ED n 396 : «Economie, Organisation et Société» T H E S E. pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS - PDF

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ED n 396 : «Economie, Organisation et Société» N attribué par la bibliothèque T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS Spécialité Économie et Finance

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ED n 396 : «Economie, Organisation et Société» N attribué par la bibliothèque T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS Spécialité Économie et Finance présentée et soutenue publiquement par Jun LI le 6 mars 2009 INSTRUMENTS DE POLITIQUES PUBLIQUES POUR LA MAITRISE DE L ENERGIE DANS LES PAYS EMERGENTS -LE CAS DE L HABITAT EN CHINE Directeur de thèse : Pierre- Noël Giraud devant le jury composé de : M. Jean-Charles HOURCADE... Président M. Michel COLOMBIER...Rapporteur M. Mindjid MAIZIA...Rapporteur M. Pierre-Noël GIRAUD...Examinateur M. Jérôme ADNOT...Examinateur Introduction et résumé 1 Contexte La Chine joue un rôle prépondérant en matière d émissions de gaz à effet de serre compte tenu de son poids démographique et de la structure de sa consommation d énergie. Le charbon couvre plus de 60% des besoins énergétiques de la Chine et assure 75% de la production d électricité, le principal secteur émetteur de gaz à effet de serre. La Chine représente 36.2% de la production mondiale de charbon en La contribution de la Chine aux émissions globales de CO 2 était de 13,9% en Selon le scénario de référence de l Agence Internationale de l Energie 2, les émissions de CO 2 de la Chine seraient de 11.4 Gt à l horizon 2030, la Chine a déjà dépassé les Etats-Unis et est devenue le premier émetteur mondial de gaz à effet de serre en La sécurité énergétique constitue un enjeu majeur pour le gouvernement chinois afin de ne pas brider la croissance économique du pays. Cette contrainte conduit le pays à diversifier son approvisionnement mais aussi à mettre l accent sur la maîtrise de l énergie, ce qu il a fait principalement jusqu à maintenant dans le secteur industriel. Dans un contexte de développement économique urbain rapide, le défi principal est de parvenir à maîtriser la qualité de ses infrastructures, afin de placer le pays sur une trajectoire de croissance sobre en énergie et en émissions de CO 2. Bref, il est important de comprendre comment un pays émergent tel que la Chine peut-il agir sur la qualité de ses infrastructures telles que l habitat ou encore son système énergétique? Dans quelle mesure des objectifs environnementaux peuvent-ils être tenus dans un contexte de développement urbain rapide? Quelle peut être la répartition des efforts entre les différents acteurs? Quels sont alors les instruments politiques susceptibles permettant aux acteurs d intégrer la problématique de l efficacité énergétique dans la construction de logements et dans le développement de son système d approvisionnement énergétique? 1 BP Statistical review of world energy, World Energy Outlook, La projection d émissions en Chine a été révisée à plusieurs reprises. Le chiffre indiqué est presque 60% plus élevé que celle prévue en 2002 de l AIE. i 2 Problématique Il y a deux questions fondamentales auxquelles cette thèse tentera de répondre. 1. Existe-t-il une trajectoire optimale d évolution des normes relatives à la performance énergétique du bâtiment dans le contexte d une urbanisation extrêmement rapide en Chine? 2. Si oui, quels sont des instruments politiques et économiques à mettre en place pour limiter la croissance de la demande énergétique et des émissions de CO 2 dans ce secteur dans le contexte économique et institutionnel chinois? L objet principal de notre travail est d élaborer des instruments intégrant l offre énergétique et la performance énergétique du bâtiment avec une approche de l analyse technico-économique afin de trouver les solutions permettant de minimiser le coût de l ensemble du système. Pourtant, la mise en oeuvre des politiques nécessite un cadre institutionnel adapté, la prise de décision est parfois très délicate parce que les gouvernements locaux sont souvent soumis à une double contrainte : 1. le développement économique à court terme ; 2. l épuisement des ressources ainsi que l impact environnemental à moyen et long terme, cela soulève la question fondamentale des sciences économiques, comment peut-on maximiser l utilité sociale avec des ressources limitées. Une ville chinoise (Tianjin) est choisie comme l étude de cas dans cette recherche. Le choix de la ville est pertinent du point de vue des prospectives énergétiques et économiques. Premièrement, la ville de Tianjin est représentative en termes de condition climatique dans la majorité des villes dans la Chine du nord, où les besoins de chauffage ne cessent d augmenter dans le secteur du bâtiment. La ville de Tianjin est située dans la zone officielle de chauffage où les chaudières et les