L’énergie, de quoi s’agit-il exactement ?

Quand nous parlons d’énergie, de quoi s’agit-il exactement ?

L’énergie, c’est ma facture d’électricité, ou éventuellement de gaz. Si je suis très concentré, j’y rajouterai peut-être mon plein d’essence, si je le suis encore plus, le remplissage de ma cuve à fioul, et puis on va dire que l’on a fait le tour du sujet… L’économiste ajoutera peut-être que l’énergie c’est 7 % des dépenses des ménages en France, et donc que si l’électricité augmente, c’est ennuyeux parce que cela comprime un peu le pouvoir d’achat, mais que personne n’en mourra.

Mais, avec ces approches économiques, tout le monde passera à côté de l’essentiel, qui est que l’énergie, dans les civilisations industrielles, joue un rôle physique central qui n’est pas du tout reflété par sa part dans les dépenses. De fait, avant d’être un montant sur une facture, l’énergie a une définition scientifique : il s’agit de la grandeur qui caractérise un changement d’état d’un système. Cela ne dit rien d’autre que le fait que dès que le monde qui nous entoure – « un système » – change, de l’énergie entre en jeu, et la mesure de cette énergie mesure le degré de transformation entre avant et après.

Si nous regardons autour de nous, nous constaterons que, en effet, dès qu’il se passe « quelque chose » quelque part de l’énergie intervient :

