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Poêles thermoélectriques : la fin des panneaux solaires ?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustration : [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Si le moulin à vent, apparu il y a 2 000 ans, est l’ancêtre de éolienne moderne, le feu de cheminée et le poêle à bois sont quant à eux les prédécesseurs plus vieux encore des panneaux solaires. Tout comme ces derniers, les arbres et les plantes transforment la lumière en source d’énergie utile à l’humain. La combustion du bois et d’autres biomasses a apporté, au cours de l’histoire, l’énergie thermique nécessaire à la cuisine, au chauffage, au nettoyage et à l’éclairage des foyers.

La photosynthèse est également, et depuis toujours, un acteur invisible de la puissance mécanique : elle est à l’origine de l’énergie humaine et animale, ainsi que des matériaux utilisés dans la construction de moulins à eau et à vent. Ni le moulin à vent ni le poêle à bois ne produisaient à l’origine d’électricité, mais aujourd’hui, tous deux peuvent être modifiés pour le faire. Il suffit de relier un générateur électrique au moulin à vent et un générateur thermoélectrique au poêle à bois.

Générateur thermoélectrique

Les générateurs thermoélectriques sont très proches des générateurs « photoélectriques », désormais appelés générateurs « photovoltaïques » ou cellules solaires photovoltaïques. Un générateur photovoltaïque transforme la lumière en électricité, et un générateur thermoélectrique transforme la chaleur en électricité. ¹

Les générateurs thermoélectriques sont des modules très compacts composés d’éléments semi-conducteurs reliés les uns aux autres par des bandes de métal, mais entourés de plaques isolantes en céramique diffusant uniquement la chaleur. ² On peut les acheter librement auprès de fabricants tels que Hi-Z, Tellurex, Thermalforce et Thermomanic.

Générateur thermoélectrique. Image : Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Générateur thermoélectrique. Droits obtenus pour l’utilisation de l’image ci-dessus auprès de Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Fixer un générateur thermoélectrique à un poêle à bois produira de l’électricité à chaque utilisation de l’appareil pour cuisiner, chauffer une pièce ou de l’eau. Lors des expériences utilisant les prototypes décrits ci-dessous, la puissance du courant générée par chaque module varie entre 3 et 19 watts.

Comme avec des panneaux solaires, plusieurs générateurs peuvent être reliés parallèlement et en série pour générer autant de tension et de puissance que nécessaire, à condition bien sûr de ne pas recouvrir entièrement la surface du poêle. Et comme avec des panneaux solaires, le courant généré est contrôlé à l’aide d’un régulateur de charge puis conservé dans une batterie, afin que de l’énergie soit disponible même lorsque l’appareil n’est pas allumé. Un poêle thermoélectrique est généralement utilisé pour alimenter des appareils à courant continu basse tension, pour éviter la perte d’énergie lors de l’utilisation d’un convertisseur de puissance.

Les poêles thermoélectriques pourraient être utilisés dans de nombreux pays. L’hémisphère sud est la première cible des recherches menées, près de 3 milliards de personnes (40 % de la population mondiale) dépendant encore de la combustion de biomasse pour la cuisine et l’accès à l’eau chaude. Certains foyers dépendent également du poêle ou du feu de cheminée pour l’éclairage (1,3 milliard de personnes n’ont pas accès à l’électricité) et le chauffage pendant une partie de l’année. Mais les sociétés plus développées font également l’objet de recherches, les poêles et feux de cheminée ayant particulièrement gagné en popularité, notamment en dehors des espaces urbains.

100 % efficace

Depuis la toute première description de l’effet thermoélectrique par Thomas Seebeck en 1821, les générateurs thermoélectriques sont critiqués pour leur faible rendement d’électricité. ³⁴⁵⁶ De nos jours, la puissance électrique des générateurs n’est que de 5 ou 6 %, soit près de trois fois moins que les panneaux solaires les plus couramment utilisés. ⁴

Cependant, l’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique importe peu lorsqu’il est relié à un poêle. Si un générateur ne transforme que 5 % de la chaleur d’un poêle en électricité, les autres 95 % sont toujours libérés sous forme chaleur. Si le poêle sert à chauffer une pièce, il n’y a aucune perte énergétique : il continue à remplir sa mission originelle. L’efficacité totale du système (chaleur + électricité) est proche de 100 % et il n’y a aucune perte énergétique. Avec un poêle approprié, la chaleur libérée peut aussi servir à cuisiner ou à chauffer l’eau.

Plus fiable que les panneaux solaires

Les générateurs thermoélectriques et les panneaux solaires ont beaucoup de points positifs en commun : ils sont modulaires, ne requièrent que peu d’entretien, n’ont pas de pièces mobiles, sont silencieux et durent très longtemps. ⁷ Cependant, les générateurs thermoélectriques ont d’autres avantages intéressants par rapport aux panneaux solaires, pour peu qu’il y ait une source de chaleur (non électrique) régulièrement utilisée dans le foyer.

Même si les générateurs sont environ trois fois moins efficaces que les panneaux solaires, les poêles thermoélectriques représentent une source d’énergie plus fiable, car moins dépendante de la météo, des saisons et de l’heure. Dans le jargon, on dit que les poêles thermoélectriques ont un « facteur de charge » plus élevé que les panneaux solaires.

Même si un poêle n’est utilisé que pour cuisiner ou pour chauffer l’eau, le générateur assure une production d’énergie fiable et durable, quel que soit le climat. De plus, la production énergétique d’un poêle thermoélectrique correspond bien souvent aux besoins énergétiques des propriétaires : les périodes où le poêle est utilisé sont généralement les périodes où le plus d’électricité est consommée. Les panneaux solaires, à l’inverse, ont une production faible, voire nulle, durant les périodes de forte demande énergétique.

Image : Un générateur thermoélectrique soviétique sur une lampe à kérosène, alimentant une radio, 1959. Source : [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Remarque : ces avantages disparaissent lorsque les générateurs thermoélectriques sont directement alimentés par la chaleur solaire. Les générateurs thermoélectriques solaires (ou « STEGS » en anglais pour Solar Thermoelectric Generators), qui récupèrent la chaleur des rayons du soleil, ne compensent pas leur faible efficacité par leur fiabilité, car ils dépendent de la météo tout autant que les panneaux solaires. ⁸⁹¹⁰

De plus petites batteries

La batterie d’un système thermoélectrique nécessite une plus petite capacité de stockage énergétique que celle d’un système solaire qui doit compenser les nuits, les saisons moins ensoleillées ou les jours pluvieux. La batterie ne doit assurer la production d’électricité qu’entre deux utilisations du poêle, il n’est donc pas nécessaire d’ajouter d’autres générateurs pour compenser les périodes de faible production.

Il est possible d’utiliser à la fois des panneaux solaires et des poêles thermoélectriques pour obtenir un système durable et autonome ne nécessitant que peu de stockage d’énergie. Un tel système hybride fonctionne parfaitement avec un poêle qui ne sert qu’à chauffer des pièces. Les générateurs thermoélectriques produisent la majorité de l’électricité en hiver et les panneaux solaires prennent le relais pendant la période estivale.

Moins cher à installer, plus facile à recycler

Les générateurs thermoélectriques sont aussi plus faciles à installer que les panneaux solaires. Nul besoin de construire une structure sur le toit et un lien avec le réseau, étant donné que l’intégralité du système de production est dans la maison. Cela évite aussi les vols, un problème majeur dans certaines régions.

Tous ces avantages peuvent rendre l’énergie produite par les poêles électriques moins chère que celles des panneaux solaires. La fabrication de batteries, générateurs et supports demande moins d’énergie, de ressources et de finances.

