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MATERIAUX - Métaux stratégiques

Friday, May 24, 2013

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Table des matières

1. Principales précautions à prendre lors de la conception des pièces contenant des matériaux précieux

2. Règles d’association des métaux précieux

3. Prendre en compte les limites des procédés de recyclage actuels

4. Cas des terres rares et des métaux stratégiques

5. Synthèse

6. Références

1. Principales précautions à prendre lors de la conception depièces contenant des métaux précieux

 à protéger a d'ailleurs été publiée.Le gisement des déchets contenant ces éléments fait maintenant l’objet d’une nouvelle politiqued’exploitation de cette « mine urbaine ».

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Le constat est qu’au niveau mondial, une faible partie de ces éléments stratégiques est recyclée :

Faute d’une collecte suffisante et du fait de la complexité des produits en fin de vie en termes de mélangede métaux, on estime qu’une grande partie des métaux stratégiques ont été enfouis depuis de nombreusesannées de façon quasi irréversible. A titre d’exemple, 200 à 400 millions de tonnes de Cuivre ont étéenfouies dans les décharges.Un effort global est donc à faire pour l’ensemble des acteurs de la filière. Le rôle des concepteurs seradonc dans la mesure du possible :

D’éviter de prendre des composants contenant des éléments qui deviennent rares (et dont les prixrisquent de s’envoler) ;De faciliter leur recyclage, en évitant les associations incompatibles. (voir chapitre suivant) ;D'utiliser des métaux recyclés.

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2. Règles d’association des éléments d’alliages pour les métauxprécieux

A titre d'exemple, la roue des métaux de la figure ci-dessous illustre ce qu'adviennent les différentsmétaux présents dans une carte électronique et qui se retrouvent dans les filières de recyclage du fer, del'aluminium, du cuivre, du zinc et du plomb. Chaque cercle indique la destination des différents élémentsprésents dans le mélange des produits en fin de vie (déchet), tout en indiquant le procédé métallurgiquepour tous les métaux de base. Cette roue des métaux montre les limites et les possibilités de recyclage àl'origine des outils de DfRE (Design for Resources Efficiency) développés par Reuter et Van Schaik. Celamontre le niveau de détail physique et thermodynamique à prendre en compte dans un projet

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d'éco-conception.

 La roue des métaux pour le recyclage d'une carte électronique, indiquant la destination des élémentsporteurs dans les filières de traitement des métaux de base de chaque segment. Source: M.A. Reuter and

A. van Schaik (2012). Opportunities and Limits of WEEE Recycling – Recommendations to ProductDesign from a Recyclers Perspective. In: Proceedings of Electronics Goes Green 2012+, 9-12 September

2012, Berlin, Germany. In press. 8 p.

Pour les cartes électroniques, la filière de recyclage est souvent celle du Cuivre.A titre d’exemple, nous voyons que les dissipateurs d’énergie en Aluminium doivent être extraitspréalablement de la carte électronique pour être recyclés. La filière de recyclage du cuivre et des cartesélectroniques n’est pas fiable techniquement et économiquement pour la récupération de l’aluminium.Ce dernier se retrouve dans les laitiers en sortie du procédé, mélangé avec d’autres métaux résiduels etest envoyé en enfouissement.

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Exemple de dissipateurs thermiques montés sur des cartes électroniques

Il convient donc de faciliter l’extraction (démontage ou tri post broyage) de ces dissipateurs d’énergie enaluminium ou de les concevoir avec d’autres métaux soit compatibles avec la filière cuivre, soit demoindre impact environnemental que l’aluminium et plus faciles à trier. Un dissipateur d’énergie enacier est moins coûteux à extraire après broyage de la carte (tri magnétique) et la production de l’acierconsomme moins de ressources naturelles. Au pire, s’il n’est pas extrait, l’acier se retrouvera dans leslaitiers et sera enfoui. La perte sera toutefois moins impactante que la perte de l’aluminium.Un dissipateur en laiton (Zn+Cu) sera lui totalement recyclé par cette filière sans nécessiter d’extraction

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préalable. L’utilisation de laiton recyclé sera encore plus bénéfique pour l’environnement.La composition en métaux précieux de nombreux composants électroniques est maintenant disponiblechez la plupart des producteurs : 

Liste non exhaustive des principaux producteurs de semi-conducteurs

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3. Prendre en compte les limites des procédés de broyage actuels

