Les géosciences,
au cœur des processus de l’économie circulaire

Généralisation et optimisation du recyclage, gestion durable des ressources naturelles, maîtrise énergétique… L’entrée de nos sociétés dans l’économie circulaire s’accompagne de nouveaux défis scientifiques, techniques et méthodologiques qui croisent l’ensemble des compétences des géosciences et ouvrent de nouvelles voies de recherche.

Enjeux de recherche

vers une société plus économe
en déchets et en émissions

Les géosciences sont au cœur de la transition énergétique, de la croissance verte et de l’économie circulaire, dont la loi du 17 août 2015* a rappelé le caractère indissociable. Depuis plusieurs années, le BRGM mobilise sa recherche et ses capacités d’innovation pour répondre aux défis scientifiques, techniques et méthodologiques liés à ces nouveaux enjeux.

PAR DOMINIQUE GUYONNET
Responsable de BRGM Campus à la Direction de la Stratégie, de la Recherche et de l’Évaluation
ET JACQUES VILLENEUVE
Ingénieur procédés, chef de projets « Économie circulaire » au BRGM

Les premières réflexions autour de l’économie circulaire ont été engagées dans les années 70, dans un contexte de croissance exponentielle de la consommation. La crainte d’un épuisement des ressources – exprimé dans le rapport de Rome en 1972 –, sur fond de problématiques environnementales, sanitaires et sociales liées aux modes de production, a conduit à une prise de conscience collective, notamment en Europe, du caractère limité des ressources naturelles et de la nécessité d’infléchir le modèle.

Fort de son expertise « historique » dans la gestion des flux de matière, depuis la ressource primaire minérale jusqu’aux déchets miniers, le BRGM s’est, dès cette époque, engagé dans la voie d’une gestion plus efficace des ressources, qui constitue l’un des piliers de l’économie circulaire, en y transposant ses savoir-faire. Au début des années 80, il faisait breveter une première méthodologie de prétraitement des ordures ménagères.

En appui de l’« Initiative matières premières »

La recherche BRGM est aujourd’hui clairement positionnée pour accompagner les attentes sociétales vis-à-vis de l’économie circulaire, exprimées tant par l’Union européenne et la France qu’à l’échelle des collectivités (Régions EPCI…) auxquelles la loi NOTRe a transféré des compétences économiques et d’aménagement du territoire élargies. Sur son cœur de métier, la géologie, son expertise vise une efficacité accrue de l’exploitation des ressources naturelles, à toutes les étapes de la chaîne de valeur.

Occurrences et gisements européens pour les 14 substances «critiques» identifiées par l’initiative «matières premières» de la Commission européenne
Version simplifiée de la carte réalisée dans le cadre du projet ProMine-WP1 représentant occurrences et gisements européens pour les 14 substances « critiques » identifiées par l’initiative « matières premières » de la Commission européenne. © http://promine.gtk.fi

En cohérence avec les priorités de l’Initiative matières premières de l’Europe, le BRGM est impliqué dans l’évaluation des potentiels français et européens en ressources minérales primaires et secondaires (projet PROMINES, notamment), et régulièrement partie prenante (projets ANR, programme européen Horizon 2020) dans la mise au point de procédés de valorisation des ressources, depuis le traitement des minerais jusqu’au recyclage des déchets.

Le BRGM est également le relais de l’initiative « Mine responsable », intégrée à la stratégie nationale pour la transition écologique. Il a préparé l’ensemble des éléments définissant ce nouveau concept qui, au-delà des règles du code minier, intègre des engagements portant sur l’environnement, les relations avec les territoires et les populations, ainsi que la maîtrise des impacts environnementaux et économiques.

Technologies de rupture et procédés innovants

En matière minière, deux récents projets vont respectivement permettre l’élaboration d’une technologie d’extraction de minerai minorant fortement les nuisances et impacts environnementaux ainsi que la quantité de déchets miniers (SLIM) et de concevoir des installations minières flexibles, adaptables à l’évolution du gisement (IMP@CT).

