Дисертації з теми "Énergies renouvelables – Évaluation du risque"

Les entreprises du secteur de l’énergie sont confrontées à la nécessité de transformer leur modèle économique pour intégrer les préoccupations écologiques et assurer une transition énergétique (TE). Selon la littérature sur les transitions, la prise en compte des risques de ce processus nécessite des approches novatrices orientées vers le long terme, ainsi qu'une conception adaptative des politiques. Dans ce cadre, l'approche de l'écosystème d’affaire joue un rôle important dans la découverte de nouvelles solutions liées à la TE. L'objectif principal de cette thèse est d'examiner l’apport de l'application de l'approche de l'écosystème dans la réduction des risques sous-jacents de ce processus. Par le biais d'entretiens approfondis et une revue de littérature exhaustive, d'un engagement étendu des parties prenantes et d'une interrogation sur les caractéristiques des acteurs de l'énergie dans une série de contextes, le potentiel du rôle de l'écosystème émergent des énergies renouvelables (EEnR) dans la réduction des risques de la TE est étudié. La recherche menée donne un aperçu de la nature holistique de la relation entre les acteurs de l'énergie et explore les obstacles communs rencontrés tels que l'acceptabilité sociale, les risques du marché et la gestion des parties prenantes. Les résultats suggèrent que les entreprises sont conscientes du potentiel d'un EEnR émergent. De nombreuses caractéristiques de ce EEnR ont été trouvées dans les stratégies de partenariat actuelles des acteurs interrogés. Plus largement, une cartographie de cet écosystème émergent a été présentée
Energy companies are faced with the need to transform their business model to integrate environmental concerns and ensure an energy transition. According to the transitions literature, addressing the risks of this process requires innovative, long-term oriented approaches, as well as thoughtful and adaptive policy design. In this framework, the business ecosystem approach plays an important role in the discovery of new solutions during the energy transition. The main objective of this thesis is to examine the contribution of applying the ecosystem approach in reducing the underlying risks of this process. Through exhaustive in-depth interviews and literature reviews, extensive stakeholder engagement, and interrogation of the characteristics of energy actors in a range of contexts, the potential for the role of the emerging renewable energy ecosystem in reducing the risks of the energy transition is explored. The research conducted provides insight into the holistic nature of the relationship between energy actors and explores common barriers encountered such as social acceptability, market risks and stakeholder management. The results suggest that companies are aware of the potential of an emerging renewable energy ecosystem and that most companies view the ecosystem approach positively. Many characteristics of this potential ecosystem, which is in its nascent stage, were found in the current partnership strategies of the interviewed stakeholders. More broadly, a mapping of the emerging renewable energy ecosystem was presented

Ce travail comprend deux volets. Un premier volet plus « stratégique » concernant l’importance du stockage pour les énergies renouvelables. Un deuxième volet de plus en plus technique et de plus en plus précis concernant le positionnement du stockage électrochimique, la place qu’y tient la batterie Plomb Acide, les variantes technologiques, pour arriver à une modélisation électrochimique détaillée du type de batterie retenu. Dans le premier volet, le chapitre 1 de la thèse met en évidence le bon positionnement du stockage électrochimique pour les besoins des énergies renouvelables. Vis-à-vis des fluctuations aléatoires de la ressource, le temps est un élément important de la discussion : temps de stockage d’une part, temps de mobilisation de l’énergie stocké d’autre part. A cet égard, le cahier des charges pour le lissage de production d’une unité connectée au réseau est bien différent des applications de stockage pour un système de production autonome. Le deuxième chapitre devient plus technique, à l’occasion de la comparaison de la batterie au plomb avec les autres systèmes de stockage. L’idée directrice est d’appuyer cette discussion sur des arguments liés au bases physiques de fonctionnement des composants étudiés : c’est en même temps un prétexte pour commencer l’introduction de principes de bases d’électrochimie qui seront développés et utilisés par la suite. On a raisonné sur trois grandes familles : accumulateurs (exemples batterie au plomb, NiMH, Lithium ion), systèmes de type redox ou plus généralement combustible externe (exemple pile à combustible) et super capacités. Comparaison globalement peu flatteuse pour les performances moyennes de la batterie au plomb, sauvée par son bon rapport performances/prix. Le troisième chapitre entre dans le détail des variantes technologiques, qui démontre une grande flexibilité permettant des compromis pour s’adapter à des besoins spécifiques très variés. On s’est attaché à chercher les aspects spécifiques peu explorés pouvant mener à des améliorations, notamment au niveau de mécanismes réactionnels mis en évidence récemment, 2 En particulier au niveau de l’électrode positive (en liaison notamment avec la mise en évidence par Pavlov d’une phase intermédiaire entre PbO2 et l’électrolyte, de gel Pb(OH)2, aux propriétés mal élucidées). Nous avons placé dans ce chapitre une analyse détaillée de l’hydrolyse, prenant en compte la recombinaison directe de O2 et H2 à l’électrode négative citée également par Pavlov. Ces éléments seront directement repris et complétés au chapitre 4 en modélisation. Le chapitre 4, consacrée à la modélisation et l’expérimentation est l’aboutissement du travail progressif d’introduction de bases d’électrochimie appliquées à la batterie. Il va souligner le rôle central des mécanismes de diffusion/migration dans le fonctionnement. Un premier volet « mathématique » concerne une approximation des équations de diffusion par un réseau de composants discret, optimale du point de vue du nombre de composants. Le modèle global de la batterie peu schématiquement être décomposées en trois grandes fonctions : diffusion, activation, hydrolyse. Ces fonctions sont interconnectées, mais on s’efforcera de les introduire successivement sous forme découplée (au moins de façon approchée). Une première étape est d’obtenir, en grande partie à partir d’expérimentations spécifiques, des valeurs réalistes des paramètres du modèle. Les simulations effectuées démontrent la capacité du modèle à décrire correctement le comportement de la batterie dans les situations les plus variées
This work has two parts. A first more "strategic" part concerning the importance of storage for renewable energies. An increasingly technical and increasingly precise part concerning the positioning of the electrochemical storage, the position of the Lead Acid battery, the technological variants, to arrive at a detailed electrochemical modeling of the type of battery retained.In the first section, Chapter 1 of the thesis highlights the good positioning of electrochemical storage for the needs of renewable energies. With respect to the random fluctuations of the resource, time is an important element of the discussion: storage time on the one hand, time of mobilization of stored energy on the other hand. In this respect, the specification for the production smoothing of a unit connected to the network is quite different from the storage applications for a stand-alone production system.The second chapter becomes more technical, when comparing the lead-acid battery with the other storage systems. The guiding idea is to support this discussion on arguments related to the physical basis of functioning of the components studied. At the same time, it is a pretext to begin the introduction of basic principles of electrochemistry that will be developed and used by the after. There are three main families: accumulators (examples lead acid battery, NiMH, Lithium ion), redox systems or more generally external fuel (example fuel cell) and super capacitors. Overall comparison unflattering for the average performance of the lead battery, saved by its good performance / price ratio.The third chapter explains the technological variants, which shows a great flexibility that allows compromises to adapt to a wide variety of specific needs. Attention has been given to identifying specific aspects which have not been explored and which can lead to improvements, in particular in the context of recent reaction mechanisms, 2In particular, at the positive electrode (linked in particular with the Pavlov demonstration of an intermediate phase between PbO 2 and the electrolyte, of Pb (OH) 2 gel, with poorly elucidated properties). In this chapter we have placed a detailed analysis of the hydrolysis, taking into account the direct recombination of O2 and H2 at the negative electrode also cited by Pavlov. These elements will be taken up and completed in Chapter 4 in modeling.Chapter 4, devoted to modeling and experimentation, is the culmination of the progressive work of introducing electrochemical bases applied to the battery. It will underline the central role of dissemination / migration mechanisms in the functioning.A first "mathematical" aspect concerns an approximation of the diffusion equations by a discrete component network, optimal in terms of the number of components. The overall model of the battery schematically be broken down into three main functions: diffusion, activation, hydrolysis. These functions are interconnected, but efforts will be made to introduce them successively in decoupled form (at least in an approximate manner). A first step is to obtain, largely from specific experiments, realistic values of the parameters of the model

