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Consommation mondiale d’énergie 1800-2000 : définitions et mesures

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Fig. 1 : Des évolutions qui se calculent   Les 889 millions d’habitants (Mh) peuplant la planète en 1800 prélevaient sur leur environnement naturel un peu plus de 300 millions de tonnes d’équivalent pétrole (Mtep), soit 0,34 tep par habitant. Deux siècles plus tard, ce prélèvement par une population mondiale  qui a franchi le seuil des 6 milliards (Gh) s’est élevé à 9,2 milliards de tep (Gtep), soit 1,5 tep par habitant. Cette multiplication par 4,5 de la consommation annuelle moyenne par habitant est indissociable de l’expansion des activités économiques et du bien-être d’une partie de la population mondiale, mais elle est aussi à l’origine d’une dégradation de l’environnement et d’une grave menace de changement climatique[1]. Les trajectoires passées peuvent-elles être infléchies, et si oui comment, au cours des prochaines décennies ?
 
Difficile de répondre à cette question sans une compréhension de deux siècles de croissance énergétique sans précédent dans l’histoire de l’humanité. Cette compréhension s’appuie évidemment sur  les travaux des historiens qui se sont attachés aux changements techniques, économiques et sociaux porteurs de nouveaux besoins énergétiques et de nouvelles sources d’énergie avant la Première Révolution Industrielle [notice 028] puis tout au long du 19ième siècle.  Encore faut-il, pour que les résultats de ces travaux s’inscrivent sur des trajectoires périodisées et spatialisées, que ces dernières soient reconstituées. Pour y parvenir [notice 061], la question des sources d’information sur l’évolution des consommations d’énergie est inéluctable [notice 060], mais elle suppose au préalable une définition précise de cette consommation et une explicitation de sa mesure. 
 

1.Des sources primaires aux services énergétiques

 
 Entre l’extraction ou l’exploitation d’une ressource naturelle et la satisfaction d’un besoin par un service énergétique, plusieurs conversions interviennent qui sont décrites dans les bilans énergétiques [notice 057].
Au stade primaire, la consommation d’énergie correspond à la somme des sources d’énergie  à l’état brut (raw energy), avant toute transformation physique et éventuelle conversion en électricité dans une centrale thermique dite conventionnelle. Une totale cohérence voudrait, qu’outre les sources fossiles (charbon minéral, pétroles bruts, gaz naturel) et la biomasse, on inscrive ici l’uranium des centrales nucléaires, la chaleur géothermique captée, la force des cours d’eau ou du vent convertie en électricité : les limites de la collecte des statistiques nécessaires à la comptabilité énergétique ont conduit à appréhender ces sources d’énergie par les kWh qu’elles fournissent, mesurés aux bornes des centrales électriques. On parle à leur propos d’électricité primaire.
 
La consommation d’énergie dite secondaire couvre les sources primaires après transformation physico-chimique du pétrole brut en produits pétroliers, de la biomasse en carburants ou gaz de synthèse, du charbon minéral ou du fuel-oil en électricité dite secondaire. Si l’on inclut le transport et la distribution qui, moyennant de nouvelles pertes, adaptent les flux d’énergie aux localisations et aux modulations des usages, on obtient une consommation finale, mesurée aux portes de l’industriel ou du particulier qui utilise l’énergie.
 
Au delà, après une ultime transformation en énergie thermique, mécanique ou lumineuse, dans une chaudière, un moteur ou une ampoule électrique, la consommation finale devient une consommation utile (usefull energy).
 
