Le monde moderne ne peut pas exister sans ces quatre matériaux

Oct 09, 2023

Les sociétés modernes seraient impossibles sans la production à grande échelle de nombreux matériaux fabriqués par l'homme. Nous pourrions avoir une civilisation aisée qui offre beaucoup de nourriture, un confort matériel et un accès à une bonne éducation et à des soins de santé sans micropuces ni ordinateurs personnels : nous en avions un jusque dans les années 1970, et nous avons réussi, jusque dans les années 1990, à développer les économies, à construire les infrastructures nécessaires et à connecter le monde par des avions de ligne sans aucun smartphone ni réseau social. Mais nous ne pourrions pas profiter de notre qualité de vie sans la fourniture de nombreux matériaux nécessaires pour incarner la myriade de nos inventions.

Quatre matériaux se classent au premier rang sur l'échelle de 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 aujourd'hui 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 notre matériau le plus important : sa synthèse est à la base de tous les engrais azotés, et sans leurs applications, il serait impossible de nourrir, aux niveaux actuels, près de la moitié des près de 8 milliards de personnes d'aujourd'hui.

La dépendance est encore plus élevée dans le pays le plus peuplé du monde : l'alimentation de trois Chinois sur cinq dépend de la synthèse de ce composé. Cette dépendance justifie facilement d'appeler la synthèse d'ammoniac l'avancée technique la plus importante de l'histoire : d'autres inventions fournissent notre confort, notre commodité ou notre richesse ou prolongent nos vies, mais sans la synthèse d'ammoniac, nous ne pourrions pas assurer la survie même de milliards de personnes vivantes aujourd'hui et encore à naître.

Les plastiques sont un grand groupe de matériaux organiques synthétiques dont la qualité commune est qu'ils peuvent être moulés dans les formes souhaitées - et ils sont maintenant partout. Au moment où je tape ceci, les touches de mon ordinateur portable Dell et une souris sans fil sous ma paume droite sont en acrylonitrile butadiène styrène, je suis assis sur une chaise pivotante recouverte d'un tissu en polyester et ses roues en nylon reposent sur un tapis de protection en polycarbonate qui recouvre un tapis en polyester. Mais les plastiques sont désormais indispensables dans les soins de santé en général et dans les hôpitaux en particulier. Désormais, 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 souples (pour l'alimentation des patients, l'apport d'oxygène et le contrôle de la tension artérielle), cathéters, récipients intraveineux, poches de sang, emballages stériles, plateaux et cuvettes, bassins et barrières de lit, couvertures thermiques.

La résistance, la durabilité et la polyvalence de l'acier déterminent l'apparence de la civilisation moderne et permettent ses fonctions les plus fondamentales. C'est le métal le plus largement utilisé et il forme d'innombrables composants critiques visibles et invisibles de la civilisation moderne, des gratte-ciel aux scalpels. De plus, presque tous les autres produits métalliques et non métalliques que nous utilisons ont été extraits, transformés, 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. La 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 et les ports. La Chine produit aujourd'hui plus de la moitié du ciment mondial et, ces dernières années, elle en fabrique en deux ans à peine autant que les États-Unis pendant tout le XXe siècle. Autre statistique étonnante, le monde consomme aujourd'hui en un an plus de ciment que pendant toute la première moitié du XXe siècle.

Et ces quatre matériaux, si dissemblables dans leurs propriétés et leurs qualités, partagent trois traits communs : ils ne sont pas facilement remplaçables par d'autres matériaux (certainement pas dans un futur proche ou à l'échelle mondiale) ; nous en aurons besoin de beaucoup plus 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 remplacer l'ammoniac de synthèse : leur faible teneur en azote et leur masse mondiale ne suffisent pas même si tous les engrais et résidus de culture ont été recyclés. Aucun autre matériau n'offre de tels avantages pour de nombreuses utilisations légères mais durables que les plastiques. Aucun autre métal n'est aussi solide et abordable que l'acier. Aucun autre matériau produit en série n'est aussi adapté à la construction d'infrastructures solides que le béton (souvent renforcé d'acier).

