Doctoral thesis defended within the framework of the Chair

Summary: 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.

Summary: Fighting global warming and reducing tensions over resource use requires drastic changes in how humanity interacts with the environment and how it should design and govern energy systems in the future, in other words, how to achieve sustainable systems. The implementation of this transition affects in particular sub-national territories where most of the production of waste and pollution are located, but also several resources whose use can contribute to the achievement of ambitious decarbonization and sustainability objectives. This places local territories as key players in this transition, so they are taken more into account in the definition of policies targeting the decarbonization of the energy system. In France, the implementation of the energy policy towards these territories has reached an important stage with the law relating to the Energy Transition for Green Growth of 2015 because it invites them to contribute to the decarbonization of the country by promoting the mobilization of local renewable energy resources by giving them the competences to do so. France is also considering moving to a circular economy, which aims to establish a more sustainable consumption and production system, by transforming waste into resources that will be reused in the economic system, thus minimizing the consumption of resources and the production of pollution. To propose solutions to all these challenges, the use of prospective modeling tools is decisive, as they can provide with answers to the various questions that emerge in the pursuit of sustainable and carbon neutral energy solutions. In this context, the objective of this work lies in the study of local energy systems, in particular of the French region SUD PACA and the available options that can ensure an energy and circular economy transition. First, the energy issues considered by energy modeling tools were discussed by showing how these models converged singularly towards the study of the energy transition both at the global and national level and, in particular, how these studies are increasingly applicable to the energy systems of sub-national territories. Then, we highlighted the growing role played by local authorities in defining and implementing energy-climate-environment policies, focusing in particular on the case of France. Despite the growing interest by governments, scientists and businesses in the concept of the circular economy as a strategy to deal with issues of resource depletion, a consensus is lacking on its principles, objectives and definition. To contribute to this, we propose a definition that integrates key aspects that have been mentioned in various studies concerning this concept. Finally, based on the TIMES SUD PACA prospective model that we have built, we show that local authorities are decisive in achieving national and international decarbonization objectives, through the mobilization of their resources and the adoption of ambitious decarbonization measures adapted to their economic and demographic context. To do so, the application of a circular economy perspective is essential, but it must be accompanied by a strategic allocation of their resources: for example, in the case of the SOUTH PACA region, targeting hydrogen for freight transport vehicles and for the production of synthesis gas, the latter then having to be allocated only to the industrial sector, or to prioritize heat recovery for the residential-tertiary sector.

Key words: Long-term modelling, TIMES PACA, Low-carbon transition, Renewable energy integration, Power-to-gas, Hydrogen, Regional energy system, Circular economy

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Electricity undeniably holds a predominant place in modern societies. It is one of the engines of economic growth and countless end uses depend on the flow of electrons. Faced with the challenges of climate change, various medium- and long-term objectives serve to guide political action towards the decarbonization of the predominantly fossil fuel-based electricity production mix. The evolution of the European mix in particular is marked by the integration of a growing share of intermittent renewable resources. The strong climatic dependence of this mode of production, destined to grow in the future, nevertheless raises questions about the operation of the power system. How will the strong interdependence between interconnected systems evolve in the face of the variable geographical distribution of intermittent generation? What are the flexibility/cooperation needs associated with this evolution? To what extent could climate uncertainty impact long-term objectives? Through prospective modeling of energy systems, it is possible to identify, over a finite time horizon and under various constraints, an optimal architecture of commodity flows and technologies (current and future) leading to the satisfaction of final demand at minimum total cost. In the context of interconnected systems and including renewable generation, this long-term exploration is made more complex due to climate variability and various forms of induced uncertainties. This thesis is part of the Clim2Power project gathering 12 research teams across Europe and aiming at translating climate projection data into operational data for the different actors of the power sector. We are developing a new bottom-up optimization model of the European electricity system (eTIMES-EU). It provides a detailed description of its infrastructure and its intra-day operation, which is used to discuss its long-term evolution. Through it, we propose an original approach to address the impact of climate variability on electricity demand, solar, wind and hydro resources in contrasting scenarios for the European electricity mix until 2050. These scenarios, formulated around different levels of commitment to decarbonisation, integrate assumptions on future demand levels, technology availability, use of interconnections and national policies regarding coal and nuclear resources. In addition, we propose a numerical approach that addresses multi-regional problem solving. It allows, thanks to Lagrangian relaxation, to deal with equivalent sub-problems that are easier to solve and provides a heuristic in the resolution of the global problem.

