La fibre de carbone : Le matériau miracle

La fibre de carbone, souvent qualifiée de « matériau miracle », est plus résistante que l’acier, l’aluminium et même le titane, tout en étant plus légère. Grâce à leur légèreté et à leur grande résistance, les fibres de carbone sont utilisées comme matériaux à haute performance dans les voitures de Formule 1 modernes, les turbines éoliennes et les avions.

En 2021, 114 000 tonnes de fibres de carbone ont été vendues, avec l’éolien et l’aérospatial représentant environ 25 % et 15 % des ventes respectivement. La demande mondiale devrait atteindre 180 000 tonnes d’ici 2026, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 9,6 %, dépassant ainsi une offre de 125 000 tonnes. Le marché des fibres de carbone est évalué à environ 4,5 milliards de dollars en 2021 et devrait croître jusqu’à environ 7 milliards de dollars d’ici 2030, principalement en raison de l’augmentation des prix et d’une légère augmentation de la production.

Cependant, ce matériau miracle est assez énergivore à produire. Selon les estimations de la North American Forest Foundation, la production de plastique nécessite en moyenne 87,5 MJ/kg, la production d’acier à partir de fer nécessite 37,5 MJ/kg, tandis que la fibre de carbone nécessite environ 240 MJ/kg !

Par conséquent, la combinaison de l’intensité énergétique élevée requise pour produire la fibre de carbone et de la demande excédentaire créera un vide sur le marché pour un remplacement de la fibre de carbone vierge (vCF). Bien qu’il n’y ait pas de matériaux pouvant servir de remplacement direct, l’importante quantité de déchets de fibre de carbone rendra la fibre de carbone recyclée (rCF) un candidat solide, à condition que les propriétés physiques des fibres récupérées ne soient pas endommagées.

Recyclage de la fibre de carbone –

Le recyclage de la fibre de carbone dépend du type de déchets disponibles. Généralement, les déchets de fibre de carbone se présentent sous deux formes principales : a. Chutes de production (découpes de feuilles de fibre de carbone lors de la fabrication) – On estime qu’environ 30 % des fibres de carbone sont perdues lors de la production. En 2021, elles représentaient 45 % (25 000 tonnes) des déchets totaux de fibres de carbone générés.

b. Déchets en fin de vie (EOL) (produits contenant de la fibre de carbone ayant atteint la fin de leur cycle d’utilisation). En général, ces produits contiennent plusieurs matériaux et sont appelés polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP). En 2021, ils représentaient les 55 % restants (31 000 tonnes) des déchets totaux de fibres de carbone générés. Cependant, avec la première vague de matériaux composites (structures composites d’il y a 10 à 20 ans) atteignant la fin de leur vie utile dans la prochaine décennie, la part des déchets en fin de vie devrait atteindre 85 % d’ici 2040. En 2021, environ 56 000 tonnes de déchets de fibre de carbone ont été générées, soit près de la moitié de la quantité de fibres de carbone fabriquées cette année-là. En 2024, les déchets de fibres de carbone ont augmenté de 34 % pour atteindre 75 000 tonnes. Il est prévu qu’en 2040, 210 000 tonnes de déchets de fibres de carbone seront produites !

En 2024, on estime qu’environ 10 000 tonnes de fibres de carbone seront recyclées via différentes méthodes de recyclage, avec un TCAC de 115 % par rapport à seulement 1 000 tonnes en 2021. Voici les principaux types de recyclage des fibres de carbone :

a. Recyclage mécanique –
Le recyclage mécanique des fibres de carbone consiste à broyer les déchets de fibres de carbone en morceaux grossiers de moins de 10 mm. Ceux-ci peuvent ensuite être utilisés pour mouler de nouveaux produits. Bien que cette méthode de recyclage soit la moins coûteuse, les propriétés physiques du produit final sont probablement équivalentes à celles de la fibre de verre. Par conséquent, cela est considéré comme un recyclage de moindre qualité. En raison de cela, le prix de ces produits se situe entre 10 et 20 % du prix de la fibre de carbone vierge, soit environ 4 à 8 dollars par kg. Ces fibres sont généralement utilisées comme charges dans des moules pour fabriquer divers produits comme des battes de sport, des planches de surf, des squelettes de vélos, etc.
Environ 60 % des 10 000 tonnes de fibres de carbone qui devraient être recyclées en 2024 le seront par recyclage mécanique.

