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Comment sortir de l’âge du fer ?

Wed, 01 May 2024 00:00:00 +0000

Image : Cage d’ancrage en acier pour les fondations d’une éolienne dans le comté de Gilliam (États-Unis). Image de Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Prisonniers de l’âge du fer

En 1836, l’archéologue et conservateur de musée Christian Jürgensen Thomsen a établi une distinction entre trois périodes préhistoriques sur la base des principaux matériaux utilisés pour les armes et outils coupants : l’âge de la pierre, l’âge du bronze et l’âge du fer.¹ Suivant cette logique, il a ainsi formulé l’hypothèse que le développement technique humain procède par « étapes métallurgiques ». La classification tripartite théorisée par Thomsen a beau faire référence au passé, si l’on s’en tient au critère retenu dans son analyse, nous n’avons en réalité jamais dépassé l’âge du fer. Même au 21ème siècle, le fer demeure le principal matériau utilisé, non seulement pour la fabrication des armes et outils coupants mais aussi, plus généralement, pour presque toutes les technologies modernes.

Le fer est désormais principalement utilisé sous forme d’acier. Toutefois, même en conservant le critère de Thomsen, on ne peut pas pour autant parler d’un « âge de l’acier ». Tout d’abord, car l’acier est simplement un alliage de fer (>98 %) et de carbone (<2 %). Ensuite, dans la mesure où les humains ont produit de l’acier dès les débuts de l’âge du fer. C’est une réalité historique peu connue dans le monde occidental, où la production d’acier n’a pris son réel essor qu’au 19ème siècle avec le développement des énergies fossiles. Les métallurgistes africains et asiatiques ont pourtant développé des aciers de haute qualité à des époques bien antérieures – un savoir-faire qui a d’ailleurs permis aux Européens de faire de même, à bien plus grande échelle, par la suite.²

En 2021, la production mondiale de fer et d’acier a atteint 1 950 millions de tonnes (Mt), soit 22 fois plus que la production cumulée d’aluminium et de cuivre (88 Mt). Cette production de fer et d’acier correspond à 5 fois la production mondiale de plastique (391 Mt) et éclipse totalement la production mondiale de silicium (8,5 Mt) et de lithium (0,1 Mt).³⁴ En tant que matériau, l’acier est la pierre angulaire des sociétés industrielles. Sans plastiques, lithium ou silicium, notre civilisation demeurerait industrielle. Sans fer ni acier, nous serions renvoyés 3 000 ans en arrière à l’âge du bronze.

Où se trouve tout cet acier ?

Il n’est pas si facile de prendre conscience de cette omniprésence de l’acier dans la société industrielle, tant ses usages pourtant massifs échappent bien souvent à nos regards au quotidien.⁵ On trouve dans un logement plusieurs objets et équipements en acier comme le réfrigérateur, le lave-linge, la bouilloire, la baignoire, ou encore les appareils de cuisson, de chauffage et de climatisation. Pourtant, seule 2-3 % de la production totale d’acier est destinée aux appareils domestiques.⁶⁷⁸ A l’extérieur, on retrouve de l’acier en grande quantité sous la forme de véhicules. Il s’agit notamment des voitures individuelles, qui à l’échelle mondiale utilisent environ 10 % de l’acier (20 % dans les pays riches). Les bus, camions, trains et bateaux mobilisent quant à eux 4-5 % supplémentaires. Additionnés, ces usages représentent toutefois moins de 20 % de la production mondiale.

L’essentiel de l’acier est incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels.

L’essentiel de l’acier est en fait incorporé à d’autres matériaux, mis en œuvre sous terre, ou loin des quartiers résidentiels. Plus de la moitié de la production mondiale alimente le secteur de la construction, incluant les bâtiments (résidentiels, tertiaires, industriels) et les infrastructures (ponts, tunnels, ports, canaux, pistes d’aéroports, plateformes et tours de forage pétrolières, raffineries, pipelines, centrales thermiques, lignes électriques, voies ferrées, métros, et ainsi de suite). La plupart de cet acier est intégré dans du béton – le seul matériau capable de concurrencer la production d’acier (avec 1 819 Mt en 2021). Ce n’est pas un hasard si le béton armé est le matériau de construction le plus utilisé à l’échelle mondiale.

Environ 15 % de la production mondiale d’acier sert à fabriquer des machines, incluant des outils, machines-outils, équipements industriels, matériels électriques, ainsi que divers engins miniers, agricoles ou de construction. Même les produits fabriqués avec d’autres matériaux – plastiques, bois, autres métaux – sont usinés au moyen d’outils en acier.⁵ Les 15 % restants se retrouvent dans un large éventail d’objets, des couvercles d’emballages alimentaires aux meubles en passant par les conteneurs maritimes.⁶⁷⁸

Image : Le béton armé est le premier matériau de construction à l’échelle mondiale. Trou sur l’autoroute Interstate 84, aux États-Unis. Photo de Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

L’empreinte environnementale de la sidérurgie

L’acier est souvent présenté comme un des matériaux les plus durables. Contrairement aux plastiques, il peut être recyclé à volonté sans perte de qualité. La sidérurgie a par ailleurs réalisé des gains importants en termes d’efficacité énergétique, bien plus que d’autres industries. Produire une tonne d’acier brut nécessite désormais, en moyenne, environ 20 gigajoules (GJ) d’énergie primaire – trois fois moins qu’en 1950.⁹ Un bilan très favorable comparé à d’autre matériaux tels que l’aluminium (175 GJ/t), les plastiques (80-120 GJ/t), ou le cuivre (45 GJ/t).⁷ L’acier, contrairement aux plastiques, se dégrade sans toxicité pour l’environnement.¹⁰ Enfin, le minerai de fer n’est pas particulièrement rare. Le fer est le quatrième élément chimique le plus abondant dans la croûte terrestre, dont il compose environ 5 % de la masse.¹¹ A titre de comparaison, le cuivre en constitue seulement 0.01 %.⁵

Mais en dépit de tous ces avantages, la production mondiale de fer et d’acier consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie. En 2021, la consommation totale en énergie primaire liée à la production d’acier brut s’élevait à 39 exajoules (EJ), ce qui correspond à 7 % de la consommation mondiale pour cette même année (595 EJ). Les émissions de gaz à effet de serre sont, proportionnellement, encore plus élevées car environ 75 % de l’énergie utilisée provient du charbon – le combustible dont l’intensité carbone est la plus élevée. En 2021, l’industrie sidérurgique a ainsi émit quelques 3,3 Gt de dioxyde de carbone, soit environ 9 % des émissions planétaires (36,3 Gt), suivie de près par l’industrie du béton, avec 8 %.

A l’échelle mondiale, la sidérurgie consomme plus d’énergie et génère plus d’émissions de carbone que n’importe quelle autre industrie.

Les estimations ci-dessus proviennent de la World Steel Association et de l’International Energy Agency. Des données identiques sont disponibles pour tous les métaux ; documentées depuis de nombreuses années, elles permettent d’établir des comparaisons historiques. Toutefois, leur périmètre est restreint au seul procédé de fonte des métaux. Elles n’incluent ni l’énergie grise ni les émissions de carbone associées à l’extraction et au transport du minerai de fer, du charbon, du calcaire, de la ferraille, et des produits en acier. Pas plus qu’elles ne prennent en compte l’énergie et les émissions liées à la production du coke et à la préparation du minerai – autant d’étapes essentielles aux procédés sidérurgiques.⁷

Les études scientifiques qui se sont intéressées à l’industrie du fer et de l’acier avec un périmètre plus large sont arrivées à la conclusion que le coût énergétique de la production d’acier serait en réalité 50 % à 100 % plus élevé.¹² L’un de ces rapports estime que les émissions de méthane générées par l’extraction de charbon métallurgique pourraient quant à elles augmenter de 27 % les émissions imputables au secteur. Une autre étude évalue à 10-15 % d’émissions supplémentaires la part induite par le transport maritime du minerai de fer (en amont) et de l’acier (en aval). La sidérurgie génère par ailleurs d’autres problèmes environnementaux, à commencer par une forte consommation d’eau, la production de déchets solides, ainsi qu’une importante pollution de l’air et de l’eau.

L’empreinte carbone de l’industrie sidérurgique est sans conteste incompatible avec l’objectif de neutralité carbone à l’horizon 2050, et ce d’autant plus que la production d’acier va très certainement continuer à croître. La production d’acier a décuplé depuis 1950, et doublé entre 2000 et 2020, une croissance encore plus rapide que ce que de nombreux chercheurs avaient pu prédire.¹³ En parallèle, les gains d’efficacité énergétique ont diminué, et un consensus scientifique s’établit sur le fait que les technologies actuelles ont atteint la limite thermodynamique.⁷⁹¹⁴ Au cours des deux dernières décennies, la quantité moyenne d’énergie nécessaire pour produire une tonne d’acier est demeurée stable, aux alentours de 20 GJ/t.⁹¹⁵

Comment produire de l’acier sans énergies fossiles ?

Il y a deux manières de fabriquer de l’acier, l’une étant beaucoup plus soutenable que l’autre.¹⁶ D’un côté, le haut-fourneau (ou « convertisseur à oxygène ») est un procédé qui consiste à fabriquer l’acier à partir de minerai de fer et de charbon. Cette technique est – dans ses grands principes – vieille de 2 000 ans. De l’autre, le four à arc électrique, dans lequel l’acier est fabriqué à partir de ferraille et d’électricité. Relativement nouvelle, cette technologie consomme beaucoup moins d’énergie qu’un haut-fourneau, utilise une matière recyclée (il n’est ici pas nécessaire d’extraire du minerai de fer), et fonctionne sans utilisation directe de charbon ou autres combustibles fossiles (l’électricité pouvant être fournie par une source d’énergie solaire, éolienne ou nucléaire).

