Cuivre

La décarbonation est l'un des plus grands défis du 21ème siècle. En 2015, les gouvernements du monde entier se sont engagés sur des objectifs contraignants, dans le but de limiter le réchauffement climatique à 2°C. La réalisation de cet objectif dépend fortement du déploiement rapide d'une électrification généralisée, qui contribuerait à remplacer les hydrocarbures par des sources d'énergie renouvelables. Et l'innovation dans l'ensemble des matières premières jouera un rôle essentiel pour aider les sociétés minières à relever ces défis.

Cet article est un effort de collaboration de Scott Crooks, Jonathan Lindley, Dawid Lipus, Richard Sellschop, Eugéne Smit et Stephan van Zyl, représentant les points de vue de McKinsey's Metals & Mining Practice.

L'un de ces produits est le cuivre, qui est un ingrédient essentiel de ce processus. En fait, l'électrification devrait augmenter la demande annuelle de cuivre à 36,6 millions de tonnes métriques d'ici 2031. Bien que les projections d'approvisionnement actuelles basées sur les redémarrages, certains projets ou projets probables et la production recyclée offrent une voie vers 30,1 millions de tonnes métriques, il reste encore 6,5 millions de tonnes métriques de capacité (soit 20 % supplémentaires) à trouver.

Cependant, l'adoption de nouvelles technologies émergentes, y compris la récupération des particules grossières, la lixiviation des sulfures et l'optimisation des processus avec l'apprentissage automatique, a le potentiel de combler une partie importante de cet écart (Figure 1). Les obstacles à la commercialisation et à l'adoption généralisée ne sont pas anodins, et les chiffres présentés dans cet article sont une estimation du plein potentiel, pas une prévision. Mais les leviers technologiques doivent être reconnus parallèlement au développement de nouvelles mines comme faisant partie de la solution.

La tendance à la baisse des teneurs d'alimentation en cuivre est bien établie et il est peu probable qu'elle s'inverse. De même, les corps minéralisés oxydés, qui ne nécessitent pas de concentrateurs et peuvent être traités par des voies à moindre intensité de capital, sont épuisés. L'industrie minière a répondu à ces défis en traitant des volumes toujours croissants de minerais sulfurés. En effet, au cours des dix dernières années, le volume de minerai envoyé aux concentrateurs a augmenté de 1,1 milliard de tonnes métriques, soit une croissance de 44 %.

L'analysedans cet article a été activé par MineSpans, qui est une solution exclusive de McKinsey qui fournit aux exploitants miniers et aux investisseurs des courbes de coûts robustes, des modèles d'offre et de demande de matières premières et des modèles ascendants détaillés de mines individuelles.

Pour le cuivre, MineSpans offre des données au niveau de la mine sur 390 mines de cuivre primaires et 170 mines secondaires et suit plus de 300 projets de développement actifs.

Néanmoins, pour fournir via des méthodes traditionnelles le cuivre nécessaire à la transition énergétique, les mineurs devront à nouveau répéter cet exploit, augmentant le volume de minerai traité de 44 % supplémentaires d'ici 2031 (voir encadré, "À propos de la recherche"). Sur les 1,6 milliard de tonnes métriques supplémentaires de minerai nécessaires, 0,6 milliard de tonnes métriques peuvent être fournies par des mines ou des extensions récemment annoncées. Cependant, un écart d'un milliard de tonnes par an subsiste. Il est impératif d'extraire plus de métal du minerai extrait.

Trois développements technologiques sont de plus en plus acceptés et mis à l'échelle dans l'industrie et peuvent contribuer de manière significative à combler le déficit d'approvisionnement : la récupération des particules grossières, la lixiviation des sulfures et l'optimisation des processus avec l'apprentissage automatique.

Les circuits de flottation de sulfure conventionnels sont plus efficaces pour récupérer les particules métallifères du lisier lorsque ces particules ont une taille comprise entre 50 et 150 microns.1 Équivalent à un millième de millimètre. Au-dessus ou en dessous de cette plage, les récupérations chutent de manière significative, avec le taux de déclin le plus rapide pour la récupération des particules grossières (Figure 2).

Les obstacles à la commercialisation et à l'adoption généralisée ne sont pas anodins, et les chiffres présentés dans cet article sont une estimation du plein potentiel, pas une prévision. Mais les leviers technologiques doivent être reconnus… comme faisant partie de la solution.

Il existe des technologies visant à élargir la plage de tailles de particules acceptable pour les particules fines et grossières. Les développements récents les plus intéressants ont ciblé la fraction grossière.

