Des fabricants automobiles qui doivent s’arrêter de produire, des constructeurs immobiliers en panne de châssis de fenêtres, des électriciens avec des délais de conducteurs en cuivre impossibles, des pots catalytiques en panne faute de catalyseurs… la liste des incidents de production dans l’industrie s’allonge et le conflit russo-ukrainien ne va pas arranger les choses.
Les métaux de la transition énergétique
L’objectif de « zéro carbone » en 2050 en Europe accélère le recours aux énergies renouvelables comme l’éolien, ou le photovoltaïque et pour les transports la vente de véhicules électriques.
Si cette stratégie va réduire la dépendance de l’Europe au pétrole elle va sans doute en créer une nouvelle aux matériaux critiques (1). En effet une éolienne offshore utilise près de 20 000 kg/MW de métaux, le cuivre en majorité, mais aussi l’aluminium, l’acier et des métaux plus rares comme le néodyme mêlé au fer et au bore avec des ajouts de dysprosium et de praséodyme pour ses aimants permanents (2). L’éolienne terrestre en contient deux fois moins par MW mais tout de même huit fois plus qu’une centrale thermique au gaz. Les panneaux solaires sont à peu près tous basés sur le silicium qui reste abondant mais contiennent aussi des dopants comme le gallium, le germanium, l’indium et pas mal de kilogrammes de cuivre et d’aluminium. La voiture électrique contient cinq fois plus de métaux critiques que la voiture thermique, dont le cuivre mais aussi des alliages de terres rares (Nd, Dy, Pr) pour ses nombreux moteurs électriques. Il faut aussi compter les batteries lithium-ion qui contiennent du lithium mais aussi du cobalt, du nickel du manganèse (3). S’y ajoutent les circuits électroniques dont les transistors de puissance (LDMOS) ont des circuits imprimés riches en cuivre étain et argent et quelques contacts en or (1%). Sachant que rien qu’en France l’objectif de l’énergie éolienne de 34 GW se traduit en 50 000 t de métaux dont plus de 20 000 t de cuivre /molybdène et 1 500 t de terres rares ! En multipliant par la puissance à installer en Europe, on arrive à des valeurs astronomiques.
Les prévisions des experts
Suivant un scénario visant à rester en dessous des 2°C de réchauffement global en 2100, les projections sont instructives. Le tableau des besoins en 2050 montre qu’il faudrait annuellement multiplier par 4 à 30 les productions annuelles de 2021 !
| Métal | aluminium | cuivre | nickel | lithium |
| Besoins en Mt | 200 | 80 | 24 | 3 |
| Production annuelle en Mt | 64 | 21 | 2,5 | 0,1 |
On découvre que pour atteindre les objectifs de neutralité carbone au cours de la seconde moitié de ce siècle de grandes infrastructures de production, de stockage et de transport de l’énergie doivent être construites or elles affichent une « intensité matière » bien supérieure à celles des technologies conventionnelles utilisant les combustibles fossiles (4). Une étude portant sur les véhicules légers (actuellement 1,2 milliard en circulation) prévoie un doublement d’ici 2050 et majoritairement électriques. Sachant que nos véhicules contiennent déjà 10 à 20 kg de cuivre, les véhicules électriques en contiennent quatre fois plus. Selon les extrapolations il faudra 200 à 400 Mt de cuivre soit 10 à 20 années de production annuelle pour le seul domaine du transport.
C’est pourquoi dans le dernier rapport de Philippe Varin (5) plusieurs métaux stratégiques sont cités comme devenus critiques : le cuivre, le cobalt, le lithium. S’y ajoutent le nickel, l’étain, le tungstène, les trois lanthanides déjà citées (Nd, Dy, Pr) dont la criticité avaient déjà fait l’objet d’alertes de la part des métallurgistes et du BRGM (6).
Un aspect économique et géopolitique
Pour faire face au nouveau business des véhicules électriques, de nombreuses « gigafactories » se créent partout en Europe pour s’affranchir de la concurrence asiatique. Elles engendrent une forte tension sur les marchés des matériaux. Le cuivre atteint 10 000 $ /t, le nickel 43 000 $/t, l’aluminium a battu son record à 3 000 $/t et le lithium a augmenté de 500% en deux ans à 60 000 €/t. En ces domaines la dimension géopolitique intervient et l’accès aux contrats de marchés à moyen ou long terme est très difficile avec des pays dominant le marché. Le cobalt par exemple est fourni à 66% par la République démocratique du Congo, les terres rares par un consortium chinois qui a 90% de la production mondiale, le Chili et le Pérou fournissent 40% du cuivre, l’Australie et le Chili couvrent 60% du marché du lithium. L’Indonésie et les Philippines vendent l’équivalent de 30% du nickel. C’est dire que l’Europe est particulièrement pauvre en ressources minières exploitées. Ceci se retrouve notamment pour la fabrication des packs de batteries pour l’automobile ; l’Europe ne produit que 1% des métaux bruts nécessaires et à peine 8% des matériaux raffinés et graphite pour électrodes et donc est obligée de les acheter en Chine (66%) ou à d’autres pays en Asie (13%).
Quelles solutions pour l’Europe et la France ?