Les fours à arc électrique les plus performants énergétiquement consomment désormais moins de 300 kilowatt-heures (kWh) d’électricité par tonne d’acier produite.⁹¹⁷ Hypothétiquement parlant, si l’intégralité de l’acier produit en 2021 (1 950 Mt) l’avait été dans ce type de fours, la consommation totale de l’industrie sidérurgique se serait limitée à 585 térawatt-heures (TWh). Pour donner un ordre de grandeur, cela correspond à un tiers seulement de l’électricité produite par des éoliennes à l’échelle mondiale cette même année (1,848 TWh). Malheureusement, plus de 70 % de la production mondiale d’acier est aujourd’hui issue de hauts-fourneaux alimentés au charbon.⁹¹⁷ Un haut-fourneau est 20 fois plus énergivore, et ne peut pas fonctionner à l’électricité puisque le charbon y sert à la fois de combustible et d’agent réducteur dans la réaction chimique. La combustion du charbon dégage en effet du monoxyde de carbone, qui participe à la réduction du minerai en fer.⁷

Un manque de ferraille disponible

La solution paraît évidente : pourquoi ne pas produire tout cet acier dans des fours à arc électrique ? Cela s’avère impossible. Il n’y a tout simplement pas assez de ferraille disponible : la croissance continue de la production d’acier rend impossible une utilisation « circulaire » de la ressource.¹⁸ Il faut en effet attendre plusieurs décennies avant que l’essentiel du volume d’acier produit au cours d’une année donnée n’arrive en fin de vie et ne devienne disponible pour le recyclage. A titre d’exemple, les navires à coque métallique représentent à ce jour un « stock » virtuel de 543 Mt d’acier.¹⁹ La quantité de ferraille disponible pour le recyclage en 2021 correspond au niveau de production de 1965, c’est-à-dire à une époque où la production mondiale n’atteignait pas le quart de celle d’aujourd’hui (450 Mt).⁹¹⁰²⁰²¹ Par conséquent, les trois quarts restants doivent inévitablement être produits dans des hauts-fourneaux utilisant du charbon et du minerai de fer fraîchement extrait.

Image : Voitures destinées à la casse dans le port de Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

La Chine produit à l’heure actuelle environ la moitié de l’acier mondial, et ce quasi exclusivement (+90 %) à partir de hauts-fourneaux alimentés en charbon et minerai de fer. De nombreux pays producteurs d’acier disposent d’une proportion plus importante de fours à arc électrique. Mais pointer la Chine du doigt n’aurait pas beaucoup de sens. Tout d’abord, les États-Unis et l’Europe ont dès les années 2000 massivement délocalisé leurs industries en Chine, un phénomène qui coïncide parfaitement avec l’augmentation de la production sidérurgique dans le pays. Ensuite, la Chine n’utilisait quasiment pas d’acier il y a trente ou quarante ans. Il n’y a, de ce fait, presque pas de ferraille disponible dans le pays. La Chine n’a donc pas d’autre choix que d’utiliser des hauts-fourneaux.²²

Des aciers de qualités toujours plus élevées

Un deuxième obstacle réside dans la tendance actuelle à développer des aciers de qualités supérieures. On compte désormais 2 500 types d’aciers différents, dotés de diverses propriétés : résistance mécanique accrue, tenue à haute température, ou résistance à la corrosion.⁷⁹²¹²³ Si ces aciers peuvent être produits dans des fours à arc électrique, ils ne sont pas fabriqués à partir de ferraille recyclée, et sont bien plus énergivores.

L’acier disponible pour le recyclage forme un mélange hétérogène en termes de qualités d’acier. Ce mélange convient à la fabrication d’aciers ordinaires au carbone mais n’est pas approprié pour des aciers hautement alliés, qui nécessitent des ferrailles de qualité homogène. Or, cette ferraille n’est pas disponible. Par exemple, l’acier inoxydable, l’alliage le plus produit parmi toute la gamme des aciers spéciaux, a un taux de recyclage de 15 % seulement. La production d’acier inoxydable a atteint 60 Mt en 2021, contre seulement 4 Mt en 1980.²⁴ L’acier inoxydable était traditionnellement employé pour la coutellerie, l’outillage chirurgical, le matériel médical et de transformation agroalimentaire. Ses usages se sont désormais étendus à divers domaines d’application, tels que la construction de tunnels, le mobilier d’extérieur, le traitement des eaux usées, la désalinisation de l’eau de mer, le nucléaire civil et la production de biocarburants.⁷

Les faibles taux de recyclage et l’extraction des autres éléments d’alliage, tels que le chrome ou le nickel, rendent la production des aciers de qualités supérieures plus énergivore. A titre d’exemple, la fabrication d’acier inoxydable nécessite presque 80 GJ par tonne, soit quatre fois plus que la fabrication d’acier ordinaire au carbone.⁷²¹ Le développement incessant d’aciers de qualités supérieures est stimulé par la législation environnementale (imposant par exemple le recours à des aciers plus légers pour les carrosseries des voitures) mais également par la compétition d’autres matériaux, en premier lieu desquels l’aluminium et les composites plastiques.⁷⁹²¹²³ Paradoxalement, la compétition d’usage avec ces matériaux – encore plus énergivores – rend l’acier de moins en moins durable.

L’acier et les énergies renouvelables

Si la sidérurgie est, par la nature même de ses procédés, fortement dépendante des sources d’énergie qui l’alimentent, l’inverse est également vrai : le secteur énergétique repose lui aussi massivement sur l’acier. Presque 10 % de la production mondiale d’acier est destinée à la construction et à l’entretien des infrastructures énergétiques. Ce volume correspond à l’intégralité de l’acier produit en 1950. Une large part de cet acier se retrouve dans les multiples infrastructures pétrolières et gazières.²⁵ En effet, l’extraction, la production et le transport du pétrole et du gaz mobilisent de l’acier en énormes quantités, pour la fabrication de plateformes de forage en mer, oléoducs, gazoducs, raffineries, navires et réservoirs de stockage. L’extraction du charbon dépend quant à elle également de l’acier pour la fabrication de haveuses, chargeuses-pelleteuses, convoyeurs, excavatrices, et camions.⁷

Malheureusement, la transition vers des sources d’énergie peu carbonées et l’électrification des technologies de chauffage et de transport ne réduira pas notre dépendance à la sidérurgie – bien au contraire. Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier (et autres matériaux) qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles. Le solaire et l’éolien sont des sources d’énergie dites « diffuses » par comparaison aux énergies fossiles. Concrètement, cela se traduit par le fait qu’elles requièrent beaucoup plus de matériaux (et d’espace) pour produire in fine la même quantité d’énergie. Dans le jargon technique, on dit que le solaire et l’éolien ont une faible « densité de puissance », ou une forte « intensité matérielle ».²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰

Un réseau énergétique bas-carbone nécessite beaucoup plus d’acier qu’une infrastructure basée sur les énergies fossiles.

L’ « intensité matière » en acier des centrales thermiques au charbon ou au gaz est comprise entre 50 et 60 tonnes d’acier par mégawatt de puissance installée.³¹ Les centrales hydroélectriques ont une intensité matérielle moindre, avec 20-30 tonnes d’acier par MW.⁷³¹ Le nucléaire également, avec 20-40 tonnes d’acier par MW.³¹³² A l’autre bout du spectre, les panneaux photovoltaïque nécessitent entre 40 et 170 tonnes d’acier par MW de puissance installée.³¹³³ Bien que les panneaux en eux-mêmes ne comprennent que peu voire pas d’acier, il s’agit du matériau idéal pour les structures qui les supportent.

L’acier et l’énergie éolienne

L’énergie avec la plus haute intensité en acier est – de loin – l’éolienne contemporaine. L’intensité matérielle d’une éolienne dépend de sa taille. Une grande éolienne requiert ainsi une quantité d’acier bien plus importante par mégawatt de puissance installée que deux éoliennes plus petites.³⁴ Par exemple, une éolienne de 3,6 MW dotée d’une tour de 100 mètres de hauteur nécessite 335 tonnes d’acier (soit 83 tonnes/MW), tandis qu’une éolienne de 5 MW dotée d’une tour de 150 mètres nécessite 875 tonnes d’acier (soit 175 tonnes/MW).³⁵ Or, la tendance actuelle est à la construction d’éoliennes toujours plus hautes et, par conséquent, à une augmentation de leur intensité en acier.

Image: Tours d'éoliennes en acier dans le port de Rotterdam. Photo : Melle Smets

Avec la construction d’éoliennes en mer, cette intensité croît encore plus. Les parcs éoliens terrestres ont recours au béton armé pour leurs fondations, tandis que les éoliennes en mer utilisent d’énormes structures en acier – type « monopieu » ou « treillis métallique » – afin de s’ancrer aux fonds marins.³⁶ L’intensité matérielle de ces éoliennes en mer est estimée à environ 450 tonnes d’acier par MW pour une génératrice de 5 MW – huit fois plus que pour une centrale thermique.³⁴. En outre, la consommation d’acier va croissante à mesure que ces éoliennes augmentent en taille et s’implantent dans des eaux de plus en plus profondes.

L’éolienne en mer la plus courante à l’heure actuelle a une capacité de 7 MW, tandis que les plus grandes d’entre elles atteignent 14 MW.³⁴ En formulant une hypothèse conservatrice sur la base des chiffres cités plus haut (à savoir que l’intensité matière en tonnes d’acier/MW double chaque fois que la puissance est multipliée par deux), on peut estimer qu’une éolienne en mer de 14 MW nécessiterait 1 300 tonnes d’acier par MW, soit 18 200 tonnes au total. Une telle éolienne utilise par conséquent 24 fois plus d’acier qu’une centrale au charbon ou au gaz d’une capacité de production équivalente.

Une durée de vie plus courte

L’écart entre les énergies renouvelables et fossiles se creuse encore plus si l’intensité matérielle est calculée en tonne par unité d’énergie plutôt que par unité de puissance (MWh au lieu de MW). Contrairement aux centrales à charbon ou à gaz, l’énergie produite par les parcs éoliens et photovoltaïques dépend des conditions météorologiques. En conséquence, remplacer 1 MW de capacité de production d’électricité d’origine fossile implique (en moyenne) l’installation de 4 MW de solaire ou 2 MW d’éolien.³⁷ L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est ainsi presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.³⁸

L’intensité en acier d’une éolienne en mer de 14 MW est presque 50 fois plus élevée que celle d’une centrale électrique à combustibles fossiles pour chaque kilowatt-heure d’électricité produit.

Les installations solaires et éoliennes ont de plus une durée de vie inférieure (20-30 ans) à celle des centrales thermiques (30-60 ans).²⁹ Si cela n’affecte pas l’intensité en acier par MW de puissance installée, cela augmente une fois de plus l’intensité par unité d’énergie produite sur une durée donnée. La consommation d’acier ne s’en trouve certes pas systématiquement doublée, dans la mesure où les fondations des éoliennes en mer et les structures pour panneaux solaires ont potentiellement une durée de vie supérieure aux sources d’énergie dont elles constituent le support, et pourraient de ce fait être réutilisées.³⁹

Les infrastructures de transport de l’énergie

Les données exposées ci-dessus incluent uniquement l’acier incorporé dans les installations de production d’énergie elles-mêmes. Dans le cas des centrales à énergies fossiles, elles n’incluent pas l’acier utilisé pour la fabrication des pipelines, plateformes pétrolières, excavatrices à charbon, etc. Il en va toutefois de même concernant les sources d’énergie « bas-carbone ». Dans la mesure où elles requièrent une quantité de ressources beaucoup plus importante que les centrales thermiques (de l’acier mais également de nombreux autres métaux et matériaux), elles sont dépendantes d’un vaste réseau mondialisé d’infrastructures minières et logistiques, lesquelles s’avèrent tout aussi consommatrices d’acier que les chaînes d’approvisionnement des combustibles fossiles.

