Le monde moderne ne peut exister sans ces quatre ingrédients

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Les sociétés modernes seraient impossibles sans la production à grande échelle de nombreux matériaux fabriqués par l’homme. Nous pourrions avoir une civilisation prospère offrant une nourriture abondante, un confort matériel et l’accès à une éducation et à des soins de santé de qualité sans puces électroniques ni ordinateurs personnels : nous en avons eu jusque dans les années 1970, et nous avons réussi, jusque dans les années 1990, à développer nos économies, à construire les infrastructures nécessaires et à relier le monde par des avions de ligne sans smartphones ni médias sociaux. Mais nous ne pourrions pas jouir de notre qualité de vie sans la fourniture de nombreux matériaux nécessaires à la réalisation de la myriade de nos inventions.

Quatre matériaux se classent au premier rang sur l’échelle de la nécessité, formant ce que j’ai appelé les quatre piliers de la civilisation moderne : le ciment, l’acier, les plastiques et l’ammoniac sont nécessaires en plus grandes quantités que les autres intrants essentiels. Le monde produit actuellement chaque année environ 4,5 milliards de tonnes de ciment, 1,8 milliard de tonnes d’acier, près de 400 millions de tonnes de plastiques et 180 millions de tonnes d’ammoniac. Mais c’est l’ammoniac qui mérite la première place en tant que matière la plus importante : sa synthèse est la base de tous les engrais azotés et, sans leurs applications, il serait impossible de nourrir, aux niveaux actuels, près de la moitié des quelque 8 milliards d’habitants de la planète.

La dépendance est encore plus forte dans le pays le plus peuplé du monde : nourrir trois Chinois sur cinq dépend de la synthèse de ce composé. Cette dépendance justifie aisément que l’on qualifie la synthèse de l’ammoniac d’avancée technique la plus importante de l’histoire : d’autres inventions nous apportent confort, commodité ou richesse ou prolongent notre vie, mais sans la synthèse de l’ammoniac, nous ne pourrions pas assurer la survie de milliards de personnes vivant aujourd’hui et à venir.

Les plastiques sont un grand groupe de matériaux organiques synthétiques dont la qualité commune est de pouvoir être moulés dans les formes souhaitées – et ils sont maintenant partout. Au moment où je tape ces lignes, les touches de mon ordinateur portable Dell et une souris sans fil placée sous ma paume droite sont en acrylonitrile butadiène styrène, je suis assis sur un fauteuil pivotant recouvert d’un tissu en polyester, et ses roues en nylon reposent sur un tapis de protection en polycarbonate qui recouvre une moquette en polyester. Mais les plastiques sont désormais indispensables dans le domaine de la santé en général et dans les hôpitaux en particulier. La vie commence (dans les maternités) et se termine (dans les unités de soins intensifs) entourée d’objets en plastique fabriqués surtout à partir de différents types de PVC : tubes flexibles (pour l’alimentation des patients, l’administration d’oxygène et la surveillance de la pression sanguine), cathéters, récipients pour intraveineuse, poches à sang, emballages stériles, plateaux et cuvettes, bassins et barrières de lit, couvertures thermiques.

La force, la durabilité et la polyvalence de l’acier déterminent l’aspect de la civilisation moderne et permettent ses fonctions les plus fondamentales. C’est le métal le plus utilisé et il forme d’innombrables composants critiques visibles et invisibles de la civilisation moderne, des gratte-ciel aux scalpels. En outre, presque tous les autres produits métalliques et non métalliques que nous utilisons ont été extraits, traités, façonnés, finis et distribués avec des outils et des machines en acier, et aucun mode de transport de masse actuel ne pourrait fonctionner sans acier. Une voiture moyenne contient environ 900 kilogrammes d’acier et, avant que Covid-19 ne frappe, le monde fabriquait près de 100 millions de véhicules par an.