Concernant la durabilité, les modules thermoélectriques présentent un autre avantage : contrairement aux panneaux solaires, ils sont relativement faciles à recycler. Même si les cellules solaires en silicium sont recyclables, elles sont entourées d’une pellicule en plastique (généralement en « EVA » ou en polymère d’éthylène ou d’acétate de vinyle), nécessaire au bon fonctionnement des générateurs sur le long terme. ¹¹ Ôter cette couche sans détruire les cellules de silicium est techniquement possible, mais tellement complexe que le recyclage perd tout son intérêt financier et énergétique. ¹²¹³ Les modules thermoélectriques de leur côté ne contiennent aucune forme de plastique. ¹⁴¹⁵¹⁶

Refroidir les générateurs

L’efficacité électrique d’un générateur thermoélectrique ne dépend pas uniquement du générateur en lui-même. Elle dépend pour beaucoup de la différence de température entre le côté chaud et le côté froid du générateur. En réduisant de moitié l’écart de température entre les deux côtés, on réduit de trois quarts la quantité d’électricité produite. La gestion de la température des générateurs est donc très importante pour générer plus de puissance avec moins de générateurs.

D’un côté, cela implique de trouver la partie la plus chaude d’un poêle pour y fixer les générateurs, à condition qu’ils en supportent la chaleur. La température de surface des poêles varie généralement entre 100 et 300 degrés Celsius ; or les générateurs en tellurure de bismuth (les moins chers et plus efficaces) résistent à des températures continues entre 150 et 350 degrés, selon le modèle.

D’un autre côté, la gestion thermique consiste aussi à réduire le plus possible la température du côté froid. Cette réduction peut se faire soit par convection forcée, qui implique l’utilisation de ventilateurs et de pompes électriques, soit par convection naturelle, à l’aide de dissipateurs thermiques passifs sans charge parasite sur le système.

Les systèmes de refroidissements actifs sont généralement plus efficaces, malgré l’addition d’un ventilateur ou d’une pompe supplémentaire. Cependant, les systèmes passifs sont silencieux, plus fiables et moins onéreux que les systèmes actifs. De plus, le dysfonctionnement d’un ventilateur peut compromettre le système entier à cause d’une surchauffe. ¹⁷

Poêles thermoélectriques avec dissipateurs thermiques

Les premiers poêles thermoélectriques ont été construits au début des années 2000, même si les Soviétiques avaient mis au point un concept similaire dans les années 1950 avec des radios presque intégralement électriques, alimentées par des lampes à kérosène. ⁶ En 2004, une équipe de chercheurs libanais modernise un poêle à bois classique en fonte en y intégrant un générateur thermoélectrique de 56 mm sur 56 mm conçu spécialement. ¹⁸ Le poêle, utilisé pour cuisiner, chauffer de l’eau et des pièces est plutôt petit (52 x 44 x 29 cm) et pèse 40 kg.

Image : Le poêle en fonte utilisé lors des expériences. [^18]

Les chercheurs ont vissé une plaque en aluminium d’un centimètre d’épaisseur sur la partie la plus chaude du poêle, puis y ont fixé le générateur. Un grand dissipateur thermique (180 x 136 x 125 mm) en aluminium a ensuite été attaché au côté froid du générateur. En brûlant 2,5 kg de pin par heure, ils ont obtenu une charge électrique moyenne de 4,2 watts. Faire fonctionner ce poêle pendant 10 heures par jour (plus phase de chauffage) fournirait donc 42 watts-heures d’électricité à un foyer libanais rural, ce qui est suffisant pour couvrir les besoins basiques.

Image : Détails de l’installation du générateur thermoélectrique et emplacement sur le poêle. [^18]

On peut ajouter plus de générateurs et de dissipateurs thermiques afin d’augmenter la quantité d’énergie produite, mais les générateurs supplémentaires auront un rendement moins élevé étant donné qu’ils seront placés à des zones à température moins élevée. On peut également augmenter la production d’énergie en utilisant un dissipateur thermique plus grand ou plus onéreux dont les matériaux présentent une meilleure conductivité thermique.

Les poêles thermoélectriques avec ventilateurs

À ce jour, la plupart des poêles thermoélectriques utilisent un ventilateur électrique pour refroidir le générateur, ainsi qu’un dissipateur thermique de petite taille. Bien que le ventilateur puisse casser et soit une charge parasite pour le système, il augmente aussi l’efficacité du poêle en ventilant de l’air chaud dans la chambre de combustion, réduisant de moitié la consommation de bois et la pollution créée. De plus, les poêles à ventilateur ne nécessitent pas de cheminée : un tuyau d’échappement horizontal suffit. ¹⁹ Ils pourraient donc réduire la consommation de bois et la pollution dans les régions rurales des pays du Sud où la population n’a pas accès à l’électricité ni les moyens de construire de cheminée.

Une étude menée sur une cuisinière thermoélectrique à convection forcée sur laquelle un générateur était fixé a trouvé une production de 4,5 watts, dont 1 watt alimentant le ventilateur. ²⁰ La production énergétique nette (3,5 watts) est moins élevée que celle d’un poêle thermoélectrique à dissipateur thermique (4,2 watts), mais la consommation de bois est divisée par deux. En effet, le générateur de la cuisinière générait 3,5 watts nets d’électricité en consommant 1 kg de bois par heure, contre 2,5 kg de bois pour 4,2 watts avec le dissipateur thermique.

Image : Cuisinière thermoélectrique à convection forcée. [^20]

Une cuisinière thermoélectrique similaire a été testée pendant 80 jours au Malawi et fut particulièrement appréciée par les utilisateurs, car elle produisait plus d’électricité que nécessaire. Au cours de cette période, entre 250 et 700 watts-heure d’électricité ont été produits par l’appareil, pour une consommation variante entre 100 et 250 watts-heure. ²¹

Des cuisinières thermoélectriques à ventilateur sont disponibles sur le marché, conçues notamment pour les randonneurs. On trouve par exemple les poêles BioLite, Termomanic et Termefor, dont la production énergétique est annoncée entre 3 et 10 watts, en fonction du modèle et du nombre de générateurs inclus. ¹⁷

Les poêles thermoélectriques à réservoirs

Les poêles thermoélectriques les plus efficaces sont ceux dont les générateurs sont directement refroidis par un réservoir d’eau. La résistance thermique de l’eau étant moins élevée que celle de l’air, utiliser un réservoir accélère le refroidissement. De plus, sa température ne peut dépasser les 100 degrés Celsius, ce qui réduit le risque de panne due à une surchauffe.

Image : le principe de poêle thermoélectrique à refroidissement passif. [^17]

Lorsque les générateurs thermoélectriques sont refroidis grâce à l’eau, la chaleur « perdue » lors de la conversion énergétique ne sert pas à chauffer l’air ambiant, mais à chauffer l’eau utilisée lors de tâches domestiques. Les systèmes de refroidissement à l’eau de poêles thermoélectriques peuvent être actifs (pompe) ou passifs (aucune pièce mobile). ¹⁷

La plupart des poêles thermoélectriques avec un système de refroidissement passif à l’eau sont de petite taille et utilisés pour ne chauffer que de petites quantités d’eau. C’est d’ailleurs plus souvent une casserole qui est équipée de générateurs thermoélectriques que le poêle lui-même. Par exemple, le PowerPot est une casserole de randonnée disponible sur le marché et équipée, à sa base, d’un générateur thermoélectrique. Placée directement sur le feu, sa production d’énergie est annoncée entre 5 et 10 watts par heure.

Image : poêle à bois multi-usage à système de refroidissement passif à l’eau. [^22]

Un plus grand poêle a également été conçu par des chercheurs français, s’inspirant de grands poêles à bois multi-usages marocains. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Les chercheurs ont installé huit générateurs thermoélectriques sous un réservoir intégré de 30 L, servant à la fois de dissipateur thermique pour le générateur et de réserve d’eau chaude pour le foyer. Le poêle, équipé d’un ventilateur électrique autonome, comporte également une double chambre de combustion pour en augmenter l’efficacité.