Appréhendée au niveau primaire, secondaire, final ou utile, la consommation d’énergie couvre des réalités différentes tant en termes quantitatifs (chaque conversion entraîne des pertes) que qualitatifs (les sources d’énergie change de propriétés après chaque conversion). L’idéal serait de pouvoir suivre le flux d’énergie utilisée par une économie nationale depuis la production ou l’importation de sources primaires jusqu’à leur transformation en services énergétiques. Lorsque les données statistiques permettent de le faire, ce suivi est riche d’enseignements relatifs aux changements économiques et technologiques qui sont à l’origine d’une variation des consommations de sources  primaires. Pays par pays et sur certaines années, on cherchera donc toujours à descendre au niveau de la consommation finale découpée en grands secteurs d’activités (industrie et agriculture, résidentiel-tertiaire, transport) et des principaux usages de l’énergie (thermiques haute et basse température, mécaniques fixes et mobiles, spécifiques incluant l’éclairage et l’électrochimie-métallurgie).Malheureusement, les séries longues reconstituées à l’échelle mondiale sur 1800-2000 ne portent que sur les sources primaires d’énergie, car les relevés statistiques, lorsqu’ils existent, ne dépassent ce stade que pour certains pays sur des périodes récentes.
 

2.Les différentes sources d’énergie primaire

 
Plusieurs distinctions s’imposent si l’on veut définir avec précision les sources d’énergie primaires qui entrent dans la consommation dont l’évolution doit être retracée.
 

2.1. Sources endo et exosomatiques.

 
La consommation d’énergie largo sensu recouvre les sources dites exosomatiques par opposition aux sources endosomatiques. Ces dernières correspondent aux quantités d’énergie incorporées dans l’alimentation nécessaire au maintien de l’organisme humain en température, donc à la vie des hommes, et à l’exercice effectif ou potentiel de leur force musculaire [notice 003]. Explicitées à propos de l’évolution de la consommation d’énergie avant 1800 [notice 028], ces sources d’énergie ne sont plus prises en compte dans l’évolution de la consommation mondiale des siècles suivants.
 

2.2.Diverses sources exosomatiques

 
Dans la perspective d’une reconstitution de l’évolution des consommations au cours des deux derniers siècles, les sources exosomatiques doivent à leur tour être dissociées entre sources dites commerciales et sources non commerciales car l’accès à l’information est totalement différent dans l’un et l’autre cas.
Parce qu’elles revêtent la forme de produits extraits, transformés, transportés et distribués par des entreprises industrielles dotées de services comptables élaborant des résultats annuels repris par les services statistiques des Etats, les consommations de sources commerciales (charbons minéraux, pétroles et dérivés pétroliers, gaz, électricité) font l’objet de relevés statistiques depuis des périodes plus ou moins anciennes selon les pays.  Pour cette raison, elles sont les seules prises en compte par nombre d’auteurs, alors même qu’elles représentaient moins de 5% de la consommation exosomatique mondiale au début du 19ème siècle et qu’elles ne sont toujours pas majoritaires dans nombre de pays en voie de développement[2].
On ne saurait donc exclure les sources d’énergie dites non commerciales. Quelles sont-elles ? Certaines délivrent de l’énergie mécanique fixe (exhaure de l’eau) ou mobile (transport de marchandises) à partir de la force musculaire des animaux de bât et de trait (pack and work) ou de celle tirée de la force des eaux et des vents via des convertisseurs traditionnels tels que pirogues, navires à voile, moulins à vent ou à eau. D’autres qui procurent principalement de l’énergie thermique sont réunies sous le néologisme de biomasse qui désigne « la masse de matière vivante, végétale ou animale, que produit une zone déterminée. Il rend compte d’une origine unique, la photosynthèse [notice 002], et de l’unité de composition qui en découle : les hydrocarbures dont sont constitués les êtres vivants »[3]. Sous l’angle des consommations d’énergie, cette biomasse revêt plusieurs formes :
  • le bois de feu (fuel wood) sous tous ses aspects (brindilles, taillis, arbres morts ou abattus),
  • les déchets végétaux des activités forestières tels qu’écorces ou sciures de bois, (bark, sawdust and timber industry wastes), ou des activités agricoles tels que bagasse (sugarcane bagasse), pailles (crop stalk and cereal straw), cosses de riz ou de café (rice and coffee husks), sarments et souches de vigne (vine stems and shoots), huile de palme (palm oil) ;
  • les déchets animaux (animal dung) ;
  • les déchets ménagers et industriels (municipal solid wastes and industrial wastes).
 
