La pénurie de cuivre à venir : des nanotubes d'aluminium ou 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 décoller vers la lune. Une grande partie de la raison est l'utilisation accrue du cuivre dans tout, de l'électronique et des moteurs 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 en conséquence, il vaut la peine de jeter un coup d'œil au câblage à base d'aluminium moderne, y compris l'aluminium recouvert de cuivre et l'utilisation de substituts à base de carbone.

Rétrospectivement, les prix du cuivre n'étaient pas encore si mauvais dans les années 1960 et 1970, comme on peut le voir dans le graphique suivant des prix du cuivre des 45 dernières années :

Ces augmentations de prix sont largement dues à une demande croissante de véhicules électriques et d'éoliennes, qui devrait s'accélérer au cours des prochaines années, 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 exploitation 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 critiques dans la transition énergétique vers des sources à faibles émissions de carbone. Tirées de ce rapport, dans les images ci-dessous, nous pouvons voir les besoins relatifs en métal par type de source, par capacité de sortie nominale, ainsi que les besoins en matériaux pour les véhicules électriques (VE) par rapport aux voitures conventionnelles (ICE) :

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, en contraste avec la production actuelle des mines de cuivre et les nouvelles opérations minières prévues.

Il n'est pas surprenant que bon nombre de ces politiques soient 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 poussé les futurs propriétaires à choisir entre l'installation de câbles 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 à des alternatives peuvent devoir chercher ailleurs. Cela signifierait très probablement que tout, du câblage domestique à l'électronique client, pourrait bientôt se retrouver hors du marché du cuivre. Quelles sont les alternatives et comment se comparent-elles au cuivre ?

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 préféré pour les dissipateurs thermiques et pour le câblage électrique dans les maisons et les appareils électriques. En comparaison, l'aluminium pur n'a que 61% de la conductivité électrique du cuivre par section.

Pourtant, l'aluminium présente un avantage majeur par rapport au cuivre, c'est qu'il est deux fois plus conducteur d'électricité en masse, du fait 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 préoccupant, telles que le câblage de transmission et de distribution. Surtout lors de l'acheminement de gros faisceaux de câbles entre les pylônes, le rapport conductance / poids plus élevé de l'aluminium offre des avantages majeurs.

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 son nom indique : un noyau en aluminium recouvert de cuivre, ce qui en fait un bimétal. L'objectif principal de CCA est de combiner les avantages du cuivre et de l'aluminium dans un seul fil, c'est-à-dire plus proche de la conductivité de type 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 solide, il est nettement meilleur que le fil d'aluminium solide. Si l'on ajoute 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, cela semblerait constituer une bonne alternative aux deux.

Fait intéressant, CCA est en concurrence avec le câblage en cuivre et en aluminium depuis un certain temps maintenant, en particulier pour le câblage de construction, comme indiqué dans cet excellent article du magazine IAEI sur l'histoire du câblage de construction 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 précédent graphique historique des prix du cuivre), mais qu'ils ont depuis augmenté au point que l'ACC est maintenant très concurrentiel avec le cuivre.

L'ACC n'est pas le summum de la science des matériaux en ce qui concerne les conducteurs électriques. Les structures à base de carbone, telles que les nanotubes de carbone (NTC), ont une conductivité électrique beaucoup plus élevée que le cuivre, tout comme le graphène. Le principal problème est qu'il n'est pas très simple d'en faire des fils. Mais que se passerait-il s'ils pouvaient être fusionnés avec un métal comme l'aluminium, ou même transformés en fils ?

Un article de Lekawa-Raus et al. publié en 2014 intitulé Electrical Properties of Carbon Nanotube Based Fibers and Their Future Use in Electrical Wiring examine la littérature de recherche à ce moment-là sur la production de fibres CNT, qui peuvent être filées en fils CNT. Sur la base de la recherche, ces fils auraient une conductivité électrique et un poids supérieurs, surpassant facilement le cuivre et l'aluminium sur tous les plans.

La connexion de ces fils CNT pourrait être gérée avec une soudure au carbone, qui à l'époque était en cours de développement à Cambridge. Même ainsi, de nombreux défis restaient à produire des CNT sans défaut avec la morphologie appropriée, en particulier lorsqu'ils étaient déplacés d'un laboratoire à un environnement industriel. Bon nombre de ces préoccupations subsistent en 2020, lorsque Cesano et al. effectué une autre étude de synthèse. Ils notent que bien que des progrès aient été réalisés dans les années qui ont suivi, 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 des 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 son utilité dans d'autres applications, comme 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 taille micrométrique. 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 des matériaux composites Al-CNT destinés à être utilisés dans les produits à venir. Tirupati Graphite Plc a quant à lui fait des déclarations sur 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.

Avec des prix du cuivre exorbitants dans les années à venir, il semble pertinent d'examiner attentivement les alternatives disponibles. La question de savoir si le CCA est une alternative acceptable au cuivre dépend de nombreux facteurs, mais avec les 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, ceux-ci peuvent 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 à la corrosion plus élevée 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, en fonction du coût et de la 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 moins bonne conductance électrique.

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