Un prototype a généré lors de tests près de 28 watts d’électricité à l’aide de deux générateurs, tout en ayant consommé 1,5 kg de bois pour la cuisine ou le chauffage. Le ventilateur ayant consommé 15 W, 13 W d’énergie peuvent alimenter d’autres appareils. Ce même poêle a chauffé 60 litres d’eau par heure. En fonction de la durée des deux sessions de cuisine chaque jour, entre 35 et 55 watts-heure d’électricité peuvent être emmagasinés dans une batterie. Les chercheurs ont pris en compte les pertes énergétiques causées par le régulateur de charge, la batterie 6 V et le ventilateur.

Les poêles thermoélectriques avec pompes

Il existe un inconvénient au refroidissement passif à l’eau. Tandis que la température de l’eau du réservoir augmente, la différence entre le côté chaud et le côté froid du générateur diminue et avec elle l’efficacité électrique. Cela suppose donc, pour ne pas perdre en efficacité, de laisser l’eau refroidir ou de la remplacer par de l’eau froide entre deux utilisations. Une pompe facilite ce processus.

Image : Prototype de poêle thermoélectrique avec refroidissement à l’eau des générateurs. [^26]

En 2015, un prototype de poêle à bois utilisé pour la cuisine et le chauffage fut équipé de 21 générateurs thermoélectriques. Les générateurs, accompagnés d’un système de refroidissement à base d’eau pompée, produisirent entre 25 W d’électricité (pour 1 kg de pin par heure) et 166 W (pour 9 kg de bois par heure) en passant par 70 W (pour 4 kg bois/heure). ²⁶ La production individuelle des générateurs s’élevant à 7,9 W, cela représente près du double d’un poêle à système de refroidissement à air. La pompe consomme 5 W et le poêle est également équipé d’un ventilateur consommant 1 W fin d’augmenter l’efficacité de la combustion. ²⁷²⁸

Des chaudières à gaz thermoélectriques ?

Les générateurs thermoélectriques accompagnés d’un système de refroidissement à l’eau correspondent davantage aux infrastructures de sociétés industrialisées, en particulier dans les foyers qui profitent de chauffage centralisé. L’addition de générateurs augmenterait la production d’électricité pour répondre aux besoins d’une famille consommant beaucoup d’énergie. Cependant, ce système présente quelques failles. Tout d’abord, le chauffage centralisé ne concerne que le chauffage des pièces et de l’eau, mais pas la cuisine, ce qui diminue la fiabilité de la production sur une année complète. Ensuite, très peu de systèmes de chauffage centralisé fonctionnent à partir de combustion de biomasse. En effet, la plupart utilisent du gaz, de pétrole ou de l’électricité.

Prototype d’un four à pellets thermoélectrique. [^30]

Évidemment, si la source de chaleur est électrique, il n’y a plus d’intérêt à y adjoindre un générateur thermoélectrique. Le système thermoélectrique est incompatible avec l’idée d’installations écologiques « high-tech » qui comprendraient une pompe à chaleur électrique pour chauffer le foyer, des plaques électriques pour cuisiner et une chaudière électrique pour chauffer l’eau.

Cependant, lorsque la source d’énergie est le pétrole ou le gaz, une chaudière thermoélectrique est tout autant une solution à bilan carbone faible qu’un panneau solaire photovoltaïque connecté au réseau. ²⁹ Un système de chauffage thermoélectrique ne rend pas un foyer indépendant des combustibles fossiles, mais des panneaux solaires photovoltaïques connectés au réseau non plus. Ce dernier dépend du réseau électrique (majoritairement alimenté par des combustibles fossiles) pour contrôler les pénuries et surplus énergétiques et compte généralement sur le chauffage centralisé à base de combustibles fossiles pour le chauffage du foyer et de l’eau.

Image : Un générateur thermoélectrique de 1 kW accompagné d’un système de refroidissement à l’eau pour les ressources géothermiques à basse température. [^31]

Un système de chauffage thermoélectrique alimenté par des combustibles fossiles vaut largement celui d’une grande centrale de cogénération récupérant la chaleur issue de sa production d’électricité pour la redistribuer aux foyers pour le chauffage. Avec un système de chauffage thermoélectrique, la chaleur et l’électricité sont produites et utilisées in situ. Nul besoin de mettre en place une infrastructure pour distribuer la chaleur et l’électricité, comme avec une centrale de cogénération. Cela est plus efficient en ressources et évite des pertes énergétiques liées au transport qui représentent entre 10 et 20 % de la chaleur et entre 3 et 10 % de l’électricité (voire bien plus dans certaines régions).

Une centrale de cogénération est énergiquement plus efficace pour transformer la chaleur en électricité (entre 25 et 40 % de rendement), ce qui signifie qu’un système de chauffage thermoélectrique produit une plus grande proportion de chaleur et une moins grande proportion d’électricité. Mais cela est loin d’être un problème, car même en Europe, 80 % de l’électricité consommée en moyenne dans les foyers sert à alimenter le chauffage de l’eau et des pièces.

Dans les deux cas, le fonctionnement peut être inversé. En envoyant un courant électrique à un générateur thermoélectrique, celui-ci peut servir d’unité de chauffage ou de refroidissement. De la même manière, un courant électrique dans un appareil photovoltaïque produit de la lumière : c’est le principe des LED. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, consulté en mai 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
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Le moteur Stirling, un autre prédécesseur du panneau solaire photovoltaïque qui transforme la chaleur en électricité, mais qui présente bien moins d’avantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. « Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%. » Nature Energy 1.11 (2016) : 1-8. ↩︎
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En termes de poids, un générateur thermoélectrique de 5 grammes est composé d’alumine pour les plaques en céramique (44 %) ; de cuivre pour les contacts électriques (28 %) ; de tellure (10 %), de bismuth (6 %) et d’antimoine (2 %) pour les pieds thermoélectriques, et de petites quantités d’étain (pour la soudure), de sélénium (qui sert à « doper » le tellurure de bismuth) et de la pâte de silicium (le seul polymère présent dans le module, qui relie l’ensemble). Dans les générateurs thermoélectriques, la concentration d’antimoine, de tellure et de bismuth, des éléments rares, est très élevée par rapport aux ressources « traditionnelles », d’où l’intérêt du recyclage. ¹⁵ ↩︎
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Les chercheurs proposent aussi une manière de retirer la pompe : un réservoir d’eau peut être placé à une hauteur de 1 mètre, la gravité fonctionnera comme une pompe pour le système de refroidissement, et l’eau chaude produite par le système de refroidissement pourra être stockée dans un réservoir isolé. ↩︎
Un autre prototype a généré une quantité moyenne d’électricité de 27 W avec seulement deux générateurs, plus qu’assez pour alimenter la pompe (8 W). La production nette d’énergie est de 9,5 watts par générateur. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, et Andrew R. Knox. « A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators ». Energy Procedia 75 (2015) : 597-602. ↩︎
En réalité, les premières expériences portant sur des systèmes de chauffage thermoélectriques datent de la fin des années 1990. Elles visaient le développement de chaudières à gaz autoalimentées. Les systèmes de chauffage centralisés consomment généralement entre 250 et 400 W d’électricité pour alimenter leurs composants électroniques : ventilateur aspirant et refoulant, pompes et tableau de commande. Grâce aux générateurs thermoélectriques, le système continue à chauffer la maison même lors d’une coupure de courant. En plus des panneaux solaires photovoltaïques, cela ne fonctionne que lorsque le soleil brille. Allen, D. T., et W. Ch Mallon. « Further development of" self-powered boilers" ». Dix-huitième Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (Eighteenth International Conference on Thermoelectrics). Proceedings, ICT’99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., et Jerzy Wonsowski. « Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration ». XVI ICT’97. Proceedings ICT’97. 16ème Conférence Internationale sur la Thermoélectricité (16th International Conference on Thermoelectrics) (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Le recyclage de déjections animales et humaines : la clé de l’agriculture durable

Wed, 15 Sep 2010 00:00:00 +0000

Tirer la chasse d’eau est bien pratique, mais provoque de terribles dégâts sur l’environnement, prive les sols agricoles de leurs nutriments essentiels et rend la production alimentaire dépendante des énergies fossiles.

