Gauthier Roussilhe

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Comprendre la consommation de métaux dans le numérique

Gauthier Roussilhe, 30 septembre 2020

Note : ces fiches sont extraites du manuel pédagogique "Situer le numérique" publié en 30 septembre 2020 disponible gratuitement ici


L’infrastructure numérique consomme de nombreux métaux afin de produire des équipements informatiques. L’extraction et le traitement de ces métaux vont demander de l’énergie et de l’eau avant d’être transportés et vendus sur les marchés de matières premières. Quels sont alors les impacts liés à ces activités et quels poids pèsent t-ils et à quelle vitesse évoluent-ils ? De plus, les métaux ne sont pas des ressources renouvelables et l’infrastructure numérique telle que nous la connaissons n’existerait pas sans l’extraction croissante de métaux, alors quelles sont les réserves et comment les calcule t-on ?


L’extraction de métaux requiert l’ouverture d’une mine, soit souterraine, soit ouverte. On ouvre des mines car l’industrie requiert plus de matières premières. En effet, les investisseurs ne financent généralement pas une opération de minage tant que la demande et la rentabilité est possible. C’est donc la demande qui pilote la production de matières premières minérales : l’offre s’adapte à la demande. Or, l’industrialisation croissante a fortement augmenté la demande. Les sociétés humaines, surtout industrielles, consommaient 210 mégatonnes (Mt) de minerais dans le monde en 1900, puis 6,5 gigatonnes (Gt), soit 6500 mégatonnes, en 2009 . Durant cette période d’un peu plus d’un siècle la population a été multipliée par 4 tandis que la consommation de minerais et de minéraux industriels a été multipliée par 30 . Celui est majoritairement dû à des sociétés et à des classes sociales bien précises. À ce titre, la multiplication par 30 de la consommation de minerais n’est pas imputable à l’ensemble de l’humanité mais bien à des sociétés sur certains territoires durant une certaine période de temps.


Au moment où la demande émerge du secteur industriel et financier l’offre ne s’aligne pas instantanément comme s’il s’agissait de libérer des stocks d’un hangar. Il faut compter plusieurs décennies entre le début de l’exploration géologique d’un sol, les premiers forages, l’ouverture de la mine, la mise en exploitation et l’extraction de la première tonne de minerai. Dans le cas d’une exploration dans une zone déjà connue ce délai de déploiement peut être assez “rapide”, entre 10 et 15 ans. Dans le cas d’une exploration dans une zone peu connue il faut alors plutôt compter entre 20 et 30 ans. Il faut alors bien comprendre que si une demande émerge sur un métal en 2020 et que des lignes d’investissement se débloquent pour de l’exploration géologique en même temps, alors les premières tonnes extraites (l’offre) pour répondre à cette demande seront disponibles entre 2030 et 2050. Par exemple, Alain Geldron, l’un des experts nationaux en matières premières, rappelle que la mine d’Oyu Tolgoi, l’un des plus gros gisements de cuivre au monde, a été mise en exploitation au sud de la Mongolie en 2013 : “l’exploration a débuté dans les années 80, avec les premiers forages en 1997. La décision de mise en exploitation intervient en 2005 et la première tonne de minerai a été sortie en 2013. Le gisement sera en pleine production en 2021 avec 400 000 t/an de cuivre contenu extrait. Soit plus de 35 ans au total d’exploration et de mise en exploitation.” Si la demande augmente brutalement alors les réserves diminuent tant que de nouvelles mines ne sont pas ouvertes. On n’observe toutefois pas de pénurie immédiate car la baisse des réserves, comme l’augmentation des capacités de production, est généralement progressive.


Il s’agit maintenant de bien comprendre comment on qualifie l’importance des ressources minérales et des réserves exploitables. On distingue bien deux termes : ressources d’un côté, réserves de l’autre. Les “ressources”, en géologie, correspondent à la concentration d’une substance liquide, solide ou gazeuse dans la croûte terrestre et dont l’extraction économique paraît faisable ou potentielle. Ainsi la définition des ressources varie grandement en fonction des connaissances géologiques et des outils de mesure à disposition. Plus les techniques d’exploration et d’extraction se perfectionnent plus les ressources découvertes ou extractibles peuvent augmenter. Plus on est certain d’une concentration de minerai dans les sols plus la ressource est économiquement qualifiée. On parle alors de ressources “supposées” pour les ressources les moins bien identifiées, de ressources “indiquées” et de ressources “mesurées” pour celles qui sont mieux connues. Il y a aussi des ressources “non identifiées” qui sont une estimation établie à partir de probabilités mathématiques renseignées par les explorations précédentes.


