Thèses soutenues dans le cadre de la Chaire
2022
Résumé : Nearly sixty years after independence, Algeria is still looking for a development model that can deliver its economy from dependence on hydrocarbon revenues and eradicate the symptoms of “Dutch Disease”. Algeria is facing a major energy dilemma that consists, on the one hand, in meeting the growing national demand, and on the other hand, in maintaining sufficient export volumes to support its economy and meet its state budget. Confronted with current and future challenges, the Algerian government is now looking for alternatives to reduce the country’s economic dependence on the hydrocarbons sector, implement an adequate energy transition policy, and set targets that comply with international standards, namely, the promotion of renewable energies as a green, clean energy solution. In this work, we intend to model the 2070 Algerian power and gas system to evaluate how different scenarios, from both the demand and supply sides, could impact the 2070 energy mix. Moreover, this study aims to assess the financial consequences and environmental impact of shale gas deployment as an alternative to natural gas, responding to the various challenges mentioned.
In recent years, energy planning has become, on the one hand, a complex process that considers multiple variables and constraints, and on the other hand, a reliable tool that can draw a framework to examine different policies and scenarios at national, regional, and global levels[1]. Accordingly, due to the multiple challenges and the continued oil crisis, Algeria needs to implement forward-looking policies and outline several strategies and policies that may ease the transition. Hence, an energy planning model needs to be developed tohelp policy-making assess technology changes regarding the electric and gas system to achieve a new energy model paradigm featuring less natural gas and alternative forward-looking policies and strategies. To that end, we will establish different demand scenarios up to 2070 that will drive the TIMES-DZA model we developed. A prospective analysis will be achieved, enabling us to study the technological substitutions in the production of electricity through a detailed description of the technologies and a characterization of the demand while accounting for the resource potential, the climatic variable, and the possibility of renewable energy integration in the future energy system.
2021
Résumé : La lutte contre le réchauffement climatique et la réduction des tensions dues à l’utilisation des ressources requièrent des changements drastiques quant à la façon dont l’humanité interagit avec l’environnement et comment elle doit concevoir et gouverner les systèmes énergétiques à l’avenir, autrement dit comment arriver à des systèmes durables. La mise en œuvre de cette transition touche notamment les territoires infranationaux où sont localisées la majeure partie de la production des déchets et de la pollution mais également plusieurs ressources dont l’exploitation peut contribuer à l’atteinte d’objectifs ambitieux de décarbonation et de durabilité. Cela place les collectivités locales comme des acteurs incontournables dans cette transition, qui sont davantage pris en compte dans la définition des politiques visant la décarbonation des systèmes énergétiques. En France, la déclinaison de la politique énergétique vers ces territoires atteint une étape importante avec la loi relative à la Transition Energétique pour la Croissance Verte de 2015 car elle invite ces derniers à contribuer à la décarbonation du pays en favorisant la mobilisation des ressources énergétiques locales, renouvelables, en leur donnant davantage de compétences pour le faire. La France envisage également de passer à une économie circulaire, laquelle vise à instaurer un système de consommation et production plus durable, en transformant les déchets en ressources qui seront réutilisées dans le système économique, minimisant ainsi la consommation de ressources et la production de pollution. Pour tous ces enjeux à relever pour construire demain, l’utilisation d’outils de modélisation prospective s’avère déterminante en ce qu’elle permet de répondre aux différentes questions qui émergent dans la poursuite de solutions énergétiques durables et neutres en carbone. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse réside dans l’étude de systèmes énergétiques locaux, en particulier de la région française SUD PACA et des options qui s’offrent à elle pour assurer une transition énergétique et d’économie circulaire. Dans un premier temps, les enjeux énergétiques considérés par des outils de modélisation énergétique ont été discutés au cours du temps en montrant comment singulièrement ces modèles ont convergé vers l’étude de la transition énergétique tant au niveau mondial que national et, en particulier, comment ces études s’appliquent de plus en plus aux systèmes énergétiques de territoires infranationaux. Puis, nous avons mis en évidence le rôle croissant pris par les collectivités territoriales dans la définition et la mise en œuvre de politiques énergie-climat-environnement, en nous concentrant en particulier sur le cas de la France. Malgré l’intérêt croissant porté par les gouvernements, les scientifiques et les entreprises au concept d’économie circulaire comme stratégie pour faire face aux problématiques d’épuisement des ressources, un consensus fait défaut quant à ses principes, objectifs et définition. Pour y contribuer, nous proposons une définition intégrant les aspects clés qui ont été mentionnés dans différentes études concernant ce concept. Finalement, en nous appuyant sur le modèle de prospective TIMES SUD PACA que nous avons construit, nous montrons que les collectivités territoriales sont déterminantes pour atteindre les objectifs de décarbonation nationaux et internationaux, à travers la mobilisation de leurs ressources et l’adoption de politiques de décarbonation ambitieuses adaptées à leur contexte économique et démographique. Pour se faire, l’économie circulaire est un levier incontournable, mais elle doit être accompagnée d’une allocation stratégique de leurs ressources : par exemple dans le cas de la région SUD PACA, destiner l’hydrogène aux poids lourds et à la production de gaz de synthèse, ce dernier devant alors n’être alloué qu’aux secteur industriel, ou encore prioriser la récupération de chaleur dans le secteur résidentiel-tertiaire.
Mots-clés : Système électrique régional, Modélisation long terme, TIMES PACA, Transition énergétique bas carbone, économie circulaire, Intégration des énergies renouvelables, Power-to-gas, Hydrogène
Résumé : L’électricité tient indéniablement une place prépondérante dans les sociétés modernes. Elle constitue un des moteurs de la croissance économique et innombrables sont aujourd’hui les usages finaux dépendant des flux d’électrons. Face aux défis du changement climatique, différents objectifs à moyen ou long terme servent à guider l’action politique vers la décarbonisation du mix de production électrique majoritairement fossile. L’évolution du mix européen en particulier est marquée par l’intégration d’une part croissante de moyens renouvelables intermittents. La forte dépendance climatique de ce mode de production, vouée à croître dans le futur, soulève néanmoins des questions sur l’opération du système électrique. Comment la forte interdépendance entre les systèmes interconnectés évoluera-t-elle face à la distribution géographique variable de la production intermittente ? Quels sont les besoins de flexibilité/de coopération associés à cette évolution ? Dans quelle mesure l’incertitude climatique pourrait-elle affecter les objectifs de long terme ? A travers la modélisation prospective des systèmes énergétiques, il est possible d’identifier sur un horizon temporel fini et sous diverses contraintes, une architecture optimale des flux de commodités et des technologies (actuelles et futures) conduisant à une satisfaction de la demande finale à un coût total minimal. Dans le cadre de systèmes interconnectés incluant de la production renouvelable, cette exploration à long terme est rendue plus complexe du fait de la variabilité climatique et des différentes formes d’incertitudes induites. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Clim2Power regroupant 12 équipes de recherche à travers toute l’Europe et visant à traduire des données de projections climatiques en données opérationnelles pour les différents acteurs du secteur électrique. Nous y développons un nouveau modèle d’optimisation bottom-up de type MARKAL TIMES du système électrique européen (eTIMES-EU). Il réalise une description détaillée de son infrastructure et de son fonctionnement infra-journalier servant à discuter son évolution à long terme. A travers celui-ci, nous proposons une approche originale pour traiter de l’incidence de la variabilité climatique sur la demande électrique, les ressources solaires, éoliennes et hydrauliques dans des scénarios contrastés portant sur le mix électrique européen à l’horizon 2050. Ces scénarios, formulés autour de différents niveaux d’engagement dans la décarbonisation, intègrent des hypothèses sur les niveaux de demande futurs, la disponibilité des technologies, l’utilisation des interconnexions et les politiques nationales face aux moyens charbon et nucléaire. Nous proposons de plus une approche numérique qui traite de la résolution des problèmes multi-régions. Elle permet, grâce à la relaxation lagrangienne, de traiter des sous problèmes équivalents plus faciles à résoudre et fournissant une heuristique dans la résolution du problème global.
