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Modélisation de l’impact d’une contrainte de ressources minérales sur les sentiers de transition énergétique

Simon Chazel

Masters thesis (2020)

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Cite this document: Chazel, S. (2020). Modélisation de l’impact d’une contrainte de ressources minérales sur les sentiers de transition énergétique (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/5414/
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Abstract

RÉSUMÉ : A capacité équivalente, la production d’énergie décarbonée requière beaucoup plus d’apport de ressources minérales que la production d’énergies fossiles. La transition énergétique s’accompagne donc d’une explosion de la demande en ces ressources. Parmi elles, on trouve notamment des métaux rares, comme le néodyme, le gallium, l’indium ou des terres rares ; et des métaux structurels, comme le cuivre, l’aluminium ou le fer. Or certaines de ces ressources sont identifiées comme critiques par plusieurs institutions internationales, notamment la Banque Mondiale, le Programme Environnemental des Nations Unies et la Commission Européenne. En effet, la production pourrait ne pas suivre l’augmentation de la demande, à court terme (pour l’indium et les terres rares par exemple) ou long terme (pour le cuivre et l’aluminium). Parmi les causes de cette criticité soulignées dans la littérature, on retrouve, pour les métaux rares : la mauvaise répartition géographique des réserves et capacités de production qui rend l’approvisionnement dépendant du jeu géopolitique, les difficultés de recyclage inhérentes à leur usage, l’impact environnemental et les enjeux d’acceptation sociale dans un contexte de développement durable, leur statut de co-produit dans les mines qui les extraient, et l’épuisement des réserves. Cependant, le développement de technologies se passant de ces métaux ou utilisant des substituts semble envisageable, si bien que ces métaux sont moins critiques sur le long terme. Pour les métaux structurels, les restrictions de long terme à la production proviennent de l’épuisement des réserves, de l’impact environnemental des industries minières, des faibles perspectives de substituabilité, et du contexte de demande déjà fortement croissante avec le développement des pays du Sud. Il semble donc pertinent d’envisager que la production primaire d’au moins une de ces ressources clés de la transition énergétique puisse être limitée. Quel est l’impact de cette contrainte sur la transition énergétique ? Le cuivre semble être une ressource indispensable et particulièrement à risque, même s’il est difficile d’estimer précisément à quelle échéance il pourrait venir à manquer. Nous choisissons donc le cuivre comme étude de cas pour notre modélisation, et nous étudions plusieurs scénarios de contrainte sur la production de ce métal. Nous modifions un modèle d’équilibre général dynamique souvent cité (Golosov et al., 2014) qui ne tient pas compte de l’enjeu des ressources minérales dans la transition énergétique, pour ajouter à la fonction de production de la filière d’énergie décarbonée un facteur « capital vert », construit à base de métaux. Ainsi, la production d’énergie décarbonée requière bien un apport de métaux (primaire ou recyclé), et les stocks de métaux primaires et secondaires évoluent selon les rythmes de production. Nous observons que le stock de métal primaire diminue au fur et à mesure de l’extraction, et le stock de métal secondaire, qui constitue un réservoir pour le recyclage, augmente. Le métal recyclé se substitue peu à peu au métal primaire dans la constitution du capital vert. Grâce à cette substitution, l’épuisement du stock de minéral primaire impacte peu la production d’énergie décarbonée dans un premier temps. Cependant, une fois que le recyclage fonctionne à pleine capacité, c’est-à-dire lorsque la totalité du stock de minéral secondaire est recyclé à chaque période, la production totale de métal ne peut plus augmenter. La quantité de capital vert atteint alors sa valeur maximale, et le taux de croissance de la production d’énergie décarbonée chute. Finalement, malgré le progrès continu de la productivité du travail, la contrainte sur les ressources minérales entraine un plafonnement de la production d’énergie décarbonée. La chronologie de ces différentes étapes dépend du scénario de contrainte minérale considéré. La contrainte minérale a donc un impact significatif sur la modélisation des sentiers de la transition énergétique. Dans quatre des six scénarios que nous considérons, elle entraîne une diminution de 50% de la production d’énergie décarbonnée par rapport au scénario noncontraint étudié par Golosov et al. (2014) avant 120 ans. Dans les deux pires scénarios, la production d’énergie décarbonée stagne dès 60 à 80 ans. Cependant, en raison du paramètre de substituabilité négatif entre les différentes sources d’énergie (issu du modèle de référence de Golosov et al., 2014), cette limitation impacte peu les sentiers d’extraction de combustible fossile. Nous recommandons donc pour de futures recherches d’affiner le modèle en envisageant que ce paramètre de substitution puisse varier, afin de mieux évaluer l’impact de la contrainte minérale sur les sentiers d’extraction de carburants fossiles. Nous soulignons enfin que notre modèle ne tient pas compte des enjeux géopolitiques liés à la distribution inégale de ces ressources minérales stratégiques.----------ABSTRACT : For an equivalent production capacity, low-carbon energy production is much more mineral intensive than fossil energy production. Therefore, energy transition implies a booming in mineral resources demand. Those strategic resources can be divided into rare metals, such as neodymium, gallium, indium and rare earth elements; and base metals, such as copper, aluminium and iron. But some of those are identified as critical by many international institutions, amongst which the World Bank, the United Nations Environmental Program and the European Commission. Indeed, production may not be able to match the forecasted booming demand, either in the short run (for indium, rare earth elements, and some other rare metals) or in the long run (for copper or aluminium). Fore rare metals, this criticality is the consequence of : a bad reserves distribution amongst countries which makes supply depends on geopolitics, many recycling limits that are inherent to the use made of those metals, environmental impact and social acceptance of the mining industry in a sustainable development context, those metals being only co-products, and resource exhaustion. However, technologies that do not use rare metals, or substitutes instead, are being developed so that rare metals seem less critical in the long run. Base metals long term supply concerns typically come from resource exhaustion risks, environmental impact of mining industry, low substitutability perspectives, and production being cornered by emerging countries’ industrialisation. In the end, it is relevant to consider than the supply of at least one of those strategic resource could face limitations. What would be the impact of such constraint on energy transition ? Copper is both essential to energy transition and especially critical, even if there are many uncertainties on the date when supply could lack. Therefore, we use copper as a study case for our modelisation. We consider many supply constraint scenarios. We modify Golosov et al. (2014) dynamic general equilibrium model, that simulates energy transition paths but without taking into account any mineral constraint. We add a “green capital” factor to the low-carbon energy production function, in order to link low-carbon energy production to metal supply. Therefore, building and maintaining production capacities requires a mineral supply, which is eventually limited when mineral reserves declines. We observe the variations of primary and secondary metals stocks. Recycled (secondary)metal gradually substitutes to primary metal in green capital manufacturing. Thanks to this substitution, primary mineral stock exhaustion has a limited impact on low-carbon energy

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de mathématiques et de génie industriel
Academic/Research Directors: Sophie Bernard and Hassan Benchekroun
Date Deposited: 10 Nov 2020 10:57
Last Modified: 10 Nov 2021 01:15
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/5414/

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