Suivi expérimental sur un pilote de biolixiviation.
Suivi expérimental sur un pilote de biolixiviation. Le BRGM a été précurseur dans l’exploitation des potentialités de la biolixiviation pour libérer les métaux encore présents dans les déchets miniers.
© BRGM - Pauline d’Armancourt

Du côté des procédés, le BRGM a été précurseur dans l’exploitation des potentialités de la biolixiviation pour libérer les métaux encore résidents dans des déchets miniers, une voie de recherche dont les résultats sont probants, y compris en matière de dépollution. Plusieurs autres projets, fondés sur des technologies de rupture, portent sur l’exploitation de la « mine urbaine » : récupération de métaux dans les DEEE en utilisant les propriétés de l’eau à l’état supercritique (REMETOX, voir page suivante), de bétons et ciments dans les déchets du BTP (voir COFRAGE, page suivante), de vanadium dans les laitiers de fonderie (EXTRAVAN), de métaux, plastiques et cartons, associés à la méthanisation et au compostage après prétraitement des ordures ménagères (CLEANWAST), ou encore réutilisation des eaux usées (REUSE). Autant de procédés dont la mise au point s’accompagne d’une analyse environnementale et socio-économique complète en amont de l’étape industrielle.

L’intelligence minérale

L’intelligence minérale est une autre composante de la politique européenne sur les matières premières. Pour mesurer la criticité des matières premières minérales, afin de mettre à jour régulièrement la liste des métaux stratégiques pour l’Europe, le BRGM a participé à la mise au point d’une méthodologie d’évaluation spécifique.

Réacteur de suivi du pouvoir d’épuration des sols sur un pilote expérimental REUSE - Recyclage des eaux
Réacteur de suivi du pouvoir d’épuration des sols sur un pilote expérimental REUSE - Recyclage des eaux. Ici, une colonne de sol reconstitué avec infiltration d’eau usée traitée et monitoring par bougies poreuses. © BRGM

Pour le compte de l’État, grâce à son expérience dans le suivi des marchés miniers, il conduit un travail d’observation des flux et stocks tout au long de la chaîne de valeur, et a développé une méthodologie novatrice permettant de réaliser une cartographie des flux de matières sur l’ensemble de l’économie d’un produit, afin de représenter les échanges de matières entre différents secteurs de l’économie. Ce travail comporte une dimension environnementale d’analyse des émissions par secteur, de la production de déchets et des consommations de ressources naturelles. Cette démarche permet d’établir des bilans matière très complets en intégrant la consommation totale de ressources naturelles pour tel ou tel produit manufacturé (voir ASTER, page suivante).

Autant de recherches et d’innovations qui s’inscrivent dans les ambitions visées, à terme, par la transition énergétique, la croissance verte et l’économie circulaire : une société plus économe en termes de déchets et d’émissions.

* Loi n°2015-992 relative à la transition énergétique pour la croissance verte.

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Avancées du brgm

Déchets de béton, terres rares
et résidus miniers

De très nombreux projets de recherche du BRGM sont aujourd’hui dédiés à la « mine urbaine » avec l’élaboration de méthodologies et procédés de valorisation des déchets de bétons, des DEEE, des ordures ménagères… Riche de son expertise dans la gestion des flux de matière, le BRGM pilote également des recherches dédiées à l’économie des matières premières, en particulier les métaux « stratégiques » pour la France et l’Europe.

Projet cofrage : un procédé de recyclage des déchets de béton

Le projet COFRAGE a permis d’optimiser deux techniques séparatives des constituants du béton
Le projet COFRAGE a permis d’optimiser deux techniques séparatives des constituants du béton. Elles sont efficaces pour la récupération de granulats réutilisables. © BRGM

Pour faire face à ses besoins, chaque année la France extrait du milieu naturel 5,5 tonnes de granulats par habitant, alors qu’elle produit 48 millions de tonnes de déchets de déconstruction.

Le recyclage de ces déchets, facteur d’économies en ressources naturelles et en énergie, se heurte toutefois à un verrou : la libération sélective des constituants du béton (pâte de ciment hydratée, sables, granulats), afin de permettre leur réutilisation.