Key words: Power system, Decarbonization, Climate variability, Prospective modeling, Lagrangian relaxation

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Cities are at the heart of the organization of the human habitat and concentrate a growing share of the world’s population. Logically, they must face environmental and social challenges that humanity is experiencing. They are thus victims of the environmental crisis, suffering the consequences of air pollution, heat waves, floods, hurricanes, and other intense events. But they are also actors of these problems as they often bring together economic, political and social powers. In addition, the construction of urban systems is a long-term process, with buildings remaining in place for several decades or even centuries, and urban shapes drawing a grid not easily reversible. In this context, it is essential that parts of cities that we build today integrate both the short-term aspects (financial, aesthetic, adapting to the needs of owners or clients) and their long-term impacts. Several visions of future city, at least how it should tend to be, have emerged over the last few decades, from a technological city (or “smart city”) to a sustainable city through a collective city. Within this framework, this work proposes to apply the principles of prospective modeling to urban planning issues in order to contribute to the consideration of environmental issues. To feed our models, we describe a replicable methodology for creating quantitative archetypes of urban shapes and buildings from French public data. This approach, based on classical techniques (principal component analysis and k-means), confirms some urban characteristics such as the difficult definition of the peri-urban area. Our prospective model then consists of a bottom-up optimization model based on the TIMES framework whose originality lies in the representation of the soil and its uses, a second spatial projection model using constraint maps and finally a convolutional neural network used to estimate the relative impacts on temperature of the calculated urban modifications. This modeling chain is then applied to a few prospective scenarios for the Bordeaux metropolitan area, including on the impact of a zero net artificialisation policy.

Key words: Prospective modeling, TIMES model, Urban planning, Optimization, Data analysis, Neural networks, Environment, Future of cities

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Abstract: To fight climate change and limit the rise in global temperatures, countries must reduce their CO2 emissions and achieve what is commonly known as an energy transition. However, this ambiguous notion covers various objectives, which makes it difficult to understand the challenges involved in transforming the energy system and further complicates its management. The aim of this thesis is to question the term of energy transition in order to propose a new approach to its management. We begin with an overview of the concept of energy transition, which involves both looking at its highly ambiguous definition and observing it throughout history, which indicates that the low-carbon energy transition will need to be handled very differently from in the past. In the second part, we analyze French attempts to steer the transition. Our examination of policies implemented to date shows that the French energy system has not really engaged in an energy transition that corresponds to the stated objectives. Based on the TIMES-France energy prospective model we then examine the impact of a carbon neutrality target on: the level of carbon tax, which will be too high to be acceptable politically and socially; decarbonization trajectories, which will involve a radical technological change of the energy system; and specific challenges facing France thanks to a comparison with the Swedish situation. In the last part, we explore new approaches to piloting the energy transition. Following a review of a proposal from a branch of the social sciences, Transition Management, we develop an analogy between the energy transition and the phase transition theory in physics, with the aim of improving control of the energy transition and enriching our understanding of this notion. More specifically, it allows us to put forward a set of taxes and subsidies evolving over time.

Key-words: Low-carbon energy transition, France, prospective, energy modelling, steering, phase transition

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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.

Abstract: Over the past decade, several new technological pathways have been experimented with a view to reaching national decarbonization targets in France. These include biomethane, synthetic methane from Power-to-Gas, hydrogen, and Carbon Capture and Sequestration (CCS). The potential contributions of these technologies could make it more difficult for stakeholders and public authorities to choose the appropriate solution. In what contexts could these technologies be developedand what are their potential competition/cooperation perspectives? This research analyzes the role of these new technological pathways within the French gas and electricity systems. We propose a long-term, techno-economic assessment of the options at a 2050 horizon applying an optimal paradigm. We analyze the systems balance over several years while addressing the issue of intraday flexibility constraints. To this end, the bottom-up TIMES-FR-GAZEL model has been developed in order to study joint gas and electricity systems optimization with explicit representation of technologies (biomethane production, Power-to-Gas, CCS, etc.). This model allows us to embed trajectory constraints to reach the 2050 horizon. Assessments are conducted based on final energy demand scenarios with contrasted hypotheses on technology availability, decarbonization strategies and energy demand.

Keywords: Multi-energy systems, Prospective modeling, Flexibility, Biomethane, Power-to-Gas, CCS

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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 ?

Keywords: Fuel poverty, Energy services, Multidimensional measurement, Vulnerability, Housing and transport, Household survey, Ecological transition, Carbon taxation, Distributive impacts, Monetary compensation

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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).