• un changement de température consomme ou restitue de l’énergie. C’est cette énergie-là que nous utilisons pour chauffer ou refroidir une pièce, ou un aliment, ou l’eau d’une douche, etc. De même, toutes les machines industrielles qui cuisent, stérilisent, chauffent ou refroidissent utilisent donc de l’énergie ;
• un changement d’état de la matière (passer de l’état gazeux à l’état liquide, ou encore de l’état liquide à l’état solide), que les physiciens appellent également changement de phase, utilise ou restitue de l’énergie, qui s’appelle de la chaleur latente. Notre corps utilise cette énergie pour se refroidir : c’est la transpiration, qui consiste à évaporer de l’eau issue de notre sérum (c’est pour cela que la transpiration est salée, et que par ailleurs elle nous déshydrate). Les machines de froid (réfrigérateurs, congélateurs, et leur « symétrique », les pompes à chaleur), utilisent la chaleur latente de condensation et d’évaporation pour transporter des calories. Et tous les processus industriels qui fondent (il y en a un paquet, surtout dans la production des matériaux de base) ou évaporent la matière consomment donc cette énergie ;
• un changement de vitesse d’un corps consomme ou utilise de l’énergie. Mettre en mouvement voitures, camions, trains et avions utilise environ 20 % de l’énergie que nous consommons en France ;
• un changement de composition chimique, selon les cas, fournit de l’énergie ou en consomme. Une combustion, par exemple, est une transformation chimique qui fournit de l’énergie, en associant de l’oxygène aux atomes initiaux, et à l’inverse toute action de réduction (le fait d’enlever de l’oxygène d’un composé qui en comporte, comme par exemple un oxyde métallique) en consomme. Modifier une composition chimique consomme de 10 à 15 % de l’énergie mondiale. L’industrie chimique qui, à partir de ressources naturelles (air, eau, minerais, sous- produits pétroliers, etc.), fabrique d’autres molécules (des centaines de milliers !), consomme 7 % à 8 % de l’énergie mondiale pour « forcer » des réactions chimiques qui n’ont pas envie de se produire toutes seules. La métallurgie de base (aciérie et production de métaux non ferreux) consomme quant à elle environ 5 % de l’énergie mondiale, essentiellement pour réduire les oxydes qui composent les minerais ;
• faire apparaître ou disparaître du rayonnement fait aussi intervenir de l’énergie. Par exemple, une partie de l’énergie libérée par la fusion des noyaux dans le soleil est transformée en rayonnement, qui transporte l’énergie jusqu’à la Terre, où il est pour une large partie absorbé et chauffe notre planète. 100 % de l’énergie renouvelable (hors géothermie et énergie marémotrice, cette dernière étant dérivée de l’attraction universelle) nous parvient donc sous forme de rayonnement (et même pétrole, gaz et charbon sont des stocks de « rayonnement fossile » !). C’est l’énergie du rayonnement qui transporte l’information permettant à la radio, la télévision, le téléphone portable ou le wifi de fonctionner, même si les quantités d’énergie associées ne sont pas considérables. Le micro-onde qui réchauffe nos aliments ou le laser qui découpe les tissus utilisent aussi cette énergie !
• changer une forme fait intervenir de l’énergie. La presse à emboutir et l’éplucheur à légumes ont tous deux vocation à changer une forme (déformer une tôle dans le premier cas, séparer un objet en deux morceaux dans le second), et de l’énergie est nécessaire pour les mettre en mouvement (notre bras suffit pour le second !). Toutes les machines industrielles (ou plus rarement domestiques) qui tordent, vissent, emboutissent, alèsent, écrasent, étirent, filent, râpent, découpent, et j’en passe, ont donc besoin d’énergie ;
• déplacer une masse dans un champ gravitationnel fait intervenir de l’énergie ; c’est « la pesanteur ». C’est contre cette énergie que nous luttons lors d’une ascension en montagne, et c’est cette énergie qui nous entraîne vers le bas de la pente à vélo. À chaque fois que nous utilisons le « poids » d’un objet, en fait c’est l’énergie gravitationnelle que nous exploitons. Or, on ne compte plus les dispositifs qui utilisent des poids ou contrepoids, à commencer par la balance du marché !
• faire interagir du courant et un champ magnétique consomme ou libère de l’énergie, selon le cas. Quand on amène le courant au sein du champ magnétique et que l’on récupère du mouvement, c’est un moteur électrique, et il y en a désormais partout dans notre univers. Il y en a dans la distribution d’eau, les égouts, le fonctionnement des ordinateurs, les appareils de froid, les ascenseurs et monte-charge, les trains, les auxiliaires domestiques (l’électroménager), les pompes à essence, les démarreurs de voiture, les lignes d’assemblage industrielles, les compresseurs, les grues… Quand on amène le mouvement pour récupérer le courant, c’est un alternateur, que l’on trouve dans toute centrale électrique… et dans toute voiture ;
• toucher à la composition du noyau des atomes fait intervenir de l’énergie : c’est l’énergie nucléaire. Cette énergie intervient dans la radioactivité, la fusion, et la fission. Toutes les formes d’énergie disponibles sur terre sont des dérivés directs ou indirects de l’énergie nucléaire : l’énergie solaire a une origine nucléaire (la fusion dans le soleil), et avec elle tout ce qui en découle : hydroélectricité (cycle de l’eau), vent, solaire direct, biomasse, énergie des océans, etc. ; les combustibles fossiles sont de l’énergie solaire ancienne, donc du « vieux nucléaire », la géothermie provient de la chaleur libérée par 4 milliards d’années de radioactivité naturelle des matériaux composant le cœur de la planète, etc. L’énergie nucléaire étant extrêmement intense (fissionner un gramme d’uranium libère autant d’énergie que de brûler une tonne de pétrole) les hommes ne l’ont mise en œuvre que dans des applications en nombre limité : production électrique, bombes (hélas), et radiothérapie (la radioactivité du cobalt 60 est utilisée pour bombarder les cellules cancéreuses), pour l’essentiel.

L’énergie a une définition scientifique : il s’agit de la grandeur qui caractérise un changement d’état d’un système.

Au risque de se répéter, la conclusion de tout ce qui précède est qu’il ne peut rien « se passer » dans notre univers sans que de l’énergie entre en jeu. Plus la modification est ample, et plus, par définition, il y a de l’énergie qui intervient.

Cette énergie, nous ne pouvons pas toujours l’utiliser avec notre propre corps. Ce dernier sait convertir (en chaleur, ou en énergie mécanique) l’énergie de la biomasse (via notre alimentation), mais nous ne buvons pas de pétrole ni ne mangeons de charbon. Pour utiliser ces énergies « modernes » il faut recourir à une machine qui, elle, saura en tirer profit.

