À travers l’utilisation de documents de natures diverses, issus en grande majorité du site Mediachimie, le lecteur prendra conscience, si ce n’est pas déjà le cas, de la richesse de ce site et pourra poursuivre sa quête d’informations sur ce sujet non seulement à fort potentiel médiatique en cette année olympique mais aussi très intéressant eu égard aux nombreuses évolutions/innovations dont il fait l’objet.

Programme de physique-chimie :

• Première STI2D : Matière et matériaux / Propriétés des matériaux et organisation de la matière
• Première STD2A : Connaître et transformer les matériaux / Connaître et transformer les matériaux organiques et utiliser des matériaux innovants
• Terminale STL : Ondes / Ondes acoustiques (ondes stationnaires)
• Terminale générale : Constitution et transformation de la matière / Élaborer des stratégies en synthèse organique

En 2022, les installations mondiales de capacité photovoltaïques ont atteint un chiffre record de 268 GW [1] pour une capacité cumulée de 1,2 TW [2]. Si l’énergie photovoltaïque est essentielle pour réussir la transition énergétique, en permettant de remplacer rapidement et à un coût compétitif les énergies fossiles, elle doit encore satisfaire à d’importantes exigences quant à sa circularité.

Aujourd’hui, les technologies basées sur le Si représentent plus de 95% du marché mondial [3]. Outre le procédé de purification du Si, consommateur en énergie et matières premières, l’étape de découpe des wafers est critique, puisque près de 40% de la matière est perdue sous forme de kerf, un mélange de copeaux de Si et de liquide de découpe. Fortement contaminé par des éléments tels que le carbone, l’oxygène ou l’aluminium, le Si contenu dans cette boue n’est actuellement pas revalorisé mais considéré comme un déchet. Il y a un ainsi un vrai besoin de développer un procédé dédié à la purification du kerf, afin de permettre sa réutilisation dans la chaine de valeur du Si.

D’autre part, les quantités de modules arrivant en fin de vie sont en pleine explosion, et on estime que d’ici 2030, il faudra traiter près de 400 000 tonnes de modules en Europe [4]. Bien que les recycleurs traditionnels aient adopté des techniques de broyage, celles‐ci sont largement inefficaces, puisqu’elles ne permettent ni de récupérer l’entièreté des matériaux, ni de le faire avec un haut niveau de pureté. Ainsi, ces dernières années ont vu l’émergence de procédés de recyclage à haute valeur ajoutée, permettant de mettre en place des solutions plus durables pour le traitement des déchets photovoltaïques.

Dans cette présentation, nous démontrerons que l’innovation et le développement de procédés dédiés permettent de relever ces défis, afin de soutenir le développement de la filière photovoltaïque répondant aux enjeux de circularité.

Références :
[1] Sandra Enkhardt 2022, ‘Global solar capacity additions hit 268 GW in 2022, says BNEF’, pv magazine, 2022
[2] IEA (2020), ‘World Energy Outlook 2020, IEA’, Paris https://www.iea.org/reports/world‐energyoutlook‐2020, License: CC BY 4.0, 2020
[3] IEA PVPS, ‘Trends in photovoltaic applications 2022’, IEA PVPS trends Reports – Task 1, 2022
[4] SolarPower Europe (2022), ‘European Market Outlook For Solar Power 2022‐2026’, 2022

Les engagements en faveur de la décarbonation de la mobilité poussent les acteurs du secteur à accroître leurs efforts en faveur d’une transition vers les véhicules électriques. En 2025, les capacités de recyclage devront être capables d’absorber 50 000 tonnes d’équivalent Batteries (200 000 unités)... 150 000 tonnes en 2030.

Cette stratégie entraîne un accroissement exponentiel de la demande en métaux stratégiques (nickel, cobalt, lithium, cuivre…) présents dans les batteries des véhicules électriques.

De multiples questions se posent concernant le développement de ce nouveau marché :

• La question de l’accès à la ressource en métaux stratégiques au sein de l'Union Européenne et de la France compte tenu des zones de production (Congo, chine, Chili...).
• Le risque inflationniste de la valeur de ces métaux, ou tout le moins une variation erratique des cours qui pèserait sur la rentabilité économique de la filière.
• La raréfaction programmée de certaines ressources minières (cobalt) compte tenu d’une surexploitation des sous‐sols en vue d'approvisionner la production des cathodes.
• La question environnementale liée à l’exploitation minière, à la transformation des minerais et au transport des matières prétraitées.
• L’enjeu de la fin de vie des batteries en terme environnemental et le sujet de la gestion des scraps issus des Giga‐Factories qui produisent les batteries.

