Énergie, CO2 et croissance économique

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Je m’attaque, avec cet article, à un sujet qui m’intéresse depuis longtemps et qui me semble absolument fondamental. Il s’agit du lien intrinsèque qui existe entre consommation d’énergie, émissions de CO2 et croissance économique.

Qu’est ce que l’énergie ?

On utilise beaucoup le mot énergie dans le langage courant, dans de multiples sens : « source d’énergie », « énergie électrique », « énergie renouvelable », énergie fossile », « énergie nucléaire », « vecteur énergétique », « énergie positive », « flux d’énergie », … sont des expressions que l’on entend souvent. Mais au fond, c’est quoi l’ « énergie » ?

Question délicate, essayons d’y voir un peu plus clair.
D’un point de vue physique (nous sommes sur un blog de vulgarisation scientifique, rappelez-vous), on peut considérer que, dans l’univers, l’énergie est ce qui caractérise le changement, en prenant le mot changement au sens le plus large : un objet qui se met en mouvement ou qui s’immobilise, une lumière qui est émise ou absorbée, de la chaleur qui se diffuse, de l’électricité qui circule, des atomes ou des molécules qui interagissent lors d’une réaction chimique, etc… Dès lors qu’un changement se produit quelque part dans l’univers, que « quelque chose se passe » alors il y a de l’énergie qui est mobilisée. Pour que quelque chose se produise dans l’univers, cela nécessite de l’énergie sinon rien ne se produit. Un monde sans énergie serait un monde sans changement, un monde totalement figé. L’énergie est la source de tout.

Appliquons cette définition à notre quotidien terrestre pour mieux comprendre :

• les être vivants utilisent de l’énergie pour subsister :
  – les plantes pratiquent la photosynthèse et, ce faisant, utilisent l’énergie des rayons du soleil,
  – les animaux – dont nous faisons partie – mangent et utilisent l’énergie chimique contenue dans les aliments (plantes ou autres animaux),
  – les champignons (qui ne font pas de photosynthèse) tirent leur énergie des molécules organiques qu’ils trouvent dans leur environnement,
  – les organismes qui vivent au fond de certains océans sur des sources thermales utilisent l’énergie chimique des sels dissous dans l’eau.
• une voiture, un camion, un bulldozer, un bateau, un avion, un tracteur utilisent l’énergie chimique contenue dans le carburant issu du pétrole pour fonctionner
• votre frigo, votre ordinateur, vos ampoules, un train électrique, une usine, un data-center, utilisent de l’énergie électrique apportée par le réseau électrique
• les centrales électriques thermiques classiques utilisent l’énergie chimique contenue dans le charbon, le pétrole, le gaz pour fabriquer de l’électricité
• les centrales électriques nucléaires utilisent l’énergie contenue dans les noyaux des atomes d’uranium 235 (exploitation de la fission de ces noyaux) pour fabriquer de l’électricité
• certaines centrales géothermiques utilisent l’énergie thermique contenue dans de l’eau très chaude présente en profondeur pour fabriquer de l’électricité
• les panneaux photovoltaïques utilisent l’énergie contenue dans la lumière du soleil pour fabriquer de l’électricité
• les panneaux solaires thermiques utilisent l’énergie contenue dans la lumière du soleil pour chauffer de l’eau (ou un autre liquide) et produire de l’électricité ou pour d’autres usages
• les éoliennes utilisent l’énergie mécanique de l’air en mouvement (le vent) pour fabriquer de l’électricité
• …. etc, etc…

L’énergie est la source de tout.