centrales de cogénération centralisées distribuent de la chaleur. Deuxièmement, l économie et le niveau de vie des habitants vont continuer à s accroitre rapdiment dans les prochaines décennies. Le PIB par tête à Tianjin devrait atteindre 20,000 US$ en 2020, équivalent au niveau des pays moyennement industrialisés dans les années 1990.En effet, le confort d été est aussi une grande problématique énergétique dans le secteur résidentiel, la ville de Shanghai représente la zone climatique en transition où l utilisation de climatiseurs fonctionnant à pompe à chaleur (air-air) domine la consommation résidentielle d électricité, il paraît également nécessaire d effectuer une analyse des économies d énergie de climatisation dans le secteur du bâtiment à Shanghai. Pourtant, notre analyse prospective est focalisée sur la problématique du chauffage dans la partie du nord de Chine sous contrainte de données disponibles, ainsi seule la ville de Tianjin fait l objet de l exercice de modélisation dans cette recherche, l analyse succincte de la situation de Shanghai est présentée dans l annexe. La littérature explorant les expériences dans les pays développés montre que la demande des services énergétiques dans le résidentiel est étroitement corrélée avec le niveau de vie des habitants. Les ménages de la classe moyenne et supérieure peuvent accroitre leur consommation de services ii énergétiques à un moindre coût que les ménages à bas revenu. Cette observation intuitive implique que la future demande d énergie dans les bâtiments dans les grandes villes chinoises sera beaucoup plus importante si aucune mesure de la maîtrise de l énergie (MDE) n est prise à court terme car les contraintes de revenu seront progressivement relâchées à mesure que les ménages s enrichiront. 3 Méthodologie Une approche quantitative est employée pour identifier la trajectoire optimale de l évolution de la performance énergétique du parc de logements et le choix du système d offre d énergie à l échelle d une ville. Il s agit de modéliser les conséquences énergétique, environnementale et économique afin de trouver le(s) choix pertinent(s) permettant de minimiser le coût social. Le modèle sélectionné (LEAP) dans l analyse de la ville est de type bottom-up, adapté pour simuler les scénarios des politiques de MDE mises en place. Nous simulerons à la fois la puissance de charge ainsi que la consommation d énergie finale et primaire en fonction des hypothèses sur la performance du bâti et sur le système énergétique. Les coûts suivants sont pris en compte dans le calcul du modèle. coût de l amélioration du rendement énergétique, y compris le coût des matériaux de construction efficace, l enveloppe d isolation, de ventilation, mesures spécifiques du système de régulation, etc. coût des sources d énergie (charbon, gaz naturel, pétrole, électricité), le prix du marché est utilisé comme le proxy du coût social (shadow price) des ressources naturelles, le benchmark price des combustibles est retenu comme la référence du coût coût du capital de l installation de nouvelle puissance de la production de chaleur et d électricité pour répondre à la demande croissante) coûts fixe et variable des O&M coût des externalités de l environnement Dans le modèle, nous déterminons deux catégories de facteurs influençant la demande énergétique, par conséquent les résultats économiques du système : 1. critères socioéconomiques population, taux d urbanisation, revenu (représenté par le PIB par tête), surface moyenne par habitant, taille de ménage, taux de pénétration des équipements électroménagers et d appareils électriques. 2. critères techniques & physiques caractéristique thermique de l enveloppe (représentée par la U-value), température chauffée à l intérieur du bâtiment, période de chauffage, le rendement de production et de distribution, iii performance énergétique de l ensemble du système de fourniture de l énergie, application de nouvelles technologies avancées (e.g. CCS 3 ). Certaines variables sont interdépendantes telles que le niveau de confort et le revenu de ménage. De fait, les facteurs se décomposent en variables exogènes, explicitées directement selon nos hypothèses, et variables endogènes, calculées par le modèle en fonction de l input des variables exogènes. Nous établissions les interactions des variables par une série d équations. 