C’était l’objectif du projet Ecotech COFRAGE (2010-2013), piloté par le BRGM. Deux techniques séparatives ont été optimisées. La première est fondée sur le chauffage par micro-ondes, qui fragilise les bétons du fait de la présence d’eau (qui génère des contraintes en se vaporisant) et de l’expansion thermique différentielle existant entre les granulats et la pâte de ciment. La seconde repose sur l’utilisation en milieu aqueux de puissances électriques pulsées, avec pour conséquence de fragiliser et de fragmenter le matériau aux interfaces entre ses différents constituants.

Ces deux techniques ont montré leur efficacité pour la récupération de granulats réutilisables dans la formulation de nouveaux bétons, et de la pâte de ciment pour la production de clinker.

Deux prolongements avec HISER et CYBER

Le BRGM est aujourd’hui partenaire, aux côtés de l’équipementier suisse Selfrag AG, du projet européen HISER, qui vise le développement et la démonstration de solutions innovantes destinées à valoriser les déchets du bâtiment. Il travaille notamment sur l’adaptation de la technique de l’électro-fragmentation pour la libération des matériaux imbriqués (béton, brique, plâtre, béton fibré, etc.).

Enfin, dans le cadre du démantèlement de centrales nucléaires, le BRGM a été retenu par l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra), dont les sites de stockage de déchets de Très faible activité (TFA) sont proches de la saturation.

La radioactivité étant concentrée dans la pâte de ciment, un procédé de traitement séparant de manière sélective les différents constituants d’un béton permettrait d’optimiser l’utilisation des matériaux en stockage de surface dans le contexte français, et de décontaminer les granulats et le sable. Cette séparation permettrait d’augmenter significativement les quantités de déchets de bétons pouvant être recyclés dans les pays où existent des seuils de libération (niveaux de contamination en deçà desquels les matériaux peuvent être utilisés sans restriction). C’est l’objectif du projet CYBER, en cours.

Projet Aster : flux et stocks de terres rares en europe

Quantifier les flux et stocks de terres rares en Europe tout au long de leur chaîne de valeur, tel était l’objectif du projet ASTER financé par l’ANR et qui a réuni, sous coordination du BRGM, le cabinet BIO by Deloitte, le groupe Solvay, l’Institut Polytechnique LaSalle Beauvais et l’Université de Toulouse.

Certaines terres rares constituent en effet un enjeu majeur pour des secteurs industriels de premier plan, dont celui des énergies renouvelables. Et si, en dépit de leur nom, elles ne sont pas si rares en comparaison d’autres métaux, les récentes tensions qu’a connu le marché international – dominé par la Chine – imposent une appréhension globale fiable de leurs flux et stocks, depuis l’extraction jusqu’à leur utilisation.

Analyse des flux de matière (MFA : Material Flow Analysis)

L’une des principales innovations du projet ASTER est la réalisation de diagrammes de Sankey à l’échelle de l’Europe pour plusieurs terres rares, à partir de la méthode MFA. Ceux-ci permettent de visualiser les stocks et flux de substances tout au long de la chaîne de valeur. Le stock global de terres rares (intégrant les ressources européennes, estimées sur la base des projets miniers en cours) a été pris en compte, montrant que les potentialités géologiques sont considérables par rapport aux flux, et que les déchets de la « mine urbaine » représentent d’importants stocks.

La visualisation des flux (à partir de données douanières, des filières, d’avis d’experts…) a aussi permis de pointer un fort déséquilibre entre l’amont et l’aval de la chaîne de valeur, l’Europe important massivement des aimants permanents, par exemple, alors qu’elle en fabrique peu.