Et des machines, nous en utilisons de plus en plus, pour effectuer de plus en plus de transformations de toute nature dont nous cherchons à tirer profit. Plus précisément :

• l’humanité a utilisé de plus en plus d’énergie alimentant des machines pour extraire (énergie mécanique), transformer (énergie chimique), travailler (énergie mécanique), et déplacer (énergie du mouvement) les ressources minérales ou biologiques qui composent les objets de toute nature que nous avons à notre disposition, y compris les « gros » objets comme les immeubles, voitures, usines, infrastructures, etc. ;
• nous avons utilisé de plus en plus d’énergie pour mettre en mouvement les machines à transporter (automobiles, camions, trains, avions, bateaux) une fois construites ;
• nous avons utilisé de plus en plus d’énergie pour chauffer ou refroidir les espaces « coupés de l’environnement extérieur » que nous avons construit (les bâtiments de toute nature).

C’est cette augmentation des machines au service de chacun que nous allons en fait retrouver dans l’augmentation de la « consommation d’énergie par personne ». La courbe de l’évolution de la consommation d’énergie par personne, en moyenne mondiale, depuis 1860, bois inclus, montre qu’un terrien dispose, en moyenne, de 6 000 kWh par an en 1860, et d’un peu plus de 20 000 kWh par an actuellement (en comparaison, l’énergie mécanique fournie par son propre corps est de l’ordre de 100 kWh par an). On note trois temps dans cette évolution : jusqu’en 1979 (2e choc pétrolier), la quantité d’énergie par personne est fortement croissante, après elle est quasi-constante jusqu’au début des années 2000. Et enfin elle « remonte » au courant des années 2000, pendant la période de très forte croissance… qui a surtout concerné les pays émergents, et s’est faite « au charbon », énergie qui dans ces pays se place globalement devant le pétrole, mais cette hausse s’arrête à nouveau au milieu des années 2000, juste avant la « crise financière ».

Une personne bien entraînée, capable de gravir le Mont-Blanc un jour sur deux, produit avec ses muscles environ 100 kilowattheures d’énergie mécanique par an. Si un individu était payé au SMIC pour accomplir cette formation d’énergie, le kilowattheure coûterait entre plusieurs centaines et quelques milliers d’euros. Les énergies fossiles ont permis de réduire ce prix. Un litre d’essence correspond environ à 10 kilowattheures, ce qui permet une énergie mécanique mille à dix mille fois moins chère que le coût du travail en Occident.

L’énergie, véritable moteur de la civilisation industrielle

Le système productif n’est qu’une énorme machine à transformer des ressources naturelles (gratuites dans notre représentation économique conventionnelle, et donc qui ne peuvent manquer par définition), avec du travail (donc de l’énergie) qui est fourni pour une petite partie par nos muscles (qui utilisent des aliments), et pour l’essentiel (en fait pour 200 fois plus en moyenne mondiale, en 500 fois plus pour les français) par des machines, qui utilisent de l’énergie. Il est facile de comprendre que le système productif – et donc l’économie – dépend fortement de l’énergie : l’économie, ce n’est qu’un gros système à transformer des ressources, prenant dans la nature minéraux, végétaux, gaz, liquides, etc., et les transformant en « autre chose ». Or, puisque toute transformation s’accompagne de l’utilisation d’énergie, il paraît logique que la production en sortie soit largement dépendante de l’énergie que l’on met dans le système en entrée. Cette énergie peut soit venir des hommes (nos muscles), soit des machines.

Si un homme ne peut fournir, au maximum, que 100 kWh de travail mécanique dans une année en utilisant ses bras et ses jambes, le pétrole, le gaz et le charbon ont permis aux hommes de multiplier par plusieurs centaines leur action sur l’environnement, en ordre de grandeur et en moyenne. En France, où la consommation d’énergie est plutôt de 60 000 kWh par an (en tenant compte de l’énergie de fabrication des biens importés), le multiple serait plutôt de l’ordre de 500. La « productivité du travail », c’est essentiellement combien d’énergie pour machines nous avons par bonhomme…

La création de capital n’est qu’une boucle de rétroaction interne au système, constituée de ressources et de travail passés (je n’ai rien inventé, c’est exactement comme cela que le capital était traité « physiquement » dans le Rapport du Club de Rome). On comprend bien, que si nous avons plein de capital et plein de travail, mais pas d’énergie, nous n’aurons pas de production significative !