La transition énergétique mondiale suppose un développement accéléré des énergies nouvelles et renouvelables pour la production d’électricité (ENRe), ce qui implique de nouveaux défis d’ordre technique, économique et de régulation du secteur électrique. Or, un engagement plus fort des pays émergents et en développement dans des trajectoires de décarbonation profonde de l’économie nécessite un renforcement des politiques de promotion ainsi que la conception d’instruments de régulation mieux adaptés aux spécificités de leurs contextes économiques et institutionnels.Cette thèse traite de la question de la conception, de la mise en place et de l’évaluation de politiques de promotion des ENRe adaptées au contexte des pays d’Amérique Latine. Dans ce but, nous avons tout d’abord recours à l’économie environnementale pour analyser les différents instruments de régulation disponibles, les caractériser et proposer des critères d’évaluation, en nous appuyant sur une revue approfondie de la littérature. Nous réalisons ensuite une étude économétrique de panel afin d’identifier les facteurs déterminants des investissements en nouvelles capacités d'ENRe et de mesurer l’efficacité des politiques. Dans un troisième temps, nous mobilisons la théorie évolutionniste du changement technologique pour analyser en profondeur le processus de mise en place des politiques, les barrières existantes et les résultats obtenus. Cette analyse s’appuie sur trois études de cas du secteur électrique au Chili, au Brésil et en Argentine. Enfin nous explorons les enjeux liés au déploiement massif des ENRe en Amérique Latine à l’horizon 2030-2040 : l’intégration des énergies intermittentes, l’accès au financement et le défi industriel.Nos analyses mettent en évidence que les transformations du contexte économique et institutionnel impulsent une dynamique qui conditionne les choix des politiques publiques ainsi que leur performance. Nous proposons donc les bases d’un cadre analytique pour la conception et l’évaluation de politiques de promotion ambitieuses sur le long terme. Ces politiques doivent être intégrées dans un projet multidimensionnel et cohérent pour le secteur énergétique. Concernant spécifiquement le choix de l’instrument de promotion et ses éléments de design, nous avons mis en exergue quatre principes à prendre en compte spécialement dans le contexte des pays émergents : le niveau de risque pour les investisseurs, le coût total de la politique pour le consommateur, l’adéquation institutionnelle de l’instrument et, enfin, sa flexibilité pour soutenir des technologies ayant différents degrés de maturité technico-économique. Cette flexibilité doit également répondre à des objectifs multiples liés au processus de développement socio-économique de chaque pays
The transition to a more sustainable energy system requires a much faster development of new and renewable energy technologies for electricity generation (RENe). Thus, involving new challenges in the regulation of electricity sector. Additionally, a stronger commitment by emerging and developing countries for a deeper decarbonization trajectory, calls for the strengthening of renewable energy policies. Such policies include designing regulatory instruments that are better adapted for their specific economic and institutional needs.This thesis deals with the evaluation and the redesign of policies that encourage the diffusion of RENe in the context of Latin America’s countries. To this end, we first use Environmental Economics theory to analyse the different regulatory instruments available, characterize them and to propose evaluation criteria based on a thorough review of the literature. We then carry out a panel data econometric study, to identify the determining factors of investments in regards to new RENe production capacity; and in particular, to measure the effectiveness of such policies. In a third phase, we mobilize the evolutionary theory of technological change to analyse the process of policy implementation, the existing barriers and the obtained results. This analysis is based on three case studies in the electricity sector of Chile, Brazil and Argentina. And finally, we focus on the challenges related to the massive deployment of RENe in Latin America by 2030-2040: the integration of intermittent energy sources, the access to financing and the industrial challenge.Our research shows that the evolution of the economic and institutional context encourages a dynamic which conditions public policy choices as well as their performance. We therefore propose the basis of an analytical framework for the design and assessment of ambitious long-term promoting policies. These policies must be integrated into a multidimensional and coherent project for the energy sector. More specifically, concerning the choice of the policy instrument and its design elements, We have therefore highlighted four principles to be considered, especially in the context of emerging countries. The level of risk for investors, the total cost of the policy for consumers, the institutional competency of the instrument and its flexibility to support technologies with various degrees of technical and economic maturity. Such flexibility must also address multiple objectives related to the socio-economic development process of each country

Suite aux contraintes environnementales imposées à la production classique d’électricité, les énergies à caractère renouvelable se développent très vite grâce aux politiques gouvernementales. En pratique, la nature des sources primaires étant aléatoire, l’introduction d’énergie renouvelable dans un réseau électrique peut impacter le fonctionnement du système électrique et la qualité de la puissance. L’utilisation des méthodes probabilistes dans la planification du système électrique s’avère alors nécessaire pour un système électrique composé d’une quantité importante de sources peu prévisibles. Cependant, ces méthodes probabilistes sont actuellement limitées à la planification long-terme à cause de leur temps de calcul élevé. Dans le cadre de cette thèse, une nouvelle approche probabiliste basée sur un couplage entre la formule des probabilités totales et la méthode de fiabilité du premier ordre est proposée pour l’évaluation de la fiabilité du système électrique à court terme. Elle prend en compte la probabilité de défaillance non prévue des composants du système, l’incertitude dans les prévisions de la production renouvelable et de la consommation. A l’aide de cette méthode, les indicateurs permettant de quantifier la fiabilité de fonctionnement du système électrique et l’utilisation des ressources renouvelables peuvent être déterminés. Grâce à ces indicateurs, la fiabilité du système électrique intégrant des énergies renouvelables peu prévisibles peut être évaluée. Le temps de calcul faible de la méthode permet de l’utiliser pour valider la planification court-terme, qui est faite un jour à l’avance pour la journée considérée (J)
Following the environmental constraints to conventional power generation, renewable energy character grows very quickly thanks to government policies. In practice, the nature of primary sources is random, the introduction of renewable energy in an electrical network may impact the operation of the power system and the quality of the power. The use of probabilistic methods in planning the power system becomes necessary for a power system consisting of a large amount of less predictable sources. However, these probabilistic methods are currently limited to long-term planning due to their high computation time. In this thesis, a new probabilistic approach based on a coupling between the law of total probability and the first order reliability method is proposed to evaluate the reliability of the power system in short-term. It takes into account the probability of unanticipated failure of system components, the uncertainty in forecasts of renewable generation and consumption. With this method, the indicators used to quantify the reliability of the power system and the use of renewable resources can be determined. Therefore, the reliability of the power system incorporating less predictable renewable energy can be evaluated. The low computation time of the method allows it to be used to validate the short term planning, which is made one day in advance to the considered day (J)