Diagramme de Sankey représentant les flux et stocks de néodyme associés aux aimants permanents en Europe
Diagramme de Sankey représentant les flux et stocks de néodyme associés aux aimants permanents en Europe. Année 2010, valeurs en tonnes de néodyme métal (projet Aster). © BRGM

ASTER a toutefois montré que seul un nombre limité de terres rares présente des risques d’approvisionnement à moyen terme. Il s’agit principalement du praséodyme, du néodyme et du dysprosium, utilisés dans la fabrication des aimants permanents NdFeB (génératrices d’éoliennes, moteurs électriques…) ou de certaines batteries. Le développement de projets miniers et la contribution du recyclage, couplés à l’émergence de technologies plus économes en terres rares, devraient cependant réduire les risques de pénurie.

La méthodologie développée avec ASTER peut être transposée à d’autres métaux dits « critiques », pour identifier des potentialités de recyclage et visualiser la dépendance de l’UE vis-à-vis des importations. Autant d’informations indispensables pour orienter les politiques publiques et accompagner les industriels dans la gestion de leurs approvisionnements.

Projet ENVIREE : récupération des terres rares dans les résidus miniers

Coordonné par la Chalmers University of technology (Suède) et réunissant 11 partenaires dont le BRGM, le projet européen ENVIREE (2015-2017) est focalisé sur le développement de techniques minéralurgiques et métallurgiques de récupération des terres rares dans les résidus miniers.

En Europe, les résidus issus de l’activité « historique » d’exploitation des métaux de base, mais également de la minéralurgie actuelle, représentent des volumes conséquents, permettant d’envisager la valorisation des métaux, notamment « critiques », qu’ils contiennent. L’exploitation de ces ressources secondaires requiert toutefois l’élaboration de procédés d’extraction efficaces, économiquement viable et respectueux de l’environnement.

Un schéma de traitement combinant plusieurs techniques
Cellules de flottation. Halle d’essais minéralurgiques du BRGM (projet ENVIREE).
Cellules de flottation. Halle d’essais minéralurgiques du BRGM (projet ENVIREE). © BRGM

Les recherches du BRGM visent en particulier les résidus miniers, riches en phosphates, issus d’un gisement d’arsénopyrite suédois exploité pour la production d’or. Après caractérisation, plusieurs techniques (gravimétrique, magnétique, flottation) ont été testées et optimisées au laboratoire puis à l’échelle d’un pilote opéré à la halle minéralurgique sur une tonne de matériau brut, afin de séparer puis de concentrer ces phosphates. À l’issue de l’étape de flottation, un traitement magnétique du concentré obtenu a permis d’isoler la monazite, porteuse de terres rares.

Au Portugal, le BRGM s’intéresse également aux terrils d’une ancienne mine de tungstène. Une caractérisation préalable des déchets miniers a montré une forte présence résiduelle de tungstène, mais peu de terres rares. L’extraction du tungstène présentant un intérêt économique, une démarche similaire a été conduite sur une tonne de résidus, aboutissant à la mise au point d’un schéma de traitement efficient couplant séparation gravimétrique (MGS : Multi Gravity Separator) et séparation magnétique en voie humide, afin de produire un concentré des minéraux les plus lourds, riches en fer et en tungstène.

Dans les deux cas, le volet extraction (des terres rares, du tungstène) est traité par le CEA, chargé de cette étape des recherches. Le devenir des résidus des opérations de concentration est, lui, étudié par le partenaire polonais du projet (Akademia Gorniczo-Hutnicza – AGH).

La mise au point de ces schémas de traitement, sur la base de techniques robustes et peu consommatrices en énergie et en réactifs chimiques, est un succès. Ces travaux contribuent à démontrer la viabilité technique, économique et environnementale du retraitement des déchets miniers et de la récupération d’éléments métalliques de fort intérêt économique pour l’Europe.