La récupération des métaux dans la fraction grossière est un objectif pour les métallurgistes par flottation depuis la première application commerciale de la séparation par flottation au début du XXe siècle. La plupart des développements se sont concentrés sur l'amélioration du contrôle du processus de broyage pour s'assurer qu'une plus grande partie du métal récupérable se situe dans la plage critique. Cependant, cette approche atteint ses limites naturelles et se fait souvent au prix d'un débit réduit ou de dépenses en capital plus élevées pour construire des systèmes de broyage de plus en plus complexes.

Deux axes de développement offrent la possibilité de nous emmener au-delà de cette dynamique : l'ébauche des circuits de broyage et le piégeage des particules grossières.

Ébauche du circuit de meulage, tel que le système CiDRA P29,2Peut également être employé dans un rôle de piégeur en fin de circuit de flottation. relève le défi en récupérant les particules directement du circuit de broyage. Le système est basé sur le développement d'un nouveau matériau innovant qui agit comme une éponge de cuivre, attirant et retenant les particules minéralisées sur la base des mêmes propriétés hydrophobes qui les font flotter pendant la flottation. Contrairement aux systèmes qui agissent plus en aval, l'ébauche du circuit de broyage offre la possibilité de réduire directement la charge de recirculation dans les broyeurs à boulets, augmentant ainsi le débit du broyeur jusqu'à 20 % à une taille de broyage constante.

Les opérateurs devront décider comment tirer parti de l'efficacité accrue du broyeur à boulets, ce qui pourrait être considéré comme une opportunité soit d'augmenter le débit, soit de réduire la taille de broyage et d'augmenter les récupérations à un débit constant. Le choix optimal dépendra des propriétés du corps minéralisé et de la configuration existante de l'usine de traitement. Cependant, même avec des allocations pour un nettoyage supplémentaire du concentré tiré par P29 et la prise en compte d'autres goulots d'étranglement du système commun, l'ébauche du circuit de broyage pourrait ajouter 1,2 million à 4,6 millions de tonnes métriques de production annuelle de cuivre d'ici 2032. En plus de ces gains de production, la réduction proportionnelle de la consommation d'énergie par tonne métrique de métal aura probablement des avantages environnementaux importants.

La production supplémentaire de cuivre aurait également probablement une empreinte environnementale supplémentaire limitée et pourrait représenter une importante création de valeur économique. Si l'augmentation potentielle de la production est étendue à tous les métaux produits à partir de minerais sulfurés à l'aide d'un processus de production similaire, tout en étant évalués aux prix du marché prévus (moins les coûts de traitement supplémentaires),3Sur la base d'un prix du cuivre de 10 000 USD par tonne métrique et d'une gamme de prévisions pour d'autres métaux à base de sulfure. un pool de valeur annuel de 20 milliards de dollars à 85 milliards de dollars émerge.

Balayage des particules grossières se concentre sur l'extension de la gamme de granulométrie lors de la flottation en ajoutant des équipements en fin de circuit. Un exemple est le système HydroFloat d'Eriez,4Peut également être utilisé dans le rôle d'ébauche du circuit de broyage avant que le matériau n'entre dans le circuit de flottation. qui combine les principes de deux technologies de séparation conventionnelles : la séparation par densité et la flottation. Au cours de la flottation conventionnelle, des bulles d'air sont introduites dans la boue de minerai, à quel point les bulles se fixent aux particules minérales, les soulèvent vers le haut du réservoir et créent une mousse riche en métal qui peut être écrémée. Cependant, plus les particules de minerai sont grossières, plus elles risquent de se débarrasser des bulles d'air et de retomber dans la boue avant de pouvoir être écrémées. HydroFloat résout ce problème en introduisant des couches dans les cellules qui empêchent les particules plus grossières de couler, améliorant ainsi leurs chances de récupération.

En ce qui concerne l'impact de cette technologie, elle a été utilisée comme épurateur à la fin d'une usine de traitement, où il a été possible d'améliorer la récupération de 2 à 6 %, en supposant une taille de broyage constante et en fonction de facteurs spécifiques au site. Appliquée à l'ensemble de l'industrie, l'amélioration de la flottation des particules grossières peut entraîner une production annuelle de cuivre supplémentaire de 0,5 à 1,5 million de tonnes métriques d'ici 2032. Si elle est appliquée à tous les métaux trouvés dans les gisements de sulfure, la technologie représente une création de valeur potentielle de 9 à 26 milliards de dollars par an.

Les avantages de l'ébauche du circuit de broyage et de la flottation des particules grossières s'étendent au-delà de leurs rôles principaux dans l'augmentation des concentrateurs en fonctionnement pour améliorer les récupérations et le débit. Premièrement, les particules grossières à tolérance accrue créées par ces technologies impliquent une opportunité de réduire la consommation d'eau et d'énergie tout en atteignant les mêmes objectifs de production. Deuxièmement, le dégrossissage du circuit de broyage et la flottation des particules grossières ouvrent également la possibilité de retraiter les anciennes installations de résidus et de rendre économiques d'autres extensions de friches industrielles pour les opérations minières proches de la fin de vie, en prolongeant la production à faible coût en capital et environnemental et avec une incertitude réglementaire réduite. Enfin, ces technologies offrent une opportunité de repenser la conception des mines vierges, en réduisant les exigences du circuit de broyage pour une même production et en offrant ainsi des économies sur les besoins en capital et la consommation d'eau et d'énergie.

