2. A PPROCHE BIOPHYSIQUE DANS L ’ ECONOMIE CIRCULAIRE
2.1 L’économie circulaire selon l’économie écologique
L’économie écologique s’est construite dans les années 1960 - 1970 en opposition à un système antropogénique où la croissance sans fin des flux économiques et physiques menaçait de détruire l’environnement. De même cette nouvelle économie plus écologique a proposé des modèles économiques plus durables en intégrant le concept d’une économie stationnaire forgé par Kenneth E. Boulding (Boulding, 1973 ; Daly, 1991) où la consommation des ressources est maintenue à un niveau constant qui ne détruit pas l'environnement au-delà de sa capacité de régénération. Cette structure est composée d’un stock des biens de consommation et de production, des services comme la rente donnée par la
consommation et d’un thoughtput ou flux physique entropique. Nicholas Georgescu-Roegen (1971) a
également fait valoir l’idée que, sur la base de la thermodynamique, la croissance économique illimitée est physiquement impossible.
Trois types de systèmes
Pour continuer, ces flux de matière et d’énergie sont reliés entre eux par un système de relations thermodynamiques. Selon Baumgartner (Baumgartner, 1999, 2005), il faut distinguer trois types de systèmes thermodynamiques :
1. Le système isolé, lequel n’a pas échangé de matière ou d’énergie avec l’environnement en dehors
du système ;
2. Le système fermé, lequel n’a pas échangé de matière, mais échange par contre l’énergie avec l’environnement dehors du système ;
3. Le système ouvert, lequel échange la matière et l’énergie avec l’environnement en dehors du
système.
Deux lois de la thermodynamique
Concernant ce classement des systèmes, il est possible de discuter du système à utiliser pour caractériser la biosphère, mais il convient selon nous de poser la question sous un angle un peu différent. La question de la réussite d’un système thermodynamique n’a de sens que dans la mesure où il est relié aux limites et à leur échelle temporelle. Il est donc légitime de s’interroger sur la capacité des systèmes, à porter ou
conserver l’équilibre. La première et la deuxième loi de la thermodynamique permettent de caractériser
cet équilibre.
T
D’une part, la première loi de la conservation de l’énergie ou première loi de la thermodynamique : transmettent et dissipent l'énergie du système qui les produit dans un état proche de l’équilibre thermodynamique en raison de l’échange d'énergie (solaire et calorifique) et de matière entre l’atmosphère, l’hydrosphère, la lithosphère et la biosphère à une température, pression et limite spatiale à un moment donnée dans le temps (O’Connor, 1991).
D’autre part, la deuxième loi de la thermodynamique ou principe de Carnot établit l'irréversibilité des
phénomènes physiques, ainsi que la réversibilité ou irréversibilité de ces transformations entropiques, nées des travaux de Carnot (Carnot, 1824, 1990) et de Clausius (Clausius, 1991). De plus, la thermodynamique peut être divise en deux branches : d’un côté, le travail sur la thermodynamique des processus irréversibles dont des systèmes en mouvement (donc, déséquilibre) impulsés par Prigogine (Prigogine, 1996 ; Lagrée, 2013). D’un autre côté, la thermodynamique statistique instiguée par Boltzmann (Boltzmann, 1987), étendue à la théorie de l’information de Brillouin (Brillouin, 1959). Plus récemment en 2013 Loiret mesure l’entropie à travers la distance de l’équilibre thermodynamique où indice Ka, lequel en utilisant une variable territoriale (m2) donne un indice de diversité structurelle (en Km3) synthétisant toutes les variations spatiales d’un territoire (Loiret, 2013).
Réversible versus irréversible
L’irréversibilité peut être utilisée pour caractériser certaines réactions comme des cascades (un point que nous traiterons à la page suivante de manière plus détaillée), lesquelles ne peuvent se dérouler que dans le sens direct, par exemple la décomposition des aliments ou la cascade de l’azote.
Figure 2.1.1 : Cascade de l’azote
En outre, la notion de réversibilité permet une réaction, qui peut se produire dans le sens direct autant que dans le sens inverse comme dans un cycle de la figure ci-dessous.