Pendant 4 000 ans, les excréments humains et les urines étaient considérés comme de grands biens d’échange en Chine, en Corée et au Japon. On en transportait sur tout un réseau de canaux dédiés, à bord de bateaux.

L’utilisation des « déchets » humains comme engrais sur les champs agricoles permit à l’Orient de nourrir une population nombreuse sans polluer l’eau potable. Pendant ce temps, les villes médiévales européennes se transformaient en véritables égouts extérieurs. Le concept fut modernisé à la fin du 19e siècle aux Pays-Bas, à l’aide du système d’évacuation sophistiqué de Charles Liernur.

Un cycle brisé

Derrière l’apparence innocente de nos w.c. se cache une rupture du cycle naturel de l’approvisionnement en nourriture. Des ressources particulièrement précieuses sont réduites au statut de déchets. En cultivant, nous extrayons des nutriments essentiels du sol : potassium, azote et phosphate, pour ne citer que les plus importants. Durant la majeure partie de l’histoire de l’humanité, ces nutriments ont été recyclés par notre organisme puis rendus à la terre, à travers nos excréments, les déchets alimentaires et l’inhumation des morts. Aujourd’hui, nous les rejetons principalement dans la mer. (voir infographie ci-dessous)

Le cycle des nutriments. Source : [Humanure Handbook](http://humanurehandbook.com/contents.html)

Cela pose problème et entrave le développement durable, pour trois principales raisons. Tout d’abord, le rejet d’excréments dans les rivières, les lacs et les océans tue les poissons et pollue l’eau douce. Cela ne peut être empêché qu’en agrandissant le réseau d’évacuation, déjà très coûteux, à l’aide d’infrastructures tout aussi coûteuses de stations de traitement des eaux usées (ce qui n’annulerait pas entièrement l’impact négatif sur la vie marine).

Ensuite, cela nous oblige à recourir à des engrais chimiques pour maintenir la fertilité de nos sols. En 2008, près de 160 millions de tonnes d’engrais chimiques ont été utilisées dans le monde (source et source). Sans eux, nos sols agricoles ne seraient plus fertiles après seulement quelques années, entraînant un effondrement inévitable de la production alimentaire et de la population humaine. Le troisième problème découle de la quantité d’eau potable gaspillée en évacuant les déchets.

Les w.c. consomment beaucoup d’énergie

Extraire l’eau, construire et entretenir les égouts, traiter les déchets (et leurs émissions), ainsi que la production d’engrais chimiques, tout cela consomme beaucoup d’énergie. L’azote, qui représente plus de la moitié de la consommation d’engrais est présent en grande quantité dans l’air, mais doit être chauffé et mis sous pression pour se transformer en matière traitable. L’énergie requise pour ce procédé (polluant) est fournie par un gaz naturel ou des centrales à charbon (en Chine).

Le potassium et le phosphate doivent être déterrés par minage (jusqu’à plusieurs centaines de mètres de profondeur) et transportés. Plus de 150 millions de tonnes de pierres de phosphate sont nécessaires à la production annuelle de 37 millions de tonnes d’engrais phosphatés, et 45 millions de tonnes de minerai de potasse pour produire 25 millions de tonnes d’engrais potassiques. Les deux opérations consomment beaucoup d’énergie et polluent l’environnement.

Toilettes médiévales dans un château.

De plus, si le potassium est largement vendu et encore disponible en grande quantité (nous en avons suffisamment de réserves pour tenir 700 ans au rythme actuel), ce n’est pas le cas du phosphore. 90 % des réserves mondiales de phosphate sont concentrées dans une petite poignée de pays, et il a été estimé que les réserves ne pourront répondre à la demande économique et agricole que pendant une durée de 30 à 100 ans. Les réserves sont bien plus conséquentes si l’on prend en compte l’extraction de phosphate des fonds marins, mais cela demanderait une énergie considérable, impactant plus encore la durabilité de notre système alimentaire et sanitaire.

La seule façon d’extraire et de profiter de nutriments issus de la mer serait à l’aide de déjections d’oiseaux marins (ce qui représenterait bien sûr une petite quantité), ou bien en se nourrissant de poisson ou de fruits de mer. Mais, une fois notre délicieux saumon à l’oseille digéré, les nutriments sont filtrés et rejetés dans la mer par le réseau d’égouts.

Un symbole de civilisation

L’existence des toilettes et du réseau d’égouts qui les accompagne est rarement remise en question. Considéré comme un progrès technique évident et généralement symbole de civilisation, les pays ne possédant pas de système équivalent sont vus comme sous-développés ou en retard. Cela est dû au conditionnement nous ayant amenés à penser que les toilettes et le système d’égouts sont les seules solutions aux problèmes d’odeurs et de maladies.

Nous avons été conditionnés à croire que les toilettes et le système d’évacuation d’égout sont les seules solutions aux problèmes d’odeurs et de maladies.

Après la chute de l’Empire romain (et son système d’évacuation et de salles d’eau déjà développé) et jusqu’au XIXe siècle, l’évacuation concentrée et désorganisée des rejets humains dans les eaux souterraines, canaux des villes et rivières furent à l’origine d’épidémies mortelles du choléra et de la fièvre typhoïde dans le monde occidental. Ces dernières étaient causées par la consommation d’eau contaminée de fèces.

La population faisait parfois ses besoins dans la rue et vidait ses seaux hygiéniques dans les cours ou dans des cloaques mal scellés ; des méthodes peu propices à un mode de vie sain dans des villes densément peuplées. Les toilettes et le système d’évacuation des égouts ayant résolu ce problème, du moins pour les pays riches, personne ne souhaite aujourd’hui revenir aux conditions sanitaires déplorables de l’époque.

L’agriculture chinoise

Cependant, il est aujourd’hui évident que les toilettes ne représentent pas l’unique solution au problème sanitaire. Il existe des solutions plus durables pour séparer les rejets humains de nos sources d’eau potable. Pour commencer, les conditions sanitaires déplorables du Moyen Âge et du début de la révolution industrielle ne concernaient que le monde occidental. Au tournant du XXe siècle, l’eau des rivières chinoises était tout à fait potable.

La population chinoise était équivalente à celle des États-Unis et de l’Europe à l’époque, et certaines villes étaient, elles aussi, particulièrement peuplées. La différence résidait dans leur maintien d’un système agricole basé sur l’utilisation d’engrais à base de « déchets » humains. Les selles et l’urine étaient collectées avec soin et discipline, et transportées parfois sur des distances considérables. Elles étaient mélangées aux autres déchets organiques, compostées puis répandues sur les terres agricoles (voir illustration ci-dessous).

Cela faisait d’une pierre deux coups : aucune pollution des eaux, et un système agricole qui aurait pu fonctionner indéfiniment. Il dura d’ailleurs 4 000 ans, une période bien plus longue que celle que même notre ressource la plus abondante, le potassium et ses 700 ans de réserve, nous permet aujourd’hui.

Le système agricole chinois, copié en Corée et au Japon, est décrit en détail par le scientifique agricole américain Franklin Hiram King dans « Farmers of Forty Centuries »(anglais). Le livre fut publié en 1911, au même moment que la découverte du procédé Haber-Bosch permettant la fabrication d’engrais azotés bon marché.