Bois de feu et déchets de tous types constituent la biomasse énergie. Toutes ces ressources sont considérées comme primaires, même si certaines, telles les déchets, résultent déjà d’activités humaines. La plupart sont utilisées en l’état (combustion, principalement) mais quelques unes sont transformées en sources secondaires soit à l’aide de dispositifs traditionnels (charbon de bois ou charcoal, alcool) soit à l’aide de dispositifs modernes de combustion, gazéification ou pyrolyse.
Même très difficile à comptabiliser, toutes ces sources d’énergie doivent être prises en compte dans la consommation d’énergie, comme le soulignait déjà Palmer Putnam en 1953 : « Some authors have omitted wood. Others have build up an energy time series in which the wood component is held at a constant value. In the time series of this report, the contribution of wood has been worked out either from government data or from estimates supplied by the United Nations. Many authors have omitted farm wastes. But Argentine wheat and Indian cattle dung cakes are major sources of energy in those countries ; and in the world at large, farm wastes apparently contribute between 10 and 20 per cent of the total energy »[4]. Plus d’un demi-siècle plus tard, les valeurs absolues et relatives ont varié, mais les lacunes n’ont pas été comblées.
 

3.Unités de mesure et équivalences

 
Chaque source primaire d’énergie est normalement mesurée et comptabilisée en unités de masse (pound, tonne, short ou long ton), de volume (baril, gallon, cord, m3) ou d’électricité (kWh et ses multiples). A l’intérieur de chaque famille d’unités, des conversions sont possibles (notamment entre unités métriques et anglo-saxonnes), mais elles ne permettent pas d’agréger l’ensemble des sources d’énergie [notice 057]. Pour ce faire, on a besoin d’un système général d’équivalence qui a été construit sur la base du pouvoir calorifique de chaque source mesuré par la chaleur de combustion dégagée à une température de flamme conventionnelle de 2200° K (Kelvin) : sur cette base « une calorie vaut toujours une calorie, quelle que soit sa température »[5]. On peut ainsi ramener tous les volumes physiques à de la chaleur ou à son équivalent travail.
Dans le système international, ce dernier a la préférence puisque l’unité unique retenue est le Joule (J), mais dans la pratique la calorie garde l’avantage, les deux unités étant liées par des équivalences rigoureuses :
  • 1 Joule = 0,239 calories
  • 1 calorie = 4,184 Joule[6].
 
Les volumes impliqués dans des consommations nationales d’énergie sont tels que ces petites unités sont toujours remplacées par leurs multiples :
  • kilo (103), mille, notamment kcal, kJ
  •  méga (106), million, noté MM aux Etats-Unis
  •  giga (109), milliard en Europe, billion aux Etats-Unis
  •  téra (1012), billion en Europe, trillion aux Etats-Unis
  •  peta (1015), quatrillion aux Etats-Unis
  •  exa (1018), quintillion aux Etats-Unis.
 
Concrètement, le contenu calorifique des diverses sources d’énergie sont donnés en Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) –Net calorific value-  qui se différencie du Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) – Gross calorific value- par la chaleur latente de la vapeur d’eau produite au cours de la combustion et estimée à 3-5% pour les combustibles solides, 6-8% pour les liquides et 10% pour les gaz et la biomasse.
Pour rendre plus parlants les volumes d’énergie consommés, les GJ et Gcal sont usuellement remplacés par des tonnes d’équivalent charbon (tec) et depuis une quarantaine d’années par des tonnes d’équivalent pétrole (tep) sur les bases conventionnelles suivantes[7] :
  • 1 tec = 29,3 GJ =  7,0 Gcal
  • 1 tep = 42,0 GJ = 10,0 Gcal.
 