De plus, étant des sources d’énergie plus diffuses avec de surcroît une production électrique intermittente et variable, souvent située loin des lieux de consommation de l’énergie, les installations d’énergies renouvelables contribuent largement à l’extension du réseau électrique. Or, ces infrastructures de transmission de l’électricité reposent elles aussi massivement sur l’acier pour leur déploiement – des postes de commutation aux pylônes en passant par les câbles.²⁶²⁷²⁸²⁹³⁰⁴⁰

Enfin, les sources d’énergie bas-carbone sont fortement consommatrices d’aciers spéciaux, dont on a vu qu’ils étaient plus énergivores à produire. Ainsi, l’acier à destination des éoliennes en mer doit être résistant à la corrosion, tandis que les structures support de panneaux solaires sont de plus en plus réalisées en acier inoxydable.⁴¹ L’acier doux (acier au silicium, dit « magnétique »), formé par un alliage de ferrosilicium à très faible teneur en carbone, est quant à lui un composant indispensable pour les transformateurs du réseau électrique.⁷ Les centrales nucléaires ont certes une intensité matérielle en acier relativement faible, mais sont intégralement construites avec des aciers spéciaux hautement énergivores. A titre d’exemple, au sein des réacteurs nucléaires, le gainage des barres de combustible contenant l’uranium fissile est assuré par un acier allié au zirconium, tandis que tous les éléments structurels contiennent de l’acier inoxydable austénitique.⁷⁴²

Un réseau bas-carbone ne peut être construit à partir d’acier recyclé

La forte intensité matérielle en acier des sources d’énergie dites « décarbonées » nous confronte à un véritable dilemme, a priori insoluble.⁴³ Pour remplacer les centrales thermiques actuelles par des installations d’énergies renouvelables, nous avons besoin de quantités encore plus importantes d’acier. Du fait du manque de ferraille disponible, cet acier supplémentaire ne peut être produit qu’à partir de minerai de fer dans des hauts-fourneaux, c’est-à-dire en brûlant toujours plus de combustibles fossiles. Dans un contexte de lutte contre le changement climatique, il est nécessaire de déployer rapidement et massivement des sources d’énergie peu carbonées. Or, pour s’inscrire dans un usage circulaire des ressources et créer ces nouvelles installations en utilisant plutôt de la ferraille et de l’électricité d’origine renouvelable, nous serions amenés à faire précisément l’inverse – à savoir ralentir la mise en place d’un réseau électrique bas-carbone.

Image : Fondations en acier pour éoliennes en mer. Image de Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Une étude de référence, publiée en 2013, est arrivée à la conclusion suivante : pour que le solaire et l’éolien soient en mesure de fournir 25 000 TWh d’électricité – soit l’équivalent de la demande électrique mondiale en 2021 – 3 200 Mt d’acier seraient nécessaires à la construction des seuls parcs d’énergies renouvelables.³¹ ⁴⁴ Les projections estiment que la demande mondiale d’électricité atteindra 52 000 à 71 000 terawatt-heures en 2050, ce qui induira une augmentation du besoin en acier de 6 400 à 8 960 Mt au total.⁴⁵ Réparties sur la durée de vie estimée des éoliennes et panneaux solaires (25 ans), cela signifie qu’il nous faudrait produire entre 256 et 358 Mt d’acier supplémentaires chaque année, afin d’assurer la fabrication des éoliennes et des structures pour panneaux solaires – une quantité équivalente à celle utilisée annuellement par l’industrie automobile (196 Mt) et les autres modes de transport (98 Mt) réunis.

Ces estimations demeurent cependant très optimistes. La demande en électricité ne représente qu’environ 20 % de la demande totale en énergie. Pour que cette dernière (177 000 TWh en 2021) soit intégralement fournie par le solaire et l’éolien, 22 400 Mt d’acier seraient nécessaires. Cela représenterait 896 Mt d’acier supplémentaires à produire chaque année – autant que la production mondiale au début des années 2000. On pourrait certes avancer que l’électricité peut être utilisée avec une meilleure efficacité que les énergies fossiles, par exemple pour les voitures et les systèmes de chauffage. Cependant, la demande énergétique globale augmentera dans le même temps : par « effet rebond », les gains d’efficacité seront donc inévitablement absorbés par une consommation accrue d’énergie.

Les solutions high-tech

A l’heure actuelle, l’industrie sidérurgique mise sur des innovations technologiques pour décarboner la production d’acier. Une des options consisterait à remplacer le charbon par du gaz, méthode déjà relativement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. Si la fabrication d’acier à partir de gaz naturel permet certes de réduire les émissions de CO2, celles-ci demeurent largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. C’est pourquoi l’hydrogène, qui remplacerait le coke (obtenu par raffinage du charbon) comme agent réducteur dans un four à cuve de réduction directe, concentre tous les espoirs.⁴⁶ Toutefois, une industrie sidérurgique basée sur l’hydrogène ne permettrait pas d’échapper au paradoxe évoqué plus haut, puisqu’elle impliquerait à son tour une infrastructure requérant, par sa nature même, d’énormes quantités d’acier.

En effet, la production d’hydrogène est très énergivore. Il faut 50-55 kilowatt-heures pour produire 1 kg d’hydrogène, et 60 kg d’hydrogène pour fabriquer une tonne d’acier.⁴⁶ La production d’1 tonne d’acier à partir d’hydrogène consomme par conséquent 3 000 kWh d’électricité, soit dix fois plus que la consommation d’un four à arc électrique produisant la même quantité d’acier à partir de ferraille. De fait, une sidérurgie basée sur l’hydrogène mobiliserait à peu près dix fois plus d’éoliennes et de panneaux solaires que celle utilisant de la ferraille recyclée – donc dix fois plus d’acier. A cela, il faut en outre ajouter l’acier nécessaire à la construction des pipelines et réservoirs de stockage qui font partie intégrante de l’infrastructure associée à la technologie de l’hydrogène.

Image: Ouvrier sidérurgiste (fondeur) dans un haut-fourneau. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020'/ CC-BY-SA 3.0.

Les technologies de capture et stockage du carbone, supposées capter les émissions des aciéries et les stocker sous terre, sont évidemment confrontées aux mêmes problèmes. Cette solution impliquerait le déploiement d’infrastructures en acier d’une part, et d’autre part des besoins supplémentaires en énergie, augmentant ainsi de manière indirecte l’utilisation des énergies fossiles. Revenir aux procédés sidérurgiques préindustriels n’est pas non plus une solution. Un haut-fourneau actuel fonctionne, dans ses grands principes, comme un haut-fourneau ancestral, à la différence près qu’il est beaucoup plus efficace énergétiquement.⁷

Les solutions low-tech

Le tableau brossé ci-dessus ne laisse a priori que peu d’espoir quant à la perspective d’une décarbonation de la production d’acier et d’énergie. Il y a malgré tout une piste de solution low-tech pour y parvenir. Elle consisterait tout simplement à ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité. Ceci permettrait de produire l’intégralité de l’acier à partir de ferraille dans des fours à arc électrique, réduisant ainsi drastiquement la consommation énergétique du secteur sidérurgique et éliminant la quasi-totalité des émissions carbone associées. Bien sûr, l’idée n’est pas de remplacer l’acier par des plastiques, des composites ou de l’aluminium, dont la fabrication est encore plus énergivore. La seule option réellement soutenable serait de réduire l’utilisation globale de matériaux.

On pourrait ajuster la production d’acier au volume de ferraille disponible, à la fois en quantité et en qualité.

Diminuer la production d’acier et utiliser des qualités d’acier plus ordinaires ne signifierait pas pour autant un retour à l’âge du bronze. Comme mentionné plus haut, le volume disponible de matériaux ferreux en fin de vie représentait environ 450 Mt en 2021, ce qui nous permettrait de produire environ un quart de la production actuelle. Par ailleurs, l’offre en ferraille va continuer à croître dans les 40 prochaines années, ce qui permettrait de produire chaque année de plus en plus d’acier à faibles émissions de CO2. A l’horizon 2050, on estime que la disponibilité annuelle en ferraille pourrait atteindre 900 Mt, soit presque la moitié de la production mondiale d’acier actuelle.⁴⁷ Tout cet acier supplémentaire pourrait alors être utilisé en priorité pour déployer un réseau électrique bas-carbone sans que n’augmentent en contrepartie les émissions de carbone.

S’agissant de réduire l’intensité matérielle en acier du monde moderne, nous disposons d’une grande marge de manœuvre. Tous nos besoins essentiels – et beaucoup d’autres – pourraient être satisfaits en mobilisant des quantités d’acier bien moindres. Il serait par exemple possible de concevoir des voitures plus légères en réduisant leur taille. Ceci amènerait des économies d’énergie sans recours à des aciers alliés de haute qualité dont on a vu qu’ils étaient énergivores. Une partie des voitures individuelles pourraient être remplacées par la combinaison des transports en commun et du vélo, de manière à ce qu’une plus faible quantité d’acier soit partagée par un plus grand nombre de personnes.