Les lois de la physique nous apprennent que l’énergie une propriété absolument fondamentale et universelle : elle se conserve. Cela signifie qu’il est impossible de créer de l’énergie (de même qu’il est aussi impossible d’en faire disparaître). La seule chose qui est possible dans l’univers c’est de transformer de l’énergie existant déjà quelque part, c’est à dire de la convertir en une autre forme.
Quelques exemples :
– les animaux transforment l’énergie chimique des aliments qu’ils absorbent en énergie mécanique (le mouvement) et en énergie thermique (chaleur)(*)
– une éolienne transforme l’énergie mécanique du vent en énergie électrique
– une voiture transforme l’énergie chimique de son carburant en énergie mécanique (le mouvement du moteur)
– une usine hydroélectrique transforme l’énergie potentielle de pesanteur de l’eau d’un barrage (due au fait que l’eau est stockée en hauteur par rapport à l’usine) en énergie électrique
– une balle qui tombe sur le sol transforme son énergie potentielle de pesanteur en énergie mécanique (déformation de la balle, rebond) et en chaleur (léger échauffement de la balle et du sol)
– un rayon de soleil qui vous chauffe le visage transforme son énergie électromagnétique en énergie thermique (chaleur de votre peau)
– en tapant en ce moment sur mon clavier d’ordinateur, je transforme l’énergie chimique contenue dans ce que j’ai mangé précédemment en énergie mécanique : le mouvement des muscles de mes doigts.
– en réfléchissant à ce que je tape, mes neurones transforment l’énergie chimique de mes aliments en chaleur (le cerveau est, dans le corps humain, un gros consommateur d’énergie),
– un parachutiste en vol transforme son énergie potentielle de pesanteur- car il est parti de bien haut – en énergie mécanique (mouvement des molécules d’air que son aile déplace) et en chaleur (l’air déplacé s’échauffe très légèrement).
– … etc, etc…

L’énergie est la source de tout… et tout ce qui se passe dans l’univers – en général – et sur Terre – en particulier – est une histoire de transformation d’énergie.
Nous allons voir dans la suite de cet article ce que cela implique pour nous, les humains, et en quoi la question de l’énergie est absolument cruciale.

L’utilisation croissante des sources d’énergie par les hommes au fil des temps

En dehors de l’énergie qu’ils tirent de leur alimentation, les hommes ont commencé à utiliser d’autres sources d’énergie depuis fort longtemps.

C’est Homo Erectus qui a ouvert le bal il y a environ un million d’années, en apprenant à maîtriser le feu. Il a ainsi commencé à utiliser l’énergie chimique stockée dans le bois (en fait l’énergie solaire que l’arbre a exploité pour se constituer grâce à la photosynthèse) pour cuire les aliments et améliorer ainsi leur digestion, pour éloigner les prédateurs, pour s’éclairer, pour durcir la pointe des épieux…

Avec l’invention de l’agriculture il y a environ 8 000 ans au début du néolithique, l’homme se sédentarise et commence à utiliser l’énergie mécanique fournie par les animaux, pour le transport (traction animale) ou pour le labourage.

Pendant l’Antiquité, vers 300 ans av. J.-C., les hommes inventent les moulins à eau pour utiliser l’énergie hydraulique. Ils s’en servent d’abord notamment pour moudre le grain.

Les moulins à vent exploitant l’énergie éolienne sont inventés plus tard en Perse au VIIème siècle, d’abord pour l’irrigation puis aussi pour moudre le grain.

Plus tard, à partir du moyen-âge, les huiles animales et en particulier l’huile de baleine, sont utilisées comme combustible pour les lampes à huile et comme cire pour les bougies.

Au XVIIIème siècle, l’Humanité change de braquet et commence a utiliser le charbon de manière massive, après déjà quelques siècles d’utilisation ponctuelle dans différents endroits du monde pour se chauffer et cuire les aliments (premières traces d’utilisation comme combustible en Chine au XIIIème siècle). Les baleines et les forêts peuvent dire merci au charbon : grâce à cette nouvelle source d’énergie, la déforestation et la pêche massive des cétacés vont connaître un coup d’arrêt important !
Avec le charbon et l’invention de la machine à vapeur, l’Humanité – tout du moins une partie de l’Humanité – accélère son développement et la croissance économique décolle. L’énergie chimique contenue dans le charbon, convertie en énergie mécanique grâce aux machines à vapeur, permet de développer la métallurgie, le chemin de fer, les bateaux à vapeur : c’est la révolution industrielle.

