Université de Montréal. Essais en économie de l environnement et des ressources naturelles sous incertitude. par Justin Johnson Kakeu Kengne - PDF

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Université de Montréal Essais en économie de l environnement et des ressources naturelles sous incertitude par Justin Johnson Kakeu Kengne Département de sciences économiques Faculté des arts et des sciences

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Université de Montréal Essais en économie de l environnement et des ressources naturelles sous incertitude par Justin Johnson Kakeu Kengne Département de sciences économiques Faculté des arts et des sciences Thèse présentée à la Faculté des arts et des sciences en vue de l obtention du grade de Philosophiæ Doctor (Ph.D.) en sciences économiques Septembre, 2010 c Justin Johnson Kakeu Kengne, 2010. Université de Montréal Faculté des arts et des sciences Cette thèse intitulée: Essais en économie de l environnement et des ressources naturelles sous incertitude présentée par: Justin Johnson Kakeu Kengne a été évaluée par un jury composé des personnes suivantes: Rui Castro, Gérard Gaudet, Benoit Perron, Marc Henry, John Livernois, Rui Castro, président-rapporteur directeur de recherche codirecteur membre du jury examinateur externe représentant du doyen de la FES Thèse acceptée le: 23 novembre 2010 RÉSUMÉ Cette thèse comprend trois essais en économie de l environnement et des ressources naturelles sous incertitude. Le premier essai propose un modèle de jeu différentiel qui analyse la pollution globale à travers la quête à l hégémonie politique entre pays. Le second essai utilise des données boursières pour estimer une version stochastique de la règle de Hotelling et ainsi inférer sur le rôle des ressources naturelles non renouvelables dans la diversification du risque. Le troisième essai montre comment la prise en compte des perspectives futures modifie la règle de Hotelling dans un contexte de diversification du risque. Mots clés: Hégémonie, Pollution, Ressources non renouvellables, Risque, Capitalisation boursière, Réserves prouvées, Perspectives futures, Utilité différentielle stochastique ABSTRACT My thesis is composed of three essays on environmental and natural resource economics under uncertainty. The first essay proposes a differential game analysis of the quest for hegemony among countries as a generator of global pollution. The second essay uses stock market data on market capitalization to estimate a stochastic version of the Hotelling rule of exhaustible resource exploitation and uses it to infer on the riskiness of investment in nonrenewable resources and its effect on the resource price paths. The third essay shows how uncertainty about future prospects modifies the Hotelling rule in a context of risk diversification. Keywords: Hegemony, Pollution, Exhaustible Natural Resource, Risk, Market Capitalization, Proven Reserves, Future Prospects, Stochastic Differential Utility TABLE DES MATIÈRES RÉSUMÉ iii ABSTRACT iv TABLE DES MATIÈRES v LISTE DES TABLEAUX viii LISTE DES FIGURES ix LISTE DES ANNEXES x DÉDICACE xi REMERCIEMENTS xii INTRODUCTION GÉNÉRALE CHAPITRE 1 : THE QUEST FOR HEGEMONY AMONG COUNTRIES AND GLOBAL POLLUTION Introduction The Model The hegemony game The equilibrium outcomes Equilibrium in a world of poorly-endowed countries Equilibrium in a world of richly-endowed countries Equilibria in a world of both poorly-endowed and richly-endowed countries Concluding remarks vi CHAPITRE 2 : ESTIMATION OF THE HOTELLING RULE FOR OIL AND FOR COAL UNDER STOCHASTIC INVESTMENT OPPORTUNITIES Introduction Gaudet and Khadr s stochastic Hotelling rule An econometric specification of the stochastic Hotelling rule Market capitalization and the rate of return on the in-situ resource stocks The data Oil Coal The risk free rate Estimating the stochastic Hotelling rule The short-run betas and the long-run beta for the in situ oil asset The short-run betas and long-run beta for the in situ coal asset Concluding comments CHAPITRE 3 : FUTURE PROSPECTS AND THE MANAGEMENT OF NATURAL RESOURCE ASSETS Introduction Stochastic differential utility The model The Gaudet-Khadr framework The investment decision with a stochastic differential utility The Hotelling rule with stochastic differential utility Concluding remarks CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE I.1 List of oil and coal companies xiii I.2 The confidence interval for the long-run beta xv vii I.2.1 Bootstrap Fieller confidence interval xvi I.2.2 Bootstrap Delta confidence interval xvi II.1 The derivation of equation (3.22) xix II.2 The derivation of equation (3.25) xix LISTE DES TABLEAUX I.I Sample of oil Companies xiii I.II Sample of Coal mining Companies xv LISTE DES FIGURES 1.1 The best response function of a poorly-endowed country The best response function of a richly-endowed country The equilibrium with N poorly-endowed countries Unique zero-emission equilibrium with N richly-endowed countries Three equilibria with N richly-endowed countries Equilibria in a world composed of poorly-endowed and richly-endowed countries Growth rate of the market capitalization of oil companies Growth rate of the oil world proved reserves Proxy of the cumulative returns of the oil in the ground (R oil t ) Growth rate of the market capitalization of coal companies Growth rate of the coal world proved reserves Proxy of the cumulative returns of the coal in the ground (R coal t ) One-month U.S Treasury bill Growth rate of per-capita consumption Short-run beta for in situ oil over the period 1959(2) to 2006(12) Short-run beta for in situ coal over the period 1985(2) to 2006(12)... 