Les équivalences utilisées pour la reconstitution sur longue période de la consommation mondiale d’énergie sont très proches de celles mentionnées ci-dessus, mais elles sont plus nombreuses lorsqu’elles sont modulés pays par pays pour tenir compte de la variété et de l’évolution des qualités des charbons, pétroles et gaz produits et importés par chacun d’eux. Les valeurs retenues sont celles de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE) plus proches de la réalité que celles des Nations Unies. Pour la période antérieure à 1950, les coefficients d’équivalence de cette année là ont été rétropolés.
 
Reste à inclure l’électricité dans ce système d’équivalence ? Celle issue des centrales thermo-électriques (plus de 65% de la production mondiale en 2000) ne soulève pas de difficultés puisque elle est représentée par le pouvoir calorifique des combustibles qui ont servi à sa génération. En revanche, les kWh d’origine hydraulique, nucléaire, géothermique, éolienne ou solaire peuvent être transformés en kcal en multipliant chacun d’eux,
  • soit par 860 kcal, quantité de chaleur dégagée par leur passage dans une résistance électrique par effet Joule,
  • soit par 2600 kcal, quantité de chaleur nécessaire à sa génération dans une centrale thermo-électrique moderne.
 
Chaque type d’équivalence à des avantages et des inconvénients. Le premier, dit équivalence à l’utilisation, est indépendant du rendement de transformation des combustibles en électricité, donc invariable dans le temps et dans l’espace. Le second, dit équivalence à la production, uniformise l’équivalence thermique de tous les kWh en traitant ceux d’origine hydraulique ou nucléaire comme ceux issus de la combustion de sources fossiles ou de biomasse. Administrations nationales et internationales se disputent sur le choix du moins mauvais système depuis des lustres : la France avait opté pour le second qui valorisait sa production d’électricité nucléaire ; les Nations Unies ont toujours préféré le premier qui évite de prendre en compte les différences internationales de rendement de transformation des parcs thermoélectriques. Pour sortir du dilemme, l’Agence Internationale de l’Energie (AIE ou IEA en anglais) préconise d’adopter des équivalences exprimant les différences de rendement des techniques de production de l’électricité primaire, soit 860 kcal pour l’électricité d’origine hydraulique et éolienne obtenue avec des rendements proches de 100% ; 2600 kcal pour l’électricité d’origine nucléaire (rendement voisin de 30%) et 8600 kcal pour celle d’origine géothermique (rendement de l’ordre de 10%).
 
Sauf mention spéciale, l’équivalence retenue dans toutes les séries statistiques de l’ouvrage sera toujours 860 kcal : elle minimise la place effective qu’a pris l’électricité primaire dans l’approvisionnement énergétique mondial, mais seule, elle permet des comparaisons spatiales et temporelles, ce qui est essentiel pour notre objet.
 

4.Organisation spatiale des statistiques de consommation

 
La quasi-totalité des études de la croissance économique ont pour base géographique des « unités sociales que nous nommons nations ou Etats-nations »[8]. Ceci vaut aussi pour l’étude de la croissance des consommations d’énergie, parce que c’est sur cette base que les données statistiques sont fournies et parce que les données sur l’énergie ont besoin de correspondances avec d’autres données (population ou PIB) qui ont toutes une base nationale. Cette organisation spatiale des données ne va cependant pas toujours de soi. Elle doit en outre être complétée par des regroupements régionaux dont il faut discuter les fondements.
 

