La pénurie de cuivre à venir : l’aluminium ou les nanotubes de carbone à la rescousse ?

Il est peu probable que l’utilisation de l’aluminium dans le câblage fasse sourire quiconque a dû y faire face dans une maison des années 1960 ou du début des années 1970. Les causes des incendies et autres accidents étaient innombrables, notamment l’incapacité à gérer la dilatation thermique plus élevée de l’aluminium, la nature électriquement isolante de l’oxyde d’aluminium et la fragilité générale de l’aluminium lorsqu’il est tordu.

Pourtant, alors que le cuivre est supérieur à l’aluminium en termes de conductivité électrique et de facilité d’installation, les prix du cuivre ont grimpé en flèche depuis les années 1970 et sont sur le point de s’envoler vers la Lune. Une grande partie de la raison est l’utilisation accrue du cuivre dans tout, des moteurs électroniques et électriques aux générateurs, entraînée par le déploiement à grande échelle d’éoliennes et de véhicules électriques.

Alors que le monde étend massivement l’utilisation des voitures électriques et l’installation d’éoliennes, la demande de cuivre devrait dépasser l’offre actuelle de cuivre. L’aluminium étant susceptible de faire un gros retour, il vaut la peine de jeter un coup d’œil au câblage à base d’aluminium moderne, y compris l’aluminium plaqué de cuivre et l’utilisation de remplacements à base de carbone.

Comment rendre le cuivre cher

Avec le recul, les prix du cuivre n’étaient pas encore si mauvais dans les années 1960 et 1970, comme nous pouvons le voir dans le graphique suivant des prix du cuivre des 45 dernières années :

Prix ​​du cuivre - Graphique historique sur 45 ans
Prix ​​du cuivre par livre – graphique historique de 45 ans. (Source : Macrotrends.net)

Ces augmentations de prix sont en grande partie dues à une demande croissante de véhicules électriques et d’éoliennes, qui devrait s’accélérer dans les années à venir, exerçant une pression supplémentaire sur les approvisionnements existants. Bien que l’USGS ait identifié des ressources de cuivre probablement non découvertes, cela nécessite l’établissement d’une opération minière, et tout le minerai de cuivre ne peut pas être extrait de manière économique et transformé en cuivre brut.

Plus tôt cette année, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) a publié un rapport sur le rôle des minéraux essentiels dans la transition énergétique vers des sources à faible émission de carbone. Tirées de ce rapport, dans les images ci-dessous, nous pouvons voir les exigences relatives en métal par type de source, par capacité de sortie nominale, ainsi que les exigences matérielles pour les véhicules électriques (VE) par rapport aux voitures conventionnelles (ICE) :

Minéraux utilisés dans les sources de production d'électricité
Minéraux utilisés dans les technologies énergétiques propres par rapport à d’autres sources de production d’électricité (Source : AIE)
Minéraux utilisés dans les voitures électriques par rapport aux voitures conventionnelles
Minéraux utilisés dans les voitures électriques par rapport aux voitures conventionnelles. (Source : AIE)

Pendant ce temps, la courbe de demande attendue pour le cuivre à la lumière des politiques de développement durable actuelles devrait ressembler à l’image ci-dessous, contrastant avec la production actuelle des mines de cuivre et les nouvelles opérations minières attendues.

Production minière engagée et demande primaire de cuivre, 2020-2030
Production minière engagée et demande primaire de cuivre, 2020-2030. (Source : AIE)

Sans surprise, depuis que bon nombre de ces politiques sont entrées en vigueur vers 2000 et parallèlement à la demande croissante d’autres industries, les prix du cuivre n’ont cessé d’augmenter, bien au-delà des sommets des années 1960 qui ont incité les futurs propriétaires à choisir entre l’installation de câblage en cuivre ou en aluminium.