Pour répondre en partie à ces questions, une Réglementation Européenne incitative en phase avec la Stratégie d’indépendance sur les matières stratégiques est en cours de validation. Elle vise à recycler une
grande part des batteries sur le territoire européen en fixant des taux d’extraction des matières extrêmement ambitieux permettant une approche vertueuse de la vie de la batterie.

Depuis plus de 10 ans, le Groupe VEOLIA explore des voies de recyclage des batteries VE en fin de vie et des sous‐produits de leurs productions. Des méthodes prenant en compte la gestion des risques intrinsèques à la manipulation de batteries usagées, leur mise en sécurité, leur démantèlement, le broyage des fractions unitaires et l’extraction sélective des métaux stratégiques par voie chimique. Ces travaux ont abouti à un premier concept pilote qui a confirmé la pertinence de la technologie étudiée.

L’enjeu est maintenant de passer à un démonstrateur « pré‐industriel » permettant de recycler chimiquement l’équivalent de 4 000 à 7 000 tonnes de “Black Mass” (10 000 à 20 000 tonnes batteries VE) issues du broyage & pré‐traitement de batteries de véhicules électriques afin d’en extraire les métaux stratégiques et les réintroduire dans les boucles industrielles de production. Ce projet engagé début 2022, démarrera industriellement au dernier trimestre 2023.

Ce sont près de 391Mt de polymères qui sont produits dans le monde (57Mt en Europe), polymères que l’on retrouve dans de très nombreux secteurs applicatifs : l’emballage (44%), la construction (18%), l’automobile (8%), l’électronique et électrotechnique (7%), l’habitat et les loisirs (7%), etc. [1]. Aussi, les polymères les plus largement utilisés sont les polyoléfines (PE, PP 53%), le polystyrène (PS 5,3%), les polyuréthanes (PUR 5,5%) et le polyéthylène téréphtalate (PET 6,2%).

Placer les polymères dans un contexte d’économie circulaire impose bien évidemment de reconsidérer certaines de leurs utilisations,notamment en recherchant une réduction de leur usage quand cela est possible, mais plus généralement d’assurer une plus grande circularité (notamment en s’intéressant à leur ré‐utilisation ‘matière’ et/ou par un retour à des briques élémentaires comme des monomères), leur conception (par exemple en leur conférant de multiples fonctions pour éviter des multimatériaux ou en considérant des composants différents comme ceux issus de ressources renouvelables) ainsi que leur durabilité (incluant leur réparabilité). Comme on peut le voir, toutes ces voies impliquent la chimie. Le recyclage est ainsi une des voies contribuant à la circularité des matières [2] et l’intégration des matériaux dans une démarche d’économie circulaire.

Même si les différents types de matériaux présents dans les gisements de déchets à recycler ont des spécificités quant aux méthodes d’extraction, de purification, de ré‐introduction, le même ensemble d’approches peuvent être déployées. C’est le cadre du Programme d’Equipements & de Projets de Recherche (PEPR) attaché à la Stratégie d’Accélération ‘Recyclage, Recyclabilité & Ré‐Utilisation des Matières’ opérée par France 2030 actuellement. Les axes de recherche de ce programme lancé pour les six années à venir pour cinq classes de matériaux (plastiques, métaux stratégiques, composites, textiles et papiers/cartons) mais aussi de manière systémique sur des filières (batteries, H₂, éolien, photovoltaïque, DEEE, etc.) en impliquant l’ensemble des sciences (chimie bien entendu) seront exposés dans cette présentation.

Référence :
[1] Plastics‐ the Facts 2022. Plastics Europe. Oct. 2022, 81p.

La gestion des déchets est une priorité et une préoccupation majeure à l’échelle mondiale. Elle comporte de nombreux défis environnementaux, sociétaux et économiques. La santé publique et la préservation des ressources naturelles deviennent un enjeu de tous les instants.