Mots-clés : Système électrique, Décarbonisation, Variabilité climatique, Modélisation prospective, Relaxation lagrangienne
Résumé : Les villes sont au coeur de l’organisation de l’habitat humain et concentrent une part croissante de la population mondiale. Logiquement, elles doivent faire face aux enjeux environnementaux et sociaux que rencontre l’humanité. Elles sont ainsi victimes de la crise climatique et environnementale, subissant les conséquences de la pollution de l’air, des canicules, des inondations, des ouragans, et autres événements intenses. Mais elles sont aussi actrices de ces problématiques parce qu’elles rassemblent souvent les pouvoirs économiques, politiques et sociaux. En outre, la construction des milieux urbains se fait dans la durée, les bâtiments restant en place plusieurs décennies voire siècles et les formes urbaines créant une trame difficilement réversible. Dans ce contexte, il est primordial que les parties de villes que nous construisons aujourd’hui intègrent à la fois les aspects courts termes (financiers, esthétiques, d’adéquations aux besoins des propriétaires ou des commanditaires) mais aussi leurs impacts sur le long terme. Plusieurs visions de la ville telle qu’elle devrait tendre à être ont émergé depuis quelques décennies, de la ville technologique (ou smart-city) à la ville durable en passant par une ville collective. Dans ce cadre, ce travail propose d’appliquer les principes de la modélisation prospectives aux problématiques d’aménagement urbain pour contribuer à la prise en considération des questions environnementales. Pour nourrir nos modèles, nous décrivons une méthodologie réplicable de création d’archétypes quantitatifs de formes urbaines et de bâtiments à partir de données publiques françaises. Cette approche, basée sur des techniques classiques (analyse en composantes principales et k-means), confirme quelques caractéristiques urbaines comme la difficile définition du périurbain. Notre modèle prospectif est constitué d’un modèle d’optimisation bottom-up basé sur le framework TIMES dont l’originalité réside dans la représentation du sol et de ses usages, d’un deuxième modèle de projection spatiale utilisant des cartes de contraintes et enfin d’un réseau de neurones à convolution servant à estimer les impacts relatifs sur la température des modifications urbaines calculées. Cette chaîne de modélisation est ensuite appliquée à quelques scénarios prospectifs sur la métropole de Bordeaux dont l’impact d’une politique de zéro artificialisation nette.
Mots-clés : Modélisation prospective, Urbanisme, Modèle TIMES, Optimisation, Analyse de données, Réseaux de neurones, Environnement, Futur des villes
2019
Mots-clés : transition énergétique bas-carbone, France, prospective, modélisation énergétique, pilotage, transition de phase
Although a rapidly growing economy, India faces many challenges on energy access and clean energy echoing some of the Sustainable Development Goals of the United Nations. Moreover, post-2020 climate actions outlined in India’s Nationally Determined Contribution (NDC) under the Paris agreement envision development along low-carbon emission pathways. With coal providing almost 3/4th of Indian electricity, achieving such targets will have wide-ranging implications for economic activity. My research uses a hybrid modelling architecture that combines the strengths of the AIM/Enduse bottom-up model of energy systems and the IMACLIM top-down economy-wide model to assess low-carbon growth. This hybrid architecture rests upon an original dataset that brings into consistency national accounting, energy balance and energy price data. Its macro-economic side also accounts for imperfections in the goods and labour markets that can raise obstacles to the transition.
We analyse 6 scenarios ranging to mid-century: business-as-usual (BAU), 2oC, 2oC high growth, 2oC low growth, sustainable 2oC and 1.5oC. Our 2°C pathway proves compatible with economic growth close to 5.8% annual rate of BAU from 2012 to 2050, despite high investment costs. Scenario results show that low carbon high growth can be achieved with some trade-offs. Further mitigation efforts backing the 1.5oC scenario shows slightly higher annual GDP growth, thereby revealing potential synergies between deep environmental performance and higher economic growth possibilities. Moving away from fossil fuel-based energy systems would result in foreign exchange savings to the tune of $1 trillion from 2012 to 2050 for oil imports. The envisioned transition will require appropriate policies to manage e.g. the conflicting interests of entrenched players in conventional sectors like coal and oil, and the emerging players of the low-carbon economy.
As renewables play a critical role in low carbon pathways, we also analyse the relationship between financial support provided for wind power and annual wind power generation in 15 countries and 10 US states over 2006-2017. Our analysis indicates that support increases initially and then decreases beyond a point vis-à-vis the share of wind power to total power generated in a country. The inflection point exists for all countries but the value varies across countries. The relationships are statistically significant and provide compelling policy insights.
Les instruments politiques sur les émissions de véhicules passagers visent à réduire les externalités négatives sur l’environnement causées par l’usage des véhicules. Des réglementations sur les émissions de CO2 ont été mises en place en Europe, aux États-Unis, en Chine et ailleurs. La cible réglementaire basée sur la moyenne des émissions des véhicules vendus par un constructeur devient plus contraignante au fil du temps. Cette thèse analyse comment les constructeurs automobiles anticipent et préparent leurs futurs portefeuilles de technologies afin de respecter les futurs objectifs politiques. Pour conduire cette analyse, cette thèse développe un modèle d’optimisation des choix technologiques sous la contrainte de diffusion technologique.
Avec ce cadre de modélisation basé sur la limitation de la vitesse à laquelle une technologie peut se diffuser dans un marché, cette thèse étudie trois questions politiques. Dans un premier temps, nous analysons comment le type d’anticipation du futur peut modifier les choix technologiques faits à court et à long termes. Nous montrons qu’une anticipation du futur focalisée sur les objectifs de court terme peut empêcher l’atteinte de la cible à long terme. Respecter la cible à court terme n’est une condition ni nécessaire ni suffisante pour permettre le niveau d’émissions requis par la cible à long terme. De plus si l’anticipation du futur n’est pas parfaite, les choix technologiques vont être verrouillés dans des technologies à faible potentiel d’abattement créant ainsi une dépendance au sentier qui limite l’abattement potentiel à long terme.
Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à évaluer quantitativement comment l’indexation sur la masse des véhicules de la réglementation CO2 change les critères optimaux de choix. Nous montrons qu’il n’existe pas de différence significative dans le coût social de la mobilité entre les deux mécanismes de réglementation CO2 avec et sans indexation sur la masse pour une même cible d’émissions. Cependant les choix technologiques entre ces mécanismes sont différents, la réglementation CO2 indexée à la masse ne développe en aucun cas les technologies d’allègement.
Dans un troisième temps, nous étudions comment les choix technologiques changent quand des politiques à objectifs multiples se superposent. Nous centrons notre analyse sur deux externalités associées à la mobilité : les émissions CO2 et la pollution de l’air locale. Nous montrons trois types d’impacts de la superposition de politiques. Premièrement, une politique technologiquement spécifique tel que le Mandat de Véhicule à Zéro Émission en combinaison avec la réglementation CO2 provoque le développement de technologies vertes coûteuses et empêche les technologies sales et peu coûteuses de disparaître. Dans le cas de l’application de la réglementation CO2 seule nous n’observons pas ce comportement. Deuxièmement, la superposition de politiques peut mener à un coût élevé quand les technologies adaptées à chacune des politiques sont très différentes. Troisièmement, nous trouvons un effet ambigu de la superposition de politiques relative à l’application d’une politique seule sur la performance environnementale.
L’appel croissant à la mise en œuvre d’une politique climatique ambitieuse et globale devrait détériorer les perspectives économiques des pays dépendants du pétrole. Cette thèse étudie les impacts économiques de cette transition bas-carbone ainsi que les stratégies d’atténuation possibles pour le premier exportateur de pétrole : le Royaume d’Arabie Saoudite (AS). Nous proposons une application utilisant un modèle intégré économie-énergie-environnement qui prend en compte les spécificités de l’économie saoudienne comme l’ancrage de son taux de change ou encore les prix d’énergies administrés.
Premièrement, en utilisant une représentation agrégée de l’économie saoudienne, nous montrons qu’un prix du pétrole plus faible résultant de la transition bas-carbone mondiale résulte en un taux de croissance marginalement bas, des excédents commerciaux significativement réduits et à un chômage plus élevé. Nous analysons la portée des outils dont dispose l’AS pour atténuer les impacts des politiques climatiques sur son économie. Nous estimons que l’alignement des prix de l’énergie saoudiens sur les références internationales ainsi que l’augmentation des gains d’efficacité énergétique fournissent à l’AS des sources de revenus supplémentaires. Ce cadre de modélisation permet de tester des scénarios prospectifs tout en contrôlant leurs spécifications macroéconomiques.
Ensuite, nous mettons en perspective ces spécifications dans un cadre multisectoriel afin d’étudier les stratégies de diversification émanant des contributions prévues déterminées au niveau national (INDC) ainsi que son programme stratégique Vision 2030. Nous concluons que la diversification économique dans les secteurs à faible intensité énergétique (industrie manufacturière, tourisme et services financiers) en augmentant les exportations et la substitution des importations, en plus de réformer l’impôt sur les sociétés offre une perspective positive par rapport à une expansion continue des industries à forte intensité énergétique (minéraux, pétrochimie et ciment). En effet, nous montrons que la diversification dans les secteurs à faible intensité énergétique génère une croissance plus forte et un chômage plus faible. En outre, dans le cadre de ce scénario de diversification économique, l’AS dépasse ses engagements climatiques en termes de réduction des émissions de CO2. Néanmoins, l’expansion des secteurs à forte intensité énergétique résulte en une meilleure perspective de la dette publique puisque le gouvernement tire des revenus plus élevés de ses participations dans les industries lourdes. Enfin, nous concluons que dans nos deux scénarios, l’AS n’atteint que partiellement ses ambitions de transition vers une économie moins dépendante du pétrole dans le cadre du programme Vision 2030, ce qui suggère que de nouvelles réformes doivent être envisagées.
