Le défi de l'approvisionnement minier essentiel et la promesse de la mer profonde

La transition mondiale accélérée vers une économie à faible intensité de carbone crée une demande sans précédent pour des métaux spécifiques.Les batteries électriques, les éoliennes, les panneaux solaires et l'électronique avancée nécessitent un approvisionnement stable et sûr en nickel, cobalt, cuivre et manganèse.Les opérations minières terrestres sont confrontées à des défis croissants : baisse des teneurs en minerais, augmentation de la consommation d'énergie et d'eau, empreinte carbone importante et risques géopolitiques complexes souvent concentrés dans les régions instables.

L'une des solutions les plus prometteuses et controversées est celle des plaines abyssales de l'océan profond, à des profondeurs comprises entre 4 000 et 6 000 mètres. Ici, de vastes champs de nodules polymétalliques, des concrétions rocheuses de taillepotato riche en manganèse, nickel, cobalt et cuivre, offrent une nouvelle frontière potentielle pour l'approvisionnement en métaux. La zone Clarion-Clipperton (CCZ) dans l'océan Pacifique seulement, est estimée à plus de 21 milliards de tonnes de nodules secs, ce qui représente une base de ressources capable de répondre à la demande mondiale de ces métaux pendant des siècles.

Comprendre les ressources : la composition des nodules polymétalliques

Les nodules polymétalliques ne sont pas une découverte récente; ils ont été identifiés pour la première fois lors de l'expédition HMS Challenger dans les années 1870. Ils se forment sur des millions d'années par une lente précipitation d'oxydes métalliques et d'hydroxydes provenant de l'eau de mer et de l'eau interstitielle des sédiments autour d'un noyau, souvent une dent de requin ou un morceau de coquille.

Bien que la composition exacte varie selon l'emplacement, un nodule typique de haute qualité de la ZCC contient environ 27-30 % de manganèse, 1,2-1,5 % de nickel, 1,0-1,4 % de cuivre, 0,2-0,25 % de cobalt et de petites quantités d'éléments de molybdène, de titane, de lithium et de terres rares. Il s'agit d'un corps de minerai fondamentalement différent de celui des gisements terrestres. Une mine de latérite de nickel pourrait se classer à 1-1,5 % de nickel, sans cobalt ou de cuivre. Une mine de cuivre pourrait produire 0,5-1% de cuivre.

L'impératif environnemental pour les nouvelles méthodes d'extraction

La technologie de base pour la collecte des nodules, souvent appelée « véhicule collecteur », fonctionne comme un gros bulldozer sous-marin ou un aspirateur à distance. Elle traverse le fond marin, récolte mécaniquement les nodules exposés et les pompe jusqu'à un navire de surface par un système de riser. Bien qu'efficace pour le ramassage du minerai, cette méthode présente d'importants inconvénients écologiques. La démolition du fond marin détruit directement l'habitat fragile des organismes benthiques, y compris les coraux, les éponges et les vers polychètes, dont beaucoup sont encore inconnus de la science.

De plus, l'océan profond est un puits de carbone critique. La lente accumulation de matière organique dans la plaine abyssale a séquestré le carbone pendant des millénaires. Des perturbations mécaniques à grande échelle pourraient potentiellement reminéraliser ce carbone organique, le relâchant dans la colonne d'eau et pouvant contribuer à l'acidification des océans.Ces préoccupations ont incité une coalition mondiale de scientifiques et d'ONG environnementales à demander un moratoire sur l'exploitation minière en eau profonde jusqu'à ce que les risques environnementaux soient pleinement compris et des protections efficaces soient en place.

Technologies émergentes pour l'extraction de métaux

La poussée vers une exploitation durable des eaux profondes a catalysé l'innovation sur plusieurs fronts. Ces méthodes émergentes visent soit à traiter les nodules de manière plus efficace à la surface, soit, plus radicalement, à extraire les métaux sans les faire physiquement pénétrer à la surface.