Identification des réserves et des ressources minérales – Crédit : Gauthier Roussilhe

Les réserves correspondent aux concentrations de minerai connues et exploitables économiquement et techniquement à un prix donné à un moment donné. C’est donc à la fois les prix du marché, les progrès technologiques dans les méthodes d’extraction et les coûts d’extraction et de traitement, la concentration géologique, la qualité et la profondeur des filons qui indiquent quelle part des ressources mesurées deviennent des réserves exploitables. Ils existent plusieurs types de réserves, deux sont prépondérantes : l’assiette de réserves (reserves base en anglais) englobe l’ensemble des ressources prouvées (mesurées et indiquées) qui sont exploitables par les pratiques minières actuelles. L’assiette de réserves inclut les réserves qui sont économiquement exploitables au moment de l’évaluation (réserves économiques), celles presque exploitables économiquement (réserves marginales), et celles qui ne sont pas du tout exploitables économiquement pour l’instant (réserves sub-économiques). C’est à partir de l’assiette de réserves que la réserve mondiale d’une ressource est calculée. Ce qu’on appelle les “réserves” correspond à la part de l’assiette de réserves qui est exploitable en termes technique, géologique et économique au moment de l’évaluation. Cela ne veut pas dire que toutes les réserves sont exploitées mais plutôt qu’elles pourraient l’être à l’instant t.


La définition des ressources et des réserves est donc un exercice complexe qui dépend de facteurs géologiques (localisation, concentration, qualité, profondeur du gisement), de facteurs scientifiques et technologiques (état des connaissances d’exploration, de forage, de production, conception des machines nécessaires), et de facteurs économiques (prix sur les marchés de matière première, coût de l’extraction, coût de l’énergie nécessaire à l’extraction, coût d’investissement et d’exploitation). D’autres facteurs entrent aussi en jeu comme le facteur géopolitique : les ressources ne sont pas réparties équitablement dans la croûte terrestre, certains pays possèdent des sols plus “riches” que d’autres. Il y a aussi les facteurs sociaux et environnementaux, l’ouverture d’une mine et le coût d’extraction dépend aussi des normes sociales (protection du personnel, politique salariale, etc.) et environnementales (normes de pollution et de dépollution, usage de l’eau, etc.) du pays où se situe l’exploitation. La criticité d’une ressource, plutôt que son épuisement, est donc relative à l’ensemble de ces critères.


Lorsqu’on essaye de calculer l’épuisement d’une réserve et le moment où son exploitation s’arrêterait on met en relation les réserves connues, c’est-à-dire l’assiette de réserves (R) à l’instant t et la production minière (P) au même instant. Ce rapport de R sur P (R/P) s’appelle le taux d’épuisement/criticité (le terme exact est : burn rate) et s’exprime en années. Si mes réserves à l’instant donné sont de 10 et que ma production minière au même moment est de 1 chaque année, alors j’ai 10 ans de réserves avant épuisement (10/1). Ce rapport R/P n’est cependant pas une date limite inflexible, il existe de nombreux facteurs qui font varier cette date. Tout d’abord les découvertes géologiques, l’amélioration des techniques d’exploitation, et une augmentation du prix de la ressource peuvent faire passer des ressources supposées dans la catégorie de l’assiette de réserves, augmentant les réserves connues et repoussant la limite. Alain Geldron rappelle “qu’en 1950 les réserves de cuivre étaient d’un peu moins de 100 Mt elles sont actuellement de 720 Mt, alors que dans le même temps la production, tirée par la demande, est passée de 2,4 Mt/an à 18,7 Mt/an. Ainsi la durée de vie des réserves connues de cuivre reste depuis 60 ans autour de 40 années” . Un autre facteur prépondérant est à souligner : l’augmentation exponentielle de la consommation des métaux. Plus la croissance continue plus nous consommons vite nos réserves : si nous consommons 100 chaque année et que le taux de croissance annuelle de la consommation est de 3%, alors, 23 ans plus tard, nous consommerons 200 chaque année. En fait, Alain Geldron rappelle que notre consommation de métaux double tous les 25 ans et consomment plus rapidement nos réserves : “en appliquant un taux de croissance annuel de 3% au cuivre (celui observé depuis 100 ans) la disparition des réserves actuelles ne serait plus dans 40 ans mais dans 26 ans avec une consommation annuelle de 39 Mt soit à peu près le double de la consommation actuelle”.