Cette thèse vise à comparer l'efficacité instruments standards d'appui au développement des énergies renouvelables et des instruments novateurs issus du protocole de Kyoto en prenant en considération : (i) la dérégulation des industries de réseaux ; (ii) et l'émergence de nouvelles formes marchandes issues des accords multilatéraux sur l'environnement. Nous testons l'arbitrage entre les approches institutionnelles par les prix et celles par les quotas échangeables dans les Pays Industrialisés avant d'évaluer les possibilités de leurs transpositions dans les pays en développement. Cet exercice est engagé sur la base de l'évaluation des performances économiques, environnementales et technologiques de chaque mécanisme. Nous démontrons la suprématie des instruments prix dans des cadres nationaux et celle des quotas échangeables dans le cadre d'un marché communautaire dérégulé. L'élargissement de l'évaluation aux Pays En Développement (PED) nous amène à intégrer les niveaux d'ouverture progressive à la concurrence que connaissent leurs marchés électriques parallèlement à la mise en œuvre des instruments de flexibilité du protocole de Kyoto. Nous mobilisons pour cela les apports théoriques complémentaires de la théorie des marchés contestables et de l'économie néo-institutionnelle. Nous analysons alors l'impact des différentes formes de dérégulation sur le développement des filières renouvelables sur la base d'une comparaison mondiale regroupant la Bolivie, la Thaïlande, l'Inde, la Tunisie et le Ghana. L'évaluation empirique démontre la forte contribution de l'apporche par les prix dans l'accroissement des capacités installées grâce à l'adoption du principe de la Production Indépendancte de l'Electricité (IPP). Elle permet également de mettre en avant la faible contribution de cet instrument dans l'accroissement de l'offre électrique renouvelable et dans l'impulsion du changement technologique des filières. L'étude de la transposition des approches par les quotas est effectuée dans le cadre du marché carbone mondial et du Mécanisme de Développement Propre (MDP). Nous démontrons l'importante contribution de ce mécanisme dans le développement des filières renouvelables grâce notamment aux possibilités de doubles rentes tirées par les investisseurs sur le marché carbone international et sur les marchés électriques nationaux. Cependant, les exigences de développement durable qu'implique sa mise en œuvre nous amènera à élargir le champ de l'évaluation aux critères de durabilité écologique, sociale, spatiale, et de gouvernance. Nous démontrons alors, dans le cadre d'une analyse coût-efficacité, la forte capacité du MDP à baisser les coûts de réduction des émissions pour les Pays Industrialisés tout en mettant en avant : (i) les risques de renforcement des disparités régionales et sectorielles en matières de capacités installées ; (ii) et les risques d'accentuation des comportements opportunistes dans la répartition des crédits entre agents économiques

Ces travaux visent à évaluer la possibilité technique, la performance énergétique et la compétitivité économique d'un procédé Power-to-SNG dans le contexte actuel et à déterminer si la réversibilité en mode Gas-to-Power est pertinente tant énergétiquement qu'économiquement, ce type de procédé étant proposé comme une solution à l'intégration des ressources renouvelables dans le mix énergétique. Les grandes étapes identifiées pour le procédé Power-to-SNG sont l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène, l'hydrogénation du dioxyde de carbone pour la production de méthane et une étape de mise aux spécifications pour satisfaire aux exigences de composition pour l'injection sur le réseau de gaz naturel. La technologie retenue pour l'électrolyse est celle des cellules à oxydes solides SOEC s'appliquant à la vapeur d'eau. L'étude énergétique du procédé Power-to-SNG réalisée par simulation avec ProsimPlus 3 montre que le couplage thermique entre la méthanation et l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température est pertinent, l'efficacité du procédé atteignant 75,8 % sur PCS. Concernant le procédé Gas-to-Power, il est choisi de fonctionner en pression afin de mettre en œuvre des cycles thermodynamiques complémentaires. Le choix d'alimenter la pile à combustible en hydrogène pur pour des aspects de réversibilité conduit à des limitations sur l'efficacité énergétique du procédé qui, au mieux, vaut 44,6 %. L'analyse économique des procédés Power-to-SNG et réversible est basée sur les résultats de simulations et fait appel à des performances électrochimiques observées lors de travaux expérimentaux sur monocellule avec pour point de fonctionnement un fort taux de conversion à la tension thermoneutre. Cela permet de proposer un coût actualisé du SNG produit par le procédé Power-to-SNG et un coût de l'électricité produite par le procédé réversible en considérant un couple performance électrochimique - valeur de dégradation associée cohérent et en accord avec une conduite industrielle. L'investissement et le coût d'exploitation de ces installations sont importants, conduisant à coût actualisé de l'électricité restituée au réseau électrique élevé, cela étant accentué par l'investissement supplémentaire dû à la fonction Gas-to-Power à l'installation Power-to-SNG
The present work focuses on a Power-to-SNG process, especially on its energy efficiency and its economic competitiveness in the current context. It also aims at determining if the reversibility with a Gas-to-Power working mode is interesting from energy and financial considerations. The main steps required into a Power-to-SNG process, identified thanks to a review of the state of the art, are steam electrolysis for hydrogen production, followed by methane production thanks to the Sabatier reaction and a final step of gas purification to meet the composition requirements for gas network injection. Here, electrolysis is led into solid oxide cells. Power-to-SNG process simulations, led with ProsimPlus 3, indicate that the thermal coupling between methanation and the generation of steam to feed the electrolyzer is pertinent, the process energy efficiency achieving 75.8%. Concerning the Gas-to-Power process, its solid oxide fuel cell is pressurized to use additional thermodynamic cycles. The fuel cell is fed with pure hydrogen stream due to reversibility considerations, this limiting the energy efficiency, which highest value here is evaluated at 44.6%. The economic analysis includes experimental based data concerning electrochemical performances and degradation. They are obtained on a commercial cell tested at the thermoneutral voltage with a high steam conversion rate, these conditions being close to what can be expected for industrial process. They are used to calculate the levelized cost of the SNG produced by the Power-to-SNG process and the levelized cost of electricity produced by the reverse process. Investment and operating cost of these processes are important, leading to a high levelized cost of electricity. In the conditions of this study, adding the Gas-to-Power working mode to a Power-to-SNG process is not economically pertinent

Compte tenu du caractère non durable des systèmes énergétiques actuel, il est nécessaire d'engager une transition énergétique durable fondée sur les ressources d'énergies renouvelables. L'hydrogène produit à partir des énergies renouvelables offre une solution prometteuse pour satisfaire les objectifs mondiaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre et assurer une sécurité énergétique d'approvisionnement. L'utilisation d'un vecteur énergétique tel que l'hydrogène couplé aux ressources renouvelables offre une variété d'avantages sur plusieurs échelles. L'hydrogène a le potentiel de permettre l'exploitation des ressources renouvelables dans le secteur de transport. En effet, l'hydrogène dispose d'un potentiel de remplacer les carburants fossiles, assurant ainsi une réduction des émissions polluantes. L'hydrogène peut être alors une solution pour les défis énergétiques actuels, mais pour cela des barrières doivent être encore surmontées. Cette transition s'accompagne de plusieurs défis qui devraient être surmontés comme ceux liés aux caractères intermittents des ressources renouvelables. Une attention particulière doit être accordée à la faisabilité technique de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène, qui est principalement entourée par le caractère intermittent des ressources renouvelables. Par ailleurs, l'infrastructure d'hydrogène présente de nombreuses difficultés qui doivent être surmontées pour une transition réussite vers une économie dépendante de l'hydrogène. Ces difficultés sont principalement dues à des obstacles purement économiques ainsi qu'à l'existence de nombreuses options technologiques pour la production, le stockage, le transport et l'utilisation d'hydrogène. Pour cette raison principale, il est primordial de comprendre et d'analyser la chaîne logistique d'hydrogène à l'avance, afin de détecter les facteurs importants qui peuvent jouer un rôle croissant dans l'élaboration d'une configuration optimale. Notre recherche est essentiellement focalisée sur la question suivante : Comment mettre en place un futur énergétique durable intégrant les énergies renouvelables et l'hydrogène?. Cette question est abordée par le biais du développement de nouveaux systèmes énergétiques fondés sur des innovations radicales. Ainsi, dans quel contexte l'infrastructure de l'hydrogène doit être développée en intégrant les critères liés aux risques de l'hydrogène?