Traitement hydrométallurgique avancé

Les méthodes traditionnelles de traitement des nodules commencent souvent par la pyrométallurgie, ou la fusion, qui réduit le minerai à un matte fondu. Bien que efficace, la fusion est à forte intensité énergétique, nécessite des dépenses en capital élevées et génère des émissions importantes de gaz à effet de serre.

Plusieurs feuilles de flux distinctes ont été mises au point et testées à l'échelle pilote. Le procédé Cuprion ammoniaque de lixiviation utilise une solution de carbonate d'ammonium et d'ions cupreux comme agent réducteur pour lixivier sélectivement le nickel, le cuivre et le cobalt des nodules, laissant le manganèse et le fer dans les résidus. Une autre approche est réduction de la torréfaction suivie d'un lessivage de l'ammoniac, où les nodules sont chauffés dans une atmosphère réducteur (souvent à l'aide d'hydrogène ou de monoxyde de carbone) pour convertir les oxydes métalliques en une forme plus lixiviable, qui est ensuite dissous dans une solution d'ammoniac.

Leaching in situ (exploitation minière à la solution)

La principale solution de l'extraction traditionnelle des métaux en eau profonde est peut-être l'extraction in situ (ISL), également appelée extraction de solutions, qui élimine complètement la nécessité de recueillir et de soulever physiquement les nodules à la surface. Un réseau de puits d'injection et de production serait alors déployé sur les fonds marins à travers un champ de nodules. Un lixiviant soigneusement conçu, solution chimique conçue pour dissoudre sélectivement les métaux cibles, est injecté dans la couche de sédiments perméables contenant les nodules.

Les avantages environnementaux potentiels du LSN sont importants. Il évite les perturbations physiques du fond marin, élimine la production de panaches de sédiments et ne nécessite pas le levage de quantités massives de matériaux solides à la surface. Il pourrait théoriquement fonctionner avec une empreinte de surface beaucoup plus petite. Cependant, les défis techniques sont formidables. Les questions clés sont les suivantes: Le flux de lixiviant peut-il être efficacement contrôlé et contenu dans le dépôt de nodules ciblé dans l'océan profond? La cinétique de réaction peut-elle être obtenue aux basses températures (2-4°C) et aux pressions élevées de la plaine abyssale? Quels sont les risques de fuite du lixiviant dans l'environnement environnant? Bien que encore hautement expérimental, plusieurs groupes de recherche et entreprises, y compris des éléments du consortium de recherche soutenu par la société Metals, ont mené des études préliminaires de laboratoire et de modélisation sur la faisabilité du LSN en haute mer.

Extraction électrochimique

Les deux approches primaires sont l'électroleachage et l'électrojuction. Dans électroleachage, un courant électrique basse tension est appliqué directement à un lisier de nodules broyés dans une solution d'électrolyte. Le courant électrique entraîne la dissolution de composés métalliques spécifiques à l'anode, tandis que les métaux peuvent être réduits et plaqués sur une cathode, produisant un produit en métal pur directement. Ce processus peut être très sélectif, ce qui peut réduire le besoin de phases complexes et coûteuses de séparation en aval.

Le rayonnement électrique[ est déjà une technologie standard en hydrométallurgie terrestre pour la production de cuivre, de nickel et de cobalt à haute pureté. L'innovation consiste à l'associer directement à l'étape de lessivage dans un seul circuit intégré. Un avantage important de ces méthodes est leur intégration potentielle aux sources d'énergie renouvelables.Un navire ou une plate-forme de traitement en mer pourrait être alimenté par des éoliennes flottantes ou des convertisseurs d'énergie à ondes, ce qui permettrait un processus d'extraction à peu près égal à zéro carbone.

Biominage et bioléatisme

La nature offre quelques-unes des solutions les plus élégantes. La biomining utilise des microorganismes, des bactéries, des archéas et des champignons spécifiques, pour catalyser la dissolution des métaux des minerais solides. Cette technologie est déjà utilisée commercialement sur terre pour extraire du cuivre des minerais de sulfure de faible qualité et de l'or des minerais réfractaires.