4 Structure de la thèse La thèse se constitue en deux parties principales. Dans la première partie, j exposerai d abord la motivation de la recherche ainsi que la méthodologie employée. Ensuite, je présenterai les différentes trajectoires du développement de la performance énergétique des bâtiments et des technologies d offre d énergie (chauffage individuel, chaudière, usine de chaleur fonctionnant au charbon, énergie renouvelables etc) et les conséquences économiques et environnementales dans la ville de Tianjin en basant sur l approche de modélisation. Dans la deuxième partie, j aborderai l aspect institutionnel de l organisation des marchés énergétique et immobilier dans les deux villes, l analyse se focalise sur les jeux d acteurs du marché. Une revue générale des théories économiques sur les institutions, incitations et le choix social sera effectuée pour constituer le cadre d analyse. Par la suite, en combinant les résultats de la modélisation et de l analyse institutionnelle, je présenterai les résultats de la thèse et formulerai des recommandations d instruments politiques et économiques. Ces outils seront conçus pour inciter les acteurs à mieux prendre en compte les enjeux de la maîtrise de l énergie du bâtiment neuf et les choix technologiques de l offre de l énergie afin d anticiper la nécessaire transition vers une économie décarbonée. 5 Résumé des chapitres Le chapitre 1 explique la motivation de la recherche et la problématique de recherche et présente également la structure de la thèse et ses composants. La première partie de ce chapitre se consacre à la description du panorama de la consommation d énergie et les implications d émissions de CO 2 dans les villes chinoises. Il explique la raison pour laquelle nous devrons insister sur l importance de la prise en compte immédiate de l efficacité énergétique dans le bâtiment dans un contexte d urbanisation sans précédent en Chine. Une vue d ensemble de l économie de l efficacité énergétique ainsi que les barrières techniques et institutionnelles à la mise en œuvre des politiques 3 carbon caputre and storage iv de maîtrise de l énergie dans les secteurs résidentiel et tertiaire sont présentées dans la deuxième partie de ce chapitre. Le chapitre 2 commence par un bref descriptif de la littérature présentant différents modèles consacrés à l analyse prospective de la demande d énergie à moyen et long terme, i.e. les différents scénarios de la demande d énergie dans le secteur du bâtiment résultant des politiques de la MDE. L analyse des scénarios élaborés dans les études précédentes montrent que la consommation d énergie dans les bâtiments en Chine pourrait être réduite de millions de tonnes d équivalent pétrole (Mtep) en 2030 par rapport au business as usual(bau), ce qui signifie que millions de tonnes d émissions de CO 2 pourraient être évitées par la mise en œuvre des politiques énergétiques appropriées dans un cadre institutionnel adapté. L essentiel des économies d énergie réside dans le chauffage urbain au nord de la Chine. Pour cela, l amélioration de la performance thermique du bâtiment ainsi que la qualité de production et de distribution de chaleur devront jouer un rôle majeur dans la maîtrise de la demande énergétqiue et des émissions de CO 2. Par la suite, le chapitre explore les implications sociales, économiques et environnementales et les limites des études de modélisation. En examinant les hypothèses et les méthodes utilisées dans la littérature existante, nous montrons que les cadres de modélisation dans la littérature existante n ont pas abordé directement la question fondamentale de nos recherches et insistons sur la nécessité de trouver la réponse pertinente. Nous concluons à la fin du chapitre que l analyse prospective de la demande énergétique et des émissions de CO 2 dans le secteur du bâtiment est nécessaire pour répondre à notre question fondamentale et expliquons pourquoi le processus de modélisation est basée sur deux échelles différentes : analyse d un quartier type et de l ensemble de la ville. Le chapitre 3 présente la méthodologie et le cadre de modélisation permettant de remédier aux limites dees travaux précédents relatifs au choix optimal de la performance énergétique du bâtiment, mentionnés dans le chapitre 2. Nous décrirons la philosophie de la construction du modèle et les choix des scénarios dans la seconde moitié de ce chapitre, la question sur les taux d actualisation sera également abordée. Le chapitre 4 présente les résultats de la modélisation à l échelle d un nouveau quartier d habitation où 70% du bâti est d utilité résidentielle et 30% des bâtiments sont conçus à des fins commerciales. L étude du quartier est basée sur plusieurs modules dans lesquels les différents portefeuilles de technologies (performance du bâti, système d approvisionnement en chaleur) sont testées afin de comparer les coûts et les avantages de différents niveaux de la construction conformément aux normes d efficacité du bâtiment résidentiel dans une nouvelle zone d aménagement de la ville de Tianjin. Il s agit d une évaluation de la décision d investissement prise lors du développement d une nouvelle zone d aménagement où l ensemble des logements sont construits en même temps. Nous évaluons les exigences de la performance thermique de différentes stratégies afin d identifier les v normes optimales pour une période de 20 ans. Le résultat montre que la réglementation thermique actuelle en Chine ne permet pas d atteindre