L'objectif de ces travaux de thèse était de concevoir et de développer un outil de simulation et d'optimisation multicritères de centrales couplant des sources d'énergies renouvelables (EnR) et des moyens de stockage. L'optimisation porte sur le dimensionnement de l'installation (taille des unités de production EnR et de stockage) et sur la ou les stratégies de gestion de la centrale EnR-stockage selon des critères technico-économiques évalués par l'outil. L'originalité de l'outil développé réside dans la modularité de définition de l'architecture EnR-stockage, dans la prise en compte de plusieurs niveaux de modélisation (échelle et précision) des différents composants du système et dans l'intégration du vieillissement. L'outil développé est également illustré sur des cas d'études afin d'apprécier sa pertinence.

Le risque est une propriété inhérente de chaque projet. En effet, tout projet est soumis, durant l’ensemble de son cycle de vie, à de nombreux risques qui sont d’origine interne et externe dont la maîtrise est un enjeu crucial pour la réussite du projet. Beaucoup d'outils de gestion des risques ont été développés, mais ont la faiblesse récurrente de ne représenter que le projet et traitent le risque de façon isolée. Les risques affectant le projet et étant générés par ce dernier, il est nécessaire de prendre en compte les nombreuses et complexes interactions entre projet, environnement et risques.Les travaux réalisés visent à mettre en place une méthode de gestion des risques inhérents aux projets en général et plus particulièrement aux projets du domaine compétitif des énergies renouvelables.Cette méthode s’appuie sur un cadre formel et des outils applicatifs permettant d’optimiser le management des risques liés au projet. En effet, un cadre de modélisation servant de support à la méthode et ayant pour but de faciliter la modélisation du projet en tant que système complexe a été déterminé. De plus, la représentation des interactions inhérentes au projet et la prise de décision ont été rendues possibles par la nature des attributs caractérisant les entités du projet et de son environnement, et les différents modèles d’évaluation, d’interprétation et de choix des alternatives. Cette méthode a été adaptée à la prise en compte des incertitudes inhérentes au projet et à son environnement. Pour cela, nous avons d’abord procédé à l’identification et à la description des incertitudes via la réalisation d’une base de connaissances relatives aux facteurs de risques et à la documentation des variables incertaines. Les incertitudes ont ensuite été formalisées, propagée et évaluées
Risk is an inherent property of each project. Indeed, any project faces, throughout its whole life cycle, numerous risks. Those risks can have an internal or an external origin. Be able to control risks is a crucial stake for the project success. Many risk management tools have been developed, but have the recurring weakness of representing only the project and treating the risk in isolation. Risks affect the project and are generated by the project itself. So, it is necessary to consider the numerous and complex interactions between project, environment and risks.The work carried out aims to develop a risk management method suitable for all types of projects and more particularly for projects of the competitive field of renewable energies.This method relies on a formal framework, as well as on application tools to optimize project risk management. Indeed, a modeling framework which supports the method and aims to facilitate the modeling of the project as a complex system has been developed. Moreover, the representation of the interactions and the decision making have been allowed by the nature of the attributes characterizing the entities of the project and its environment and the different models for evaluation, interpretation and selection of alternatives. This method was adapted to the uncertain context. For this purpose, uncertainties have been identified and described via the realization of a data base on risk factors. Then, uncertainties have been formalized, propagated and evaluated

La rareté de l'eau douce de bonne qualité pour l'humanité est un problème qui devient de plus aiguë (d'actualité). Les populations humaines croissantes ainsi que l'augmentation des activités industrielles et agricoles jouent un rôle majeur dans l'épuisement et la pollution des ressources en eau douce. Cette situation devient de plus en plus grave dans des pays disposant de ressources limites d'eau comme l'Arabie Saoudite qui est le plus grand pays au monde sans ressources naturelles d'eau douce. En même temps, l'Arabie saoudite est le troisième plus grand consommateur d'eau par habitant dans le monde. Pour remédier à cette pénurie d'eau douce, différentes technologies de dessalement d'eau de mer sont utilisées actuellement. Malgré plus de trente-deux usines de dessalement, le pays fait face à un défi de taille pour alimenter sa population avec eau en quantité suffisante (nécessaire). Dans ce contexte, en premier lieu, nous présentons un procédé pour produire la quantité requise d'eau, avec un impact minimum sur l'environnement, tout en maintenant sa bonne qualité. En outre, les possibilités pour l'utilisation des énergies alternatives pour réduire l'impact environnemental des besoins de dessalement sont examinées, ainsi que la pertinence des différents types d'énergie alternative qui pourraient être utilisés dans le cas particulier de l'Arabie Saoudite. L'analyse du cycle de vie (ACV) étant une méthode holistique de l'évaluation des impacts environnementaux des produits, a été utilisée pour évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement et en identifier les principales raisons de cet impact. A cet effet, une collaboration avec une usine de dessalement en Arabie Saoudite a été mise en place, soldée par de multiples visites sur place. Ces dernières nous ont permis de comprendre le processus de dessalement, recueillir des données nécessaires et considère les possibilités d'introduire des sources d'énergie alternatives pour alimenter l'usine de dessalement. Afin d'évaluer l'impact environnemental du processus de dessalement une ACV basée sur le logiciel SimaPro a été réalisée. Les résultats de l'étude ont montré que le choix le plus pertinent concernant la technologie de dessalement dans le contexte de l'Arabie Saoudite est l'Osmose inverse (RO). Le modèle LCA a également montré que l'électricité produite à partir de combustibles fossiles a été responsable de 92,8% des dommages environnementaux causés. En outre, l'étude a montré, que les solutions les plus appropriées pour approvisionner en électricité la technologie RO de dessalement sont l'énergie solaire et l'énergie éolienne au lieu du pétrole brut fossile actuellement utilisé. L'ACV a montré également que l'utilisation de l'énergie alternative comme source d'énergie au dessalement peut réduire considérablement l'impact environnemental
The scarcity of fresh water with enough (good) quality for human been is a problem which becomes more acute day by day. The increasing human populations along with increasing industrial and agricultural activities are adding more burden towered the depletion and pollution of fresh water resources. This situation becomes more serious in countries with limit water resources as Saudi Arabia which is the largest country in the world without natural fresh water resources. At the same time, Saudi Arabia is the third-largest per capita water consumer worldwide. To overcome the water shortage, sea water desalination technology has been used so far. Despite more than thirty-two desalination plants, the country faces a significant challenge to supply its population with the required amount of water. In this context, in the first place, this thesis presents a method for producing the required amount of water with minimal environmental impact while maintaining the required water quality need to be developed. Further, the possibilities of alternative energy in reducing the environmental impact from desalination needs are investigated, along with the suitability of different types of alternative energy that could be utilized in the particularly case of Saudi Arabia. Life cycle assessment (LCA) being a holistic method of assessing the environmental impacts of products it was used to assess the environmental impact of the desalination process and identifying the main reasons behind this damages. For this purpose, a collaboration with a desalination plant in Saudi Arabia was set up, which included visiting the plant several times. This allowed us to understand the desalination process, collect the required data and consider the possibilities of introducing alternative energy sources to power the desalination plants. In order to assess the environmental impact of the desalination process a LCA based on SimaPro software was performed. The results of the study showed that the most likely choice of desalination technology within the Saudi Arabian context is Reverse Osmosis (RO) desalination. The LCA model showed also that electricity produced from fossil fuel was the responsible of 92.8% of the environmental damages. Further, the most suitable alternatives to produce electricity to RO desalination are solar energy and wind energy instead of fossil crude oil. The LCA showed that using alternative energy as the source to supply electricity to desalination may substantially reduce the environmental impact