Figure 2.1.1.2: La notion de réversibilité et d’irréversibilité du cycle de l’hydrogène
Source : L’auteur
Une cascade de processus irréversibilité
La deuxième loi de la thermodynamique permettra de formuler notre approche pour analyser les pressions exercées pour les activités du système socio-économique sur le capital naturel à travers d'une vision en cascade ou principe d'irréversibilité des phénomènes physiques. Également, ce système peut être formulé à travers de quatre processus (P) et trois flux (F) du cycle de carbone: (P1)-Extraction \ F1 \ (P2)-Émissions \ F2 \ (P3)-Fixation \ F3 \ (P4)-Fourniture
Un cycle réversible
Comme il a déjà été mentionné, le cycle de l'azote est le cycle biogéochimique par lequel l'azote est utilisé comme numéraire échangeable entre la biosphère, la lithosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère de la terre. Également, l’azote est l’élément le plus important des organismes vivants après O, H et C, dans sa forme redue (NH4+ et NH) et dans sa forme oxyde (NOx, HNO3, N2O, NO3-). De plus, ce système cyclique peut être caractérisé à travers de quatre processus (P) et quatre flux (F) :
(P1)-Extraction ---F1--- (P2)-Émissions
↑ ↓
F4 F2 ↑ ↓ (P4)-Fourniture ---F3--- (P3)-Fixation
Extraction : Les matières premières comme le NO2- et le NO3- sont prélevées par la fertilisation agricole à travers d’un processus d’extraction.
Émissions : L’économie rejetée des émissions comme les NO-, NO2, N2O et le N2 à l’atmosphère, les NO3- , NO2- et NH4+ à l’hydrosphère.
Fixation : Ce compartiment doit arriver à stocker le N2 en la biosphère, ou neutraliser les émissions de HNO3, lequel produisent la pluie acide en l’atmosphère et l’eutrophisation en l’hydrosphère.
Fourniture : La source que fournit des matières premières comme l’ammoniaque (NH3), le nitrate (NO3-) et le - KNO3.
Dans un contexte de réversibilité, les choix ne sont pas décisifs pour l’avenir. Par contre, il est toujours possible de revenir en arrière. De même, en matière d’entropie Herman Daly a fait prendre conscience de l’irréversibilité du processus de dégradation du capital naturel. De plus, comme nous l’avons déjà mentionné au début du chapitre, Daly a caractérisé le type de développement de la biosphère à travers la théorie de l’état stationnaire duquel les activités sont relativement stables, ne favorisant ainsi ni la croissance ni la décroissance en thermes biophysiques ( O’Connor, 1996).
Du fait de l’existence de certaines réactions en cascades ou de certaines réactions complètement cycliques, différentes méthodes de traitement des grands cycles biochimiques appairassent. En outre, l’État actuel de nos connaissances ne nous permet pas de savoir comment traiter toutes les pollutions de type global. Cet appel au
long terme peut être expliqué par les temps de résidence de gaz du GES : CH4 7 à 10 ans, CO2 100 ans et
N2O 170 ans.
Cette nouvelle considération plaide en faveur d’un accroissement de la compréhension des processus circulaires ou semi-circulaires au sein des cycles de la biosphère. Kenneth Boulding (1966) a pris en compte cette question dans son modèle d’économie du vaisseau spatial pour caractériser la biosphère comme un système serré. Ce système serré est souvent confronté à des phénomènes irréversibles comme la destruction et la disparition d’écosystèmes et d’espèces naturelles.
Trois catégories de processus
Dans ce contexte de réversibilité ou irréversibilité, trois catégories de processus principaux peuvent être définies dans la biosphère:
Les processus présents dans le grand cycle : il s’agit de processus non gérés par l’homme (processus de transport de substances dans l’océan ou changement climatique) (cf. la première sphère de la figure A du chapitre I).
Second, les processus présents dans le cycle moyen : il s’agit de processus partiellement gérés par la nature
comme l’agriculture, qui peuvent être appelés la nature domestiquée. Ce type de processus est piloté par l’homme, mais il n’est pas maîtrisé par celui-ci du début à la fin. Il existe nombre variables déterminées par des éléments exogènes au système (cf. la figure A du chapitre I).
Troisième, les processus présents dans le petit cycle : il s’agit de processus complètement pilotés par l’homme
du début à la fin (par exemple la manufacture des biens et des services), les processus peuvent être démarrés
et arrêtés quand on veut. Un exemple est le processus de fabrication des chaussures.