Le mécanisme implique la réduction microbienne du dioxyde de manganèse (MnO2), qui est la principale phase minérale des nodules. Certaines bactéries et champignons peuvent utiliser le MnO2 comme accepteur d'électrons terminaux dans leur respiration, le réduisant au manganèse soluble (Mn2+). Au fur et à mesure que la matrice d'oxyde de manganèse se dissout, elle libère les ions nickel, cobalt et cuivre piégés en solution.

L'Institut royal néerlandais de recherche sur la mer (NIOZ) et d'autres institutions étudient activement le potentiel de ces microorganismes pour la bioexploitation en eau profonde. Un bioréacteur sur un navire ou une plate-forme flottante pourrait être alimenté par des nodules broyés, de l'eau de mer et un approvisionnement en microbes. Le procédé fonctionne à des températures et pressions ambiantes, ne nécessite pas de produits chimiques sévères et a une empreinte énergétique minimale. Le principal défi est le taux de réaction relativement faible par rapport au lessivage chimique, qui nécessite de grands volumes de bioréacteurs.

Séparation physique sélective

Avant tout traitement chimique ou biologique, les propriétés physiques des nodules peuvent être exploitées. Les nodules sont plus denses et ont souvent des propriétés magnétiques différentes par rapport aux sédiments abyssaux environnants. Des séparateurs magnétiques à haut gradient (HGMS) pourraient être utilisés pour séparer efficacement le minerai des sédiments stériles après une étape de concassage minimale. Ce procédé utilise très peu d'eau et aucun produit chimique, produisant un concentré minéral propre et un flux de sédiments qui pourraient être retournés au fond marin. De même, une séparation dense des milieux ou une flottation de mousse pourrait être utilisée pour améliorer la teneur en nodule avant qu'il ne pénètre dans le circuit d'extraction principal, réduisant ainsi la taille et le coût de l'équipement de traitement subséquent.

Analyse comparative des méthodes d'extraction

Aucune technologie unique n'est une solution universelle. L'approche optimale dépendra d'un compromis entre l'empreinte environnementale, le coût en capital, le coût d'exploitation et la maturité technique.

  • Hydrométallurgie avancée a le niveau de préparation technologique le plus élevé (LRT). Il utilise l'équipement et les principes techniques établis, mais il nécessite un grand navire de transformation, produit des flux de déchets (déchets et effluents) et consomme des produits chimiques et de l'eau.
  • Le leaching in situ offre le plus faible impact sur le fond marin car il élimine entièrement le véhicule collecteur et le système de riser. Cependant, il fait face à des défis d'ingénierie monumentaux en matière de confinement et de contrôle des réactions dans les grands océans et est à un très bas TLR.
  • Les méthodes électrochimiques[ offrent une grande sélectivité et un potentiel de processus très propre et à énergie renouvelable.Elles sont en phase pilote à démonstration et nécessitent une alimentation électrique importante.
  • Le bioming est le plus bénin de l'environnement, utilisant des catalyseurs biologiques naturels dans des conditions ambiantes. Il est actuellement à l'échelle du laboratoire et fait face à des défis en matière de vitesse de réaction et d'évolutivité pour les grands débits.
  • La séparation physique fournit une étape de préconcentration faible en énergie et chimique qui peut bénéficier à toutes les autres méthodes. C'est une technologie simple et robuste qui convient à l'intégration dans n'importe quel flux.

Un scénario probable pour les premières opérations commerciales est un flux hybride : un véhicule de collecte optimisé à faible impact associé à une usine de traitement hydrométallurgique avancée sur un navire. Au fil du temps, les technologies habilitantes matures, in situ ou biomining pourraient supplanter le besoin de collecte physique, ce qui conduirait à une industrie minière en haute mer fondamentalement différente et plus durable.