L'approvisionnement en énergie et le changement climatique représentent aujourd'hui deux problèmes remarquables qui doivent être surmontés par la société dans un contexte de croissance de la demande d'énergie. La reconnaissance de ces problèmes par l'opinion publique encourage la volonté politique de prendre différentes actions pour les surmonter de façon aussi rapide qu'efficace. Ces actions se basent sur l'augmentation de l'efficacité énergétique, la diminution de la dépendance sur les énergies fossiles et la réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, les systèmes électriques subissent des changements importants au niveau de leur planification et de leur gestion. D'une part, les structures verticalement intégrées sont en train d'être remplacées par des structures de marché d'électricité donnant naissance à plusieurs acteurs au niveau du fonctionnement des marchés et de la production, distribution et commercialisation d'électricité. D'autre part, les systèmes électriques qui se basaient sur la production d'énergie issue de grandes centrales génératrices voient arriver aujourd'hui la fin de vie de ces grandes centrales. Le rôle de la production répartie d'électricité à partir de technologies telles que l'éolien et le solaire devient de plus en plus important dans ce contexte. Cependant, l'intégration à grande échelle de ces types de ressources réparties pose plusieurs défis liés, par exemple, aux incertitudes associées à la variabilité de la production de ces ressources. Toutefois, des systèmes combinant des outils avancés de prédiction de l'éolien ou du solaire peuvent être combinés avec des éléments contrôlables tels que des moyens de stockage d'énergie, des turbines à gaz ou de la demande électrique contrôlable, peuvent être créés dans le but de réduire les impacts associés à ces incertitudes. Ce travail de thèse traite de la gestion, sous conditions de marché libéralisé d'électricité, de ce type de systèmes qui fonctionnent comme des sociétés indépendantes qui sont ici nommées cellules des systèmes électriques. À partir de la bibliographie existante, une vision unifiée des problèmes de gestion des systèmes électriques est proposée comme un premier pas vers la gestion d'ensembles de cellules des systèmes électriques dans un cadre de gestion multi-cellule. Des méthodologies pour la gestion journalière et optimale de ce type de cellules sont proposées, discutées et évaluées dans un cadre à la fois déterministe et stochastique, ce dernier intégrant dans le processus de gestion les incertitudes liées au problème. Les résultats obtenus montrent que l'utilisation des approches proposées peut conduire à des avantages importants pour les opérateurs chargés de la gestion de cellules des systèmes électriques.

Les systèmes photovoltaïques organiques sont des technologies émergentes présentant de forts potentiels d’économie de ressources et de réduction des impacts sur l'environnement et la santé humaine par rapport aux dispositifs photovoltaïques conventionnels. La méthode de l’analyse du cycle de vie est appliquée afin d'évaluer la façon dont les différents procédés de fabrication, les caractéristiques des dispositifs, la phase d’utilisation et les scénarios de fin de vie des cellules photovoltaïques organiques influent sur ces avantages potentiels. Les impacts de cette technologie émergente sont comparés aux technologies conventionnelles à base de silicium pour établir un référentiel de performance des technologies photovoltaïques.En outre, les effets potentiels sur la santé humaine de l'utilisation de nanomatériaux dans les cellules photovoltaïques organiques ont été spécifiquement étudiés ; et la pertinence de l’analyse du cycle de vie pour évaluer cette catégorie d’impact a été examinée. Ainsi, un nouveau modèle d'évaluation de l'impact sur le cycle de vie est présenté afin de quantifier les dangers potentiels posés par les nanomatériaux. Enfin,ces impacts potentiels sont comparés aux avantages des cellules photovoltaïques organiques sur les cellules à base de silicium
Organic photovoltaics present an emerging technology with significant potential for increasing the resource efficiencies and reducing the environmental and human health hazards of photovoltaic devices. The discipline of life-cycle assessment is applied to assess how various prospective manufacturing routes, device characteristics, uses and disposal options of organic photovoltaics influences these potential advantages. The results of this assessment are further compared to silicon based photovoltaics as a benchmark for performance. A deeper look is given to the potential human health impacts of the use of engineered nanomaterials in organic photovoltaics and the appropriateness of life-cycle assessment to evaluate this impact criteria. A newly developed life-cycle impact assessment model is presented to demonstrate whether the use of and potential hazards posed by engineered nanomaterials outweighs any of the resource efficiencies and advantages organic photovoltaics possess over silicon photovoltaics

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.