Dit autrement, ce qui fait fonctionner la machine industrielle mondiale, c’est avant tout l’énergie, et non avant tout le travail des hommes. Comme le tertiaire est « assis » sur l’industrie, et ne fonctionne pas « à côté » sans en dépendre, du coup cela signifie que l’énergie est le véritable moteur de la civilisation industrielle, bien avant nos bras et nos jambes, qui ne sont là que pour actionner des manettes et des interrupteurs, bref ce qui libère la force brute de l’énergie !

Il est donc logique que la contrepartie économique de notre production, traditionnellement mesurée par le PIB, varie comme la consommation d’énergie – c’est à dire la quantité de machines au travail – bien avant de varier comme la population – c’est à dire la quantité d’hommes au travail. L’évolution comparée, depuis 1960, du PIB mondial, et de la consommation mondiale d’énergie (hors bois) montre que les deux évoluent quasiment de concert. Il est aussi intéressant de noter qu’en 1980, 1989, 1997, et 2005 la variation à la baisse sur l’énergie a précédé – de peu, certes – celle sur le PIB. La corrélation du sens de la variation est parfaite, et celle de l’amplitude presque parfaite depuis 1986, avec un fait essentiel : c’est la variation sur le pétrole qui précède celle sur le PIB depuis 1996, et non l’inverse. La corrélation est aussi forte pour la période post-1982 que pour la période pré-1974 : cela confirme que l’économie mondiale n’est pas moins dépendante du pétrole, elle l’est au moins autant !

Mais si on essaie de corréler le PIB mondial non point au volume d’énergie disponible, mais à son prix, alors il n’y a aucun lien ! Il n’y a pas ici de corrélation : le PIB peut monter avec un prix qui baisse, mais aussi avec un prix qui monte, et de 2008 à 2009 il est descendu avec un prix du pétrole… qui est descendu aussi.

Comme, pour le moment, le pétrole domine le système énergétique mondial de la tête et des épaules, fournissant plus de 40 % de la consommation d’énergie finale de l’humanité, et surtout qu’il conditionne le transport mondial (qui en dépend à 98 %), lequel conditionne la « taille » de l’économie, la fluctuation du PIB (par personne en l’espèce) apparait comme encore plus ajustée sur celle du pétrole disponible (en volume).

L’énergie n’est pas créée du néant

Tout ce qui vient d’être exposé ci-dessus est certes absolument passionnant, captivant, et pour tout dire haletant, mais si l’énergie est disponible sans limites, cela sera essentiellement utile pour les conversations de salon. L’économie dépend de l’énergie, fort bien, il n’y a qu’à avoir de plus en plus d’énergie pour avoir de plus en plus d’économie, et puis les retraites seront sauvées, et la cote politique des premiers ministres avec.

Sauf que… l’énergie a une caractéristique majeure, bien connue des physiciens : elle ne peut ni se créer, ni se détruire, mais juste se transformer. Pour augmenter l’énergie utilisée par un système, il faut donc que cette énergie vienne de l’extérieur du système, car il est interdit que « plus d’énergie » apparaisse dans ce système de manière spontanée. Un moteur ne « crée » pas d’énergie mécanique, il transforme en énergie mécanique (et en chaleur) une énergie chimique préexistante (celle du carburant) qui lui est apportée de l’extérieur. Dans le même esprit, le carburant n’est pas apparu spontanément dans le sol, mais il vient lui-même de la transformation d’énergie solaire ancienne.

Incidemment, quand on utilise le terme « producteur d’énergie » pour parler d’un producteur d’électricité, ou éventuellement un producteur de pétrole, c’est un demi-mensonge. On devrait dire « transformateur d’énergie » pour un électricien, et « extracteur d’énergie » pour une compagnie pétrolière, car aucune activité humaine ne peut « produire » une énergie qui n’existait pas auparavant !

