Qu’est-ce que l’énergie ?

Qu’est-ce que l’énergie ?

Définition : l’énergie est une quantité physique qui permet de mesurer le degré de transformation d’un système.
Pour déplacer un objet, changer sa forme, sa couleur ou sa température, on a besoin d’énergie. Par exemple, l’être humain absorbe de l’énergie via ses aliments et l’utilise pour faire fonctionner ses organes, maintenir sa température à 37°C (l’essentiel des calories ingérées servent à cela) et accessoirement se déplace (pour, entre autres, à nouveau chercher de l’énergie).
L’énergie existe sous des formes diverses et peut passer d’une forme à l’autre. Le schéma ci-dessous illustre quelques unes de ces formes et de ces transformations.

Note 1 : Il faut distinguer les sources d’énergie primaire, celles qui se trouvent directement dans l’environnement, des sources d’énergie secondaire, qui demandent une transformation préalable. Par exemple, l’électricité est une source d’énergie secondaire (sauf si elle vient des éclairs d’orage), ainsi que l’hydrogène (très peu présent à l’état naturel sur terre).

Note 2 : Les lois physiques auxquelles obéit l’énergie sont celles de la thermodynamique, découvertes au 19 ème siècle. Celles-ci s’articulent autour de deux grands principes :

  1. La loi de conservation, comme son nom l’indique, exige de l’énergie qu’elle se conserve. Bonne nouvelle, cela signifie qu’on ne peut pas « la perdre ». Mauvaise nouvelle, on ne peut donc pas la créer ex-nihilo. On doit la prendre « quelque part ».
  2. La seconde loi se caractérise par la fonction d’entropie. Cette loi stipule que l’énergie passe nécessairement d’un état organisé à un état désorganisé. Une partie de l’énergie “consommée” se dissipe de façon irréversible.

A l’origine de tout se trouve le soleil. Il provoque le cycle de l’eau par évaporations et précipitations, le vent par contraste de températures entre deux masses d’air, « nourrit » les plantes (et donc la biomasse puis in fine les énergies fossiles) par photosynthèse. Même l’uranium, qui produit l’énergie nucléaire, est né au sein d’étoiles (plus massives que notre soleil).
Les surfaces des rectangles et des cercles qui représentent les sources d’énergie ci-dessus sont proportionnelles à leur importance dans notre économie. Notre dépendance aux énergies fossiles est sans ambigüité. Ce schéma illustre les flux d’énergie à l’échelle mondiale.

Le rendement électrique

Aujourd’hui, la production d’électricité se fait principalement à partir d’énergies fossiles (surtout le charbon – Cf. ci-dessus). Le principe est assez simple : on brûle du charbon dont l’énergie de combustion (énergie thermique) va chauffer de l’eau qui va se transformer en vapeur. La pression de cette vapeur va actionner une turbine (énergie mécanique) qui, à son tour, va actionner un alternateur (production d’énergie électrique). Pendant tout ce processus, une grande quantité d’énergie primaire est perdue sous forme de chaleur (on retrouve ici la notion d’entropie). C’est pourquoi les rendements de centrales électriques sont si faibles (autour de 40%)

Une histoire d'empilement énergétique

Pendant des millénaires, la biomasse est restée la quasi unique source d’énergie utilisée par les êtres humains, avant que la révolution industrielle ne lance l’extraction massive du charbon (la machine à vapeur, alimentée elle-même par le charbon, permettant de pomper l’eau des mines). Depuis, aucune énergie n’en a remplacé une autre. Après le pétrole, le gaz puis l’hydroélectricité, le nucléaire s’est ajouté aux sources déjà existantes et les nouvelles énergies renouvelables, aujourd’hui presque insignifiantes (petite bande vert clair), n’ont aucunement fait reculer l’importance des énergies fossiles

Si notre civilisation est à juste titre qualifiée de « thermo industrielle », elle le doit à sa propension à consommer de grandes quantités d’énergie.

La multiplication des sources d’énergies et la croissance exponentielle de leur exploitation ont permis une augmentation des flux de matière sans précedent dans l’Histoire. Plus d’énergie, c’est plus de machines, qui produisent et transportent plus d’objets matériels.