Finalement dans cette perspective de trois catégories de processus principaux dans la biosphère. L’ambition
sera de faire un classement des actifs environnementaux (Loiret, 2011; Douguet et al. 2014), en utilisant les
Tableau 2.1.1 : Les actifs environnementaux
SPHERE COMPARTIMENT OU SECTEUR DES ACTIFS ENVIRONNEMENTAUX
BIOSPHERE La biodiversité terrestre, des milieux aquatiques et de l’air [avec des sous-divisions pour les ressources « gérées » et sauvages, exploitées et «non exploitées», etc.]
LITHOSPHERE Les sols productifs [les divers types du sol pouvant être distingué, par la qualité, précipitation, etc., et aussi par rapport à des différents usages (production alimentaire, bioénergies, etc.)]
Capital du sous-sol [les ressources minérales, dont l’or, mais aussi d’autres métaux, des granulats et d’autres matières utilisées dans les réseaux routiers et la construction]
HYDROSPHERE Eau douce [y compris les eaux de surface et les eaux souterraines avec ses principaux organes]
Ressources en eau marines [quantitativement inépuisable, mais quantitativement variable]
ATMOSPHERE Système climatique [un système complexe depuis le rayonnement du soleil comme un flux d'énergie et soutien de vie jusqu’aux flux et échanges des GES (gaz à effet de serre) avec les sols, la biomasse et les océans]
La qualité de l'air [l’atmosphère du point de vue de la santé humaine et aussi celle du vivant non humain par extension].
Source : O’Connor et al 2009.
Face à ce nouveau classement lancé, la biosphère peut être caractérisée comment un ensemble de sous-systèmes régis par les lois de la thermodynamique et par des limites physiques (figure 2.1.1.3).
En addition, l’entropie dépendra de certains enjeux économiques (Daly, 1992; Ayres, 1989, 1998, 1999; Bianciardi et al. 1993; Kummel, 1994; Kaberger et al. 2001). Afin de réussir, l’approche de René Passet
exprime par le concept de serre l’activité économique dans le grande boucle de la biosphère (Passet, 1996).
Les cycles de la planète terre peuvent être aussi caractérisés comme un continuum entre le premier processus
non géré par l’homme et le processus complètement piloté par l’homme.
Même si cette position est complexe, un débat fondamental est généré sur la réinsertion dans un mouvement cyclique des processus non gérés par l’homme : ils peuvent être gérés comme dans les processus 2 (de cycle moyen) ou 3 (de petit cycle).
Cette transition peut être illustrée à travers les trois processus :
1. Les saumons sauvages (processus du grand cycle) qui viennent de l’océan peuvent être mangés dans
le processus 3 (de petit cycle);
2. Le pilotage dans l’élevage de saumons dans les fiords peut être partagé entre l’homme et la nature
dans le processus 2, ce type de processus est piloté par l’homme, mais il n’est pas matricé par l’homme du début à la fin parce qu’il y avait nombre variables déterminées par des éléments exogènes au système ;
3. Dans le processus 3, le saumon est élevé dans une piscine fermée. Il s’agit d’un processus
complètement piloté par l’homme du début à la fin, il utilise certains équipements technologiques afin de réussir le processus.
En définitive, cette transformation des processus consiste à classer et faire évoluer les modèles actuels de production et de consommation vers une vision du système plus complexe, à travers une logique de réciprocité et d’échange entre les trois catégories de processus dans un univers de processus non contrôlés (O’Connor, 1986, 1989).
2.1.1. Processus et transferts dans les cycles de la biosphère
Au début de ce chapitre est présentée une vision systémique qui donne un cadre à notre recherche. Dans cette vision, plusieurs relations peuvent être définies pour formaliser cette approche, comme par exemple, la structure du système, lequel ne change pas dans le temps. Dans ce sens, la définition d’une structure de
système proposée par Georgescu Roegen comme un path of process dans ses ouvrages de 1966 et 1971 peut
être utile pour formuler notre cadre. Ensuite, l’objet d'étude va être défini en utilisant ses relations avec le système ou l'environnement.
Les concepts de fond, transfert et processus
Plus formellement, les relations peuvent être définies comme:
1- Le modèle contient une liste des éléments impliqués dans le système, lesquels sont classés en fonds et
transfert, tandis que le temps apparaît comme une dimension explicite du processus.