En tant qu’industriel, spécialisé dans la gestion des déchets ménagers et assimilés et des activités économiques, il est de notre devoir d’apporter des solutions innovantes pour transformer ces déchets en ressources. Aussi, notre métier est de concevoir à la fois des systèmes de gestion des déchets adaptés aux besoins des zones urbaines et des campagnes, en utilisant des technologies intelligentes pour améliorer la collecte, le tri et le recyclage.

La réutilisation des résidus urbains issus des déchets ménagers incinérés, appelés mâchefers, après transformation et valorisation permet de préserver et réduire notre dépendance face aux ressources naturelles, par la récupération de métaux et la création d’un matériau alternatif comparables aux caractéristiques des matières premières naturelles.

C’est tout l’objectif que s’est fixé le groupe PIZZORNO Environnement, en développant une technologie de réutilisation du produit alternatif issus des mâchefers en l’intégrant dans le béton pour la fabrication de pavés biorecyclés. Ainsi, les déchets d’hier deviennent de véritables ressources de demain.

Le recyclage des matériaux est un enjeu mondial dicté par des objectifs environnementaux et confrontés aux règles nécessaires au contrôle des risques et des conflits. Le secteur a débuté récemment sa mutation face aux volumes à traiter qui se chiffre en millions de tonnes et dont les savoirs sont insuffisants, sauf pour l’eau.

La notion de recyclage des métaux est l’axe le plus important pour disposer des matières premières importées. Cependant, la complexité des alliages ou des objets conçus (panneau photovoltaïque, batteries, circuits électroniques verres, papier, textiles complexes, aimants permanents, câbleries) imposent en fait pour chaque produit une démarche scientifique innovante de type génie chimique ou génie de bio engineering encadrée par les aspects économiques et environnementaux.

En fait, le recyclage est une nouvelle discipline de nos activités industrielles mais sans création de valeur et très complexe à gérer sur le plan de sa position stratégique et environnementale. Elle apparait coûteuse et elle exige des subventions pour exister et éviter la mise en décharge traditionnelle peu coûteuse.

Cette discipline permet le recyclage des matériaux déjà employés mais elle présente un bilan carbone négatif face à nos désirs contradictoires.

Aussi dans le cadre de ce colloque, je présenterai le cas de matériaux récents en fort développement tels que les panneaux photovoltaïques et les batteries et enfin l’emploi de la biotechnologie pour le recyclagedes terres rares.

Le recyclage efficace de produits nécessite un travail de design qui, en plus du travail sur des matrices intrinsèquement recyclables, peut être facilité par des additifs, des adhésifs et des revêtements appropriés.

Après une présentation générale sur des solutions proposées par Arkema, le cas particulier du recyclage des pales d’éoliennes sera abordé.

Constellium est un leader mondial du développement et de la fabrication de produits et de solutions en aluminium à haute valeur ajoutée pour un large éventail de marchés et d’applications, se concentrant en particulier sur l’aérospatiale, l’automobile et l’emballage. La protection de l’environnement, la santé et la sécurité (ESS) sont les premières priorités de l’entreprise avec des objectifs précis à horizon 2030 [1] en termes de réduction de ses émissions de gaz à effet de serre (‐30% en intensité vs. 2021) et d’augmentation de sa consommation d’aluminium recyclé (50% du total).

Pour atteindre ces objectifs, le processus de recyclage de l’aluminium est clé. Il consiste simplement à refondre le métal, ce qui est beaucoup moins énergivore que la production d’aluminium primaire à partir du minerai de bauxite. Le recyclage ne nécessite que 5% de l’énergie nécessaire à la production d’aluminium primaire. De plus, il permet la récupération des déchets d’aluminium usagé en évitant leur accumulation, contribue à préserver les ressources et diminue fortement les émissions de GES.

La canette en aluminium est un parfait exemple de l’économie circulaire : elle se recycle très bien et retrouve sa place dans les rayons en seulement 60 jours, avec un taux de recyclage des canettes de boisson de l’ordre de 80% en Europe. Les usines de Constellium disposent d’importantes capacités de recyclage et la construction d’un nouveau centre de recyclage de 130 millions d’euros sur le site de l’usine française de Neuf‐Brisach (Alsace) a débuté en novembre 2022. Cet investissement augmentera notre capacité de recyclage de produits automobiles et d’emballages jusqu’à 75%, soit plus de 130000 tonnes supplémentaires.