Il est prévu que la génération distribuée par l’entremise d’énergie de sources renouvelables (DG) continuera à jouer un rôle clé dans le développement et l’exploitation des systèmes de puissance électrique durables, efficaces et fiables, en vertu de cette fournit une alternative pratique de décentralisation et diversification de la demande globale d’énergie, bénéficiant de sources d’énergie plus propres et plus sûrs. L’intégration de DG renouvelable dans les réseaux électriques existants pose des défis socio–technico–économiques, qu’ont attirés de la recherche et de progrès substantiels.Dans ce contexte, la présente thèse a pour objet la conception et le développement d’un cadre de modélisation, simulation et optimisation pour l’intégration de DG renouvelable dans des réseaux de puissance électrique existants. Le problème spécifique à considérer est celui de la sélection de la technologie,la taille et l’emplacement de des unités de génération renouvelable d’énergie, sous des contraintes techniques, opérationnelles et économiques. Dans ce problème, les questions de recherche clés à aborder sont: (i) la représentation et le traitement des variables physiques incertains (comme la disponibilité de les diverses sources primaires d’énergie renouvelables, l’approvisionnement d’électricité en vrac, la demande de puissance et l’apparition de défaillances de composants) qui déterminent dynamiquement l’exploitation du réseau DG–intégré, (ii) la propagation de ces incertitudes sur la réponse opérationnelle du système et le suivi du risque associé et (iii) les efforts de calcul intensif résultant du problème complexe d’optimisation combinatoire associé à l’intégration de DG renouvelable.Pour l’évaluation du système avec un plan d’intégration de DG renouvelable donné, un modèle de calcul de simulation Monte Carlo non–séquentielle et des flux de puissance optimale (MCS–OPF) a été conçu et mis en oeuvre, et qui émule l’exploitation du réseau DG–intégré. Réalisations aléatoires de scénarios opérationnels sont générés par échantillonnage à partir des différentes distributions des variables incertaines, et pour chaque scénario, la performance du système est évaluée en termes économiques et de la fiabilité de l’approvisionnement en électricité, représenté par le coût global (CG) et l’énergie non fournie (ENS), respectivement. Pour mesurer et contrôler le risque par rapport à la performance du système, deux indicateurs sont introduits, la valeur–à–risque conditionnelle(CVaR) et l’écart du CVaR (DCVaR).Pour la sélection optimale de la technologie, la taille et l’emplacement des unités DG renouvelables,deux approches distinctes d’optimisation multi–objectif (MOO) ont été mis en oeuvre par moteurs de recherche d’heuristique d’optimisation (HO). La première approche est basée sur l’algorithme génétique élitiste de tri non-dominé (NSGA–II) et vise à la réduction concomitante de l’espérance mathématique de CG et de ENS, dénotés ECG et EENS, respectivement, combiné avec leur valeurs correspondent de CVaR(CG) et CVaR(ENS); la seconde approche effectue un recherche à évolution différentielle MOO (DE) pour minimiser simultanément ECG et s’écart associé DCVaR(CG). Les deux approches d’optimisation intègrent la modèle de calcul MCS–OPF pour évaluer la performance de chaque réseau DG–intégré proposé par le moteur de recherche HO.Le défi provenant de les grands efforts de calcul requises par les cadres de simulation et d’optimisation proposée a été abordée par l’introduction d’une technique originale, qui niche l’analyse de classification hiérarchique (HCA) dans un moteur de recherche de DE.Exemples d’application des cadres proposés ont été élaborés, concernant une adaptation duréseau test de distribution électrique IEEE 13–noeuds et un cadre réaliste du système test de sous–transmission et de distribution IEEE 30–noeuds. [...]
Renewable distributed generation (DG) is expected to continue playing a fundamental role in the development and operation of sustainable, efficient and reliable electric power systems, by virtue of offering a practical alternative to diversify and decentralize the overall power generation, benefiting from cleaner and safer energy sources. The integration of renewable DG in the existing electric powernetworks poses socio–techno–economical challenges, which have attracted substantial research and advancement.In this context, the focus of the present thesis is the design and development of a modeling,simulation and optimization framework for the integration of renewable DG into electric powernetworks. The specific problem considered is that of selecting the technology, size and location of renewable generation units, under technical, operational and economic constraints. Within this problem, key research questions to be addressed are: (i) the representation and treatment of the uncertain physical variables (like the availability of diverse primary renewable energy sources, bulk–power supply, power demands and occurrence of components failures) that dynamically determine the DG–integrated network operation, (ii) the propagation of these uncertainties onto the system operational response and the control of the associated risk and (iii) the intensive computational efforts resulting from the complex combinatorial optimization problem of renewable DG integration.For the evaluation of the system with a given plan of renewable DG, a non–sequential MonteCarlo simulation and optimal power flow (MCS–OPF) computational model has been designed and implemented, that emulates the DG–integrated network operation. Random realizations of operational scenarios are generated by sampling from the different uncertain variables distributions,and for each scenario the system performance is evaluated in terms of economics and reliability of power supply, represented by the global cost (CG) and the energy not supplied (ENS), respectively.To measure and control the risk relative to system performance, two indicators are introduced, the conditional value–at–risk (CVaR) and the CVaR deviation (DCVaR).For the optimal technology selection, size and location of the renewable DG units, two distinct multi–objective optimization (MOO) approaches have been implemented by heuristic optimization(HO) search engines. The first approach is based on the fast non–dominated sorting genetic algorithm(NSGA–II) and aims at the concurrent minimization of the expected values of CG and ENS, thenECG and EENS, respectively, combined with their corresponding CVaR(CG) and CVaR(ENS) values; the second approach carries out a MOO differential evolution (DE) search to minimize simultaneously ECG and its associated deviation DCVaR(CG). Both optimization approaches embed the MCS–OPF computational model to evaluate the performance of each DG–integrated network proposed by the HO search engine. The challenge coming from the large computational efforts required by the proposed simulation and optimization frameworks has been addressed introducing an original technique, which nests hierarchical clustering analysis (HCA) within a DE search engine. Examples of application of the proposed frameworks have been worked out, regarding an adaptation of the IEEE 13 bus distribution test feeder and a realistic setting of the IEEE 30 bussub–transmission and distribution test system. The results show that these frameworks are effectivein finding optimal DG–integrated networks solutions, while controlling risk from two distinctperspectives: directly through the use of CVaR and indirectly by targeting uncertainty in the form ofDCVaR. Moreover, CVaR acts as an enabler of trade–offs between optimal expected performanceand risk, and DCVaR integrates also uncertainty into the analysis, providing a wider spectrum ofinformation for well–supported and confident decision making

L’énergie éolienne en mer connaît une croissance forte. Sa compétitivité économique, mesurée par le LCOE (coût d’énergie actualisé), n’a pas encore atteint celle de l’éolien terrestre. Le coût du raccordement électrique affecte cette compétitivité. Selon la distance et la puissance de la ferme, un panel important d’architectures et technologies de réseau de raccordement peut être considéré (AC ou DC etc..). L’objectif de cette thèse est de fournir un cadre méthodologique décisionnel pour l’évaluation et la planification d’architecture du réseau de raccordement.L’évaluation des architectures repose sur les calculs des énergies annuelles dissipée dans le réseau, des coûts d’investissement du réseau et de l’énergie non distribuée en lien avec la fiabilité du réseau. Pour calculer ces quantités, des modèles et méthodes de calculs sont proposés. Il apparaît néanmoins nécessaire d’évaluer et de comparer des architectures ayant des dimensionnements optimaux. Ainsi, une formulation du problème de dimensionnement du réseau est proposée. La formulation est générique vis-à-vis des différentes architectures considérées. Une méthode de résolution heuristique rapide donnant des solutions quasi-optimale est mise en œuvre. L’environnement d’aide à la décision qui permet le dimensionnement puis l’évaluation d’une architecture est mis en œuvre sur plusieurs cas d’application incluant des architectures très différentes. Finalement, une méthode probabiliste analytique est proposée afin de prendre en compte les incertitudes sur les modèles et leurs propagations aux critères de décision
Offshore wind power is quickly developing. Its cost-effectiveness, measured with the LCOE (Levelized cost of Energy) has not reached the one of onshore wind power yet. The cost of electrical connection impacts this cost-effectiveness. Depending on the distance to the onshore grid, many possibilities of architectures and associated technologies can be considered for this connection network (AC, DC etc.). The goal of this research is to provide a decision support framework for the assessment and the planning of architectures for electrical connecting networks.The architecture assessment relies on the calculations of the annual energy dissipated through the network, of the investment costs and of the annual energy curtailed due to the network unavailability. To compute these quantities, models and methods are proposed.It appears that to compare architectures, these must be have near optimal designs? Thus, a formulation of the electrical network design optimization is proposed. The formulation is generic in regard to the various architectures which are considered. A quick heuristic solving approach which gives near optimal solutions is proposed and implemented.The decision support framework makes it possible the design and the assessment of an architecture and is applied to two very different architectures. Finally, a probabilistic analytical method is proposed to take into account the models uncertainties and to study their propagation to the decision criteria

