Les limites de la croissance exponentielle (1ère partie: les lois de la thermodynamique)

J’entame ici une série de quelques articles relatant une discussion entre un scientifique et un économiste.

Pour les anglophiles, vous pourrez trouver l’article original, que j’ai volontairement réduit à l’expression des principales idées, sur le site suivant: http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2012/04/economist-meets-physicist/

La discussion renvoie à des notions de thermodynamiques élémentaires. Pour les non scientifiques qui sont certainement parmi vous, ne vous inquiétez pas, cela reste compréhensible !

—————————————————————————————————————————————-

Physicien: J’affirme que la croissance économique ne peut continuer indéfiniment. Je pense que les limites physiques s’imposent d’elles-mêmes.

Économiste: Bien sûr, rien n’est réellement éternel. Par exemple, le soleil ne brillera pas pour toujours. Sur une échelle en milliards d’années, les choses arriveront à leur fin.

Physicien: Exactement. Je pense qu’il y a des limites physiques. Mais je parle ici d’une échelle plus immédiate, ici sur la Terre. Les ressources physiques, notamment l’énergie, sont limitées et peuvent empêcher une croissance continue d’ici quelques siècles, ou même bien moins longtemps en fonction des choix que nous ferons. Il y a également des conséquences thermodynamiques.

Économiste: Je ne pense pas que l’énergie sera un facteur limitant à la croissance économique. Certes, les carburants fossiles conventionnels sont limités, mais nous pouvons y substituer des ressources non-conventionnelles comme les sables et schistes bitumeux,  les gaz de schistes, etc. Quand ceux-ci s’épuiseront, nous aurons probablement construit une infrastructure renouvelable d’énergies éoliennes, solaires et géothermiques, sans parler des énergies de prochaine génération comme la fission nucléaire et potentiellement la fusion également. Et il y aura probablement également des énergies que nous ne pouvons même pas encore comprendre dans un futur plus éloigné.

Physicien: C’est sûr, ces choses pourraient se produire, et j’espère qu’elles le feront dans un délai raisonnable. Mais regardons les implications physiques d’une expansion énergétique dans l’avenir. Dites moi quel est un taux annuel typique d’accroissement énergétique sur les derniers siècles ?

Économiste: Je dirais de l’ordre de quelques pourcents. Moins de 5%, mais certainement au moins de 2%.

Schéma: Consommation énergétique totale sous toutes ses formes des USA depuis 1650. L’échelle verticale étant logarithmique, la courbe exponentielle en résultant apparait donc comme une ligne droite. La ligne rouge correspond à une croissance annuelle de 2,9%. Source: EIA (US Energy Information Administration: http://www.eia.gov/) 

Physicien: Exact. Si vous tracer la consommation énergétique totale des USA depuis 1650, vous verrez une croissance exponentielle régulière de près de 3% par année. La situation du reste du monde est similaire. Donc, comment pensez-vous que nous pourrons poursuivre cette tendance ?

Économiste: Une croissance de 3% signifie un doublement tous les 23 ans environ. Ce qui veut dire que l’on aura tous les siècle une multiplication par environ 15 à 20. Je vois où vous voulez en venir. Quelques siècles de plus à ce rythme peut sembler absurde. Mais n’oubliez pas que la population s’est accrue pendant tous ces siècles passés. Cette augmentation va s’arrêter avant que quelques siècles ne soient révolus.

Physicien: Exact. Nous allons donc probablement tombé d’accord que la croissance énergétique ne va pas continuer indéfiniment. Mais il y a encore deux points avant de continuer. Premièrement, j’ai juste mentionné que la croissance énergétique à largement dépassée l’accroissement de la population, ce qui veut dire que l’utilisation énergétique par habitant s’est envolée. Notre vie énergétique est bien plus riche que celle de nos arrière-arrière-grand-parents un siècle en arrière. Donc, même si la population se stabilise, nous sommes habitués à une augmentation de l’utilisation énergétique par habitant. La croissance énergétique devra donc se poursuivre pour maintenir cette tendance.