Les technologies basées sur la lixiviation ont traditionnellement été appliquées aux gisements d'oxydes ou de sulfures secondaires. Cependant, les développements récents peuvent aider à étendre cette voie de traitement aux gisements de sulfure primaire.

Les sulfures primaires sont généralement traités dans des usines utilisant des systèmes basés sur la flottation. La flottation est généralement économique pour les minerais dont la teneur en cuivre est supérieure à 0,25 %5, en tant que teneur moyenne en cuivre d'une seule mine. Les teneurs de coupure seront souvent inférieures, en particulier si elles sont soutenues par des revenus importants de sous-produits. dont la flottation peut récupérer 85 à 90 pour cent. Les minerais inférieurs à cette teneur sont normalement rejetés en tant que déchets. Pourtant, la lixiviation du sulfure primaire offre une voie pour récupérer le cuivre à partir de matériaux qui sont actuellement en dessous de la teneur en tête de broyeur et considérés comme des déchets.

Plusieurs technologies distinctes ouvrent l'espace de lixiviation du sulfure primaire. Certains se sont concentrés sur des solutions à base de chlorure, tandis que d'autres, comme le système Nuton de Rio Tinto, se sont concentrés sur la biolixiviation. Les résultats techniques des essais à Kennecott et sur d'autres sites seraient encourageants, mais Nuton se distingue également par l'innovation dans le modèle d'entreprise qu'il a adopté. Oran utilisera la technologie Nuton pour le développement d'une nouvelle mine.

Au-delà des développements au sein des grandes sociétés minières, Jetti Resources, un fournisseur de services indépendant, travaille avec les propriétaires de mines pour utiliser un système à base de catalyseur pour lixivier les sulfures primaires sur leurs sites. En décembre 2022, Jetti a signalé 23 projets actifs, travaillant avec une gamme de grandes sociétés minières. Un cycle de financement de série D de 100 millions de dollars en octobre 2022 a valorisé la société à 2,5 milliards de dollars et a attiré la participation des principaux mineurs et entreprises manufacturières.

Des limitations pratiques liées à la construction et à l'exploitation des plates-formes de lixiviation en tas peuvent limiter l'application de cette technologie en premier lieu aux déchets minéralisés tout-venant plutôt qu'aux résidus ou aux stocks de déchets minéralisés existants. Il reste encore du chemin à parcourir pour parvenir à la commercialisation. Cependant, si les obstacles actuels sont surmontés d'ici la fin de la décennie, il pourrait y avoir 2,4 millions de tonnes métriques supplémentaires de production de cuivre raffiné par an d'ici 2032, avec un profil de risque d'utilisation de l'eau et des résidus inférieur à celui associé aux voies de production actuelles basées sur la flottation. Cela pourrait représenter une opportunité de 45 milliards de dollars par an pour tous les métaux sulfurés.

L'un des principaux défis du traitement des minerais est que, dans une certaine mesure, chaque corps minéralisé est variable. Jour après jour, et parfois heure par heure, les caractéristiques des minerais introduits dans l'usine de traitement varient, répondant de différentes manières à la configuration du processus. Ainsi, maintenir la configuration optimale de l'usine pour récupérer le plus de métal tout en assurant la pureté requise du concentré produit demeure un défi perpétuel.

Traditionnellement, l'ajustement de la configuration de l'usine était du ressort des métallurgistes de l'usine, qui s'appuyaient sur une combinaison d'études universitaires, d'expérience professionnelle et de connaissances du corps minéralisé spécifique. Comme pour tout processus contrôlé par l'homme, les facteurs humains exercent une influence significative sur les résultats, ce qui a parfois entraîné non seulement l'excellence, mais également une perte de production en raison d'une prise de décision sous-optimale.

Le développement de l'apprentissage automatique et de son application au contrôle du traitement des minerais au cours des cinq dernières années a ajouté un niveau de rigueur et de cohérence.7Pour en savoir plus sur cette application, voir Red Conger, Harry Robinson et Richard Sellschop, "Inside a mining company's AI transformation", McKinsey, 5 février 2020. Les meilleures applications ont tendance à conserver le rôle central d'un opérateur d'usine expérimenté, mais elles fournissent également des invites et des données sur lesquelles l'opérateur peut agir. Garder un humain au courant garantit que les décisions restent concentrées sur la situation dans son ensemble et ne deviennent pas purement algorithmiques, tout en capturant la vitesse et la cohérence que l'apprentissage automatique et l'IA peuvent fournir.