Cette thèse contribue à la littérature sur l’implémentation d’une politique climatique et ses conséquences économiques pour les pays exportateurs pétrole. Notre travail fournit des estimations sur les réformes économiques à entreprendre comme stratégies d’atténuation et pourrait donc être adapté pour couvrir d’autres pays et sources d’énergie.
L’implémentation à large échelle de stratégies d’atténuation des e ́missions dans le secteur de l’agriculture, la forêt et autres usages des sols (AFOLU) pose des questions sur la durabilité de ces stratégies. Par exemple, les bio-fuels de seconde génération menacent la biodiversité et la reforestation d’espaces agricoles augmente le prix de l’alimentation. De plus, ces stratégies d’atténuation des émissions dépendent fortement des conditions socio-économiques décrivant le reste du système alimentaire (libéralisation du commerce agricole, développement économique, augmentation de la population…). Dans cette thèse, nous cherchons à préciser les impacts sur la biodiversité, l’alimentation et les e ́missions de gaz à effet de serre de différentes stratégies d’atténuation à large échelle dans le secteur AFOLU au regard de différentes situations socio-économiques. Pour cela, nous utilisons la modélisation prospective qui nous permet de simuler des scénarios décrivant l’évolution de l’usage des sols à l’échelle mondiale à l’horizon 2030, 2050 et 2100.
Le couplage du modèle d’usage des sols NexusLandUse (NLU) avec le modèle de biodiversité Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems (PREDICTS) permet d’étudier l’impact de ces stratégies d’atténuation sur différentes composantes de la biodiversité. Le calcul de bilan d’azote permet quant à lui de préciser le lien entre l’intensification et son impact environnemental.
Dans la première partie du manuscrit de thèse, nous testons des scénarios d’augmentation de la production de légumineuses en Europe en évaluant les effets sur les émissions de gaz à effet de serre du secteur AFOLU.
Dans la seconde partie, nous étudions les compromis et les synergies entre conservation de la biodiversité ́ et maintien de la sécurité alimentaire pour différents scénarios d’atténuation.
Dans la troisième partie, nous comparons différentes évolutions de l’usage des sols à l’échelle mondiale en identifiant les scénarios qui permettent de ne pas de ́passer les limites de la planète au regard d’indicateurs renseignant le cycle de l’azote, l’intégrité de la biosphère, les émissions de CO2 du secteur AFOLU et la conservation des forêts.
2018
Résumé : Au cours de la dernière décennie, nous avons pu assister à l’expérimentation de plusieurs nouvelles filières pour contribuer aux objectifs nationaux de décarbonation du système énergétique français : biométhane, méthane de synthèse produit par du Power-to-Gas, hydrogène, Capture et Séquestration du Carbone (CSC)… Dans quels contextes ces filières pourraient-elles se développer ? Quelles seraient le cas échéant leurs perspectives de compétition/coopération ?Ce travail de thèse évalue le positionnement de ces nouvelles filières technologiques au sein des systèmes gaz et électrique. Il propose une estimation technico-économique des choix de long terme à l’horizon 2050 dans le cadre d’un paradigme d’optimalité. L’analyse de l’équilibre offre-demande pluriannuel est complétée par celle des dynamiques de production à une échelle intra-journalière et des enjeux de flexibilité associés.Pour ce faire, le modèle TIMES-FR-GAZEL développé dans cette thèse décrit le couplage des systèmes gaz et électrique à travers une représentation explicite des chaînes technologiques. Il permet une optimisation conjointe des deux systèmes sous contraintes environnementales.A l’aide de ce modèle, le positionnement des nouvelles filières gazières et électriques en France est étudié en prenant en compte les trajectoires pour parvenir à l’horizon 2050. Les analyses sont réalisées sur la base de scénarios de demande finale qui intègrent des jeux d’hypothèses contrastés concernant la disponibilité des technologies, les stratégies de décarbonation et la demande.
Mots-clés : Systèmes multi-énergies, modélisation prospective, flexibilité, biométhane, power-to-gas, CCS
La création du groupe C40 Cities Climate Leadership group (C40) in 2005 illustre bien le fait que l’échelle urbaine est dorénavant considérée comme comportant des leviers d’action importants afin d’atténuer les émissions de CO2. Il n’y a cependant toujours pas adéquation entre cette prise de conscience et le nombre d’outils de modélisation capables de quantifier cette marge de manœuvre de manière spatialement explicite et intégrée. Cette thèse vise à combler cette lacune. L’objet produit consiste en un modèle d’équilibre général spatialisé et multi-échelle, pensé de sorte à être relié à toute architecture de modélisation préexistante. Cette thèse s’articule autour de trois chapitres, i.e. la présentation du modèle, sa calibration et son application à la France et aux USA.
Dans le premier chapitre, nous décrivons le modèle, baptisé General Equilibrium Model of the Space-Economy (GEMSE), dont l’objectif est d’étudier les interactions entre les dimensions agrégées et locales de l’activité économique tout en quantifiant les émissions de GES associées à la mobilité. Le modèle s’appuie sur l’Economie Urbaine et la Nouvelle Economie Géographique en vue de modéliser sur plusieurs échelles spatiales le développement économique de régions urbanisées en interaction.
Dans le deuxième chapitre, nous décrivons les données et calibrons le modèle en utilisant, pour certains paramètres, des techniques d’économétrie spatiale. Nous proposons notamment une méthode pour spécifier la matrice de poids spatial, laquelle méthode est opérationnalisée en utilisant un outil numérique développé à ces fins, PyOKNN, indépendant de GEMSE. Appliqué au Grand Paris, l’outil identifie de façon tangible des éléments clés de sa structure spatiale, et génère pour les paramètres étudiés des valeurs similaires à celles de la littérature.
Dans le troisième chapitre, nous appliquons le modèle à la France et aux Etats-Unis. Nous y analysons le scénario de référence, puis les impacts de deux politiques de transport. La première mesure – la baisse des limitations de vitesse des véhicules privés – stimule l’activité économique de manière pro-environnementale en réduisant le PIB dans un premier temps, mais en lui permettant ensuite d’atteindre des niveaux plus élevés, aboutissant à un jeu à somme positive. L’autre mesure simule la mise en place d’une taxe CO2 pour les véhicules privés dont les recettes servent à financer l’augmentation des vitesses des transports publics. Il en résulte qu’un prix de 100€ par tonne de CO2eq n’a qu’un faible effet incitatif car ne représente presque rien par kilomètre-voyageur. Ces deux mesures, le changement de norme ou le recyclage de la taxe, poussent à l’utilisation de modes de transport moins couteux et moins polluants qui stimule une croissance à plus faible intensité carbone.
Dans l’ensemble, ces conclusions plaident en faveur de politiques qui internalisent les effets distorsifs, e.g. les changements dans les habitudes de mobilité, la réorientation des demandes, les déséquilibres du marché du travail via les délocalisations des personnes et des changements induits en matière d’économies d’échelle externes. Les résultats ne sont dans leur ampleur que peu généralisables dans l’espace et montrent la nécessité de considérer les spécificités locales et le cadre dans lequel elles s’insèrent en termes d’interactions.
This PhD thesis gives a numerical illustration of how a carbon tax affects South African GDP, employment, CO2 emissions and socio-economic inequality. It uses a “hybrid” computable general equilibrium model of an open economy in a one-step projection from 2005 to 2035. It models second-best economies, notably skill-related rigidities in the labour market and in production of electricity. Seven scenarios for recycling of carbon tax revenue are analysed, plus an option to invest a part of tax revenue in improvement of skills of labour.
The analysis shows that under conventional assumptions about technological change, a carbon tax of around 100 ZAR2005 (18 USD2013) per tonne of CO2 will have little negative consequences for GDP and employment, when combined with the right type of tax revenue recycling: Labour subsidies and company profit tax reduction likely lead to the best macro-economic outcomes, though do not reduce inequality. Additional measures are needed to reduce “energy poverty”. To achieve South Africa’s NDC of the Paris Agreement, a carbon tax rate of around 300 ZAR2005 or 55 USD2013 per tonne of CO2 is necessary. However, this could have serious impacts on GDP growth. Also, without a change in the trend of increasing labour productivity, such lower GDP will lead to higher unemployment than in the reference case. An investment in skills of 7.5 billion ZAR2005 of annual Ctax revenue, with the objective of increasing access to high quality education and reducing the high skill labour shortage, is found to have a positive impact on GDP growth. However better calibration data is required.