Abstract: With growing concerns about environment, countries are increasing efforts to reduce dependency on fossil energy soruces, the major source of CO2, by replacing them with clearner energy sources including bioenergy. Under the global agremment on climate change mitigaition, the bioenergy is being highlighted as possible way of derabonization of our society. The work of this thesis concentrates on the perspectives of bioenergy development aiming  to analyze the evolution of bioenergy production regrading stimulous policies, global exchange of biomass resources and the sustainable consummation of bioenergy in a long term in the context of decarbonization of societies as well as on the bioenergy chain development in global energy system optimization model. This manuscript is structured in four chapters. The first chapter presents the actuel position of bioenergy and bioenergy development strategy as well as the presentation of prospective modelling approach.   The second chapter is dedicated to present the developments effectuated for the bioenergy chain in the model TIAM-FR. The thirs chapter shows our work regarding the evaluation of biomass resources. Lastly, the role of bioenergy in climate change mitigation context has been discussed in the last chapter.

Keywords: Long-term modeling; Bioenergies; Energy system; Climate policy; TIAM-FR

<HAL Id : tel-02096031>

Abstract: Consumerist lifestyles in industrialized countries are considered one of the main drivers of global resource use and environment degradation. Changes in these lifestyles are therefore one of the keys to achieving a sustainable future, especially as these lifestyles also tend to be pursued by some economic classes in developing countries. Yet the lifestyles issue has only marginally been considered in public policies until now, including the ones that aimed to address the challenges of energy transition and climate change mitigation. Our research was initiated in order to encourage all parties engaging with these challenges to take into account our future lifestyles in this context. To this aim, we focused on the prospective approach. It is indeed one of the tools and processes that is most commonly used to support decision-makers on the long-term challenges raised by energy transition and tackling climate change. We found that most foresight studies did not go in depth while addressing the issue of lifestyles, especially the model-based studies. Indeed, the models generally used in these studies are not thought out to allow for proper consideration of this multidimensional issue. To answer for this, we propose a conceptual framework that allows proper understanding of the lifestyle concept and clarifies its role in the energy system. As a core contribution, we developed a modelling approach to simulate lifestyle-change scenarios for France. This formal approach allows us to quantify the demands for housing, mobility, goods and services that arises in these scenarios and defines the structure of energy uses. Three scenarios for lifestyle changes are considered in this manuscript to demonstrate implementations of the proposed approach.

Keywords: Foresight, modelling, lifestyles, energy system, low carbon society

<HAL Id : tel-01887812>

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.

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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 ?

Keywords: Emissions, Energy use, Time use, Lifestyle, Scenario analysis

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Abstract: Power systems are currently facing several issues in order to evolve and integrate less carbon-heavy, and potentially more local, production. Prospective model-based analysis is a precious tool for exploring the possible long-term developments of these systems and comparing their advantages and disadvantages. However, to ensure relevance, it is important to reconcile the spatial and temporal phenomena that occur at various scales. Power system management depends on constantly maintaining a complex supply-demand balance. Meeting this challenge requires anticipating demand variations and power plant availability, combined with regulation systems to resolve remaining discrepancies. These regulations are activated in from a few seconds up to several hours. On shorter timescales, power systems show inherent robustness: the power grid creates an electromagnetic coupling between synchronous machines allowing them to share their inertia. This inertia, which takes the form of kinetic energy, is instantaneously available to face natural demand or supply fluctuations. To ensure that proposed long-term scenarios are consistent with the robustness requirements of power systems, which enable their management, this robustness must be assessed using prospective modeling. In this work, we propose an indicator, calculable within prospective studies, which assesses power system stability, namely its ability to return to synchronism after a perturbation. This indicator is based on an aggregated description of the transportation power grid and describes the electromagnetic coupling brought by the power grid. When combined with a bottom-up model from the MARKAL/TIMES family describing the French power system, this synchronism indicator, along with another indicator quantifying the available kinetic reserve, enables us to assess the consequences of renewable penetration, especially in terms of power system robustness.