Investir dans les productions minières existantes et rentables au Portugal pour le lithium, en Pologne en Espagne et en Bulgarie pour le cuivre, en Nouvelle Calédonie (France) pour le nickel, relancer la production minière en France et en Europe, le tungstène dans les Pyrénées où la France fut jusqu’en 1988 le 3e producteur mondial, le plomb dans le Massif Central, l’antimoine en Bretagne, où toutes ces mines furent fermées dans les années 1990 faute de rentabilité (7), la fièvre haussière des métaux qui risque de durer devrait permettre de trouver de nouveaux investissements, à condition que l’acceptabilité minière soit meilleure que le rejet des éoliennes ! L’exploitation des ressources géothermales profondes qui peuvent fournir de l’énergie et du lithium séparé des eaux thermales en Alsace et en Allemagne est devenue très rentable (8). Une autre solution est de prendre des parts dans les entreprises minières dans les pays qui disposent de réserves importantes en Afrique, en Australie, en Amérique latine comme l’a fait depuis longtemps la Chine. Encore une autre solution est le recyclage (9), car contrairement aux combustibles fossiles, les métaux primaires ne sont pas perdus et peuvent être réutilisés après usage. C’est largement le cas pour le fer, l’aluminium et le cuivre. Pour les autres métaux présents dans les nouvelles et hautes technologies le potentiel de recyclage est limité par leur concentration dans les produits en fin de vie et le cout en énergie et en procédé pour que les métaux récupérés restent compétitifs par rapport au cout de la production primaire. Les exemples des déchets et équipements électriques et électroniques (DEEE) et des batteries lithium-ion sont illustratifs. On opère souvent par tri puis broyage et pyrométallurgie qui détruit les plastiques et ensuite hydrométallurgie qui sépare les métaux. Pour les premiers, il faut que la concentration des métaux comme l’argent, le cuivre et l’or soit du même ordre que celle des ressources minières pour être rentable. Pour les seconds (les batteries), si le traitement des batteries des smartphones et ordinateurs est économiquement rentable grâce à leur teneur en cobalt, pour celles de l’automobile les teneurs plus faibles en cobalt, où il est souvent remplacé partiellement par le nickel et le manganèse voire par le phosphate de fer, rendent difficile un traitement industriel d’ensemble et sa rentabilité.
Le rapport Varin remis en janvier aux Ministères de la Transition énergétique et de l’Industrie a permis à l’État de prendre des mesures. Un observatoire des métaux critiques va être créé avec le Bureau de recherche géologique et minière (BRGM), un nouveau délégué interministériel pour la sécurisation des approvisionnements sera nommé et plus de 500 M€ seront consacrés à des appels à projets. Deux plateformes consacrées aux recyclages sont d’ores et déjà décidées, l’une à Dunkerque pour les batteries lithium et l’autre à Lacq pour le recyclage des terres rares des aimants permanents (on se rappellera avec douleur qu’en 2016 Solvay avait fermé à la Rochelle l’unité de séparation des terres rares où un savoir-faire plus que cinquantenaire existait !) les temps changent, les industries s’adaptent, les métaux critiques seraient-ils une nouvelle richesse ? La chimie est en première ligne (10).
Jean-Claude Bernier
Mars 2022
Pour en savoir plus :
(1) Ces matériaux si rares pour la transition énergétique, J. Lefebvre, J.-C. Bernier et N. Baffier, série Chimie et… en fiches, Mediachimie.org
(2) Les terres rares, un enjeu global, Y. Dubosc, revue Chimie Paris
(3) Stocker l’énergie pour communiquer in La chimie dans les Technologies de l'Information et de la Communication, collection Chimie et... Junior, EDP Sciences, Fondation de la Maison de la Chimie
(4) Les matériaux stratégiques pour l’énergie, B. Goffé, Colloque chimie et enjeux énergétiques
(5) France 2030 : Le rapport "Varin" sur la sécurisation de l’approvisionnement en matières premières minérales remis au Gouvernement, Site Minéral Info, République Française
(6) Le nouveau tableau de Mendeleïev du World Metal Forum
(7) La France, nouvel Eldorado ? J.-C. Bernier, revue Actualité chimique
(8) Géothermie et batteries : quel rapport ? J.-C. Bernier , éditorial, Mediachimie.org
(9) Imitons la nature pour recycler les métaux,, J. Lefebvre, J.-C. Bernier et N. Baffier, série Chimie et… en fiches, Mediachimie.org
(10) Les chimistes dans les énergies nouvelles face au développement durable F. Brénon et G. Roussel, série Les chimistes dans..., Mediachimie.org
Crédit illustration : Cerro Colorado - Gabri Solera – Flickr - Licence CC BY-NC-ND 2.0
Le grand oral du bac est une épreuve du baccalauréat qui évalue votre capacité à prendre la parole en public de façon claire et convaincante : solidité des connaissances, qualité de l’argumentation et de la démonstration,capacité à argumenter, à relier les savoirs et à convaincre, gestion de la prise de parole.
Vous déterminez deux questions sur lesquelles vous travaillez durant l’année et vous présenterez le jour de l’examen l’une des deux, sélectionnée par le jury (5 minutes) avant d’échanger avec le jury sur la question (10 minutes). Enfin la dernière partie de l’épreuve (5 minutes) est dédiée à votre projet d’orientation.