The findings of this PhD thesis furthermore call for a thorough examination of what type of technological change could be expected for South Africa. Technological progress, consumer preferences and international circumstances limit the economy’s capacity to restructure and decarbonise and therefore to reduce negative consequences of carbon taxation for GDP growth. Proper assessment of future technological change is relevant for all sectors and inputs. Examples are given that show that energy and materials efficiency have an important role in future GDP growth under carbon constraints, because they determine the economy’s flexibility to reduce energy consumption and to substitute it, e.g. by labour. This finding normally holds not only for South Africa, but also for the rest of the world. These results also imply that international climate policy must coordinate technology transfer and that it has to take different potentials of nations to decarbonise into account.
Sous l’angle des controverses économiques et environnementales autour des hydrocarbures non conventionnels, cette thèse contribue au développement des outils de la modélisation intégrée sous deux aspects : leur capacité à représenter la dynamique de long terme des marchés de l’énergie ; la prise en compte des liens entre l’économie et la dynamique des différents gaz à effet de serre.
Dans le premier cas, un jeu de simulations avec le modèle Imaclim-R met en évidence les impacts économiques du gaz et pétrole de schiste à travers (i) les liens entre trajectoires de crois- sance et inerties techniques ; (ii) la conditionnalité des gains de compétitivité des États-Unis aux stratégies implicites ou explicites de ce pays en matière de spécialisation internationale et de régime de change. Au détour de ces simulations nous étudions (α) les processus d’ajustement vers l’équilibre de long terme, en regardant les conditions d’obtention et de convergence des équilibres temporaires du modèle ; (β) les limites de tractabilité d’une maquette stylisée du modèle reproduisant les mécanismes centraux.
Dans le deuxième cas est traitée la question du rôle du méthane à court et long terme dans les stratégies climatiques. L’intégration du modèle réduit du système terrestre Oscar2.2 au modèle Imaclim-R permet d’apprécier le rôle du méthane dans les coûts de l’atténuation et d’évaluer le risque d’émissions fugi- tives en tête de puits de gaz de schiste. Les simulations montrent que d’une part, l’avantage économique de la disponibilité en gaz de schiste peut être nuancé au regard du coût induit par ces émissions fugitives. D’autre part, les stratégies climatiques am- bitieuses visant à limiter les augmentations de température bien en deçà de 2° voir 1.5°C nécessitent un contrôle plus immédiat des émissions de méthane.
Cette thèse explore deux questions autour de la précarité énergétique en France : Quel(s) indicateur(s) adopter pour quantifier la précarité énergétique et capturer ses multiples dimensions ? Dans quelle mesure la fiscalité écologique pourrait-elle amplifier le phénomène ou, au contraire, constituer une opportunité de le combattre ?
Un premier chapitre introduit les enjeux sociaux et économiques de la précarité énergétique en France, ainsi que les défis que ce phénomène soulève pour les acteurs publics dans le cadre de la transition écologique (chapitre 1). Puis la thèse s’organise en deux grandes parties.
La première partie concerne la quantification de la précarité énergétique. Je commence par rappeler les débats actuels autour de la mesure de la précarité énergétique et par souligner les limites des approches existantes (chapitre 2). Puis, j’explore la dimension transport du phénomène et propose un indice composite qui cible les différents facteurs qui contraignent la mobilité des ménages et leurs possibilités d’adaptation. Cet indice identifie trois niveaux d’exposition à une hausse des prix des carburants : précarité, vulnérabilité et dépendance (chapitre 3). Je poursuis ensuite la réflexion sur la construction d’un indice multidimensionnel de précarité énergétique et je cherche à mettre à jour ses implications politiques. Deux indices sont élaborés : un pour le logement et un pour le transport. Je montre comment ces nouveaux indices, parce qu’ils s’intéressent au cumul des facteurs qui désavantagent les ménages en matière d’énergie, permettent de limiter les erreurs d’inclusion et d’exclusion reprochées aux approches classiques. Une application dans le contexte français apporte de nouvelles perspectives sur le ciblage des réponses politiques et souligne la nécessité de remédier aux dimensions non monétaires de la précarité énergétique (chapitre 4).
La seconde partie concerne les impacts distributifs de la fiscalité carbone. A partir d’une revue de la littérature, je précise les enjeux méthodologiques et les choix de modélisation pour rendre compte de manière satisfaisante de la distribution des impacts (chapitre 5). Je développe ensuite un modèle de microsimulation spécialement conçu pour évaluer l’impact sur les ménages de la taxe carbone française. Ce modèle simule, pour un échantillon représentatif de la population française, les taxes prélevées sur leur consommation d’énergie dans le logement et le transport. Je l’utilise pour quantifier l’impact de la taxe carbone sur les inégalités et la précarité énergétique. Enfin, j’explore ensuite différents scénarios de redistribution aux ménages avec pour objectif de corriger les iniquités engendrées – en particulier compenser la régressivité de la taxe carbone et combattre la précarité énergétique. J’évalue le coût de ces mesures au regard des recettes de la taxe carbone (chapitre 6).
Mots-clés : Logement et transport, Enquête ménage, Mesure multidimensionnelle, Vulnérabilité, Précarité énergétique, Services énergétiques, Compensation monétaire, Impacts distributifs, Fiscalité carbone, Transition écologique, Microsimulation
2017
Face à une préoccupation environnementale croissante, les pays du monde accentuent leurs efforts pour réduire leur dépendance aux ressources fossiles, sources majeures d’émissions de gaz à effet de serre, en les remplaçant par des énergies propres, dont la bioénergie. Dans le contexte induit par l’Accord de Paris et les objectifs d’atténuation du changement climatique, la bioénergie connait une attention croissante dans le monde comme moyen de décarbonation de notre société. Ce travail de thèse se concentre sur les perspectives de développement de la bioénergie en s’attachant à analyser l’évolution de la production de bioénergie au regard des politiques d’incitation, des échanges de ressources biomasses et leur utilisation soutenable à long terme dans un contexte de décarbonation des sociétés. Dans ce contexte d’analyse, ce travail porte également sur une meilleure implémentation de la bioénergie dans notre modèle d’optimisation du système énergétique mondial, TIAM-FR. Ce manuscrit est structuré en quatre chapitres. Le premier chapitre présente le positionnement actuel de la bioénergie, les stratégies mises en œuvre pour son développement et la manière dont cela s’intègre dans notre approche de modélisation. Le deuxième chapitre est consacré à la présentation du développement apporté à la filière de bioénergie dans le modèle TIAM-FR. Le troisième chapitre montre notre travail par rapport à l’évaluation du potentiel de la biomasse. Enfin, le dernier chapitre analyse le rôle futur de la bioénergie dans un contexte de lutte contre le réchauffement climatique, à l’échelle mondiale et par un focus réalisé sur quatre pays asiatiques, la Chine, l’Inde, le Japon et la Corée du Sud.
Mots-clés : Modélisation prospective, bioénergies, système énergétique, politiques climatiques, TIAM-FR
Le mode de vie des pays industrialisés, basé sur le consumérisme, est considéré comme l’un des principaux moteurs de l’usage de ressources et de la dégradation de l’environnement global. Sa substitution par d’autres modes de vie constitue l’une des clés pour bâtir un futur soutenable, d’autant qu’il tend à être imité dans les pays émergents et en développement. Pourtant, la question de la transition des modes de vie a été jusqu’à présent relativement peu investie par les politiques publiques, y compris par celles qui visent à répondre aux enjeux de la transition énergétique et de l’atténuation du changement climatique. C’est dans le but d’encourager les parties prenantes de ces enjeux à se saisir de cette question que nos recherches ont été initiées. Pour cela, nous avons choisi de nous concentrer sur la démarche prospective, qui est l’un des outils d’aide à la décision privilégiés pour éclairer les politiques de l’énergie et du changement climatique dont les enjeux portent sur les moyen et long termes. Nous avons constaté que la question était jusqu’à présent très partiellement abordée dans la plupart des exercices de prospective énergie-climat. Ce constat tient en partie au fait que, alors que la pratique actuelle accorde une place importante à la modélisation, le formalisme des modèles utilisés n’a bien souvent pas été pensé pour traiter de cette notion multidimensionnelle. Dans ce contexte, notre contribution porte sur les plans conceptuel et méthodologique. Nous avons dans un premier temps défini un cadre conceptuel pour aborder la notion de mode de vie et clarifier son rôle dans le système énergétique. Dans un second temps, nous avons proposé une approche par la modélisation destinée à simuler des scénarios d’évolution des modes de vie à l’échelle de la France. Cette approche formelle, dont le développement a constitué le cœur de nos recherches, permet de quantifier la demande en logements, la demande en mobilité et la demande en biens et services qui résultent de ces scénarios et définissent la structure des usages de l’énergie. La mise en œuvre de cette approche est illustrée dans ce manuscrit par la simulation de trois scénarios d’évolution des modes de vie.