Keywords: Power system; Renewable energy; Energy prospective; Transient stability; Kuramoto

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Abstract: Little research has been done to date onFrench households’ preferences for energy retrofits in the dwelling. However, the economic role of these choices is crucial for implementing an effective and realistic energy policy in the residential sector, both in terms of proposed aid and targets. Are households interested in retrofits with high energy-savings potential? How much are they willing to pay and is it sufficient to cover the up-front costs? How many households have no choice of heating system, and what is their profile? The Essay sets out to answer these questions empirically using discrete choice models. It starts by analyzing the technical, socio-demographic and spatial constraints that face households and create barriers to domestic energy choices. A method to detect household constraint is devised and applied to the choice of space heating system in 2006 and 2013. The second stage analyzes household preferences for heating equipment and retrofits. This second part is based on a discrete choice experiment specially carried out for this research among 2,000 households. This work sheds light on households’ preferences and heterogeneity, as well as their willingness to pay, the implicit discount rate and other economic impacts.

Keywords: Energy efficiency; Households; Residential sector; Stated preferences; Discrete choice models

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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.

Abstract: The development paths followed by industrial societies have led them in front of complex socioeconomic, democratic and environmental crises, which question the relevance of economic growth, either as a goal in itself, or as a way to achieve “development”. With the emergence of the Degrowth movement at the beginning of the 21st century, the call for transitions towards sustainable “post-growth societies” is now consolidating into a multifaceted political project. For the “wealthiest” countries, where the ecological footprint per capita is greater than the global sustainable level, this project may be envisioned as a voluntary, socially sustainable, equitable and smooth downscaling of production and consumption, and thus throughput, to an environmentally sustainable level. Such a project raises numerous questions, for instance: what concrete proposals could initiate such a transition? What could they induce in terms of employment, public debt, energy consumption, waste, or greenhouse gas emission mitigation? Etc. In this research, we offer to discuss such questions with the help of prospective modeling. Our approach builds upon a series of interviews, conducted with actors more or less involved in the Degrowth movement. These interviews are aimed at collecting detailed and quantified visions or narratives about what Degrowth, or –more broadly speaking– transitions towards sustainable and desirable societies could look like for France in the mind of participants, especially in terms of institutions, lifestyles and consumption patterns. In parallel, we have designed and developed a specific dynamic simulation model of the French economy, featuring a high level of detail, based on input-output analysis, and built using public data. Using this macroeconomic tool, we investigate the possible outcomes of different scenarios over the long term (2060), including those inferred from the interviews, in terms of employment, public debt, energy consumption, waste and atmospheric emissions. Our results highlight the importance of cultural, social, behavioral and “non-technical” factors, stress the potential of various degrowth proposals, and recall the critical need for the collective elaboration of a societal project. In this perspective, our modeling approach provides a simple, yet powerful tool for common understanding and collective deliberation.

Keywords: Prospective modelling, degrowth, macroeconomics, participative scénario building, social metabolism, social transition

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Abstract: Together, Central and South America and the Caribbean represent more than 450 million people and 12% of the Earth’s total emerged land. The region stands out in the global energy landscape for the outstanding contribution of renewable sources to its energy production. Maintaining this level of renewable energy in the future might prove a challenging task, as historical energy sources run into sustainability issues and new options still depend on public support schemes. Climate change is also a region-scale concern: the continent’s emissions per capita are above the global average, and the region is also likely to be one of the most impacted by climate change. Despite shared strengths and concerns, South America appears as a highly heterogeneous and fragmented continent. The region’s physical layout is a stumbling block for regional integration. The historical evolution has created strong disparities between national energy sectors. Various attempts to cooperate on transnational infrastructure have ended up as costly failures in past years. The aim of this PhD work was to develop a mathematical model adapted to the study of long-term energy issues in South America. This model, TIMES-América Latina y el Caribe, was then applied to studying the impact of national climate policies on regional energy. This document is divided in five chapters. Chapter 1 offers a historical overview of South America’s history with a focus on the energy sector, followed by a description of the specificities and challenges of South American energy today. Chapter 2 presents the concepts of prospective and scenario modeling, along with a historical overview and a state-of-the-art of energy prospective in South America. Chapter 3 details the model’s main features: its ten-region disaggregation, its modeling rules and the structure and main assumptions for supply and demand, including macroeconomic drivers, resource potentials, and extraction costs. Chapter 4 presents the climate change issue and its implications for South America; it also describes the international climate negotiations, from their beginning in 1972 to the current tentative contributions. Finally, chapter 5 analyses the impacts of these pledges on South America’s energy sector, and the contribution of the latter to fulfilling these pledges.