À ce rythme, nous pourrions voir la fin de l’utilisation courante et de la disponibilité facile du cuivre dans quelques années. Dans le même temps, comme les propriétés du cuivre le rendent idéal pour certaines applications, d’autres utilisations qui peuvent convenir avec des alternatives peuvent devoir chercher ailleurs. Très probablement, cela signifierait que tout, du câblage domestique à l’électronique du client, pourrait bientôt se retrouver hors du marché du cuivre. Quelles sont les alternatives et comment se comparent-elles au cuivre ?

Essayer de surpasser les meilleurs

Le cuivre est un favori pour le câblage électrique pour un certain nombre de raisons, dont l’excellente conductivité thermique et électrique n’est pas la moindre. C’est pourquoi le cuivre est un matériau privilégié pour les dissipateurs thermiques et pour le câblage électrique dans les maisons et dans les appareils électriques. En comparaison, l’aluminium pur n’a que 61 % de la conductivité électrique du cuivre en section transversale.

Pourtant, l’aluminium présente un avantage majeur par rapport au cuivre, à savoir qu’il est deux fois plus conducteur en masse, en raison de la densité du cuivre à température ambiante de 8,96 g/cm3, contre 2,70 g/cm3 pour l’aluminium. Pour cette raison, les applications où le poids est plus un problème, comme le câblage de transmission et de distribution. Surtout lors du passage de gros faisceaux de câbles entre les pylônes, le rapport conductance/poids plus élevé de l’aluminium offre des avantages majeurs.

Section de fil d'aluminium cuivré
Section transversale du fil d’aluminium recouvert de cuivre (CCA). (Source : Fujikura Ltd.)

Lorsqu’il est correctement installé et utilisé, l’aluminium est un bon choix comme conducteur électrique, mais cela ne signifie pas que c’est la seule option. Quelque chose que l’on voit couramment dans le câblage depuis les années 1970 est le fil d’aluminium recouvert de cuivre (CCA). C’est essentiellement ce que dit son nom : un noyau en aluminium recouvert de cuivre, ce qui en fait un bilame. L’objectif principal du CCA est de combiner les avantages du cuivre et de l’aluminium dans un seul fil, ce qui signifie une conductivité plus proche de celle du cuivre, tout en évitant les pièges de l’aluminium car la méthode d’installation est la même que pour le fil de cuivre.

Si nous examinons les spécifications que Fujikura répertorie pour le CCA (également appelé CAW), nous pouvons voir que même si le CCA n’est pas aussi bon que le fil de cuivre massif, il est nettement meilleur que le fil d’aluminium massif. Si nous ajoutons à cela les avantages majeurs qu’une peau de cuivre ajoute en termes de quasi-élimination du fluage thermique et de compatibilité avec les méthodes et technologies de terminaison compatibles avec le cuivre, elle semble constituer une bonne alternative aux deux.

Il est intéressant de noter que le CCA est en concurrence avec le câblage en cuivre et en aluminium depuis un certain temps maintenant, en particulier pour le fil de construction, comme le note cet excellent article du magazine IAEI sur l’histoire du câblage de bâtiment en aluminium. Un détail important que cet article ajoute est que la création de CCA est assez laborieuse, ce qui signifie que sa popularité a toujours été dépendante des prix actuels du cuivre.

L’IAEI note que jusqu’à la fin de 2005, les prix du cuivre étaient encore assez bas (comme indiqué dans le graphique antérieur des prix du cuivre), mais qu’ils ont depuis augmenté au point où le CCA est désormais très compétitif par rapport au cuivre.

Une pincée de carbone

Allotropes du carbone
Les divers allotropes du carbone.

L’ACC n’est pas le summum de la science des matériaux en matière de conducteurs électriques. Les structures à base de carbone, telles que les nanotubes de carbone (CNT) ont une conductivité électrique beaucoup plus élevée que le cuivre, tout comme le graphène. Le problème principal est que la fabrication de fils à partir d’eux n’est pas tout à fait simple. Pourtant, et s’ils pouvaient être fusionnés avec un métal comme l’aluminium, ou même filés en fils ?