A la fin du XIXème siècle, c’est au tour du pétrole d’entrer en scène : liquide, plus concentré en énergie que le charbon, c’est un carburant idéal, facile à embarquer dans un réservoir, qui va permettre un développement des transports sans précédent : voitures, bateaux, avions, camions, bulldozers, trains diesel… (sans parler de la production d’innombrables nouveaux produits grâce à la pétrochimie : matières plastiques, engrais, médicaments, cosmétiques, solvants, détergents, pesticides…). De nos jours, le pétrole est de loin la source d’énergie principale de la majorité des moyens de transports. Ce faisant, il est en quelque sorte le sang de la mondialisation économique : sans pétrole pour transporter en bateau, avion ou camion les produits fabriqués loin du lieu de leur utilisation, point de mondialisation.

A partir des années 50, le gaz naturel s’ajoute aux charbon et au pétrole. Son arrivée tardive dans le panel des sources d’énergie utilisées massivement par l’Humanité est due à son caractère gazeux qui en complique le transport et la manipulation.

A la même époque, enfin, le nucléaire (fission de l’uranium 235), en tant que source d’énergie permettant de fabriquer de l’électricité, commence à se développer dans certains pays, tout particulièrement en France.

Voici, rassemblée sur un seul graphique, l’histoire de l’émergence des principales sources d’énergie :

Que voit-on sur ce graphique ?
– que les nouvelles sources d’énergie ne remplacent pas les anciennes, elles s’ajoutent,
– que nous sommes encore massivement dépendants des énergies fossiles : elles représentent 85% de l’approvisionnement mondial (proportion stable depuis des décennies).

« Dépendants », vraiment ? Oui, il s’agit bien d’une dépendance : nous, les humains, sommes littéralement accros à l’énergie. Pour comprendre cela, regardons un peu à quoi correspond la quantité d’énergie que nous consommons et ce qu’elle nous permet de faire.

L’énergie, à quoi ça sert ?

Pour cela il faut commencer par avoir quelques ordres de grandeur en tête sur les quantités d’énergies que nous mobilisons dans nos vies quotidiennes.
Pour mesurer les quantités d’énergie(**) l’unité utilisée est le kilowatt-heure (kWh), avec ses dérivés le mégawatt-heure(MWh), le gigawatt-heure (GWh), etc… Comme il est difficile d’imaginer ce que représente un kWh, prenons des exemples :
– monter 2000 m de dénivelé en randonnée = 0,5 kWh environ
– pelleter de la terre pendant 8h depuis un trou d’1m de profondeur : 0,05 kWh environ (les bras d’un homme ou d’une femme sont moins puissantes que ses jambes)
– un an de travail manuel = de 10 à 100kWh environ.

Si on raisonne maintenant en termes de puissance(**), on considère qu’un homme ou une femme peut produire un travail représentant une puissance de 10 à 100 W.
Là où cela devient intéressant c’est quand on rapporte ce chiffre à celui de la puissance développée par les machines, tirée des énergie fossiles :
– un tracteur = la puissance de quelques centaines de personnes
– un camion = la puissance de 4000 jambes en fonctionnement
– un avion = la puissance d’1 million de jambes
– un laminoir industriel = la puissance d’un million de personnes… avec, aux commandes, un seul homme (ou une seule femme) !

Grâce à toutes les machines que nous mettons en œuvre et qui travaillent pour nous, en utilisant de l’énergie, nous décuplons notre puissance de simple homme ou femme et nous sommes capables d’abattre considérablement plus de travail. Pour illustrer cela, certains d’entre vous on peut être entendu leur grands-parents évoquer la révolution qu’a été l’arrivée des tracteurs dans nos campagnes dans les années 50/60 : il est alors devenu possible de faire beaucoup, beaucoup, plus de travail avec beaucoup, beaucoup, moins de bras.