Les questions que vous devez présenter doivent être en lien avec vos deux spécialités, soit prises isolément, soit abordées de manière transversale. Avant tout, vous cherchez un thème qui doit vraiment vous intéresser et vous questionner. Le plus simple pour réussir à trouver des bons sujets, c'est de les lier à vos projets d'orientation.
Pour réussir ce grand oral, il est aussi nécessaire de vous entraîner et de vous saisir des opportunités de vous exercer à l'oral.
Pour vous aider à vous construire des bases solides, les équipes de Mediachimie se sont associées avec l’éditeur Nathan pour la création de dossiers complets proposant des problématiques en lien avec la chimie. Les différents thèmes abordés dans ces dossiers sont en lien à la fois avec les enseignements de spécialité de terminale et les problématiques actuelles dans lesquelles la chimie joue un rôle primordial.
Retrouvez ici les dossiers Grand Oral.
Nous consommons sans vraiment nous en apercevoir des kilogrammes de métaux. Nos automobiles sont lourdes d’acier et d’aluminium, la structure de nos ponts est riche en acier, nos canettes de coca ou de bière sont des enveloppes fines d’aluminium ou d’acier.
Avec le rebond de l’activité industrielle après la pandémie, les productions des deux principaux métaux sont reparties à la hausse en 2021. 1,95 milliard de tonnes pour l’acier (dont 1 milliard pour la Chine) et 64 millions de tonnes pour l’aluminium (dont 26 pour la Chine). Ces productions s’accompagnent d’émissions de gigatonnes de gaz carbonique (1). Les experts calculent que ces deux industries métallurgiques représentent entre 7 et 9 % des émissions planétaires.
Un peu de chimie
On peut comprendre facilement que la réduction des oxydes, que sont les minerais, par le carbone produit du CO2.
Pour l’acier (2a et 2b) et donc le fer, la réduction se fait dans des hauts fourneaux. Le minerai mélangé au coke dans le haut du fourneau, rencontre en descendant le gaz réducteur CO qui résulte de la réaction entre l’air chaud insufflé par le bas de la cuve à haute température suivant la réaction
2C + O2 → 2CO. Les réductions observées sont :
En dessous de 620°C : 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
Entre 620° et 950°C, on observe Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
Puis au-dessus de 950°C : FeO + CO → Fe + CO2
Au sein du haut fourneau, à haute température, le monoxyde de carbone est régénéré à chaque fois que CO2, produit par les réactions précédentes, rencontre une couche de coke selon l’équilibre, dit de Boudouard, C + CO2 →2 CO.
La fonte, fer liquide ayant dissout un peu de carbone, coule dans le bas de la cuve vers 1800 °C. Les gaz ressortent en haut du haut fourneau et contiennent entre autres du dioxyde de carbone. Finalement, pour une tonne d’acier se dégagent 2,2 tonnes de CO2.
Pour l’aluminium, après traitement préalable du minerai (la bauxite) afin obtenir l’oxyde Al2O3, la réduction finale se passe en milieu fondu. Al2O3 est dissout dans un bain fluoré contenant la cryolithe AlNa3F6 et du fluorure de calcium CaF2. L’électrolyse à 960°C conduit au dépôt d’aluminium sur l’électrode de graphite et la réaction s’écrit 2 Al2O3 + 3 C → 4 Al + 3 CO2.
Le procédé conduit à l’émission d’environ 4 tonnes de CO2 par tonne d’aluminium auxquelles il faut ajouter l’empreinte carbone des 12 à 14 MWh nécessaires à l’électrolyse. On comprend donc dans la perspective de la neutralité carbone en 2050 que la recherche et le développement de procédés émettant moins de CO2 soient d’actualité.
L’acier vert
Plusieurs voies sont ouvertes pour diminuer les rejets de CO2 :
- La réduction directe du minerai (DRI ou Direct Reduction Iron) par des gaz chauds à 900°C, gaz naturel (méthane, CH4) ou hydrogène H2 (3) selon :
Fe2O3 + 3 H2 → 2 Fe + 3 H2O ou Fe2O3 + CH4 → 4 Fe + 2 H2O + CO - Si l’hydrogène est vert (4) ou peu carboné (5) la réduction d’émission est supérieure à 80% et pour le gaz naturel à plus de 50%. Les éponges de DRI sont ensuite fondues et purifiées au four à arc électrique.
- L’injection de gaz ou d’hydrogène dans le haut fourneau ou la réinjection d’un mélange CO + H2 permet de réduire de 20 à 30% les émissions.
- La capture et le stockage du CO2 à la sortie du haut fourneau (CCUS ou Carbon Capture Utilization and Storage) permet un gain de 63% sur les émissions.
- Ou mieux encore convertir les gaz sidérurgiques CO et CO2 en éthanol par bio transformation.