Deuxièmement, les limites thermodynamiques imposent un maximum à la croissance énergétique, à moins que nous voulions cuire ! Je ne vais pas parler de réchauffement climatique global, de production de CO2, etc. Je parle simplement de l’émission de l’énergie dépensée dans l’espace. Je part du principe que vous voulez continuer la discussion en la confinant à la Terre, oubliant ainsi la perspective d’un exode dans l’espace, une colonisation de planètes, une vie à la Star Trek, etc.

Économiste: Oui, restons sur Terre !

Physicien: (ouf!) Bien, la Terre n’a qu’un seul mécanisme pour libérer la chaleur dans l’espace, à travers des radiations (infra-rouges). Nous comprenons ce phénomène parfaitement bien, et nous pouvons prévoir la température de surface de la planète en fonction de la production énergétique de la race humaine. En prenant une croissance de l’utilisation énergétique de 2,3% par an (ce qui représente de manière plus pratique un facteur 10 par siècle), nous atteindrons la température d’ébullition dans environ 400 ans. Et cette affirmation est indépendante de la technologie utilisée. Même si nous n’avons pas de nom pour une hypothétique source d’énergie future, nous allons nous cuire nous-même tant que les lois de la thermodynamiques s’appliqueront en cas d’accroissement perpétuelle de l’utilisation énergétique.

Économiste: Il s’agit là d’un résultat effrayant. Ne pourrait-il pas y avoir une technologie que libérerait cette énergie ailleurs et autrement ?

Physicien: Oui, nous pourrions émettre des radiations non thermiques dans l’espace, avec de la lumière, des lasers, des ondes radio. Mais le problème vient qu’il s’agit là d’énergies concentrées à faible entropie. A la place, nous parlons de nous débarrasser de la chaleur résiduelle des tous les procédés dans lesquels nous utilisons de l’énergie. Cette énergie est thermique par nature. Nous serons capable d’éliminer une partie de cette énergie résiduelle en faisant un travail “utile”, mais avec une efficacité thermodynamique très faible. Si vous voulez utiliser de l’énergie concentrée en priorité, il restera de l’énergie résiduelle hautement entropique qui ne peut quasiment pas être perdue.

Économiste: D’accord, mais nous pourrions facilement nous arranger avec un profil énergétique stable. Nous l’utiliserons plus efficacement et en direction de moyens destinés à poursuivre la croissance.

Physicien: Avant de voir cela, nous devons parler d’un autre point essentiel. Avec un taux de croissance de 2,3%, nous utiliserons l’énergie à un taux correspondant à la totalité de l’énergie reçue par le soleil dans un peu plus de 400 ans. Nous consommerons une énergie comparable à l’énergie du soleil entier d’ici 1400 ans. Dans 2500 ans, nous utiliserons l’équivalent de l’énergie de la Voie Lactée entière (100 milliards d’étoiles !) Je pense que vous voyez l’absurdité que représente une croissance énergétique continue. 2500 ans ne sont pas si longs dans une perspective historique. Nous savons à peu près ce que nous faisions il y a 2500 ans.

Économiste: Vous dites qu’il y a environ 1400 ans pour atteindre la parité avec la production du soleil ?

Physicien: Exactement. Sans parler des conséquences thermodynamiques que cela implique. Si nous essayons de produire une énergie comparable avec celle du Soleil sur Terre dans 1400 ans, les lois de la physique demande que la surface de la Terre devra être plus chaude que la surface (bien plus grande) du Soleil. Tout comme les 100 W produits par une ampoule entraînent une surface bien plus chaude que les 100 W produits par nos deux corps à travers le métabolisme, et qui se diffuse à travers une surface bien plus grande.

Économiste: Je vois. C’est logique.

(à suivre…)

Remarque: La fin de l’article peut paraître complexe à suivre, mais il n’en est rien. La seule chose que vous devrez admette, à défaut de pouvoir démontrer par vous-même les lois de l’entropie avec les formules de Boltzmann et d’autres joyeusetés enseignées à l’Université, c’est qu’on ne peut pas se débarrasser d’une énergie concentrée (et donc utile), mais plus facilement d’une énergie peu concentrée (et donc peu utile)… Les physiciens me pardonneront cette simplification extrême du principe.