Energy and Civilization - Vaclav Smil
L’énergie est un concept utilisé dans tellement de domaines qu’il en devient un peu flou, difficile à résumer. Ses unités de mesure (le Joule ou le kW) n’aident pas trop. Contrairement à d’autres comme le mètre ou le gramme il est plus difficile d’y rattacher des expériences quotidiennes.
Énergie durant la préhistoire
On évoque souvent le feu, et il est vrai que cette source de chaleur a eu un effet considérable car il permet de cuire la nourriture ce qui en facilite la digestion.
Mais, pour revenir aux basiques, la marche à pied est aussi importante. Elle consomme 75% de moins d’énergie que le déplacement d’un quadrupède. Elle libère les mains pour manger et surtout transporter la nourriture en dehors du lieu de cueillette facilitant le mode de vie sédentaire. Enfin le maniement d’outils est plus facile dans cette position et libère une plus grande force du bras (environ 100 W en moyenne)
Énergie et l’agriculture traditionnelle
Avec la sédentarisation, l’agriculture prends forme. Partout dans le monde on constate un peu les mêmes méthodes et limites.
On cultive des céréales (blé en Europe ou Moyen-Orient, quinoa / maïs en Amérique Centrale et du Sud ou riz en Asie). Les céréales apportent plus de protéines que les tuberculeux (entre 10 et 15% contre 2%) mais pas assez pour les besoins humains (on a besoin des acides aminés de ces protéines pour synthétiser d’autres protéines importantes). On voit donc apparaître la culture de légumes comme les haricots qu’on mélange aux céréales ceci permettant une meilleure assimilation.
Les techniques de cultivation dont les engrais évoluent aussi beaucoup même si la productivité n’augmente pas énormément. Les engrais proviennent des excréments animaux ou humains ou de la rotation de cultures avec des légumes qui fixent le nitrogène, principal engrais qui n’est pas présent en quantités importantes dans la nature.
Mais on se repose beaucoup sur la chance, on espère que le temps sera clément et que la pluie sera au rendez-vous (20% de pluie en moins peut se traduire par une baisse de 50% des récoltes) . On ne cherche pas à optimiser forcément les méthodes si cela requiert plus de travail, le métier de fermier étant déjà très demandant. La famine et la sous-nutrition ne sont jamais très loin. On estime la consommation de viande à environ 9 à 10 kg par an par habitant, c’est un luxe. La principale denrée est le pain issu de la culture des céréales.
On utilise de plus en plus les animaux dans les champs mais il faut nourrir ceux-ci (cela représentera jusqu’à 25% de la production agricole) et il faut les bras pour s’en occuper et les utiliser dans les champs. Leur apport en termes de productivité est donc limité. Ils déploient une puissance d’environ 750 à 1000 W.
Les carburants et les moyens de production dans l’ère pré-industrielle
Les premier moyens autre que des humains sont les chevaux qui, avec le bon équipement (notamment la façon d’attacher les appareils de labourage), peuvent remplacer entre 7 et 10 humains mais il faut de la place pour les loger, les pâturages pour les nourrir.
Le moulin à eau permet de moudre le grain, d’extraire l’huile et est aussi parfois utilisé dans la production de papier et de métaux. Les modèles “par-dessus” (eau arrivant en haut de la roue motrice) ont une efficacité de 60 à 90%. Ce qui est très bon, les premiers moteurs à vapeur alimentés au charbon se situent plus entre 2 et 15% de taux de rendement, on comprend pourquoi les moulins ont perduré jusqu’au 19ème siècle. Un moulin à eau du temps des romains a une puissance de 1 800 W.
Il ne faut pas oublier le moulin à vent mais il a une moins bonne efficacité, une performance moins stable et très dépendante des courants éoliens.
Enfin, de loin, le bois et le charbon de bois étaient les premiers carburants. Utilisés pour le chauffage et les premiers fours à métaux, l’exploitation du bois nécessite une source proche ce qui limite l’expansion des villes. Les procédés étant peu efficaces, la consommation de bois avait un rythme énorme allant jusqu’à plus d’une tonne par an par habitant. En moins d’un siècle le Massachusetts est passé d’une couverture forestière de 85 à 30%. Le bois de chauffage domestique était en concurrence aussi avec le bois de construction (maisons et bateaux) mais surtout avec les besoins croissants de l’industrie métallurgique (fer et acier).
Les énergie fossiles, l’électricité et sources d’énergie renouvelable
La première énergie fossile est celle qui est encore très utilisée: le charbon. Le charbon a été la plus grosse source d’énergie pendant 250 ans en Angleterre couvrant jusqu’à 90% de ses besoins à son pic dans les années 60-70. Ce fut pareil un peu partout dans le monde, le charbon étant très abondant. La Chine représente maintenant l’essentiel de la production et de l’utilisation mondiale.
L’invention qui va avoir un effet de levier grâce au charbon est le moteur à vapeur. Le premier modèle efficace sera construit par James Watt à la fin du 18ème siècle. On parle d’une puissance de 100 kW sachant qu’un humain a une puissance 1 000 moins grande. À la fin du 19ème siècle on atteint une efficacité de 25% avec une puissance de 3MW.
Le moteur à vapeur se retrouve dans beaucoup d’applications: locomotive, turbine électrique, excavation, industrie etc. Toutefois les rendements ne sont pas encore au rendez-vous, 92% du charbon utilisé par une locomotive est perdu.