45 LISTE DES ANNEXES Annexe I: Appendix to Chapter xiii Annexe II: Appendix to Chapter xix A ma mère Françoise, mes sœurs et mes frères. A toutes ces personnes qui, parfois sans le savoir, influent positivement nos vies. A la femme de mon coeur. Justin Johnson Kakeu Kengne. REMERCIEMENTS Les mots me manquent pour exprimer ma gratitude au Professeur Gérard Gaudet. Durant le cheminement de cette thèse, j ai largement bénéficié de son expérience à travers ses commentaires et ses encouragements. Je lui en suis infiniment reconnaissant. Un grand merci à Messieurs Benoit Perron, Sidartha Gordon et Pierre Lasserre pour leurs commentaires et la qualité des cours qu ils nous ont prodigué. Merci à l Atelier d économie des ressources naturelles et de l environnement de Montréal. C est un cadre convivial de réflexion qui m a permis d être constamment en éveil aux évolutions de la recherche et de rencontrer de nombreux chercheurs venus d horizon diverses. Merci aux membres du Département de sciences économiques, en particulier Jocelyne Demers, Marie-Christine Thirion, Josée Lafontaine, Suzanne Larouche-Sidoti, Arianne Faucher-Gagnon, Micheline Coté, Ruth Charest, Carole Fournier, Pascal Martinolli, Denyse Rompré. Merci à Eric Momo Nzifack. Merci aux camarades pour ces nombreux moments de discussion sur des sujets variés. Merci au Québec et au Canada pour le climat idéal de travail et de réflexion qu ils offrent. INTRODUCTION GÉNÉRALE Cette thèse est composée de trois essais. Le premier essai part de l hypothèse que les pays, en acquérant plus de puissance économique, augmentent leur probabilité d atteindre la position hégémonique. La quête à l hégémonie est modélisée comme un jeu de course où les joueurs sont des pays différenciés par une dotation en capital qui génère un flux de rendement non polluant. Le niveau d émission d un pays est supposé relié à sa puissance économique tel que mesurée par le niveau de production. De l analyse, deux types de pays ressortent : les pays richement dotés, dont le rendement issu de leur dotation est plus grand que le rendement de la récompense en cas de succès dans la course à l hégémonie, et les pays pauvrement dotés, dont le rendement de la récompense en cas de succès dans cette course est plus grand que celui du flux de rendement issu de leur dotation. Nous montrons que dans un équilibre symétrique constitué de pays pauvrement dotés, le niveau d équilibre des émissions est plus grand que celui d un équilibre symétrique constitué de pays richement dotés. Dans un monde asymétrique constitué des deux types de pays, le niveau d émission d un pays pauvrement doté est supérieur au niveau d émission d un pays richement doté. Les simulations numériques indiquent que si on augmente le nombre de pays richement dotés tout en maintenant fixe le nombre total de pays, le niveau d équilibre de la pollution globale baisse ; si les dotations des pays pauvrement dotés sont accrues en laissant constante celles des pays richement dotés, la pollution globale diminue ; accroître les dotations des deux types de pays dans les mêmes proportions, et donc accroître la dotation moyenne dans la même proportion, baissera la pollution globale ; redistribuer des pays richement dotés vers les pays pauvrement dotés, tout en maintenant fixe la dotation moyenne, résultera en général en un accroissement du niveau d équilibre de la pollution globale. Le second essai est une étude empirique qui utilise les données sur la capitalisation boursière des compagnies minières pour estimer une version stochastique de la règle de Hotelling pour le pétrole, le gaz naturel et le charbon. Un lien formel entre le rendement d une unité de stock de ressource non renouvelable et la différence entre le taux de croissance de la capitalisation boursière des compagnies minières et celui des réserves 2 prouvées y est formellement établi. La base économique de ce travail est le modèle théorique de Gaudet and Khadr (1991), lequel offre un cadre théorique idéal permettant de connecter la théorie économique des ressources non renouvelables et l économie financière et par ailleurs d utiliser les outils de l économétrie financière pour cette estimation. Les données concernant les capitalisations boursières des entreprises opérant dans le secteur des ressources non renouvelables, et d autres données comme les rendements des bonds du trésor proviennent de la base de données CRSP qui est l une des sources de données historiques