De nombreux projets voient le jour en Europe, ArcelorMittal compte investir 10 Mrds € d’ici 2035 pour réduire d’au moins 30% son empreinte carbone. Déjà le consortium Hybrit a fourni au constructeur Volvo en Suède 25 tonnes d’acier vert par réduction directe (DRI) de minerai fourni par le minier LKAB et de l’hydrogène fourni par hydroélectricité de Vattenfall. La France n’est pas mal placée avec l’association Arcelor-Air liquide et le nucléaire pour produire l’hydrogène bas carbone. Il n’en reste pas moins que les volets énergétique et financier sont de vrais casse-têtes. On estime que la décarbonatation du secteur exigera plus de 50 Mrds€ d’investissement et près de 400 TWh d’électricité renouvelable dont 250 pour produire 6,5 millions de tonnes d’hydrogène. Devant cette énorme défi les sidérurgistes rappellent qu’ils sont déjà les champions de l’acier vert puisque plus de 45 % des ferrailles sont recyclées dans les fours à arc électrique, qui certes consomment du carbone, mais n’émettent que 0,3 à 0,6 tonne de CO2 au lieu de 2,2 tonnes pour l’acier brut.
L’aluminium vert
Pour la France Péchiney a été historiquement le berceau de la production (6a et 6b) et (7) avec des cuves d’électrolyse dont il a été le leader pendant longtemps et une production d’aluminium dans les vallées alpines et pyrénéennes profitant de l’électricité issue des barrages hydrauliques de montagne ce qui « verdissait » sa production avant l’heure. Le procédé Hall-Héroult, malgré les progrès sur le rendement électrique atteignant près de 95% sur les dernières cuves C 60, arrive dans ses ultimes années car même avec un mix électrique français favorable on émet 3,5 t de CO2, par tonne d’aluminium, auquel il faut ajouter l’énergie du procédé Bayer pour obtenir l’alumine à partir de la bauxite (7). Dès la fin des années 90, le centre de recherches de Voreppe près de Grenoble se lançait dans l’étude d’électrodes inertes pour remplacer celles en carbone, d’abord métalliques puis céramiques non attaquables dans les bains fluorés (8). Après le rachat de Pechiney par Alcan puis Rio Tinto ces études se sont poursuivies et viennent d’aboutir avec une coentreprise ELYSIS entre Alcoa et Rio Tinto à la construction de cuves prototypes avec des cathodes en cermet comportant une ferrite de nickel substituée capable sous une tension de quelques volts et une intensité de 450 kA, de fournir un aluminium sans carbone. En effet, en l’absence d’électrode en graphite, au sein de l’électrolyseur et en milieu cryolithique fluoré, la réaction est alors Al2O3 → 2 Al + 3/2 O2. De plus, le courant électrique provient des centrales hydrauliques canadiennes, ce qui est une véritable révolution technologique.
Ici encore n’oublions pas que le recyclage de l’aluminium (9) est très important puisque l’aluminium de deuxième fusion représente près de 60% de la production en France en émettant 3 à 10 fois moins de CO2 que l’aluminium primaire et mérite le label « vert ».
Ce recyclage est d’autant plus nécessaire que le coup d’État en Guinée (2e producteur mondial de bauxite après l’Australie) menace l’approvisionnement en bauxite et que la Chine a également nettement diminué sa production en arrêtant un certain nombre de centrales électriques au charbon et en confinant, cause pandémie, une partie de la province chinoise produisant 20 % du métal. Le cours de l’aluminium a ainsi dépassé les 3000 $ /t, son record.
Vite à vos poubelles de couleur pour le tri des canettes et capsules…
Jean-Claude Bernier et Françoise Brénon
Février 2022
Pour en savoir plus
(1) Le dioxyde de carbone, matière première de la vie (dossier pédagogique Nathan / Mediachimie)
(2) (a) La recherche de la composition de l’acier à la fin du XVIIIe siècle ; (b) Aciers sur le site L’Élémentarium
(3) L’hydrogène, une source d’énergie pour le futur (Chimie et… en fiches, Mediachimie.org)
(4) Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? (question du mois, Mediachimie.org)
(5) Zoom sur les derniers résultats de la production d’hydrogène « décarboné » (Mediachimie.org)
(6) (a) Les débuts de l’industrie de l’aluminium et (b) Aluminium sur le site L’Élémentarium
(7) Comment faire des casseroles avec la bauxite : l’électrolyse (Réaction en un clin d’œil, Mediachimie.org)
(8) L’électrolyse et les applications industrielles (dossier pédagogique Nathan / Mediachimie)
(9) Recyclage et valorisation des déchets Revue Chimie Paris n°340
Source illustration : PxHere, licence CC0
Si vous vous n’avez pas eu l’opportunité de suivre en direct le colloque Chimie et Notre-Dame le 9 février 2022, vous pouvez en retrouver l’intégralité en différé sur la page Youtube de Mediachimie.
La captation des conférences sera par la suite disponible en ligne et leur mise à disposition sera indiquée sur la page d'accueil de Mediachimie.
En savoir plus sur le colloque
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Dans quelques semaines, l’Europe devra confirmer la proposition de la Commission européenne d’ajouter à titre transitoire le nucléaire et le gaz naturel sur la liste des énergies « vertes » (1) en raison de « leur potentiel à la décarbonisation de l’économie ». Cette prise de position d’introduire ces deux sources d’énergie dans la taxinomie verte comme apportant une contribution substantielle à l’atténuation du changement climatique leur ouvre l’accès à des subventions et de meilleures conditions de financements grâce à des aides publiques et européennes.