4.1.Les bases nationales des données numériques

 
Lorsqu’elles existent, les données numériques sont fournies sous la forme de la  consommation apparente (apparent inland) d’un pays donné au cours d’une année civile donnée. La consommation est dite apparente parce qu’elle est calculée sur la base suivante :
C = P + I – E ± VS – soutes (bunkers), avec P = production nationale
                                                                           I = importations
                                                                           E = exportations
                                                                           VS = variations de stocks
 
Le qualificatif « apparent » précise que, même lorsque l’on connaît bien les variations de stocks (ce qui est rare), les volumes mesurés ne correspondent pas forcément à ceux qui ont été absorbés par l’économie nationale en cours d’année car flux réels et flux enregistrés ne coïncident pas exactement[9]. On notera en outre que l’exclusion des soutes (maritimes et aériennes) qui est logique sous l’angle des consommations nationales introduit un biais sous l'angle de la consommation mondiale.
 
S’agissant de séries chronologiques, la principale difficulté rencontrée tient aux déplacements de frontières des Etats-nations, donc aux ruptures de séries qu’elles entraînent. En règles générales, les solutions préconisées par Angus Maddison ont été retenues de façon à neutraliser les effets de ces déplacements[10]. On raisonne donc en « territoire constant » en appliquant à toutes les années antérieures à la modification de frontières un coefficient de correction. Son incidence n’est véritablement significative que pour les pays d’Europe dont les frontières ont été redéfinies à la fin de chaque guerre mondiale ou lors de l’effondrement du communisme : Autriche, Allemagne, France (cas de l’Alsace-Lorraine), Hongrie, Pologne, Roumanie, Russie/URSS. Ailleurs, la séparation des deux Corée et celle de l’Inde-Pakistan sont aussi délicates à traiter.
 
Dans ce cadre, l’évolution de la consommation primaire d’énergie de 44 pays a pu être retracée. Pour les années antérieures à 1950, les variations de stocks et les soutes n’ont pas été  prises en compte car elles ne sont pas connues et, de toute façon, inférieures aux marges d’incertitude qui entourent la consommation annuelle.
 

4.2.Les regroupements régionaux

 
Reconstituer l’évolution sur deux siècles de la consommation mondiale d’énergie par sommation des consommations nationales exige des regroupements géographiques intermédiaires qui permettent d’atténuer les effets de certaines lacunes statistiques et qui offrent des espaces d’analyse relativement homogènes.
 
De tels regroupements existent déjà dans l’organisation des statistiques de consommation d’énergie. L’un des plus fréquents retient les pays de l’OCDE, les pays communistes et les pays en voie de développement : on mesure aisément son manque de pertinence aussi bien pour la dernière décennie du 20ème siècle que pour la période antérieure à 1950. Le Conseil Mondial de l’Energie (CME), après avoir construit ses propres régions (Nord 1, Nord 2, Sud 1, Tiers Monde en transition…)[11], est revenu à un découpage plus classique (Amérique du Nord, Amérique latine, Europe occidentale…)[12]. On aurait pu l’adopter s’il n’avait présenté deux défauts : en rattachant l’Afrique du Nord au Moyen Orient, il ampute le continent africain dont l’unité se justifie sur la très longue période ; en traitant comme une région la Communauté des Etats Indépendants (CEI), il rigidifie inutilement la situation très évolutive de l’ex-URSS.
 
Le regroupement finalement retenu s’éloigne le moins possible du découpage du monde en continents : Afrique, Amérique latine (Sud, Centre et Caraïbes), Amérique du Nord (Etats-Unis et Canada), Asie (décomposée lorsque possible entre Extrême Orient et Proche Orient), Europe de l’Est (Europe centrale et ex-URSS), Europe de l’Ouest, Océanie (Australie, Nouvelle Zélande et Iles du Pacifique). Le principal problème rencontré et non résolu de façon satisfaisante concerne la place de l’Allemagne de l’Est (ex-RDA) écartelée entre Europe de l’Est et de l’Ouest.
 