Les joueurs clés et la course à la commercialisation

La société Metals Company (TMC), par l'entremise de ses filiales NORI et TOML, détient des licences d'exploration dans la zone de conservation des métaux. La société TMC a mené plusieurs essais pilotes de collecteurs et développe activement un flux de traitement hydrométallurgique en partenariat avec SGS Canada. Elle a déclaré qu'elle avait pour objectif de produire des métaux de qualité batterie ayant une empreinte carbone inférieure à celle des principales opérations terrestres de nickel et de cobalt.

Global Sea Mineral Resources (GSR)[, filiale de la société belge de dragage DEME, est un autre pionnier majeur. GSR a testé son véhicule de collecte Patania II dans la zone de la zone de la mer Noire et est fortement axé sur les études de référence environnementales et la surveillance des impacts. Leur stratégie de traitement consiste à adapter les technologies métallurgiques existantes à la composition unique des nodules polymétalliques. Les entités soutenues par l'État sont également très actives. JOGMEC et China Minmetals Corporation ont tous deux mené une vaste exploration et des recherches, développant leurs propres programmes de conception et de traitement de véhicules de collecte.

Le paysage réglementaire et social

L'Autorité internationale des fonds marins (ISA), créée en vertu de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer (UNCLOS), est chargée de réglementer les activités liées aux ressources minérales dans la Zone (les fonds marins au-delà de la juridiction nationale), et est chargée d'élaborer le « Code minier », un ensemble complet de règlements régissant l'exploration et l'exploitation, y compris les normes environnementales, le paiement des redevances et les mécanismes de partage des avantages.

L'absence d'un code minier définitif est une source importante d'incertitude.Bien que l'ISA travaille sur ces règlements depuis des années, le processus est controversé. Certains pays et groupes environnementaux demandent un moratoire ou une pause de précaution sur l'exploitation minière en haute mer, en faisant valoir que la base de connaissances scientifiques est insuffisante pour garantir la protection des écosystèmes en haute mer. L'ISA est sous pression des deux côtés : des entrepreneurs miniers désireux de commencer leurs activités et des défenseurs de l'environnement qui demandent une interruption.

Synergies avec la transition énergétique mondiale

La liaison entre les nodules d'eau profonde et la transition vers l'énergie propre est directe et puissante. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) prévoit que la demande totale de technologies énergétiques propres pourrait quadrupler d'ici 2040. Pour atteindre les objectifs climatiques mondiaux, il faudra déployer des centaines de millions de VE et des quantités massives de capacités de production d'énergie propre, ce qui nécessite un déploiement massif des matériaux de batterie et des infrastructures du réseau.

Une seule éolienne offshore nécessite environ 3 tonnes de cuivre. Un bloc de batteries EV nécessite des dizaines de kilogrammes de nickel, de cobalt et de cuivre. En fournissant une nouvelle source géopolitiquement diversifiée de ces minéraux critiques, les nodules polymétalliques pourraient atténuer les goulets d'étranglement de la chaîne d'approvisionnement et réduire la dépendance à l'égard de quelques pays producteurs dominants. De plus, les nouvelles méthodes d'extraction, en particulier les méthodes électrochimiques et biominantes alimentées par les énergies renouvelables offshore, offrent une voie pour produire ces métaux avec une empreinte potentiellement inférieure en carbone et environnementale que de nombreuses routes terrestres existantes d'extraction et de transformation.

La route à l'horizon

L'extraction des métaux des nodules de fond de l'océan passe d'un concept théorique à une réalité technique tangible. Les nouvelles méthodes décrites ici — hydrométallurgie avancée, le lexage in situ, traitement électrochimique, biomine et séparation physique sélective — représentent une trousse d'outils sophistiquée conçue pour relever les défis environnementaux importants associés aux concepts traditionnels d'exploitation minière en eau profonde. À court terme (les 5-10 prochaines années), la voie de la première production commerciale comportera probablement des améliorations progressives aux véhicules de collecte combinés à un traitement hydrométallurgique à basse énergie. À long terme, des méthodes vraiment perturbatrices comme le biominage et le le lexage in situ promettent de libérer ces vastes ressources minérales avec un minimum de perturbations écologiques.