Cette annonce, qui en a surpris plus d’un, est due à une réflexion réaliste d’experts sur la difficulté d’atteindre l’objectif européen de zéro émission de CO2 en 2050 (2). En effet, même si le nucléaire est un peu moins vertueux que l’hydraulique, les émissions de CO2 par l’énergie nucléaire et par les renouvelables sont très comparables (voir tableau).
| Source | Charbon | Fioul | Gaz | Photvoltaïque | Géothermie | Éolien | Nucléaire | Hydraulique |
| masse / g de CO2, par KWh | 1060 | 730 | 418 | 55 | 45 | 7 | 6 | 5,7 |
Tableau : Émissions de CO2 en grammes par KWh suivant les filières de production*
*source : base carbone ADEME –émissions directes et indirectes à la production
Les raisons d’une évolution
On voit donc que le lobby français, bien appuyé par les laboratoires des climatologues du CEA et soutenu par au moins 8 pays riches en centrales à charbon a réussi à vaincre les réserves émises par 3 ou 4 pays opposés au nucléaire. Le paradoxe est cependant l’accord de l’Allemagne qui en 2022 met fin à ses derniers réacteurs nucléaires, accord obtenu à la condition d’introduire, à côté du nucléaire, le gaz naturel puisqu’outre-Rhin la cinquantaine de centrales au charbon (3) doivent être remplacées par des centrales au gaz et encore plus de centrales éoliennes ou solaires d’ici 2050.
Réfléchissons aux facteurs divers, technologiques, physiques et économiques qui ont pu peser sur cette décision :
- La promesse ou même la nécessité de ne plus avoir recours au charbon pour plusieurs pays notamment dans l’Est de l’Europe et donc l’obligation de remplacer les centrales thermiques au charbon par des réacteurs nucléaires ou des centrales au gaz, même si ces dernières accentuent leur dépendance d’approvisionnement à leur grand voisin russe.
- La baisse de la production d’électricité d’origine renouvelable en Allemagne en 2021 malgré les nouvelles installations d’éoliennes et de parc photovoltaïques. En effet on observe une baisse de près de 10% de part du renouvelable dans le mix électrique passant de 45,3% en 2020 à 42% en 2021. Cette baisse est attribuée aux conditions météorologiques faisant douter les partisans du tout renouvelable (4).
- Une évidence physique, la concentration énergétique de l’uranium. Quand 1 gramme d’uranium enrichi à 4% en 235U libère par fission une énergie de 2,9 109 joules soit 70 fois plus que 1 kg de fioul il est clair que la réserve d’énergie de la matière première du nucléaire (5) est super intéressante. Prenons quelques exemples comparatifs. Une éolienne de 3MW (les plus courantes) avec un taux de charge de 25% fournit par an 6,6 106 KWh, alors qu’il suffit d’environ 8 kg d’uranium pour la même production. Un réacteur nucléaire de 900 MW peut fournir 12 TWh/an, pour cette production il faudrait alors 1800 éoliennes. Quand on sait qu’en France leur acceptabilité est de plus en plus contestée, on conçoit qu’une réflexion réaliste sur la concentration d’énergie comparée aux sources diffuses soit en cours (6).
La situation en France
La France a toutes les raisons pour relancer un programme nucléaire. Bien que disposant de 54 réacteurs la situation d’EDF n’est pas très brillante plusieurs sont en arrêt pour grand carénage et près du quart d’entre eux vont devoir être soumis à examen des circuits secondaires pour suspicions de corrosion. La production nucléaire a représenté environ 318 TWh soit 67% des 475 TWh de l’électricité en 2021. La prévision de construire plusieurs EPR 2 est évoquée ainsi que la prolongation possible de la durée d’utilisation de certains réacteurs (jusqu’à 60 ans de service). RTE après plusieurs années de larges concertations a remis au gouvernement un « rapport sur les futurs énergétiques 2050 ». Plusieurs scénarios sont évoqués. Car la demande d’électricité va augmenter si on limite ou supprime le recours aux ressources fossiles pour la neutralité carbone. En 2050 si la réindustrialisation nationale grâce au plan de relance se poursuit, le nombre de véhicules électriques se chiffrera à plusieurs dizaines de millions (7) et la conversion à l’hydrogène exigera de nombreux électrolyseurs (8), les experts extrapolent en 2050 des consommations entre 645 et 750 TWh. En prenant en compte un scenario dit de sobriété avec la multiplication du télétravail, l’isolation renforcée des bâtiments, moins de voyages et déplacements, etc…, ce qui n’est pas un retour à la bougie mais un changement profond de nos habitudes, on aboutit à un bilan médian tout de même de l’ordre de 600 TWh. C’est donc que la neutralité carbone passe par un recours à un mix renouvelable – nucléaire d’autant que parmi les solutions modélisées le recours à un mix où le nucléaire est de l’ordre de 50% de la production électrique coûte 18 milliards de moins que le tout renouvelable.