2- Le modèle porte sur le processus de production comme un ensemble d'opérations coordonnées et
exécutées par des éléments complémentaires à l'autre et dont les actions sont disposées en plusieurs phases, selon une séquence temporelle.
3- Les fonds sont caractérisés par leur capacité à fournir des services pendant un certain intervalle de temps. Par conséquent, les fonds entrant et sortant du processus sont comme des éléments
immuables. Nous pouvons trouver dans les fonds les installations et les équipements de production.
Après la définition d’une structure du système, les processus peuvent être définis en utilisant cette structure avec une durée déterminée de processus.
Dans la vision de Sraffa, cette durée va être comprise comme une durée agricole ou industrielle. D’une part, la période de culture ou rotation dans l’agriculture est annuelle. D’autre part dans la production industrielle instantanée, il est possible d'utiliser nombre travail comme facteur productif durant la journée, mais à la fin de la journée le travail est fini, ce sujet sera abordé au chapitre V.
Les trois visions de Fund-Flow
Dans la prise en compte la structure du systèmedont trois visions peuvent être appliquées.
La première a été proposée par Georgescu Roegen. C’est modèle Fund-Flow qui a été étudié par Piacentini
(1995), il sera détaillé en annexe II.A. De plus, le modèle est composé d’une partie fixe et non changeable dans
le processus qui est le fond ou fund, lequel reste du début à la fin, et d’une autre changeable qui peut être
appelé le flux ou flow, cette structure a été explorée par Kurz et al. (2003).
La deuxième approche flux-flux a été étudiée par Sraffa et Von Neumann. Cette approche permet également
de réduire la circulation du capital fixe au sein de la production jointe et permet un traitement adéquat de la
dépréciation des machines (Kurz et al.2003).
Sraffa appelle le fund (le capital fixe) et Georgescu Roegen l’appelle simplement le fond. De plus, dans le langage de Sraffa, il peut y avoir une dépréciation ou une diminution de la valeur. Mais ses diminutions ou dépréciations dépendent du type du capital ; les machines d'une usine peuvent être dépréciées, mais nous ne pouvons pas utiliser le même raisonnement pour la terre. Dans un exemple, le processus de dépréciation de la machine suit un parcours irréversible ou en cascade irréversible. Un phénomène de dépréciation similaire se produit avec les travailleurs pendant le processus de production, lesquels à la fin de la journée sont fatigués et ont besoin de repos pour se remettre en forme avant la journée suivante, ce principe sera exploré dans la partie V de la thèse. En outre, Georgescu Roegen (1969, 1971, 1976) suggère que les activités dédiées à la récupération, entretien et réparation des fonds donc infrastructures et travailleur doivent être étudies comme des processus séparés, ce qui simplifie l’analyse.
La troisième approche processus-transfert considère deux composantes fondamentales : le processus et le
transfert. Le processus utilise également des inputs dans une structure fixe ou fond pour produire un output,
le transfert des matières permet la communication entre processus en amont et en aval. Dans cette vision, un processus peut être défini par des entrées, sorties et fonds. Donc, nous avons des matières qui entrent dans les processus, lesquels plus tard, sortent des processus comme une sortie traversant la barrière vers un autre processus. Après cette description, les entrées (input) et les sorties (output) peuvent être quantifiées en
utilisant la simplification suivante : la matière qui entre au début de processus peut être définie comme input
et la matière qui sort en fin de processus peut être définie comme output.
En outre, l’enjeu distributif peut être approfondi en utilisant la notion de temps. Dans ce cas, tous les outputs
qui sortent dans la période T sont utilisés comme des inputs dans la période T+1. Le passage de matière entre
vont l’approfondir avec quelques exemples du cycle de l’azote en utilisant la notion de cycle et de cascade déjà montrée au début du chapitre. Cette notion nous permettra d’avoir un cadre théorique pour la cinquième partie de la thèse.
Cascade de l'azote aux milieux naturels
La cascade de l’azote désigne le cheminement dans les milieux naturels à travers des transformations et transferts dans des compartiments de la pédosphère, de la biosphère et de l’atmosphère, d’un atome d’azote. Les figures et le tableau 2.1.1.1 détaillent les processus et les transferts de l’azote dans le milieu naturel.