Le ciment est, bien sûr, le composant clé du béton : combiné au sable, au gravier et à l’eau, il constitue le matériau le plus massivement déployé. Les villes modernes sont des incarnations du béton, tout comme les ponts, les tunnels, les routes, les barrages, les pistes d’atterrissage et les ports. La Chine produit aujourd’hui plus de la moitié du ciment dans le monde et, ces dernières années, elle a produit en deux ans autant de ciment que les États-Unis pendant tout le XXe siècle. Autre statistique étonnante : le monde consomme aujourd’hui en un an plus de ciment qu’il n’en a consommé pendant toute la première moitié du XXe siècle.

Ces quatre matériaux, si différents dans leurs propriétés et leurs qualités, partagent trois caractéristiques communes : ils ne sont pas facilement remplaçables par d’autres matériaux (certainement pas dans un avenir proche ou à l’échelle mondiale) ; nous aurons besoin de beaucoup plus d’entre eux à l’avenir ; et leur production à grande échelle dépend fortement de la combustion de combustibles fossiles, ce qui en fait des sources majeures d’émissions de gaz à effet de serre. Les engrais organiques ne peuvent pas remplacer l’ammoniac synthétique : leur faible teneur en azote et leur masse mondiale ne suffisent pas, même si tous les fumiers et résidus de culture étaient recyclés. Aucun autre matériau n’offre autant d’avantages que le plastique pour de nombreuses utilisations légères mais durables. Aucun autre métal n’est aussi solide que l’acier à un prix abordable. Aucun autre matériau produit en masse n’est aussi adapté à la construction d’infrastructures solides que le béton (souvent renforcé par de l’acier).

En ce qui concerne les besoins futurs, les pays à revenu élevé pourraient réduire leur utilisation d’engrais (en mangeant moins de viande, en gaspillant moins), et la Chine et l’Inde, les deux gros utilisateurs, pourraient également réduire leurs applications excessives d’engrais, mais l’Afrique, le continent dont la population croît le plus rapidement, reste privée d’engrais alors qu’elle est déjà un importateur important de denrées alimentaires. Tout espoir d’une plus grande autosuffisance alimentaire repose sur une utilisation accrue de l’azote : après tout, l’utilisation récente d’ammoniac sur le continent représente moins d’un tiers de la moyenne européenne. Il faudra davantage de matières plastiques pour les utilisations médicales (population vieillissante) et infrastructurelles (canalisations) en expansion, ainsi que dans les transports (voir l’intérieur des avions et des trains à grande vitesse). Comme c’est le cas pour l’ammoniac, la consommation d’acier doit augmenter dans tous les pays à faible revenu dont les infrastructures et les transports sont sous-développés. Et il faudra beaucoup plus de ciment pour fabriquer du béton : dans les pays riches pour réparer les infrastructures en déclin (aux États-Unis, tous les secteurs où le béton domine, y compris les barrages, les routes et l’aviation, obtiennent la note D dans les évaluations techniques nationales), dans les pays à faible revenu pour développer les villes, les égouts et les transports.

En outre, la transition vers les énergies renouvelables exigera d’énormes quantités d’acier, de béton et de plastique. Aucune structure n’est un symbole plus évident de la production d’électricité « verte » que les grandes éoliennes, mais leurs fondations sont en béton armé, leurs tours, leurs nacelles et leurs rotors sont en acier, et leurs pales massives sont en résines plastiques à forte consommation d’énergie et difficiles à recycler. Ces turbines ne produiraient de l’électricité véritablement verte que si tous ces matériaux étaient fabriqués sans aucun combustible fossile.

Les combustibles fossiles restent indispensables pour produire tous ces matériaux.

La synthèse de l’ammoniac utilise le gaz naturel à la fois comme source d’hydrogène et comme source d’énergie nécessaire pour assurer une température et une pression élevées. Quelque 85 % de tous les plastiques sont basés sur des molécules simples dérivées du gaz naturel et du pétrole brut, et les hydrocarbures fournissent également l’énergie nécessaire aux synthèses. La production d’acier primaire commence par la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau en présence de coke fabriqué à partir de charbon et avec l’ajout de gaz naturel, et la fonte obtenue est transformée en acier dans de grands fours à oxygène basique. Et le ciment est produit en chauffant du calcaire et de l’argile broyés, du schiste dans de grands fours, de longs cylindres métalliques inclinés, chauffés avec des combustibles fossiles de faible qualité comme la poussière de charbon, le coke de pétrole et le fioul lourd.