La recherche et le développement technologique
Cela implique cependant que la France renoue avec son leadership des années 70 en la matière en améliorant la technologie des EPR2 à la lueur des défauts constatés à Flamanville et Hinkley Point et la standardisation des éléments et en accélérant les investissements pour le SMR (Small Modular Reactor) français Nuward, de 2 fois 170 MW, dérivé des réacteurs navals embarqués, avec une technologie d’eau pressurisée que l’on maîtrise bien et la possibilité de le proposer en remplacement des centrales thermiques européennes en utilisant le même réseau de distribution électrique. N’est-il pas trop tard pour « réinventer notre industrie nucléaire » prônent certains Cassandre ? Chinois, Américains et Russes ont déjà des modèles commercialisables et aussi des réacteurs à neutrons rapides prêts à se connecter au réseau alors que des errements politiques depuis les années 80 ont réduit à néant notre avance acquise sur « Phénix » et plus récemment sur « Astrid ». Une nouvelle prise de conscience de nos qualités en recherche et en technologie et « l’urgence climatique » divine surprise, peuvent relancer la filière.
Jean-Claude Bernier
Janvier 2022
Pour en savoir plus
(1) Le challenge de l'électricité verte La chimie, l'énergie et le climat (collection Chimie et junior)
(2) Énergie du futur et préservation des ressources Fiche Chimie et… en fiches (Mediachimie.org)
(3) Faudra-t-il retourner au charbon ? Jean-Claude Bernier, L'Actualité chimique (avril 2010)
(4) Électricité 100% renouvelable : une utopie ? Fiche Chimie et… en fiches (Mediachimie.org)
(5) De l’uranium à l’énergie nucléaire Les incollables (vidéo CEA)
(6) Vitesse de déploiement et acceptabilité des nouvelles technologies dans le domaine des énergies de Grégory De Temmerman, Colloque Chimie et énergie nouvelles, février 2021
(7) Nouveaux véhicules thermiques et électriques : quel impact sur l’environnement ? de Jean-Claude Bernier, Colloque Chimie et énergie nouvelles, février 2021
(8) Qu’est-ce que l’hydrogène vert ? de Françoise Brénon, Question du mois (Mediachimie.org)
Crédit illustration : Jeanne Menjoulet – Flickr - Licence CC BY 2.0
Le cycle des Colloques “Chimie &…” s'enrichit d'un nouvel opus :
Chimie et Notre-Dame : La science au service d'une résurrection
Mercredi 9 février 2022
Maison de la Chimie, 28 bis rue Saint-Dominique, 75007 Paris
Après l’incendie de Notre-Dame de Paris qui, en 2019, nous a tous bouleversés, le Ministère de la Culture et le CNRS se sont mobilisés au côté de l’Établissement public chargé de la conservation et de la restauration de la cathédrale Notre-Dame de Paris créé par l’État et se sont associés dans le cadre d’un grand chantier scientifique pour mettre les compétences et les connaissances des chercheurs d’une cinquantaine de leurs laboratoires au service de la « résurrection » de l’édifice et de ses œuvres d’art. À cette occasion, ces chercheurs se sont aussi donné pour objectif le renouvellement des connaissances sur l’édifice et son histoire.
La chimie est présente aussi bien sur le chantier de restauration que dans ce programme de recherche et d’innovation qui associe archéologues, historiens de l’art, chimistes, physiciens et informaticiens, aux architectes et compagnons présents sur le site.
La Fondation de la Maison de la Chimie a souhaité faire le point sur ce que les sciences de la chimie ont et pourront apporter dans le programme de restauration de la cathé-drale et plus généralement via des innovations dans le domaine des matériaux du patrimoine. Le responsable et les coordinateurs du programme nous ont fait l’honneur non seulement d’intervenir comme conférenciers, mais aussi de nous aider dans le choix des experts pour réaliser cet ambitieux objectif. Nous les en remercions vivement. La vue de l’incendie de Notre-Dame de Paris et son triste bilan ont profondément touché les citoyen de tous âges dans le monde entier.
Ce colloque, qui vise à apporter des informations précises sur le rôle possible des sciences « chimiques » dans la réparation de ce terrible événement et comment la chimie peut contribuer à lui redonner vie, est ouvert à tous les publics, avec une attention particulière aux jeunes et au monde éducatif. Le niveau des interventions se veut accessible à tous.
Bernard Bigot
Président de la Fondation internationale de la Maison de la Chimie
et Directeur Général de l’Organisation internationale ITER
Aller vers la page : Diffusion en direct
Information :
L’accès au colloque est gratuit mais pour participer, l’inscription est obligatoire et se fait uniquement en ligne.
Nous vous informons que pour entrer dans la Maison de la Chimie, vous devrez être en possession d’un Pass Sanitaire ou d’un justificatif de Test antigénique/PCR de moins de 24 heures.
Par ailleurs, le port du masque sera obligatoire dans toute l’enceinte de la Maison de la Chimie.
Le colloque sera également retransmis en direct tout au long de la journée sur la chaîne YouTube de notre médiathèque mediachimie.org pour permettre la participation du plus grand nombre.
La fenêtre qui donnera accès au streaming ne sera ouverte que le jour du colloque.
SI VOUS SOUHAITEZ SUIVRE LE COLLOQUE A DISTANCE, MERCI DE NE PAS VOUS INSCRIRE.
Le déjeuner, compris dans l’inscription, est gratuit mais sous réserve des places disponibles (même si réservé lors de l’inscription), les scolaires étant prioritaires.
Les enseignants souhaitant venir au colloque accompagnés de leur classe sont priés de bien vouloir contacter le secrétariat des inscriptions : p.bridou-buffet@maisondelachimie.com.