Mots-clés : Prospective, Mode de vie, Modélisation, Système énergétique, Société bas-carbone
Cette thèse aborde les enjeux de l’hybridation des données pour la modélisation énergie-économie-environnement, et ses implications pour la politique climatique dans le cas de la France. Le travail met l’accent sur l’importance de construire une représentation hybride de l’économie, articulant de façon cohérente le cadre économique de la comptabilité nationale et les flux physiques, fournis par des bilans de matières (ex : bilan énergétique). Partant du principe qu’il est possible de réduire les incertitudes dans la recomposition des données grâce à des contraintes d’équilibres de flux, cette thèse met d’abord en place une méthode permettant de dépasser les problèmes de nomenclatures non cohérentes, de données disparates, ou simplement manquantes. Nous montrons que l’hybridation permet de décrire plus précisément le poids de l’énergie dans l’appareil productif français, ainsi que celui de certains secteurs de l’économie (ciment, acier). Le cadre hybride sert alors de base au modèle d’équilibre général Imaclim. Ce modèle sert à explorer dans quelle mesure la comptabilité hybride permet de renouveler la discussion sur l’introduction d’une taxe carbone unilatérale en France. Nous mesurons d’abord l’importance de la procédure d’hybridation dans l’évaluation de l’impact macroéconomique de la politique climatique. La désagrégation sectorielle nous permet, dans un second temps, de conduire une discussion autour de paramètres centraux mais controversés de la modélisation : les élasticités-prix du commerce international, et la courbe salaire-chômage interprétée comme un indicateur du pouvoir de négociation des salaires. La thèse montre en particulier qu’il est possible, grâce au progrès sur la description sectorielle, de prendre en compte une hétérogénéité des régimes de formations salariales entre secteurs tout en les reliant à leur niveau d’exposition au commerce extérieur. Enfin, la thèse propose une méthode pour évaluer différents inventaires des émissions de CO2, tels que les émissions liées à la consommation, ou les émissions incorporées dans les importations, tout en s’appuyant sur le cadre hybride. Ainsi, nous fournissons des informations originales sur les moteurs des émissions en France qui permettront de prolonger l’analyse à d’autres mesures telles que l’ajustement d’une taxe carbone aux frontières.
Mots-clés : Modèle Imaclim politique climatique, modèle hybride, équilibre général, compétitivité, analyse macroéconomique, inventaire d’émissions
Les ménages sont responsables d’une part significative des consommations d’énergie et des émissions de CO2, en particulier si l’on tient compte des consommations d’énergie et des émissions indirectes liées aux processus de production des biens et services consommés. Plusieurs travaux scientifiques et recommandations d’organisations gouvernementales et d’associations non-gouvernementales soulignent que des modifications des modes de consommations seront sans doute nécessaires pour atteindre les objectifs climatiques fixés aujourd’hui. Notre thèse propose une méthode d’analyse prospective de changements de mode de vie, qui permet d’en estimer les impacts macro-économiques ainsi que ceux sur les consommations d’énergie et les émissions de CO2, tout en tenant compte de l’hétérogénéité des ménages en matière de comportements et de consommations d’énergie. Notre méthode explore les modes de consommation des ménages de manière fine, en prenant en considération le lien entre emplois du temps et consommations. En effet, les choix de consommation sont soumis non seulement à des contraintes de budget, mais également à des contraintes qui dérivent du temps à disposition et qui ne sont jamais prises en compte dans la prospective macro-économique. Nous construisons une base de données détaillant emplois du temps, dépenses et consommations d’énergie des ménages français et nous l’articulons à un modèle de prospective économique énergie-émissions par un processus de repondération itératif. Nous illustrons la portée de cet outil à travers l’analyse de trois scénarios, centrés respectivement sur la diffusion de nouvelles formes de mobilité ?? (covoiturage et autopartage), la généralisation des achats en ligne et le retour vers le faire soi-même en matière d’alimentation. Pour les trois scénarios nous observons des réductions significatives des consommations d’énergie et des émissions de CO2. Par exemple, les émissions totales diminuent de 2,3% en 2050 dans le scénario sur la mobilité ?
Mots-clés : Mode de vie, Prospective, Emploi du temps, Énergie, Émissions
2016
Les systèmes électriques évoluent actuellement vers l’intégration d’une production moins carbonée, éventuellement plus locale. Afin d’explorer les évolutions possibles de ces systèmes sur le long terme, l’exercice prospectif s’appuyant sur des modèles est un outil précieux. Cependant, pour être pertinent, il doit réconcilier des phénomènes spatiaux et temporels à des échelles variées. Ainsi, le fonctionnement du système électrique repose sur un équilibre offre – demande à chaque instant. Afin de corriger les fluctuations de la production ou de la consommation qui surviennent nécessairement, les gestionnaires de réseau mettent en place un certain nombre de régulations dont les durées d’activation sont de l’ordre de quelques secondes à quelques heures. A des échelles de temps encore plus fines le système électrique présente une robustesse interne : le réseau électrique créé un couplage électromagnétique entre les machines synchrones qui leur permet de mutualiser leur inertie respective. Cette inertie, qui constitue une réserve d’énergie cinétique, est instantanément disponible pour faire face aux fluctuations. Pour que les scénarios de long terme proposés ne soient pas en contradiction avec les exigences de robustesse du système électrique, qui permettront son opération, il est nécessaire que l’évaluation de cette robustesse soit intégrée à la modélisation prospective. Dans ce travail, nous proposons un indicateur, calculable au sein des études de prospective, qui évalue la stabilité d’un système électrique, c’est- à-dire son aptitude à revenir au synchronisme suite à une perturbation. Cet indicateur repose sur une description agrégée du réseau de transport et traduit le couplage électromagnétique apporté par le réseau. Associé au modèle bottom-up de la famille MARKAL/TIMES décrivant le système électrique français, cet indicateur de synchronisme et un indicateur quantifiant la réserve cinétique disponible, nous permet d’évaluer les conséquences de la pénétration du renouvelable, notamment sur la robustesse du système électrique.
Mots-clés : Prospective énergétique, système électrique, synchronisme, stabilité transitoire, modèle de Kuramoto, énergie renouvelable
Les préférences des ménages français pour les travaux de rénovation énergétique dans le logement ont été peu étudiées jusqu’à présent. Or, elles sont la clé d’une politique énergétique efficace et réaliste pour le secteur résidentiel, tant au niveau des aides proposées, qu’au niveau des objectifs à réaliser. Les ménages sont-ils intéressés par des travaux à fort potentiel d’économie d’énergie ? Combien sont-ils prêt à payer et est-ce que c’est suffisant pour couvrir les coûts réels ? Combien de ménages n’ont pas le choix de leur mode de chauffage et quel est leur profil ?La thèse s’attache à répondre à ces questions de façon empirique à l’aide de modèles de choix discrets. Il s’agit, dans un premier temps, d’analyser les contraintes techniques, sociodémographiques et spatiales que rencontrent les ménages et qui entravent les choix énergétiques dans le logement. Une méthodologie de détection des ménages contraints a été proposée, puis appliquée au choix du chauffage en 2006 et 2013. Dans un deuxième temps, les préférences des ménages pour les équipements de chauffage et les travaux de rénovation ont été analysées. Cette deuxième partie utilise une enquête expérimentale qui a été réalisée spécialement pour ce travail de recherche auprès de 2000 ménages. Ce travail a permis de comprendre les préférences des ménages, leur hétérogénéité, et d’en déduire les consentements à payer, les taux d’actualisation implicites et les différents effets économiques.
Mots-clés : Préférences déclarées, efficacité énergétique, secteur résidentiel, modèles de choix discrets, ménages
Cette thèse apporte des éclairages sur les enjeux d’hybridation dans les modèles intégrés énergie-économie et sur la représentation intégrée de la transition bas carbone, et propose une application au cas brésilien. Constatant l’écart existant entre la formalisation du problème de la transition vers des économies décarbonées et les résultats de la modélisation intégrée, elle fournit un guide de la boite à outils disponible qui apporte un regard nouveau sur la vision interne aux modelés des trajectoires de transformation énergie-carbone-économie. Cela fournit des éléments de cadrage des domaines de compétence des outils existants et permet d’en saisir certaines limites. La thèse souligne en particulier la pertinence de travailler dans un cadre de modélisation hybride qui articule formalisme macroéconomique et représentation technico-économique pour améliorer la crédibilité des diagnostics produits et détaillé les enjeux méthodologiques de la construction de modèles multisectoriels hybrides énergie-économie. Une partie de ces principes méthodologiques sont appliqués à la construction d’un outil d’analyse de la transition bas carbone de moyen terme au Brésil. Nous montrons comment une réforme fiscale carbone permet d’articuler plusieurs objectifs de politique publique à l’horizon 2030 visant pouvoir d’achat, compétitivité, emploi et distribution du revenu, au-delà de l’objectif climatique. Notre diagnostic souligne l’importance des spécificités structurelles du contexte énergie-économie brésilien et de mécanismes macroéconomiques lies au commerce extérieur ou aux rigidités du marché du travail qui sont souvent négliges dans les exercices existants. Nous apportons enfin un éclairage particulier sur l’articulation entre politique climatique et développement du secteur pétrolier au Brésil.