La tendance actuelle est la miniaturisation des composants électroniques pour de nombreuses applications(téléphones portables, microordinateurs,…). Toutefois, du point de vue du recyclage, les cartes avec desmicrocomposants supportent mal les opérations de déchiquettage et de broyage des produits électroniquesou électroménagers. Une grande partie des composants sont arrachés et se retrouvent dans la fractionultime qui n’est pas recyclée (fraction minérale composée de verre, céramiques, de poussières de métauxet de plastiques et autres impuretés).En pratique, il serait nécessaire de démonter les cartes électroniques avant le déchiquettage/broyage desproduits. Cela aurait l’avantage de permettre un meilleur recyclage des métaux précieux et semi-précieux(Argent, Cuivre, étain,..) et d’éviter une contamination éventuelle par les métaux à caractère polluant quel’on peut trouver dans les cartes (Soudure au plomb,…)

Reuter et Van Schaik (2012) donnent un aperçu qualitatif des possibilités de recyclage/récupération pourdifférents matériaux critiques de plusieurs types de DEEE, en s'appuyant sur la physique et lathermodynamique des procédés de recyclage (voir tableau ci-dessous). Ce tableau illustre l'influence deschoix qui peuvent être faits sur les filières de recyclage, tels que le degré de démontage. Le démontagepoussé des composants diélectriques des cartes électroniques contenant des terres rares ou des "getters"contant du tungstène, du cobalt ou du tantale des télévisions à tube cathodique ou des lampes, permet larécupération de matériaux qui seraient dans le cas contraire perdus comme contaminants dans d'autresmétaux ou dans les scories. Un modèle développé par Van Schaik et Reuter (2010) contient desinformations précises sur les matériaux permettant à l'utilisateur d'évaluer les différentes techniquesdisponibles. Par exemple, la relative stabilité des oxydes de terres rares indique que leur récupération nepeut pas être réalisée à haute température, mais requiert plutôt des procédés hyrdométallurgiques.Le tableau ci-dessous montre également que la récupération d'un métal dépend en fin de compte de ses

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propriétés chimiques. Ainsi, les métaux ayant des propriétés similaires ont des méthodes de récupérationsimilaires et ce même pour des applications différentes.

La récupération des différents éléments dans une liste de produits en fin de vie en fonction de leur voie detraitement, montrant que la récupération des métaux dépend finalement de leurs propriétés chimiques.

(Reuter et Van Schaik, 2012)

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4. Cas des terres rares et des métaux stratégiques

Des études au niveaux français et européen ont récemment mis en évidence l’importance stratégique decertains métaux pour les applications de haute technologie. Ces études ont dressé une liste de 35 métauxnécessaires au développement d’applications de haute technologie utilisées en Europe et dont certainessont liées aux technologies dites « vertes » : éolien, véhicule électrique, lampe fluo-compacte, LED.

Ces métaux se décomposent en trois catégories : les platinoïdes, les terres rares et les autres :

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Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME - 2010

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4.1 Problématiques actuelles des Terres rares

A l’heure actuelle la principale problématique liée aux terres rares consiste en leur approvisionnement.La production mondiale de terres rares a été estimée à 130 000 tonnes en 2010. Or 97% de cetteproduction est fournie par la Chine bien qu’elle ne possède que 37% des réserves mondiales identifiées àce jour (100 millions de tonnes). De plus la Chine limite le volume de ses exportations à 30 000 tonnespar an.

Pour faire face au risque de rupture d’approvisionnement de ces ressources trois solutions sontenvisageables :

La substitution de ces métaux par d’autres : Malheureusement leurs propriétés particulières rendentces métaux difficilement remplaçables ou alors au prix d’une perte de performance notable. Dansd’autres cas il est au mieux possible de remplacer un élément du groupe des terres rares par un autre.L’optimisation : Que ce soit sur les procédés de fabrication afin de réduire la quantité de ces métauxà mettre en œuvre, ou sur l’utilisation de ces métaux au sein d’un produit. C’est par exemple le casde l’entreprise Rhodia qui à mis au point des poudres luminophores pour les écrans LCD et lampesfluo-compactes qui contiennent moins de terbium que les poudres actuelles.Enfin le recyclage : Cette solution est de plus en plus envisagée et encouragée pour plusieurs raisons.Elle permet de palier directement au risque de rupture d’approvisionnement de ces métaux. De plus,elle permet d’économiser les ressources disponibles car pour certains éléments (ex : le terbium) lesressources disponibles seraient en voie d’épuisement. Enfin le recyclage est favorisé par la présencedirecte d'un gisement en Europe au cœur même de nos déchets, notamment dans les DEEE.