De tels changements auraient par ailleurs pour effet de réduire la demande d’acier de la part du secteur routier, des infrastructures énergétiques et de l’industrie manufacturière. Nous aurions besoin de moins de machines-outils, conteneurs maritimes et bâtiments en béton armé. Dès lors que l’on entreprend de réduire l’intensité en acier dans un domaine, les bénéfices se répercutent sur l’ensemble du système. Prévenir la corrosion des éléments en acier et produire de l’acier plus localement, avec les ressources disponibles, permettrait également de réduire la consommation énergétique et les émissions du secteur sidérurgique.¹⁰⁴⁸

La croissance continue de la production d’acier – autrement dit, l’intensité matérielle toujours plus forte de la civilisation industrielle – rend impossible toute tentative de produire de l’acier de manière plus durable. La solution ne pourra venir d’aucune technologie, puisqu’il ne s’agit fondamentalement pas d’un problème d’ordre technique. Au même titre que la foresterie ne peut être soutenable que si la demande en bois ne dépasse pas la quantité de bois que les forêts sont capables de générer, la sidérurgie ne peut être soutenable (ou non) que dans la mesure où l’offre (ferraille) s’équilibre avec la demande (acier). Nous ne quitterons peut-être pas l’âge du fer, mais nous avons en revanche une ébauche de piste pour sortir du cercle vicieux qui lie inextricablement la production d’acier aux énergies fossiles.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. Voir aussi : Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788 - 1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. Et : Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Article à paraître, Kris De Decker, Low-tech Magazine. S’abonner à la newsletter de Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, et Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, et George E. Totten (dir.). Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Les données disponibles sur cette page ont entre temps été actualisées pour l’année 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, et Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
On estime qu’une fois mis en œuvre, entre 25 % et 33 % de l’acier produit chaque année est détruit par la corrosion. Voir : Iannuzzi, M., et G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
Lenzen, Manfred, et Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Voir, par exemple : Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. Cet article avait estimé que la consommation d’acier atteindrait 1 800 Mt aux alentours de 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Précisons qu’environ 5 % de l’acier mondial est produit via un troisième procédé : la réduction directe de minerai de fer à partir de gaz. Ces fours utilisent du gaz naturel en lieu et place du charbon et génèrent par conséquent moins d’émissions de carbone. Celles-ci demeurent toutefois largement plus élevées que dans le cas d’un four à arc électrique. La fabrication d’acier à l’aide de gaz naturel est principalement répandue au Moyen-Orient et en Amérique du Nord. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Ce constat vaut également pour de nombreux autres matériaux et ressources. Voir : “L’Économie circulaire est-elle vraiment circulaire ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, Novembre 2018. https://qelnixcor.cloud/fr/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, et A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎
Janke, Dieter, et al. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
En Occident, l’usage de l’acier s’est généralisé sur une période historique de 150 ans environ, de manière concomitante et en lien étroit avec les évolutions techniques de l’époque. A contrario, en Chine, cette mutation technologique s’est accomplie en seulement quelques dizaines d’années : navires, voies ferrées, électrification, bâtiments et structures en acier, voitures et avions, internet, énergies renouvelables. On trouve encore des régions du monde où les sociétés humaines ont conservé une très faible intensité matérielle en acier, telles que l’Inde et l’Afrique. La production (et la consommation) d’acier conservent donc un potentiel de croissance considérable. Source: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, et Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Dans : Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
“Un réseau électrique alimenté à 100 % par les énergies renouvelables serait-il réellement durable ?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/fr/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, et Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, et Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Ce chiffre s’avère cohérent avec les analyses de Vidal, Olivier, Bruno Goffé, et Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. Les données sont disponibles dans en annexe : https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Dans le cas des éoliennes en mer, la durée de vie des fondations est estimée à 100 ans, elles pourront donc en principe servir au remplacement des éoliennes par de futurs modèles de même taille et masse. En revanche, l’hypothèse que ces fondations en acier finiront par être recyclée n’a rien d’une évidence. Premièrement, le recyclage du métal ne contribue au recouvrement des coûts de démantèlement qu’à hauteur de 10 %, ce qui signifie qu’il n’est pas une option économiquement - ni peut-être même énergétiquement - intéressante. Deuxièmement, il arrive dans certains cas qu’une biodiversité marine se soit développée autour des fondations. Les quatre parcs éoliens en mer démantelés en 2019 ont eu une durée de vie respective de 15, 18, 20 et 26 ans. Source : Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
Voir: https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
Voir: https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., et Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
En anglais, l’expression « catch-22 » désigne une situation de paradoxe logique où la résolution d’un problème semble impossible du fait de prémisses contradictoires [N.d.T.]. ↩︎
Une partie de cette capacité de production d’énergies renouvelables est déjà construite. Les chercheurs de cette étude se basent sur la production solaire et éolienne de l’année 2013, soit 400 TWh, or ces deux énergies ont produit un cumul de 2 894 TWh en 2021. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎
Un autre argument en faveur d’une réduction de l’intensité matérielle en acier de notre société est que cela limiterait le risque de conflits géopolitiques. Plus nous produisons de l’acier pour des applications civiles « pacifiques », plus la quantité d’acier disponible pour mener guerres et destructions augmente. On s’étonnera d’ailleurs que la fabrication d’armes et d’équipements militaires ne figure pas dans les statistiques récentes sur la production d’acier, ou qu’elle n’en représente, le cas échéant, qu’une part très faible. Quoi qu’il en soit, en temps de guerres, les aciéries sont systématiquement réquisitionnées pour la production d’acier à des fins militaires. L’industrie sidérurgique peut donc à tout moment être convertie en industrie d’armement. Or, la capacité mondiale de production d’acier est à ce jour plus grande qu’elle ne l’a jamais été dans l’histoire. ↩︎

Le site web imprimé : deux nouveaux volumes

Tue, 21 Nov 2023 00:00:00 +0000

Image: Le site web imprimé.

Ces dernières années, Low-tech Magazine a fait le saut du web au papier. Quatre volumes imprimés sont disponibles en anglais. En avril 2022 nous avons publié un premier volume en traduction française. Nous lançons maintenant les deux autres volumes. L’ensemble de la série (à l’exception du livre Commentaires, qui ne sera pas traduit) est désormais disponible en français :

Volume I : Low-tech Magazine 2007-2012. Nouveau !
Volume II : Low-tech Magazine 2012-2018. Nouveau !
Volume III : Low-tech Magazine 2018-2021.

Toutes les traductions ont été révisées et harmonisées, un changement qui n’est pas encore reflété sur le site web. Les livres contiennent également des images supplémentaires par rapport au site web. Le tome I rassemble 28 articles publiés entre 2007 et 2012, soigneusement sélectionnés pour leur pertinence et leur interêt continus aujourd’hui. L’ouvrage compte 590 pages et contient 257 images en noir et blanc. Le tome II rassemble 27 articles publiés entre 2012 et 2018. Il compte 600 pages et contient 212 images en noir et blanc.

Un grand merci aux traducteurs qui ont permis la réalisation de ces livres. Un grand merci également à Audrey Belliot, qui a préparé le contenu de ces éditions et qui a harmonisé le style des traductions, a Kathy Vanhout, qui a coordoné les traductions, et Laia Comellas, en charge de la composition.

Image: Le site web imprimé.

Table des matières Tome I (2007 - 2012)

Le tome I rassemble 28 articles publiés entre 2007 et 2012, soigneusement sélectionnés pour leur pertinence et leur interêt continus aujourd’hui. L’ouvrage compte 590 pages et contient 257 images en noir et blanc. Il est disponible dans notre librairie Lulu.

Comment réduire la taille d’un réseau de transport : la brouette chinoise
Les combustibles fossiles pendant la période pré-industrielle
Centrales solaires thermiques : un avenir prometteur
La brève histoire des premières machines à pédales
Les vélos générateurs d’électricité ne sont pas durables
L’avenir négligé de la bicyclette stationnaire
Isolation : d’abord le corps puis la maison
Les systèmes de transport par câble : un moyen de transport automatique à moindre coût
Outils et machines de forage manuels
Les moulins-bateaux : des usines flottantes actionnées par l’eau
Le recyclage de déjections animales et humaines : la clé de l’agriculture durable
Le statu quo de la voiture électrique : meilleures batteries, même autonomie
Vers l’infini et au-delà : les grues et les engins de levage manuels
Les véhicules à gazogène : du bois dans le réservoir
Véhicules à sac de gaz
Les trolley-bateaux
Le four Hoffmann , anneau de feu
Des usines alimentées par énergie éolienne : histoire (et futur) des mouline à vent industriels
Funiculaires hydrauliques
On se (re)met au courant : les trolleybus et trolley-camions
Trains routiers électriques
L’empreinte colossale des technologies numériques
Des briques pour remplacer l’acier : l’art des voûtes catalanes
L’Ictíneo : le sous-marin à vapeur
La Citroën 2CV : une cleantech des années 1940
La vie sans avion : de Londres à New York en 3 jours et 12 heures
La navigation par satellite au XVIII siècle
Les e-mails au XVIIIe siècle : le télégraphe optique

Table des matières Tome II (2012 - 2018)

Le tome II rassemble 27 articles publiés entre 2012 et 2018. L’ouvrage compte 600 pages et contient 212 images en noir et blanc. Il est disponible dans notre librairie Lulu.

Comment créer un site web low-tech
Nous n’y arriverons pas seuls
Abandonnez les batteries : stockage d’énergie par air comprimé hors-réseau
Histoire et avenir de l’économie de l’air comprimé
De quelle quantité d’énergie avons-nous besoin ?
Aveuglés par l’efficacité énergétique
Comment (re)fonder l’économie sur la météo ?
Le monde moderne pourrait-il fonctionner à la seule énergie humaine ?
Les hypocaustes : le chauffage du Moyen Âge
La malédiction du bureau moderne
Pourquoi la révolution des machines á écrire est-elle nécessaire dans les bureaux ?
Comment sortir votre appartement du réseau électrique ?
L’électricité “douce” : le retour du courant continu ?
Les réseaux de force motrice hydraulique
Les murs à fruits : l’agriculture urbaine au XVIIe siècle
Réinventer la serre
Pourquoi nous devons limiter la vitesse d’Internet
Comment créer un Internet low-tech
Avoir chaud à l’ancienne : chauffer les personnes et non les espaces
La revanche du ventilateur
Un feu bien entretenu surpasse la cuisinière moderne
Si nous isolons nos maisons, pourquoi pas nos casseroles ?
La grande vitesse est en train de tuer le réseau ferroviaire europén
De l’énergie à partir du robinet : les moteurs à eau
Retour aux fondamentaux : l’énergie hydraulique directe
Les vélomobiles électriques : aussi rapides et confortables que les automobiles, mais 80 fois plus efficients
L’enveloppe solaire : comment chauffer et refraîchir les villes sans énergie fossile

Table des matières Tome III (2018 - 2021)

Le tome III rassemble 18 articles publiés entre 2018 et 2021. L’ouvrage compte 400 pages et contient 184 images en noir et blanc. Il est disponible dans notre librairie Lulu.

Les matelas-fascines : la vannerie se déchaîne
Comment fabriquer un panneau solaire low-tech
Comment concevoir un voilier pour le 21e siècle?
Les étangs urbains à poissons : un traitement des eaux usées à faible technicité pour les villes
Les soins de santé high-tech sont-ils écologiquement durables ?
Les fermes verticales occupent autant d’espace que les autres
Comment et pourquoi j’ai arrêté d’acheter de nouveaux ordinateurs portables
Comment rendre l’énergie de la biomasse à nouveau durable
Poêles thermoélectriques : la fin des panneaux solaires ?
Faire pousser des plantes subtropicales malgré le gel hivernal : La culture de fruitiers en tranchées
Un site Web à énergie solaire est-il soutenable ?
Trop de combustion, pas assez de feux
Le douche à brumisation: vers un confort plus durable?
Pour que l’énergie éolienne redevienne durable
Réinventer la petite éolienne domestique
Chauffer sa maison avec une éolienne mécanique
Garder certaines lumières allumées: redéfinir la sécurité énergétique
L’Économie Circulaire Est-Elle Vraiment Circulaire?