Comprendre les impacts des politiques climatiques en Chine ainsi que leurs dynamiques sous-jacentes est crucial dans le cadre de la gouvernance climatique internationale. Cette thèse contribue à ce débat en tentant d’analyser les coûts et opportunités d’une transition vers une économie bas-carbone en Chine, dans un contexte où l’on prend en compte les frictions et les limites à la flexibilité des ajustements économiques, dimensions souvent négligées dans les études existantes. Elle fournit des évaluations des coûts macro-économiques de la mise en place de politiques de réduction des émissions de gaz à effet de serre en Chine. Ces évaluations sont faites en ayant recours à un modèle d’équilibre général calculable prenant en compte des mécanismes de « second-rang » et fournissant des analyses des interactions économie-énergie-environnement qui embarquent des contraintes multiples liées à l’inertie ainsi que des déterminants comportementaux des émissions. Cette architecture de modélisation permet d’exhiber certains importants mécanismes en jeu lorsque des politiques d’atténuation contraignantes sont mises en place et de révéler des leviers qui pourraient être activés afin d’amoindrir les coûts de l’atténuation. Au-delà de l’évaluation des coûts, ce travail tente de comprendre les mécanismes sous-jacents aussi bien sur le court-terme que sur le long-terme.
La thèse commence par explorer deux importants défis auxquels la Chine doit faire face, la dépendance au pétrole et le changement climatique, en considérant différentes visions des modèles de globalisation futures. Elle tente ensuite d’illustrer en quoi la vision « partage du fardeau » n’est pas, pour un pays comme la Chine, la vision la plus appropriée pour aborder le problème du changement climatique, en particulier en terme de compatibilité avec le principe de « responsabilités communes mais différenciées ». Elle met en exergue les différents déterminants des coûts d’atténuation en jeux à différents horizons temporels permettant ainsi de pointer des possibles leviers d’action afin de réduire ces coûts. La thèse explore le rôle joué par les approches sectorielles et les réformes fiscales basées sur le recyclage des revenus de la taxe carbone comme deux stratégies possibles de réduction des coûts de court-terme. Elle étudie ensuite les effets de long-terme obtenus par la mise en place d’actions précoces sur les infrastructures à vie longue. Elle considère des politiques volontaristes visant à réduire la croissance de la mobilité et permettant d’éviter de se retrouver coincé dans des sentiers de développement intensifs en carbone.
Les analyses effectuées dans cette thèse, reposant sur un cadre de modélisation de second-rang, permettent de démontrer qu’au-delà du prix du carbone, les coûts des politiques climatiques dépendent fondamentalement du séquençage de politiques complémentaires, avec un rôle crucial des mesures « bottom-up » susceptibles de compléter le prix du carbone. La thèse défend l’idée qu’un futur durable nécessite la mise en place de mesures locales aptes à (i) fournir les bons signaux, autres que les prix courants du marché, pour les investissements de long-terme ainsi qu’à (ii) intégrer des mesures sectorielles qui agissent de façon complémentaire aux signaux prix.
2015
Face aux enjeux socioéconomiques, démocratiques, et environnementaux, la croissance économique comme fin en soi, ou comme condition nécessaire au « développement », est de nouveau remise en cause. Depuis le début du XXIème siècle, suscitant un intérêt grandissant et de vifs échanges, la Décroissance se fraie une place dans le débat. Après avoir resitué son émergence dans la perspective historique de la controverse qui s’est développée, au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, autour de la croissance et du modèle de développement des pays industrialisés, nous suggérons une synthèse des principales idées et des propositions concrètes actuellement portées par ses partisans. Celles-ci soulèvent un certain nombre de questions complexes, pour lesquelles nous proposons d’apporter quelques éclairages à travers un exercice de modélisation prospective. Nous réalisons pour cela une série d’entretiens, qui visent à recueillir différentes visions détaillées et quantifiées de ce que pourraient être, selon les participants, des scénarios de Décroissance, ou – plus largement- des scénarios de transitions souhaitables et soutenables, notamment en termes d’évolution des institutions, des modes de vie et de consommation, pour la France. En parallèle de ces entretiens, nous développons un modèle spécifique de simulation dynamique de l’économie française, construit autour de l’analyse entrées-sorties, sur la base de données publiques, et incorporant un haut niveau de détail. A l’aide de cet outil macroéconomique, nous proposons alors d’explorer, sur un horizon à long terme (2060) les implications possibles de différents scénarios, dont ceux élaborés à partir des entretiens. Nous nous intéressons par exemple aux conséquences possibles en termes d’emploi, de finances publiques, de consommation d’énergie, d’émissions de polluants atmosphériques, et de production de déchets. Les résultats des simulations soulignent l’importance des choix institutionnels, des facteurs culturels, comportementaux, et « non-techniques », et le potentiel de certaines propositions des mouvements de la Décroissance. Ils invitent ainsi à ouvrir le débat autour de la construction collective d’un nouveau projet de société. Dans cette perspective, notre approche offre un support simple et efficace pour la compréhension commune et la délibération collective.
Mots-clés : Modélisation prospective, décroissance, macroéconomie, scénarios participatifs, métabolisme social, transition sociale
L’Amérique Centrale et l’Amérique du Sud couvrent ensemble plus de 12% de la surface émergée du globe, et abritent plus de 450 millions d’habitants. Cette région se remarque sur la scène énergétique mondiale par la contribution exceptionnelle des énergies renouvelables dans sa matrice énergétique. Préserver cette configuration vertueuse est un réel défi : alors que les énergies « conventionnelles » (hydroélectricité, biomasse) sont confrontées à des problèmes de soutenabilité, les « nouvelles » options de production (éolien, solaire, géothermie) ne parviennent pas à s’affranchir du soutien des pouvoirs publics. Pourtant, les faibles réserves fossiles du continent et son extraordinaire potentiel de production renouvelable en font un candidat idéal pour mener la transition vers une matrice énergétique respectueuse de l’environnement. Une autre thématique d’intérêt régional est la contribution du secteur énergétique à une croissance économique socialement bénéfique et respectueuse de l’environnement, dans un continent en développement rapide. Le changement climatique, enfin, propose diverses problématiques continentales. L’Amérique latine se situe au-dessus de la moyenne mondiale pour ses émissions par habitant ; dans le même temps, plusieurs études considèrent que la région sera parmi les plus touchées par les effets du changement climatique. La matrice énergétique sud-américaine est sensible à ces effets, à la fois sur l’amont de la chaîne (hydroélectricité, biomasse) et sur l’aval (augmentations de demande pour e.g. l’agriculture et l’air conditionné). Malgré ces problématiques et points forts partagés à l’échelle régionale, l’Amérique latine reste un continent hétérogène et fragmenté. Sa configuration physique limite l’intégration régionale, et l’héritage de deux siècles de guerre complique les relations politiques à l’échelon national. L’évolution historique de la région a entraîné de fortes disparités entre les secteurs énergétiques nationaux, et plusieurs tentatives de coopération sur des infrastructures transnationales se sont récemment soldées par de coûteux échecs.L’objectif de cette thèse est le développement d’un modèle mathématique adapté à l’étude des problématiques énergétiques régionales de long terme pour l’Amérique du Sud. Ce modèle, TIMES-América y el Caribe, nous permet d’étudier l’impact des politiques climatiques nationales pour le secteur énergétique régional, dans le contexte de la préparation de la conférence mondiale du climat de Paris, en décembre 2015.Ce document est divisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 propose un panorama historique de l’Amérique latine. Ce panorama est complété par une description de l’évolution historique du secteur énergétique sud-américain et de ses spécificités et défis actuels. Le chapitre 2 présente les concepts de prospective et de modélisation par scénarios, ainsi qu’une revue historique et un état de l’art de la prospective énergétique en Amérique du Sud. Le chapitre 3 détaille les principales caractéristiques du modèle : sa désagrégation géographique en dix régions, les règles de modélisation, la structure et les principales hypothèses utilisées pour l’offre énergétique et la demande finale (drivers macroéconomiques, potentiels et coûts d’extraction). Le chapitre 4 présente la problématique du changement climatique et ce qu’elle implique pour l’Amérique du Sud ; il décrit aussi les négociations climatiques internationales, depuis leurs débuts en 1972 jusqu’aux propositions actuellement débattues. Enfin, le chapitre 5 propose une application directe du modèle présenté plus haut, à travers l’analyse des impacts de ces contributions pour le secteur énergétique sud-américain, et inversement la contribution potentielle de ce secteur au vu des divers engagements nationaux.