le niveau optimal (coût social minimisé) du point de vue social, on observe que la norme la plus exigeante d aujourd hui (équivalente à celle de la Suède) génère un coût global moins élevé que la réglementation, lorsque les couts des externalités ( cout d émissions de CO 2 ) ne sont pas pris en compte). Le calcul montre également que quelque soit la prise en compte ou non du coût des externalités (émissions de SO 2 ; CO 2 ), la construction des bâtiments conformément aven une performance énergétique équivalente aux exigences dans la norme française ( RT 2005) combinée avec la cogénération fonctionnant au charbon à l échelle du quartier permettrait d atteindre l optimum pour la période , tandis que l équivalent de la norme suédoise serait préférable lorsque le prix du carbone est explicite et suffisamment élevé. La politique dite fuel switch préconisant la substitution massive du charbon par le gaz naturel dans la production d énergie en ignorant la performance énergétique du bâti se révèle être un choix non pertinent car le coût serait extrêmement élevé. Le bilan carbone serait cependent nettement supérieur aux options charbon les meilleures. Le chapitre 5 poursuit le cheminement des travaux du chapitre 4 en introduisant la dynamique du parc. L objectif central est de comparer les différentes stratégies d investissement dans maîtrise de la demande et les technologies d offre afin d identifier les options optimales. L enjeu capital pour l autorité publique est d établir le pont entre la décision d investissement d aujourd hui et la capacité de transformer les bâtiments en infrastructures de basse intensité énergétique et faibles émissions de carbone à l avenir. Il s agit d un arbitrage d investissement à différents horizons de temps, puisque une grande partie du parc existant peu performant construit avant 2005 devra être réhabilité et que l infrastructure du système d offre d énergie (e.g. chaudières au charbon) devra être renouvelée à l horizon Ce sera donc l occasion de de faire des choix d investissement tant du côté de l offre que celui de la demande.en matière d offre d énergie, soit la ville pourra opter pour le fuel-switching en substituant massivement le gaz au charbon dans les chaudières ; soit elle pourra introduire les low-carbon technologies (CCS entre autres) progressivement en maintenant la structure dominante du charbon. Or ces nouvelles orientations d investissement dans les technologies d offre requiert nécessairement la capacité de financement qui, à leur tour, dépendent directement de la qualité de la performance énergétique du parc que l on construit dès aujourd hui jusqu en L amélioration de l efficacité énergétique du bâtiment va générer des rentes financières grâce à la réduction des coûts d exploitation du système tout au long de la période. Les décideurs politiques pourront transformer les rentes en capacité d investissement dans de nouvelles technologies d offre à partir de dans un contexte institutionnel adapté. Il s agit donc de comparer les différents modèles d investissement à la fois dans la demande et dans l offre. Les coûts et bénéfices séquentiels seront illustrés comme résultats de modélisation afin de savoir vi comment l autorité locale doit arbitrer les décisions d investissement dans les différents temps sous contraintes des ressources économiques limitées. Ce chapitre modélise les conséquences énergétique, environnementale et économique des stratégies envisagées (traduites en scénarios dans le modèle) avec les résultats chroniques (profil annuel) résultats annuels et cumulés pour expliciter leurs coûts et avantages respectifs. Contrairement au chapitre 4 dans lequel un parc statique (construction neuve ) est pris en compte, le chapitre 5 intègre également le parc existant dans le calcul total, autrement dit, nous modélisons la dynamique de l ensemble du parc du bâtiment (construction neuve, démolition, réaffectation,réhabilitation etc.). Nous simulerons une dizaine de scénarios selon le niveau d exigence des normes des bâtiments et les différentes technologies du système de fourniture énergétique. Par ailleurs, une variante de non réhabilitation du parc existant en 2005 sera aussi simulée dans chaque scénario pour comparer les coûts actualisés. Les options de l offre d énergie considérées dans ce chapitre couvrent presque toutes les technologies disponibles de la production de chaleur et d électricité, de manière plus complète plus complète que dans le chapitre 4. Dans les scénarios sous contrainte carbone, le prix du carbone sera introduit pour prendre en compte les coûts environnementaux. Les résultats de l analyse sont assez similaires à ceux trouvés dans le chapitre précédent, les exigences équivalentes à la norme suédoise seraient le choix optimal dans la plupart des cas étant donné les technologies d offre d énergie. Les scénarios fuel switc
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