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

3. Unités de mesure et équivalences

Chaque source primaire d’énergie est normalement mesurée et comptabilisée en unités de masse (pound, tonne, short ou long ton), de volume (baril, gallon, cord, m³) ou d’électricité (kWh et ses multiples). À l’intérieur de chaque famille d’unités, des conversions sont possibles (notamment entre unités métriques et anglo-saxonnes), mais elles ne permettent pas d’agréger l’ensemble des sources d’énergie (Lire : Les unités d’énergie). Pour ce faire, on a besoin d’un système général d’équivalence qui a été construit sur la base du pouvoir calorifique de chaque source mesuré par la chaleur de combustion dégagée à une température de flamme conventionnelle de 2200° K (Kelvin) : sur cette base « une calorie vaut toujours une calorie, quelle que soit sa température »[5]. On peut ainsi ramener tous les volumes physiques à de la chaleur ou à son équivalent travail.

Dans le système international, ce dernier a la préférence puisque l’unité unique retenue est le Joule (J), mais dans la pratique la calorie garde l’avantage, les deux unités étant liées par des équivalences rigoureuses :

• 1 Joule = 0,239 calories
• 1 calorie = 4,184 Joule[6].

Les volumes impliqués dans des consommations nationales d’énergie sont tels que ces petites unités sont toujours remplacées par leurs multiples :

• kilo (10³), mille, notamment kcal, kJ
•  méga (10⁶), million, noté MM aux États-Unis
•  giga (10⁹), milliard en Europe, billion aux États-Unis
•  téra (10¹²), billion en Europe, trillion aux États-Unis
•  peta (10¹⁵), quatrillion aux États-Unis
•  exa (10¹⁸), quintillion aux États-Unis.

Concrètement, le contenu calorifique des diverses sources d’énergie sont donnés en Pouvoir calorifique inférieur (PCI) –Net calorific value–  qui se différencie du Pouvoir calorifique supérieur (PCS) – Gross calorific value– par la chaleur latente de la vapeur d’eau produite au cours de la combustion et estimée à 3-5% pour les combustibles solides, 6-8% pour les liquides et 10% pour les gaz et la biomasse.

Pour rendre plus parlants les volumes d’énergie consommés, les GJ et Gcal sont usuellement remplacés par des tonnes d’équivalent charbon (tec) et depuis une quarantaine d’années par des tonnes d’équivalent pétrole (tep) sur les bases conventionnelles suivantes[7] :

• 1 tec = 29,3 GJ =  7,0 Gcal
• 1 tep = 42,0 GJ = 10,0 Gcal.

Les équivalences utilisées pour la reconstitution sur longue période de la consommation mondiale d’énergie sont très proches de celles mentionnées ci-dessus, mais elles sont plus nombreuses lorsqu’elles sont modulées pays par pays pour tenir compte de la variété et de l’évolution des qualités des charbons, pétroles et gaz produits et importés par chacun d’eux. Les valeurs retenues sont celles de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) plus proches de la réalité que celles des Nations Unies. Pour la période antérieure à 1950, les coefficients d’équivalence de cette année là ont été rétropolés.

Reste à inclure l’électricité dans ce système d’équivalence ? Celle issue des centrales thermo-électriques (plus de 65% de la production mondiale en 2000) ne soulève pas de difficultés puisque elle est représentée par le pouvoir calorifique des combustibles qui ont servi à sa génération. En revanche, les kWh d’origine hydraulique, nucléaire, géothermique, éolienne ou solaire peuvent être transformés en kcal en multipliant chacun d’eux,

• soit par 860 kcal, quantité de chaleur dégagée par leur passage dans une résistance électrique par effet Joule,
• soit par 2600 kcal, quantité de chaleur nécessaire à sa génération dans une centrale thermo-électrique moderne.

Chaque type d’équivalence a des avantages et des inconvénients. Le premier, dit équivalence à l’utilisation, est indépendant du rendement de transformation des combustibles en électricité, donc invariable dans le temps et dans l’espace. Le second, dit équivalence à la production, uniformise l’équivalence thermique de tous les kWh en traitant ceux d’origine hydraulique ou nucléaire comme ceux issus de la combustion de sources fossiles ou de biomasse. Administrations nationales et internationales se disputent sur le choix du moins mauvais système depuis des lustres : la France avait opté pour le second qui valorisait sa production d’électricité nucléaire ; les Nations Unies ont toujours préféré le premier qui évite de prendre en compte les différences internationales de rendement de transformation des parcs thermoélectriques.