En s'assurant que les usines de traitement travaillent constamment dans la plage supérieure de leurs capacités, l'apprentissage automatique peut ajouter 2 à 4 % aux récupérations de métaux et 5 à 15 % au débit. De telles améliorations offrent une augmentation de la production mondiale des mines existantes et prévues d'un demi-million à un million de tonnes métriques de cuivre raffiné d'ici 2032, créant une valeur de 9 à 18 milliards de dollars par an dans tous les concentrateurs de sulfure.

Il existe un certain nombre de mesures que les parties prenantes peuvent prendre pour saisir le plein potentiel de ces opportunités.

Pour les grandes sociétés minières, les nouvelles technologies mentionnées, telles que la récupération des particules grossières, la lixiviation des sulfures et l'optimisation des processus avec l'apprentissage automatique, soulignent l'importance et la contribution potentielle des groupes d'innovation internes. De tels rôles peuvent aller bien au-delà des améliorations progressives - au mieux, ils se tiennent aux côtés des projets d'exploration et d'investissement en tant que moteurs de la croissance future - et seront probablement la clé pour faire passer ces technologies de pilotes prometteurs à la pratique standard de l'industrie. Les grands mineurs peuvent également continuer à rechercher des moyens flexibles et agiles de travailler avec des juniors ou des fournisseurs de services pour s'assurer qu'ils s'appuient sur les meilleures idées de l'ensemble de l'industrie.

De plus, ces technologies réaffirment l'importance des développements de friches industrielles. Le potentiel de maximiser les avantages dans cet espace - avec une empreinte environnementale plus faible et des moyens de subsistance continus pour les communautés locales - reste attractif. À mesure que les prix des matières premières augmentent et que la technologie rend plus possible, même les sites qui ont complètement cessé leur production peuvent à nouveau générer de la valeur économique.

Aux juniors, prestataires de services et instituts de recherche, les grandes sociétés minières sont ouvertes aux affaires, à la recherche de partenaires et à la création d'opportunités. De cette façon, les grandes entreprises peuvent donner accès à des projets d'envergure et soutenir la croissance des licornes de la technologie minière.

Ces technologies offrent également de nouvelles options pour les projets entièrement nouveaux. La « mine du futur » pourrait nécessiter une capacité de broyeur à boulets beaucoup plus faible pour la même production basée sur la technologie d'ébauche à circuit de broyage, réduisant ainsi les besoins en capital, la consommation d'eau et les émissions de CO2. De même, la lixiviation des sulfures offre la possibilité d'une approche progressive et à faibles dépenses en capital pour le développement de gisements de cuivre à faible teneur qui nécessitaient auparavant la construction de concentrateurs à forte intensité de capital. Cette approche peut permettre un modèle de développement incrémental similaire à celui souvent utilisé pour les gisements d'or, en particulier dans les zones à haut risque, où le capital à risque et la période de récupération sont des critères d'investissement critiques. De même, pour les communautés locales qui accepteraient une partie de l'exploitation minière mais ne sont pas sûres de vouloir s'engager dans un mégaprojet, l'option d'une voie de développement minier supplémentaire pourrait être attrayante.

Pour les acheteurs de métaux, les contraintes d'approvisionnement auxquelles sont confrontés les métaux nécessaires à la transition énergétique peuvent sembler décourageantes, mais les nouvelles technologies de traitement des minerais sont une indication que l'ingéniosité humaine et l'économie de marché tendent à trouver un moyen de fournir. Cependant, ce n'est pas une invitation à l'optimisme passif : les acheteurs ont un rôle à jouer dans la chaîne d'approvisionnement en finançant et en promouvant les percées technologiques là où ils le peuvent. Cela nécessite une analyse minutieuse et de rester au courant des tendances de l'industrie.

Alors que le monde s'électrifie, la demande de cuivre sera difficile à satisfaire. Cependant, avec les nouvelles technologies innovantes d'extraction et de traitement, il y a de l'espoir. Les acteurs de l'ensemble de l'industrie, des exploitants miniers aux développeurs en passant par les acheteurs de métaux, peuvent agir dès aujourd'hui pour soutenir la mise en œuvre de ces nouvelles technologies et innover davantage. S'ils le font, ils pourraient fournir à l'humanité les ressources essentielles dont elle a besoin pour l'avenir.

Scott Crooksest consultant au bureau londonien de McKinsey ;Jonathan Lindleyest consultant au bureau de Stamford, oùRichard Sellschopest un associé principal ;Dawid Lipusest consultant au bureau de Wroclaw;Eugène Smith est un associé du bureau de Denver ; etStephan van Zylest un associé du bureau de Vancouver.