Cette thèse utilise la mathématique et la théorie de l'économie financière pour étudier la gestion de la pollution, la valeur d'une centrale électrique thermique et le prix d'une ressource naturelle non renouvelable. Elle est composée de trois essais. Le premier essai analyse la décision d'investir afin de réduire les émissions d'un polluant de type stock sous deux types d'incertitude : économique (ce qui rend les émissions stochastiques car elles sont une conséquence de l’activité économique) et environnementale (ce qui affecte directement le stock de polluant). La littérature économique récente semble indiquer qu'en présence d'incertitude et de coûts irréversibles, l'action d’investir devrait être retardée. Nous utilisons des concepts de la théorie des options réelles et formulons ce problème de planificateur central comme un problème d'arrêt optimal en temps continu. Nous dérivons la règle d'arrêt correspondante et montrons que lorsque l'incertitude environnementale ou économique est suffisamment élevée, il est optimal d'investir immédiatement pour réduire les émissions. Ces résultats ont des implications sur la gestion des stocks de polluant stock, notamment pour la gestion des gaz à effet de serre. Le second essai s’appuie sur la théorie des options réelles pour évaluer la valeur d’une centrale électrique dans un marché déréglementé. Ce travail est motivé par la vague de déréglementation qui a sévi récemment dans le secteur de l'électricité. La littérature existante cherche plutôt à trouver la valeur d'option de vente d'une certaine quantité d'électricité à un moment donné dans le futur ou modélise la décision d'opérer une centrale électrique par simulation. Notre formulation considère qu'une usine de production d'électricité peut être dans deux états (à l'arrêt ou en fonctionnement); dans chaque état, la firme possède une option « call américaine » sur l'autre état et le passage d'un état à l'autre est coûteux. Nous supposons que le « spark spread » suit un processus de retour à la moyenne avec changements de régime et nous utilisons des données du marché californien pour notre application empirique. Nous montrons qu'avec la prise en compte des coûts de suspension et de génération d'électricité, il y a un effet d'hystérésis: les seuils de spark spread pour les décisions de produire et d'arrêter la production diffèrent. Nous utilisons ensuite ces règles de fonctionnement à court terme dans une méthodologie basée sur des simulations Monte Carlo pour estimer la valeur de la centrale. Le troisième essai rend plus générale la formulation du modèle de Gaudet et Khadr (1991) en considérant une fonction d'utilité non espérée afin de dériver une généralisation de la règle d'Hotelling. Alors que dans le cadre de l'utilité espérée la différence entre le taux de rendement espéré de l'actif risqué (la ressource non renouvelable) et celui d'un actif certain égale une prime de risque qui ne dépend que du coefficient d'aversion relative au risque et de la covariance entre la consommation et le rendement de l'actif risqué, cela n'est plus vrai avec notre fonction d'utilité plus générale. Nous montrons que la prime de risque dépend alors aussi de l'élasticité de substitution intertemporelle (qui n'est plus nécessairement égale à l'inverse du coefficient d'aversion relative au risque), de l'incertitude de l'utilité indirecte et de l'incertitude de l'utilité marginale de la richesse. La prise en compte de ces paramètres additionnels peut avoir des conséquences importantes. Supposons en effet que l'élasticité de substitution intertemporelle soit suffisamment élevée et que l'incertitude de l'utilité indirecte soit suffisamment faible relativement à celle de l'utilité marginale de la richesse. Alors, même si le consommateur est riscophobe et si la covariance entre la consommation et le rendement de la ressource non renouvelable est positive, il est possible que le consommateur exige une prime pour détenir l'actif risqué. Le taux de rendement espéré de ce dernier est inférieur au taux de rendement certain. Ce résultat est bien entendu exclu dans le cas de l'utilité espérée.
Cette thèse utilise la mathématique et la théorie de l'économie financière pour étudier la gestion de la pollution, la valeur d'une centrale électrique thermique et le prix d'une ressource naturelle non renouvelable. Elle est composée de trois essais. Le premier essai analyse la décision d'investir afin de réduire les émissions d'un polluant de type stock sous deux types d'incertitude : économique (ce qui rend les émissions stochastiques car elles sont une conséquence de l’activité économique) et environnementale (ce qui affecte directement le stock de polluant). La littérature économique récente semble indiquer qu'en présence d'incertitude et de coûts irréversibles, l'action d’investir devrait être retardée. Nous utilisons des concepts de la théorie des options réelles et formulons ce problème de planificateur central comme un problème d'arrêt optimal en temps continu. Nous dérivons la règle d'arrêt correspondante et montrons que lorsque l'incertitude environnementale ou économique est suffisamment élevée, il est optimal d'investir immédiatement pour réduire les émissions. Ces résultats ont des implications sur la gestion des stocks de polluant stock, notamment pour la gestion des gaz à effet de serre. Le second essai s’appuie sur la théorie des options réelles pour évaluer la valeur d’une centrale électrique dans un marché déréglementé. Ce travail est motivé par la vague de déréglementation qui a sévi récemment dans le secteur de l'électricité. La littérature existante cherche plutôt à trouver la valeur d'option de vente d'une certaine quantité d'électricité à un moment donné dans le futur ou modélise la décision d'opérer une centrale électrique par simulation. Notre formulation considère qu'une usine de production d'électricité peut être dans deux états (à l'arrêt ou en fonctionnement); dans chaque état, la firme possède une option « call américaine » sur l'autre état et le passage d'un état à l'autre est coûteux. Nous supposons que le « spark spread » suit un processus de retour à la moyenne avec changements de régime et nous utilisons des données du marché californien pour notre application empirique. Nous montrons qu'avec la prise en compte des coûts de suspension et de génération d'électricité, il y a un effet d'hystérésis: les seuils de spark spread pour les décisions de produire et d'arrêter la production diffèrent. Nous utilisons ensuite ces règles de fonctionnement à court terme dans une méthodologie basée sur des simulations Monte Carlo pour estimer la valeur de la centrale. Le troisième essai rend plus générale la formulation du modèle de Gaudet et Khadr (1991) en considérant une fonction d'utilité non espérée afin de dériver une généralisation de la règle d'Hotelling. Alors que dans le cadre de l'utilité espérée la différence entre le taux de rendement espéré de l'actif risqué (la ressource non renouvelable) et celui d'un actif certain égale une prime de risque qui ne dépend que du coefficient d'aversion relative au risque et de la covariance entre la consommation et le rendement de l'actif risqué, cela n'est plus vrai avec notre fonction d'utilité plus générale. Nous montrons que la prime de risque dépend alors aussi de l'élasticité de substitution intertemporelle (qui n'est plus nécessairement égale à l'inverse du coefficient d'aversion relative au risque), de l'incertitude de l'utilité indirecte et de l'incertitude de l'utilité marginale de la richesse. La prise en compte de ces paramètres additionnels peut avoir des conséquences importantes. Supposons en effet que l'élasticité de substitution intertemporelle soit suffisamment élevée et que l'incertitude de l'utilité indirecte soit suffisamment faible relativement à celle de l'utilité marginale de la richesse. Alors, même si le consommateur est riscophobe et si la covariance entre la consommation et le rendement de la ressource non renouvelable est positive, il est possible que le consommateur exige une prime pour détenir l'actif risqué. Le taux de rendement espéré de ce dernier est inférieur au taux de rendement certain. Ce résultat est bien entendu exclu dans le cas de l'utilité espérée.
Using tools from mathematical finance and economic theory, this thesis studies the impact of uncertainty and irreversibility on decision-making related to the management of pollution, energy production, and the extraction of a non-renewable resource. It consists of three essays. The first essay analyzes the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant under two types of uncertainty: economic (emissions are stochastic because of changes in economic activity) and environmental (which affects directly the stock of pollutant). A number of recent papers find that the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant should be delayed in the presence of sunk costs and uncertainty. Using concepts from the theory of Real Options, we formulate a social planning problem in continuous time, derive the corresponding optimal stopping rule, and show that when economic or environmental uncertainty is large enough, it is optimal to invest immediately to reduce emissions. These results have implications for the management of stock pollutants and particularly for global warming. The second essay is concerned with the valuation of energy generating assets in a deregulated electricity market. The recent wave of deregulation initiatives in the electricity industry has created the need to value energy-generating assets in an uncertain environment in order to facilitate their sale. However, a number of authors have noted discrepancies between valuations predicted by a conventional cost-benefit approach and observed transactions. In this chapter, I analyze the importance of explicitly accounting for technological constraints in the generation process by modeling the decision to start and stop the production of electricity by a gas-powered plant. With the inclusion of these constraints, the generator may be in two different states, idle or generating electricity. In either state its operator has a call option to switch to the other state. These options depend on the spark spread (the difference between the price of electricity and the price of the fuel used to generate it, adjusted for equivalent units), which is assumed to follow a mean reverting process with regime changes. I use data from the California deregulated market to estimate the thresholds for starting and stopping production. These results are entered in a simple simulation framework to estimate the value of the electricity-generating asset in a competitive market. I find significant differences between a standard cost-benefit analysis and this Real Options approach. In my third essay, I derive a testable form of the price dynamics of a non-renewable natural resource in the context of a general equilibrium portfolio choice model where the representative agent has a non-expected utility function. The non-renewable nature of the resource introduces an element of irreversibility in the portfolio choice. An analog of Hotelling's rule is derived. In an expected utility framework, the difference between the rate of return of the risky asset (the non-renewable resource) and that of the riskless one equals a risk premium that depends only on the coefficient of relative risk aversion and the covariance between consumption and the return of the risky asset. I show that with this more general specification of the utility function, the risk premium depends also on the instantaneous elasticity of substitution (IES, which is not necessarily equal to the inverse of the coefficient of relative risk aversion), the uncertainty of the indirect utility function and the uncertainty of the marginal utility of wealth. These results have important consequences. If the IES is large enough and if the uncertainty of the indirect utility function is small enough, a risk-averse consumer may be willing to pay a premium to hold the risky asset even though the covariance between its return and consumption is positive. This case is of course excluded in the expected utility framework.
Using tools from mathematical finance and economic theory, this thesis studies the impact of uncertainty and irreversibility on decision-making related to the management of pollution, energy production, and the extraction of a non-renewable resource. It consists of three essays. The first essay analyzes the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant under two types of uncertainty: economic (emissions are stochastic because of changes in economic activity) and environmental (which affects directly the stock of pollutant). A number of recent papers find that the decision to invest to reduce the emissions of a stock pollutant should be delayed in the presence of sunk costs and uncertainty. Using concepts from the theory of Real Options, we formulate a social planning problem in continuous time, derive the corresponding optimal stopping rule, and show that when economic or environmental uncertainty is large enough, it is optimal to invest immediately to reduce emissions. These results have implications for the management of stock pollutants and particularly for global warming. The second essay is concerned with the valuation of energy generating assets in a deregulated electricity market. The recent wave of deregulation initiatives in the electricity industry has created the need to value energy-generating assets in an uncertain environment in order to facilitate their sale. However, a number of authors have noted discrepancies between valuations predicted by a conventional cost-benefit approach and observed transactions. In this chapter, I analyze the importance of explicitly accounting for technological constraints in the generation process by modeling the decision to start and stop the production of electricity by a gas-powered plant. With the inclusion of these constraints, the generator may be in two different states, idle or generating electricity. In either state its operator has a call option to switch to the other state. These options depend on the spark spread (the difference between the price of electricity and the price of the fuel used to generate it, adjusted for equivalent units), which is assumed to follow a mean reverting process with regime changes. I use data from the California deregulated market to estimate the thresholds for starting and stopping production. These results are entered in a simple simulation framework to estimate the value of the electricity-generating asset in a competitive market. I find significant differences between a standard cost-benefit analysis and this Real Options approach. In my third essay, I derive a testable form of the price dynamics of a non-renewable natural resource in the context of a general equilibrium portfolio choice model where the representative agent has a non-expected utility function. The non-renewable nature of the resource introduces an element of irreversibility in the portfolio choice. An analog of Hotelling's rule is derived. In an expected utility framework, the difference between the rate of return of the risky asset (the non-renewable resource) and that of the riskless one equals a risk premium that depends only on the coefficient of relative risk aversion and the covariance between consumption and the return of the risky asset. I show that with this more general specification of the utility function, the risk premium depends also on the instantaneous elasticity of substitution (IES, which is not necessarily equal to the inverse of the coefficient of relative risk aversion), the uncertainty of the indirect utility function and the uncertainty of the marginal utility of wealth. These results have important consequences. If the IES is large enough and if the uncertainty of the indirect utility function is small enough, a risk-averse consumer may be willing to pay a premium to hold the risky asset even though the covariance between its return and consumption is positive. This case is of course excluded in the expected utility framework.