Pour sortir du dilemme, l’Agence internationale de l’énergie (AIE ou IEA en anglais) préconise d’adopter des équivalences exprimant les différences de rendement des techniques de production de l’électricité primaire, soit 860 kcal pour l’électricité d’origine hydraulique et éolienne obtenue avec des rendements proches de 100% ; 2600 kcal pour l’électricité d’origine nucléaire (rendement voisin de 30%) et 8600 kcal pour celle d’origine géothermique (rendement de l’ordre de 10%).

Sauf mention spéciale, l’équivalence retenue dans toutes les séries statistiques de l’ouvrage sera toujours 860 kcal : elle minimise la place effective qu’a pris l’électricité primaire dans l’approvisionnement énergétique mondial, mais seule, elle permet des comparaisons spatiales et temporelles, ce qui est essentiel pour notre objet.

4. Organisation spatiale des statistiques de consommation

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

4.1. Les bases nationales des données numériques

Lorsqu’elles existent, les données numériques sont fournies sous la forme de la consommation apparente (apparent inland) d’un pays donné au cours d’une année civile donnée. La consommation est dite apparente parce qu’elle est calculée sur la base suivante :

C = P + I – E ± VS – soutes (bunkers), avec P = production nationale

I = importations

E = exportations

VS = variations de stocks

Le qualificatif apparent précise que, même lorsque l’on connaît bien les variations de stocks (ce qui est rare), les volumes mesurés ne correspondent pas forcément à ceux qui ont été absorbés par l’économie nationale en cours d’année car flux réels et flux enregistrés ne coïncident pas exactement[9]. On notera en outre que l’exclusion des soutes (maritimes et aériennes) qui est logique sous l’angle des consommations nationales introduit un biais sous l’angle de la consommation mondiale.

S’agissant de séries chronologiques, la principale difficulté rencontrée tient aux déplacements de frontières des États-nations, donc aux ruptures de séries qu’elles entraînent. En règles générales, les solutions préconisées par Angus Maddison ont été retenues de façon à neutraliser les effets de ces déplacements[10]. On raisonne donc en territoire constant en appliquant à toutes les années antérieures à la modification de frontières un coefficient de correction. Son incidence n’est véritablement significative que pour les pays d’Europe dont les frontières ont été redéfinies à la fin de chaque guerre mondiale ou lors de l’effondrement du communisme : Autriche, Allemagne, France (cas de l’Alsace-Lorraine), Hongrie, Pologne, Roumanie, Russie/URSS. Ailleurs, la séparation des deux Corée et celle de l’Inde-Pakistan sont aussi délicates à traiter (Figure 4).

Dans ce cadre, l’évolution de la consommation primaire d’énergie de 44 pays a pu être retracée. Pour les années antérieures à 1950, les variations de stocks et les soutes n’ont pas été prises en compte car elles ne sont pas connues et, de toute façon, inférieures aux marges d’incertitude qui entourent la consommation annuelle.

4.2. Les regroupements régionaux

Reconstituer l’évolution sur deux siècles de la consommation mondiale d’énergie par sommation des consommations nationales exige des regroupements géographiques intermédiaires qui permettent d’atténuer les effets de certaines lacunes statistiques et qui offrent des espaces d’analyse relativement homogènes.

De tels regroupements existent déjà dans l’organisation des statistiques de consommation d’énergie. L’un des plus fréquents retient les pays de l’OCDE, les pays communistes et les pays en voie de développement : on mesure aisément son manque de pertinence aussi bien pour la dernière décennie du 20^ème siècle que pour la période antérieure à 1950. Le Conseil mondial de l’énergie (CME), après avoir construit ses propres régions (Nord 1, Nord 2, Sud 1, Tiers Monde en transition…)[11], est revenu à un découpage plus classique (Amérique du Nord, Amérique latine, Europe occidentale…)[12]. On aurait pu l’adopter s’il n’avait présenté deux défauts : en rattachant l’Afrique du Nord au Moyen-Orient, il ampute le continent africain dont l’unité se justifie sur la très longue période ; en traitant comme une région la Communauté des États indépendants (CEI), il rigidifie inutilement la situation très évolutive de l’ex-URSS.

Le regroupement finalement retenu s’éloigne le moins possible du découpage du monde en continents : Afrique, Amérique latine (Sud, Centre et Caraïbes), Amérique du Nord (États-Unis et Canada), Asie (décomposée lorsque possible entre Extrême-Orient et Proche-Orient), Europe de l’Est (Europe centrale et ex-URSS), Europe de l’Ouest, Océanie (Australie, Nouvelle Zélande et Iles du Pacifique). Le principal problème rencontré et non résolu de façon satisfaisante concerne la place de l’Allemagne de l’Est (ex-RDA) écartelée entre Europe de l’Est et de l’Ouest.