Pour pouvoir utiliser dans le cadre de ce découpage les séries longues (population et PIB) d’Angus Maddison, les régions de ce dernier ont dû être modifiées comme suit :
 
  • l’Europe du Sud a été rattachée à l’Europe occidentale, après exclusion de la Turquie rattachée à l’Asie ;
  • les Pays neufs ont été éclatés en deux groupes : Etats-Unis et Canada formant la région Amérique du Nord ; Australie et Nouvelle Zélande formant l’Océanie ;
  • l’Amérique latine intouchée comprend bien l’Amérique du Sud, le Mexique et l’Amérique centrale ;
  • l’Europe de l’Est reste celle définie par A. Maddison c.à.d. qu’elle inclut l’ex-URSS mais pas l’ex-RDA (Allemagne de l’Est) rattachée à celle de l’Ouest dans Europe occidentale ;
  • l’Asie enfin s’étend de la Turquie au Japon sans aucune exclusive.
 
 
 

Notes et références

[1] Emprunté au vocabulaire économique, le terme de consommation d’énergie est devenu usuel, bien que contesté par les physiciens pour qui seul le terme de conversion rend compte de l’utilisation d’une source d’énergie.
[2] Pour Joël Darmstadter « Animate energy (draft animal or human) is excluded from the statistical compilation. Nor has any attempt been made to develop statistics on vegetable fuels, such as cow dung or bagasse, or on fuelwood production and consumption, despite the importance of these energy forms in many of the underdeveloped countries as well as (in the case of wood) certain industrialized countries of Europe ».Darmstadter (Joël) with Teitelbaum Perry D and Polach Jaroslav G (1971). Energy in the world economy. A statistical review of trends in output, trade and consumption since 1925. Baltimore and London : The Johns Hopkins Press, 876 p, (p. 818). De même, Bouda Etemad signale que dans son annuaire, outre les sources non commerciales telles que les déchets organiques et l’énergie animale, « le bois est la seule source d’énergie primaire partiellement commerciale que nous ayons dû éliminer faute de sources statistiques suffisantes ». Etemad Bouda et Luciani Jean, sous la direction de Bairoch Paul et Toutain Jean-Claude (1991). Production mondiale d’énergie. Genève : Droz, 227 p, (p. XXI).
[3] Piermont Laurent (1982). L’énergie verte. Paris : Ed. du Seuil, 223 p, (p. 17).
[4] Putnam Palmer Cosslet (1953). Energy in the future. Princeton : D. Van Nostrand Co, 556 p, (p. 325).
[5] Rousseaux Patrick et Apostol Tiberiu (1999). Valeur environnementale de l’énergie. Lausanne : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,  186 p, (p. 2).
[6] On rappelle que le Joule est défini comme le produit d’une force de 1 Newton (N) par un déplacement de 1 mètre. Un travail de 1 J par seconde équivaut à une puissance d’1 Watt (W), soit 103 W x 1 heure = 1 kWh = 3,6 x 106 J. La calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 cm3 d’eau d’un degré centigrade.
[7] Dans nombre de travaux anglo-saxons, le contenu calorifique n’est pas exprimé en calorie mais en British Thermal Unit (BTU), cette dernière étant définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’1 degré Farenheit 1 livre (pound) d’eau. On compte 3,968 Btu par kcal, soit, en arrondissant, 40x106 Btu par tep. On trouve une table de conversion de tous les contenus calorifiques en Btu dans Putnam (Palmer), op. cit. p. 326. L’auteur utilise fréquemment le symbole Q pour désigner 1018 Btu.
[8] Kuznets Simon (1972). Croissance et structures économiques. Paris : Calman-Lévy, 442 p, (p. 9).
[9] United Nations (1976). World energy supplies 1950-1974, New York, statistical paper, series J n° 19, 824 p.
[10] Maddison Angus (2001). L’économie mondiale : 1820-1992, analyses et statistiques. Paris : OCDE, 274 p, (p 247-49).
[11] Conférence Mondiale de l’Energie (1989). Horizons énergétiques mondiaux. Paris : Ed. Technip, 378 p, (p. 203).
[12] Conseil Mondial de l’Energie (1993). L’énergie pour le monde de demain. Paris : Ed. Technip, 368 p, (p. 330).