En conséquence, la production mondiale de ces quatre matériaux indispensables requiert environ 17 % de l’approvisionnement énergétique annuel total du monde et génère environ 25 % de toutes les émissions de CO2 provenant de la combustion de combustibles fossiles. L’omniprésence de cette dépendance et son ampleur font de la décarbonisation des quatre piliers matériels de la civilisation moderne un défi hors du commun : remplacer les combustibles fossiles dans leur production sera bien plus difficile et coûteux que de produire davantage d’électricité à partir de conversions renouvelables (principalement éoliennes et solaires). De nouveaux procédés finiront par prendre le relais, mais il n’existe actuellement aucune alternative qui pourrait être déployée immédiatement pour remplacer une grande partie des capacités mondiales existantes : leur développement prendra du temps.

La synthèse de l’ammoniac et la fusion de l’acier pourraient toutes deux être basées sur l’hydrogène plutôt que sur le gaz naturel et le coke. Nous savons comment faire, mais il faudra du temps avant que nous puissions produire des centaines de millions de tonnes d’hydrogène vert dérivé de l’électrolyse de l’eau en utilisant l’électricité éolienne ou solaire (la quasi-totalité de l’hydrogène actuel est dérivé du gaz naturel et du charbon). Selon les meilleures prévisions, l’hydrogène vert fournirait 2 % de la consommation mondiale d’énergie d’ici à 2030, soit bien moins que les centaines de millions de tonnes qui seront éventuellement nécessaires pour décarboniser la production d’ammoniac et d’acier. En revanche, la décarbonisation de la production de ciment ne peut aller plus loin en utilisant les déchets et la biomasse, et de nouveaux procédés doivent être mis au point et commercialisés pour rendre le ciment exempt de CO2. De même, il n’existe pas de moyen simple de décarboniser la production de plastique, et les mesures à prendre vont de l’utilisation de matières premières végétales à un recyclage accru, en passant par le remplacement par d’autres matériaux.

Au-delà de ces quatre piliers matériels, on assiste à l’émergence de nouvelles dépendances matérielles à forte intensité énergétique, dont les voitures électriques sont le meilleur exemple. Une batterie de voiture au lithium typique pesant environ 450 kilogrammes contient environ 11 kilogrammes de lithium, près de 14 kilogrammes de cobalt, 27 kilogrammes de nickel, plus de 40 kilogrammes de cuivre et 50 kilogrammes de graphite, ainsi qu’environ 181 kilogrammes d’acier, d’aluminium et de plastique. L’approvisionnement de ces matériaux pour un seul véhicule nécessite le traitement d’environ 40 tonnes de minerais, et compte tenu de la faible concentration de nombreux éléments dans leurs minerais, il faut extraire et traiter environ 225 tonnes de matières premières. Et l’électrification agressive du transport routier nécessiterait bientôt de multiplier ces besoins par des dizaines de millions d’unités par an !

Les économies modernes seront toujours liées à des flux massifs de matières, qu’il s’agisse d’engrais à base d’ammoniac pour nourrir une population mondiale toujours croissante, de plastiques, d’acier et de ciment nécessaires à de nouveaux outils, machines, structures et infrastructures, ou de nouveaux intrants requis pour produire des cellules solaires, des éoliennes, des voitures électriques et des batteries de stockage. Et tant que toutes les énergies utilisées pour extraire et traiter ces matériaux ne seront pas issues de conversions renouvelables, la civilisation moderne restera fondamentalement dépendante des combustibles fossiles utilisés dans la production de ces matériaux indispensables. Aucun concept d’intelligence artificielle, aucune application, aucune affirmation de « dématérialisation » à venir ne changera cela.

** Traduction approchée d’une tribune de Vaclav Smil, chercheur et analyste politique canadien d’origine tchèque, dans le Times **

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