Les avantages du papier

La version imprimée de Low-tech Magazine est accessible sans avoir besoin d’un ordinateur, d’internet ou d’une alimentation électrique – ou quand le site internet solaire est hors service à cause d’une mauvaise météo.

Le papier offre des bénéfices additionnels. Il est plus doux pour les yeux qu’un écran d’ordinateur, offre une lecture sans distraction, permet une navigation rapide et flexible et est à tout moment disponible.

Un site internet imprimé permet également de préserver le contenu de Low-tech Magazine sur le long terme. Les sites web ne vivent pas éternellement et l’internet ne devrait pas être pris pour acquis.

Impression à la demande

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Cela allonge le délai pour recevoir le livre et, parce que chaque copie transite directement de l’imprimeur au consommateur, il n’y a pas de moyen pour nous de contrôler la qualité d’impression. Plus de 7000 copies en Anglais ont été vendues, avec très peu de réclamations. Néanmoins, si vous recevez un exemplaire mal imprimé, vous devriez en informer Lulu afin d’obtenir un échange. D’après mon expérience, c’est un processus très fluide et il n’est pas nécessaire de retourner l’exemplaire abimé. Si ce n’est pas le cas, merci de me contacter à kris@lowtechmagazine.com.

Les réseaux de force motrice hydraulique

Sat, 30 Sep 2023 00:00:00 +0000

Illustration : Un accumulateur hydraulique. Image : [Les Chatfield](https://www.flickr.com/photos/61132483@N00/7184633723).

L’utilisation des moteurs à eau était largement répandue en Europe et en Amérique dans la seconde moitié du dix-neuvième siècle. Reliées à un robinet, ces petites turbines hydrauliques pouvaient faire fonctionner n’importe quelle machine aujourd’hui alimentée à l’électricité. Comme nous l’avons montré dans un précédent article, faire fonctionner ces moteurs à l’eau courante n’était pas une solution particulièrement durable. Du fait des niveaux de pression à la fois faibles et irréguliers dans les réseaux d’adduction, ces moteurs consommaient d’énormes quantités d’eau potable.

Tandis qu’aux Etats-Unis les moteurs à eau tombèrent en désuétude au début du vingtième siècle, les Européens trouvèrent une solution pour réduire leur importante consommation d’eau, perfectionnant ainsi la technique de transmission d’énergie par voie hydraulique. Ils déployèrent des « réseaux de force motrice hydraulique », dédiés à la distribution d’eau sous pression pour des usages de force mécanique exclusivement, et les convertirent à des régimes de pression beaucoup plus élevés et constants, rendus possibles par l’invention de l’accumulateur hydraulique.

La quasi-totalité de ces réseaux demeurèrent en service jusque dans les années 1960 et 1970. Comparée à l’électricité, la transmission de l’énergie hydraulique comme force motrice s’avère très efficace, quand elle est utilisée pour alimenter des machines puissantes mais fonctionnant de manière intermittente, lesquelles peuvent être réparties sur une aire géographique de la taille d’une ville entière.

“L’usage de l’eau est un sujet étonnamment peu considéré dans les publications d’ingénierie. Cantonnée à une image romantique ou populaire, la force motrice hydraulique n’a jamais conquis l’intérêt du grand public, contrairement à la machine à vapeur, la locomotive ou même le moteur à combustion interne.” Ian McNeil, Hydraulic Power, 1972

Les bases théoriques de la transmission de l’énergie hydraulique furent établies en 1647 par le jeune prodige français Blaise Pascal. Il découvrit, par le biais d’expériences scientifiques, que l’eau – contrairement à l’air – est un fluide quasi incompressible et transmet la pression de manière uniforme dans toutes les directions.

Les conséquences pratiques de ce qui deviendra plus tard le Principe de Pascal, aussi appelé “paradoxe hydrostatique”, furent démontrées par sa “machine à multiplier les forces”, schématiquement illustrée ci-dessous. Elle consiste en 2 cylindres, reliés entre eux par un tuyau. L’ensemble du dispositif est rempli d’eau et scellé hermétiquement. Le premier cylindre contient un piston de faible diamètre, tandis que le second cylindre contient un piston de diamètre 100 fois supérieur.

Machine à multiplier les forces.

Pascal parvint à démontrer qu’en plaçant un poids sur le petit piston, la force exercée permettrait de soulever un poids 100 fois plus lourd disposé sur le grand piston. En d’autres termes, selon le principe de Pascal, une force peut être appliquée à une petite aire pour exercer une force plus importante sur une plus grande surface : une machine exploitant ce principe pour multiplier une force de la sorte est appelée presse hydraulique. Le rapport entre les forces exercées respectivement sur le petit et le grand piston s’appelle l’avantage mécanique du levier hydraulique – dans l’exemple précédent, il est de 100 pour 1. Autrement dit, il est possible de générer une force résultante de 100 kg en appliquant une force initiale de seulement 1 kg.

Une Machine à Multiplier les Forces

La multiplication des forces était tout sauf une nouveauté au début du dix-septième siècle. Des systèmes plus simples, tels que les poulies, engrenages, cabestans, treuils et grues à tympan (aussi appelées « roues de carrier ») – autant de variantes du bras de levier, vieux de 7000 ans – étaient capable de générer une importante force résultante à partir d’un effort initial moindre. Les Romains, par exemple, construisaient des grues dont l’avantage mécanique pouvait atteindre 70 pour 1, ce qui signifie qu’un seul homme exerçant une force d’environ 25 kg pouvait soulever 1,75 tonnes.

Toutefois, la version hydraulique du mécanisme de levier présente un avantage considérable par rapport aux mécanismes qui l’ont précédée : les pertes d’énergie par friction sont minimes, et indépendantes de l’avantage mécanique. Par conséquent, le rapport de multiplication potentiel est presque infiniment plus grand, et les 2 pistons peuvent être éloignés d’une distance considérable – jusqu’à 25 km environ, comme nous le verrons plus loin.

En hydraulique, les pertes d’énergie par friction sont indépendantes de l’avantage mécanique, le rapport de multiplication des forces est donc potentiellement quasi infini

L’augmentation du rapport de multiplication peut être effectuée soit en augmentant le rapport de taille entre la surface des deux pistons, soit en exerçant une force plus importante sur le plus petit piston. Tout comme dans les dispositifs plus anciens évoqués ci-dessus, l’accroissement de l’avantage mécanique s’accompagne toujours d’une diminution de la vitesse.

Si une force hydraulique faible est convertie en une force plus grande, sa vitesse de fonctionnement sera réduite de manière inversement proportionnelle, dans la mesure où la distance parcourue est proportionnelle à la force. Par exemple, en descendant le petit piston de 10 centimètres vers le bas, on n’élèverait l’autre piston qu’au 1/100ème de cette distance.

Pascal barrel experiment.

Par conséquent, au sein d’un système en circuit fermé, le poids le plus lourd ne pourrait être déplacé vers le haut que sur une distance très courte, relative à la longueur du bras du piston. Cette limite intrinsèque disparaît toutefois si l’on introduit de l’eau supplémentaire au sein du système et que le petit piston, au lieu de ne descendre qu’une seule fois, réalise plusieurs cycles de montée-descente – c’est-à-dire quand il fonctionne comme une pompe. Dans ce cas, le grand piston continuera de monter.

La Presse Hydraulique

Les matériaux disponibles à l’époque n’étant pas assez robustes pour résister à une telle pression, Pascal ne put faire qu’indirectement la démonstration de son principe. Il faudra attendre un siècle et demi pour que la multiplication hydraulique des forces soit réellement mise en pratique. La première utilisation qui en tira profit n’était pas un engin de levage, mais presque le contraire : il s’agit de la presse hydraulique, générant une force dite de compression.

La traditionnelle presse à vis, en usage à cette époque, avait connu peu d’évolutions depuis son invention par les Romains, qui l’utilisaient alors pour presser les olives et le raisin. Elle nécessitait, pour fonctionner, des efforts conséquents avec d’importantes pertes d’énergie par friction (+80 %), et ne pouvait exercer de pression supérieure à 25 tonnes. (La vis, qui convertit le mouvement de rotation en un mouvement linéaire vertical, consiste tout simplement en un plan incliné “enroulé” en spirale autour d’un cylindre).

À gauche : La presse à vis. Crédit d’image : [Bruce K. Satterfield](http://emp.byui.edu/SATTERFIELDB/Olive%20Tree/olive%20tree%20horticulture.htm) À droite : La presse hydraulique.

On doit l’invention de la presse hydraulique, en 1796, à un serrurier et charpentier anglais, Joseph Bramah. Son fonctionnement est entièrement basé sur les travaux théoriques de Pascal. Actionnée par une pompe manuelle, la presse hydraulique de Bramah permit d’augmenter considérablement la force pouvant être développée par un humain.

Avec les matériaux disponibles à l’époque, Bramah parvint à obtenir un ratio de 1000 pour 1, ce qui signifie qu’un poids effectif de 60 tonnes pouvait être actionné par un effort initial de 60 kg seulement sur le bras de la pompe. Le rendement de cette presse hydraulique était supérieur à 90%.

Les Ports et Chantier Navals

Bien qu’ils fussent particulièrement adaptés aux opérations de levage, les systèmes hydrauliques firent peu de progrès dans ce domaine pendant la première moitié du dix-neuvième siècle. Cela tient en grande partie aux difficultés rencontrées pour convertir le mouvement linéaire des béliers et vérins hydrauliques en mouvement rotatif des tympans de grue. Si pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de divers engins de levage manuels, la nécessité de disposer de grues de plus en plus grandes et surtout plus puissantes se faisait sentir.

A partir des années 1930, l’acier commença à entrer dans la construction navale, de manière concomitante à l’augmentation de la taille des navires. Les systèmes traditionnels de levage n’étaient plus adaptés au regard des charges à soulever. La grue à vapeur, apparue dans les années 1850, fut la solution qui s’imposa alors dans la plupart des pays. Toutefois, une alternative intéressante fit son apparition dans les ports et chantiers navals britanniques : la grue hydraulique.

Pendant la première moitié du dix-neuvième siècle, la manutention du fret dans les ports, les chantiers navals et les gares était encore réalisée au moyen de grues et engins de levage manuels.