Ce qui change, à chaque transformation de l’énergie, est la « qualité » de cette dernière, caractérisée par une notion que l’on appelle l’entropie, qui mesure le « degré de désordre » de l’énergie. Plus l’entropie augmente, et plus l’énergie est « en désordre », donc bas de gamme. Or, chaque transformation augmente inexorablement l’entropie, en transformant une énergie « haut de gamme » en énergie « bas de gamme ». Le haut de l’échelle est occupé par l’énergie mécanique, et le bas de l’échelle est occupé par la chaleur basse température, et c’est pour cela que tout usage de l’énergie se termine toujours en chaleur, et qu’il est impossible de recréer du mouvement (faible entropie) à partir de chaleur (haute entropie) pour la totalité de la chaleur entrant dans une machine thermique.

Comme la physique nous interdit de créer de l’énergie, les hommes ne pourront donc jamais faire autre chose que de profiter d’une transformation d’une énergie qui se trouve déjà dans la nature : matières qui brûlent (bois, pétrole, charbon, gaz), noyaux fissiles (uranium), rayonnement déjà présent (soleil), mouvement déjà présent (vent, marées, chutes d’eau), etc. Du coup, nous ne pouvons pas « consommer » plus d’énergie que ce qui se trouve dans la nature. Et si une énergie n’existe que suite à une transformation par les hommes (électricité, hydrogène…) elle n’est pas une « source » d’énergie : c’est juste une manière d’utiliser une autre énergie déjà présente dans la nature.

Un deuxième élément discrimine fortement les énergies à notre disposition : la puissance. Car nos usages industriels réclament non seulement beaucoup d’énergie disponible, mais plus encore beaucoup de puissance, c’est-à-dire que cette énergie soit disponible sur de très courts laps de temps.

Une voiture d’une tonne qui roule à 100 km/h, cela représente environ 0,1 kWh d’énergie mécanique. Ce n’est pas énorme : un homme ordinaire qui pédale comme un forcené est capable de fournir cette énergie en quelques heures (un cycliste du tour de France en 10 fois moins de temps, mais nous n’avons pas tous ce genre de condition physique…). Mais ce qui nous intéresse, c’est que notre voiture parvienne à cette vitesse en quelques secondes, pas en quelques heures ! C’est une autre manière de dire que les seules sources qui nous intéressent, pour nos usages « modernes », sont des sources concentrées, capable de fournir beaucoup de puissance.

Et c’est là tout le débat sur les énergies renouvelables, car le Soleil a beau nous envoyer chaque heure ce que nous consommons en une année, cette énergie tombe sur toute la surface de la terre, avec peu de puissance par unité de surface. « Concentrer » l’énergie renouvelable pour l’amener au niveau de puissance des énergies fossiles, c’est souvent là que se trouvera la difficulté.

Energie et croissance

Maintenant que les flux physiques qui créent l’économie sont mis en mouvement par une énergie plusieurs centaines de fois supérieure à celle de nos muscles, une hypothèse raisonnable est de considérer que notre économie ne pourra pas croître plus vite que l’approvisionnement énergétique, aux gains d’efficacité près, mais ces derniers sont loin d’être massifs à l’échelle de quelques décennies. Cela est assez cohérent avec le fait que le pétrole, qui domine le système énergétique de la tête et des épaules (le pétrole représente 42 % de l’énergie finale consommée dans le monde), est le meilleur indicateur avancé de la conjoncture, loin devant les spéculations des économistes !

Si nous reprenons la courbe de la consommation d’énergie moyenne d’un individu depuis 1880, nous voyons qu’il y a eu deux temps bien distincts depuis le début de la révolution industrielle :

• jusqu’aux chocs pétroliers, l’approvisionnement par personne augmente fortement, de 2,5 % par an en moyenne,
• depuis 1980, et même en incluant la forte croissance des 10 dernières années, la moyenne sur la période n’est que de 0,3 % par an.

Les chocs pétroliers ont marqué une forte rupture sur la hausse moyenne, sur une période longue, de la consommation d’énergie par personne.

Construire une économie décarbonée devient un vrai programme de société, puisque l’énergie a tout fait…

Or, l’analyse économique du XXe siècle et du début du XXIe montre aussi qu’il y a eu deux époques :

• de 1880 à 1975, alors que l’énergie par personne croît, la planète ne connaît qu’une crise économique majeure, en 1929 ;
• depuis 1975, après le changement de rythme de croissance, il y a une crise tous les 5 à 10 ans : 1975, 1980, 1991, 2000, 2008, et 2012/2013 est aussi une période un peu chahutée dans l’OCDE.