Un article de Lekawa-Raus et al. publié en 2014 sous le titre Propriétés électriques des fibres à base de nanotubes de carbone et leur utilisation future dans le câblage électrique examine la littérature de recherche à ce moment-là sur la production de fibres CNT, qui peuvent être filées en fils CNT. D’après les recherches, ces fils auraient une conductivité électrique et un poids supérieurs, surpassant à la fois le cuivre et l’aluminium à tous points de vue.

La connexion de ces fils CNT pouvait être réalisée avec une soudure au carbone, qui à l’époque était en cours de développement à Cambridge. Même ainsi, de nombreux défis pour produire des NTC impeccables avec la morphologie appropriée subsistaient, en particulier lors du passage d’un laboratoire à un environnement industriel. Bon nombre de ces préoccupations subsistent en 2020, lorsque Cesano et al. réalisé une autre étude de revue. Ils notent que bien que des progrès aient été réalisés au cours des années écoulées, les fils entièrement en carbone sont toujours une perspective d’avenir.

Même ainsi, les fibres CNT peuvent être achetées dans le commerce pour des sommes d’argent pas tout à fait folles, ainsi que les composites CNT avec du cuivre et d’autres métaux comme l’argent et l’or. Des études récentes de Zhang et al. (2018), Pradhan et al. (2020) et Chyada et al. (2017) montrent des améliorations de la conductivité thermique et de la conductivité électrique ainsi que de la résistance à la traction respectivement pour les composites graphène-aluminium.

L’ajout de NTC a également trouvé une utilité dans d’autres applications, telles que le renforcement mécanique de pièces en aluminium, avec Nyanor et al. (2020), détaillant une matrice en aluminium renforcée de NTC ainsi que de particules de carbure de titane (TiC) de la taille d’un micron. Cela crée un matériau qui a 2,3 fois la dureté de l’aluminium pur, avec une résistance à l’usure considérablement améliorée.

La société japonaise Yazaki a déposé de nombreux brevets sur les matériaux composites Al-CNT destinés à être utilisés dans les futurs produits en fil. Tirupati Graphite Plc a quant à lui revendiqué un composite Al-graphène qui prétend avoir une conductivité électrique semblable au cuivre, une meilleure conductivité thermique que le cuivre et une meilleure micro-dureté que le cuivre.

Des changements électrisants

Avec des prix du cuivre très élevés, une perspective potentielle au cours des prochaines années, il semblerait pertinent d’examiner attentivement les alternatives disponibles. Que le CCA soit une alternative acceptable au cuivre dépend de nombreux facteurs, mais avec des données d’utilisation réelles disponibles au cours des cinq dernières décennies pour le câblage domestique et d’autres applications, il s’agit au moins d’une quantité connue.

Peut-être plus excitante est la perspective d’un câblage à base de graphène et de CNT, qui offre plus qu’un simple compromis par rapport au cuivre. Au lieu de cela, cela peut aboutir à une alternative au cuivre qui est en fait meilleure à tous égards, avec une meilleure conductivité, une résistance à la traction plus élevée, une résistance plus élevée à la corrosion et une conductivité plus élevée pour une section et un poids donnés.

Du point de vue de l’amateur, le CCA est probablement l’alternative la plus probable avec laquelle on se retrouvera, sur la base d’une perspective de coût et de facilité de manipulation. Comme il se comporte et peut être traité de la même manière que le fil de cuivre, y compris le soudage à l’aide d’alliages de soudure standard, il peut remplacer le fil de cuivre avec juste une petite bosse de diamètre pour compenser la pire conductance électrique.

Ce serait plutôt cool si les générations futures câblent leurs projets avec des fils CNT et des soudures à base de carbone, cependant. Voici plus de carbone dans notre avenir.