Le pétrole est connu depuis longtemps, servant de revêtement dans la construction ou pour l’éclairage. Les premiers pays producteurs à grande échelle sont les USA, la Russie (Azerbaïdjan) et le Canada. Il permet l’apparition du moteur à combustion et explosion à essence et diesel. Ce moteur contrairement à celui à vapeur prend moins de place et peut-être monté sur une plate-forme mobile. De Mercedes-Benz-Daimler à Ford en passant par les 600 constructeurs français de l’époque, une nouvelle industrie est née: l’automobile. Le rendement des moteurs diesel malgré leur poids est plus grand que celui à essence (25% versus 14-17%).
C’est aussi l’apparition de l’électricité. Il y a beaucoup de controverse autour d’Edison mais son principal apport au-delà de l’ampoule c’est d’avoir inventé un système autour de cette énergie. Il a pensé à la génération, transmission, distribution et le mesurage des premiers réseaux électriques. Tout devait tomber en place pour permettre à l’électricité de jouer le rôle majeur qu’on lui connaît aujourd’hui.
En 1800 les gens utilisaient les mêmes sources d’énergie qu’en 1500 ou 1300: le charbon de bois, le bois et la la bougie. Un siècle seulement plus tard, en 1900, beaucoup de transformations sont intervenues. Même si ces inventions étaient encore peu répandues ou pas très efficaces, elles sont les graines des sociétés industrielles du 20ème siècle: le pétrole, le moteur à vapeur, l’électricité, les turbines.
La civilisation alimentée par les énergies fossiles
L’énergie fossile a eu un impact important sur tous les secteurs. En agriculture, le passage des animaux de trait aux machines a considérablement augmenté la productivité. On a pu découvrir aussi de nouveaux matériaux plastiques.
L’abondance d’engrais et pesticides a aussi permis de sécuriser l’approvisionnement de nourriture pour une grosse partie de la population mondiale.
L’électricité a permis à l’industrie de trouver de nouveaux procédés. On peut maintenant avoir des installations avec de petites surfaces contrairement à celles avec des moteurs à vapeur et leurs grosses courroies.
Le rendement des sources d’énergie a aussi connu une progression, à part le moteur à combustion. Les turbines à gaz sont à plus de 90%. En moyenne nous sommes maintenant à 50%.
L’énergie dans l’histoire
C’est un chapitre qui résume et parfois répète certaines évolutions de l’énergie à travers l’histoire. C’est aussi une forme de conclusion.
L’histoire de l’énergie à travers les époques n’est pas linéaire. L’eau par exemple a longtemps cohabité avec d’autres sources.
Le charbon remplace le bois en 60 ans à peine, le pétrole connaît la même transition même s’il ne dépassera jamais les 50%. Ces deux transitions sont très rapides aux vues des investissements énormes à faire pour mettre en place l’extraction, la production et la distribution de ces ressources.
Les moteurs sont de plus en plus légers et donc facile à intégrer un peu partout. Depuis 1950 les moteurs à explosion sont la principale source d’énergie pour les transports. Ces derniers sont très importants car longtemps cela a été une limite importante. Bien que l’agriculture se soit développée, l’impossibilité de transporter sur de longues distances des denrées forçait une production locale qui occupait 80-90% de la population.
La transition a été très rapide: en 1850 les USA étaient encore une société très agricole. En moins d’un siècle, à la sortie de la Seconde Guerre mondiale, le pays est résolument la première puissance industrielle mondiale.
Enfin on ne peut pas passer à côté de l’importance de l’électricité qui a permis l’apparition du réfrigérateur, d’appareils médicaux, etc.
Conclusion
J’en ai pas parlé jusqu’à maintenant mais l’auteur aborde évidemment les aspects négatifs de ces révolutions énergétiques. Tout d’abord l’énergie est aussi utilisée à des fins militaires. Cela recouvre les armes développées du fusil à la bombe nucléaire.
Il y a aussi la surconsommation de produits alimentaires devenus abondants. La production mondiale pourrait servir amplement à nourrir tout le monde mais il y a beaucoup de pertes et de gâchis dans les pays riches et donc de besoins non satisfaits dans les pays pauvres.
Mais surtout il y a la pollution engendrée par les énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole). Ce n’est pas l’objet principal du livre et je ne m’attendais pas à ce que l’auteur l’aborde longtemps. Il ne le dit pas explicitement mais il doute que les énergies renouvelables nous permettent de sortir rapidement de notre dépendance au pétrole, gaz et charbon. Ce qui est étonnant car son livre a mis en évidence des transitions très rapides (un demi-siècle) entre le bois et le charbon et le pétrole.
Nous sommes plus riches énergétiquement parlant aujourd’hui mais paradoxalement on a moins de choix car nous avons tout misé sur le pétrole, celui-ci étant la voie facile. Les nouveaux chemins qui se dessinent avec des procédés et sources d’énergie alternatifs demanderont le développement de nouvelles industries. Or nos sociétés de pays riches, grâce aux gains de productivité en partie dû aux énergies fossiles, ne sont plus des sociétés industrielles.
Mais au-delà des technologies, il revient sur les comportements qu’a permis l’abondance à bas coûts des sources d’énergie modernes. Que cela soit le surplus de nourriture entraînant de l’obésité, le transport aérien et surtout l’automobile, nous avons longtemps été aveugles sur les limites de ces richesses. Même si elles ne sont pas populaires, les taxes carbones ont le mérite, je trouve, de re-internaliser le vrai coût de nos dérives énergétiques.
Le livre nous donne du recul sur le secteur de l’énergie en revenant très loin dans l’histoire. Cela m’a aidé à comprendre les différentes technologies et leurs limites. Je pense que j’y reviendrai souvent surtout grâce aux références sous forme de tables de comparaison, des jalons historiques, etc. Mais on comprend encore une fois que le défi n’est pas tant technologique mais bien politique. On trouvera des solutions mais il faut que le contexte politique soit là pour les favoriser et les encourager.