Plat’inn, une nouvelle plateforme expérimentale

Le BRGM a engagé la réalisation de trois nouvelles plateformes expérimentales. L’une d’entre elles, PLAT’INN, est dédiée aux écotechnologies, dans une perspective d’économie circulaire. Ciblant le traitement des ressources minérales et le recyclage des déchets, nouvelles ressources de matières premières, PLAT’INN, chaînon intermédiaire entre le laboratoire et l’échelle industrielle, propose des capacités de traitement de quelques dizaines de kilos à près de 5 tonnes. La plateforme intégrera différents outils et expertises organisés en ateliers : concassage/déchiquetage, broyage/échantillonnage, minéralurgie, traitement thermique, hydrométallurgie (dont biolixiviation), pilotes de traitement en voie humide et en voie sèche.
2 M€ vont être consacrés à ce projet qui bénéficie du soutien de la région Centre-Val de Loire et de la communauté d’agglomération Orléans-Val de Loire. Il prévoit d’ici 2018 la reconfiguration sur 1 000 m2 de la Halle pilote du BRGM et l’acquisition d’équipements de traitement/ valorisation de la matière de dernière génération, ouvrant la voie à des schémas de traitement innovants, optimisés et plus respectueux de l’environnement.

L’appui aux filières et aux entreprises

En renforçant ses moyens expérimentaux, en particulier dans le domaine du recyclage, qui constitue l’un des piliers de l’économie circulaire, l’Institut Carnot BRGM renforce sa capacité à venir en appui à l’ensemble des acteurs économiques de la filière, PME, ETI ou grands donneurs d’ordre. La plateforme PLAT’INN, environnement flexible et dédié à la démonstration de solutions intégrées, sera mobilisée dans le cadre de prestations ou de projets favorisant des coopérations entre les acteurs académiques et économiques au service de l’innovation.

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Institut Carnot

Extra&Co, nouvelle action « Carnot filière »

Le BRGM est partenaire d’Extra&Co, une action dirigée vers la filière des industries extractives et de première transformation, sur fond de relance de l’activité minière en France.

Extra&Co est une filière Carnot
Extra&Co est une filière Carnot qui vise à mieux valoriser les géosciences auprès des industries extractives et de 1re transformation. © BRGM

Après Captiven, dédié à la « Métrologie environnementale » et qui a suscité cinquante projets en cinq ans (dont une vingtaine pour le BRGM), l’Institut Carnot BRGM est aujourd’hui impliqué dans deux nouvelles actions « Carnot filière » lancées par l’ANR*.

« Extra&Co, explique David Dessandier, géologue et chef de projet adjoint au sein du consortium, regroupe quatre instituts Carnot (ISIFoR, BRGM, ICÉEL et MINES) et couvre le secteur des ressources minérales et énergétiques primaires (métaux, minéraux industriels, matériaux minéraux du BTP, pétrole, charbon, gaz…) et secondaires (résidus miniers et de carrières, déchets minéraux des activités économiques…). Sa finalité est d’accompagner les entreprises de tailles les plus modestes (TPE, PME et ETI) de la filière, en leur facilitant l’accès aux compétences scientifiques et moyens technologiques des organismes publics de recherche du groupement. »

Promouvoir les partenariats de R&D public-privé

Extra&Co vise trois segments d’activités : l’exploration (connaissance, compréhension, identification et exploration de gisements…), l’extraction-exploitation (optimisation des opérations d’extraction et d’exploitation…) et la maîtrise des impacts associés (traitement des effluents, efficacité énergétique…).

« Une équipe opérationnelle d’une dizaine de personnes, poursuit D. Dessandier, a été constituée en 2016 pour déployer le dispositif sur le territoire national durant les six prochaines années. Elle va affiner son ciblage d’entreprises et enrichir progressivement sa connaissance de leurs besoins. La finalité d’Extra&Co est clairement d’accompagner les entreprises de la filière dans le montage d’actions de R&D visant à développer des solutions innovantes dans chacun des trois segments d’activités définis. »

Les entreprises pourront bénéficier des infrastructures technologiques des partenaires du projet, notamment quarante plateformes d’expérimentation – du laboratoire à l’échelle pré-industrielle – dont PLAT’INN, plateforme BRGM dédiée au traitement des ressources minérales et au recyclage des déchets (voir Focus, en pages intérieures).

« L’implication du BRGM dans Extra&Co, répond à une stratégie aujourd’hui orientée vers les filières économiques, avec la volonté de mieux valoriser les géosciences auprès des entreprises. »

* La seconde action « Carnot filière&nsbp;» est consacrée aux éco-énergies (EnergICs).