King consacra un chapitre entier au système de collecte et utilisation d’engrais humains en Asie. Joseph Needham décrit lui aussi cette méthode dans le volume VI:2 de « Science and civilization in China » en citant différentes sources antérieures. Plus récemment, le système chinois est dépeint par Duncan Brown dans « Feed or Feedback: Agriculture, Population Dynamics and the State of the Planet »!

Marchands de fumier

Lorsque King se rend en Chine, la population est alors d’environ 400 millions d’habitants adultes, contre 400 millions d’habitants en Europe et 100 millions aux États-Unis. Les selles et l’urine de ces 400 millions de personnes étaient collectées dans des pots en terre cuite hermétiques, puis récupérées auprès de chaque maison, que ce soit dans les petits villages de campagne ou dans les grandes villes urbanisées.

Dans certaines villes, des canaux et bateaux spécialement dédiés furent conçus (voir illustration ci-dessous), comme à Hankow-Wuchang-Hanyang, par exemple, une ville de près de 1,8 million d’habitants sur 6,5 kilomètres carrés. Vous pourriez alors contester que les Chinois possédaient bien un réseau d’égouts et d’évacuation par les eaux, bien que la différence avec le nôtre soit frappante.

Le transport de « fumain » sur bateaux

Au moment du voyage de King, la Chine collectait plus de 182 000 000 tonnes de fumier humain (fumain) depuis les villes et les villages, soit 450 kg par personne chaque année. Cela signifiait un total de 1 160 000 tonnes d’azote, 376 000 tonnes de potassium et 150 000 tonnes de phosphate rendues à la terre. Au Japon en 1908, 23 850 295 tonnes de fumain furent collectées et rendues à la terre.

Shanghai marchandait et transportait le fumain de la ville à l’aide d’un réseau de canaux uniques et de centaines de bateaux (voir la carte ci-dessous), un commerce qui rapportait des centaines de milliers de dollars chaque année. Le fumain était alors considéré comme une marchandise précieuse. En 1908, un homme d’affaires chinois versa même 31 000 dollars à la ville (ce qui représente aujourd’hui plus de 700 000 dollars) pour obtenir le droit de retirer 78 000 tonnes de fumain par an d’une région de la ville dans le but de le revendre aux fermiers des campagnes.

Réseau de canaux pour le transport de fumier à Shanghai.

Au Japon, bien plus urbanisé à l’époque que la Chine, les habitants payaient moins cher leur loyer en laissant à leurs propriétaires des excréments de qualité. King décrit le transport des selles de Tokyo à Yokohama « sur les épaules des hommes ou le dos des animaux, mais le plus souvent sur de solides charrettes tirées par des hommes, transportant 6 à 10 conteneurs en bois bien fermés d’une capacité de 20 kg, 30 kg ou plus chacun ». Dans la campagne japonaise, il n’était pas rare de croiser des panneaux indiquant aux passants de faire leurs besoins sur place. Les fermiers les utilisaient ensuite comme fumier pour leurs champs.

Cette pratique de recyclage d’excréments en Asie rebutait certains visiteurs étrangers. L’explorateur portugais Fernão Mendez Pinto écrit en 1583 :

« Sachez que dans ce pays, beaucoup participent au commerce d’excréments. Ils achètent et vendent des excréments humains, cela ne représente pas un mauvais commerce pour eux, certains s’en enrichissent beaucoup et sont très bien considérés. Ceux-là mêmes qui cherchent à acheter vont et viennent dans les rues, signifiant subtilement ce qu’ils recherchent sans l’exprimer trop ouvertement au regard de la chose malpropre en soi ; ce à quoi j’ajouterai que cette marchandise est tellement estimée parmi eux, et un si grand commerce en est conduit, qu’il en arrive en un seul port parfois deux ou trois cents bateaux qui en sont remplis. » (sic)

Ce système de boucle fermée de 4 000 ans prit fin avec l’arrivée des engrais chimiques, importés depuis l’Occident pendant les premières décennies du XXe siècle. Aujourd’hui, la Chine est le plus grand consommateur d’engrais non organiques, représentant 28 % de la consommation mondiale. L’Asie dans son ensemble utilise plus de la moitié des engrais chimiques du monde.

La collecte d’excréments en Europe

La collecte de « déchets » humains avait aussi lieu en Europe, mais sur une période bien plus courte et à une bien plus petite échelle. La deuxième moitié du XIXe siècle marqua la fin d’une ère majoritairement agricole en Europe ; les migrations vers les villes s’accélérèrent et le problème de traitement des eaux usées empira.

Collecte d’excréments à Amsterdam. [Source](http://www.bronnenuitamsterdam.nl/weergave.asp?ID=6).

Dans le même temps, les médecins commencèrent à relier le choléra et la fièvre typhoïde à la contamination de l’eau. Le fumier se faisant de plus en plus rare pour l’agriculture, les deux problèmes pouvaient être réglés en même temps. Le premier système, instauré dans plusieurs pays et plusieurs villes, est appelé en anglais « night soil » (engrais de nuit), et ressemble à la méthode asiatique.

Les selles et l’urine étaient collectées dans des récipients en bois sous le siège des toilettes et mélangées à la terre, les cendres et le charbon pour empêcher les mauvaises odeurs. Les personnes chargées de la collecte passaient à intervalles plus ou moins réguliers (le plus souvent la nuit, d’où le nom anglais) pour récupérer la marchandise.

« Night soil » dans les Pays-Bas. [Source](http://www.jenneken.nl/bekijk/1900afvoervanmestenhuisvuil.htm).

Les récipients étaient vidés dans des chariots et rendus dans la foulée (le nettoyage devait donc être effectué par l’usager), ou récupérés entiers et remplacés immédiatement par des propres (le nettoyage devait être effectué par les collecteurs). Les récipients vides étaient remis sous le siège des toilettes, et la cargaison transportée par des charrettes tirées par des chevaux jusqu’au point de collecte à l’extérieur de la ville. Là-bas, l’ensemble était composté puis utilisé pour l’agriculture.

Malheureusement, la collecte et le transport n’étaient pas aussi fiables, efficaces et hygiéniques qu’en Chine, en Corée ou au Japon. Aucun problème ne survenait lors de l’utilisation de conteneurs fermés hermétiquement, mais cette dernière n’était pas systématique. L’utilisation de chariots ouverts entraînait une odeur nauséabonde (voir la caricature du XIXe siècle ci-dessous) et les bacs étaient parfois renversés dans les escaliers ou pendant le transfert dans les chariots. La collecte n’était pas si fréquente, en particulier dans les quartiers pauvres.

Caricature de collecte de « night soil ». [Source](http://www.bronnenuitamsterdam.nl/weergave.asp?ID=17).

L’arrivée du système des bacs en bois constitua cependant une nette amélioration en comparaison aux collectes de night soil en Europe. Durant la période du Moyen Âge, de soi-disant agriculteurs de fumier récupéraient les excréments animaux et humains dans les rues, arrière-cours et cloaques pour les vendre à des fermiers qui les utilisaient dans leurs champs. Mais il fallait qu’ils aient récupéré de quoi remplir des cargaisons entières pour les revendre. Duncan Brown cite Cipolla, qui décrit la situation comme telle :

« L’aspect le plus tragique de cette affaire était celui du peuple, dont la pauvreté si abjecte faisait ramasser et conserver le fumier qu’il trouvait dans les rues \ [chez lui] jusqu’à en avoir amassé en quantité suffisante pour le revendre. »

Il y eut quelques exceptions, comme dans le comté de Flandre en Belgique, où un système de collecte de nuit rappelant celui de la Chine fut mis en place dès le Moyen Âge. Aux alentours d’Anvers, la gestion des déchets organiques (excréments humains, fumier de chevaux de ville, fientes de pigeons, boue des canaux et restes alimentaires) était devenue une industrie majeure dès le XVIe siècle. Au XVIIIe siècle, on trouvait de grands magasins le long de la rivière Schelde sur laquelle les excréments de villes néerlandaises étaient transportés par chalands.