Cela semble en fait assez logique : moins d’énergie est équivalent à moins de capacité de transformation ce qui résulte en moins de PIB qui ne fait que mesurer cette transformation quand elle s’opère dans le cadre de l’économie marchande.

Le terme « PIB produit par unité d’énergie » n’est rien d’autre que l’efficacité énergétique de l’économie : plus l’économie est « efficace en énergie », plus on peut produire de PIB pour une même quantité d’énergie. Quand ce terme augmente, cela signifie que, pour une même consommation de kWh, on peut produire plus de meubles, de paires de lunettes, de surgelés, de logements et de cafetières.

Or, la croissance de l’indice énergie/population mondiale est brusquement passée, en 1980, de 2 % par an – pendant plus d’un siècle – à… quasiment zéro. Le terme PIB/énergie, lui, croît d’un peu moins de 1 % par an depuis 1970, et ce rythme n’a pas été significativement modifié (sur le long terme) par les chocs pétroliers. Pour produire un dollar de PIB en 2017 dans le monde il faut utiliser environ 30 % d’énergie en moins qu’en 1965.

Si le terme PIB/énergie, a donc progressé d’un peu moins de 1 % par an pendant cette période (0,8 % par an pour être précis !), on constate que sur les 15 dernières années la progression est très faible. Autant pour ceux qui disent que l’apparition d’Internet a permis de rendre l’économie plus « douce » pour l’environnement : pour le climat ce n’est pas vraiment le cas !

Cela explique donc pourquoi le PIB par personne, en moyenne mondiale, est brusquement passé d’environ 3 % de croissance par an avant 1980 à environ 1 % après. Tout le reste (dette croissante, chômage irréductible, bulles spéculatives à répétition) peut se relier assez logiquement à cette baisse rapide de la croissance du PIB par personne. À la fin des Trente Glorieuses, la croissance du PIB est bien d’un peu plus de 3 % par an en moyenne. Elle descend à un peu plus de 1 % par an jusqu’au nouveau choc de 2005, qui marque une nouvelle stabilisation de la quantité d’énergie par personne. Depuis, c’est 1 % par an.

Et pour plus tard ? Si l’avenir européen doit être fortement contraint question énergie, et il le sera, en particulier sur le pétrole et le gaz, alors le terme énergie/population va devenir négatif, et la récession deviendra probablement un épisode récurrent normal du parcours économique.

Il n’est pas complètement sûr que le système fonctionne de manière aussi simple. Mais il n’est pas complètement sûr non plus que cet enchaînement de cause à effet ne soit pas le premier déterminant de l’économie future. Les corrélations observées sont suffisamment troublantes, et la « théorie » comporte suffisamment d’éléments solides pour que l’on se préoccupe un peu plus d’énergie future quand on parle d’économie future.

Accessoirement, si cette relation est solide, construire une économie décarbonée devient un vrai programme de société, puisque l’énergie a tout fait…

Enfin, si les médias faisaient correctement leur travail, il serait impossible de faire prospérer auprès du public des plans pour l’avenir qui supposent de violer délibérément la loi de conservation de l’énergie (ou qui supposent de violer délibérément les faits scientifiques considérés comme acquis d’une manière générale).

Entre autres exemples, promettre aujourd’hui plus de pouvoir d’achat ou des retraites préservées, ce qui suppose plus de PIB, sans expliquer comment on rend cela compatible avec de moins en moins d’énergie, soit pour des problèmes d’approvisionnement, soit pour la sauvegarde d’un climat stable sans lequel il n’y a plus de retraités (ce qui règle le problème !), devrait se heurter immédiatement à un tir nourri de questions incisives et factuelles. Je ne suis hélas pas sûr que la presse s’y emploie !

Jean-Marc Jancovici

© Jean-Marc Jancovici ; version originale : https:// jancovici.com/transition-energetique/l-energie-et-nous/ lenergie-de-quoi-sagit-il-exactement/ ; publié le 1er août 2011, dernière modification le 2 septembre 2018