Keywords: TIMES model, Energy prospective, South America

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Abstract: In France, bioenergy sector has been fostered because they are a solution to current energetic, economic, and environmental issues but it is not competitive with fossil fuels yet. However, its future is facing many uncertainties and controversial point about its real benefits for the society. The goal of this PhD thesis is to assess these uncertainties using a prospective model describing French bioenergy sector from 2010 to 2050. It calculates optimal technological pathways according to several technical, economic and environmental constraints. With many contrasting scenarios, we investigate the future of bioenergy sector: potential deployment, competing uses, mitigation effort.

Keywords : Outlook; Bioenergy; Biofuels; MARKAL/TIMES

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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.

Abstract: n the context of discussions on the energy transition, the general consensus is that part of the solution could come from Smart Grids to deal both with climate and energy issues. Prospective energy systems models may be used to estimate the long-term development of the energy system in order to meet future energy demands while taking into account environmental and technical constraints. These historical models are demand driven and should from now on evolve to considerate future developments of the electricity system. In this study, we have implemented some functionalities related to the concept of Smart Grids in a long-term planning model (demand-side integration, storage, renewable energy). This approach makes it possible to evaluate their benefits separately or collectively, taking into account possible interactions between these functionalities. We have also implemented an indicator reflecting the level of reliability of the electricity system in our model. This additional parameter enables to constrain future electricity systems to ensure a level of reliability identical to the existing one. Our analysis is demonstrated by the case of the Reunion Island, which aims to produce electricity using 100% renewable sources by 2030, and for which Smart Grids functionalities are also potential solutions for reaching this objective

Keywords: Smart Grids – MARKAL/TIMES models – Long-term planning – Reunion island

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Abstract: This thesis investigates the effects of constraints imposed on economic interactions by limitations due to natural resources, among which oil and urban land play a curcial role in the context of climate change. These dimensions, often neglected in existing analyses, have an ambiguous effect since they suggest both the risk of enhanced costs if carbon limitations reinforce the sub-optimalities caused by pre-existing constraints, but also, conversely, the possibility of co-benefits if the climate policy helps to correct some pre-existing imperfections of socio-economic trajectories. To investigate this issue, an innovative modeling framework of the enrgy-economy interactions is elaborated that embarks the specificities of the deployment of oil production capacities and the issues related to the spatial organization in urban areas. We demonstrate that, beyond the carbon price, the costs of climate policy essentially depend on the sequencing of complementary measures, with a crucial role of spatial policy designed to control transport-related emissions through mobility.
Abstract: The growing energy prices due to the rarefaction of the fossil fuels and the consideration of the environmental impacts makes inevitable the involvement of industrials to promote energy efficiency policy and emissions reductions. We notice that the Non-energy intensive industry (NEI), by opposition to the energy intensive industry (EI), is expected to play an important role because of their economic and energy importance and its relatively high growth rate. It becomes then a priority target especially since it has been neglected in energy analysis despite the continuing policy interest in energy efficiency and the many reports and book written on the topic. How can NEI contribute effectively to the reduction of the energy consumptions and the CO2 emissions? Which technologies and/or policies should be implemented to reach these objectives? This PhD work is then based on a technical economic optimization of the sectoral energy system, by using a “bottom-up” model with TIMES framework, in a relevant prospective approach of the energy and environmental consequences of MDE policies in NEI. This model relies on a representation by energy end-uses contrary to the EI because of the unsuitability of the approach product/process. As part of this, we analyzed the industrial heat recovery on processes through the deployment of HP in Food & Drink industry, the most important NEI’s sector. Then, this prospective modelling allows observing the shape of investments of HP in response to energy constraints or incentive policies within the mechanism of Energy Savings Certificate or valuation of CO2 emissions. It can give, on one hand, a possibility of study which giving the different adjustment of a tax on gas emissions by the authorities of regulation to reach their environmental and energy objectives in NEI over a medium or long-term horizon. On the other hand, it is very useful as a good decision-making tool by determining differentiated costs for energy savings within the investments of efficient technologies at the highest level of disaggregation for a better sectoral screening.