A l’échelle de l’humanité, on peut calculer en utilisant les quantité totales d’énergie utilisées (voir graphique ci-dessus) que l’énergie dépensée par personne est d’environ 20 000 kWh par an. Soit 200 fois plus que l’énergie d’un seul homme (en prenant le chiffre haut de 100kWh par an pour un homme, cf plus haut).
NB : ce chiffre est une moyenne : pour un « occidental » moyen c’est plutôt 500 à 1000 fois et pour les plus riches c’est encore plus.
Dit autrement, chaque être humain a en quelque sorte plusieurs centaines d’ « esclaves énergétiques » qui travaillent pour lui, sous la forme de toutes les machines qui existent dans le monde et qui consomment de l’énergie. Grâce à ces « esclaves », nous pouvons construire des maisons, des routes, des usines, des infrastructures, nous pouvons fabriquer tous les produits manufacturés que nous utilisons au quotidien, nous pouvons nous déplacer en voiture, en train, en avion, nous pouvons bénéficier d’hôpitaux et de médicaments pour nous soigner, nous pouvons dégager du temps pour des loisirs, nous pouvons chauffer nos maisons, nous pouvons produire l’alimentation pour 8 milliards de personnes (sans ignorer que tout le monde hélas ne mange pas à sa faim, mais c’est un problème de répartition plus que de quantité totale de nourriture disponible), etc… etc….

Voilà pourquoi nous sommes accros à l’énergie : c’est grâce à elle qu’une grande part de l’Humanité a atteint le niveau de vie actuel qui, malgré la subsistance d’importantes inégalités, est absolument sans précédent. C’est à l’abondance de sources d’énergies facile à exploiter que nous devons le développement économique : en moyenne 3% par an d’augmentation du PIB depuis 100 ans.

Énergie, émissions de CO2 et croissance économique sont étroitement liés

Le hic, car il y a un hic, c’est que, cette utilisation croissante d’énergie, dont 85% d’origine fossile, s’accompagne d’émissions de gaz à effet de serre proportionnelles, notamment du CO2. Car les lois de la physique sont inflexibles : brûler des combustibles fossiles émet du CO2. Souvenez-vous de vos cours de collège et de celui sur la combustion des hydrocarbures (ah… vous avez oublié… bon c’est pas grave, allez, on peut vivre sans cela ! ;-) ) : pour chaque molécule d’hydrocarbure brulée, une ou plusieurs molécules de CO2 sont émises immanquablement.

Vous voyez le problème ? Les émissions de CO2 sont corrélées à la consommation d’énergie… qui est indispensable au développement économique de l’Humanité. Voici un graphique mettant en relation l’évolution du PIB mondial et l’évolution de la consommation d’énergie :

En bas à gauche le premier point correspond à 1965. En haut à droite le dernier point correspond à 2018. Ce graphique met en évidence le fait que la croissance économique est étroitement liée à la croissance de la consommation d’énergie.
Or, 85% de l’énergie consommée est fossile… la croissance économique entraîne donc mécaniquement la croissance des émissions de CO2.

Une autre façon de présenter cela est le graphique suivant qui montre l’évolution dans le temps (sur une base 1 en 1990) au niveau mondial :
– des émissions de gaz à effet de serre (GHG en anglais) en bleu,
– de l’empreinte matérielle (consommation de ressources et d’énergie) en rouge,
– du PIB (GDP en anglais) en vert.

Il est là le problème que nous avons à résoudre :
si nous voulons lutter contre le réchauffement climatique – et il le faut absolument compte tenu de ses graves et irréversibles conséquences présentes et surtout futures pour l’humanité entière – alors cela implique de questionner la croissance économique car celle-ci implique intrinsèquement la croissance des émissions de gaz à effet de serre (CO2 en principal).

D’aucuns diront que ce raisonnement ne tient pas, que nous pouvons « découpler » croissance économique et croissance des émissions de GES grâce au progrès technologique, grâce aux progrès de l’efficacité énergétique, et entrer bientôt dans l’ère de la « croissance verte ». Malheureusement, ces graphiques montrent que au cours des décennies passées pendant lesquelles l’efficacité énergétique n’a pas cessé de progresser et pendant lesquelles le progrès technologique a été considérable, ce découplage n’a pas eu lieu. Grâce à quel miracle cela serait-t-il possible demain ? De nombreuses voix estiment qu’un tel miracle n’est pas à l’ordre du jour car on en n’entrevoit aucun facteur majeur de rupture franche par rapport aux décennies passées qui le rendrait possible.
Je terminerai en citant une publication récente de l’Agence Européenne de l’Environnement qui va dans ce sens. Une telle lucidité sur ce sujet – bien qu’en des termes diplomatiques – est rare venant d’une instance européenne, connaissant les inclinaisons de la Commission Européenne totalement en faveur de la croissance économique.