En parallèle, Constellium cherche à stimuler le recyclage de quatre manières distinctes :

• en travaillant avec les parties prenantes pour améliorer les taux de collecte des déchets ;
• en collaborant avec des partenaires pour améliorer l’efficacité des techniques de tri ;
• en créant avec les clients des boucles fermées de recyclage plus performantes ;
• en élargissant la gamme de déchets acceptables pour le recyclage, notamment en développant des alliages et des procédés plus tolérants à la matière recyclée.

La capacité à absorber des déchets existants et variables ainsi que l’aptitude à être recyclé deviennent, au même titre que les propriétés, des critères à prendre en compte dès la conception d’un nouvel alliage d’aluminium. La plupart des compositions d’alliages utilisées aujourd’hui ont été développées il y a plusieurs dizaines d’années, alors que la prise de conscience de l’impact des activités de l’homme sur la nature n’était pas aussi forte qu’aujourd’hui. Avec les problématiques de développement durable, c’est une nouvelle métallurgie qui est en train de voir le jour, riche de nombreux sujets de recherche[2]. On peut citer en exemple la nécessité de développer des alliages capables d’absorber les déchets issus des blocs moteurs des voitures thermiques en fin de vie dont le nombre (et donc le besoin matière) est amené à décroitre avec l’électrification du parc automobile.

Références :
1‐ Constellium sustainability report 2022
2‐ D. Raabe, The science of “dirty” alloys, Progress in Materials Science, 2022

Les terres rares (TR) sont les éléments chimiques du tableau périodique compris entre le lanthane et le lutétium. Elles se divisent en TR légères (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm) et TR lourdes (Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Les TR légères et lourdes représentent respectivement 98% et 2% des TR des minerais.

Grâce à leurs configurations électroniques, les TR possèdent de nombreuses propriétés (magnétiques, redox, optiques et physiques) qui les rendent uniques. Grâce aux propriétés magnétiques, les aimants permanents à base de TR sont les plus performants, tant en force magnétique qu’en stabilité (température maximale d’utilisation).

Ces aimants se retrouvent dans beaucoup d’applications comme les moteurs électriques (véhicules électriques ou éoliennes), les pompes, les compresseurs, les climatiseurs et les équipements électroniques et robotiques. Actuellement, 70 à 80% des véhicules électriques et 100% des éoliennes « offshore » fonctionnent grâce aux aimants à TR. L’indispensabilité des TR dans ces applications essentielles pour le développement de la mobilité verte, la transition énergétique et le développement digital, justifie leur classement comme matériaux critiques et stratégiques pour l’Europe dans le « Critical Raw Materials Act » publié en mars 2023.

Solvay a au coeur de sa vision et de sa stratégie le développement de solutions durables pour accomagner la transition énergétique, la mobilité verte et lutter contre le réchauffement climatique. Forte de ses décennies d’expertise dans le domaine de l’approvisionnement, la séparation, la purification et la formulation de produits complexes et sur mesure à base de TR, « Solvay Terres Rares » contribue à la stratégie du groupe mais aussi à celle de l’Europe grâce au lancement d’un projet en 2022 visant à produire en France les TR purifiées et nécessaires au marché des aimants permanents, de l’hydrogène, de l’électronique et du médical. Dans le cadre de ce projet, un de nos objectifs est de sécuriser l’accès à ces TR. En raison des quantités limitées d’aimants à recycler actuellement, deux stratégies complémentaires d’approvisionnement sont appliquées :

• Le développement de partenariats avec des mines hors Chine pour s’approvisionner de TR d’une façon durable et responsable. Cet approvisionnement hors Chine contribue à la politique Européenne de regain de la souveraineté de l’Europe vis‐à‐vis de l’accès aux matériaux critiques et stratégiques, aujourd’hui centralisé en Chine pour les TR.
• Le recyclage des aimants issus des équipements en fin de vie, une mine urbaine dont l’exploitation contribuera à la préservation des ressources naturelles.

Dans cet exposé, nous focaliserons sur le recyclage des TR et en particulier des TR issues des aimants. Nous montrerons que les TR recyclées présenteront les mêmes performances que celles des TR primaires.