b. Recyclage thermique –
Le recyclage thermique est le processus de combustion des résines dans les CFRP pour récupérer la fibre de carbone. Les fibres récupérées conservent une résistance à la traction de 50 à 85 % par rapport à la fibre de carbone vierge. Cependant, ce processus peut être énergivore. Selon l’efficacité du processus, la fibre de carbone recyclée thermiquement coûte entre 10 et 13 dollars par kg. Des fibres récupérées de haute qualité ont été utilisées à titre expérimental pour fabriquer des pièces automobiles non critiques, comme des pare-chocs, tandis que des fibres récupérées de basse qualité sont utilisées pour mouler des équipements automobiles comme des tableaux de bord.
Environ 30 % des 10 000 tonnes de fibres de carbone qui devraient être recyclées en 2024 le seront par recyclage thermique.

c. Recyclage chimique –
Le recyclage chimique consiste à dissoudre la résine époxy liant plusieurs couches de fibres de carbone avec des solvants chimiques. C’est la solution de recyclage la plus prometteuse car elle conserve plus de 90 % de la résistance à la traction et d’autres propriétés physiques de la fibre de carbone vierge. Cependant, l’utilisation de produits chimiques nocifs dans le processus de recyclage le rend très coûteux et complique le processus du point de vue de la sécurité. En raison de la haute rétention des propriétés, la fibre de carbone recyclée chimiquement coûte environ 50 % du prix de la fibre de carbone vierge, soit environ 20 dollars par kg. En règle générale, on ne s’attend pas à ce que la fibre de carbone recyclée coûte plus de 50 % du prix de la fibre de carbone vierge.
Environ 10 % des 10 000 tonnes de fibres de carbone qui devraient être recyclées en 2024 le seront par recyclage chimique.

Défis actuels dans le recyclage de la fibre de carbone –
Bien que nous ayons observé une forte augmentation du taux de croissance annuel composé de 115 % dans le recyclage des fibres de carbone au cours des trois dernières années, le paysage du recyclage des fibres de carbone en est encore à ses débuts avec un taux de recyclage de 13 %. Le marché est composé de nombreux petits recycleurs et de certains grands fabricants de fibres de carbone vierge qui se lancent dans le recyclage. Il faudra encore un certain temps avant que la consolidation ne se produise dans ce secteur. Alors que la recherche sur la commercialisation du « vrai recyclage » des fibres de carbone se poursuit, le succès du recyclage des fibres de carbone deviendra une réalité en résolvant les défis suivants :

Collecte : La collecte des déchets de fibres de carbone (principalement les déchets en fin de vie) nécessite la mise en place de réseaux de collecte spécifiques. Bien que les plus grands consommateurs de fibres de carbone aujourd’hui, les pales d’éoliennes et les avions, disposent de réseaux de collecte robustes pour les produits en fin de vie, le défi réside dans la séparation des fibres de carbone des autres matériaux des composites.

Évolutivité des méthodes de recyclage : Le recyclage chimique est la méthode de récupération idéale en raison des propriétés physiques des fibres. Certaines entreprises sont capables de récupérer de longues fibres continues avec plus de 95 % des propriétés physiques des fibres de carbone vierge, mais il n’existe pas d’unités de recyclage chimique à l’échelle industrielle. La création d’usines de recyclage des fibres de carbone capables de s’autofinancer est le défi crucial auquel l’industrie est confrontée. De plus, les produits du recyclage chimique et thermique sont des fibres singulières multiples. La véritable résistance de la fibre de carbone réside dans l’empilement de multiples fibres singulières. Par conséquent, le réalignement unidirectionnel des fibres récupérées, qui peuvent être retissées, est un aspect clé du recyclage des fibres de carbone qui n’a pas été abordé par de nombreux acteurs.