« La croissance économique est étroitement liée à l’augmentation de la production, de la consommation et de l’utilisation des ressources et a des effets néfastes sur l’environnement naturel et la santé humaine. Il est peu probable qu’un découplage durable et absolu de la croissance économique et des pressions et impacts environnementaux puisse être réalisé à l’échelle mondiale ; par conséquent, les sociétés doivent repenser ce que l’on entend par croissance et progrès et leur signification pour la durabilité mondiale. »

Source : https://www.eea.europa.eu/themes/sustainability-transitions/drivers-of-change/growth-without-economic-growth (en anglais)

Voilà, cet article est nettement plus long que les précédents… Il faut que je fasse gaffe car j’ai l’impression qu’il y a une certaine inflation de la taille des articles sur ce blog ! ;-)
Mais ce sujet me semble tellement important qu’il méritait ce long article à mon avis. Si vous lisez ceci c’est que vous êtes allé au bout, bravo ! J’espère qu’il vous fera réfléchir. N’hésitez pas à faire part de vos commentaires ci-dessous.

Pour ceux qui veulent approfondir, voici le lien vers une conférence de Jean-Marc Jancovici, ingénieur et membre du Haut Conseil pour le Climat, dont est – notamment – inspiré cet article :
CO2 ou PIB, il faut choisir – « Décarboner, c’est décroître » (2h25 en incluant les questions/réponses)

(*) La chaleur est une forme d’énergie un peu particulière : c’est la « dernière » des formes d’énergie, celle en laquelle finissent par se transformer toutes les autres formes d’énergie.
Au cours des processus de transformation d’énergie – dont certains sont évoqués dans l’article, mais pas tous car il y en a beaucoup – de la chaleur est produite, comme une sorte de sous-produit inévitable du processus. Ce sont les lois physiques de la thermodynamique qui l’imposent. Par exemple, tous les moteurs – et plus largement toutes les machines – chauffent, c’est inévitable. De ce fait, tous les processus de transformation d’énergie s’accompagnent d’une perte : une partie de l’énergie est transformée en chaleur qui, sauf exception, se perd dans l’environnement et n’est pas réutilisable.
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(**) Il est facile de s’emmêler les pinceaux entre les watt (unité de puissance) et les watt-heure (unité de quantité d’énergie dont le kilowatt-heure kWh utilisé dans l’article est un simple dérivé x1000). Ce n’est fondamentalement pas du tout la même chose car l’une est un « flux » (la puissance) et l’autre est un « stock » (la quantité d’énergie).
Pour le comprendre on peut faire l’analogie avec l’eau : le débit d’une rivière est un « flux », c’est un défilement permanent d’une certaine quantité d’eau par seconde, qui ne fait que passer et ne reste pas sur place. L’unité de mesure de ce flux est le m3/heure. L’eau d’un lac est par contre un « stock » : c’est une certaine quantité d’eau qui reste à la même place. L’unité de mesure de ce stock est le m3 (mètre cube).
C’est facile à comprendre, mais la subtilité de la comparaison réside dans le fait que dans l’écriture de l’unité, l’heure apparaît différemment pour l’eau et pour l’énergie :
– pour l’eau on parle d’un flux mesuré en mètres cube par heure. Ainsi, 1000 mètres cubes qui passent en 4 heures, c’est un flux de 1000 / 4 = 250 m3/h (on fait une division)
– pour l’énergie, on parle d’un stock mesuré en watt-heure. Ainsi, un flux de 1000 Watt pendant 4 heures représente au total un stock de 1000 x 4 = 4 000 watt-heure (on fait une multiplication).

	Eau	Énergie
Flux	m3/h	W
Stock	m3	Wh

Retenez que :
– les W expriment une puissance, un flux
– les Wh expriment une quantité d’énergie, un stock

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