C’est au cours des années 1840 que l’ingénieur anglais William Armstrong commença à concevoir et utiliser des grues hydrauliques relativement puissantes. Conscient que les systèmes hydrauliques sont plus adaptés aux mouvements lents et réguliers, Armstrong mis au point une technique permettant de soulever une charge en une seule course de piston ou vérin, démultipliant suffisamment le mouvement par un jeu de poulies.

Hydraulic crane.

Ses efforts furent cependant mis à l’épreuve par les caractéristiques des réseaux d’adduction d’eau de l’époque, source d’énergie pour ces machines, dont la pression était à la fois faible et variable. La puissance mécanique maximale fournie par une machine hydraulique est en effet déterminée par la pression et le débit d’eau. La hauteur maximale d’un château d’eau étant limitée, il en va de même pour la pression au sein du réseau de distribution qui lui est associé. Un château d’eau d’une hauteur de 50 m (165 pieds) peut ainsi délivrer une pression de 70 psi (4,8 bars environ).

Il en découle que le seul moyen d’accroître la puissance mécanique d’une grue hydraulique alimentée par un réseau d’adduction est d’augmenter le débit d’eau. L’inconvénient est alors double : ceci entraîne d’une part une consommation accrue d’eau potable, et induit d’autre part une augmentation de la taille et du coût des conduites, valves, vérins et autres composants du réseau. En outre, en période de forte consommation d’eau potable de la part des autres usagers, le niveau d’eau du réservoir ou château d’eau diminue, de même que la pression hydraulique au sein du réseau et, in fine, la puissance délivrée en sortie par la machine.

L’Accumulateur Hydraulique

En 1851, Armstrong mit au point une solution alternative qui résolut ces différents problèmes : l’accumulateur hydraulique. Bien qu’étant beaucoup plus compact qu’un château d’eau, ce dispositif pouvait générer une pression hydraulique de 700 psi (48 bars) ou plus – dix fois supérieure à celle du réseau d’eau potable. Cela permettait de fournir une puissance supérieure d’un ordre de grandeur (c’est-à-dire de la multiplier par un facteur 10) sans augmenter la consommation d’eau potable ni surdimensionner la taille des composants.

L’accumulateur hydraulique d’Armstrong consistait en un cylindre vertical dans lequel un vérin ou un piston plongeur exerçait une pression sur l’eau. Ce piston était lesté d’un contrepoids, lequel prenait généralement la forme d’un réservoir de lestage cylindrique entourant le cylindre central (image de gauche, ci-dessous). Ce réservoir était ballasté avec des granulats (pierres concassées), de la ferraille ou tout autre matériau de lestage.

Hydraulic accumulators. À gauche : Un accumulateur hydraulique dans le Port de Bristol. Wikipedia Commons. À droite : Accumulateur hydraulique, Walsh Bay, Sydney. Source : [NSW HSC Online](http://hsc.csu.edu.au/engineering_studies/application/lift/3377/hydraulics.htm)

Il fallait, pour obtenir une pression de 700 psi, l’équivalent de 100 tonnes de ballast, appliquées sur un piston d’environ 45 cm de diamètre et d’une course verticale (distance maximale parcourue dans le cylindre) de 6 à 7 mètres. Un autre type d’accumulateur hydraulique fonctionnait avec un ballast briqueté (image ci-dessus, à droite) ou un empilement de brames d’acier (plaques rectangulaires), disposées sur un plateau. Les accumulateurs hydrauliques pouvaient être installés soit en extérieur, soit au sein d’un bâtiment conçu à cet effet.

Un accumulateur hydraulique pouvait fournir une puissance dix fois plus élevée que celle d’un château d’eau, et maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau.

Le fonctionnement d’un accumulateur hydraulique repose sur un mécanisme analogue à celui d’un château d’eau. En partie basse du cylindre central se trouvent une arrivée et une sortie d’eau. L’eau du port pouvait être directement introduite dans l’accumulateur par une pompe à vapeur, soulevant ainsi le piston, pour être ensuite envoyée sous pression dans les conduites via la valve de sortie, abaissant alors le piston.

L’énergie était stockée temporairement lors de l’ascension du vérin, puis récupérée lors de sa descente. Le débit de pompage de la machine à vapeur était régulé en fonction du niveau d’eau dans l’accumulateur, soit automatiquement par un système de liaisons mécaniques, soit avec l’aide d’un opérateur.

Hydraulic accumulator.

Contrairement à un château d’eau, un accumulateur hydraulique permettait de maintenir une pression uniforme dans l’ensemble du réseau quelque soit le volume d’eau contenu dans son cylindre, car la pression y est générée par le poids du ballast et par non le poids de l’eau elle-même – pour le dire autrement, l’accumulateur hydraulique génère une pression au moyen d’un poids extérieur plutôt que par la seule énergie gravitaire (liée à la différence de hauteur).

Avec un rendement de charge/décharge supérieur à 98 %, et aucune autodécharge, l’accumulateur hydraulique était un dispositif extrêmement efficace sur le plan énergétique.

Des Machines Industrielles Alimentées par la Force Motrice

Son introduction eut deux effets majeurs. Premièrement, elle élargit considérablement l’éventail des opérations susceptibles d’être réalisées par des machines à énergie hydrauliques. Les moteurs à eau connectés au réseau d’eau potable se limitaient alors à de petits appareils domestiques ou des outils d’atelier. Mais Armstrong et d’autres ingénieurs adaptèrent l’usage de l’eau sous haute pression à tout un large spectre d’opérations industrielles nécessitant des puissances importantes, telles que le forgeage, le poinçonnage, l’emboutissage, le bordage, le cisaillage et le rivetage (ancêtre de la soudure).

Riveteuse hydraulique.

Dans les ports, l’eau sous haute pression servait non seulement à actionner les grues et engins de levage destinés à la manutention de marchandises sur les quais et dans les entrepôts, mais aussi les portes d’écluses, les ponts tournants, ascenseurs à bateaux et cales sèches. Dans les gares de triage, la distribution de force motrice était utilisée pour déplacer le fret et les wagons (au moyen de treuils cabestan hydrauliques) ainsi que pour actionner les plaques tournantes, les monte-charges et engins de transbordement. Toutes ces applications de l’énergie hydraulique auraient été impossibles avec la pression généralement faible et irrégulière au sein des canalisations d’eau courante de l’époque.

Une fois encore, il suffit de regarder l’évolution des techniques de levage pour prendre la mesure du rôle crucial joué par l’énergie hydraulique dans le contexte de l’époque. En 1586, un obélisque de 344 tonnes fut déplacé d’une place de Rome vers une autre place. Domenic Fontana, ancien maçon puis architecte et maître d’œuvre au Vatican, en supervisa le transfert. Il décida, pour assurer cette mission, de soulever l’obélisque et de le poser horizontalement sur un traîneau pour le transporter au centre de la place Saint-Pierre, où il devait être nouvellement érigé. L’opération mobilisa 40 cabestans, actionnés par quelques 75 chevaux et 400 hommes. En 1878, John Dixon érigea un autre obélisque – l’Aiguille de Cléopâtre, d’une masse de 209 tonnes – au moyen de quatre crics hydrauliques de levage, actionnés par quatre hommes.

Les Réseaux de Force Motrice Hydraulique

Deuxièmement, l’accumulateur hydraulique rendit possible le transfert efficace d’énergie sur de longues distances. Dans une canalisation de 30 cm, la perte de charge dans le réseau s’élève à 10 psi par mile (environ 0,4 bar / km), une valeur indépendante de la pression. Par conséquent, en transportant de l’eau à une pression de 70 psi sur une distance de 7 miles (12 km), toute l’énergie initiale est dissipée en sortie. Mais en distribuant de l’eau sur cette même distance à une pression initiale de 700 psi, il résulte une pression de 630 psi à l’arrivée ; le rendement s’élève alors à 90 %.

Le rendement élevé de l’eau sous haute pression comme vecteur énergétique entraîna la construction d’au moins une douzaine de réseaux publics de distribution de force motrice dotés d’accumulateurs – dont la moitié en Grande-Bretagne. Grâce à l’action de machines à vapeur centralisées, l’eau y était pompée vers des accumulateurs hydrauliques, qui distribuaient ensuite l’eau sous haute pression sur un territoire plus ou moins vaste. Un ou plusieurs accumulateurs étaient installés dans chaque station du réseau, tandis que d’autres étaient répartis à des points stratégiques le long des canalisations, comme « sous-stations ».

L’idée d’un réseau de force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été esquissée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique.

Des années 1870 aux années 1890, des réseaux d’eau motrice sous pression furent ainsi déployés dans les principales villes industrielles de Grande-Bretagne : Kingston upon Hull, London, Liverpool, Birmingham, Grimsby, Manchester et Glasgow. Les compagnies portuaires et ferroviaires furent pionnières dans le développement cette technologie, et en demeurèrent les principales utilisatrices pendant plusieurs décennies.

Illustrations d’un accumulateur, d’une grue et d’un élévateur hydrauliques.

La force motrice hydraulique était en outre utilisée dans des procédés industriels de fabrication, pour actionner les ascenseurs d’immeubles publics, privés et commerciaux, mais aussi différents appareils domestiques et outils d’ateliers artisanaux. Quiconque avait la chance d’être situé à proximité d’une canalisation souterraine pouvait ainsi se raccorder au réseau public. Les consommations d’eau étaient relevées, au même titre que l’eau potable ou l’électricité aujourd’hui.

L’idée d’un réseau force motrice hydraulique – analogue à celle d’un réseau électrique, qui émergea quelques temps après – avait déjà été évoquée dès 1812 dans un brevet déposé par Joseph Bramah, l’inventeur de la presse hydraulique. Mais Bramah, qui avait également imaginé le principe de l’accumulateur et de la grue hydrauliques, était trop en avance sur son temps. Il fallut attendre près de 60 ans pour que ses idées soient mises en pratique par Armstrong et ses contemporains.

La Compagnie d’Énergie Hydraulique de Londres

C’est à Londres que fut construit le plus vaste réseau de force motrice hydraulique, exploité par la “London Hydraulic Company”. À l’apogée de l’entreprise en 1917, pas moins de cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville. Dans les théâtres et autres équipements culturels de Londres, l’eau motrice était utilisée pour déplacer les décors, les consoles d’orgues, les rideaux coupe-feu et les plateaux de scène. La machinerie hydraulique du Tower Bridge était également actionnée par de l’eau sous pression, pompée dans six accumulateurs par des moteurs à vapeur, permettant la levée des bascules.

Illustration : plan du réseau de canalisations et stations de la London Hydraulic Power Company, 1895.

