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Les énergies du XXIe siècle

Économie circulaire des énergies bas-carbone


L’économie circulaire consiste à repenser nos modes de production et de consommation en optimisant l’ensemble du cycle de vie des produits, en prenant en compte les aspects technologiques, sociétaux et économiques. Le CEA applique aujourd’hui ces principes à ses recherches sur les énergies et plus largement sur les technologies de la transition énergétique. 

Publié le 22 juin 2021
La consommation de matières premières croît partout dans le monde, de même que l’énergie utilisée pour les transformer. Aujourd’hui, une matière peut être extraite en Afrique, transformée en Chine, utilisée en Europe.
L’économie circulaire consiste à repenser nos modes de production et de consommation en optimisant l’ensemble du cycle de vie des produits, en prenant en compte les aspects technologiques, sociétaux et économiques

Si les producteurs ont un rôle primordial à jouer en utilisant des matières premières produites de façon responsable, avec des procédés propres et sobres en énergie, il en est de même pour le consommateur. Il sera amené à changer son rapport aux objets, avoir une plus grande exigence sur leur provenance et leurs modes de fabrication, et privilégier le local. Mais pour que l’économie circulaire devienne une réalité, il faut développer de nouveaux modèles économiques et de nouvelles réglementations.

La filière nucléaire a développé une économie circulaire du cycle du combustible avec une industrie majoritairement implantée en France, une optimisation des procédés, un recyclage des matières et une gestion de la fin de vie des déchets. Fort de son expertise dans ce domaine, le CEA applique aujourd’hui ces mêmes principes à ses recherches sur les énergies renouvelables et plus largement sur les technologies de la transition énergétique. 

Concrètement, l’économie circulaire, ça consiste en quoi ?

Les principes de l’économie circulaire s’articulent autour de trois grands axes :

  • Réduire ;
  • Prolonger ;
  • Recycler.

Réduire

En amont de la production, l’écoconception permet de : 

  • minimiser la quantité de matières notamment critiques et toxiques ;
  • de développer des procédés de fabrication sobres en énergie et moins polluants et dont les produits finaux seront plus facilement recyclables.

À ce titre, le CEA mène des recherches sur l’impression 3D pour la fabrication de certaines pièces. Les objectifs sont de limiter les rebuts de fabrication, concevoir des pièces impossibles à usiner « classiquement » ayant un intérêt fort en termes de fonctionnalité. Par exemple, dans le cas de pièces mécaniques, il est possible de les alléger par leur design, en déposant la matière exactement là où elle est indispensable à la tenue mécanique. Dans le cycle nucléaire français, le changement de technologie effectué pour la fabrication du combustible a permis de diviser la consommation d’énergie d’un facteur 50

Fabrication additive 3D. Prototypage d'une pièce métallique à partir d'un fichier CAO
Prototypage d'une pièce métallique par fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, à partir d'un fichier CAO (plateforme Samanta, CEA Paris-Saclay) © P.Stroppa / CEA

Prolonger

Il s’agit ensuite de prolonger la durée de vie des objets soit en les réparant, soit en leur offrant une seconde vie. Ainsi les batteries utilisées dans les voitures dont les performances ont été réduites par les nombreux cycles de charges/décharges, pourraient être réaffectées à du stockage stationnaire d’énergie. Dans le nucléaire, la durée de vie d’une installation est réévaluée tous les 10 ans. Si tous les voyants liés à la sûreté-sécurité sont au vert, la vie de l’installation est prolongée.

Recycler

Lorsqu’ils arrivent en fin de vie, les objets doivent être mieux recyclés. Cela signifie : 

  • optimiser leur collecte ;
  • séparer et récupérer les matériaux qui les composent ;
  • trouver des applications pour donner de la valeur à la matière recyclée.

Les technologies de séparation des éléments développées au CEA pour le nucléaire sont aujourd’hui appliquées aux batteries pour récupérer le lithium et d’autres éléments de la cathode comme le cobalt ou le nickel. Des travaux sont aussi menés pour recycler le silicium des panneaux solaires ou les terres rares des aimants permanents.


Recyclage batterie - Réacteur chimique 5 litres, pour le traitement de déchets par voie hydrométallurgique
Recyclage batterie - Réacteur chimique 5 litres, pour le traitement de déchets par voie hydrométallurgique (CEA Grenoble) © D.Guillaudin / CEA

L'énergie circulaire du carbone

L’objectif de neutralité carbone inscrite dans la loi française, vise une réduction des émissions de CO2 en France à 80 MtCO2eq en 2050 contre 445 MtCO2eq émises en 2018

Or une partie de ces émissions, liée à l’utilisation de ressources fossiles dans les secteurs de la chimie, de l’acier et des carburants, ne peut être évitée, notamment parce que ces produits contiennent du carbone. Pour valoriser les émissions de ces industries, une solution consisterait à capter et réutiliser le CO2 qu’elles contiennent. 

Le CEA explore trois pistes : 

  • faire réagir l’hydrogène et le CO2 pour produire des carburants liquides ou gazeux, 
  • convertir directement le CO2 en produits chimiques à partir d’énergie lumineuse et électrique en s’inspirant par exemple de la photosynthèse des plantes, 
  • utiliser les microorganismes biologiques comme les microalgues pour produire des biocarburants de 3e génération. 
Mise au point de procédés de recyclage de matériaux à haute valeur ajoutée
Mise au point de procédés et matériaux à haute valeur ajoutée : recyclage de métaux à partir de batteries Lithium-ion, synthèse et caractérisation de matériaux hybrides, récupération et séparation de métaux nobles (CEA Marcoule) © S.Le Couster / CEA