Intervenants :
- Bernard BIGOT, Président de la Fondation internationale de la Maison de la Chimie et Antoine PETIT, Président-Directeur Général du CNRS — Introduction
- Sophie AYRAULT, Directrice de Recherches au CEA, Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), Université Paris Saclay — Tracer les plombs de Notre-Dame de Paris par leur signature isotopique et élémentaire.
- Richard BOYER, Directeur Général SOCRA — La restauration des statues en cuivre de la flèche de la cathédrale Notre-Dame de Paris.
- Livio de LUCA - Directeur de l'UMR Modèles et simulations pour l’Architecture et le Patrimoine (MAP), Directeur de recherche au CNRS — Un écosystème numérique pour l’analyse et la mémorisation multidimensionnelle du chantier scientifique Notre-Dame.
- Philippe DILLMANN, Directeur de Recherche - CNRS — Matériaux du patrimoine, compréhension du passé, prévision du futur ; quelques exemples.
- Alexa DUFRAISSE, Chargée de recherche au CNRS, UMR 7209 Archéozologie, archéobotanique : Sociétés, Pratiques et Environnements (ASSPE), CNRS/MNHN, Paris — Mémoire du bois : apport de la chimie à la connaissance de la charpente carbonisée de Notre-Dame de Paris.
- Rémi FROMONT, ACMH - Covalence Architectes et Pascal PRUNET, Architecte en chef des Monuments Historiques — Notre-Dame de Paris, matériaux et construction.
- Général d’armée Jean-Louis GEORGELIN | représentant spécial du Président de la République et président de l’établissement public chargé de la conservation et de la restauration de la cathédrale Notre-Dame de Paris — Le chantier de Notre-Dame de Paris : état et perspectives
- Julien Le BRAS, Président Directeur Général Groupe Le Bras Frère — Charpente de sécurisation des arcs boutants et des voûtes.
- Maxime L’HERITIER, Maître de conférences en histoire médiévale, Université Paris 8, ArScAn CNRS UMR 7041 — L'apport des analyses chimiques à la connaissance des armatures de fer de Notre-Dame de Paris.
- Pascal LIEVAUX - Conservateur général du patrimoine, délégation à l'inspection, à la recherche et à l'innovation, direction générale des Patrimoines et de l'Architecture et Aline MAGNIEN - Conservatrice générale du patrimoine, Directrice du Laboratoire de Recherche des Monuments historiques, Ministère de la Culture et de la Communication — De la chimie des matériaux à l’alchimie des équipes.
- Claudine LOISEL, Ingénieure de recherche, responsable du pôle scientifique Vitrail, Laboratoire de recherche des monuments historiques (LRMH) — La conservation-restauration et la recherche sur les vitraux de la cathédrale Notre-Dame de Paris.
- Witold NOWIK, Chimiste, Ingénieur de recherche, responsable du pôle Peinture murale et polychromie, Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques. et Marie PARANT, Restauratrice de peintures murales, indépendante — Conservation-restauration de peintures polluées par dépôt d’aérosols de plomb.
- Véronique VERGES-BELMIN, Géologue, Ingénieure de recherche, responsable du pôle scientifique Pierre, Laboratoire de recherche des monuments historiques (LRMH) — Conservation des maçonneries endommagées par les sels solubles suite à l'incendie de Notre-Dame de Paris en 2019.
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L’expression « hydrogène à faible empreinte carbone » est plutôt recommandée par le Journal officiel. L’hydrogène jouera sans doute un rôle important dans la transition énergétique. Il possède en effet l’énergie massique la plus élevée des combustibles (1200 MJ/kg) soit trois fois celle de l’essence ; de plus son utilisation dans les piles à combustible avec l’oxygène ne forme en effet que de l’eau sans aucune émission de produits polluants et fait l’objet de nombreux articles et dossiers dans la presse. Il est aussi à ce jour le meilleur moyen de stocker massivement de l’énergie sur une longue durée ce qui permet de répondre à l’intermittence des énergies solaire et éolienne.
Acccéder au Zoom sur les derniers résultats de la production d’hydrogène « décarboné »
Les fêtes arrivent et vous allez peut-être nonchalamment poser votre verre de vin, de champagne ou de Coca-Cola® sur le plateau de marbre qui recouvre un ancien meuble chez vos parents ou grands-parents.
Aïe aïe aïe ! Un anneau rugueux et parfois blanchâtre risque d’apparaitre quand vous allez retirer votre verre si quelques gouttes du précieux liquide ont coulé le long du verre jusqu’à son pied. Mais que s’est-il passé ?
Des boissons légèrement acides
Les vins qu’ils soient blancs ou rouges sont légèrement acides. En effet ils contiennent entre autres les acides tartrique, malique, citrique, lactique et succinique. Les trois premiers proviennent du moût et les deux derniers des fermentations. Le pH est la grandeur qui mesure cette acidité (i). En moyenne il vaut environ 3,3 pour un vin blanc, 3,5 pour un rouge, 3,4 pour un rosé et 3,0 pour un champagne. Quant au Coca-Cola® qui contient de l’acide phosphorique, son pH est voisin de 2,5 pour le classique (ii). De même les jus de fruits comme les jus d’orange ou de citron sont acides. Les boissons gazeuses contiennent de plus une forte concentration en dioxyde de carbone CO2.