Keywords: Prospective modelling – Non-energy intensive industry – Industrial heat recovery – Heat pumps systems – MARKAL/TIMES – Energy demand management policy

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Abstract: A reliable power supply is crucial for operating power systems. Defined as the ability of power systems to lock back into a steady-state condition after sudden disturbance (e.g. load or production fluctuations), reliability is usually ensured through appropriate management of voltage and frequency and involves events whose time scales range from a few milliseconds to a few hours. However, energy planning models, which focus on power systems’ long-term development (typically several decades), largely ignore reliability requirements and may consequently provide unrealistic options in this area. Yet this aspect is of tremendous importance, especially when high shares of renewable energy sources, and in particular intermittent energy sources, are expected in electricity production and may threaten supply reliability. To overcome this drawback, we propose assessing the reliability of supply when evaluating power systems’ long-term development. We achieve a global description of power systems relying on variational principles deduced from thermodynamics. The approach provides two reliability indicators related to the dynamic properties of the whole system, namely the magnetic and kinetic reserves available, thus quantifying in an original way the reliability of power supply for a given production mix. The relevance of the indicators is demonstrated through a prospective analysis of Reunion Island, which is targeting an electricity production mix with 100% renewable energy sources by 2030. We use a TIMES model to provide the electricity sector’s responses to this scenario and to different assumptions. Results show that the levels of magnetic and kinetic reserves decrease with the integration of renewable energy sources, and that the levels of the reserves are critically low during the day, when intermittent energy sources can represent up to two thirds of the electricity production. This work thereby illustrates how we can use the two indicators to debate the most appropriate conditions for ensuring the reliability of supply, and makes it possible to choose between the targets of decarbonizing the electricity mix and maintaining an expected level of reliability.

Keywords: Long-term planning; power system; reliability of power supply; thermodynamic variational principles ; Reunion Island

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Abstract: This thesis evaluates the effectiveness of various forms of taxes, subsidies and regulations implemented to correct for market failures that may prevent energy savings. It builds on various approaches, with gradual complexity. First, a standard microeconomic model is developed to compare the static performances of these instruments. Second, the representation of consumer behaviour is strengthened in a model of the residential energy demand for space heating in France, which allows to identify the dynamic mechanisms by which instruments can correct for the main market failures. Third, an empirical evaluation of ” white certificate ” schemes – tradable energy saving obligations imposed on energy operators – is made from the comparison between the British, Italian and French experiences, taking into account national institutions. The following conclusions can be drawn from these various approaches : (i) energy taxes, by encouraging both energy efficiency investment and sufficiency behaviour, are particularly effective ; (ii) energy efficiency regulations have a significant impact on the diffusion of efficient technologies ; (iii) subsidies to energy efficiency induce a large rebound effect ; (iv) depending on the institutional environment in which they operate, white certificate schemes combine different properties of these instruments. Applied to the French residential building sector, the most effective combination of these instruments does not allow to reach the energy saving target set by the Government.

Keywords: Energy conservation; Dynamic efficiency; White certificate schemes; Tax; Subsidy; Regulation

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Abstract: The energy and political context in France suggests that households would have to deal with a strong constraint of CO2 emissions reduction in the next decades. Many questions then arise: Which technologies would enable this level of emission reduction? What policies should be implemented to achieve such a reduction ? What is the impact of these policies on household budget?
This PhD work tries to answer to these issues thanks to a residential and transports sectors TIMES model, which is a bottom-up model based on an optimization paradigm. This model relies on a highly disaggregated representation of households that allows a largely enhanced level of confidence in the results obtained, compared to other bottom-up models. Moreover, thanks to a survey we have launched among 2000 French households we are able to better design household energy consumption behavior. It is thus possible to take into account the constraints faced by the households and the tradeoffs they make between cost and comfort.This model is very useful for evaluating different policy tools considering their ability to lead to strong reductions and their impact on the household budget. A carbon tax then seems a good way to reduce CO2 emissions and subsidies seem to enhance the impact of the tax and help to reduce its distorting effect on household budget.

Keywords: Household behaviour, prospective modeling, MARKAL/TIMES, residential, transports, carbon constraint

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Abstract: The thesis shows how second-best mechanisms (labour markets rigidities, imperfect foresight) and mechanisms considered as short-term issues (inertia of productive capital, unemployment) induce that (i) mitigation costs are transition costs insofar as policies to reorient investments to low-carbon infrastructures are implemented early to avoid lock-ins in high-carbon development paths; (ii) these transition costs can be significant, in particular for emerging and developing countries.
Therefore, representing real world rigidities in energy-economy-environment models has important implications for the analysis of climate policies. Equalizing carbon prices is not anymore the policy minimizing mitigation costs if a second-best world is considered. The thesis thus illustrates that the package “worldwide carbon price plus compensatory transfers” cannot lead, by itself, to a palatable deal for emerging and developing countries. It insists on the necessity to design alternative policies to open the control variables palette (public investments, infrastructures, fiscal reforms) and allowing specific policies at the local level.

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