4.2 Pertinence du recyclage des terres rares et des métaux stratégiquesdans les DEEE

Le tableau ci-dessous dresse la liste des applications contenant des métaux rares pour lesquelles lerecyclage s’avère particulièrement stratégique :

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Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME - 2010

Pour d’autres éléments en revanche le recyclage n’a pour l’instant pas été jugé pertinent au vu de leurrelative abondance (vanadium) ou du nombre très limité d’applications (osmium, iridium, prométhium,scandium, holmium, thulium, ytterbium et lutétium).

Le recyclage est d’autant plus pertinent qu’il évite l’exportation de déchets en dehors de l’Europe siceux-ci peuvent y être recyclés, l’activité peut également être génératrice d’emploi. A titre d’exemple onestime à 17 tonnes le gisement de terres rares qui pourrait être récupéré grâce aux 4000 tonnes de lampesfluo-compactes collectées actuellement (15 tonnes d’yttrium, 1 tonne de terbium et 1 tonne d’europium).

4.3 Etat du recyclage des terres rares et des métaux stratégiques

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Etude : « Etude du potentiel de recyclage de certains métaux rares » BIO IS pour l’ADEME - 2010

Cas des lampes fluo-compactes :

Pour les lampes fluo-compactes la situation est quelque peu différente puisque l’entreprise Rhodia(groupe Solvay) est en train de mettre en place une filière de recyclage de six terres rares contenues dansles lampes fluo-compactes (lanthane, cérium, terbium, yttrium, europium et gadolinium). Cette opérationest réalisée sur deux sites, le premier étant chargé d’extraire les terres rares des poudres luminophores, lesecond étant chargé de leur retraitement.

Pour l’heure, l’entreprise réalise un démonstrateur industriel afin que l’activité devienne opérationnelleen 2014.

4.4 Perspectives futures pour le recyclage des terres rares

L'ADEME a identifié les principaux freins au recyclage des terres rares et des métaux précieux. En retour,les actions proposées pour lever ces freins s'articulent autour des quatre axes suivants :

« Agir en amont de la chaîne de recyclage » : Favoriser l’éco-conception en facilitant la séparationdes composants afin qu’ils puissent subir un traitement spécifique (Accumulateurs,aimants). Impliquer les producteurs pour la recherche de solutions de recyclage pour des

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produits qui peuvent être spécifiques et dont la composition varie selon les producteurs (ex : lesLED).« Mobiliser le gisement » : Il pourra être envisagé d’élargir le champ des produits collectés maisaussi de séparer certains produits pour les traiter de manière spécifique (ex : écrans LCD).« Orienter et soutenir la R&D » : Améliorer les techniques disponibles et développer de nouvellestechniques de recyclage pour les métaux qui ne disposent pas encore de techniques de recyclage.« Activer le recyclage » : Selon deux méthodes complémentaires : l’obligation réglementaire et lesincitations financières.

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5. Synthèse des règles de conception

L’utilisation de métaux précieux est justifiée par le besoin de propriétés de hautes performances pourcertaines applications telles que composants, catalyseurs, traitement de surface…

Leur coût est important, leur usage est optimisé et les quantités sont réduites au maximum.

La conception portera donc sur :

La substitution d’éléments rares par des éléments actifs moins rares, ou l’utilisation éventuelle dematières recyclées moins pures si le besoin le permet ;La limitation des matériaux qui se retrouveront associés aux métaux précieux et terres rares et quiseront susceptibles de contrarier le recyclage de ces derniers, ou d’être perdus pendant la phase derecyclage des métaux précieux. (cf : Règle d’association) ;Une accessibilité importante et un démontage rapide des cartes électroniques présentes dans lesproduits électroniques et ménagers afin de les extraire avant la phase de broyage.

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6. Références

- M.A. Reuter and A. van Schaik (2012) : Opportunities and Limits of recycling – ADynamic-Model-Based Analysis, MRS Bulletin, 37(4), pp. 339-347. - anglais

- A. van Schaik and M.A. Reuter (2010) : Dynamic modelling of E-waste recycling system performancebased on product design. Minerals Engineering, Vol. 23, pp. 192-210. - anglais

- M.A. Reuter and A. van Schaik (2012). Opportunities and Limits of WEEE Recycling –Recommendations to Product Design from a Recyclers Perspective. Dans : Proceedings of ElectronicsGoes Green 2012+, 9-12 September 2012, Berlin, Germany. In press. 8 p. - anglais

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