les plus complètes sur actions échangées sur le New York Stock Exchange, le Nasdaq et l AMEX. Les données sur les réserves mondiales de pétrole et de charbon proviennent du site web de la compagnie BP. Les données sur la consommation proviennent du site web de la Federal Reserve St Louis. L approche économétrique est basée sur l estimation des processus de diffusion en temps continu développé par Nowman (1997). Les résultats montrent qu investir dans des stocks de ces ressources naturelles peut constituer une assurance contre le risque du marché à long terme. Dans le troisième essai, je montre comment les perspectives relatives au futur (bonnes ou mauvaises) sont un facteur important pour la formulation de la règle d Hotelling dans un contexte de diversification du risque. J utilise les préférences récursives en temps continu de Duffie and Epstein (1992b) dans le modèle d économie des ressources naturelles de Gaudet et Khadr (1991). Je dérive une formulation générale de la règle de Hotelling qui comprend trois éléments : un élément d assurance comme dans le modèle de Gaudet et Khadr (1991), un élément relatif aux perspectives sur le futur, et un taux d actualisation endogène. En comparaison avec la tarification d un actif reproductible, il ressort que ce taux d actualisation endogène joue un rôle important dans la tarification des ressources non renouvelables. Il est montré comment cette composante relative aux perspectives futures influe sur le prix du marché de la ressource une fois extraite. Les implications de ces résultats pour les décisions d investissement dans les stocks de ressources naturelles en terre sont analysées. Gérard Gaudet est coauteur du premier essai. J en ai proposé l idée et la modélisation et j en ai fait les analyses. Le Professeur Gaudet a contribué à améliorer la structure de l article et la présentation finale des résultats. CHAPITRE 1 THE QUEST FOR HEGEMONY AMONG COUNTRIES AND GLOBAL POLLUTION 1.1 Introduction Concerns about global pollution in general and global warming in particular have led to a considerable body of literature. But an important question which has not yet been formally explored has to do with the relationship between the quest for hegemony and global pollution. Derived from the original Greek word hegemonia, which means leadership, hegemony can be seen as an institutionalized practice of special rights and responsibilities conferred on a state with the resources to lead the international system (Clark (2009)). Most historical ages are marked by the presence of a nation capable of dominating the course of international politics. Over the last five centuries, Portugal, the Netherlands, France, Britain, and the United States have played the hegemonic role Modelski (1987)). 1 The quest for hegemony can be viewed as a status-seeking game among countries which aspire to the hegemonic status and the important benefits that come with it. 2 A basic postulate widely accepted among experts of geopolitics is that relative power differences between states cause them to compete with one another for relative shifts in power and status. For centuries, military force was the main source of primacy in the international system. After the cold war and the advent of nuclear warfare, military force became a costly and risky means of attaining hegemony and economic force gained prominence as the major factor in determining the primacy or the subordination of states For discussions of the quest for hegemony among countries, see also Kennedy (1987), Black (2007) and Mosher (2002). 2. Weiss and Fershtman (1980) define status as a ranking of individuals (or groups of individuals) based on traits, assets and actions. On the subject of status seeking, see also Moldovanu et al. (2007). 3. To quote the political scientist Kenneth Waltz (Waltz 1993, p. 63 and p. 66) : Without a considerable economic capability, no state can hope to sustain a world role, as the fate of the Soviet Union has shown. and For a country to choose not to become a great power is a structural anomaly. For that reason, the choice is a difficult one to sustain. Sooner or later, usually sooner, the international status of countries It is safe to say that economic strength has become a necessary condition for attaining hegemony in the international system. After World War II, the United States, with half the world s gross national product, found itself in a uniquely strong position, much surpassing that of Britain at the height of its power in the nineteenth century, and played the leading role in the international state system. But in the last decades, the United States has been facing new global players, such as China, India and Brazil, who are making their presence felt in international affairs, largely due to the increasing power derived mostly from their expanding economies. 