Quant aux besoins futurs, les pays à revenu élevé pourraient réduire leur utilisation d'engrais (manger moins de viande, moins gaspiller), et la Chine et l'Inde, les deux gros utilisateurs, pourraient également réduire leurs applications excessives d'engrais, mais l'Afrique, le continent à la croissance démographique la plus rapide, reste privée d'engrais alors même qu'elle est déjà un important importateur de nourriture. Tout espoir d'une plus grande autosuffisance alimentaire repose sur l'utilisation accrue d'azote : après tout, la consommation récente d'ammoniac du continent a été inférieure au tiers de la moyenne européenne. Plus de plastiques seront nécessaires pour l'expansion des usages médicaux (populations vieillissantes) et infrastructurels (canalisations) et 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 beaucoup plus de ciment sera nécessaire pour fabriquer du béton : les pays riches pour réparer les infrastructures en décomposition (aux États-Unis, tous les secteurs où le béton domine, y compris les barrages, les routes et l'aviation obtiennent une note D dans les évaluations techniques nationales), dans les pays à faible revenu pour agrandir les villes, les égouts et les transports.

De plus, la transition en cours vers les énergies renouvelables nécessitera d'énormes quantités d'acier, de béton et de plastiques. Aucune structure n'est un symbole plus évident de production d'électricité "verte" que les grandes éoliennes - mais leurs fondations sont en béton armé, leurs tours, nacelles et rotors sont en acier, et leurs pales massives sont énergivores - et difficiles à recycler - des résines plastiques, et toutes ces pièces géantes doivent être amenées sur les sites d'installation par des camions (ou des navires) surdimensionnés et érigées par de grandes grues en acier, et les boîtes de vitesses des turbines doivent être lubrifiées à plusieurs reprises avec de l'huile. Ces turbines ne produiraient une véritable électricité verte que si tous ces matériaux étaient fabriqués sans aucun combustible fossile.

Les combustibles fossiles restent indispensables pour produire tous ces matériaux.

La synthèse d'ammoniac utilise le gaz naturel à la fois comme source d'hydrogène et comme source d'énergie nécessaire pour fournir une température et une pression élevées. Environ 85 % de tous les plastiques sont basés sur des molécules simples dérivées du gaz naturel et du pétrole brut, et les hydrocarbures fournissent également de l'énergie pour les synthèses. La production d'acier primaire commence par la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau en présence de coke de charbon et avec l'ajout de gaz naturel, et la fonte résultante 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 mauvaise qualité tels que la poussière de charbon, le coke de pétrole et le mazout lourd.

En conséquence, la production mondiale de ces quatre matériaux indispensables représente environ 17 % de l'approvisionnement énergétique mondial total annuel 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 rendent la décarbonation des quatre piliers matériels de la civilisation moderne particulièrement difficile : remplacer les combustibles fossiles dans leur production sera beaucoup plus difficile et coûteux que de produire plus d'électricité à partir de conversions renouvelables (principalement éoliennes et solaires). À terme, de nouveaux processus prendront le relais, mais il n'existe actuellement aucune alternative pouvant être déployée immédiatement pour déplacer 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 cela, mais il faudra un certain 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 (pratiquement tout l'hydrogène d'aujourd'hui est dérivé du gaz naturel et du charbon). La meilleure prévision est que l'hydrogène vert fournirait 2 % de la consommation mondiale d'énergie d'ici 2030, bien en deçà des centaines de millions de tonnes qui seront éventuellement nécessaires pour décarboner la production d'ammoniac et d'acier. En revanche, la décarbonation de la production de ciment ne peut aller loin qu'en utilisant des déchets et de la biomasse, et de nouveaux procédés doivent être développés et commercialisés pour rendre le ciment sans CO2. De même, il n'existe pas de moyen simple de décarboniser la production de plastique, et les mesures iront des matières premières végétales à davantage de recyclage et à des substitutions par d'autres matériaux.

Et au-delà de ces quatre piliers matériels, de nouvelles dépendances matérielles à forte consommation d'énergie émergent et les voitures électriques en 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. La fourniture 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, elle nécessite l'extraction et le traitement d'environ 225 tonnes de matières premières. Et une électrification agressive des transports routiers 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 matériaux, que ce soit ceux des engrais à base d'ammoniac pour nourrir la population mondiale toujours croissante ; les plastiques, l'acier et le ciment nécessaires aux nouveaux outils, machines, structures et infrastructures ; ou de nouveaux intrants nécessaires 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 transformer ces matériaux proviendront de conversions renouvelables, la civilisation moderne restera fondamentalement dépendante des combustibles fossiles utilisés dans la production de ces matériaux indispensables. Aucune conception d'intelligence artificielle, aucune application, aucune prétention de "dématérialisation" à venir ne changera cela.

Adapté de HOW THE WORLD REALLY WORKS de Vaclav Smil, publié par Viking, une empreinte de Penguin Publishing Group, une division de Penguin Random House, LLC. Copyright © 2022 par Vaclav Smil.

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