Mots-clés : Modèle TIMES, Prospective énergétique, Amérique du Sud
En France, la consommation d’énergie finale de bioénergies a crû de 35 % lors de la dernière décennie pour atteindre une part de 8,1 % de la demande finale en 2012. Leur développement a été incité car elles sont une source d’énergie renouvelable, elles permettent de réduire la dépendance aux importations d’énergies fossiles et de diminuer les émissions de gaz à effet de serre (GES). Elles sont aussi un moyen de dynamiser les secteurs agricoles et sylvicoles et de maintenir et de créer des emplois non délocalisables.Mais ce développement est soumis à des incertitudes : compétitivité économique vis-à-vis des ressources fossiles et d’autres alternatives renouvelables, disponibilité de la biomasse, choix technologiques, et mécanismes incitatifs. De plus, il est confronté à des controverses. L’accroissement de la demande en ressources biomasse a créé de la tension sur leurs prix et menacé les usages existants, comme le secteur des panneaux bois pour la construction au niveau français et le secteur de l’alimentation à l’échelle mondiale. Leur bénéfice environnemental a aussi été remis en cause, en termes d’émissions de particules fines pour la valorisation chaleur et électricité et en termes d’émissions de GES pour les biocarburants. De nouveaux procédés de valorisation, ne suscitant pas ces controverses, pourraient être privilégiés par le législateur au détriment des procédés actuels.Le but de cette thèse est de baliser un certain nombre de ces incertitudes afin de proposer des stratégies technologique et réglementaire pour les filières bioénergies françaises. Pour cela, nous avons développé un modèle de prospective qui décrit de façon détaillée le secteur des bioénergies et ses technologies de conversion actuelles et futures. Il est basé sur un paradigme d’optimisation qui permet de calculer les trajectoires technologiques de moindre coût, de 2010 à 2050, selon un grand nombre de contraintes qui représentent les spécificités du secteur : disponibilité et coût des ressources, paramètres techniques, économiques et environnementaux des procédés de conversion, etc.Dans une première partie, la démarche prospective est décrite. Elle consiste à analyser dans le détail les filières bioénergies : leur structure actuelle, les points de controverse et les systèmes techniques prometteurs, puis à développer un modèle de réflexion prospective basé sur ces données.Quatre questions d’intérêt stratégique pour la filière sont discutées dans la suite du document. Premièrement, la question du niveau de la demande à laquelle pourrait répondre le secteur selon deux scénarios contrastés de disponibilité de ressources métropolitaines est envisagée. Les trajectoires technologiques sont aussi analysées. Deuxièmement, l’impact d’une évolution du contexte réglementaire ainsi que les bénéfices environnementaux des biocarburants sont appréhendés. La troisième question est celle de l’impact de l’essor de la chimie du végétal sur les bioénergies. Enfin, les stratégies technologiques des biocarburants sont étudiées à l’aide d’une méthode Monte Carlo afin de comprendre les conditions du déploiement des diverses technologies disponibles.
Mots-clés : Biomasse, bioénergie, biocarburants, prospective, modèle TIMES
Cette thèse propose des apports méthodologiques, techniques et macroéconomiques sur la transition énergétique pour atténuer les changements climatiques. La première partie apporte un éclairage théorique sur modèles empiriques du système énergie-économie-environnement. Ces modèles présentent des incertitudes autour des valeurs de paramètres, des mécanismes structurels et de la pertinence des échelles du modèle. L’étude du rôle de l’analyse prospective et de ses outils montre un traitement insuffisant de l’incertitude structurelle contenue dans les modèles. Par conséquent, nous étudions en profondeur les outils appliqués d’analyse prospective pour révéler la vision prospective qu’ils incarnent à travers trois axes: les interdépendances qu’ils incorporent, les mécanismes de transformation et la représentation de la transition. Tout d’abord, les interdépendances qu’ils comprennent se manifestent en termes de schémas comptables, boucle de rétroaction entre énergie et croissance économique, et la représentation de la valeur ajoutée et des niveaux d’activité par rapport aux technologies. Puis, les forces de transformation sont discutées: le moteur de la croissance économique ainsi que la source de l’évolution des tendances de la demande et le progrès technique. Enfin, nous commentons la manière habituelle dont la transition est représentée, c’est-à-dire comme une trajectoire à l’équilibre pour la dynamique technologique, les choix économiques ainsi que la représentation des marchés. Nous concluons que cette spécification de la transition est inhérente à la fonction de production traditionnelle pour représenter les choix à la fois techniques et économiques. Cela entraîne une discussion sur le statut de l’équilibre macro-économique dans l’outil Imaclim, qui est un modèle walrasien d’équilibre général avec une transition en déséquilibre. Suite à cette analyse méthodologique, nous donnons des exemples de travaux empiriques menés avec le modèle Imaclim-R. Premièrement, nous examinons à l’échelle mondiale l’inclusion de technologies dans le modèle Imaclim-R Monde pour évaluer le potentiel, les limites et l’impact sur le calendrier de l’action des options pour la bioénergie et des politiques d’efficacité énergétique. Nous expliquons techniquement comment les technologies de la bioénergie sont inclus dans le modèle pour faire la lumière sur la complémentarité entre bioénergie et CCS et évaluer les impacts macroéconomiques temporels de l’atténuation du changement climatique. En outre, nous analysons la représentation de l’efficacité énergétique avec une analyse détaillée des mécanismes par lesquels elle influe sur la croissance et interagit avec le calendrier de l’atténuation climatique. Nous présentons ensuite le rôle du modèle Imaclim-R France pour impliquer les parties prenantes autour de la création de scénarios participatifs. Ensuite, nous discutons des impacts technologiques et macroéconomiques de ces scénarios. En particulier, nous examinons les conséquences pour les besoins d’investissement et de montrer que la taxe carbone peut être réduite avec un signal politique fort.
2013
Dans le cadre des débats sur la transition énergétique, l’implémentation des Smart Grids est avancée comme une part de la solution pour répondre à la fois aux questions climatiques et aux enjeux énergétiques. Les modèles de prospective constituent des outils d’aide à la décision permettant d’orienter les trajectoires énergétiques afin de satisfaire aux futures demandes en tenant compte de contraintes environnementales et techniques. Ces modèles historiques, caractérisés principalement par l’adéquation de l’offre à la demande doivent désormais évoluer pour intégrer les développements futurs attendus du système électrique. Dans ce travail, nous avons implémenté dans une approche de long terme différentes fonctionnalités propres aux Smart Grids (gestion de la demande, stockage, énergies renouvelables). Cette approche nous permet d’évaluer les bénéfices liés à chacune d’entre elles séparément, ou bien conjointement au travers de bouquets de solutions, tenant ainsi compte des possibles interactions entre ces fonctionnalités. Nous avons également intégré un indicateur reflétant le niveau de fiabilité du système électrique dans notre modèle. Ce paramètre supplémentaire permet de contraindre les futurs systèmes électriques afin qu’ils garantissent un niveau de service en terme de fourniture électrique identique à celui des systèmes existants. Cette étude est illustrée par le cas de l’île de la Réunion, qui s’est donné pour objectif de produire d’ici 2030 son électricité à partir de sources uniquement renouvelables, et pour qui les fonctionnalités de Smart Grids pourraient constituer un levier intéressant.
Mots-clés : Smart Grids – Modèles MARKAL/TIMES – Prospective – Ile de la Réunion
2012
Cette thèse analyse les effets de contraintes sur les interactions économiques imposées par les ressources naturelles, parmi lesquelles le pétrole et la terre urbaine jouent un rôle crucial dans le contexte du changement climatique. Ces dimensions, souvent négligées dans les études existantes, ont un effet ambigu puisqu’elles suggèrent à la fois le risque de coûts exacerbés par les contraintes, mais aussi de potentiels de co-bénéfices si la politique climatique aide à corriger certaines sous-optimalités des trajectoires socio-économiques. Pour analyser ces effets, une architecture de modélisation innovante des interactions énergie-économie est développée, qui prend en compte les spécificités du déploiement des capacités de production pétrolières et les enjeux de l’organisation spatiale dans les aires urbaines. Nous montrons en particulier que, au-delà de la tarification du carbone, les coûts d’une politique climatique dépendent du tuilage des différentes mesures d’accompagnement mises en oeuvre, avec un rôle essentiel pour les politiques spatiales construites pour contrôler les émissions liées au transport via la mobilité.