L’assainissement sous vide de Charles Liernur

Une seconde méthode de collecte fut mise au point par l’ingénieur néerlandais Charles Liernur en 1866 (patent, PDF). Son système d’assainissement sous vide alliait le confort de l’évacuation des eaux usées moderne à l’aspect écologique et sanitaire des toutes premières méthodes. Un cabinet était installé dans chaque maison, relié à une infrastructure pipeline souterraine de petit diamètre et les selles et l’urine quittaient immédiatement la maison.

Le système d’assainissement sous vide de Liernur alliait le confort de l’évacuation des eaux usées moderne à l’aspect écologique et sanitaire des toutes premières méthodes

La différence majeure avec la technologie actuelle, cependant, résidait dans l’absence d’eau, mais l’utilisation de pression atmosphérique comme moyen de transport. Cela empêchait la dilution du fumain dans l’eau, préservant ainsi sa qualité d’engrais, ce qui était l’intention exprimée par Liernur. D’autre part, l’assainissement sous vide permettait de ne plus requérir les passages d’éboueurs dans chaque maison, transportant des seaux de selles et d’urine et perturbant le sommeil de tous. Il s’agissait d’un avancement majeur sur les systèmes de « night soil », y compris celui d’Asie.

Les villes néerlandaises furent équipées du système de Liernur : Leiden en 1871, Amsterdam en 1872 et Dordrecht en 1874. À l’origine, seuls quelques milliers de foyers étaient reliés au réseau d’évacuation, mais à Amsterdam, il fut considérablement étendu. À la fin du XIXe siècle, près de 90 000 Amstellodamois possédaient le système d’évacuation de Liernur, soit 20 % de la population.

Le système d’évacuation sous vide de Liernur.

À Amsterdam et à Leiden, le système perdura près de 40 ans. Il fut également adopté à plus petite échelle à Prague (République tchèque), Trouville-sur-Mer (France), Hanau (Allemagne) et Stansted (Angleterre). Le système de Trouville, installé en 1892, opéra jusqu’en 1987 (source, PDF). Aujourd’hui, cette méthode est encore utilisée à bord de bateaux, trains et avions.

Les Français retravaillèrent le concept du système de Liernur en créant le système Berlier. Testé pendant une période d’essai en 1880 à Lyon, il permit d’évacuer les toilettes sur une distance de quatre kilomètres. En 1881, un réseau test de cinq kilomètres fut installé en banlieue parisienne. Les Français prenaient ces tests très au sérieux : les eaux usées étaient contrôlées à l’aide de tuyauterie de verre à plusieurs endroits. Le système Berlier, techniquement supérieur à celui de Liernur, fonctionnait parfaitement : la brigade de milliers de soldats de la Pépinière, caserne parisienne où le système était installé, fut la seule à ne pas être touchée par une sévère épidémie de typhoïde.

L’arrivée des toilettes

Malgré son succès, le système Berlier ne dépassa jamais le stade expérimental. Le conseil de santé néerlandais conseilla une adoption globale et nationale du système de Liernur en 1873, après la réussite des tests à Amsterdam, mais cela n’eut pas lieu non plus. Liernur proposa des plans pour d’autres villes européennes (Paris, Berlin, Stockholm, Munich, Stuttgart et Zurich) et américaines (Baltimore), mais ils ne furent jamais réalisés.

Plusieurs raisons rendaient impossible l’adoption du système pneumatique pour qu’il devienne celui utilisé aujourd’hui. Tout d’abord, l’arrivée des toilettes à chasse d’eau et des voies d’évacuation. Aux Pays-Bas, un nombre croissant de personnes reliait le système de Liernur à celui à eau, diluant les selles et urines à tel point que leur qualité agricole chuta considérablement.

Et même avant cela, la vente d’eaux usées pour l’agriculture n’atteignait pas le profit espéré. Les experts de santé affirmaient que le profit ne devait pas constituer l’objectif premier d’un système sanitaire, mais Liernur lui-même l’avait utilisé comme argument majeur pour vendre son système. Cela avait attiré des investisseurs, qui abandonnèrent la technologie dès lors que l’argent vint à être perdu.

L’installation d’un système d’assainissement sous vide est deux fois moins chère que celle d’un système traditionnel d’évacuation des eaux.

L’un des problèmes majeurs, non seulement aux Pays-Bas, mais également à travers le monde occidental, était la taille croissante des villes. Les méthodes à la fois de night soil et celles plus sophistiquées finirent par être dépassées par la logistique requise pour perdurer dans de grandes villes fournies par des fermes reculées. Le dernier coup porté au système fut l’arrivée des engrais chimiques après qu’une méthode de production peu chère fut découverte en 1910. La pénurie d’engrais dans le monde agricole était « résolue ».

Les villes ayant déjà entrepris la construction de systèmes d’évacuation des eaux pluviales, il sembla évident d’améliorer ce système pour permettre l’évacuation des eaux usées par le même réseau. Finalement, il s’agissait d’un pas en arrière : les excréments se retrouvaient drainés à la surface des eaux, pas nécessairement dans les environs, mais quelques kilomètres en aval. Il fallut près de 70 ans pour que les stations d’épuration deviennent (relativement) communes dans les pays développés.

Les trois uniques possibilités pour l’avenir

Pour rétablir notre cycle alimentaire naturel, il n’existe que trois possibilités technologiques. Nous pourrions développer une variante moderne de la méthode de collecte à l’aide de toilettes de compost, dans lesquelles les selles seraient mélangées aux déchets organiques du foyer. L’urine serait récupérée séparément dans des réservoirs vidés une fois par an à l’aide de citernes (cette méthode existe déjà dans certaines régions néerlandaises et suédoises où les habitants utilisent des toilettes séparées selon le type de besoin). Ou bien, nous pourrions développer une variante du système de Liernur ou Berlier, grâce à laquelle les eaux usées seraient traitées sans eau.

Les systèmes d’assainissement sous vide ont été adoptés à petite échelle dans des lotissements récents depuis les années 60 et 70. Quelques centaines de systèmes fonctionnent encore aux États-Unis, au Royaume-Uni, en Australie, en Allemagne, aux Maldives, en Afrique du Sud et au Moyen-Orient. (aperçu). L’installation d’un système d’assainissement sous vide est deux fois moins chère que celle d’un système traditionnel d’évacuation des eaux usées. Ce système est également plus rapide à construire et plus facile à entretenir : il nécessite de bien plus petits tuyaux qui ne doivent pas être enterrés aussi profondément, une tranchée étroite dans la chaussée suffit.

Une troisième solution existe, mais celle-ci est bien plus coûteuse que les deux autres : l’utilisation d’eaux usées diluées en tant qu’engrais. Cela reviendrait, en fait, à rajouter une infrastructure coûteuse et complexe à un système qui l’est déjà aujourd’hui. Les eaux usées diluées doivent non seulement sécher, mais aussi être purifiées. Les boues d’épuration contiennent les déchets humains, mais aussi bien d’autres déchets (parfois toxiques), des foyers et des usines.

Si les selles et l’urine étaient retirées du système de traitement des eaux usées, nous pourrions également stopper le traitement des eaux pluviales, ce qui économiserait à la fois des dépenses et de l’énergie. Il existe déjà des alternatives viables pour traiter l’eau de pluie (notamment en réduisant la surface pavée) et également pour le traitement et la réutilisation des eaux grises.