La transition énergétique nécessite une évolution des structures productives et financières afin de développer, financer et déployer des actifs peu intensifs en carbone. S’appuyant sur une approche historique et prospective, cette thèse propose quatre essais contribuant à l’analyse de la soutenabilité d’une telle transition sous une approche structurelle. Le premier chapitre se concentre sur le rôle de l’énergie dans la croissance à long terme lors de la révolution industrielle. Nous montrons qu’une fois pris en compte le capital humain, le progrès technique et la démographie, l’énergie apparaît davantage comme un catalyseur que comme une cause profonde de la croissance moderne. Ces résultats suggèrent qu’une croissance économique non dépendante des ressources fossiles serait réalisable, mais qu’elle pourrait présenter des coûts de transition importants, notamment en raison de la dépendance au sentier technologique. Les deux chapitres suivants portent sur l’arbitrage entre stabilité financière et soutenabilité climatique au niveau mondial. Nous montrons qu’un paquet de politiques climatiques volontaristes est nécessaire pour atteindre un sentier de croissance équilibré maitrisant ces deux risques. Le dernier chapitre traite de l’attitude des citoyens à travers l’étude du financement participatif des énergies renouvelables en France. Nous montrons que le cadre d’action politique est essentiel pour le succès d’un tel instrument, qui est pertinent pour diversifier et sensibiliser la base d’investisseurs. Ces derniers seraient avant tout guidés par leurs opinions sur la durabilité du secteur, la transparence des opportunités d’investissement et la perception des risques
Achieving the energy shift requires an evolution of the structural and financial structures to develop, finance, and deploy low-carbon assets. Based on a historical and prospective approach, this PhD thesis develops four essays devoted to an analysis of the viability of the energy shift within the framework of a structural approach. The first chapter focuses on the role of energy in long-term growth focusing on the industrial revolution. We show that, once human capital, technical progress and demography are taken into account, energy appears more as a catalyst than as a root cause of modern economic growth. These results suggest that non-fossil fuel-dependent growth may be possible, but that it may have potentially large transition costs, particularly because of the dependence on technological pathways. The second and third chapters address the trade-off between financial and climate sustainability at the global level. We show that a comprehensive and proactive set of climate policies is needed to achieve a balanced growth path and to control both risks. The last chapter deals with citizens’ attitudes towards renewable energy financing through the case of crowdfunding in France, a relevant instrument to diversify the investor base and raise awareness. We show that the policy framework is essential for the success of such instruments, as investors are mainly guided by their views on the sustainability of the sector, the transparency of investment opportunities and the perception of risks