La richesse des nations

N’en déplaise à Adam Smith et à ses brillants successeurs économistes, il semble ainsi que la richesse d’un pays (mesurée via son PIB par habitant) ne soit pas uniquement dépendante du capital et du travail mais qu’un autre paramètre entre en jeu : la consommation d’énergie.

En effet, on constate ici que richesse et consommation d’énergie (principalement fossiles) sont étroitement liées.

Découplage PIB / Energie ?

Dans le graphique suivant, chaque cercle représente un pays. Son emplacement restitue à la fois la richesse par habitant du pays (axe horizontal) et la quantité d’énergie consommée par habitant (axe vertical).

Certains pays, dont l’économie trop spécialisée pourrait biaiser l’interprétation y ont été exclu. C’est le cas des pétromonarchies qui, par définition, consomment beaucoup d’énergie ainsi que des pays assis sur une économie très financiarisée qui, a contrario, consomment peu d’énergie mais dont la richesse par habitant est élevée. Ces derniers « font consommer » de l’énergie à d’autres et en retour reçoivent la valeur ajoutée des richesses matérielles produites à l’extérieur (Suisse, Luxembourg, Irlande …).

L’ensemble des pays se situent de part et d’autre d’une droite (courbe de référence) qui illustre l’éventuelle corrélation entre les deux variables qui nous intéressent (PIB et énergie)

Cette corrélation est ici loin d’être évidente, même si la tendance générale est assez claire : globalement, les pays les plus riches sont ceux qui consomment le plus d’énergie.

Par ailleurs, la taille des cercles représente le PIB total du pays et sa couleur, la consommation totale d’énergie.

Ainsi la Chine, forte de sa population, détient un PIB global important. Mais sa consommation d’énergie totale (la plus importante au monde, plus que celle des Etats-Unis) qui contraste avec sa consommation d’énergie par habitant, révèle surtout son rôle d’ « usine du monde » : elle consomme globalement beaucoup d’énergie pour produire des biens qu’elle exporte.

Série longue

Le lien entre richesse et énergie apparaît beaucoup plus évident dès que l’on fait une analyse macro (tous pays confondus) sur une échelle de temps longue. Ici chaque point représente une année (depuis 1965) et non plus un pays. L’ensemble des points se situent clairement le long de la ligne de référence. La corrélation est quasi parfaite. Pour preuve, l’indice statistique R², qui est le coefficient de détermination. Celui-ci varie de 0 à 1. Plus le lien entre deux variables (ici PIB et énergie) est étroit, plus il se rapproche de 1. Or il vaut ici 0,99 et ne laisse que peu de place au doute.

Quelle dynamique ?

Ce graphique est le même que le précédent, à peu de choses près. Ici on a une granularité de 5 ans. Autrement dit, on regarde nos variables tous les 5 ans ainsi que leur taux de croissance sur les 5 années qui précèdent. Ainsi, de 1965 à 1970, le PIB mondial (un peu moins de 20 trillions $ en 1970) a connu une croissance de 30% (taille du cercle) pour une consommation énergétique en croissance de 25% (couleur du cercle). Bien que la consommation d’énergie ainsi que le PIB ne cessent jamais de croître, on observe un ralentissement ces dernières années. Les taux de croissance réguliers des trente glorieuses sont loin…

Pourtant, le dernier cercle pourrait laisser croire à un futur découplage énergie / PIB.

Le PIB semble croître beaucoup plus vite que la consommation d’énergie. Signe que le rêve des tenants de la « croissance verte » sera bientôt réalité ? L’efficacité énergétique, produit de l’ingéniosité humaine, va-t-elle nous permettre de prolonger notre prospérité économique sans dépendance à l’énergie ? La probabilité existe en théorie mais elle est faible puisque jamais dans l’histoire un tel découplage n’a été observé. Une autre hypothèse existe : la politique monétaire et l’endettement massif de ces dernières années pourraient avoir engendré cette croissance, une sorte de croissance « artificielle », donc fragile et condamnée lors d’une prochaine crise financière. 
Cette hypothèse sera questionnée dans un prochain article. Dans le contexte de notre civilisation, on peut malgré tout proposer ici une autre définition de l’énergie : “alternative au PIB pour mesurer la richesse matérielle”.

Sources :

AIE (Agence Internationale de l’Energie)
BP statistical review 2019
Banque Mondiale
Shift Project
Lawrence Livermore National Laboratory