Utilisation finale : Le recyclage des fibres de carbone dépend de la manière dont les fibres de carbone recyclées peuvent être utilisées. Comme les fibres de carbone recyclées ont intrinsèquement la longueur de leur produit d’origine (en tant que déchet en fin de vie) ou de leur découpe (en tant que chute de production), leur longueur est limitée, tandis que la fibre de carbone vierge pourrait théoriquement être « infinie ». Par conséquent, les fibres de carbone recyclées résultantes doivent être adaptées aux nouveaux designs de produits en fonction de la longueur disponible des fibres de carbone recyclées et de la longueur de conception requise, idéalement au cas par cas. Par conséquent, trouver des possibilités de recyclage à valeur ajoutée reste un défi clé. Diverses équipes de Formule 1 ont déjà expérimenté l’utilisation des fibres de carbone recyclées dans leurs voitures. Certaines entreprises ont déjà créé une boucle fermée pour réutiliser la fibre de carbone des réservoirs de stockage d’hydrogène dans la production de nouveaux réservoirs. Bien que cela soit probablement une preuve de concept, la viabilité économique des utilisations finales est un obstacle critique au recyclage réussi des fibres de carbone.

Réglementations : Contrairement aux pneus de véhicules, ou plus récemment aux vêtements, il n’existe pas de mandats spécifiques pour l’élimination des fibres de carbone, ce qui rend difficile l’approvisionnement en déchets en fin de vie. De plus, l’incitation à recycler les fibres de carbone est largement motivée par les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre de l’UE plutôt que par des objectifs spécifiques de recyclage des matériaux.

Eco-design : Une partie essentielle du recyclage est la conception des produits. L’utilisation de motifs et de découpes qui préservent la longueur des fibres et facilitent leur séparation des autres matériaux dans le composite sont les méthodes les plus efficaces pour améliorer la recyclabilité des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP). Une méthode innovante dans l’« éco-conception » est l’utilisation de résines époxy recyclables qui lient ensemble des feuilles de fibres de carbone vierge. Cela a déjà été testé par Siemens Gamesa pour leurs pales d’éoliennes recyclables.

Perspectives futures :
Le recyclage de la fibre de carbone est crucial non seulement pour augmenter la durée de vie de l’un des matériaux les plus énergivores que nous produisons, mais il est également un levier clé pour développer l’énergie hydrogène et rendre l’aviation plus verte.

La popularité croissante de l’hydrogène comme source d’énergie renouvelable est bien établie. Mais il y a un problème critique de stockage, car la plupart des métaux sont lourds (ont beaucoup de poids mort) et ne peuvent pas supporter la haute pression à laquelle l’hydrogène est stocké. De plus, l’acier en particulier a tendance à devenir fragile au contact de l’hydrogène sous pression. La fibre de carbone est le remplacement idéal des métaux et de la fibre de verre dans les conteneurs de stockage (réservoirs d’hydrogène de type 5). Cette dynamique devrait faire du stockage de l’hydrogène le plus grand consommateur de fibres de carbone entre 2040 et 2050.

Dans l’industrie aéronautique, l’utilisation de composites est passée de moins de 10 % dans les années 1990 à environ 50 % dans les avions modernes, principalement pour réduire le poids. La réduction de poids a un impact direct sur l’efficacité énergétique et donc sur les émissions de gaz à effet de serre de l’industrie.

Bien qu’encore à ses débuts, ce secteur est à surveiller de près pour les entreprises de l’aérospatial et des énergies renouvelables au sein de l’UE afin de réduire leur empreinte carbone dans les 20 à 25 prochaines années. Le recyclage de la fibre de carbone pourrait transformer ce matériau miracle en un super matériau miracle, le rendant plus vert et moins coûteux.