Pour en finir avec l’uranium marin

Le thème de l’extraction de l’uranium de l’eau de mer revient sans cesser hanter les discussions sur la disponibilité totale de ce carburant. Selon ses partisans, cette technique nous donnerait accès à des quantités illimitées d’énergie. Quelques projets de recherche dans le domaine semblent donner de la crédibilité à cette thèse. Et pourtant, l’Agence internationale de l’énergie atomique ne mentionne pas l’uranium marin dans son évaluation des ressources uranifères. Pourquoi? Selon le chercheur italien Ugo Bardi, parce que le taux de retour énergétique (EROEI) du procédé est au final presque nul.

L’eau de mer contient en moyenne environ 3 parties par milliard d’uranium. C’est-à-dire qu’environ 4,39 milliards de tonnes d’uranium sont dissoutes dans les océans de la planète, soit environ mille fois plus que les réserves terrestres connues. Ces quantités font rêver depuis longtemps, mais tout le défi consiste à séparer de l’eau un minerai présent dans une concentration aussi infime, et ce, sans extraire en même temps toutes sortes de minéraux dont on ne veut pas, en particulier le sel.

Vers 1996-1997, une équipe de l’agence japonaise de l’énergie atomique a annoncé avoir développé une membrane permettant d’extraire sélectivement (sans trop de contamination par d’autres minéraux) quelques grammes d’uranium de l’eau de mer. Peu de détails ont filtré sur ces travaux, qui n’ont pas été publiés dans une revue scientifique. Vers 2010, ils semblaient avoir été abandonnés et le site web qui les décrivait brièvement a été retiré depuis. Ces dernières années, des équipes américaines se sont lancées sur les mêmes traces, avec des membranes quelque peu améliorées. En 2018, l’une d’entre elles a annoncé avoir extrait cinq grammes d’uranium.

L’ampleur de la tâche

Cinq grammes, c’est bien, mais l’ennui, c’est qu’un seul réacteur nucléaire de 1 GW consomme environ 6 grammes d’uranium par seconde, soit 170 tonnes par année. Pour alimenter en uranium la flotte mondiale de quelque 460 réacteurs civils, il faudrait donc extraire chaque année environ 66 000 tonnes d’uranium, ce qui exigerait de filtrer 20 000 milliards de tonnes d’eau de mer. Et encore, ce chiffre suppose que les filtres sont 100 % efficaces, ce qui n’est évidemment pas le cas.

Pour se donner un ordre de grandeur, ceci représente 1000 fois les volumes d’eau désalinisés chaque année dans le monde. Cela représente aussi la quantité totale d’eau contenue dans la mer du Nord. On parle donc d’une tâche pharaonique.

Comment, en pratique, filtre-t-on 20 000 milliards de tonnes d’eau de mer dans des membranes? Il existe deux méthodes, qu’explore Ugo Bardi dans un article publié en 2010 et qui fournit des ordres de grandeur utiles. La première méthode consiste, comme dans les usines de désalinisation, à pomper de l’eau à travers les membranes. La deuxième consiste à suspendre les filtres dans la mer et à laisser les courants marins faire le reste.

Le pompage et la filtration par osmose de l’eau de mer par des moyens modernes exigent environ 2,5 kWh d’énergie par tonne d’eau filtrée. Si l’on suppose que les membranes séparant l’uranium présentent une résistance similaire à l’eau, on peut calculer que le pompage dépensera dix fois plus d’énergie que n’en apportera l’uranium récolté. Le  taux de retour énergétique serait donc d’à peine 0,1 pour 1. Cette technique est par conséquent sans intérêt énergétique, même en supposant l’invention de filtres parfaits, efficaces à 100 %.

Les promoteurs de cette technique proposent en général plutôt de suspendre les membranes dans l’océan et de laisser les courants marins y apporter l’uranium. Les océanographes mesurent le débit des courants marins en « sverdrup », une unité qui représente environ 30 000 milliards de tonnes d’eau par année. C’est une valeur proche du volume qu’il faudrait filtrer pour alimenter la flotte mondiale de réacteurs nucléaires. Pour se donner un ordre de grandeur, le débit du détroit de Gibraltar est d’environ 1 sverdrup. Donc, si on fermait complètement le détroit de Gibraltar à l’aide de membranes, on pourrait couvrir les besoins actuels en uranium à l’aide de la technologie proposée.

