de Genève dans la production mondiale reste au même niveau qu en 2000 (0,012%) La population genevoise représente 0,0068% de la population mondiale 18

19 Durabilité de l utilisation du cuivre 1/2 Après avoir modélisé la consommation et la production, nous pouvons les confronter Cas «4,3 Gt de ressources» : production > consommation Cas «1,6 Gt de ressources» : production > consommation jusque dans les années 2040 pour «Business as Usual» les années 2050 pour «Scénario recyclage» les années 2060 pour «Scénario substitution» 2030 pour «Mobilité électrique» 19

20 Durabilité de l utilisation du cuivre 2/2 Indicateurs de durabilité Autarcie = ressources disponibles / besoins totaux Temps de couverture = ressources disponibles / consommation annuelle Dans un état durable : Autarcie 1 Temps de couverture x années (par exemple 200 ans) Exemple : temps de couverture = 200 ans 20

21 Résultats préliminaires Quelle sera l évolution de la durabilité de l utilisation du cuivre? Scénario tendanciel : Cas «1.6 Gt de cuivre disponible» : temps de couverture tombe à moins de 10 ans avant 2080 Cas «4.3 Gt de cuivre disponible» : temps de couverture > 100 ans Plus de potentiel de réduction de la consommation de cuivre par la substitution que par le recyclage Le taux de recyclage atteint déjà 81% La substitution permet une réduction importante (60%) de l utilisation du cuivre pendant une période limitée (30 40 ans = le temps de séjour dans l économie) Transition vers la mobilité électrique augmenterait l utilisation du cuivre primaire annuelle de 6% par rapport au scénario «BaU» 21

22 Autre étude de cas Phosphore Indispensable dans l agriculture (engrais) Utilisation dissipative Problèmes de pollution (eutrophisation) Le pic de phosphore est prévu pour 2030 (Cordell et al, 2009) 22

23 2ème étude de cas Perspectives énergétiques du lithium à l échelle globale Laetitia Carles, étudiante EPFL master en environnement

24 Plan Objectifs et méthode Le lithium: vecteur énergétique du futur? Modèle dynamique Scénarios étudiés Résultats préliminaires Première analyse de la durabilité du point de vue énergétique Conclusions préliminaires Prochaines étapes 24

25 Étude de cas Perspectives énergétiques du lithium à l échelle globale Objectif : analyser les besoins énergétiques nécessaires à l extraction du lithium dans un scénario de transition vers la mobilité électrique Intérêt : donner des indications pour la prise de décision concernant la promotion et le subventionnement des batteries au lithium dans les véhicules électriques Méthode: 1. Identifier les enjeux liés aux lithium 2. Construire un modèle dynamique pour les stocks et flux de lithium dans le monde ainsi que pour les coûts énergétiques d extraction associés 3. Analyser la durabilité de l utilisation de cette ressource du point de vue énergétique 25

26 Le lithium Métal le plus léger et possédant un grand potentiel de stockage d énergie vecteur énergétique idéal dans les appareils électroniques et électriques portables Actuellement utilisé pour les batteries mais aussi les lubrifiants, le verre et les céramiques, les systèmes d air conditionné, l aluminium, certains médicaments, etc. Matériau envisagé pour la fabrication de tritium pour les réacteurs à fusion nucléaire Plutôt abondant sur Terre mais peu de sources concentrées économiquement rentables actuellement 26

27 Vecteur énergétique du futur? Trois grandes familles de sources naturelles: Lacs salés (Andes, Chine Tibet) Minerais roches et argiles (USA, Chine, Zaïre, Canada, Australie, etc.) Océans (extraction directe ou symbiose avec usine de dessalement) Enjeux: géopolitique technologique environnemental et social au niveau local Lacs salés Minerais Réserves de lithium [10 6 t Li] Concentration moyenne en lithium [ppm massiques] Océans Sources: Yaksic et Tilton 2009, Garret 2004, Evans

28 Modèle dynamique Modèle conduit par le processus consommation scénario de transition vers la mobilité électrique La distribution entre les différentes sources vise à minimiser l énergie d extraction totale La concentration des différentes sources naturelles diminue avec l extraction, ce qui a un impact sur l énergie nécessaire à l extraction 28