Et le marbre, de quoi est-il fait ?
Nous parlons ici du vrai marbre. Le calcaire ou carbonate de calcium (CaCO3) est le principal constituant des marbres. S’ils sont colorés, veinés, ou polychromes comme peut être celui du plateau de votre meuble c’est grâce à la présence d’autres éléments chimiques (iii). Selon les carrières d’où provient le marbre ces éléments sont caractéristiques et font sa renommée, comme le marbre blanc veiné de gris de Carrare ou le rose des carrières de Caunes-Minervois que l’on peut admirer au Grand Trianon dans le parc du château de Versailles…
Quelles réactions avec le marbre ? Il faut distinguer les boissons tranquilles des boissons gazeuses.
Pour les vins et jus de fruits non gazeux
Le calcaire est une base et si un acide l’attaque, il se passe une réaction qui s’accompagne d’un dégagement de dioxyde de carbone. Cela dégrade le calcaire en surface. Appelons RCOOH tout acide présent et la réaction s’écrit :
2 RCOOH + CaCO3 → 2 RCOO- + Ca2+ + CO2 (gaz°) + H2O
Quand vous retirez votre verre, un petit rond creux apparait et la surface du marbre y est devenue un peu rugueuse. La dégradation locale est irréversible. Pour redonner un bel aspect il faudrait repolir le marbre.
Pour le champagne et les boissons au cola, c’est plus compliqué !
Ces deux boissons présentent de plus du dioxyde de carbone dissous. Pour le champagne il s’est formé in situ lors de la fermentation alcoolique en milieu clos (iv). Pour le cola il est ajouté sous pression. À la réaction acido-basique précédente se superposent d’une part une attaque par l’acide phosphorique dans le cas du cola et pour les deux une suite de réactions liées à la forte présence de CO2 dissous.
CaCO3 (contenu dans le marbre) + CO2 (dans la boisson) + H2O → 2 HCO3- + Ca2+
Des ions bicarbonate (HCO3-) (v) et des ions calcium (Ca2+) sont dissous dans l’eau de la boisson et présents à la surface du marbre. Si on laisse s’évaporer l’eau il se forme un dépôt complémentaire. Du carbonate de calcium blanc se reforme avec dégagement de CO2 selon :
2 HCO3- + Ca2+ → CaCO3(s) (dépôt à la surface du marbre) + CO2 + H2O
Mais les conditions de cristallisation de ce carbonate ne sont plus les mêmes que celles géologiques qui ont conduit aux cristaux de calcite du marbre. La trace blanche qui apparait est ainsi du calcaire pulvérulent déposé sur le marbre !
C’est pourquoi il est déconseillé de réaliser un plan de travail en vrai marbre dans une cuisine car le risque de déposer un liquide (vinaigre, vin…) ou un aliment acide (citron, agrume…) est très important. Les plans de travail d’aspect pierre et résistants sont plutôt en granit ou en matériaux de synthèse capable de parfaitement imiter le marbre ! Il existe aussi des « plans de travail mélaminés » : sur le support en bois aggloméré on encolle une feuille décorative imitant le marbre blanc veiné ou de carrare et enduite d'une couche de résine mélamine (vi) polymère thermodurcissable très résistant.
Toutefois des plans de travail en marbre pour cuisine ou coin repas existent et sont traités en surface par imprégnation afin de boucher les pores et laisser en surface une couche hydrophobe à base de silicones. Il est nécessaire de les entretenir, les nourrir et les protéger par des produits adaptés (cire translucide…).
Certains lavabos ou vasques de salle de bain sont en vrai marbre. Le risque est plus faible d’y renverser un liquide acide, mais pensez-y !
Françoise Brénon et l’équipe Question du mois
(i) Le pH dans l’eau varie de 0 à 14. Le milieu est neutre quand le pH vaut 7. Il est acide si pH < 7 et basique si pH > 7.
(ii) À combien s'élève le pH du Coca‑Cola et qu'est-ce que cela veut dire? sur le site Coca-Cola Suisse
(iii) Le calcaire y est présent sous forme de cristaux de calcite, CaCO3, pouvant présenter des structures différentes avec des traces d’autres ions minéraux (manganèse Mn, fer Fe, zinc Zn…).
(iv) Ce sont presque 5 litres de CO2 qui sont piégés dans une bouteille standard créant une pression d’environ 5 à 6 bar. Attention donc de ne pas prendre le bouchon dans les yeux quand il saute ! Pour en savoir plus : Pourquoi y-a-t-il des bulles dans mon champagne ?
(v) L’ion HCO3- a pour nom hydrogénocarbonate mais il est plus connu dans le grand public sous le nom de bicarbonate.
(vi) Le monomère mélamine a pour formule C3H6N6
Pour en savoir plus
Carbonate de calcium / calcite/ calcaire, Produit du jour de la SCF
Zoom sur la vinification, Mediachimie.org
Mesurer le pH d’une solution : des acides, du raisin au vin, dossier Nathan Mediachimie, Mediachimie.org
Crédits illlustration : Tache sur marbre. Source : Françoise Brénon
