Itinéraire thématique de l’énergie

Du Moyen âge jusqu’à la fin du 19e siècle, l’eau et le vent approvisionnaient de nombreuses machines en énergie. Dans les plaines d’Europe du Nord-Ouest, le moulin à vent dominait. Au 18e siècle, il y avait près de mille moulins au bord de la rivière Zaan, près de la métropole commerciale Amsterdam. Ils transformaient le bois, la farine et le papier, de même que les matières premières provenant d’outre-mer, comme le tabac ou le cacao. C’est pourquoi la région autour de Zaandam passe pour l’une des premières régions industrielles d’Europe. A partir du milieu du 18e siècle, on ajouta aux moulins un petit moulin à vent qui plaçait automatiquement les ailes dans la direction du vent. A la fin du siècle, un ingénieur anglais inventa un mécanisme permettant de s’adapter à la force du vent : il divisa les ailes en segments ressemblant à des stores vénitiens que l’on pouvait ouvrir ou fermer selon les besoins.

A l’époque, plus de 500 000 moulins hydrauliques tournaient en Europe. Ils procuraient de l’énergie motrice à toutes sortes de machines et d’outillages, aux moulins à papier ou à huile, aux scieries, sans oublier les marteaux dans les forges. Plus tard, un certain nombre de gigantesques roues de grande puissance, parfois fabriquées en fer, allaient également livrer de l’énergie aux grandes fabriques de textile et aux usines sidérurgiques. Quand il y avait peu d’eau, on utilisait des moulins hydrauliques horizontaux, plus adaptés – et c’est de là que provint l’innovation décisive: en 1833, l’ingénieur français Benoît Fourneyron inventa la turbine hydraulique. Son efficacité s’explique par le fait que l’eau coule tout au long de l’axe et qu’elle touche plusieurs aubes à la fois, et non plus une aube après l’autre comme avec la roue hydraulique.

Les améliorations se développeront surtout dans les paysages abondants en eau des USA. Dans le centre textile Lowell, on inventa la turbine Francis, qui porte le nom de son inventeur. Ses aubes articulées lui permettaient de mieux réagir aux variations de la quantité en eau. L’Américain Lester Pelton atteignit finalement un nombre de tours très élevé en dirigeant l’énergie concentrée d’un jet d’eau sur les aubes des turbines. Aujourd’hui, sa turbine est surtout utilisée dans les centrales d’énergie en montagne, où la hauteur de chute des eaux peut être mise à profit.

Ce n’est qu’à partir de 1870 que la force hydraulique fut peu à peu remplacée par la machine à vapeur, la découverte du siècle. Sa préhistoire fut longue: le premier exemplaire performant, construit par Thomas Newcomen, fut installé en 1712 dans une mine de charbon près de Wolverhampton pour le pompage des eaux du puits. Newcomen fit souffler de la vapeur chaude en bas d’un cylindre pour qu’il pousse le piston vers le haut. Puis on aspergeait le cylindre d’eau, la vapeur se condensait en produisant un vacuum. Conséquence: la pression de l’air extérieur poussait à nouveau le piston vers le bas.

Comme le cylindre était tantôt chauffé par la vapeur, tantôt refroidi à l’eau, la machine avait d’importantes pertes d’énergie et consommait de grandes quantités de combustibles. C’est ici, en 1769, que commença le perfectionnement avec lequel James Watt entrera dans l’histoire. Il sépara le condensateur de vapeur et le cylindre: c’est ainsi que le premier était maintenu froid et que le deuxième était toujours maintenu chaud, tout en économisant du combustible. Puis il transforma le mouvement alternatif, le va-et-vient vertical, en une rotation à l’aide d’un mécanisme. La machine à vapeur ne put cependant toujours pas concurrencer le mouvement rotatif continu des grandes roues hydrauliques. Watt la transforma alors de sorte à ce que la vapeur pousse le piston dans les deux sens: il ne mit pas seulement de la vapeur dans le cylindre en bas pour pousser le piston vers le haut, mais à la prochaine étape, il en mit également en haut pour repousser le piston vers le bas – et le mouvement devint considérablement plus régulier.