Pour pouvoir utiliser dans le cadre de ce découpage les séries longues (population et PIB) d’Angus Maddison, les régions de ce dernier ont dû être modifiées comme suit :

• l’Europe du Sud a été rattachée à l’Europe occidentale, après exclusion de la Turquie rattachée à l’Asie ;
• les Pays neufs ont été éclatés en deux groupes : États-Unis et Canada formant la région Amérique du Nord ; Australie et Nouvelle Zélande formant l’Océanie ;
• l’Amérique latine intouchée comprend bien l’Amérique du Sud, le Mexique et l’Amérique centrale ;
• l’Europe de l’Est reste celle définie par A. Maddison c.à.d. qu’elle inclut l’ex-URSS mais pas l’ex-RDA (Allemagne de l’Est) rattachée à celle de l’Ouest dans Europe occidentale ;
• l’Asie enfin s’étend de la Turquie au Japon sans aucune exclusive.

Notes et références

[1] Emprunté au vocabulaire économique, le terme de consommation d’énergie est devenu usuel, bien que contesté par les physiciens pour qui seul le terme de conversion rend compte de l’utilisation d’une source d’énergie.

[2] Pour Joël Darmstadter « Animate energy (draft animal or human) is excluded from the statistical compilation. Nor has any attempt been made to develop statistics on vegetable fuels, such as cow dung or bagasse, or on fuelwood production and consumption, despite the importance of these energy forms in many of the underdeveloped countries as well as (in the case of wood) certain industrialized countries of Europe ».Darmstadter (Joël) with Teitelbaum Perry D and Polach Jaroslav G (1971). Energy in the world economy. A statistical review of trends in output, trade and consumption since 1925. Baltimore and London : The Johns Hopkins Press, 876 p, (p. 818). De même, Bouda Etemad signale que dans son annuaire, outre les sources non commerciales telles que les déchets organiques et l’énergie animale, « le bois est la seule source d’énergie primaire partiellement commerciale que nous ayons dû éliminer faute de sources statistiques suffisantes ». Etemad Bouda et Luciani Jean, sous la direction de Bairoch Paul et Toutain Jean-Claude (1991). Production mondiale d’énergie. Genève : Droz, 227 p, (p. XXI).

[3] Piermont Laurent (1982). L’énergie verte. Paris : Ed. du Seuil, 223 p, (p. 17).

[4] Putnam Palmer Cosslet (1953). Energy in the future. Princeton : D. Van Nostrand Co, 556 p, (p. 325).

[5] Rousseaux Patrick et Apostol Tiberiu (1999). Valeur environnementale de l’énergie. Lausanne : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,  186 p, (p. 2).

[6] On rappelle que le Joule est défini comme le produit d’une force de 1 Newton (N) par un déplacement de 1 mètre. Un travail de 1 J par seconde équivaut à une puissance d’1 Watt (W), soit 10³ W x 1 heure = 1 kWh = 3,6 x 10⁶ J. La calorie est définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever 1 cm³ d’eau d’un degré centigrade.

[7] Dans nombre de travaux anglo-saxons, le contenu calorifique n’est pas exprimé en calorie mais en British Thermal Unit (BTU), cette dernière étant définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’1 degré Farenheit 1 livre (pound) d’eau. On compte 3,968 Btu par kcal, soit, en arrondissant, 40×10⁶ Btu par tep. On trouve une table de conversion de tous les contenus calorifiques en Btu dans Putnam (Palmer), op. cit. p. 326. L’auteur utilise fréquemment le symbole Q pour désigner 10¹⁸ Btu.

[8] Kuznets Simon (1972). Croissance et structures économiques. Paris : Calman-Lévy, 442 p, (p. 9).

[9] United Nations (1976). World energy supplies 1950-1974, New York, statistical paper, series J n° 19, 824 p.

[10] Maddison Angus (2001). L’économie mondiale : 1820-1992, analyses et statistiques. Paris : OCDE, 274 p, (p 247-49).

[11] Conférence Mondiale de l’Energie (1989). Horizons énergétiques mondiaux. Paris : Ed. Technip, 378 p, (p. 203).

[12] Conseil Mondial de l’Energie (1993). L’énergie pour le monde de demain. Paris : Ed. Technip, 368 p, (p. 330).