Le compost

Le fumain ne peut exister qu’après avoir été correctement traité. Les écrivains agricoles chinois l’avaient très vite compris, prévenant que le fumain non traité pourrait « brûler et tuer les plantes, gangréner les pousses et attaquer les mains et les pieds humains ». Nous savons aujourd’hui que cela présente également de sérieux risques pour la santé. F.H. King et Joseph Needham louaient les efforts avancés en matière de compost des Chinois, qui regroupaient souvent leur compost à ceux de la ferme familiale (voir l’illustration ci-dessous). Cependant, Duncan Brown critiqua plus vivement leurs techniques de compost. Ce que les Chinois préservaient pour leur santé en assurant la qualité de leur eau était souvent mal compensé par la transmission de maladies causées par les cultures vivrières :

« Les maladies gastro-intestinales sévissaient dans toute la région. En Corée et au Japon, les distomatoses ont été rendues fréquentes par la consommation de poisson cru cultivé dans des étangs dont la fertilisation se faisait à partir d’excréments humains. Cependant, ces maladies auraient pu être facilement évitées si leurs origines et moyens de transmission avaient été mieux compris. Utilisés correctement, des dispositifs relativement modernes comme les fosses septiques, les cuves d’oxydation ou les « toilettes sèches » peuvent prévenir l’apparition de maladies gastro-intestinales associées jusqu’alors à l’utilisation d’excréments humains en tant que fumier. »

Les méthodes de compost devraient toujours être privilégiées, et cela de deux façons possibles. La première, le compost lent, est une méthode « do it yourself » (à faire soi-même) qui est décrite dans le « Humanure Handbook », un guide pratique en ligne de Joseph Jenkins (qui créa le terme « fumain »). En français, on retrouve le petit livre du fumain. Le compost lent se produit à faibles températures et demande environ un an dans un climat modéré. Pour ne prendre aucun risque, beaucoup conseillent d’utiliser le compost (inodore) ainsi obtenu exclusivement pour les cultures sans contact direct entre l’engrais et la nourriture (arbres fruitiers par exemple) et les plantes non comestibles (fleurs, plantes d’intérieur).

La seconde méthode de compost, à température élevée, donne des résultats bien plus rapides et un engrais adapté à n’importe quelle culture. Ce procédé industriel a déjà été adopté avec succès dans plusieurs pays et depuis de nombreuses années. De plus, la première étape de cette méthode génère de l’électricité, améliorant considérablement la durabilité du système tout entier. Depuis 2005, une usine de l’entreprise néerlandaise Orgaworld composte les couches (des bébés et des personnes âgées) en même temps que d’autres déchets organiques. Il s’agit d’un procédé technologique de pointe demandant environ 6 semaines pour obtenir un compost de grande qualité, sans agents infectieux, résidus de médicaments ou d’hormones. L’entreprise a également fait construire deux usines au Canada et plante des arbres au Royaume-Uni.

Peut-on nourrir le monde à l’aide du fumain ?

Est-il possible de produire suffisamment d’engrais pour substituer à l’azote, au potassium et phosphates chimiques ? D’après les chiffres obtenus par F.H. King, une personne adulte produit environ 1 135 grammes de selles et d’urine par jour. Combien d’azote, de potassium et de phosphates cela représente-t-il ? Tout dépend du régime.

En Chine il y a 100 ans, King observe différents résultats, allant de 2,9 à 6 kg d’azote par personne par an, 0,9 à 1,5 kg de potassium par personne par an, et 0,4 à 1,5 kg de phosphates par personne par an.

En recyclant nos propres déchets, la production d’engrais augmenterait parallèlement avec l’augmentation de la population

Aujourd’hui, la population mondiale est estimée à 6 800 000 000 personnes. Supposons qu’elles aient toutes le même régime qu’au début du XXe siècle en Chine, et que les chiffres les plus élevés obtenus par King soient les plus proches des régimes que nous suivons aujourd’hui (les véritables chiffres sont difficiles à obtenir). Cela signifierait que la population mondiale pourrait produire 40,8 millions de tonnes d’azote, 14 millions de tonnes de potassium et 10,4 millions de tonnes de phosphates. Cela serait-il suffisant pour ne plus nécessiter d’engrais chimiques ? A priori, non. La production d’engrais chimiques est aujourd’hui de :

99,9 millions de tonnes d’azote, ou plus du double de la quantité la population mondiale serait capable de produire (40,8 millions de tonnes)
37 millions de tonnes de phosphates, soit 4 fois plus que la production de la population mondiale (14 millions de tonnes)
25,8 millions de tonnes de potassium, soit plus de 1,8 fois la quantité que pourrait produire la population mondiale (10,4 millions de tonnes)

Bétail

Cependant, nous « importons » une quantité considérable de fumier de l’élevage agricole. Une grande partie des engrais chimiques est utilisée pour les cultures dédiées à l’alimentation du bétail. Ces animaux produisent bien plus de fumier que la population humaine mondiale. Les déjections du bétail représentaient en 2004, d’après des estimations, près de 125 millions de tonnes d’azote et 58 millions de tonnes de phosphates (il n’existe pas de chiffres pour le potassium, qui sera donc ignoré). Cela représente 3 fois plus que l’azote et 6 fois plus que le phosphate contenus dans le fumain.

Les animaux ont joué un rôle mineur dans l’économie agricole chinoise basée sur l’exploitation du fumain, mais les fermiers européens du Moyen Âge en dépendaient bien plus, puisqu’il s’agissait du principal engrais utilisé. Le fumier animal n’était jamais gaspillé. Joseph Needham cite Fussell :

« Les fermiers européens du XVe au XVIIe siècle, riches comme pauvres, se souciaient principalement d’une chose : le fumier. Ils n’osaient négliger aucune source d’approvisionnement, aussi minime fût-elle, car le bon développement de chaque culture dépendait largement de la quantité qu’ils pourraient accumuler pour s’en servir. Ils étaient disposés à entreprendre les travaux d’Hercule pour obtenir un tas de fumier suffisant ».

Nombreuses sont les bonnes raisons de réduire la consommation de viande, à la fois pour notre santé et l’environnement (l’élevage du bétail est une des causes principales de la déforestation, elle-même responsable en grande partie de la dégradation des sols). Cependant, si l’on ne veut pas stopper notre consommation de viande, la moindre des choses serait alors d’« entreprendre les travaux d’Hercule pour amasser un tas de fumier suffisant ».

Épandeur à fumier mécanique.

En plus d’économiser les efforts de la production d’engrais chimiques qui ne cesse d’augmenter, cela mettrait fin aux conséquences écologiques désastreuses provoquées par le rejet de 91 millions de tonnes d’azote et 49 millions de tonnes de phosphates dans l’environnement chaque année. La plupart de ces rejets se font sans aucun traitement, soit illégalement, soit légalement en surtraitant les champs avoisinant les villes, une pratique très rentable de la gestion des déchets.

Restes alimentaires et techniques de gestion

Il existe une autre source naturelle d’engrais que nous gaspillons : les restes alimentaires. Là encore, une ressource précieuse qui n’est rendue qu’à l’état de déchet. Les restes alimentaires pourraient nourrir les animaux, comme les cochons, améliorant grandement la durabilité de la production de la viande. Au lieu de cela, nous les nourrissons de céréales. De tous les restes alimentaires produits aux États-Unis, seuls 3 % sont actuellement recyclés. Le reste finit dans des décharges à fortes émissions de gaz à effets de serre.