Évolution des réserves, de la production et du ratio R/P pour certaines matières minérales à consommation constante 2016 et à consommation évoluant avec le taux de croissance mesuré entre 2000 et 2016 – Crédit : Gauthier Roussilhe

Il est donc difficile de prévoir l’épuisement physique des ressources car le calcul des réserves dépend de nombreux facteurs relatifs et changeant d’années en années. Toutefois le taux de croissance actuelle de la consommation de métaux impose une course que les capacités de production pourront difficilement suivre pour toutes les raisons évoquées plus hauts. Une fois de plus, Alain Geldron avertit que “tout métal dont le rapport R/P est inférieur à 20 ans, s’il n’est pas substituable aisément, ce qui est le cas pour la plupart, [...] il est susceptible de voir se produire des pénuries conjoncturelles plus ou moins longues. Ainsi la compagnie minière Rio Tinto, se basant sur des travaux de consultants, envisage une pénurie de production de cuivre peu après 2020” . Il faut bien alors comprendre que l’indicateur d’épuisement d’une ressource dans la croûte terrestre ne correspond à la disparition effective de la ressource à l’échelle temporelle d’une vie humaine, mais correspond plutôt à un avertissement sur la fragilité de nos réserves par rapport à notre consommation actuelle et future de ressources. Sur un échelle à court et moyen terme il est donc pertinent d’utiliser le terme de criticité des ressources plutôt que d’épuisement.


Encadré → Extraire la Terre

  1. Le chercheur Florian Fizaine propose une expérience de pensée intéressante pour réfléchir à l'idée d'épuisement des ressources : à supposer que l'ensemble de la masse soit exploitable (soit environ 6 x 10^24 kilos) et que le consommation mondiale continue de croître à un taux de 3% par an en partant d'une consommation annuelle mondiale en ressources (toutes ressourcs confondues) évaluée à 90 milliards de tonnes (dont 70 de ressources minérales), il faudrait à l'humanité environ 850 ans pour engloutir la Terre.


  2. Principales interdépendance entre grands et petits métaux – Crédit : Gauthier Roussilhe
  3. Sachant que nous n'irons évidemment pas exploiter les ressources terrestres au-delà d'une certaine profondeur se limitant a priori à la lithosphère, l'échéance réelle sera bien plus proche. À titre d'illustration : la mine d'or de Mponeng, en Afrique du Sud, la plus profonde du monde, n'atteint que 4 kilomètres de profondeur. De plus Alain Geldron rappelle que "les régions et les pays nesont pas dotées de gisements de façon égale, certaines en sont même dépourvus. Par exemple il ne peut y avoir de gisements métalliques dans le bassin parisien sauf à envisager d'aller explorer sous cette formation géologique au-delà de 3000 mètres pour ce que est de son centre, ce qui n'est actuellement pas envisageable".

  4. Fin de l'encadré


Mais alors pourquoi notre consommation de matières premières et de métaux croît autant ? Qu’en est-il du numérique ? De façon globale la consommation a augmenté et croit à cause du développement industriel, c’est-à-dire que l’on utilise de plus en plus de métaux dans la production industrielle. Dans le contexte de l’augmentation de leur niveau de vie, les foyers, augmentant leurs revenus, consomment de plus en plus de produits contenant des métaux (augmentation de la demande individuelle en métaux) . Finalement la consommation augmente car la population augmente mais il ne semble pas que cela soit le facteur principale puisque, comme vu précédemment, entre 1900 et 2009 la population a augmenté par 4 mais la consommation de métaux a été multiplié par 30.