L’augmentation des prix de l’énergie due à la raréfaction des énergies fossiles et la prise en compte des impacts environnementaux rend inéluctable l’engagement des industriels dans une démarche de maitrise de leurs consommations énergétiques et leurs émissions. L’Industrie Diffuse (ID), par opposition aux IGCE, est de plus en plus importante sur le plan économique, énergétique et environnemental. Elle devient ainsi une cible prioritaire d’autant plus que l’on constate qu’elle a été peu traitée dans les analyses énergétiques malgré l’intérêt des politiques en matière d’efficacité énergétique et le nombre considérable d’articles et de livres sur l’énergie. Comment quantifier alors l’implication de l’ID dans la contrainte réglementaire liée au changement climatique ? Quelles technologies et politiques à mettre en œuvre pour contribuer aux objectifs fixés par les plans d’actions pour l’efficacité énergétique ?Le travail de cette thèse repose ainsi sur une optimisation technico-économique de la chaine énergétique, à partir du modèle « bottom-up » de TIMES, dans une approche prospective pertinente des conséquences énergétique et environnementale de politiques MDE dans l’ID. Ce modèle s’appuie notamment sur une représentation par usages à l’inverse des IGCE du fait de l’inadaptabilité de l’approche produit/procédé. Dans ce cadre, l’analyse de la valorisation de la chaleur perdue en sortie des procédés à travers le déploiement de PAC dans l’agroalimentaire a été réalisée.Le recours à la modélisation prospective permet notamment d’observer le profil technologique et le timing des investissements des PAC en réponse à des contraintes énergétiques ou de mesures incitatives dans le cadre de Certificat d’Économie d’Énergie ou de valorisation des émissions de CO2. Il peut mettre aussi en lumière, d’une part, une possibilité d’étude sur un ajustement incrémentiel d’une taxe sur les émissions par les autorités de régulation pour atteindre leurs objectifs environnemental et énergétique sur le court, moyen et long-terme. D’autre part, il constitue un bon outil d’aide à la décision en déterminant des coûts différenciés d’économies d’énergie dans le cadre d’investissements de technologies MDE pour un meilleur criblage sectoriel.
Mots-clés : Modélisation prospective – Industrie diffuse – Récupération de chaleur – Markal/times – Maîtrise de la demande en Energie (MDE)
2011
La fiabilité de fourniture est une caractéristique essentielle des systèmes électriques : elle évalue leur capacité à se prémunir d’incidents d’exploitation et repose sur leurs réserves dynamiques, caractérisées par le plan de tension et la fréquence et dont les temps caractéristiques varient entre quelques millisecondes et quelques heures. Or, les exercices de prospective long terme, s’intéressant à l’évolution des systèmes énergétiques sur plusieurs décennies, ne permettent pas d’apprécier cette fiabilité de fourniture et les systèmes électriques proposés sur l’horizon prospectif peuvent alors ne plus la garantir. Ceci d’autant plus que l’intégration massive d’énergies renouvelables pourrait se faire au détriment de la fiabilité, du fait de la complexité induite par la gestion de l’intermittence.
L’enjeu de notre étude est de rendre compatible l’évaluation de la fiabilité avec la dynamique temporelle associée aux exercices prospectifs de long terme. Nous proposons une représentation agrégée des systèmes électriques élaborée à travers une description thermodynamique de l’électromagnétisme. Cette approche nous permet d’établir deux indicateurs de fiabilité relatifs aux réserves dynamiques du système électrique et donc de quantifier de façon originale le niveau de fiabilité d’un système électrique en fonction du mix de production qui lui est associé. L’intérêt des indicateurs est démontré pour l’île de La Réunion où l’étude de la fiabilité du système électrique est réalisée sur les résultats issus de l’exercice de prospective long terme avec le modèle TIMES. Ce cas d’étude illustre particulièrement bien notre problématique puisque les acteurs publics de l’île se sont fixé l’objectif d’un mix de production d’électricité en 2030 issu de 100% d’énergies renouvelables. L’analyse de ce scénario, et de quelques variantes, montre que les niveaux des réserves dynamiques diminuent avec l’intégration massive d’énergies renouvelables et qu’ils sont particulièrement préoccupants pendant la journée, lorsque la production intermittente est importante. On illustre ainsi comment, grâce à la mise en oeuvre de nos indicateurs, il est désormais possible de discuter les conditions dans lesquelles la fiabilité continuerait à être assurée et à quel niveau, ce qui permet d’arbitrer entre l’ambition de décarbonation du mix électrique et la qualité de fourniture attendue.
Mots-clés : Modélisation prospective ; système électrique ; fiabilité de la fourniture d’électricité ; approche thermodynamique de l’électromagnétisme ; Île de La Réunion
Cette thèse évalue l’efficacité de différentes formes de taxes, subventions et réglementations mises en place pour corriger les défaillances de marché qui s’opposent aux économies d’énergie. Elle mobilise plusieurs approches, selon un degré de complexité croissant. Dans un premier temps, un modèle microéconomique standard est développé pour comparer les performances statiques des différents instruments. Dans un deuxième temps, la représentation des comportements des consommateurs est approfondie dans un modèle de prospective de la consommation d’énergie pour le chauffage des ménages français, qui permet d’identifier les mécanismes dynamiques par lesquels les instruments peuvent corriger les principales défaillances de marché. Dans un troisième temps, une évaluation empirique des dispositifs de » certificats blancs » – obligations échangeables d’économies d’énergie imposées aux opérateurs énergétiques – est menée à partir d’une comparaison des expériences britannique, italienne et française, en intégrant les institutions dans l’analyse. Le croisement de ces différentes approches montre que : (i) les taxes sur l’énergie, qui encouragent à la fois l’investissement dans l’efficacité énergétique et la sobriété des comportements, sont particulièrement efficaces ; (ii) les réglementations sur l’efficacité énergétique ont un impact significatif sur la diffusion des technologies efficaces ; (iii) les subventions à l’efficacité énergétique génèrent un effet rebond important ; (iv) en fonction de l’environnement institutionnel dans lequel ils s’insèrent, les » certificats blancs » combinent les propriétés de ces instruments. Appliquée en France au secteur du bâtiment résidentiel, la combinaison la plus efficace de ces instruments ne permet pas d’atteindre les objectifs d’économies d’énergie définis dans le cadre du Grenelle de l’environnement.
Mots-clés : Maîtrise de l’énergie, Efficience dynamique, Certificats d’économies d’énergie, Taxe, Subvention, Règlementation
Le contexte énergétique et politique en France laisse présager de l’apparition d’une forte contrainte de réduction des émissions de CO2 des ménages dans les décennies à venir. Plusieurs interrogations se posent alors : Quelles sont les technologies permettant d’atteindre une telle réduction ? Quelles politiques mettre en oeuvre pour atteindre un tel objectif ? Et quel est l’impact de ces politiques sur le budget des ménages ?
Le présent travail de thèse s’attache à répondre à ces questions à partir d’un modèle bottom-up d’optimisation de type TIMES portant sur les secteurs résidentiel et transports, réalisé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle s’appuie notamment sur une représentation des ménages très désagrégée qui permet d’apporter beaucoup plus de robustesse par rapport aux autres modèles de ce type, basés sur la description d’un ménage moyen. De plus, à l’aide d’une enquête auprès de 2000 ménages réalisée dans le cadre de cette thèse, il est possible de prendre en compte le comportement de consommation des ménages de manière relativement fine, notamment en rendant compte des contraintes subies par les ménages et des arbitrages qu’ils réalisent entre coût et confort.
L’exercice de prospective réalisé à partir de ce modèle permet d’évaluer l’efficacité en terme de réduction et l’impact sur le budget des ménages de différents outils politiques. Il permet notamment de visualiser que l’instauration d’une taxe carbone est un moyen efficace de réduire les émissions et que la mise en place conjointe de subventions ciblées permet de compléter l’action de cette taxe tout en diminuant son impact distorsif sur le budget des ménages.
Mots-clés : Comportement des ménages, modélisation prospective, MARKAL/TIMES, résidentiel, transports, contrainte carbone
2010
La thèse montre comment des mécanismes « de second rang » (rigidités des marchés du travail, imperfection des anticipations) et des mécanismes considérés de court-terme (inertie du capital installé, chômage) induisent que (i) les coûts de l’atténuation sont des coûts de transition, si tant est que des politiques de réorientation des investissements sont mises en place de façon précoce pour éviter des lock-ins sur des chemins de développement carbonés ; (ii) ces coûts peuvent être élevés, en particulier pour les pays émergents et en développement.
Dès lors, la représentation des rigidités du monde réel dans les modèles des interfaces économie-énergie-environnement a des implications importantes pour l’analyse des politiques climatiques. L’égalisation des prix du carbone n’est plus la politique minimisant les coûts de l’atténuation lorsque l’on se place dans un monde de second-rang. La thèse illustre ainsi que le paquet « prix du carbone mondial plus transferts compensatoires » ne peut conduire, par lui-même, à un accord acceptable pour les pays émergents et en développement. Elle insiste sur la nécessité de concevoir des politiques alternatives ouvrant la palette des variables de contrôle (investissements publics, infrastructures, réformes fiscales) et passant par des politiques spécifiques au niveau local.