Les bornes à incendie bénéficiaient elles aussi du système haute pression, et plusieurs centaines d’entre elles étaient raccordées au réseau de la London Hydraulic Power Company. Ces dispositifs anti-incendie permettaient par ailleurs d’augmenter la pression au sein des canalisations domestiques en y injectant de petites quantités d’eau sous haute pression, au moyen de pompes à jet. En effet, l’eau comprimée fournie par le service d’eau motrice n’était pas disponible en quantité suffisante pour avoir un réel impact contre les incendies majeurs, tandis que l’eau potable domestique était abondamment disponible, mais à une pression trop faible pour atteindre les derniers étages des immeubles.

À Londres, cinq centrales interconnectées assuraient le pompage d’eau sous haute pression vers une douzaine d’accumulateurs hydrauliques et près de 300 km de conduites souterraines, alimentant en énergie plus de 8 000 machines réparties dans presque toute la ville

Une autre application notable de l’eau sous haute pression à Londres fut le Silent Dustman, un système d’aspiration à énergie hydraulique commercialisé en 1910. Plusieurs grands hôtels en furent intégralement “équipés” : de l’eau courante était utilisée par une pompe à jet pour générer du vide dans un conduit principal, sur lequel venait se brancher le système d’aspiration. Le long de ce conduit, un certain nombre de buses permettaient de brancher des tuyaux souples. La poussière était ainsi aspirée vers le tube principal puis évacuée vers les égouts. Ce système, au fonctionnement à la fois silencieux et efficace, demeura en service jusqu’en 1937.

Une des stations du réseau de Londres. Noter la tour sur la droite, où sont installés les accumulateurs hydrauliques.

Malgré cela, à Londres, la force motrice hydraulique ne semble pas avoir eu d’impact réellement probant sur la vie quotidienne des habitants. Dans The Hydraulic Age (1980), Brinley Pugh avance que cela est “potentiellement lié au fait que la main d’œuvre domestique était à l’époque abondante et bon marché. Avec les conditions actuelles, l’histoire aurait été différente, dans la mesure où les potentialités offertes par l’énergie hydraulique étaient alors équivalentes à celles de l’électricité aujourd’hui.”

Dans la plupart des réseaux, l’eau était distribuée à une pression de 700 à 800 psi (48 à 55 bar), à l’exception de Manchester et Glasgow où l’eau était comprimée à 1120 psi. Ces deux villes rencontraient en effet une forte demande en énergie à destination de presses hydrauliques, utilisées pour la mise en balle du coton, une opération qui nécessitait une pression plus élevée.

Les Réseaux de Force Motrice en dehors du Royaume-Uni

Les réseaux britanniques firent des émules en inspirant la création de réseaux similaires ailleurs dans le monde : à Anvers en Belgique, Buenos Aires en Argentine, Melbourne et Sydney en Australie. Si les réseaux australiens étaient directement inspirés de ceux déployés au Royaume-Uni (avec 80 km de canalisations, celui de Melbourne fut le second plus grand jamais construit), le système argentin servait au pompage des eaux usées, tandis que le réseau d’Anvers était quant à lui conçu pour la production combinée – on parle aujourd’hui de “cogénération” – d’énergie mécanique et d’électricité. Cette dernière technique visait à palier les importantes pertes en ligne du transport d’électricité à cette époque.

"Zuiderpershuis" : une ancienne station de pompage hydraulique à Anvers. Les accumulateurs hydrauliques étaient installés dans les deux tours.

Dans The Hydraulic Age, Brinley Pugh écrit que :

“Concernant la transmission d’énergie, les premières centrales électriques furent confrontées aux mêmes problèmes que les centrales hydrauliques ; le “voltage” de leurs lignes y était l’équivalent de la “pression de service” des conduites d’eau et, par analogie, la chute de tension liée à la résistance électrique des câbles correspondaient à la chute de pression causée par la friction du fluide à l’intérieur des tuyaux. Les premières centrales électriques publiques fournissaient un courant continu : la tension de production était alors à peine plus élevée (de l’ordre de la perte en ligne dans les câbles) que celle délivrée en sortie dans les locaux des usagers, laquelle, pour des raisons de sécurité, devait être inférieure à 250 volts. Du fait de cette contrainte, l’aire de distribution et la quantité d’énergie qui pouvait être fournie demeuraient restreintes.”

Le réseau d’Anvers était conçu pour la cogénération d’énergie mécanique et d’électricité.

La ville d’Anvers utilisait depuis 1865 un réseau d’eau motrice pour alimenter les grues, ponts et écluses de son port. Il vint s’y ajouter en 1893 un second réseau, qui distribuait de l’eau sous haute pression à des sous-stations électriques disséminées dans toute la ville (au nombre de douze d’après la carte – toutefois, seules trois d’entres elles furent effectivement construites). Des turbines hydrauliques y généraient de l’électricité, ensuite distribuée dans un rayon de 500 m via des lignes électriques enterrées – distance maximale à laquelle le courant basse tension pouvait alors être distribué avec un bon rendement.

Grues hydrauliques dans le port d’Anvers. Image : Low-tech Magazine.

Le système anversois, utilisé pour l’éclairage public, réalisait ainsi à grande échelle ce que les moteurs à eau couplés à des dynamos assuraient à une petite échelle via le réseau d’eau courante (voir le précédent article. Environ 66 % de l’énergie hydraulique était convertie en électricité. À son apogée, le réseau atteignit 23 km de longueur totale, pour une puissance de 1200 CV. Il faut par ailleurs mentionner qu’à Londres, un certain nombre d’habitants utilisaient de petits générateurs domestiques pour produire de l’électricité directement à partir du réseau d’eau courante.

Force Motrice Hydraulique versus Electricité

Le développement fulgurant de la transmission d’électricité haute tension au tournant du siècle rendit immédiatement obsolète des systèmes comme celui d’Anvers. La partie du réseau dédiée à la production d’électricité disparut en 1900. En effet, comprimer de l’eau pour in fine générer de l’électricité induit une quadruple conversion énergétique – et par conséquent des pertes – qui s’avèrent inutiles dès lors que la production et le transport d’électricité deviennent efficaces.

La construction de nouveaux réseaux urbains de distribution de force motrice fut par ailleurs interrompue avant la fin du siècle par le déploiement rapide de réseaux électriques désormais efficaces. “Si le développement de ces systèmes avait démarré quelques années plus tôt, leur succès aurait pu être nettement plus important” écrit Ian McNeil dans son ouvrage Hydraulic Power (1972). “Quelques années plus tard, et ils n’auraient probablement jamais vu le jour.”

Néanmoins, la quasi-totalité des réseaux urbains de distribution d’eau motrice qui furent construits entre 1870 et 1890 restèrent en fonctionnement jusque dans les années 1960 voire 1970, utilisant sur la fin des moteurs électriques plutôt que des machines à vapeur pour le pompage. Le réseau exploité par la London Hydraulic Company fut le dernier à fonctionner : son exploitation perdura jusqu’en 1977. La plupart de ces réseaux publics continuèrent leur expansion au cours des premières décennies du 20eme siècle, et connurent leur âge d’or à la fin des années 1920. Le déplacement des usines vers l’extérieur des villes, à partir des années 1960 et 1970, porta le coup de grâce à leur inéluctable déclin.

Si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Ceci soulève deux questions. D’une part, pourquoi l’eau motrice n’est-elle pas devenue le vecteur universel de distribution de l’énergie comme l’avaient imaginé Joseph Bramah et William Armstrong ? D’autre part, si l’électricité est le vecteur le plus pratique et efficace pour transporter et distribuer l’énergie, comment expliquer que la plupart des réseaux de force motrice hydraulique demeurèrent en service pendant près d’un siècle après son apparition ?

Les Avantages de l’Énergie Électrique

En tant que vecteur de transmission d’énergie, la force hydraulique présente 3 principaux inconvénients par rapport à l’électricité. Tout d’abord, l’électricité peut être transportée efficacement sur des distances beaucoup plus grandes. La transmission hydraulique était (et demeure) au moins aussi efficace que la transmission électrique pour des distances comprises entre 15 et 25 km. Au-delà, l’électricité se démarque nettement par son meilleur rendement.

Porte d’écluse hydraulique du Greenland Dock à London, construite dans les années 1880. Crédits photographiques : [Chris Allen](http://www.geograph.org.uk/photo/2569524)

Un second inconvénient lié à la transmission de force hydraulique réside dans le fait qu’un réseau de distribution complexe et étendu induit nécessairement des pertes d’énergie supplémentaires. Chaque courbe ou angle dans le tracé des canalisations augmente en effet l’énergie dissipée par friction. Plus le réseau est sinueux, moins il est efficace. De son côté, la transmission électrique n’est pas confrontée à ce problème, ou du moins dans une moindre mesure. Le phénomène de friction au sein des canalisations limite ainsi la quantité de machines qui peuvent être raccordées à un réseau d’eau motrice, tandis qu’une production d’électricité peut virtuellement être divisée en autant d’usagers (points de distribution) que nécessaire.

La troisième contrainte de l’eau motrice est la capacité limitée du réseau de distribution. L’eau sous pression ne peut être transportée qu’au sein de conduites relativement étroites et à une vitesse lente – proche de celle de la marche à pied – afin d’éviter des pertes par friction excessives. En effet, ces pertes augmentent au carré de la vitesse de déplacement de l’eau : pour des vitesses plus élevées le rendement du dispositif chute alors drastiquement, et ce même sur des distances relativement courtes. Ceci impose une limite au débit global dans les conduites, et par conséquent à la puissance maximale fournie par un circuit hydraulique sous pression.

Dans le cas de tuyaux de 10 à 12 cm de diamètre – une taille couramment observée dans la plupart des réseaux d’eau motrice sous pression de l’époque – un système de transmission hydraulique pouvait délivrer une puissance maximale continue de 115 à 205 CV (85 à 150 kW). Des lignes électriques d’une dimension comparable peuvent fournir une puissance de plusieurs ordres de grandeur (puissances de 10) supérieur à cela.

Les Avantages de la Force Motrice Hydraulique

Toutefois, aucune des contraintes évoquées ci-dessus ne s’appliquait aux réseaux dont il a ici été question. Premièrement, tous étaient des systèmes décentralisés, dont le parc de machines desservies était situé dans un rayon n’excédant jamais 15 - 25 km de la source d’énergie. Deuxièmement, les engins hydrauliques alors en usage dans les ports, gares de triages, usines et immeubles se caractérisaient par de faibles vitesses de manœuvre ainsi qu’une fréquence d’utilisation irrégulière, la faible vitesse de transmission de l’hydraulique ne posait donc pas de problème particulier.