29 Scénarios 1. La distribution entre les quatre sources dépend uniquement de l optimisation des besoins énergétiques pour l extraction du lithium. (Scénario de base) 2. Une politique contraignante limite l extraction des salars, pour des raisons environnementales, sociales et politiques. 3. Un investissement important est réalisé dans les technologies d extraction des océans impliquant une certaine production de cette source malgré son coût énergétique nettement supérieur. 4. Un investissement important est réalisé dans les technologies de recyclage impliquant un certain taux de recyclage quel que soit son coût énergétique. 29

30 Consommation mobilité électrique La flotte de véhicules passe de 1 véhicule pour 8 personnes actuellement à 1 véhicule pour 3 personnes vers 2100, puis stabilisation La population se stabilise autour de 2200 à 10.5 mia de personnes 30

31 Consommation Les batteries destinées aux véhicules représentent: Dès 2020, la consommation majeure de lithium (pour 10% de véhicules électriques) En 2100, 85% de la consommation totale en lithium Les batteries représentent 95% de l usage du lithium en 2100 La consommation de lithium cumulée s élèverait à 60 mio de tonnes en 2100 (soit plus que la réserve dans les lacs salés!) 31

32 Dynamique des ressources Scénario de base Lacs salés épuisés autour de 2100 Intervention du recyclage qu après l épuisement des lacs salés et des minerais Apport négligeable du lithium issu du dessalement (hypothèse: eau dessalée par personne et par an reste à la valeur actuelle, quelques 2300 litres) Épuisement des minerais en 20 ans environ Intervention des océans en dernier recours, peu après

33 Dynamique des ressources Scénario limitation des salars Extraction des salars limitée à sa valeur actuelle, quelques [t/an] Épuisement des minerais en 50 ans Intervention plus rapide du recyclage, dès

34 Dynamique des ressources Scénario subventionnement des océans Production des océans correspondant à la limite supérieure prévue par le projet sud-coréen, [t/an] 34

35 Dynamique des ressources Scénario promotion recyclage Dès 2020, le taux de recyclage des batteries au lithium est fixé à 80% au minimum Il faut attendre 2180 pour que le taux de recyclage augmente à 100% de batteries recyclées (80% de lithium récupéré) Épuisement des lacs salés significativement plus tard que dans le scénario de base (2150 au lieu de 2100) 35

36 Confrontation des besoins énergétiques Cumulative energy requirement for Li extraction Importance de la période de considération pour le choix du scénario le plus optimal Scénario promotion du recyclage plus intéressant sur le long terme du point de vue énergétique (dès 2110) 36

37 Analyse de durabilité - point de vue énergétique Exemple de critère : rapport entre l énergie nécessaire à l extraction du lithium et celle nécessaire à la fabrication de la batterie actuellement Ratio of energy for Li extraction per EV battery over total energy consumption for Li-ion battery manufacturing Durabilité si rapport <= x (par exemple x=50%) Scénario 1 durable jusqu à un peu plus de 2100 Scénario 2 durable jusqu à un peu plus de 2050 Scénario 3 pas durable! Scénario 4 durable jusqu à un peu plus de

38 Conclusions préliminaires L extraction du lithium des océans, dans l état actuel de la technique, ne semble pas envisageable du point de vue énergétique Au vu des besoins en lithium auxquels on peut s attendre, une technologie moins énergivore pour l extraction des océans est nécessaire pour prolonger l utilisation du lithium au-delà de Si l on prévoit une utilisation du lithium sur le long terme (>2100), la promotion du recyclage apparaît comme désirable Attention : résultats préliminaires certains paramètres doivent être vérifiés!!! 38

39 Prochaines étapes Réajustement de certains paramètres Analyse de sensibilité des principaux paramètres du modèle Petite investigation des problématiques associées, comme la disponibilité des autres constituants des batteries au lithium tel que le cobalt 39

40 Sources R.K. Evans, An abundance of lithium, Ver blogspot. com, D. Garrett, Handbook of Lithium and Natural Calcium Chloride, London: Elsevier Ltd., A. Yaksic and J.E. Tilton, Using the cumulative availability curve to assess the threat of mineral depletion: The case of lithium, Resources Policy, vol. 34, 2009, pp

41 Nous vous remercions de votre attention! Emilia SUOMALAINEN Doctorante Laetitia CARLES Étudiante EPFL master en sciences et ingénierie de l environnement laetitia.carles@epfl.ch 41