Dès 1785, l’usine de Boulton & Watt proposa des machines à vapeur «à double effet»: c’était le premier moteur universel compétitif et indépendant de l’approvisionnement en eau et en vent; il était donc utilisable à n’importe quel endroit. La machine à vapeur fut donc considérée comme la mère des villes industrielles où les usines poussaient désormais comme des champignons. Son triomphe commença dans l’industrie textile en plein essor, puis il continua avec les mines de charbon et les usines sidérurgiques.

L’un des développements les plus importants ne réussit que près de cent ans plus tard, à nouveau en Grande Bretagne. Charles Parsons guida la vapeur sur les ailettes d’un rotor, de sorte à transformer directement l’énergie en un mouvement rotatif très rapide. Jusqu’à nos jours, la turbine à vapeur de 1884 est restée le procédé idéal pour générer de l’électricité – les turbines hydrauliques ne sont plus efficaces que dans les régions montagneuses.

L’énergie électrique ne joua un rôle plus important qu’à partir des années 1880, mais les inventions fondamentales datent déjà de la première moitié du siècle. A l’époque, le Britannique Michael Faraday découvrit qu’un courant électrique était déclenché si l’on tournait une bobine de fil de fer entre les pôles d’un aimant puissant. C’est le principe du générateur, que l’on appelait alors un «dynamo», qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. La découverte devint utilisable lorsque plusieurs chercheurs réalisèrent que le champ magnétique pouvait être maintenu au moyen du courant généré, sans source supplémentaire de courant.

Des entreprises comme Siemens & Halske à Berlin, ou le Belge Théophile Gramme en France, construisirent des dynamos d’après ce «principe dynamo-électrique», entre autres pour alimenter des lampes à arc, dans lesquelles un arc de lumière entre deux électrodes de charbon produisait une lumière très vive. La demande en énergie électrique n’augmentera toutefois qu’avec les ampoules à incandescence de Thomas Alva Edison.

L’Américain découvrit que des fibres de bambou carbonisées – plus tard, on utilisera des filaments en charbon, puis en tungstène – ne se consumaient pas, mais qu’elles brûlaient en continu dès lors qu’elles étaient placées dans un étui de verre sous vide. En homme d’affaires avisé, Edison prépara l’industrialisation de ses découvertes: il ne se contenta pas seulement de produire les lampes à incandescence, mais développa aussi la centrale d’énergie et les réseaux de distribution. En 1882, il ouvrit une centrale électrique à New York, les pays européens suivirent, l’Allemagne notamment, avec la Deutsche Edison-Gesellschaft DEG qui devint bientôt l’AEG.

Le concurrent le plus sérieux de l’invention d’Edison était l’éclairage au gaz, puisque toutes les nations industrialisées possédaient déjà un réseau de distribution du gaz. Le gaz, qui était fabriqué à partir du charbon, servait à s’éclairer, et plus tard aussi à se chauffer et à faire la cuisine dans les foyers. Si la lumière électrique pour l’usage privé finit par s’imposer, l’usine à gaz resta indispensable dans pratiquement chaque commune pendant près de cent ans environ.

Au tournant du 20e siècle, l’industrie commença à passer de la machine à vapeur au courant électrique: c’est alors que le triomphe de l’électricité débuta vraiment. Or, comme elle était essentiellement générée par des turbines à vapeur, le charbon demeurait toujours la source d’énergie la plus importante – jusqu’à l’essor de l’industrie du pétrole.

Déjà bien avant la moitié du 19e siècle, on exploitait les gisements de pétrole en Galicie et à Baku, en Alsace et en Sicile, pour sa combustion dans les lampes. Une raffinerie fut ouverte en Roumanie en 1840, une autre en Pologne, en 1859. La demande de pétrole sera particulièrement importante à l’Ouest des USA, où les nouveaux colons ne trouvaient pas de réseau de gaz à leur arrivée. Après qu’Edward Drake eut commencé à percer un gisement de pétrole en Pennsylvanie en 1859, l’expansion de l’industrie pétrolière décolla rapidement, en Europe également. On continua d’utiliser le pétrole pour l’éclairage, et l’invention des moteurs à combustion vers la fin du siècle ouvrit de nouveaux marchés aux autres composantes du pétrole, l’essence et le diesel.