Dans le secteur numérique on distingue deux catégories de métaux, ceux utilisés en grande quantité pour leurs fonctions structurelles (réseaux de télécommunication → cuivre, aluminium, certains aciers) et les métaux utilisés en faible quantité pour leurs propriétés exceptionnelles dans l’industrie high-tech (petits métaux et métaux précieux) . Au total, le secteur numérique sollicite plus de 60 métaux dans des volumes très diverses et plus de la moitié de ces métaux dépendent de l’extraction d’autres métaux. En effet, certains petits métaux demandés par le secteur numérique ne représentent pas un volume de demande suffisamment important pour justifier l’ouverture d’une mine dédiée, alors on les extrait dans des mines dont la rentabilité dépend de l’extraction massive de grands métaux. Par exemple, le gallium dépend de l’extraction de la bauxite d’aluminium (liée à la production d’aluminium) et le germanium n’est récupérable qu’à partir de minerai de zinc . Cette interdépendance peut poser problème car cela implique que l’augmentation de la demande sur un petit métal ne va pas entraîner une augmentation de l’offre car il faudrait augmenter la production du grand métal dont le petit métal dépend. Si la demande pour le germanium augmente alors il faut augmenter la production de zinc, pour justifier cette augmentation de la production il faut alors qu’elle soit économiquement intéressante et donc que la demande de zinc augmente. En somme, l’offre des petits métaux et des métaux précieux ne s’adaptera pas toujours à la demande à cause de leur co-dépendance.


Consommations énergétiques unitaires moyennes des différents métaux (en GJ/t) – Crédit : Gauthier Roussilhe

Quelles sont alors les différences de production entre les grands métaux et les petits métaux et métaux précieux ? Pour ce qui est des grands métaux comme le cuivre, l’aluminium, le fer ou l’étain par exemple, leur consommation augmente aussi. D’après l’International Copper Study Group, la consommation totale de cuivre dans le monde s’élevait à 24 millions de tonnes en 2017. La part de consommation liée à l’usage du cuivre comme conducteur électrique a atteint quasiment 60 %, “soit environ 11 millions de tonnes pour la génération, la distribution et la transmission d’électricité, et 3 millions de tonnes pour le sous-ensemble des équipements électriques et électroniques auquel le numérique appartient” comme le rappelle Liliane Dedryver pour France Stratégie . La demande en métaux du numérique rentre donc en compétitivité avec d’autres usages, notamment le secteur énergétique qui en immobilise de grandes quantités. En effet, bien que le cuivre soit très bien recyclable et recyclé celui-ci est immobilisé dans de nombreuses structures (bâtiment, énergie, etc.) et ne peut pas être récupéré, provoquant encore une augmentation de la demande. En 2017, Réseau de transport d’électricité (RTE) estimait que les réseaux électriques français représentaient une immobilisation de 170 000 tonnes de cuivre. Cette quantité devrait augmenter de 30 000 tonnes d’ici 2026 pour assurer le raccordement du parc éolien en mer et les interconnexions aux frontières . Au niveau de l’infrastructure numérique ce sont les réseaux de télécommunications qui utilisent et immobilisent le plus de cuivre. Le réseau cuivre d’Orange comporte par exemple 110 millions de paires-kilomètres de câbles de cuivre . En comparaison avec les réseaux de télécommunications, la demande en cuivre pour la fabrication des équipements électroniques est relativement plus faible. France Stratégie estime “qu’une tonne de cuivre est nécessaire pour produire 250 000 smartphones et tablettes, les 1,4 milliard de nouveaux smartphones vendus dans le monde en 2017 (dont 20 millions en France) ont nécessité la consommation de 5 600 tonnes de cuivre (dont 80 tonnes pour la France)”.