En pratique, évidemment, obstruer complètement le détroit serait un désastre écologique. Ugo Bardi estime qu’on pourrait tout au plus intercepter 10 % du courant si l’on veut limiter les dégâts. Il faudrait donc filtrer l’eau de dix sites de types Gibraltar si les membranes étaient 100 % efficaces, ce qu’elles ne sont pas. Et si on voulait produire 100 % de l’électricité mondiale par ce moyen, il faudrait harnacher 60 détroits de Gibraltar. La tâche est herculéenne.

Le coût énergétique

Selon les données fragmentaires fournies jadis par les Japonais, il faudrait utiliser environ 300 kg de membranes pour extraire un kilo d’uranium. Il faut de plus relever les membranes à chaque mois environ et les remplacer par des neuves. Une expérience américaine plus récente a extrait 5 grammes d’uranium avec un kilo de membrane en un mois en conditions de laboratoire, ce qui traduirait par environ 200 kilos de membrane par kilo d’uranium : les ordres de grandeur concordent.

Que représente la manipulation en mer des milliers de tonnes de membranes nécessaires? Ugo Bardi s’inspire de l’industrie de la pêche pour fournir des repères. Mettre à l’eau et récupérer des filets est une activité comparable au déploiement de membranes ancrées au fond de l’eau. Sur la base des données de cette industrie, il estime qu’il faut investir à peu près 5 kWh d’énergie par kilo pour retirer une ressource de l’eau à l’aide de filets et la ramener sur terre. Si l’on calcule 300 kilos de membrane par kilo d’uranium et un renouvellement tous les trois mois, il faudrait relever chaque année une quantité de membranes représentait environ dix fois le volume de poisson pêché dans le monde.

La dépense énergétique de tous les bateaux nécessaires à une industrie dix fois plus grande que les pêcheries mondiales est évidemment conséquente. Bardi l’estime à à peu près 2500 TWh par année  – soit environ 40 % de l’énergie fournie par l’ensemble des centrales nucléaires. Autrement dit, la manipulation des membranes ramène à lui seul le taux de retour énergétique (EROEI) à une valeur très maigre de 2,5 pour 1.

Et ce n’est pas tout. Il faut aussi fabriquer les membranes. Or, elles sont faites à la base de fibres synthétiques dérivées du pétrole (de l’acrylique, dans les cas des essais récents). Le chercheur estime qu’il faut environ une tonne de pétrole ou de gaz pour produire 300 kilos de membranes qui fourniront un kilo d’uranium. Le coût énergétique de la fabrication des membranes est donc loin d’être négligeable et plombe un peu plus le faible taux de retour énergétique du procédé.

Par ailleurs, une tonne de gaz suffirait à produire environ 6 MWh d’électricité; un kilo d’uranium a un rendement d’à peu près 40 MWh. Dans ces conditions, le nucléaire n’est plus qu’une manière de faire durer un peu plus longtemps nos ressources fossiles, un reproche que les partisans du nucléaire adressent parfois aux énergies renouvelables.

Ugo Bardi conclut son article que l’extraction de l’uranium de l’eau de mer est « presque certainement infaisable » par pompage, parce que le procédé consommerait dix fois plus d’énergie qu’il en produirait (taux de retour énergétique inférieur à 1). Le taux de retour énergétique « serait trop faible pour être intéressant » dans le cas de membranes exposées aux courants marins. De plus, souligne-t-il, le coût environnemental d’une activité à cette échelle serait gigantesque.

On objectera sans doute que la recherche améliorera quelque peu le matériau absorbant. Mais la limite est physique et non technique. La concentration de l’uranium reste infime et exige de filtrer de gigantesques quantités d’eau, à l’aide de millions de tonnes de membranes, dont la fabrication et la manipulation demeureront énergivores dans le meilleur des cas.

Sources :

• Ugo Bardi, Extracting Minerals from Seawater: An Energy Analysis (2010)
• Pacific Northwest Laboratory, Seawater yields first grams of yellowcake