Exception faite du système de génération d’électricité déployé à Anvers – et rapidement abandonné – aucun des réseaux de type Armstrong ne fournissait d’énergie à un grand parc de machines en fonctionnement continu. (Mentionnons tout de même les réseaux hydrauliques moyenne pression en Suisse. Troisièmement, les pertes par friction causées par les angles et courbes des conduites étaient limitées, car un tel réseau servait généralement à alimenter un nombre relativement réduit de (très puissantes) machines.

Pompe, accumulateur et presse hydrauliques. Source : Portefeuille économique des machines, de l'outillage et du matériel, décembre 1864, [Bibliothèque nationale de France](http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5539152w/f79.pleinepage.langFR)

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Ceci n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, qui sont toujours d’actualité. A titre d’exemple, citons les mots de Robert Zahner, promoteur en son temps d’une autre alternative à l’électricité, l’air comprimé. Dans son livre The Transmission of Power by Compressed Air (1890), il écrivait que :

“Le caractère virtuellement incompressible de l’eau rend la méthode hydraulique impropre au transport d’énergie en quantité constante. Elle peut être mise à profit uniquement dans les cas où la force motrice doit être accumulée et utilisée à intervalles, réguliers ou non, par exemple pour soulever des poids, réaliser des opérations de poinçonnement, de forgeage par compression ainsi que d’autres travaux de nature intermittente, qui requièrent l’application d’une grande force sur une courte distance ou surface.”

La distribution de la force motrice de l’eau est “merveilleusement adaptée aux machineries lourdes et aux engins dont les opérations requièrent la concentration de puissances élevées, des mouvements de va-et-vient linéaires, et un fonctionnement intermittent” écrit quant à lui Louis Hunter dans The Transmission of Power (1991). La principale qualité de l’accumulateur hydraulique est de permettre le fonctionnement de machines qui nécessitent une puissance grandement supérieure à celle que peut fournir la source d’énergie – selon le principe de Pascal de “multiplication des forces”.

A la fin du dix-neuvième siècle, les limites intrinsèques à la transmission d’énergie hydraulique étaient désormais très bien connues. Cela n’empêchera pas les ingénieurs de l’époque de se saisir des potentialités uniques offertes par cette technologie, toujours d’actualité

Lorsqu’une force ou un couple élevé sont nécessaires, les systèmes hydrauliques sont une solution beaucoup plus compacte et efficace énergétiquement que les mécanismes d’entraînement mécaniques ou électriques. En effet, les moteurs électriques comme les moteurs à combustion ont généralement besoin de composants mécaniques (boîtes de vitesse, chaînes, courroies) pour convertir leur vitesse de rotation élevée en une vitesse plus faible avec un couple plus important.

De même, les systèmes hydrauliques permettent de générer assez facilement un mouvement linéaire (translation) via le recours à des vérins hydrauliques tandis que l’énergie électrique doit recourir pour cela à de coûteux moteurs linéaires ou à des dispositifs mécaniques, de type transmission à pignon-crémaillère. C’est en ce sens que les énergies hydrauliques et électriques s’avèrent complémentaires : une des contraintes liées à la transmission hydraulique était la relative difficulté à convertir un mouvement linéaire en mouvement rotatif.

Hydraulic elevator.

Les turbines Pelton constituaient pour cela la solution la plus évidente. Leur vitesse de rotation élevée impliquait cependant l’ajout de mécanismes d’engrenages pour faire fonctionner des machines à faible vitesse. On disposait alors de systèmes hydrauliques de type vérin, capables de fournir une énergie rotative à des vitesses variables ou faibles, mais ces dispositifs offraient peu d’avantages comparés à des boîtes de vitesse mécaniques ou électriques.

Un troisième avantage conséquent de l’hydraulique est que l’énergie est toujours à disposition au sein des conduites et de l’accumulateur, mais ne subit aucune perte même quand la demande est nulle. Lorsqu’aucune des machines reliées au réseau n’était en fonctionnement, les accumulateurs hydrauliques maintenaient les conduites sous pression sans utiliser d’énergie supplémentaire. Ce dernier point constitue un avantage considérable dans le cas de machines utilisées de manière intermittente.

L’Hydraulique Aujourd’hui

L’énergie hydraulique est toujours utilisée de nos jours, en particulier pour des équipements d’industrie lourde qui impliquent des mouvements linéaires lents mais puissants, ainsi que dans des engins de travaux ou terrassement comme les pelleteuses. Mais les accumulateurs hydrauliques et réseaux publics de force motrice sous pression ont pour leur part disparu.

Le fluide sous pression n’est désormais plus de l’eau mais de l’huile, mélangée à des additifs. (L’huile végétale avait déjà été utilisée comme medium hydraulique au 19ème siècle). Contrairement à l’eau, l’huile ne gèle pas et n’est pas corrosive. Ceci augmente toutefois le coût de l’énergie hydraulique et ne permet évidemment plus le rejet du fluide dans les égouts, le port ou la mer en cas de maintenance ou de fuite.

C’est en partie du fait de la conversion à l’huile que furent développés des systèmes hydrauliques embarqués, circuits autonomes généralement composés d’une pompe, d’un accumulateur et d’un circuit de bouclage, prêts à être couplés à un moteur électrique ou diesel. Dans ce type de technologies les accumulateurs hydrauliques sont en principe beaucoup plus petits, utilisent un gaz pour compresser le fluide, et ne garantissent pas une pression constante au sein du circuit.

Les accumulateurs hydrauliques actuels (généralement à gaz comprimé, dits hydropneumatiques) n’ont désormais plus grand-chose à voir avec les accumulateurs "à poids" des réseaux d’eau motrice. Image : [HYD](http://www.hyd.com/tejas/products/products_frame.htm).

Si elle conserve une partie des avantages pratiques de l’hydraulique – à savoir de pouvoir transférer une grande quantité d’énergie et la restituer de manière précise, au moyen de composants très compacts – la version moderne de cette technologie élimine cependant un des principaux avantages propres aux réseaux de force motrice plus centralisés des dix-neuvième et vingtième siècles en termes d’efficacité. En effet, au sein d’un réseau municipal, déployé à l’échelle urbaine, une source relativement réduite d’énergie – en l’occurrence, une poignée d’accumulateurs hydrauliques – suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes. Les moteurs des stations de pompage n’avaient donc pas besoin d’être surdimensionnés pour couvrir les pics de charge.

Un avantage des réseaux de force motrice hydraulique était qu’une source d’énergie de relativement faible puissance suffisait à assurer le fonctionnement d’un grand nombre de machines très puissantes, distribuées dans toute une ville.

Brinley Pugh déplore ainsi cette évolution dans The Hydraulic Age (1980) :

“Il y a un siècle, seules quelques très grandes machines – les ponts à bascules et, ponctuellement, certaines presses hydrauliques – étaient équipées de leur propre système de pompage. On a vu ces derniers temps cette tendance s’étendre à des machines alimentées par la force motrice de toutes tailles et fonction, au point de devenir une pratique courante. Avec les systèmes hydrauliques embarqués, chaque composant sera bientôt actionné par son propre moteur et disposera de ses propres instruments de contrôle, filtres, etcetera, avec le contrôle périodique et la maintenance que cela implique.”

“Le moteur fonctionnera en continu tant que le circuit est en fonctionnement, quel que soit la pression dans la pompe qu’il alimente. Dans le cas où plusieurs unités sont installées, elles ne fonctionneront pas toutes à pleine puissance simultanément. Des économies substantielles d’énergie pourraient être réalisées en y substituant une usine de pompage centralisée alimentant plusieurs unités ; du fait de la diversification des machines, la puissance maximale requise à un instant donné sera toujours inférieure à la somme des puissances individuelles.”

“L’avantage d’une station centralisée par rapport à plusieurs unités plus modestes réside dans sa capacité à répondre à une demande variable. De petites stations autonomes doivent chacune disposer d’une capacité suffisante pour satisfaire la demande crête (maximale) dans leur aire de distribution, or ces pics de charge n’interviennent pas au même moment. A contrario, une centrale regroupant toutes les aires géographiques des sous-stations se contentera de répondre au pic de demande totale simultanée, lequel sera normalement inférieur à la somme des pics de puissance locaux.”

Des Alternatives à l’Électricité

Comme dans le cas d’autres techniques de transmission de l’énergie mécanique – tels que les systèmes de pompes avec tige à saccades et les courroies de transmission sans fin – c’est la meilleure efficacité de la transmission électrique sur de longues distances qui a en grande partie causé la disparition des réseaux urbains de distribution de force motrice. Toutes ces alternatives à l’électricité, aujourd’hui oubliées, mériteraient d’être réétudiées aux fins d’applications spécifiques, dans la perspective d’un système énergétique plus décentralisé et basé sur les énergies renouvelables. On peut ainsi imaginer que les accumulateurs hydrauliques à poids puissent être alimentés à l’énergie solaire, éolienne, voire musculaire (à pédale).

Image : J.W. Gibson.

Au tournant des années 1900, la supériorité de l’électricité pour la transmission d’énergie sur de très grandes distances faisait désormais consensus. Sur de moyennes distances, toutefois, quelques auteurs mettaient en doute sa pertinence. R. Kennedy écrivait par exemple dans Modern Engines and Power Generators (1905) :

“L’électricité offre, en matière de transmission d’énergie, un grand nombre d’avantages dans la plupart des cas. Les ingénieurs électriciens idéalisent cependant la chose. Ils sont en effet bien souvent prompts à oublier d’autres technologies, lesquelles disposent, dans bon nombre de cas, d’avantages considérables par rapport à l’électricité.”

W.C. Unwin, auteur au dix-neuvième siècle de l’ouvrage le plus complet de l’époque sur la transmission d’énergie (On the Development and Transmission of Power from Central Stations), exprima en 1894 des réserves similaires :

“Bien que la distribution d’électricité soit indéniablement amenée à jouer un rôle prochain dans le développement des réseaux de distribution de l’énergie, on observe ces temps-ci une tendance à ne considérer que l’option électrique, et à négliger d’autres moyens de transport de l’énergie qui ont été utilisés avec succès par le passé et seront, dans des conditions adéquates, toujours employés à l’avenir. Dans le cas de la transmission sur moyenne distance, on dispose de plusieurs alternatives crédibles, et la transmission électrique n’a pas, dans un tel cas et jusqu’à ce jour, établit sa supériorité d’aucune manière.”

Le prochain épisode de notre série sur la transmission d’énergie s’intéressera à l’air comprimé, qui est probablement l’alternative à l’électricité la plus crédible.

Kris De Decker

Cet article est dédié à Charles Steele. RIP.