Du côté des petits métaux les volumes extraits sont largement différents. Par exemple la production annuelle de tantale était estimé à 1 800 tonnes en 2017 et en 2018 . Au moins la moitié de la production de ce métal a utilisé pour la fabrication de condensateurs électroniques. Ces condensateurs ont notamment permis la miniaturisation des équipements numériques. La fabrication de l’électronique grand public tire majoritairement à la hausse la production de ce métal et entraîne un taux de croissance annuel estimé à 5,8% . D’autres métaux comme le gallium et le germanium sont utilisés pour leurs propriétés dans la fabrication des semi-conducteurs. Leur production annuelle est respectivement estimée à 320 et 106 tonnes. Moins d’un gramme de chacun de ces métaux sont utilisés dans la fabrication d’un smartphone. Bien que le volume produit soit faible, les équipements numériques représentent la majeure partie de la demande.


L’extraction de ces métaux représentent une consommation d’énergie et d’eau importante. Étant donné que la question de l’eau sera traitée dans la section suivante nous allons regarder uniquement du côté de l’énergie. En 2010, 10 % de l’énergie primaire mondiale (dont 6,5 % pour l’acier et 0,3% pour le cuivre) était consacrée à extraire, transporter et raffiner les ressources métalliques tous secteurs confondus . De plus, d’après une étude menée en 2011 la consommation d’énergie primaire liée à l’extraction de métaux pourrait augmenter de 40% d’ici 2030 à cause de l’augmentation de la consommation et de la baisse de concentration des métaux dans les minerais extraits . En effet, les gisements les plus concentrés en métaux ont été les premiers à être exploités et au fur et à mesure que nous continuons d’exploiter de nouveaux gisements, ceux-ci ont une concentration en métaux de plus en plus basse et le coût en énergie augmente de plus en plus. S’appuyant sur les travaux de l’économiste Florian Fizaine, Alain Geldron explique que “ si la consommation finale d’énergie a été multipliée par deux entre le milieu du siècle dernier et 2011 alors la consommation énergétique de l’exploitation minière et des carrières a été multiplié par 4 dans le même temps” . Celui-ci rappelle que “la consommation énergétique des exploitations minières constitue, avec les coûts d’exploration et de mise en exploitation, un élément clé du prix des matières premières minérales dans le futur” . France Stratégie abonde dans le même sens : “s’il fallait extraire 55 tonnes de minerai pour produire une tonne de cuivre dans les années 1930, il en faut aujourd’hui 125 pour le même résultat” . La taille du grain voulu, c’est-à-dire la méthode broyage du minerai, ainsi que les méthodes d’excavation influe aussi grandement sur la consommation énergétique des métaux.


Consommations énergétiques unitaires moyennes des différents métaux (en GJ/t) – Crédit : Gauthier Roussilhe

Que retenir de la question des métaux ? Nous pourrions théoriquement continuer à repousser les limites des réserves connues et ne pas connaître d’épuisement des métaux si tant que nous ayions à disposition des connaissances scientifiques et du matériel de production adéquats, un prix de la ressource attractif, des coûts d’exploitation (et donc un coût de l’énergie) suffisamment bas. Dans ces conditions nous pourrions aller exploiter des gisements difficiles d’accès, comme les gisements non-conventionnels et les gisements sous-marins profonds. Toutefois, ces conditions vont être de plus en plus difficiles à réunir, malgré une augmentation de la demande les meilleurs gisements ont déjà été exploité et les rendements des gisements baissent. L’ingénieur Philippe Bihouix décrit le cercle vicieux suivant : les minerais sont de moins en moins concentrés, il faut donc toujours plus d’énergie pour les extraire, les équipements énergétiques utilisent de plus en plus de métaux, il est donc toujours plus difficile de produire de l’énergie et d’extraire de nouveaux métaux. On peut supposer que nous aurons un un problème de criticité du à un problème d’énergie, un problème d’eau, un problème social et un problème environnemental avant d’avoir un problème de disponibilité des ressources. Reste à savoir pendant combien de temps nous sommes capables de payer ce prix et si nous souhaitons réellement payer ce prix. Alain Geldron estime que “l’épuisement des ressources minérales avant la fin de ce siècle est très peu probable pour la plupart des matières premières minérales par contre des pénuries sur des durées importantes sont à envisager, faute d’une mise en exploitation suffisamment rapide de nouveaux gisements”.