4 Those emerging economies are transforming the hegemony game into a multi-player game (Shenkar 2005, p. 162). But economic and ecological systems are deeply interlocked, in good part because most of the global pollution released into the atmosphere comes from the combustion of fossil fuels, which is a driving force of the economic system (see Stern (2007), Chombat (1998), Raupach et al. (2007)). Therefore, because economic activity impacts both global pollution and the hegemonic game, the world can be viewed as facing a conflict between the intensity of the hegemony game among countries and the reduction of global pollution. As has been noted by a former Science Advisor to the U.S. President : No realistic response to climate change can ignore the current geopolitical preoccupation with economic competition among nations (Marburger 2007, p. 5). To analyze this issue, this paper builds on the assumption that each country behaves in such a way as to improve, via its economic strength, the probability that it will attain the hegemonic position on the world stage. The quest for hegemony is modeled as a game, with countries being differentiated only by the return on some initial endowment has risen in step with their material resources. Countries with great-power economies have become great powers, whether or not reluctantly. Other political scientists, among them Samuel Huntington (p. 72 Huntington 1993), share this view : Economic activity [... ] is probably the most important source of power, and in a world in which military conflict between major states is unlikely, economic power will be increasingly important in determining the primacy or the subordination of states. The importance of the economic battle among hegemonic aspirants is also pointed out by the economist Lester Thurow (Thurow 1993, p. 65) : Those who control the world s largest market get to write the rules. That is as it always has been. When the United States had the world s largest market, it got to write the rules 4. See Shenkar (2005), Ikenberry (2008) and Elliott (2007). To quote Oded Shenkar (Shenkar 2005, p. 38) : China s economic aspirations are aligned strongly with its political ambitions, and the regime is aware more than most of the close connection between the two. 4 5 which yields a pollution-free flow of income. This return on endowment can be thought of as being related to the country s human capital and economic, social and political institutions. A country s level of pollution is assumed directly related to its economic strength, as measured by its level of production. Two types of countries are distinguished : richly-endowed countries, for whom the return on their endowment is greater than the return they can expect from winning the hegemony race, and poorly-endowed countries, who can expect a greater return from winning the race than from their endowment. As we will see, the latter, having more to gain, are more eager players in the hegemony race and will end up polluting more in equilibrium. The former are more content with the return they get from their endowment and end up polluting less. We may think of emerging economies such as China, India, Brazil and Russia as being in the category of poorly-endowed countries, whereas most North American and Western European countries would fall in the category of richly-endowed countries. We consider in sequence the equilibria in a world composed of only poorly-endowed countries, a world composed of only richly-endowed countries and a world in which both types of countries coexist. We show that in a symmetric world of poorly-endowed countries the equilibrium level of emissions is larger than in a symmetric world of richlyendowed countries : the former, being less well endowed to begin with, try harder to win the race. In the asymmetric world composed of both types of countries, there can be multiple equilibria. In all of those equilibria, the poorly-endowed countries will be polluting more than the richly-endowed countries. Numerical simulations show that if the number of richly-endowed countries is increased keeping the total number of countries constant, the equilibrium level of global emissions will decrease ; if the lot of the poorly-endowed countries is increased by increasing their initial endowment keeping that of the richly-endowed countries constant, global pollution will decrease ; increasing the endowments of each type of countries in the same proportion, and hence increasing the average endowment in that proportion, will decrease global pollution ; redistributing from the richly-endowed in favor of the poorly-endowed while keeping the average endowment constant will in general result in an increase in the equilibrium level of global pollution. 6 In the next section, we describe the main features of the model. Section 1.3 presents the hegemony game, which borrows some of its features from the patent-race literature (Reingamun (1982), Lee and Wilde (1980) and Loury (1979)). Section 1.4 analyzes the equilibria under the different scenarios described above and discusses the effect of various ways of modifying the distribution of endowments in the case where poorlyendowed and richly-endowed countries coexist.
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