La réduction de la demande est également une piste : un des problèmes principaux de l’utilisation d’engrais actuelle réside dans sa surconsommation. Les engrais chimiques étant bon marché, les agriculteurs préfèrent trop en utiliser plutôt que de risquer la perte de rendements en traitant moins. Davantage de nutriments sont donc perdus du fait de l’érosion, du ruissellement et du lessivage des sols, et ils polluent les eaux souterraines, les rivières et océans, car ils ne sont pas traités en station d’épuration.

Le problème majeur n’est pas la production d’engrais chimiques, mais l’absence de recyclage de ces derniers

Les temps étaient bien différents au début du système agricole chinois et pendant le Moyen Âge en Europe. Il n’y avait jamais de surplus d’engrais, donc les fermiers l’utilisaient avec parcimonie. À l’aide de techniques plus appliquées, les agriculteurs pourraient aujourd’hui obtenir les mêmes rendements en utilisant bien moins d’engrais. La rotation culturale, la culture associée et l’utilisation d’engrais verts sont des techniques historiques importantes encore utilisées de nos jours et qui peuvent faire baisser la demande en engrais chimiques.

Équilibre des nutriments

Récapitulons un peu ces nombreuses informations. D’un côté, le bétail et les humains, qui produisent ensemble 166 millions de tonnes d’azote et 72 millions de tonnes de phosphates. La quasi-totalité est jetée, ce qui provoque un véritable séisme écologique.

De l’autre côté, nos usines, qui produisent 99,9 millions de tonnes d’engrais azoté artificiels et 37 millions de tonnes de phosphates. Une opération tout à fait superflue, empirant la pollution et la consommation très élevée d’énergie. L’augmentation attendue de la population, à la fois humaine et animale, sans oublier celle des cultures énergétiques pour créer des biocarburants, entraînera l’augmentation de la production d’engrais naturels et chimiques, empirant d’autant plus la situation.

Nous avons largement dépassé le stade où l’humanité pourrait être nourrie sans engrais chimiques. Ce sont, après tout, ces engrais chimiques qui ont entraîné le boom démographique du XXe siècle. Mais cela ne devrait pas poser de problème. La grande quantité de fumier, humain et animal, contient des nutriments d’origine inorganique puisque nous consommons une nourriture elle-même cultivée à l’aide d’engrais inorganiques. On estime que la quantité de nutriments dans l’écosystème mondial a été doublée par les humains. Le problème central, donc, n’est pas la production d’engrais chimiques, mais le fait que nous ne les recyclons pas.

Défi logistique

En ne prenant en compte que le fumier animal, il y aurait suffisamment d’engrais pour subvenir à près de 7 milliards de personnes. Il n’existe par ailleurs aucun tabou autour de l’utilisation de fumier animal, pourquoi ne pas l’utiliser ? Les nutriments que l’on retrouve dans le fumier utilisé dans les champs agricoles étaient estimés à seulement 34 millions de tonnes d’azote (28 % du total) et 8,8 millions de tonnes de phosphates (15 %) en 1996. La quantité gaspillée est soit égale (pour l’azote) soit supérieure (pour les phosphates) à la production d’engrais chimiques.

Tout cela résulte d’un système de production de viande et de produits laitiers industriel et intensif à l’échelle mondiale. Dans de nombreux pays, le bétail est nourri de céréales importées de l’autre bout du monde. Alors, pour boucler la boucle, nous devrions réutiliser le fumier pour cultiver la nourriture du bétail. La FAO (Organisation pour l’alimentation et l’agriculture des Nations Unies) écrit (PDF) :

« Quand bien même le bétail est élevé sur le même continent que sa nourriture, l’étendue et la concentration géographique de la production de matières premières industrielles entraîne de grands déséquilibres qui entravent les possibilités de recyclage. Le coût élevé de la main-d’œuvre et du transport limite souvent l’utilisation du fumier en tant qu’engrais organique à proximité immédiate des lieux de production. »

Si nous voulons recycler nos propres déchets, nous devons les renvoyer depuis le lieu de consommation jusqu’à celui de production.

Bien sûr, le même constat peut être fait pour le fumain. Tout comme le bétail, les humains sont concentrés géographiquement dans de grandes villes sans aucune ferme à proximité. Et comme le bétail, nous mangeons une nourriture souvent produite très loin de notre lieu de vie. Cela signifie que si nous décidons de récupérer du fumain, nous devons également le renvoyer du lieu de consommation jusqu’au lieu de production. En conséquence, recycler des éléments nutritifs demanderait un système logistique de masse, incluant camions, trains et navires de transport de fumier (ou des réseaux d’égouts) à travers le monde entier.

Il ne s’agirait pas de renvoyer chaque gramme de fumier à son lieu de provenance — ce serait tout à fait impossible et ridicule. Mais l’idée à retenir est qu’il faudrait un équilibre entre l’import et l’export des nutriments. Les pays qui exportent leurs cultures devraient aussi choisir d’importer (d’autres cultures), au lieu du fumier, obtenant le même résultat tout en augmentant la variété diététique. Et cela ne nécessiterait en soi qu’un système performant de comptabilité des nutriments.

Décentralisation de la population humaine

La solution la plus fondamentale reste bien sûr une production plus locale. Non seulement elle réglerait les problèmes d’export de fumier, mais aussi celui de l’alimentation. Si le bétail était mieux réparti géographiquement et alterné avec les terres de culture, l’intégralité du fumier pourrait être utilisée sans avoir besoin de recourir aux engrais chimiques.

Avec des villes plus petites et mieux réparties dans les régions agricoles, tout le procédé de retour du fumain à la terre se verrait simplifié. Évidemment, cette « décentralisation » de la population humaine va à l’encontre de l’idée selon laquelle les villes densément peuplées sont plus durables que lorsque la population est uniformément répartie. Le défi n’est pas d’abandonner les banlieues, mais de les rendre autosuffisantes.

Un grand merci à Sietz Leeflang créateur de Nonolet (des toilettes de compost urbaines : plans de construction), qui a passé deux ans à me convaincre d’écrire cette épopée sur le sujet de la merde, et m’a dirigé vers la plupart des documents listés ci-dessous. Sietz m’a également motivé à écrire au sujet des cuisinières (ce qui a demandé bien moins d’efforts).

Sources :

« Farmers of Forty Centuries », F.H. King (1911) - dung recycling in china, korea and japan
« Science and civilization in China », Vol VI:2, Joseph Needham (1984) - idem
« De geschiedenis van de techniek in Nederland - de wording van een moderne samenleving 1800 - 1890, deel 2 », H.W. Lindsen (1993) - the liernur system (en néerlandais)
« Feed or Feedback: Agriculture, Population Dynamics and the State of the Planet », Duncan Brown, 2003 - the nutrient cycle and how to restore it (super livre !)
« The history of sanitary sewers » (website) - the liernur system and other early sewer systems
« Proposed plan for a sewerage system, and for the disposal of sewage », PDF, Samuel M. Gray (1884) - the technical options at the end of the 19th century
« Humanure Handbook », Joseph Jenkins (2005 - third edition) - diy
« The nitrogen dilemma: is America fertilizing disaster? », Tom Philpott, Grist (2010) - inorganic fertilizers
« Livestock’s long shadow », PDF, Food and Agriculture Organisation (2006) - figures of livestock dung production
« Production and use of potassium », PDF (1998)
« Inorganic phosphorus and potassium production and reserves », PDF, T.L. Roberts and W.M. Stewart, in « Better Crops » (2002)
« Environmental aspects of phosphate and potash mining », PDF, UNEP (2001)
« Peak Phosphorus », James Elser & Stuart White, Foreign Policy (2010)
« Scientists warn of lack of vita phosphorus as biofuels raise demand », Times Online, June 23, 2008
« The voyages and adventures of Ferdinand Mendez Pinto, a Portugal, during his travels for the space of one and 20 years in the kingdom of Ethiopia, China, Tartaria, etcetera », Ferdinand Mendez Pinto (1583).