Figure 2.1.1.4: La cascade de l’azote dans les milieux naturels Processus de transformation de NO dans l'atmosphère
Transfert de NO2 vers la forêt
Processus de dépôt de NO2 et NH3 sur milieux naturels
Transfert NO3- vers l'hydrosphère
Processus d’eutrophisation de l'azote
Source : L’auteur
Tableau 2.1.1.1: Transfert dans la cascade de l’azote dans les milieux naturels.
Nombre Description Input Output
Transfert de NO2 vers la forêt
Le transfert de NO2 entre les processus dans
l’atmosphère et le processus de dépôt sur les milieux naturels (forêts).
NO2 NO2
Transfert NO3- vers l'hydrosphère
Le transfert de NO3- entre les processus économiques (agriculture et activités urbaines) et les processus écologiques d'eutrophisation de l'hydrosphère.
Nitrate Nitrate
Tableau 2.1.1.2: Processus de la cascade de l’azote dans les milieux naturels.
Nombre Description Input Output Fonds
Processus de transformation de NO dans l'atmosphère Les NO proviennent essentiellement de la
combustion des combustibles fossiles et de quelques procédés industriels (production d'acide nitrique, fabrication d'engrais, etc.). L’oxydation du NO produit par les combustions peut se poursuivre dans l’atmosphère en produisant du NO2.
NO dioxyde d'azote atmosphère
Processus de dépôt de NO2 et NH3 sur milieux naturels
Les processus écologiques dans la forêt utilisent le NOx de
l'atmosphère et le NH3
(transfert de NH3 vers les milieux naturels) comme des inputs. Ils jettent NO3- (output) dans la mer (transfert NO3- vers l'hydrosphère).
NO2 et NH3 NO3- La forêt
Processus d’eutrophisation de l'azote
Les processus écologiques d'eutrophisation de l'azote dans l'hydrosphère utilisent NO3- provenant surtout des nitrates agricoles (transfert NO3- vers l'hydrosphère), ces nutriments dopent la production de phytoplancton et de quelques espèces aquatiques, en augmentant la turbidité et la sédimentation de l'eau. NO3- production de phytoplancton Hydrosphère Source : L’auteur
Cascade de l'azote dans l’agriculture
La cascade de l’azote désigne le cheminement dans l’activité agricole à travers des transformation et transfert dans des compartiments de la pédosphère, de la biosphère et de l’atmosphère, d’un atome d’azote.
Figure 2.1.1.5: La cascade de l’azote dans l’agriculture
Processus de formation du N2 dans l'atmosphère
Transfert de N2 atmosphérique
Processus de fixation de l'azote (Haber-Bosch)
Transfert de l'azote vers prairies et élevages
Processus économiques dans l'agriculture
Transfert NO3- vers l'hydrosphère
Processus d’eutrophisation de l'azote
Tableau 2.1.1.3: Transfert dans la cascade de l’azote dans l’agriculture.
Nombre Description Input Output
Transfert de N2
atmosphérique
Transfert entre les processus de N2 dans l'atmosphère
et la fixation de N2 à travers un processus économique (Haber-Bosch). N2 N2 Transfert de l'azote vers prairies et élevages
Transfert entre les processus fixation de N2
(Haber-Bosch et fixation écologique) et les processus économiques d'utilisation de l'azote dans les prairies.
Nitrate Nitrate
Transfert NO3
-vers
l'hydrosphère
Transfert de NO3- entre les processus économiques
(agriculture et activités urbaines) et les processus écologiques d'eutrophisation de l'hydrosphère.
Nitrate Nitrate
Tableau 2.1.1.4: Processus de la cascade de l’azote dans l’agriculture.
Nombre Description Input Output Fonds
Processus de formation du N2 dans l'atmosphère
Le processus écologique forme diazote (N2) dans
l'atmosphère à partir du dioxyde d'azote réduit( NO2).
NO2 N2 atmosphère Processus de fixation de l'azote (Haber-Bosch)
Le procédé Haber-Bosch a une
importance économique considérable, car permettant la conversion industrielle de l’azote atmosphérique en ammoniaque puis en acide nitrique. Le procédé implique la réaction sous forte pression et à haute température du diazote avec l’hydrogène.